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.
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 она не может обеспечить двунаправленную передачу энергии между цепью постоянного тока и источником питания. Наиболее эффективным способом решения 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 сеть, и подается обратно в сеть для торможения. Ранее в активных инверторах в основном использовались тиристорные схемы, которые могли безопасно осуществлять обратную связь только при стабильном напряжении сети, не подверженном сбоям (колебания напряжения сети не более 10%). Такой тип схемы может безопасно осуществлять обратную связь инвертора только при стабильном напряжении сети, не подверженном сбоям (колебания напряжения сети не более 10%). Поскольку во время торможения выработки электроэнергии, если время торможения сетевого напряжения 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.
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 в системах передачи переменного тока с ШИМ, 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%.