Energian takaisinkytkentäyksiköiden toimittajat muistuttavat, että taajuusmuuttajissa esiintyy usein erilaisia ongelmia virheenkorjauksen ja käytön aikana, joista yleisin on ylijännite. Ylijännitteen esiintyessä taajuusmuuttajan ylijännitesuojaustoiminto aktivoituu sisäisen piirin vaurioitumisen estämiseksi, jolloin taajuusmuuttaja pysähtyy ja laite ei toimi kunnolla.
Siksi on ryhdyttävä toimenpiteisiin ylijännitteen poistamiseksi ja vikojen estämiseksi. Taajuusmuuttajien ja moottoreiden erilaisten käyttötilanteiden vuoksi myös ylijännitteen syyt ovat erilaisia, joten vastaavat toimenpiteet on toteutettava tilanteen mukaan.
Ylijännitteen syntyminen taajuusmuuttajassa ja regeneratiivisessa jarrutuksessa
Taajuusmuuttajan niin sanottu ylijännite tarkoittaa tilannetta, jossa taajuusmuuttajan jännite ylittää nimellisjännitteen useista syistä johtuen, mikä ilmenee pääasiassa taajuusmuuttajan tasavirtakiskon tasajännitteessä.
Normaalikäytössä taajuusmuuttajan tasajännite on keskiarvo kolmivaiheisen täysaallon tasasuuntauksen jälkeen. Jos se lasketaan 380 V:n verkkojännitteen perusteella, keskimääräinen tasajännite Ud = 1,35U = 513 V.
Ylijännitteen ilmetessä tasavirtaväylän energian varastointikondensaattori latautuu. Kun jännite nousee noin 700 V:iin (mallista riippuen), taajuusmuuttajan ylijännitesuoja aktivoituu.
Taajuusmuuttajien ylijännitteelle on kaksi pääasiallista syytä: tehoylijännite ja regeneratiivinen ylijännite.
Ylijännite tarkoittaa tilannetta, jossa tasavirtakiskon jännite ylittää nimellisarvon liian suuren syöttöjännitteen vuoksi. Nykyään useimpien taajuusmuuttajien tulojännite voi nousta jopa 460 V:iin, joten syöttöjännitteen aiheuttama ylijännite on erittäin harvinainen.
Tässä artikkelissa käsitellään pääasiassa ylijännitteen regenerointia.
Regeneratiivisen ylijännitteen syntymisen pääasialliset syyt ovat seuraavat: kun GD2:n (vauhtipyörän vääntömomentti) kuorma hidastuu, taajuusmuuttajan asettama hidastuvuusaika on liian lyhyt;
Moottoriin kohdistuu ulkoisia voimia (kuten tuulettimet ja venytyskoneet) tai potentiaalisia kuormia (kuten hissit ja nosturit) laskettaessa. Näistä syistä moottorin todellinen nopeus on suurempi kuin taajuusmuuttajan käsketty nopeus, mikä tarkoittaa, että moottorin roottorin nopeus ylittää synkronisen nopeuden. Tällöin moottorin luistonopeus on negatiivinen ja roottorin käämityksen suunta pyörivän magneettikentän leikkaamisessa on vastakkainen moottorin tilan suhteen. Sen synnyttämä sähkömagneettinen vääntömomentti on jarrutusmomentti, joka estää pyörimissuunnan. Sähkömoottori on siis itse asiassa generatiivisessa tilassa ja kuorman kineettinen energia "regeneroituu" sähköenergiaksi.
Regeneratiivinen energia latautuu invertterin tasavirtavarastokondensaattoriin invertterin vapaakäyntidiodin kautta, mikä aiheuttaa tasavirtakiskon jännitteen nousun, jota kutsutaan regeneratiiviseksi ylijännitteeksi. Ylijännitteen regenerointiprosessissa syntyvä vääntömomentti on vastakkainen alkuperäiseen vääntömomenttiin nähden, jota kutsutaan jarrutusmomentiksi. Siksi ylijännitteen regenerointiprosessi on myös regeneratiivisen jarrutuksen prosessi.
Toisin sanoen regeneratiivisen energian poistaminen lisää jarrutusmomenttia. Jos regeneratiivinen energia ei ole suuri, invertterin ja moottorin regeneratiivisen jarrutuksen kapasiteetti on 20, ja tämä osa sähköenergiasta kuluu invertterillä ja moottorilla. Jos tämä energia ylittää taajuusmuuttajan ja moottorin kulutuskapasiteetin, tasavirtapiirin kondensaattori ylilatautuu ja taajuusmuuttajan ylijännitesuojaustoiminto aktivoituu, jolloin toiminta pysähtyy. Tämän tilanteen välttämiseksi on välttämätöntä hävittää tämä energia ajoissa ja samalla lisätä jarrutusmomenttia, mikä on regeneratiivisen jarrutuksen tarkoitus.
Toimenpiteet taajuusmuuttajien ylijännitteen estämiseksi
Ylijännitteen eri syiden vuoksi myös toteutetut toimenpiteet ovat erilaisia. Pysäköinnin aikana syntyvän ylijänniteilmiön ratkaisemiseksi, jos pysäköintiajalle tai -paikalle ei ole erityisvaatimuksia, voidaan käyttää taajuusmuuttajan hidastuvuusajan pidentämismenetelmää tai vapaata pysäköintiä. Ns. vapaa pysäköinti tarkoittaa, että taajuusmuuttaja irrottaa pääkytkimen, jolloin moottori voi liukua vapaasti ja pysähtyä.
Jos pysäköintiajalle tai -paikalle on tiettyjä vaatimuksia, voidaan käyttää tasavirtajarrutustoimintoa.
Tasavirtajarrutustoiminto hidastaa moottoria tiettyyn taajuuteen ja syöttää sitten tasavirtaa moottorin staattorikäämitykseen staattisen magneettikentän muodostamiseksi.
Moottorin roottorin käämitys katkaisee tämän magneettikentän ja tuottaa jarrutusmomentin, joka muuntaa kuorman kineettisen energian sähköenergiaksi ja kuluttaa sen lämmön muodossa moottorin roottoripiirissä. Siksi tällaista jarrutusta kutsutaan myös energiaa kuluttavaksi jarrutukseksi. Tasavirtajarrutuksen prosessi sisältää itse asiassa kaksi prosessia: regeneratiivisen jarrutuksen ja energiaa kuluttavan jarrutuksen. Tämän jarrutusmenetelmän hyötysuhde on vain 30–60 % regeneratiivisesta jarrutuksesta, ja jarrutusmomentti on suhteellisen pieni. Koska energian kuluttaminen moottoriin voi aiheuttaa ylikuumenemista, jarrutusajan ei tulisi olla liian pitkä.
Lisäksi tasavirtajarrutuksen käynnistystaajuus, jarrutusaika ja jarrutusjännite asetetaan manuaalisesti, eikä niitä voida automaattisesti säätää regeneratiivisen jännitteen tason perusteella. Siksi tasavirtajarrutusta ei voida käyttää normaalikäytössä syntyvän ylijännitteen kompensoimiseen, vaan ainoastaan jarrutukseen pysäköinnin aikana.
Kuorman liian suuren GD2:n (vauhtipyörän vääntömomentin) aiheuttaman ylijännitteen ratkaisemiseksi hidastuksen aikana (suuresta nopeudesta hitaaseen ilman pysähdystä) voidaan käyttää hidastusajan pidentämismenetelmää. Itse asiassa tämä menetelmä hyödyntää myös regeneratiivisen jarrutuksen periaatetta. Hidastusajan pidentäminen ohjaa invertterin latausnopeutta vain kuorman regeneratiivisen jännitteen avulla, jotta invertterin omaa regeneratiivista jarrutuskapasiteettia voidaan hyödyntää kohtuullisesti. Kuormien osalta, jotka aiheuttavat moottorin regeneratiivisen tilan ulkoisten voimien (mukaan lukien potentiaalisen energian vapautumisen) vuoksi, regeneratiivinen energia on liian suuri taajuusmuuttajan itse kulutettavaksi, koska ne toimivat normaalisti jarrutustilassa. Siksi tasavirtajarrutuksen käyttö tai hidastusajan pidentäminen on mahdotonta.
Tasavirtajarrutukseen verrattuna regeneratiivisella jarrutuksella on suurempi jarrutusmomentti, ja taajuusmuuttajan jarrutusyksikkö voi automaattisesti säätää jarrutusmomentin suuruutta kuorman vaaditun jarrutusmomentin (eli regeneratiivisen energian tason) mukaan. Siksi regeneratiivinen jarrutus soveltuu parhaiten jarrutusmomentin tuottamiseen kuormalle normaalikäytössä.
Taajuusmuunnosregeneratiivisen jarrutuksen menetelmä:
1. Energiaa kuluttava tyyppi:
Tässä menetelmässä taajuusmuuttajan tasavirtapiirissä oleva jarruvastus kytketään rinnan ja tehotransistorin päälle/pois-kytkentää ohjataan mittaamalla tasavirtakiskon jännitettä. Kun tasavirtakiskon jännite nousee noin 700 V:iin, tehotransistori johtaa virtaa, siirtää regeneroidun energian vastukseen ja kuluttaa sen lämpöenergiana estäen siten tasajännitteen nousun. Koska regeneroitua energiaa ei voida hyödyntää, se kuuluu energiaa kuluttavaan tyyppiin. Energiaa kuluttavana tyyppinä se eroaa tasavirtajarrutuksesta siinä, että se kuluttaa energiaa jarrutusvastuksesta moottorin ulkopuolella, joten moottori ei ylikuumene ja voi toimia useammin.
2. Rinnakkaisen tasavirtakiskon absorptiotyyppi:
Sopii monimoottorisiin käyttöjärjestelmiin (kuten venytyskoneisiin), joissa jokainen moottori vaatii taajuusmuuttajan, useat taajuusmuuttajat jakavat yhden verkkopuolen muuntimen ja kaikki invertterit on kytketty rinnan yhteiseen tasavirtakiskoon. Tässä järjestelmässä on usein yksi tai useampi moottori, jotka toimivat normaalisti jarrutustilassa. Jarrutustilassa olevaa moottoria vetävät muut moottorit tuottamaan regeneratiivista energiaa, jonka sähkötilassa oleva moottori sitten absorboi rinnakkaisen tasavirtakiskon kautta. Jos sitä ei voida absorboida kokonaan, se kulutetaan yhteisen jarrutusvastuksen kautta. Regeneroitu energia absorboidaan ja hyödynnetään osittain, mutta sitä ei syötetä takaisin sähköverkkoon.
3. Energian palautteen tyyppi:
Energian takaisinkytkentätyyppinen invertteriverkkopuolen muunnin on käännettävissä. Kun regeneratiivista energiaa syntyy, käännettävissä oleva muunnin syöttää regeneratiivisen energian takaisin verkkoon, jolloin regeneratiivinen energia voidaan hyödyntää täysimääräisesti. Tämä menetelmä vaatii kuitenkin virransyötön suurta vakautta, ja äkillisen sähkökatkon aikana tapahtuu inversio ja kaatuminen.