Поставщики устройств обратной связи по энергии для преобразователей частоты напоминают, что в настоящее время в системах управления скоростью переменного тока широко используется простое торможение с потреблением энергии. Однако у него есть такие недостатки, как потери электроэнергии, сильный нагрев сопротивления и низкая эффективность быстрого торможения. При частом торможении асинхронных двигателей использование торможения с обратной связью является весьма эффективным методом энергосбережения и позволяет избежать ущерба окружающей среде и оборудованию во время торможения. Удовлетворительные результаты были достигнуты в таких отраслях, как электровозостроение и нефтедобыча. Постоянное появление новых силовых электронных устройств, повышение экономической эффективности и повышение осведомленности людей в вопросах энергосбережения и снижения потребления энергии открывают широкие возможности для его применения.
Тормозное устройство с обратной энергетической связью особенно подходит для ситуаций, когда мощность двигателя велика, например, равна или превышает 100 кВт, момент инерции оборудования gd2 велик, и оно относится к системе с повторяющимся кратковременным непрерывным режимом работы. Переход с высокой скорости на низкую происходит быстро, время торможения короткое, а торможение требуется интенсивное. Для повышения энергосберегающего эффекта и снижения потерь энергии в процессе торможения необходимо рекуперировать энергию торможения и возвращать её в электросеть.
Принцип торможения с обратной связью
В системе частотного регулирования скорости замедление и остановка двигателя достигаются путём постепенного снижения частоты. При снижении частоты соответственно уменьшается и синхронная скорость двигателя. Однако из-за механической инерции скорость ротора двигателя остаётся неизменной, а изменение скорости происходит с определённой задержкой. В этот момент фактическая скорость будет больше заданной, что приведёт к ситуации, когда противоэлектродвижущая сила двигателя e превышает напряжение постоянного тока на клеммах преобразователя частоты u, то есть e>u. В этом случае электродвигатель становится генератором, который не только не нуждается в питании от сети, но и может отдавать электроэнергию в сеть. Это не только обеспечивает хороший тормозной эффект, но и преобразует кинетическую энергию в электрическую, которую можно направить в сеть для рекуперации, убивая двух зайцев одним выстрелом. Конечно, для этого необходимо устройство обратной связи по энергии для автоматического управления. Кроме того, цепь обратной связи по энергии должна включать в себя реакторы переменного и постоянного тока, резистивные емкостные поглотители, электронные ключи и т. д.
Как известно, мостовая схема выпрямителя в обычных преобразователях частоты является трёхфазной и неуправляемой, поэтому невозможно обеспечить двунаправленную передачу энергии между цепью постоянного тока и источником питания. Эффективным решением этой проблемы является использование технологии активного инвертора, в которой выпрямительная часть использует реверсивный выпрямитель, также известный как преобразователь на стороне сети. Управляя инвертором на стороне сети, рекуперированная электрическая энергия преобразуется в переменный ток с той же частотой, фазой и частотой, что и в сети, и подается обратно в сеть для торможения. Ранее в активных инверторах в основном использовались тиристорные схемы, которые могли безопасно осуществлять работу в режиме обратной связи только при стабильном напряжении сети, не подверженном сбоям (колебания напряжения сети не более 10%). Такой тип схемы может безопасно осуществлять работу в режиме обратной связи инвертора только при стабильном напряжении сети, не подверженном сбоям (колебания напряжения сети не более 10%). Поскольку во время торможения выработки электроэнергии, если время торможения превышает 2 мс, может произойти сбой коммутации и повреждение компонентов. Кроме того, при глубоком управлении этот метод характеризуется низким коэффициентом мощности, высоким содержанием гармоник и перекрывающейся коммутацией, что приводит к искажению формы напряжения электросети. Это одновременно усложняет управление и повышает стоимость. С внедрением на практике полностью управляемых устройств были разработаны реверсивные преобразователи с управлением от прерывателя, использующие ШИМ-управление. Таким образом, структура инвертора на стороне сети полностью идентична структуре инвертора, использующего ШИМ-управление.
Из вышеприведённого анализа следует, что для достижения эффективного торможения инвертора с обратной энергетической связью ключевым фактором является управление инвертором со стороны сети. Далее рассматривается алгоритм управления инвертором со стороны сети с использованием полностью управляемых устройств и метода ШИМ-управления.
алгоритм управления
Алгоритм управления для инверторов со стороны сети обычно использует алгоритм векторного управления, где vdc, v * dc и △ vdc представляют собой измеренное значение, заданное значение и ошибку управления напряжением шины постоянного тока соответственно; id, i*d, Δ id представляют собой измеренное значение, заданное значение и ошибку управления d-оси инвертора со стороны сети; iq, i*q, Δ iq представляют собой измеренное значение, заданное значение и ошибку управления током q-оси преобразователя со стороны сети; Δ v * d, v * d и v * q представляют собой заданное значение отклонения выходного напряжения по оси d, заданное значение выходного напряжения по оси d и заданное значение выходного напряжения по оси q инвертора со стороны сети; EABC, V * ABC и IABC представляют собой мгновенные заданные значения потенциала сети, выходного напряжения преобразователя со стороны сети и трехфазные мгновенные значения выходного тока; e. φ представляет собой амплитуду и фазу потенциала сетки соответственно.
Алгоритм векторного управления вычисляет разницу между измеренным напряжением шины постоянного тока и заданным значением и получает заданное значение тока по оси d с помощью ПИ-регулятора. Затем, на основе измеренной фазы напряжения сети, измеренный выходной ток инвертора на стороне сети синхронно преобразуется в координаты для получения измеренных значений тока по оси d и тока по оси q. После регулировки ПИ значение по оси d суммируется с амплитудой напряжения сети для получения заданных значений напряжения по оси d и напряжения по оси q. После обратного синхронного преобразования координат получается выходной сигнал.
Преимуществом данного алгоритма является высокая точность управления и хороший динамический отклик; недостатком же является то, что в алгоритме управления присутствует множество преобразований координат, а сам алгоритм сложен и требует высокой вычислительной мощности от процессора управления.
Он использует схему выпрямителя с ШИМ-регулированием тока. Этот упрощенный алгоритм напрямую умножает заданное значение тока по оси d на опорное значение трехфазного синуса, полученное из таблицы поиска измеренного напряжения сети, чтобы получить заданное значение трехфазного выходного тока, а затем выполняет простую ПИ-регулировку для получения заданного значения трехфазного выходного напряжения и выводит его. Из-за отсутствия вычислений преобразования координат в этом алгоритме требования к вычислительной мощности управляющего процессора относительно низкие. С другой стороны, из-за характеристик самого ПИ-регулятора существует определенная установившаяся ошибка в его управлении потоком переменного тока, поэтому коэффициент мощности этого алгоритма ниже, чем у стандартного алгоритма векторного управления. Во время динамических процессов колебания напряжения шины постоянного тока относительно велики, и вероятность возникновения напряжения шины постоянного тока и других неисправностей во время быстрых динамических процессов относительно высока.
Характеристики торможения с обратной связью
Строго говоря, инвертор со стороны сети нельзя назвать просто «выпрямителем», поскольку он может функционировать как выпрямитель, так и инвертор. Благодаря использованию устройств самовыключения, величину и фазу переменного тока можно регулировать с помощью соответствующего режима ШИМ, приближая входной ток к синусоиде и обеспечивая коэффициент мощности системы, всегда близкий к 1. Когда рекуперативная мощность, возвращаемая инвертором за счет торможения двигателем, увеличивает постоянное напряжение, фаза входного переменного тока может быть изменена на противоположную относительно фазы напряжения питания для обеспечения рекуперативного режима, и рекуперативная мощность может быть возвращена в сеть переменного тока, при этом система может поддерживать постоянное напряжение на заданном уровне. В этом случае инвертор со стороны сети работает в активном режиме. Это позволяет легко реализовать двунаправленный поток мощности и обеспечивает высокую скорость динамического реагирования. В то же время, такая топологическая структура позволяет системе полностью контролировать обмен реактивной и активной мощностью между сторонами переменного и постоянного тока с КПД до 97% и значительными экономическими преимуществами. Тепловые потери составляют 1% от потребляемой энергии при торможении, что не загрязняет электросеть. Коэффициент мощности составляет около 1, что является экологически безопасным. Таким образом, торможение с обратной связью может широко использоваться для энергосберегающей работы в сценариях торможения с обратной связью энергии в ШИМ-передачах переменного тока, особенно в ситуациях, когда требуется частое торможение. Мощность электродвигателя также высока, а эффект энергосбережения значителен. В зависимости от условий эксплуатации средний эффект энергосбережения составляет около 20%. Единственным недостатком реализации управления с обратной связью является сложная структура системы управления.
Подводя итог, можно отметить, что система обратной связи по энергии обладает значительными преимуществами по сравнению с торможением с энергозатратами и торможением постоянным током. Использование торможения с обратной связью для возврата рекуперированной электроэнергии в сеть позволяет снизить энергопотребление и снизить расходы на электроэнергию. Таким образом, в условиях дефицита электроэнергии, вызванного быстрым экономическим развитием в различных регионах Китая, внедрение и применение систем торможения с обратной связью имеет важное значение для энергосбережения.