In der Energie- und Elektroindustrie werden Frequenzumrichter hauptsächlich zur Energieeinsparung und zur Optimierung von Produktionsprozessen eingesetzt. Als Energiespar- und Drehzahlregler für Motoren finden sie breite Anwendung in der Metallurgie, der Energie-, Wasser-, Erdöl-, Chemie- und Kohleindustrie sowie in weiteren Bereichen. Das Prinzip der Energierückkopplungseinheit des Frequenzumrichters beruht auf der aktiven Invertierung. Die Energierückkopplungseinheit wird üblicherweise durch die Einspeisung der zurückgewonnenen Energie in das Netz mittels antiparallel geschalteter Dreiphasenwechselrichter am ungeregelten Gleichrichter der Vorstufe des Frequenzumrichters realisiert. Der Hauptschaltkreis der Energierückkopplungseinheit besteht im Wesentlichen aus einer Wechselrichterbrücke mit Thyristoren, IGBTs, IPM-Modulen und einigen Peripherieschaltungen.
Der Ausgang der Wechselrichterbrücke ist über drei Drosselspulen mit den Eingangsklemmen R, S und T des Frequenzumrichters verbunden. Der Eingang ist über eine Trenndiode mit dem Pluspol der Gleichstromseite des Universal-Frequenzumrichters verbunden, um den unidirektionalen Energiefluss in Richtung des Netzes der aktiven Wechselrichterbrücke zu gewährleisten. Die Drosselspulen dienen dem Spannungsausgleich, der Strombegrenzung und der Filterung und spielen somit eine Schlüsselrolle bei der Rückspeisung der erzeugten Energie in das Stromnetz.
Der Arbeitsablauf des Systems ist wie folgt: Wenn der Motor läuft, ist der aktive Wechselrichter nicht in Betrieb, und alle Wechselrichter-Schaltröhren sind blockiert und im ausgeschalteten Zustand. Befindet sich der Motor im regenerativen Stromerzeugungszustand, wird Energie vom Motor in das Netz zurückgespeist, und der aktive Wechselrichter muss zum Betrieb gestartet werden.
Die Aktivierung des aktiven Wechselrichters während der Energierückführung wird durch die Größe der Gleichspannung Ud des Frequenzumrichters gesteuert. Grundlage hierfür ist, dass die Gleichspannung des Frequenzumrichters im elektrischen Betrieb des Motors im Wesentlichen konstant bleibt. Befindet sich der Motor im regenerierenden Bremsbetrieb, lädt die vom Wechselstrommotor erzeugte Rückspeisungsenergie den Energiespeicherkondensator im Zwischenkreis des Frequenzumrichters auf, wodurch die Zwischenkreisspannung ansteigt. Sobald die Größe von Ud erfasst ist, kann der Zustand des Motors bestimmt und der aktive Wechselrichter zur Energierückführung angesteuert werden.
Wenn Energie vom Motor auf die Gleichstromseite zurückgespeist wird und dadurch die Gleichstromzwischenkreisspannung die Spitzenspannung des Stromnetzes überschreitet, schaltet die Gleichrichterbrücke des Universal-Frequenzumrichters aufgrund der Rückspannung ab. Steigt die Gleichstromzwischenkreisspannung weiter an und überschreitet sie die Anlaufbetriebsspannung des Wechselrichters, schaltet sich dieser ein und speist Energie von der Gleichstromseite zurück ins Netz. Sinkt die Gleichstromzwischenkreisspannung auf die Betriebsspannung des Wechselrichters, schaltet sich dieser wieder ab.
Durch den Einsatz eines aktiven Wechselrichters zur Rückführung der beim Motorverzögern und Bremsen erzeugten Rückgewinnungsenergie in das Stromnetz kann ein universeller Frequenzumrichter die geringe Effizienz und die Schwierigkeiten bei der Erfüllung der Anforderungen an schnelles Bremsen und häufige Vorwärts-/Rückwärtsdrehungen überwinden, die durch die herkömmliche Verwendung von Bremswiderständen verursacht werden, wodurch der universelle Frequenzumrichter in vier Quadranten arbeiten kann.
1) Energierückkopplungsregelungssystem
Ein vollständiges Energierückkopplungsregelungssystem muss die Regelungsbedingungen für Phase, Spannung, Strom usw. erfüllen. Dies erfordert, dass der Rückkopplungsprozess mit der Netzphase synchronisiert ist und der aktive Wechselrichter nur dann gestartet werden darf, wenn die Gleichspannung im Zwischenkreis einen bestimmten Wert überschreitet. Das System muss in der Lage sein, die Größe des Rückkopplungsstroms zu regeln und dadurch das Bremsmoment des Motors zu steuern und ein präzises Bremsen zu erreichen.
2) Zwei Arten von universellen Frequenzumrichter-Energierückkopplungseinheiten
Früher bestand der Hauptschaltkreis von Energierückkopplungseinheiten hauptsächlich aus Thyristoren und IGBTs. In den letzten Jahren werden in einigen neuen Arten von Energierückkopplungseinheiten auch intelligente Module wie IPMs verwendet, um die Systemstruktur zu vereinfachen.
(1) Thyristor-Energierückkopplungseinheit:
Der Hauptstromkreis der Energierückkopplung besteht aus Thyristoren und stellt somit eine frühe Form der Energierückkopplung dar. Er wird nicht nur in Frequenzumrichtern, sondern auch in der Bremsung einiger reversibler Gleichstrom-Drehzahlregelungssysteme eingesetzt.
① Vorwärtsbetrieb des Universal-Frequenzumrichters: Befindet sich der Motor im elektrischen Zustand, arbeitet der Gleichrichter des Frequenzumrichters, während der Thyristor in der Energierückkopplungseinheit nicht angesteuert ist und sich im Sperrzustand befindet. Der Gleichrichter arbeitet in Vorwärtsrichtung. Der steuerbare Teil des Wechselrichters ist angesteuert, der nicht steuerbare Rückwärtsgleichrichter ist abgeschaltet, und der Wechselrichter arbeitet im Vorwärtsbetrieb.
② Umgekehrter Betriebszustand des Universal-Frequenzumrichters: Befindet sich der Motor im Generatorbetrieb, ist der Gleichrichter des Frequenzumrichters abgeschaltet, und die Thyristoren der Energierückkopplungseinheit werden aktiviert. Der steuerbare Teil des Wechselrichters ist weiterhin aktiv, der nicht steuerbare Rückwärtsgleichrichter arbeitet, und der Wechselrichter arbeitet in umgekehrter Richtung.
(2) IGBT-Energierückkopplungseinheit:
Der Hauptkreis der Energierückkopplung besteht aus IGBT-Bauelementen, die in allgemeinen Frequenzumrichtern weit verbreitet sind. Die mit den IGBT-Bauelementen integrierte Freilaufdiode kann aufgrund der Einschränkung durch die auf der Gleichstromseite angeschlossene Trenndiode nicht als Gleichrichter verwendet werden. Ihre Kosten dürften höher sein als die einer Thyristor-Energierückkopplungseinheit.
① Vorwärtsbetrieb des Universal-Frequenzumrichters: Befindet sich der Motor im elektrischen Zustand, arbeitet der Gleichrichter des Frequenzumrichters, während die IGBTs der Energierückkopplungseinheit nicht angesteuert sind und sich im Sperrzustand befinden. Der Gleichrichter arbeitet in Vorwärtsrichtung. Die IGBTs im Wechselrichter sind angesteuert, und der ungesteuerte Rückwärtsgleichrichtungsteil befindet sich im Sperrzustand, während der Wechselrichter im Vorwärtsbetrieb arbeitet.
② Umgekehrter Betriebszustand des Universal-Frequenzumrichters: Befindet sich der Motor im Generatorbetrieb, ist der Gleichrichter des Frequenzumrichters abgeschaltet, und die IGBT-Bauelemente in der Energierückkopplungseinheit werden aktiviert. Die IGBT-Bauelemente im Wechselrichter bleiben ebenfalls aktiviert, und der unkontrollierte Rückwärtsgleichrichtungsteil ist in Betrieb, wodurch der Wechselrichter rückwärts arbeitet.