주파수 변환기 지원 장비 공급업체는 일반 주파수 변환기, 비동기 모터, 그리고 기계 부하로 구성된 기존 주파수 제어 시스템에서 모터가 전달하는 잠재 부하가 낮아지면 모터가 회생 제동 상태에 있을 수 있다는 점을 알려드립니다. 또는 모터가 고속에서 저속(주차 포함)으로 감속할 때 주파수가 급격히 낮아지지만, 모터의 기계적 관성으로 인해 회생 전력을 생성하는 상태가 될 수 있습니다. 변속 시스템에 저장된 기계적 에너지는 모터에 의해 전기 에너지로 변환되어 인버터의 6개 프리휠링 다이오드를 통해 인버터의 직류 회로로 다시 전송됩니다. 이때 인버터는 정류 상태에 있습니다. 이 시점에서 주파수 변환기에서 에너지를 소모하기 위한 조치를 취하지 않으면, 이 에너지는 중간 회로의 에너지 저장 커패시터 전압을 상승시킵니다. 제동 속도가 너무 빠르거나 기계 부하가 호이스트인 경우, 이 에너지의 일부가 주파수 변환기를 손상시킬 수 있으므로 이 에너지 부분을 고려해야 합니다.
일반적인 주파수 변환기에서 재생 에너지를 처리하는 데 가장 일반적으로 사용되는 방법은 두 가지입니다.
(1) 직류 회로에서 커패시터와 병렬로 인위적으로 설치된 "제동 저항"으로의 소실을 동적 제동 상태라고 합니다.
(2) 전력망으로 피드백되는 경우를 피드백 제동 상태(회생 제동 상태라고도 함)라고 합니다. 또 다른 제동 방식인 DC 제동은 정확한 주차가 필요한 상황이나 외부 요인으로 인해 브레이크 모터가 시동 전 불규칙하게 회전하는 경우에 사용할 수 있습니다.
많은 전문가들이 서적과 출판물에서 가변 주파수 구동 제동의 설계 및 적용에 대해 논의해 왔으며, 특히 최근에는 "에너지 피드백 제동"에 대한 논문이 많이 발표되었습니다. 오늘 저자는 "피드백 제동"을 통한 4상한 운전과 높은 운전 효율의 장점뿐 아니라, 무공해 전력망 구축 및 높은 신뢰성을 위한 "에너지 소비 제동"의 이점을 모두 갖춘 새로운 유형의 제동 방식을 제시합니다.
에너지 소비 제동
DC 회로에 설치된 제동 저항을 이용하여 모터의 회생 전기 에너지를 흡수하는 방법을 에너지 소비 제동이라고 합니다.
장점은 구조가 간단하고, 전력망에 오염을 일으키지 않으며(피드백 제어와 비교), 비용이 저렴합니다. 단점은 작동 효율이 낮다는 점인데, 특히 잦은 제동 시에 많은 에너지를 소모하고 제동 저항기의 용량이 증가합니다.
일반적으로 일반 주파수 변환기의 저전력 주파수 변환기(22kW 미만)에는 브레이크 유닛이 내장되어 있어 외부 브레이크 저항만 필요합니다. 고전력 주파수 변환기(22kW 이상)에는 외부 브레이크 유닛과 브레이크 저항이 필요합니다.
피드백 제동
에너지 피드백 제동을 구현하려면 동일 주파수 및 위상의 전압 제어, 피드백 전류 제어 등의 조건이 필요합니다. 회생된 전기 에너지를 전력망과 동일한 주파수 및 위상의 교류 전력으로 변환하여 전력망으로 복귀시키는 능동 인버터 기술을 채택하여 제동을 구현합니다.
피드백 제동의 장점은 4분면으로 작동할 수 있다는 점이며, 전기 에너지 피드백을 통해 시스템의 효율이 향상됩니다. 단점은 다음과 같습니다.
(1) 이 피드백 제동 방식은 고장 발생 가능성이 없는 안정적인 계통 전압(계통 전압 변동률이 10%를 초과하지 않는 상태)에서만 사용할 수 있습니다. 발전 제동 시, 계통 전압 고장 시간이 2ms를 초과하면 정류 고장이 발생하여 부품이 손상될 수 있기 때문입니다.
(2) 피드백 중에는 전력망에 고조파 오염이 발생합니다.
(3) 제어가 복잡하고 비용이 많이 든다.
새로운 제동 방식(커패시터 피드백 제동)
주회로 원리
정류부는 정류를 위해 공통 비제어 정류기 브리지를 사용하고, 필터링 회로는 범용 전해 커패시터를 사용하며, 지연 회로는 접촉기 또는 사이리스터를 사용합니다. 충전 및 피드백 회로는 전력 모듈 IGBT, 충전 및 피드백 리액터 L, 그리고 대용량 전해 커패시터 C(용량은 약 10분의 1미터이며, 주파수 변환기의 운영 체제에 따라 결정됨)로 구성됩니다. 인버터부는 전력 모듈 IGBT로 구성됩니다. 보호 회로는 IGBT와 전력 저항으로 구성됩니다.
1) 전기모터 발전 운전 현황
CPU는 실시간으로 입력 AC 전압과 DC 회로 전압(μ d)을 모니터링하고 VT1에 충전 신호를 보낼지 여부를 결정합니다. μ d가 입력 AC 전압의 해당 DC 전압 값(예: 380VAC -530VDC)보다 높아지면 CPU는 VT3를 끄고 VT1의 펄스 전도를 통해 전해 콘덴서 C를 충전합니다. 이때 리액터 L과 전해 콘덴서 C는 분리되어 전해 콘덴서 C가 안전한 범위 내에서 작동하도록 합니다. 시스템이 여전히 발전 상태에 있는 동안 전해 콘덴서 C의 전압이 위험 값(예: 370V)에 접근하고 전기 에너지가 인버터를 통해 DC 회로로 지속적으로 다시 전송되면 안전 회로는 에너지 소비 제동(저항 제동)을 달성하고 VT3의 켜고 끄기를 제어하여 저항 R에 의한 초과 에너지 소비를 실현하는 역할을 합니다. 일반적으로 이러한 상황은 발생하지 않습니다.
(2) 전동기 동작 상태
CPU가 시스템이 더 이상 충전 중이 아님을 감지하면 VT3 펄스를 전도하여 리액터 L에 순간적으로 좌측 양전압과 우측 음전압을 생성합니다. 이 전압이 전해 커패시터 C의 전압과 결합되어 커패시터에서 DC 회로로의 에너지 피드백 과정을 달성할 수 있습니다. CPU는 전해 커패시터 C의 전압과 DC 회로의 전압을 감지하여 VT3의 스위칭 주파수와 듀티 사이클을 제어합니다. 이를 통해 피드백 전류를 제어하고 DC 회로 전압 ν d가 너무 높아지지 않도록 합니다.
시스템 문제
(1) 반응기 선정
(a) 운전 조건의 특수성을 고려하여 시스템에 특정 고장이 발생하여 모터가 지탱하는 잠재 에너지 부하가 자유롭게 가속되어 감소한다고 가정합니다. 이때 모터는 발전 운전 상태에 있으며,
재생된 에너지는 6개의 프리휠링 다이오드를 통해 DC 회로로 다시 보내지며, 이는 ∆d를 증가시켜 인버터를 빠르게 충전 상태로 만듭니다. 이때 전류는 매우 높습니다. 따라서 선택된 리액터 와이어 직경은 이 전류를 충분히 통과시킬 수 있을 만큼 커야 합니다.
(b) 피드백 루프에서 전해 커패시터의 다음 충전 전에 최대한 많은 전기 에너지를 방출하기 위해 일반 철심(규소강판)을 선택하는 것은 목표를 달성할 수 없습니다. 페라이트 소재로 제작된 철심을 선택하는 것이 가장 좋습니다. 위에서 고려한 전류 값을 보면 이 철심이 얼마나 큰지 알 수 있습니다. 시중에 그렇게 큰 페라이트 철심이 있는지는 알 수 없습니다. 설령 있다고 해도 가격이 매우 낮을 것은 분명 아닙니다.
따라서 저자는 각 충전 및 피드백 회로에 대해 하나의 반응기를 사용할 것을 제안합니다.
(2) 통제의 어려움
(a) 주파수 변환기의 직류 회로에서 전압 ν d 는 일반적으로 500VDC보다 높은 반면 전해 콘덴서 C의 내전압은 400VDC에 불과하여 이 충전 과정의 제어가 에너지 제동(저항 제동)의 제어 방식과 다름을 나타냅니다. 리액터에서 발생하는 순간 전압 강하는 ν c = ν d - ν L 입니다. 전해 콘덴서가 안전한 범위(≤ 400V) 내에서 작동하도록 하려면 리액터의 전압 강하 ν L 을 효과적으로 제어해야 하며, 이는 인덕턴스와 전류의 순간 변화율에 따라 달라집니다.
(b) 피드백 과정 중에 전해 콘덴서 C에서 전기 에너지가 방전되어 리액터를 통해 과도한 DC 회로 전압이 발생하여 시스템에 과전압 보호가 발생하는 것을 방지하는 것도 필요합니다.
주요 응용 프로그램 시나리오
주파수 변환기의 이 새로운 제동 방식(커패시터 피드백 제동)의 우수성 때문에 최근 많은 사용자들이 자사 장비의 특성에 맞춰 이 시스템을 도입하고자 제안했습니다. 주파수 변환기의 응용 분야가 확대됨에 따라 이 응용 기술은 큰 발전 가능성을 가지고 있습니다. 특히 광산 호이스트(인원 운반 또는 자재 적재), 경사 광산차(단일 또는 이중 튜브), 그리고 리프팅 장비와 같은 산업에서 주로 사용됩니다. 어떤 경우든 에너지 피드백 장치는 필요한 상황에서 사용될 수 있습니다.