تامینکنندگان دستگاههای بازخورد انرژی برای مبدلهای فرکانس به شما یادآوری میکنند که در حال حاضر، ترمز ساده مصرف انرژی به طور گسترده در سیستمهای کنترل سرعت تبدیل فرکانس AC استفاده میشود که دارای معایبی مانند اتلاف انرژی الکتریکی، گرمایش شدید مقاومت و عملکرد ضعیف ترمز سریع است. هنگامی که موتورهای آسنکرون مرتباً ترمز میکنند، استفاده از ترمز بازخورد یک روش بسیار مؤثر در صرفهجویی در انرژی است و از آسیب به محیط زیست و تجهیزات در هنگام ترمز جلوگیری میکند. نتایج رضایتبخشی در صنایعی مانند لوکوموتیوهای الکتریکی و استخراج نفت حاصل شده است. با ظهور مداوم دستگاههای جدید الکترونیک قدرت، افزایش مقرون به صرفه بودن و آگاهی مردم از صرفهجویی در مصرف انرژی و کاهش مصرف، طیف وسیعی از چشماندازهای کاربردی وجود دارد.
دستگاه ترمز بازخورد انرژی به ویژه برای موقعیتهایی مناسب است که قدرت موتور زیاد است، مانند بزرگتر یا مساوی 100 کیلووات، ممان اینرسی gd2 تجهیزات زیاد است و متعلق به سیستم کار مداوم کوتاه مدت مکرر است. کاهش سرعت از سرعت بالا به سرعت پایین زیاد است، زمان ترمز کوتاه است و ترمز قوی مورد نیاز است. به منظور بهبود اثر صرفهجویی در انرژی و کاهش اتلاف انرژی در طول فرآیند ترمز، همچنین لازم است انرژی کاهش سرعت بازیابی شده و به شبکه برق بازخورد داده شود تا اثر صرفهجویی در انرژی حاصل شود.
اصل ترمز فیدبک
در سیستم تنظیم سرعت فرکانس متغیر، کاهش سرعت و توقف موتور با کاهش تدریجی فرکانس حاصل میشود. در لحظهای که فرکانس کاهش مییابد، سرعت سنکرون موتور نیز به تبع آن کاهش مییابد. با این حال، به دلیل اینرسی مکانیکی، سرعت روتور موتور بدون تغییر باقی میماند و تغییر سرعت آن دارای یک تأخیر زمانی مشخص است. در این زمان، سرعت واقعی بیشتر از سرعت داده شده خواهد بود و در نتیجه وضعیتی ایجاد میشود که نیروی محرکه الکتریکی برگشتی e موتور از ولتاژ ترمینال DC u مبدل فرکانس، یعنی e>u، بیشتر است. در این مرحله، موتور الکتریکی به یک ژنراتور تبدیل میشود که نه تنها نیازی به منبع تغذیه از شبکه ندارد، بلکه میتواند برق را به شبکه نیز ارسال کند. این امر نه تنها اثر ترمز خوبی دارد، بلکه انرژی جنبشی را به انرژی الکتریکی تبدیل میکند که میتواند برای بازیابی انرژی به شبکه ارسال شود و با یک تیر دو نشان بزند. البته برای دستیابی به آن، باید یک واحد دستگاه بازخورد انرژی برای کنترل خودکار وجود داشته باشد. علاوه بر این، مدار بازخورد انرژی باید شامل راکتورهای AC و DC، جاذبهای خازنی مقاومتی، سوئیچهای الکترونیکی و غیره نیز باشد.
همانطور که میدانیم، مدار یکسوساز پل مبدلهای فرکانس عمومی، سه فاز غیرقابل کنترل است، بنابراین دستیابی به انتقال انرژی دو طرفه بین مدار DC و منبع تغذیه غیرممکن است. راه حل موثر برای این مشکل استفاده از فناوری اینورتر فعال است و بخش یکسوساز، یکسوساز برگشتپذیر را که به عنوان مبدل سمت شبکه نیز شناخته میشود، به کار میگیرد. با کنترل اینورتر سمت شبکه، انرژی الکتریکی احیا شده به برق AC با فرکانس، فاز و فرکانس مشابه شبکه تبدیل میشود و برای ترمز به شبکه بازگردانده میشود. پیش از این، واحدهای اینورتر فعال عمدتاً از مدارهای تریستوری استفاده میکردند که فقط میتوانند عملیات بازخورد را به طور ایمن تحت ولتاژ شبکه پایدار که مستعد خطا نیست (نوسانات ولتاژ شبکه بیش از 10٪ نباشد) انجام دهند. این نوع مدار فقط میتواند عملیات بازخورد اینورتر را به طور ایمن تحت ولتاژ شبکه پایدار که مستعد خطا نیست (نوسانات ولتاژ شبکه بیش از 10٪ نباشد) انجام دهد. زیرا در طول عملیات ترمز تولید برق، اگر زمان ترمز ولتاژ شبکه بیشتر از 2 میلیثانیه باشد، ممکن است خطای کموتاسیون رخ دهد و قطعات آسیب ببینند. علاوه بر این، در طول کنترل عمیق، این روش دارای ضریب توان پایین، محتوای هارمونیک بالا و کموتاسیون همپوشانی است که باعث اعوجاج شکل موج ولتاژ شبکه برق میشود. کنترل همزمان پیچیدگی و هزینه بالا. با کاربرد عملی دستگاههای کاملاً کنترلشده، افراد مبدلهای برگشتپذیر کنترلشده با چاپر را با استفاده از کنترل PWM توسعه دادهاند. به این ترتیب، ساختار اینورتر سمت شبکه کاملاً مشابه اینورتر است، هر دو از کنترل PWM استفاده میکنند.
از تحلیل فوق، میتوان دریافت که برای دستیابی واقعی به ترمز فیدبک انرژی اینورتر، کلید، کنترل اینورتر سمت شبکه است. متن زیر بر الگوریتم کنترل اینورتر سمت شبکه با استفاده از دستگاههای کاملاً کنترلشده و روش کنترل PWM تمرکز دارد.
الگوریتم کنترل
الگوریتم کنترل برای اینورترهای سمت شبکه معمولاً از الگوریتم کنترل برداری استفاده میکند، که در آن vdc، v * dc و △ vdc به ترتیب نشان دهنده مقدار اندازهگیری شده، مقدار داده شده و خطای کنترل ولتاژ باس DC هستند؛ id، i*d، Δ id نشان دهنده مقدار اندازهگیری شده، مقدار داده شده و خطای کنترل محور d اینورتر سمت شبکه هستند؛ iq، i*q، Δ iq نشان دهنده مقدار اندازهگیری شده، مقدار داده شده و خطای کنترل جریان محور q مبدل سمت شبکه هستند؛ Δ v * d، v * d و v * q به ترتیب نشان دهنده نقطه تنظیم انحراف ولتاژ خروجی محور d، نقطه تنظیم ولتاژ خروجی محور d و نقطه تنظیم ولتاژ خروجی محور q اینورتر سمت شبکه هستند؛ EABC، V * ABC و IABC به ترتیب نشان دهنده مقادیر لحظهای داده شده پتانسیل شبکه، ولتاژ خروجی مبدل سمت شبکه و مقادیر لحظهای سه فاز جریان خروجی هستند؛ به عنوان مثال، φ به ترتیب نشان دهنده دامنه و فاز پتانسیل شبکه است.
الگوریتم کنترل برداری، اختلاف بین ولتاژ باس DC اندازهگیری شده و مقدار داده شده را محاسبه میکند و مقدار داده شده جریان محور d را از طریق یک رگولاتور PI بدست میآورد. سپس، بر اساس فاز اندازهگیری شده ولتاژ شبکه، جریان خروجی اندازهگیری شده اینورتر سمت شبکه به صورت همزمان تبدیل مختصات میشود تا مقادیر اندازهگیری شده جریان محور d و جریان محور q بدست آید. پس از تنظیم pi، مقدار محور d به دامنه ولتاژ شبکه اضافه میشود تا مقادیر داده شده ولتاژ محور d و ولتاژ محور q بدست آید. پس از تبدیل معکوس مختصات همزمان، خروجی بدست میآید.
مزیت این الگوریتم دقت کنترل بالا و پاسخ دینامیکی خوب است؛ عیب آن این است که تبدیلات مختصات زیادی در الگوریتم کنترل وجود دارد و الگوریتم پیچیده است و به قدرت محاسباتی بالایی از پردازنده کنترل نیاز دارد.
این الگوریتم از یک ترکیب یکسوکننده PWM ردیابی جریان استفاده میکند. این الگوریتم سادهشده، نقطه تنظیم جریان محور d را مستقیماً در مقدار مرجع سینوسی سه فاز بهدستآمده از جدول جستجوی فاز ولتاژ شبکه اندازهگیریشده ضرب میکند تا نقطه تنظیم جریان خروجی سه فاز را بدست آورد و سپس تنظیم ساده pi را برای بدست آوردن نقطه تنظیم ولتاژ خروجی سه فاز و خروجی آن انجام میدهد. به دلیل حذف محاسبات تبدیل مختصات در این الگوریتم، الزامات توان محاسباتی برای پردازنده کنترل نسبتاً کم است. از سوی دیگر، به دلیل ویژگیهای خود تنظیمکننده PI، خطای حالت پایدار خاصی در کنترل جریان AC وجود دارد، بنابراین ضریب توان این الگوریتم کمتر از الگوریتم کنترل برداری استاندارد است. در طول فرآیندهای دینامیکی، نوسان ولتاژ باس DC نسبتاً زیاد است و احتمال وقوع ولتاژ باس DC و سایر خطاها در طول فرآیندهای دینامیکی سریع نسبتاً زیاد است.
ویژگیهای ترمز فیدبکی
به طور دقیق، اینورتر سمت شبکه را نمیتوان به سادگی "یکسوساز" نامید زیرا میتواند هم به عنوان یکسوساز و هم به عنوان اینورتر عمل کند. به دلیل استفاده از دستگاههای خود خاموش، میتوان دامنه و فاز جریان AC را از طریق حالت PWM مناسب کنترل کرد، که باعث میشود جریان ورودی به موج سینوسی نزدیک شود و اطمینان حاصل شود که ضریب توان سیستم همیشه به ۱ نزدیک میشود. هنگامی که توان احیاکننده برگشتی از اینورتر توسط ترمز کاهش سرعت موتور، ولتاژ DC را افزایش میدهد، فاز جریان ورودی AC میتواند از فاز ولتاژ منبع تغذیه معکوس شود تا به عملکرد احیاکننده دست یابد و توان احیاکننده میتواند به شبکه برق AC تغذیه شود، در حالی که سیستم همچنان میتواند ولتاژ DC را در مقدار داده شده حفظ کند. در این حالت، اینورتر سمت شبکه در حالت اینورتر فعال کار میکند. این امر دستیابی به جریان توان دو طرفه را آسان میکند و سرعت پاسخ دینامیکی سریعی دارد. در عین حال، این ساختار توپولوژی سیستم را قادر میسازد تا تبادل توان راکتیو و اکتیو بین طرفهای AC و DC را به طور کامل کنترل کند، با راندمانی تا ۹۷٪ و مزایای اقتصادی قابل توجه. اتلاف گرما ۱٪ از انرژی مصرفی ترمز است و شبکه برق را آلوده نمیکند. ضریب توان حدود ۱ است که سازگار با محیط زیست است. بنابراین، ترمز فیدبک میتواند به طور گسترده برای عملیات صرفهجویی در انرژی در سناریوهای ترمز فیدبک انرژی انتقال PWM AC، به ویژه در شرایطی که ترمز مکرر مورد نیاز است، مورد استفاده قرار گیرد. قدرت موتور الکتریکی نیز بالا است و اثر صرفهجویی در انرژی قابل توجه است. بسته به شرایط عملیاتی، میانگین اثر صرفهجویی در انرژی حدود ۲۰٪ است. تنها اشکال اجرای کنترل فیدبک، ساختار پیچیده سیستم کنترل است.
به طور خلاصه، میتوان مشاهده کرد که دستگاه سیستم بازخورد انرژی مزایای بسیار برتری نسبت به ترمز مصرف انرژی و ترمز DC دارد. با استفاده از ترمز بازخورد برای بازگرداندن برق تولید شده به شبکه، میتواند به کاهش مصرف انرژی و صرفهجویی در هزینههای برق دست یابد. بنابراین، در شرایط فعلی کمبود برق ناشی از توسعه سریع اقتصادی در مناطق مختلف چین، ترویج و اعمال ترمزهای بازخورد از اهمیت زیادی در صرفهجویی در انرژی برخوردار است.