Anbieter von Energierückkopplungsgeräten für Frequenzumrichter weisen darauf hin, dass in AC-Frequenzumrichter-Drehzahlregelungssystemen derzeit häufig einfache Bremsverfahren mit Energieverbrauch eingesetzt werden. Diese weisen jedoch Nachteile wie Energieverschwendung, starke Erwärmung durch den Widerstand und ein unzureichendes Schnellbremsverhalten auf. Bei häufigem Bremsen von Asynchronmotoren ist die Rückkopplungsbremsung eine sehr effektive Energiesparmethode, die Umweltschäden und Schäden an Anlagen während des Bremsvorgangs vermeidet. In Branchen wie Elektrolokomotiven und der Ölförderung wurden bereits zufriedenstellende Ergebnisse erzielt. Mit der ständigen Entwicklung neuer Leistungselektronikgeräte, steigender Kosteneffizienz und dem wachsenden Bewusstsein der Bevölkerung für Energieeinsparung und Verbrauchsreduzierung eröffnen sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten.
Rückkopplungsbremsprinzip
Im Frequenzumrichter-Drehzahlregelungssystem wird das Abbremsen und Anhalten des Motors durch schrittweises Reduzieren der Frequenz erreicht. Mit sinkender Frequenz verringert sich auch die Synchrondrehzahl des Motors. Aufgrund der mechanischen Trägheit bleibt die Rotordrehzahl jedoch zunächst konstant, ihre Änderung weist eine gewisse Verzögerung auf. In diesem Moment ist die tatsächliche Drehzahl höher als die Solldrehzahl, wodurch die induzierte Gegenspannung e des Motors die Gleichspannung u des Frequenzumrichters übersteigt (e > u). Der Elektromotor fungiert nun als Generator und benötigt keine Netzstromversorgung mehr, sondern kann sogar Strom ins Netz einspeisen. Dies bewirkt nicht nur eine gute Bremswirkung, sondern wandelt auch kinetische Energie in elektrische Energie um, die zur Energierückgewinnung ins Netz eingespeist werden kann – zwei Fliegen mit einer Klappe. Selbstverständlich ist hierfür eine Energierückkopplungseinheit zur automatischen Steuerung erforderlich. Diese Energierückkopplungsschaltung sollte zudem AC- und DC-Drosseln, Widerstands-Kondensatoren, elektronische Schalter usw. enthalten.
Wie bekannt, ist die Brückengleichrichterschaltung herkömmlicher Frequenzumrichter dreiphasig und nicht steuerbar, wodurch ein bidirektionaler Energieaustausch zwischen Gleichstromkreis und Stromversorgung nicht möglich ist. Die effektivste Lösung dieses Problems ist der Einsatz aktiver Wechselrichtertechnologie. Der Gleichrichterteil verwendet einen reversiblen Gleichrichter, auch netzseitiger Umrichter genannt. Durch Ansteuerung des netzseitigen Wechselrichters wird die zurückgewonnene elektrische Energie in Wechselstrom mit der gleichen Frequenz und Phase wie das Netz umgewandelt und zur Bremsung ins Netz zurückgespeist. Bisher verwendeten aktive Wechselrichter hauptsächlich Thyristorschaltungen, die nur bei stabiler Netzspannung und geringen Netzspannungsschwankungen (maximal 10 %) sicher funktionieren. Diese Schaltungsart ermöglicht den sicheren Betrieb des Wechselrichters nur bei stabiler Netzspannung und geringen Netzspannungsschwankungen (maximal 10 %). Denn während der Bremsung der Stromerzeugung kann es bei einer Bremszeit der Netzspannung von mehr als 2 ms zu Kommutierungsfehlern und Bauteilschäden kommen. Darüber hinaus weist diese Methode bei tiefer Regelung einen niedrigen Leistungsfaktor, einen hohen Oberwellengehalt und überlappende Kommutierungen auf, was zu Verzerrungen der Netzspannungswellenform führt. Gleichzeitig ist die Regelung komplex und kostspielig. Mit der praktischen Anwendung vollgesteuerter Geräte wurden choppergesteuerte reversible Umrichter mit PWM-Steuerung entwickelt. Dadurch ist die Struktur des netzseitigen Wechselrichters identisch mit der des Wechselrichters, da beide die PWM-Steuerung nutzen.
Aus der obigen Analyse geht hervor, dass die Steuerung des netzseitigen Wechselrichters entscheidend für die effektive Bremsung des Wechselrichters durch Energierückkopplung ist. Im Folgenden wird der Steuerungsalgorithmus des netzseitigen Wechselrichters unter Verwendung vollständig gesteuerter Geräte und der PWM-Steuerungsmethode erläutert.
Rückkopplungsbremscharakteristik
Streng genommen kann der netzseitige Wechselrichter nicht einfach als „Gleichrichter“ bezeichnet werden, da er sowohl als Gleichrichter als auch als Wechselrichter fungiert. Durch den Einsatz von Selbstabschaltvorrichtungen lassen sich Amplitude und Phase des Wechselstroms mittels geeigneter Pulsweitenmodulation (PWM) steuern. Dadurch nähert sich der Eingangsstrom einer Sinuswelle an und der Leistungsfaktor des Systems liegt stets nahe bei 1. Erhöht die vom Wechselrichter durch die Motorbremsung zurückgewonnene Energie die Gleichspannung, kann die Phase des Wechselstrom-Eingangsstroms gegenüber der Phase der Versorgungsspannung umgekehrt werden, um einen regenerativen Betrieb zu ermöglichen. Die zurückgewonnene Energie wird in das Wechselstromnetz eingespeist, während die Gleichspannung auf dem vorgegebenen Wert gehalten wird. In diesem Fall arbeitet der netzseitige Wechselrichter im aktiven Wechselrichterbetrieb. Dies ermöglicht einen einfachen bidirektionalen Leistungsfluss und eine schnelle dynamische Reaktionszeit. Gleichzeitig erlaubt diese Topologiestruktur die vollständige Steuerung des Austauschs von Blind- und Wirkleistung zwischen Wechsel- und Gleichstromseite mit einem Wirkungsgrad von bis zu 97 % und erheblichen wirtschaftlichen Vorteilen. Der Wärmeverlust beträgt 1 % des Energieverbrauchs beim Bremsen und belastet das Stromnetz nicht. Der Leistungsfaktor liegt bei etwa 1, was umweltfreundlich ist. Daher eignet sich die Rückkopplungsbremsung hervorragend für energiesparende Betriebsabläufe in PWM-Wechselstromübertragungen, insbesondere bei häufigem Bremsen. Die Leistung des Elektromotors ist ebenfalls hoch, und der Energiespareffekt ist signifikant. Je nach Betriebsbedingungen beträgt die durchschnittliche Energieeinsparung etwa 20 %.