Dodávatelia zariadení so spätnou väzbou energie pre frekvenčné meniče pripomínajú, že v súčasnosti sa v systémoch riadenia rýchlosti striedavého prúdu s premenou frekvencie široko používa jednoduché brzdenie na základe spotreby energie, ktoré má nevýhody, ako je plytvanie elektrickou energiou, silné ohrev odporu a slabý výkon rýchleho brzdenia. Keď asynchrónne motory často brzdia, použitie spätnoväzobného brzdenia je veľmi účinnou metódou úspory energie a zabraňuje poškodeniu životného prostredia a zariadení počas brzdenia. Uspokojivé výsledky sa dosiahli v odvetviach, ako sú elektrické lokomotívy a ťažba ropy. S neustálym objavovaním sa nových výkonových elektronických zariadení, zvyšujúcou sa nákladovou efektívnosťou a povedomím ľudí o úspore energie a znižovaní spotreby existuje široká škála aplikačných perspektív.
Brzdové zariadenie so spätnou väzbou energie je vhodné najmä v situáciách, keď je výkon motora veľký, napríklad väčší alebo rovný 100 kW, moment zotrvačnosti zariadenia gd2 je veľký a patrí do systému s opakovanou krátkodobou nepretržitou prevádzkou. Zníženie spomalenia z vysokej rýchlosti na nízku rýchlosť je dlhé, čas brzdenia je krátky a je potrebné silné brzdenie. Na zlepšenie efektu úspory energie a zníženie strát energie počas procesu brzdenia je tiež potrebné rekuperovať energiu spomalenia a spätne ju odovzdať do elektrickej siete, aby sa dosiahol efekt úspory energie.
Princíp spätnoväzobného brzdenia
V systéme regulácie otáčok s premenlivou frekvenciou sa spomaľovanie a zastavenie motora dosahuje postupným znižovaním frekvencie. V momente, keď sa frekvencia znižuje, sa zodpovedajúcim spôsobom znižuje aj synchrónna rýchlosť motora. Avšak v dôsledku mechanickej zotrvačnosti zostáva rýchlosť rotora motora nezmenená a zmena jeho otáčok má určité časové oneskorenie. V tomto čase bude skutočná rýchlosť väčšia ako daná rýchlosť, čo vedie k situácii, keď je spätná elektromotorická sila e motora vyššia ako jednosmerné svorkové napätie u frekvenčného meniča, teda e>u. V tomto bode sa elektromotor stáva generátorom, ktorý nielenže nevyžaduje napájanie zo siete, ale môže do siete aj posielať elektrinu. To má nielen dobrý brzdný účinok, ale tiež premieňa kinetickú energiu na elektrickú energiu, ktorú je možné poslať do siete na rekuperáciu energie, čím sa zabijú dve muchy jednou ranou. Na dosiahnutie tohto cieľa je samozrejme potrebná jednotka spätnej väzby energie pre automatické riadenie. Okrem toho by obvod spätnej väzby energie mal obsahovať aj AC a DC tlmivky, odporové kapacitné absorbéry, elektronické spínače atď.
Ako je dobre známe, mostíkový usmerňovací obvod všeobecných frekvenčných meničov je trojfázový a neriaditeľný, takže nie je možné dosiahnuť obojsmerný prenos energie medzi jednosmerným obvodom a napájacím zdrojom. Účinným riešením tohto problému je použitie aktívnej invertorovej technológie, pričom usmerňovacia časť využíva reverzibilný usmerňovač, známy aj ako sieťový menič. Riadením sieťového meniča sa regenerovaná elektrická energia invertuje na striedavý prúd s rovnakou frekvenciou, fázou a frekvenciou ako sieť a privádza sa späť do siete na dosiahnutie brzdenia. Predtým aktívne invertorové jednotky používali hlavne tyristorové obvody, ktoré dokázali bezpečne vykonávať spätnoväzobnú prevádzku iba pri stabilnom sieťovom napätí, ktoré nie je náchylné na poruchy (s kolísaním sieťového napätia nepresahujúcim 10 %). Tento typ obvodu dokázal bezpečne vykonávať spätnoväzobnú prevádzku meniča iba pri stabilnom sieťovom napätí, ktoré nie je náchylné na poruchy (s kolísaním sieťového napätia nepresahujúcim 10 %). Pretože počas brzdenia pri výrobe energie, ak je čas brzdenia sieťového napätia dlhší ako 2 ms, môže dôjsť k poruche komutácie a môže dôjsť k poškodeniu komponentov. Okrem toho má táto metóda počas hlbokého riadenia nízky účinník, vysoký obsah harmonických a prekrývajúcu sa komutáciu, čo spôsobuje skreslenie priebehu napätia elektrickej siete. Súčasne je riadenie zložité a nákladné. S praktickým využitím plne riadených zariadení boli vyvinuté reverzibilné meniče riadené striedačom s PWM riadením. Týmto spôsobom je štruktúra meniča na strane siete úplne rovnaká ako štruktúra meniča, pričom oba používajú PWM riadenie.
Z vyššie uvedenej analýzy vyplýva, že na skutočné dosiahnutie brzdenia meniča spätnou väzbou energie je kľúčom riadenie meniča na strane siete. Nasledujúci text sa zameriava na riadiaci algoritmus meniča na strane siete s použitím plne riadených zariadení a metódy PWM riadenia.
riadiaci algoritmus
Riadiaci algoritmus pre meniče na strane siete zvyčajne používa vektorový riadiaci algoritmus, kde vdc, v * dc a △ vdc predstavujú nameranú hodnotu, danú hodnotu a chybu riadenia napätia jednosmernej zbernice; id、i*d、 Δ id predstavuje nameranú hodnotu, danú hodnotu a chybu riadenia osi d meniča na strane siete; iq、i*q、 Δ iq predstavuje nameranú hodnotu, danú hodnotu a chybu riadenia prúdu na osi q meniča na strane siete; Δ v * d, v * d a v * q predstavujú požadovanú hodnotu odchýlky výstupného napätia na osi d, požadovanú hodnotu výstupného napätia na osi d a požadovanú hodnotu výstupného napätia na osi q meniča na strane siete; EABC, V * ABC a IABC predstavujú okamžité dané hodnoty sieťového potenciálu, výstupného napätia meniča na strane siete a trojfázové okamžité hodnoty výstupného prúdu; napr. φ predstavuje amplitúdu a fázu sieťového potenciálu.
Vektorový riadiaci algoritmus vypočíta rozdiel medzi nameraným napätím jednosmernej zbernice a danou hodnotou a pomocou PI regulátora získa danú hodnotu prúdu na osi d. Potom sa na základe nameranej fázy sieťového napätia nameraný výstupný prúd sieťového meniča synchrónne transformuje súradnicovo, aby sa získali namerané hodnoty prúdu na osi d a prúdu na osi q. Po úprave pí sa hodnota na osi d pripočíta k amplitúde sieťového napätia, aby sa získali dané hodnoty napätia na osi d a napätia na osi q. Po synchrónnej inverznej transformácii súradníc sa získa výstup.
Výhodou tohto algoritmu je vysoká presnosť riadenia a dobrá dynamická odozva; nevýhodou je, že riadiaci algoritmus obsahuje veľa transformácií súradníc a je zložitý, čo vyžaduje vysoký výpočtový výkon riadiaceho procesora.
Používa zloženie usmerňovača PWM so sledovaním prúdu. Tento zjednodušený algoritmus priamo vynásobí požadovanú hodnotu prúdu na osi d referenčnou hodnotou trojfázového sínusu získanou z vyhľadávacej tabuľky fáz nameraného sieťového napätia, aby získal požadovanú hodnotu trojfázového výstupného prúdu, a potom vykoná jednoduché nastavenie pí, aby získal požadovanú hodnotu trojfázového výstupného napätia a odoslal ju na výstup. Vzhľadom na vynechanie výpočtov transformácie súradníc v tomto algoritme sú požiadavky na výpočtový výkon riadiaceho procesora relatívne nízke. Na druhej strane, vzhľadom na charakteristiky samotného PI regulátora existuje určitá chyba v ustálenom stave pri riadení toku striedavého prúdu, takže účinník tohto algoritmu je nižší ako u štandardného algoritmu vektorového riadenia. Počas dynamických procesov je kolísanie napätia jednosmernej zbernice relatívne veľké a pravdepodobnosť výskytu napätia jednosmernej zbernice a iných porúch počas rýchlych dynamických procesov je relatívne vysoká.
Charakteristiky spätnoväzobného brzdenia
Prísne vzaté, menič na strane siete nemožno jednoducho označovať ako „usmerňovač“, pretože môže fungovať ako usmerňovač aj ako menič. Vďaka použitiu samovypínacích zariadení je možné riadiť veľkosť a fázu striedavého prúdu pomocou vhodného režimu PWM, čím sa vstupný prúd blíži k sínusovej vlne a zabezpečí sa, že účinník systému sa vždy blíži k 1. Keď rekuperačný výkon vrátený z meniča brzdením motora zvýši jednosmerné napätie, fáza vstupného striedavého prúdu sa môže obrátiť od fázy napájacieho napätia, aby sa dosiahla regeneratívna prevádzka, a rekuperačný výkon sa môže privádzať späť do striedavej elektrickej siete, pričom systém dokáže udržiavať jednosmerné napätie na danej hodnote. V tomto prípade menič na strane siete pracuje v aktívnom stave meniča. To umožňuje ľahko dosiahnuť obojsmerný tok výkonu a má rýchlu dynamickú rýchlosť odozvy. Zároveň táto topologická štruktúra umožňuje systému plne riadiť výmenu jalového a činného výkonu medzi striedavou a jednosmernou stranou s účinnosťou až 97 % a významnými ekonomickými výhodami. Tepelné straty predstavujú 1 % spotreby energie pri brzdení a neznečisťujú elektrickú sieť. Účinník je približne 1, čo je šetrné k životnému prostrediu. Preto sa spätnoväzobné brzdenie môže široko používať na úsporu energie v scenároch spätnoväzobného brzdenia pri PWM AC prenose, najmä v situáciách, kde je potrebné časté brzdenie. Výkon elektromotora je tiež vysoký a efekt úspory energie je významný. V závislosti od prevádzkových podmienok je priemerný efekt úspory energie približne 20 %. Jedinou nevýhodou implementácie spätnoväzobného riadenia je zložitá štruktúra riadiaceho systému.
Stručne povedané, možno vidieť, že zariadenie so spätnoväzobnou väzbou má oveľa lepšie výhody oproti brzdeniu na základe spotreby energie a brzdeniu jednosmerným prúdom. Použitím spätnoväzobného brzdenia na spätné vedenie regenerovanej elektriny do siete je možné dosiahnuť efekt zníženia spotreby energie a úspory nákladov na elektrinu. Preto v súčasnej situácii nedostatku energie spôsobeného rýchlym hospodárskym rozvojom v rôznych častiach Číny má podpora a používanie spätnoväzobných bŕzd dôležitý význam pre úsporu energie.