周波数変換器用エネルギーフィードバック装置のサプライヤーは、現在、交流周波数変換速度制御システムでは単純なエネルギー消費ブレーキが広く使用されていることを指摘しています。このブレーキには、電気エネルギーの浪費、抵抗発熱の激しさ、急速ブレーキ性能の低さなどの欠点があります。非同期モータが頻繁にブレーキをかける場合、フィードバックブレーキの使用は非常に効果的な省エネ方法であり、ブレーキ時の環境や設備への損傷を回避できます。電気機関車や石油採掘などの業界では、既に満足のいく結果が得られています。新しいパワーエレクトロニクス装置の継続的な登場、コスト効率の向上、そして人々の省エネと消費削減に対する意識の高まりにより、その応用範囲は広がっています。
フィードバックブレーキの原理
可変周波数速度制御システムでは、モーターの減速・停止は周波数を徐々に低下させることで実現されます。周波数が低下すると、モーターの同期速度もそれに応じて低下します。しかし、機械慣性により、モーターの回転子速度は変化せず、速度変化には一定の時間差が生じます。このとき、実際の速度は設定速度よりも大きくなり、モーターの逆起電力eが周波数変換器の直流端子電圧uよりも高くなる、つまりe>uという状態になります。この時点で、電動モーターは発電機となり、系統からの電力供給を必要としないだけでなく、系統に電力を送ることもできます。これは優れた制動効果をもたらすだけでなく、運動エネルギーを電気エネルギーに変換し、系統に送電してエネルギーを回収できるため、一石二鳥です。もちろん、これを実現するには、自動制御用のエネルギーフィードバック装置が必要です。さらに、エネルギーフィードバック回路には、交流リアクトル、直流リアクトル、抵抗・容量吸収装置、電子スイッチなどを含める必要があります。
周知のように、一般的な周波数変換器のブリッジ整流回路は三相制御が不可能であるため、直流回路と電源間の双方向エネルギー伝送を実現できません。この問題を解決する最も効果的な方法は、アクティブインバータ技術を使用することです。整流器部分には可逆整流器（グリッド側コンバータとも呼ばれます）を採用しています。グリッド側インバータを制御することで、回生された電気エネルギーを系統と同じ周波数、位相、周波数の交流電力に変換し、系統にフィードバックして制動を実現します。従来のアクティブインバータユニットは主にサイリスタ回路を使用しており、系統電圧が安定し、故障が発生しにくい（系統電圧変動が10%を超えない）場合にのみ、安全にフィードバック動作を行うことができます。このタイプの回路は、系統電圧が安定し、故障が発生しにくい（系統電圧変動が10%を超えない）場合にのみ、インバータのフィードバック動作を安全に行うことができます。発電制動動作中に系統電圧制動時間が2msを超えると、整流失敗が発生し、部品が損傷する可能性があるためです。さらに、この方式は深制御時に力率の低下、高調波含有率の増加、重畳整流などの問題を抱え、電力網電圧波形の歪みを引き起こします。同時に制御の複雑さとコストも増大します。完全制御機器の実用化に伴い、PWM制御を用いたチョッパ制御可逆コンバータが開発されました。これにより、電力網側インバータの構造はインバータ本体と完全に同一となり、どちらもPWM制御を採用しています。
上記の分析から、インバータのエネルギーフィードバックブレーキを真に実現するには、系統側インバータの制御が鍵となることがわかります。以下では、完全制御デバイスとPWM制御方式を用いた系統側インバータの制御アルゴリズムに焦点を当てます。
フィードバックブレーキ特性
厳密に言えば、系統側インバータは整流器とインバータの両方の機能を持つため、単に「整流器」と呼ぶことはできません。自己消弧素子を用いることで、適切なPWMモードを通して交流電流の大きさと位相を制御することができ、入力電流を正弦波に近づけ、システムの力率を常に1に近づけることができます。モータ減速ブレーキによってインバータから戻ってきた回生電力によって直流電圧が上昇すると、交流入力電流の位相を電源電圧の位相と反転させることで回生運転を実現し、回生電力を交流電力系統に帰還させることができます。同時に、システムは直流電圧を所定の値に維持することができます。この場合、系統側インバータはアクティブインバータ状態で動作します。これにより、双方向の電力潮流を容易に実現でき、動的応答速度も高速です。同時に、このトポロジ構造により、システムは交流側と直流側の間の無効電力と有効電力のやり取りを完全に制御することができ、最大97%の効率と大きな経済的メリットが得られます。ブレーキ時の熱損失は消費エネルギーの1%に過ぎず、電力網を汚染しません。力率は約1で環境に優しいです。そのため、フィードバックブレーキは、PWM交流送電のエネルギーフィードバックブレーキのシナリオにおいて、特に頻繁なブレーキが必要な状況において、省エネ運転に広く活用できます。電動機の出力も高く、省エネ効果は大きく、運転条件にもよりますが、平均省エネ効果は約20%です。