Los proveedores de dispositivos de retroalimentación de energía para convertidores de frecuencia recuerdan que, actualmente, el frenado simple por consumo de energía se utiliza ampliamente en sistemas de control de velocidad de conversión de frecuencia de CA. Este sistema presenta desventajas como el desperdicio de energía eléctrica, un calentamiento excesivo de la resistencia y un frenado rápido deficiente. Cuando los motores asíncronos frenan con frecuencia, el frenado por retroalimentación es un método muy eficaz de ahorro de energía y evita daños al medio ambiente y a los equipos durante el frenado. Se han obtenido resultados satisfactorios en industrias como la de locomotoras eléctricas y la extracción de petróleo. Con la continua aparición de nuevos dispositivos electrónicos de potencia, la creciente rentabilidad y la concienciación ciudadana sobre la conservación y reducción del consumo de energía, existen numerosas posibilidades de aplicación.
El dispositivo de frenado con retroalimentación de energía es especialmente adecuado para situaciones con una gran potencia del motor, como una potencia mayor o igual a 100 kW, un momento de inercia gd2 del equipo elevado y un sistema de trabajo continuo repetido de corta duración. La reducción de la desaceleración de alta a baja velocidad es considerable, el tiempo de frenado es corto y se requiere un frenado potente. Para mejorar el ahorro de energía y reducir la pérdida de energía durante el frenado, también es necesario recuperar la energía de desaceleración y realimentarla a la red eléctrica para lograr el ahorro energético.
Principio de frenado por retroalimentación
En el sistema de regulación de velocidad de frecuencia variable, la desaceleración y la parada del motor se logran reduciendo gradualmente la frecuencia. Al disminuir la frecuencia, la velocidad síncrona del motor disminuye en consecuencia. Sin embargo, debido a la inercia mecánica, la velocidad del rotor del motor permanece invariable y su cambio de velocidad presenta un cierto desfase temporal. En este momento, la velocidad real será mayor que la velocidad dada, lo que resulta en una situación en la que la fuerza contraelectromotriz e del motor es mayor que la tensión terminal de CC u del convertidor de frecuencia, es decir, e > u. En este punto, el motor eléctrico se convierte en un generador, que no solo no requiere alimentación de la red eléctrica, sino que también puede enviar electricidad a la misma. Esto no solo tiene un buen efecto de frenado, sino que también convierte la energía cinética en energía eléctrica, que puede enviarse a la red para recuperar energía, matando dos pájaros de un tiro. Por supuesto, se requiere un dispositivo de retroalimentación de energía para el control automático para lograr esto. Además, el circuito de retroalimentación de energía debe incluir reactancias de CA y CC, absorbedores de resistencia y capacitancia, interruptores electrónicos, etc.
Como es bien sabido, el circuito rectificador de puente de los convertidores de frecuencia generales es trifásico incontrolable, por lo que es imposible lograr una transferencia de energía bidireccional entre el circuito de CC y la fuente de alimentación. La solución eficaz a este problema es utilizar la tecnología de inversor activo, cuyo rectificador adopta un rectificador reversible, también conocido como convertidor de red. Al controlar el inversor de red, la energía eléctrica regenerada se invierte en corriente alterna (CA) con la misma frecuencia, fase y frecuencia que la red, y se realimenta a esta para lograr el frenado. Anteriormente, los inversores activos utilizaban principalmente circuitos de tiristores, que solo podían funcionar con retroalimentación de forma segura con una tensión de red estable y sin riesgo de fallos (fluctuaciones de tensión de red inferiores al 10%). Este tipo de circuito solo puede funcionar con retroalimentación del inversor de forma segura con una tensión de red estable y sin riesgo de fallos (fluctuaciones de tensión de red inferiores al 10%). Esto se debe a que, durante el frenado de la generación de energía, si el tiempo de frenado de la tensión de red es superior a 2 ms, puede producirse un fallo de conmutación y dañar los componentes. Además, durante el control profundo, este método presenta un bajo factor de potencia, un alto contenido armónico y conmutación superpuesta, lo que distorsiona la forma de onda de la tensión de la red eléctrica. Esto, a su vez, implica complejidad y un alto coste de control. Con la aplicación práctica de dispositivos totalmente controlados, se han desarrollado convertidores reversibles controlados por chopper mediante control PWM. De esta manera, la estructura del inversor de red es completamente idéntica a la del inversor, ambos con control PWM.
Del análisis anterior se desprende que para lograr un frenado por retroalimentación de energía del inversor, la clave reside en controlar el inversor de red. El siguiente texto se centra en el algoritmo de control del inversor de red mediante dispositivos totalmente controlados y el método de control PWM.
algoritmo de control
El algoritmo de control para inversores del lado de la red generalmente adopta un algoritmo de control vectorial, donde vdc, v * dc y △ vdc representan el valor medido, el valor dado y el error de control del voltaje del bus de CC, respectivamente; id, i*d, Δ id representan el valor medido, el valor dado y el error de control del eje d del inversor del lado de la red; iq, i*q, Δ iq representan el valor medido, el valor dado y el error de control de la corriente del eje q del convertidor del lado de la red; Δ v * d, v * d y v * q representan respectivamente el punto de ajuste de desviación del voltaje de salida del eje d, el punto de ajuste del voltaje de salida del eje d y el punto de ajuste del voltaje de salida del eje q del inversor del lado de la red; EABC, V * ABC y IABC representan respectivamente los valores dados instantáneos del potencial de la red, el voltaje de salida del convertidor del lado de la red y los valores instantáneos trifásicos de la corriente de salida; e. φ representa la amplitud y la fase del potencial de la red, respectivamente.
El algoritmo de control vectorial calcula la diferencia entre la tensión del bus de CC medida y el valor dado, y obtiene el valor dado de la corriente en el eje d mediante un regulador PI. Posteriormente, basándose en la fase medida de la tensión de red, la corriente de salida medida del inversor de red se transforma sincrónicamente en coordenadas para obtener los valores medidos de la corriente en los ejes d y q. Tras el ajuste de PI, el valor del eje d se suma a la amplitud de la tensión de red para obtener los valores dados de la tensión en los ejes d y q. Tras la transformación inversa sincrónica en coordenadas, se obtiene la salida.
La ventaja de este algoritmo es la alta precisión de control y una buena respuesta dinámica; la desventaja es que hay muchas transformaciones de coordenadas en el algoritmo de control, y el algoritmo es complejo y requiere una alta potencia computacional del procesador de control.
Adopta una composición de rectificador PWM de seguimiento de corriente. Este algoritmo simplificado multiplica directamente el punto de ajuste de corriente del eje d por el valor de referencia sinusoidal trifásica obtenido de la tabla de consulta de fases de tensión de red medida para obtener el punto de ajuste de la corriente de salida trifásica, y luego realiza un ajuste pi simple para obtener el punto de ajuste de la tensión de salida trifásica y emitirlo. Debido a la omisión de los cálculos de transformación de coordenadas en este algoritmo, los requisitos de potencia computacional para el procesador de control son relativamente bajos. Por otro lado, debido a las características del propio regulador PI, existe un cierto error de estado estable en su control del flujo de CA, por lo que el factor de potencia de este algoritmo es menor que el del algoritmo de control vectorial estándar. Durante los procesos dinámicos, la fluctuación de la tensión del bus de CC es relativamente grande, y la probabilidad de que se produzcan fallos de tensión del bus de CC y otros durante procesos dinámicos rápidos es relativamente alta.
Características del frenado por retroalimentación
En sentido estricto, el inversor de red no puede considerarse simplemente un "rectificador", ya que puede funcionar tanto como rectificador como inversor. Gracias al uso de dispositivos de autodesconexión, la magnitud y la fase de la corriente CA se pueden controlar mediante el modo PWM adecuado, lo que hace que la corriente de entrada se aproxime a una onda sinusoidal y garantiza que el factor de potencia del sistema siempre se acerque a 1. Cuando la potencia regenerativa devuelta por el inversor mediante el frenado de desaceleración del motor aumenta la tensión de CC, la fase de la corriente de entrada CA se puede invertir respecto a la fase de la tensión de alimentación para lograr el funcionamiento regenerativo, y la potencia regenerativa se puede realimentar a la red eléctrica de CA, manteniendo el sistema la tensión de CC en el valor dado. En este caso, el inversor de red opera en estado activo. Esto facilita el flujo de potencia bidireccional y ofrece una rápida velocidad de respuesta dinámica. Al mismo tiempo, esta topología permite al sistema controlar completamente el intercambio de potencia reactiva y activa entre los lados de CA y CC, con una eficiencia de hasta el 97 % y considerables beneficios económicos. La pérdida de calor representa el 1% del consumo energético del frenado y no contamina la red eléctrica. El factor de potencia es de aproximadamente 1, lo cual es respetuoso con el medio ambiente. Por lo tanto, el frenado por retroalimentación se utiliza ampliamente para el ahorro energético en escenarios de frenado por retroalimentación de transmisión de CA PWM, especialmente en situaciones donde se requiere un frenado frecuente. La potencia del motor eléctrico también es alta, lo que resulta en un ahorro energético significativo. Dependiendo de las condiciones de operación, el ahorro energético promedio es de aproximadamente el 20%. La única desventaja de implementar el control por retroalimentación es la compleja estructura del sistema de control.
En resumen, se puede observar que el sistema de retroalimentación de energía ofrece ventajas muy superiores al frenado por consumo de energía y al frenado de CC. Al utilizar el frenado por retroalimentación para devolver la electricidad regenerada a la red, se puede lograr la reducción del consumo de energía y el ahorro en costos de electricidad. Por lo tanto, en la situación actual de escasez de energía causada por el rápido desarrollo económico en diversas partes de China, la promoción y aplicación de frenos de retroalimentación tiene una gran importancia para el ahorro energético.