Sähkölehdon uusimman asiantuntija-artikkelin aiheena jarruvastusten mitoitus. Kirjoittajana vastusasiantuntija Miikka Laukkanen.
Missä jarruvastuksia tarvitaan?
Jarruvastus käytetään monilla toimialoilla, esimerkiksi raitioliikenne, energia, öljy ja kaasu, kaivos, meri ja autoteollisuus. Käyttökohteina toimivat esimerkiksi nosturit, pumput, tuulettimet, kuljetinhihnat, junat, raitiovaunut ja azipodit.
Taajuusmuuttajakäytöt
Nykyisten kolmivaihemoottoreiden nopeutta hallitaan usein taajuusmuuttajakäytöillä. Taajuusmuuttajat muuttavat moottorille syötettävän vaihtojännitteen taajuutta, mikä vaikuttaa moottorin pyörimisnopeuteen. Moottorin toimiessa tulee tilanteita, joissa sen tulee kyetä myös jarruttamaan sen ohjaamaa liikettä, esimerkiksi nostotaakkojen laskusuunnassa. Tällöin moottori toimii generaattorina ja ohjaa jarrutuksesta aiheutuvan energian taajuusmuuttajan DC-välipiiriin.
Useimmiten tämän energian takaisinsyöttäminen verkkoon ei ole taloudellista, vaan parempi ratkaisu on käyttää jarruvastuksia ylimääräisen sähköenergian muuntamiseen lämpöenergiaksi. Taajuusmuuttajapiirin ja jarruvastuksen välillä on jarrukatkoja, joka toimii elektronisena kytkimenä. Jarrukatkojat aktivoituvat automaattisesti, kun välipiirin tasajännite ylittää tietyn vaihtosuuntaajan nimellisjännitteeseen verrannollisen rajan.
Jarruvastusten mitoitus – tarvittavat arvot
Taajuusmuuttajavalmistajat ilmoittavat käyttöohjeissaan sallitun ylijännitteen, sekä ulkoisen jarruvastuksen minimivastusarvon. Nämä ovat tärkeitä lähtötietoja jarruvastuksen mitoituksen kannalta. Näistä arvoista voidaan määrittää myös suurin sallittu virta-arvo, jota tarvitaan mm. vastusliitäntöjen mitoitukseen.
Arvioitaessa jarruvastukselta vaadittavaa energian vastaanottokykyä, tulee toimintaketjussa palata moottorin ohjaamaan kuormaan. Tällä liikkeessä olevalla kuormalla on liike-energiaa, jonka pieneneminen ohjautuu jarruvastukselle sähköenergiana. Tämä energia ei siirry kokonaisuudessaan jarruvastukselle, vaan liikettä hidastaa useimmiten muutkin tekijät kuten kitka.
Ylikuormituksen laskeminen
Valmistajat antavat vastuksilleen useimmiten ainoastaan sallitun jatkuvan kuormitustehon. Tällä teholla kuormitettaessa vastuksen lämpeneminen pysyy varmasti hallinnassa. Useissa tapauksissa vastusta ei tulla kuitenkaan kuormittamaan jatkuvasti, vaan ainoastaan lyhyen aikaa. Tällaisia tapauksia ovat esimerkiksi varautuminen hätäpysäytykseen, jolloin kuorma pysäytetään nopeasti ja täysin pysähdyksiin.
Hetkellistä kuormitusta tapahtuu myös nostosovellusten laskusuunnassa, kun kuormaa jarrutetaan ja vastusta kuormitetaan, kun taas nostosuunnassa vastus saa jäähtyä. Tällöin ei ole tarpeellista käyttää liian kookasta vastusta, vaan voidaan määrittää vaadittava jatkuva kuormitettavuus käyttäen hetkellisiä tehoja ja kuormitusaikoja.
Käyttökohde määrittää ajallisen raamin, niin sanotun kokonaissyklin (T) kuormitukselle. Tähän kuuluvat kuormitusajat (Ton) ja lepoajat. Näistä voidaan laskea kuormitussyklitekijä (Duty cycle factor DCF):
DCF = Ton / T
Esim. kuormitusta Ton=20 s ja lepoa 100 s -> kokonaissykli T=120 s. Tällöin
DCF=20 s / 100 s = 0,2 = 20 %.
Valmistajat antavat rajoitteita laskennallisille kokonaissykleille. Esimerkiksi Frizlen tehovastuksille laskennallinen kokonaissykli T on maksimissaan 120 s. Lyhyemmät syklit ovat mahdollisia.
Valmistajat myös ilmoittavat eri vastuslajiensa ominaisylikuormituskyvyt. Nämä ilmoitetaan kokeellisista tuloksista muodostettuina kuvaajina, joissa ylikuormitustekijä (OLF) esitetään DCF:n funktiona. Esimerkiksi Frizlenin teräsritilävastuksille pätee:
Näiden tekijöiden avulla pystytään lyhytaikaisille kuormituksille määrittämään vastukselta vaadittava jatkuva kuormitettavuus.
Lyhytaikainen kuormitettavuus = Jatkuva kuormitettavuus x OLF
Jatkuva kuormitettavuus = Lyhytaikainen kuormitettavuus / OLF
Esimerkkilaskelma
Vastusta tulee voida kuormittaa 100 kW teholla 48 s ajan ja laskennallinen kokonaissykli on 120 s. Tällöin DCF = 48 s / 120 s = 40 %
Kuvaajasta ja taulukosta nähdään, että OLF (40 %) = 2,2
Tällöin tähän hetkelliseen kuormitukseen tarvittavan vastuksen tulee kyetä ottamaan jatkuvaa kuormitusta = 100 kW / 2,2 = 45,5 kW.
Jarruvastusten mitoitus – Lämmönhallinta
Jarruvastuksille annettava jatkuva kuormitettavuus vaatii lämpöenergian vapaan pääsyt pois järjestelmästä. Normaalisti tämä tapahtuu passiivisella lämmön haihtumisella. Vastusten sallittua jatkuvaa kuormitettavuutta voidaan kasvattaa kasvattamalla lämmön siirtymistä pois järjestelmästä. Siirtymistä voidaan nopeuttaa joko ilmateitse tai rakenteita pitkin.
Ilmateitse nopeutus tapahtuu lisäämällä vastuksen läpi kulkevaa ilmanvaihtoa aktiivisella tuulettimella. Rakenteita pitkin lämpöä voidaan siirtää asentamalla vastuskoteloon mekaanisia jäähdytinrakenteita tai esimerkiksi nestekierto. Nestejäähdytyksen etuna on mahdollisuus lämmön siirtämiseen pois ympäristöstä.
Lämmön huomioiminen on tärkeää, etenkin mikäli vastukset asennetaan suljettuun tilaan, esimerkiksi sähkökaappiin. Tällöin vastus lämmittää kaapin sisälämpötilaa, mikä voi aiheuttaa muille kaapin komponenteille, esimerkiksi elektroniikalle vaarallisen ympäristön.
Tällöin on suositeltavaa käyttää esimerkiksi aktiivista tuuletusta poistamaan ylimääräinen lämpö kaapista. Suurempien kuormien hallinta tuo ympäristöön paljon ylimääräistä lämpöä, mistä johtuen isot vastuskokonaisuudet asennetaan useimmiten ulos.
Lisätietoja
Miikka Laukkanen
+358 405 114 135
miikka.laukkanen@sahkolehto.fi
Lue lisää: Frizlen jarruvastukset soveltuvat suurien massojen pysäyttämiseen
Tutustu lisää: Kattava Frizlen teho- ja jarruvastusvalikoimamme
Tutustu lisää: Päämies Frizlenin omat sivut
Tutustu lisää: Muut oppaamme löytyvät materiaalit-sivulta