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制動抵抗器の動作原理、種類、保護回路、比較

制動抵抗器は、モーターの速度が低下したときの過剰なエネルギーを制御し、ドライブ内の危険な電圧上昇を防ぐのに役立ちます。この記事では、制動抵抗器の役割、制動抵抗器が DC バスおよびブレーキ チョッパーとどのように連携するか、安全な減速になぜ必要なのかを学びます。また、その主要な評価、保護方法、一般的なタイプ、テスト手順、障害、および用途も表示されます。

カタログ

図 1. 制動抵抗器

制動抵抗器とは何ですか?

制動抵抗器は、モーター減速時の過剰エネルギーを制御するためにモーター駆動システムで使用される電気部品です。その主な目的は、電源に送り返すことができない電気エネルギーを安全に吸収することです。制動抵抗器は、ドライブ システム内の電圧レベルが不安定になるのを防ぎます。可変周波数ドライブやサーボドライブでよく使用されます。電気エネルギーを熱に変換することで、モーターの安定した制御された動作をサポートします。

制動抵抗器の動作原理

図 2. 制動抵抗器の動作原理図

回転するモーターが発電機のように機能するため、モーターが減速すると回生エネルギーが発生します。このエネルギーは駆動システムの DC バスに逆流し、DC 電圧を上昇させます。エネルギーが除去されないと、電圧が安全限界を超える可能性があります。ブレーキ システムは、この過剰なエネルギーを管理するために使用されます。

ブレーキ チョッパーは DC バス電圧を監視し、電圧が設定レベルに達すると作動します。ブレーキチョッパーが作動すると、過剰なエネルギーが制動抵抗器に送られます。制動抵抗器はこのエネルギーを熱として放散します。このプロセスにより、DC バス電圧を安全な範囲内に保ちながら、モーターがスムーズに減速することができます。

制動抵抗器の仕様と定格

仕様	説明
抵抗 値(Ω)	修正済み 抵抗は通常 1 Ω ～ 200 Ω
抵抗 許容範囲	精度 ±5%または±10%の範囲
定格電力 (kW)	継続的 定格電力0.1kW～500kW
ショートタイム パワー	ピーク電力 最大 10 倍の定格電力を 10 秒間処理
デューティサイクル (%)	典型的な ブレーキデューティサイクルは5%～20%
エネルギー定格 (J)	エネルギー 5,000 J ～ >10 MJ の吸収能力
最大値 表面温度	最大値 許容表面温度 375 °C ～ 550 °C
アンビエント 温度範囲	動作中 -10 °C ～ +40 °C の周囲温度範囲
絶縁 抵抗	最小値 絶縁抵抗≧100MΩ（DC500V）
誘電体 強さ	2.5 ～ 4 に耐える kV AC 1分間
電圧 評価	最大DC 電圧は通常 600 ～ 1000 VDC
冷却 方法	ナチュラル 空気対流または強制空冷
サーマルタイム 定数	加熱時間 一定、通常は 30 ～ 300 秒
取り付け 向き	横向きに設計 または垂直取り付け
保護 クラス	エンクロージャ 定格は通常 IP20 ～ IP54

制動抵抗器保護回路

異常な動作条件による損傷を防ぐために、制動抵抗保護回路が使用されています。ブレーキング時の熱と電気的ストレスの制御に重点を置いています。

図 3. 制動抵抗器の保護回路

この構成では、サーマルスイッチが制動抵抗器本体に取り付けられます。抵抗器の温度が安全限界を超えて上昇すると、サーマルスイッチが制御回路を開きます。この動作により、メイン接触器が開き、制動抵抗器が切断されます。保護回路はさらなるエネルギー散逸を停止し、過熱を防ぎます。

図 4. ブレーキチョッパーと制動抵抗器の安全回路

この設定では、ブレーキ チョッパーと制動抵抗器の間に接触器が追加されます。ブレーキチョッパーが故障し、継続的に作動した場合、コンタクタは制動抵抗器を絶縁します。サーマル スイッチは、低電圧制御信号を使用してコンタクタの動作を制御します。この設計により、熱ストレスが制限され、抵抗器が継続的な過負荷から保護されます。

制動抵抗器の種類

巻線制動抵抗器

図 5. 巻線制動抵抗器

巻線制動抵抗器は、図 5 に示すように、セラミックまたは絶縁コアの周りに巻かれた抵抗線を使用します。抵抗素子は通常、熱を逃がすために露出するか保護コーティングで覆われます。熱は抵抗器の表面を通じて空気中に直接放出されます。このタイプは、多くの場合、オープンエアフローを備えたブラケットまたはフレームに取り付けられます。密閉型と比較して、巻線制動抵抗器は抵抗構造が目に見えます。その設計により、検査中に内部巻線を簡単に識別できます。

アルミニウムハウジング制動抵抗器

図 6. アルミニウム製ハウジングの制動抵抗器

図 6 に示すように、アルミニウム製の制動抵抗器は、固体アルミニウムのボディ内に抵抗素子を封入しています。アルミニウムのケースは、保護面と熱拡散面の両方の役割を果たします。熱は内部要素から外部ハウジングに伝達され、対流によって放出されます。これらの抵抗器はコンパクトな長方形の形状をしています。オープン巻線タイプと比較して、筐体はよりすっきりとした密閉性の高い外観を実現します。

グリッド（ステンレス鋼）制動抵抗器

図 7. グリッド型ステンレス鋼制動抵抗器

図 7 に示すように、グリッド制動抵抗器は、金属フレームに取り付けられた積層型ステンレス鋼抵抗器グリッドを使用して構築されます。グリッド構造により、放熱のための大きな表面積が形成されます。空気はオープングリッド設計を自由に流れ、熱を運びます。この構造により、抵抗器は大量の散逸エネルギーを処理できるようになります。密閉型設計と比較して、グリッド制動抵抗器は物理的に大きく、より開放的です。それらの構造は外からはっきりと見えます。

ブレーキ抵抗器の抵抗試験

図 8. マルチメーターを使用したブレーキ抵抗器の抵抗テスト

ステップ 1: 電源の分離

ドライブ システムの電源が完全にオフになっていることを確認します。制動抵抗器を駆動端子から外します。これにより誤読を防止し、安全性が向上します。

ステップ 2: メーターのセットアップ

デジタル マルチメーターを抵抗 (Ω) モードに設定します。抵抗の期待値に適したレンジを選択してください。メータープローブが正しく動作していることを確認します。

ステップ 3: 抵抗測定

プローブを制動抵抗器の端子に置きます。安定した読み取り値を得るために、プローブを安定して保持します。メーターに表示される抵抗値を観察してください。

ステップ 4: 基本的な合否チェック

測定値を抵抗器の定格抵抗と比較します。定格値に近い安定した読み取り値は合格を示します。開回路または極端な偏差は故障を示します。

典型的なブレーキ抵抗器の故障

ブレーキ抵抗器は、時間の経過とともに電気的または熱的ストレスにより故障する可能性があります。これらの障害は多くの場合、目に見える兆候を示したり、ドライブ関連の警告を引き起こしたりします。

• 開回路障害

抵抗体が内部で断線し、導通がなくなる可能性があります。ドライブはブレーキ障害または過電圧アラームを報告する場合があります。抵抗器は測定すると無限大の抵抗を示します。

• 過熱ダメージ

過度の熱により、抵抗器本体が変色したり、ハウジングが変形したりする可能性があります。表面塗装がひび割れたり剥がれたりする場合があります。ドライブによりブレーキ操作が制限される場合があります。

• 絶縁破壊

内部の絶縁が劣化し、漏水経路が発生する可能性があります。これにより、地絡警告が発せられる可能性があります。物理的な兆候には、火傷跡や炭素追跡が含まれる場合があります。

• 端末または接続の障害

端子が緩んだり損傷したりすると、電流の流れが遮断されます。抵抗器は正常に見えても、機能が停止している場合があります。ドライブアラームは減速中に発生することがよくあります。

制動抵抗器の用途

1. 可変周波数駆動 (VFD) システム

制動抵抗器は、モーターの減速時のエネルギーを管理するために使用されます。安定した DC バス電圧を維持するのに役立ちます。これにより停止制御が向上します。

2. クレーンおよびホイスト

これらのシステムは、負荷を下げるときに高い制動エネルギーを生成します。制動抵抗器はこのエネルギーを安全に吸収します。スムーズで制御された動きをサポートします。

3. エレベーターとエスカレーター

頻繁な発停運転により回生エネルギーが発生します。制動抵抗器は停止中にこのエネルギーを管理します。これにより、一貫した走行動作がサポートされます。

4. コンベヤシステム

突然の停止や負荷の変化には、制御されたブレーキが必要です。制動抵抗器は過剰なエネルギーを放散します。ドライブ動作を安定させます。

制動抵抗器 vs 回生制動 vs ブレーキチョッパー

特徴	ブレーキング 抵抗器	再生可能 ブレーキング	ブレーキ チョッパー
エネルギーの取り扱い 方法	100%変換 ブレーキエネルギーを熱に変える	返品率 70 ～ 95% 電力網への供給	迂回 外部抵抗へのエネルギー
エネルギー 回収率(%)	0%	70～95%	0%
システム 効率(%)	60～80%	85 ～ 95%	70～85%
熱 生成（相対）	高 (ほぼ100%)	低い (<30%)	中 (約80%)
典型的なDC バス電圧範囲	600～1000 VDC	600～1000 VDC	600～1000 VDC
追加 ハードウェア数	1 コンポーネント	2～4 コンポーネント	1 半導体モジュール
応答時間	<10 ms	20～100ミリ秒	<5 ms
継続的 電力能力	0.1～500kW	ドライブ定格 のみ	ドライブ定格 のみ
ピークパワー 取り扱い	最大10倍 定格 (≤10 秒)	によって制限されます グリッド	によって制限されます 抵抗器
制御 信号電圧	なし	400～480 VAC グリッド同期	DC5～15V ゲート制御
インストール 宇宙	0.02～1.5 ㎡	0.5～2.0㎡	内部 運転する
冷却 要件	ナチュラル / 強制空気	最小限	間接的 抵抗を介して
グリッド 接続が必要です	いいえ	はい (三相)	いいえ
EMC / ハーモニックインパクト	なし	高 (IEEE 519制限）	低い
イニシャル システムコスト (相対)	1× ベースライン	3～6× ベースライン	2～3× ベースライン

結論

制動抵抗器は、減速中に過剰なエネルギーを安全に除去することで駆動システムを保護します。正しいサイズ設定、適切な保護回路、および適切な抵抗タイプにより、信頼性の高い動作が保証されます。定期的なテストと故障の兆候の理解は、安定した制御されたモーター ブレーキを維持するのに役立ちます。