Dodávatelia podporných zariadení pre frekvenčné meniče pripomínajú, že v tradičných systémoch riadenia frekvencie, ktoré pozostávajú z bežných frekvenčných meničov, asynchrónnych motorov a mechanických záťaží, keď sa potenciálne zaťaženie prenášané motorom zníži, motor sa môže nachádzať v stave regeneratívneho brzdenia; alebo keď motor spomaľuje z vysokej rýchlosti na nízku rýchlosť (vrátane parkovania), frekvencia sa môže náhle znížiť, ale v dôsledku mechanickej zotrvačnosti motora sa môže nachádzať v stave regeneratívnej výroby energie. Mechanická energia uložená v prenosovom systéme sa motorom premieňa na elektrickú energiu a cez šesť voľnobežných diód meniča sa odosiela späť do jednosmerného obvodu meniča. V tomto okamihu je menič v usmernenom stave. V tomto bode, ak sa neprijmú žiadne opatrenia na spotrebu energie vo frekvenčnom meniči, táto energia spôsobí zvýšenie napätia na akumulačnom kondenzátore v medziobvode. Ak je brzdenie príliš rýchle alebo mechanické zaťaženie je zdvíhacie, táto časť energie môže spôsobiť poškodenie frekvenčného meniča, preto by sme mali zvážiť túto časť energie.
Vo všeobecnosti sa vo frekvenčných meničoch používajú dve najčastejšie používané metódy spracovania regenerovanej energie:
(1) Strata energie v „brzdnom rezistore“ umelo zapojeným paralelne s kondenzátorom v jednosmernom obvode sa nazýva stav dynamického brzdenia;
(2) Ak sa privádza späť do elektrickej siete, nazýva sa to stav spätnoväzbového brzdenia (tiež známy ako stav regeneratívneho brzdenia). Existuje aj iná metóda brzdenia, a to jednosmerné brzdenie, ktoré sa môže použiť v situáciách, keď je potrebné presné parkovanie alebo keď sa brzdový motor pred rozbehom otáča nerovnomerne v dôsledku vonkajších faktorov.
Mnoho odborníkov diskutovalo o návrhu a aplikácii brzdenia s frekvenčným meničom v knihách a publikáciách, najmä v poslednom čase sa objavilo veľa článkov na tému „brzdenie s energetickou spätnou väzbou“. Dnes autor predstavuje nový typ brzdnej metódy, ktorá má výhody štvorkvadrantovej prevádzky so „spätnou väzbou“ a vysokou prevádzkovou účinnosťou, ako aj výhody „brzdenia so spotrebou energie“ pre energetickú sieť bez znečistenia a vysokú spoľahlivosť.
Spotreba energie pri brzdení
Metóda použitia brzdového odporu zabudovaného v jednosmernom obvode na absorbovanie regeneratívnej elektrickej energie motora sa nazýva brzdenie so spotrebou energie.
Jeho výhodou je jednoduchá konštrukcia; žiadne znečistenie elektrickej siete (v porovnaní so spätnoväzobnou reguláciou), nízke náklady; nevýhodou je nízka prevádzková účinnosť, najmä pri častom brzdení, ktoré spotrebuje veľké množstvo energie a zvyšuje kapacitu brzdného odporu.
Vo všeobecnosti sú frekvenčné meniče s nízkym výkonom (pod 22 kW) vybavené vstavanou brzdnou jednotkou, ktorá vyžaduje iba externý brzdný odpor. Frekvenčné meniče s vysokým výkonom (nad 22 kW) vyžadujú externé brzdné jednotky a brzdné odpory.
Spätnoväzobné brzdenie
Na dosiahnutie brzdenia so spätnou väzbou energie sú potrebné podmienky, ako je regulácia napätia na rovnakej frekvencii a fáze, regulácia prúdu so spätnou väzbou atď. Využíva technológiu aktívneho invertora na invertovanie regenerovanej elektrickej energie na striedavý prúd s rovnakou frekvenciou a fázou ako elektrická sieť a jej vrátenie do siete, čím sa dosiahne brzdenie.
Výhodou spätnoväzbového brzdenia je, že môže fungovať v štyroch kvadrantoch a spätná väzba elektrickej energie zlepšuje účinnosť systému. Jeho nevýhody sú:
(1) Túto metódu spätnoväzbového brzdenia je možné použiť iba pri stabilnom sieťovom napätí, ktoré nie je náchylné na poruchy (s kolísaním sieťového napätia nepresahujúcim 10 %). Pretože počas brzdenia generátora energie, ak je čas poruchy napätia v elektrickej sieti dlhší ako 2 ms, môže dôjsť k poruche komutácie a poškodeniu komponentov.
(2) Počas spätnej väzby dochádza k harmonickému znečisteniu elektrickej siete.
(3) Riadenie je zložité a náklady sú vysoké.
Nová metóda brzdenia (brzdenie s kondenzátorovou spätnou väzbou)
Princíp hlavného obvodu
Usmerňovacia časť využíva na usmernenie bežný neriaditeľný usmerňovací mostík, filtračný obvod využíva univerzálny elektrolytický kondenzátor a oneskorovací obvod využíva buď stýkač, alebo tyristor. Nabíjací a spätnoväzobný obvod pozostáva z výkonového modulu IGBT, nabíjacej a spätnoväzobnej tlmivky L a veľkého elektrolytického kondenzátora C (s kapacitou približne niekoľkých desatín metra, ktorú možno určiť podľa operačného systému frekvenčného meniča). Časť meniča sa skladá z výkonového modulu IGBT. Ochranný obvod sa skladá z IGBT a výkonového rezistora.
1) Stav prevádzky generátora energie elektromotora
CPU monitoruje vstupné striedavé napätie a napätie jednosmerného obvodu (μd) v reálnom čase a určuje, či má poslať nabíjací signál do VT1. Keď je μd vyššie ako zodpovedajúca hodnota jednosmerného napätia (napríklad 380 V AC - 530 V DC) vstupného striedavého napätia, CPU vypne VT3 a nabíja elektrolytický kondenzátor C impulzným vedením VT1. V tomto čase sa reaktor L a elektrolytický kondenzátor C rozdelia, aby sa zabezpečilo, že elektrolytický kondenzátor C pracuje v bezpečnom rozsahu. Keď sa napätie na elektrolytickom kondenzátore C priblíži k nebezpečnej hodnote (napríklad 370 V), zatiaľ čo systém je stále v stave výroby energie a elektrická energia sa nepretržite vracia späť do jednosmerného obvodu cez menič, bezpečnostný obvod zohráva úlohu pri dosahovaní brzdenia spotrebou energie (odporové brzdenie), riadi vypínanie a zapínanie VT3 a tým realizuje spotrebu prebytočnej energie rezistorom R. Vo všeobecnosti sa takáto situácia nevyskytuje.
(2) Stav prevádzky elektromotora
Keď CPU zistí, že sa systém už nenabíja, pulzne prepojí VT3, čím vytvorí okamžité kladné a záporné napätie vľavo na reaktore L. V kombinácii s napätím na elektrolytickom kondenzátore C je možné dosiahnuť proces spätnej väzby energie z kondenzátora do jednosmerného obvodu. CPU riadi spínaciu frekvenciu a pracovný cyklus VT3 detekciou napätia na elektrolytickom kondenzátore C a napätia v jednosmernom obvode, čím riadi spätnoväzobný prúd a zabezpečuje, aby napätie v jednosmernom obvode νd nebolo príliš vysoké.
Problémy so systémom
(1) Výber reaktorov
(a) Zohľadňujeme špecifické prevádzkové podmienky a predpokladáme, že v systéme dôjde k určitej poruche, ktorá spôsobí, že potenciálne energetické zaťaženie prenášané motorom sa voľne zrýchli a klesne. V tomto čase je motor v stave výroby energie.
Regenerovaná energia sa cez šesť voľnobežných diód vracia späť do jednosmerného obvodu, čo spôsobuje zvýšenie Δd a rýchle uvedenie meniča do stavu nabíjania. V tomto čase bude prúd veľmi vysoký. Preto by mal byť zvolený priemer tlmivkového drôtu dostatočne veľký, aby v tomto čase prechádzal prúd.
(b) V spätnoväzobnej slučke, aby sa pred ďalším nabitím elektrolytického kondenzátora uvoľnilo čo najviac elektrickej energie, výber bežného železného jadra (kremíkový oceľový plech) nedosiahne cieľ. Najlepšie je zvoliť železné jadro vyrobené z feritového materiálu. Pri pohľade na vyššie uvedenú hodnotu prúdu je zrejmé, aké veľké je toto železné jadro. Nie je známe, či je na trhu také veľké feritové železné jadro. Aj keby nejaké bolo, jeho cena určite nebude veľmi nízka.
Autor teda navrhuje použiť jeden reaktor pre každý nabíjací a spätnoväzobný obvod.
(2) Ťažkosti s kontrolou
(a) V jednosmernom obvode frekvenčného meniča je napätie ν d vo všeobecnosti vyššie ako 500 V DC, zatiaľ čo výdržné napätie elektrolytického kondenzátora C je iba 400 V DC, čo naznačuje, že riadenie tohto procesu nabíjania nie je ako metóda riadenia energetického brzdenia (odporové brzdenie). Okamžitý úbytok napätia generovaný na reaktore je a okamžité nabíjacie napätie elektrolytického kondenzátora C je ν c = ν d - ν L. Aby sa zabezpečila prevádzka elektrolytického kondenzátora v bezpečnom rozsahu (≤ 400 V), je potrebné účinne riadiť úbytok napätia ν L na reaktore, ktorý zase závisí od okamžitej rýchlosti zmeny indukčnosti a prúdu.
(b)、 Počas procesu spätnej väzby je tiež potrebné zabrániť tomu, aby výboj elektrickej energie z elektrolytického kondenzátora C spôsobil nadmerné napätie jednosmerného obvodu cez reaktor, čo by viedlo k prepäťovej ochrane v systéme.
Hlavné scenáre aplikácií
Práve kvôli nadradenosti tejto novej metódy brzdenia (brzdenie spätnou väzbou kondenzátorom) frekvenčných meničov mnohí používatelia v poslednej dobe navrhli vybaviť tento systém na základe charakteristík svojich zariadení. S rozširovaním oblasti použitia frekvenčných meničov bude mať táto aplikačná technológia veľké rozvojové vyhliadky. Konkrétne sa používa hlavne v odvetviach, ako sú banské výťahy (na prepravu osôb alebo nakladanie materiálov), šikmé banské vozíky (jednoduché alebo dvojité rúry) a zdvíhacie stroje. V každom prípade sa zariadenia s energetickou spätnou väzbou môžu použiť v situáciách, ktoré si to vyžadujú.