В электроэнергетике и электротехнической промышленности преобразователи частоты в основном используются для энергосбережения и оптимизации производственных процессов. В качестве энергосберегающих и регулирующих устройств для двигателей они широко используются в металлургии, электроэнергетике, водоснабжении, нефтяной, химической, угольной и других отраслях. Суть работы блока обратной связи по энергии преобразователя частоты заключается в активном инвертировании. Способ реализации блока обратной связи по энергии универсального преобразователя частоты заключается в подаче рекуперированной энергии в сеть посредством встречно-параллельных трёхфазных инверторов на неуправляемом выпрямителе входного каскада универсального преобразователя частоты. Основная схема блока обратной связи по энергии в основном состоит из инверторного моста, состоящего из тиристоров, IGBT, модулей IPM и ряда периферийных схем.
Выход инверторного моста подключен к входным клеммам R, S и T преобразователя частоты через три дроссельных реактора, а вход подключен к положительному выводу постоянного тока универсального преобразователя частоты через изолирующий диод, обеспечивая однонаправленный поток энергии в направлении «активная сеть инверторного моста преобразователя частоты». Функция дроссельного реактора заключается в выравнивании разности напряжений, ограничении тока и фильтрации, играя ключевую роль в обратной связи рекуперативной энергии с энергосистемой.
Рабочий процесс системы следующий: когда двигатель работает, активное инверторное устройство не работает, а все трубки переключателей инвертора заблокированы и находятся в выключенном состоянии; когда двигатель находится в состоянии рекуперативной генерации энергии, энергия возвращается двигателем в сеть, и для работы необходимо запустить активное инверторное устройство.
Активация активного инвертора в режиме обратной связи по энергии управляется величиной напряжения постоянного тока Ud преобразователя частоты. Это обусловлено тем, что при работе двигателя в электрическом режиме напряжение постоянного тока преобразователя частоты практически не меняется. При работе двигателя в режиме торможения генератором энергия рекуперации переменного тока заряжает накопительный конденсатор в среднем звене постоянного тока преобразователя частоты, что приводит к повышению напряжения на шине постоянного тока. Пока определяется величина Ud, можно определить состояние двигателя и управлять активным инвертором для достижения обратной связи по энергии.
Когда энергия возвращается в сеть со стороны постоянного тока от двигателя, в результате чего напряжение на шине постоянного тока превышает пиковое напряжение электросети, выпрямительный мост универсального преобразователя частоты отключается из-за обратного напряжения; Когда напряжение на шине постоянного тока продолжает расти и превышает пусковое рабочее напряжение активного инвертора, инвертор начинает работать, подавая энергию обратно в сеть со стороны постоянного тока; Когда напряжение на шине постоянного тока падает до рабочего напряжения инвертора, активный инвертор отключается.
Используя активный инвертор для возврата рекуперативной энергии, вырабатываемой при замедлении и торможении двигателя, в электросеть, универсальный преобразователь частоты может преодолеть низкую эффективность и трудности в удовлетворении требований быстрого торможения и частого вращения вперед/назад, вызванные традиционным использованием тормозных резисторов, что позволяет универсальному преобразователю частоты работать в четырех квадрантах.
1) Система управления с обратной связью по энергии
Полная система управления с обратной связью по энергии должна соответствовать условиям управления фазой, напряжением, током и т. д., для чего требуется, чтобы процесс обратной связи был синхронизирован с фазой сети, а активное инверторное устройство должно запускаться только тогда, когда напряжение на шине постоянного тока превышает определенное значение; Система должна иметь возможность управлять величиной тока обратной связи, тем самым управляя тормозным моментом двигателя и достигая точности торможения.
2) Два типа универсальных преобразователей частоты с обратной связью по энергии
Ранее основная схема устройств обратной связи по энергии состояла преимущественно из тиристоров и IGBT. В последние годы в некоторых новых типах устройств обратной связи по энергии также используются интеллектуальные модули, такие как IPM, для упрощения структуры системы.
(1) Тиристорный блок обратной связи по энергии:
Основная цепь обратной связи по энергии состоит из тиристорных устройств, которые также являются элементами обратной связи по энергии. Она используется не только в преобразователях частоты, но и в системах торможения некоторых реверсивных систем управления скоростью постоянного тока.
① Режим работы универсального преобразователя частоты в прямом направлении: когда двигатель находится в электрическом состоянии, выпрямитель преобразователя частоты работает, тиристорное устройство в блоке обратной связи по энергии не срабатывает и находится в состоянии отсечки, и выпрямитель работает в прямом направлении. Управляемая часть инвертора работает в прямом направлении, неуправляемая часть обратного выпрямления находится в состоянии отсечки, и инвертор работает в прямом направлении.
② Режим работы в обратном направлении универсального преобразователя частоты: когда двигатель находится в режиме генерации, выпрямитель преобразователя частоты находится в состоянии отсечки, а тиристорные устройства блока обратной связи энергии включены. Управляемая часть инвертора продолжает работать, неуправляемая часть обратного выпрямления находится в рабочем состоянии, и инвертор работает в обратном направлении.
(2) Блок обратной связи по энергии IGBT:
Основная схема обратной связи по энергии состоит из IGBT-транзисторов, которые чаще всего используются в преобразователях частоты общего назначения. Обратный диод, интегрированный с IGBT-транзисторами, не может быть использован в качестве выпрямителя из-за ограничений, связанных с разделительным диодом, подключенным к стороне постоянного тока. Его стоимость должна быть выше, чем стоимость тиристорного блока обратной связи по энергии.
① Режим работы универсального преобразователя частоты в прямом направлении: когда двигатель находится в электрическом состоянии, выпрямитель преобразователя частоты работает, при этом IGBT-транзистор в блоке обратной связи по энергии не срабатывает и находится в состоянии отсечки, а выпрямитель работает в прямом направлении. IGBT-транзисторы инвертора работают, а неуправляемая часть обратного выпрямления находится в состоянии отсечки, в то время как инвертор работает в прямом направлении.
② Режим работы в обратном направлении универсального преобразователя частоты: когда двигатель находится в режиме генерации, выпрямитель преобразователя частоты находится в состоянии отключения, а IGBT-транзистор в блоке обратной связи по энергии активируется. IGBT-транзисторы инвертора продолжают работать, а неуправляемый блок обратного выпрямления продолжает работать, заставляя инвертор работать в обратном направлении.