بریک یونیت یا یونیت ترمز اینورتر چیست ؟
اگر با اینورترها و درایوهای فرکانس متغیر کار کرده باشید، حتماً با این وضعیت روبهرو شدهاید: زمانی که موتور باید خیلی سریع متوقف شود، اما درایو خطای اضافه ولتاژ روی لینک DC میدهد و سیستم تریپ میکند. در اینجا است که برک یونیت وارد بازی میشود. بریک یونیت در کنار مقاومت ترمز، انرژی مکانیکی ذخیرهشده در شفت موتور را هنگام ترمزگیری به گرما تبدیل میکند و جلوی بالا رفتن بیش از حد ولتاژ باس DC را میگیرد. نتیجه این است که هم موتور سریعتر و ایمنتر میایستد، هم اینورتر از آسیب دیدن نجات پیدا میکند. در این مقاله به زبان کاملاً کاربردی توضیح میدهیم که برک یونیت چیست؟ چطور انتخاب میشود؟ چه تفاوتی با چاپر ترمز داخلی دارد؟ و هنگام طراحی و بهرهبرداری باید به چه نکاتی توجه کنید.
بریک یونیت چیست؟
بریک یونیت (Brake Unit یا Braking Chopper) یک ماژول الکترونیکی است که روی لینک DC اینورتر نصب میشود و در زمان ترمزگیری موتور، اضافهولتاژ روی باس DC را بهکمک مقاومت ترمز دفع میکند. اجازه بدهید با یک مثال برای شما توضیح دهم، برای مثال ما یک کانوایرشیبدار داریم که کیسه های سیمان روی ان حرکت میکند، فرض کنید به صورت اتقاقی کیسه های سیمان روی کانوایر انداخته شوند، چه اتفاقی میوفتد؟ بله درست است یک انرژی زیادی در جهت حرکت کانوایر به ان وارد میشود که به ان انرژی برگشتی میگویند. در آن حالت میگوییم اضافه ولتاژ روی باس DC رخ میدهد و موتور به حالت ژنراتوی میرود، اینجاست که بریک یونیت و مقاومت ترمز نقش آفرینی میکنند. برک یونیت ولتاژ را پایش میکند و به محض عبور از یک مقدار مشخص، مقاومت ترمز را به باس DC وصل میکند. انرژی مازاد در مقاومت ترمز به گرما تبدیل میشود و ولتاژ لینک DC کنترل میگردد.
اجزای اصلی برک یونیت
یک برک یونیت معمولاً شامل این بخشها است:
- مدار اندازهگیری ولتاژ لینک DC برای تشخیص لحظه فعال شدن.
- سوئیچ قدرت (معمولاً IGBT یا MOSFET) که مقاومت ترمز را به باس DC وصل یا قطع میکند.
- مدار درایور سوئیچ برای کنترل دقیق زمان روشن/خاموش شدن.
- حفاظتها مثل حفاظت اضافهجریان، اضافهحرارت، خطای اتصال کوتاه مقاومت ترمز و…
خود مقاومت ترمز معمولاً یک یا چند مقاومت توان بالا (Wirewound یا آلومینیومی) است که بیرون تابلو روی بدنه فلزی و با تهویه مناسب نصب میشود.
چرا یونیت ترمز اینورتر مهم است؟
برای رسیدن به جواب این سوال ابتدا حالتی رو در نظر میگیریم که یونیت ترمز نباشد.
رفتار اینورتر بدون برک یونیت
در حالت عادی، انرژی برگشتی موتور در خازنهای لینک DC ذخیره میشود. اگراین انرژی زیاد باشد (ترمز شدید یا اینرسی بالا)، ولتاژ باس DC از حد مجاز اینورتر بالاتر میرود. در این شرایط:
- اینورتر برای حفاظت از خود، خطای DC Over Voltage میدهد.
- درایو خروجی را قطع میکند، و موتور رها میشود تا خودش با اینرسی بایستد؛ (یعنی دیگرترمز تحت کنترل درایو نیست و فقط اینرسی مکانیکی تعیین میکنه که چه زمانی بایستد و این بسیار بد است.)
در کاربردهای حساس مثل جرثقیل، آسانسور، بالابر، سانتریفیوژ و… این موضوع میتواند کاملاً خطرناک یا دستکم مزاحم بهرهبرداری باشد.
کاربردهای متداول برک یونیت
برک یونیت و مقاومت ترمز در هر جایی که اینرسی بار بالاست یا نیاز به توقف سریع است کاربرد دارند؛ برای مثال:
- جرثقیلها و بالابرها: پایین آوردن بار سنگین، موتور را ژنراتور میکند.
- آسانسورها و بالابرهای نفربر: ترمز نرم و کنترلشده برای راحتی و ایمنی مسافر.
- سانتریفیوژها و فنهای بزرگ: اینرسی زیاد پروانه و روتور، ترمز طبیعی را طولانی میکند.
- ماشین ابزار و CNC: نیاز به توقف سریع.
- نوار نقالههای شیبدار: بار میتواند موتور را بهسمت ژنراتوری شدن ببرد.
در همه این مثالها، بدون یونیت ترمز اینورتر یا چاپر ترمز داخلی، یا باید زمان ترمز را زیاد در نظر بگیرید یا با ریسک خطاهای مکرر و حتی آسیب به تجهیزات کنار بیایید.
بریک یونیت و رابطه آن با چاپر ترمز داخلی
در بسیاری از اینورترها بریک یونیت بهصورت چاپر ترمز داخلی روی برد تعبیه شده و فقط کافی است مقاومت ترمز را به ترمینالهای مخصوص آن متصل کنیم؛ در غیر این صورت از بریک یونیت خارجی استفاده میشود.
چاپر ترمز داخلی چیست؟
بسیاری از اینورترهای جدید، بهویژه در رنجهای توان متوسط و بالا، یک چاپر ترمز داخلی روی برد خود دارند. یعنی آن سوئیچ قدرت و مدار کنترل بریک یونیت، درون اینورتر تعبیه شده و فقط کافی است مقاومت ترمز را مطابق دفترچه راهنما به ترمینالهای مشخص وصل کنید. در این حالت نیازی به ماژول بریک یونیت جداگانه نیست و فقط باید توان و مقدار اهم مقاومت ترمز را طبق کاتالوگ انتخاب کنید. حتماً محدودیتهای حداقلی و حداکثری اهم و توان قابل تحمل برای چاپر داخلی را رعایت کنید.
برک یونیت خارجی چیست؟
در این روش، یونیت ترمز اینورتر بهصورت یک ماژول جداگانه روی ریل یا صفحه تابلو نصب میشود و به باس DC اینورتر (ترمینالهای +DC و −DC یا P و N) متصل میگردد. این گزینه در چند حالت استفاده میشود:
- اینورتر چاپر ترمز داخلی ندارد؛
- توان ترمزگیری که نیاز داریم از ظرفیت چاپر داخلی بیشتر باشد؛
- چند اینورتر کوچک با هم به یک برک یونیت قویتر و مقاومت مشترک وصل شوند.
در هر دو حالت (چاپر ترمز داخلی یا برک یونیت خارجی)، فلسفه کار یکسان است؛ تفاوت فقط در محل قرارگیری و ظرفیت است.
نکات کلیدی در انتخاب بریک یونیت و مقاومت ترمز
خب حالا فرض کنید که خرید اینورتر را انجام داده ایم و نیاز به بریک یونیت و مقاومت ترمز داریم، در ادامه مراحل انتخاب برک یونیت و مقاومت ترمز را بررسی میکنیم.
۱. بررسی وجود یا عدم وجود چاپر ترمز داخلی
اولین قدم، نگاه به کاتالوگ اینورتر است؛ اگر در جدول مشخصات، آیتمی با عنوانهایی مثل Brake chopper, Internal braking unit, Built-in braking transistor وجود داشته باشد، یعنی چاپر ترمز داخلی دارید. در این صورت فقط باید مقاومت ترمز مناسب را انتخاب و نصب کنید. اگر چنین گزینهای وجود نداشته باشد، باید از برک یونیت خارجی استفاده کنید.
۲. محاسبه انرژی ترمز و توان برک یونیت
برای انتخاب ظرفیت یونیت ترمز اینورتر، سه عامل مهماند:
- توان موتور (kW)
- جرم و اینرسی مکانیکی بار
- الگوی کارکرد (چند بار در دقیقه ترمز شدید داریم؟ مدت هر ترمز چقدر است؟)
بهطورمعمول و تجربی: برای کاربردهایی با ترمز سبک و با تکرار کم (مثلاً توقف چندبار در ساعت)، میتوان از بریک یونیت با توان نامی نزدیک به ۱۰–۲۰٪ توان موتور استفاده کرد. برای کاربردهای سنگینتر (جرثقیل، سانتریفیوژ) که دارای توقف های مکرر هستند، معمولاً سازندگان جداول آماده ای ارائه میدهند که بر اساس توان موتور و پروفایل ترمز، مدل مناسب یونیت ترمز را پیشنهاد میکنند.
نکته مهم این است که بریک یونیت نباید دائماً در صددرصد توان کار کند؛ معمولاً برای Duty Cycleهای مشخص (مثلاً 10% یا 20%) طراحی میشود.
۳. انتخاب مقدار اهم و توان مقاومت ترمز
در کنار برک یونیت، انتخاب درست مقاومت ترمز بسیار حیاتی است. هر اینورتر یا بریک یونیت، محدودهای برای مقدار اهم (Rmin و Rmax) اعلام میکند. اگر R خیلی بزرگ باشد، جریان ترمز کم شده و ترمزگیری ضعیف خواهد بود و اگر R خیلی کوچک باشد، جریان ترمز بیش از حد شده و هم مقاومت، هم چاپر ترمز در معرض اضافهجریان و آسیب قرار میگیرند.
برای توان مقاومت ترمز دو مفهوم مهم داریم:
- توان لحظهای (Peak): در زمان فعال بودن بریک، مقاومت باید توان بسیار بالاتری را تحمل کند؛
- توان میانگین (Continuous): با توجه به تعداد دفعات ترمز و مدت هر ترمز محاسبه میشود.
طراح باید با توجه به سیکل کاری، مقاومت ترمز را با یک حاشیه امن مناسب انتخاب کند؛ مثلاً اگر محاسبه توان میانگین 3kW باشد، معمولاً از مقاومت 4–5kW استفاده میشود.
۴. محل نصب و تهویه
از آنجا که مقاومت ترمز دمای زیادی ایجاد میکند پس:
- هرگز آن را در فضای بسته بدون تهویه نصب نکنید؛
- از تماس اجسام قابل اشتعال با بدنه داغ مقاومت جلوگیری کنید؛
- در تابلوهای صنعتی، معمولاً مقاومت ترمز روی سقف تابلو یا روی شاسی فلزی بیرون تابلو نصب میشود.
چرا با ترمز شدید اینورتر خطای DC Over Voltage میدهد؟
فرض کنید یک موتور 15kW روی جرثقیل دارید. بار چند تن وزن دارد و هنگام پایین آمدن، موتور در حالت ژنراتوری انرژی قابلتوجهی تولید میکند. اگر:
- ترمز مکانیکی را دیر بگیرید،
- Ramp ترمز اینورتر را خیلی کم تنظیم کنید،
- و بریک یونیت و مقاومت ترمز نداشته باشید،
در هر ترمز، ولتاژ لینک DC از حد مجاز (مثلاً 780VDC برای درایو 400V) بالاتر میرود و اینورتر برای حفاظت، خطای اضافهولتاژ میدهد. نتیجه: جرثقیل وسط کار میایستد و اینجاست که اپراتور کلافه میشود.
با نصب برک یونیت و مقاومت ترمز مناسب، همان انرژی اضافه روی مقاومت هدر میرود و اینورتر میتواند بار را بهشکل کنترلشده و نرم متوقف کند.
تنظیم پارامترهای ترمز در اینورتر
حتی وقتی بریک یونیت دارید، باید پارامترهای درایو را درست تنظیم کنید:
- Ramp ترمز را درست تنظیم کنید؛ ترمز بیش از حد سریع همیشه هم لازم نیست.
- اگر اینورتر گزینه Brake Control یا Braking Enable دارد، آن را فعال کنید.
- در برخی درایوها میتوان استانه فعال شدن برک یونیت (Brake Start Voltage) را نیز تنظیم کرد.
تفاوت بریک یونیت با ترمز DC
بعضی افراد بریک یونیت را با ترمز DC اشتباه میگیرند. در حالیکه این دو مفهوم کاملاً متفاوتاند:
- برک یونیت + مقاومت ترمز ← انرژی ژنراتوری را روی لینک DC گرفته و در مقاومت مصرف میکند.
- ترمز DC← در انتهای ترمزگیری، یک جریان DC کوچک در سیمپیچ استاتور تزریق میشود تا روتور مغناطیسی شده و سریعتر متوقف شود؛ این روش برای توقف نهایی و قفلکردن شفت مناسب است، نه دفع انرژی زیاد اینرسی.
جمعبندی نهایی
ما در این بلاگ سعی کردیم هر مفهوم و نکته ای که درباره مقاومت ترمز، چاپر داخلی و بریک یونیت مهم بود را بیان کنیم. بهطور خلاصه، داشتن بریک یونیت زمانی که بار شما اینرسی زیاد دارد؛ نیاز به توقف سریع و مکرر موتور دارید؛ هنگام ترمزگیری، اینورتر گاهی یا همیشه خطای DC Over Voltage میدهد و در کاربردهای حساس، توقف موتور کنترل نشده است، لازم و ضروری هست. در این شرایط، بررسی وجود چاپر ترمز داخلی، انتخاب درست مقاومت ترمز، و یا استفاده از یونیت ترمز اینورتر خارجی، جزو مراحل اصلی طراحی پروژه محسوب میشود. برای مشاوره فنی رایگان درباره انتخاب مقاومت ترمز، درایو مورد برای نیاز پروژه و… با شماره 02191091022 با کارشناسان فنی تتاصنعت تماس حاصل فرمایید.
پرسشهای متداول درباره بریک یونیت
1) بریک یونیت دقیقاً چه کاری انجام میدهد؟
بریک یونیت ولتاژ لینک DC اینورتر را در زمان ترمزگیری پایش میکند و وقتی ولتاژ از حد مشخص بالاتر رفت، مقاومت ترمز را به باس DC وصل میکند. به این ترتیب، انرژی برگشتی موتور در مقاومت ترمز به گرما تبدیل شده و جلوی اضافهولتاژ و تریپ اینورتر گرفته میشود.
2) چه فرقی بین چاپر ترمز داخلی و بریک یونیت خارجی وجود دارد؟
چاپر ترمز داخلی روی برد خود اینورتر قرار دارد و فقط نیاز به اتصال مقاومت ترمز به ترمینالهای مشخص دارد. بریک یونیت خارجی یک ماژول جداگانه است که به باس DC اینورتر وصل میشود. از یونیت ترمز خارجی وقتی استفاده میشود که اینورتر چاپر داخلی ندارد یا ظرفیت چاپر داخلی برای ترمزگیری موردنیاز کافی نیست.
3) مقاومت ترمز را چطور انتخاب کنیم؟
برای انتخاب مقاومت ترمز به سه موضوع توجه کنید:
- محدودهٔ Rmin و Rmax اعلامشده توسط سازنده،
- توان لحظهای و میانگین موردنیاز با توجه به اینرسی بار و تعداد ترمزها،
- شرایط نصب و تهویه.
مقدار اهم خارج از محدودهٔ مجاز میتواند باعث ترمز ضعیف یا اضافهجریان و آسیب به بریک یونیت شود.
4) آیا استفاده از بریک یونیت باعث صرفهجویی انرژی میشود؟
خیر؛ بریک یونیت، انرژی ژنراتوری را روی مقاومت ترمز به گرما تبدیل میکند و عملاً این انرژی هدر میرود. اگر هدف شما بازیابی انرژی است، باید از یونیت بازتغذیه (Regenerative Unit) استفاده کنید که انرژی را به شبکه برمیگرداند، نه از یونیت ترمز اینورتر.
5) چه زمانی بهجای بریک یونیت از تنظیم Ramp ترمز استفاده کنیم؟
در کاربردهایی که اینرسی کم است و نیازی به توقف خیلی سریع ندارید، میتوانید Ramp ترمز را بیشتر تنظیم کنید تا انرژی ترمز بهصورت ملایم در خازنهای لینک DC جذب شود. اگر با طولانیتر کردن Ramp، دیگر خطای اضافهولتاژ رخ ندهد، شاید نیازی به نصب بریک یونیت نباشد. اما در بارهای اینرسی بالا و توقفهای سریع، معمولاً بریک یونیت اجتنابناپذیر است.