Guía para el dimensionamiento de resistencias de frenado para variadores de frecuencia: Cómo calcular y seleccionar la resistencia adecuada.

Se sabe que una resistencia de frenado protege las máquinas industriales contra fallas por sobretensión. Absorbe el pico de energía regenerativa que produce un motor durante la desaceleración. Las líneas de producción de alta inercia continúan funcionando en lugar de detenerse a mitad de ciclo gracias a la capacidad de la resistencia para disipar la energía en forma de calor.

¿Por qué las cargas de alta inercia provocan fallas por sobretensión?

Cuando un VDF obliga a una carga de alta inercia, como una cinta transportadora pesada, a desacelerar más rápido que su tiempo de parada habitual, el impulso del propio motor la convierte en un generador. Lo que sucede a continuación es que la electricidad regenerada fluye directamente de vuelta al bus de CC presente en el conducir.

Cuando un Variador de frecuencia (VFD) Si se fuerza una carga de alta inercia, como un polipasto de grúa, un ventilador grande o una cinta transportadora pesada, a desacelerar más rápido que su tiempo natural de inercia hasta detenerse, el propio impulso del motor la convierte en un generador. Esa electricidad regenerada fluye directamente de vuelta al bus de CC del variador.

Si no se controla, el pico de voltaje supera los límites de seguridad del variador y activa una falla por sobretensión. Una resistencia de frenado VDF del tamaño adecuado, junto con el transistor de conmutación interno del variador, proporciona a ese pico una vía segura.

Tabla de referencia de fórmulas para ingenieros

A continuación se muestran algunas ecuaciones que puede utilizar para calcular y elegir la resistencia adecuada.

Dónde:

T_brake = el par de frenado requerido en Nm

omega = velocidad angular del motor en rad/s

V_dc = el umbral de activación del chopper, alrededor de 780 V CC en líneas que van desde 400 a 480 V.

Paso a paso Resistencia de frenado del variador de frecuencia Dimensionamiento y cálculo

Paso 1: Calcular la potencia máxima de frenado

El primer paso es determinar la potencia mecánica máxima que se puede generar en el punto de desaceleración. Si se trata de grúas y polipastos, conviene considerar tanto la energía cinética de la masa como la fuerza gravitatoria que actúa en su contra.

Paso 2: Encontrar la resistencia mínima

Ahora aplique R_min = (V_dc)^2 / P_peak usando el voltaje de activación del chopper. Por debajo de este valor, la corriente que pasa por el circuito excede la capacidad máxima de la resistencia del chopper, lo que provoca su avería. 

Paso 3: Calcular el ciclo de trabajo y la potencia media.

Las resistencias se calientan durante el frenado y se enfrían durante el funcionamiento a velocidad constante, por lo que el ciclo de trabajo (tiempo de frenado dividido por el tiempo total del ciclo) determina la cantidad de potencia continua que la unidad necesita disipar.

Paso 4: Incluya un margen de seguridad.

Utilice un factor de 1,2 a 1,3 para cargas estándar como bombas y ventiladores. Un factor de 1,5 o superior es mejor para cargas pesadas y cíclicas como polipastos y grúas, ya que las restricciones del flujo de aire y el calor ambiental reducen rápidamente los márgenes.

Ejemplo práctico de dimensionamiento: Cinta transportadora industrial

Supongamos que tiene una cinta transportadora pesada que funciona con un variador de frecuencia de 400 V. Todo el sistema debe absorber una carga máxima de aproximadamente 30 kW durante un mínimo de 6 segundos de cada 60. Y debe hacerlo con 780 V CC en el interruptor chopper interno.

Aquí tienes tres cálculos que te ayudarán a elegir el hardware adecuado. 

1. Resistencia objetivo: Toma el cuadrado de tu voltaje de activación y divídelo por tu pico de potencia:

R = (780^2)/(30000) = 20,28 Ω

Una resistencia de 20,28 ohmios o ligeramente superior garantiza que el componente no consuma demasiada corriente. Además, reduce las probabilidades de que el transistor interno del variador de frecuencia se queme.

2. Potencia media: La cinta transportadora solo se detiene durante 6 segundos en un ciclo de 60 segundos. En otras palabras, funciona con un ciclo de trabajo de 10%. Se puede calcular el calor continuo generado en promedio, que resulta ser:

30 kW × 0,10 = 3 kW

3. Margen de seguridad térmica: Ahora, tome la potencia promedio y multiplíquela por un factor de seguridad de 1,3:

3 kW × 1,3 = 3,9 kW

Hacerlo ayuda a aislar el sistema contra los gabinetes de control calientes.

Así que, a la hora de elegir el componente definitivo, el hardware que adquieras debe tener una resistencia de 20,28 ohmios. No olvides que debe ir acompañado de una capacidad térmica continua de al menos 4 kW para garantizar un margen de seguridad.

Errores de ingeniería que se deben evitar

Dado que la sobrecorriente no tiene adónde ir, bajar de R_min es una forma rápida de dañar un chopper. En caso de subestimar el ciclo de trabajo, el proceso se ralentiza, ya que el núcleo se sobrecalienta hasta que falla. Montar una unidad de alta potencia dentro de un gabinete sellado perjudica todo el diseño, puesto que estos componentes necesitan ventilación para disipar el calor, no una caja cerrada que lo atrape.

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Danfoss 132F0059 VLT Variador de frecuencia 15 kW 20 HP 400 V Trifásico

Fabricante: Danfoss
Modelo: 132F0059 / FC-051P15KT4E20H3BXCXXXSXXX
Clasificación de potencia: 15 kW (20 CV)
Voltaje de entrada: 380–480 V CA (trifásico)

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Preguntas frecuentes

¿Qué es un chopper de frenado y mi variador de frecuencia ya tiene uno?

El interruptor interno encargado de monitorizar la tensión del bus de CC y redirigir la corriente de acceso a una resistencia externa cuando esta supera un umbral de seguridad se denomina chopper de frenado. Se encuentra en la mayoría de los variadores de baja a media potencia, pero los variadores de más de 200 kW suelen requerir una unidad de frenado externa.

¿Puedo conectar varias resistencias en serie para alcanzar un valor específico?

Sí, es posible. Ten en cuenta que el cableado en serie es ideal para sumar resistencias. Por otro lado, puedes reducir la resistencia total mediante cableado en paralelo. Dado que ambas configuraciones aumentan la potencia total, combinarlas se considera una opción válida para alcanzar un objetivo no estándar. 

¿En qué se diferencia un módulo de frenado dinámico de un sistema de propulsión regenerativa?

Un módulo de frenado dinámico disipa la energía regenerada en forma de calor, lo que resulta fiable y rentable para paradas intermitentes. Un sistema de accionamiento regenerativo reincorpora esa energía a la red de corriente alterna de la instalación, lo que resulta adecuado para máquinas que frenan continuamente.

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