Dobavitelji enot za energijsko povratno zanko vas opozarjajo, da se frekvenčni pretvorniki med odpravljanjem napak in uporabo pogosto soočajo z različnimi težavami, med katerimi je najpogostejša prenapetost. Ko pride do prenapetosti, se za preprečitev poškodb notranjega vezja aktivira funkcija prenapetostne zaščite frekvenčnega pretvornika, zaradi česar frekvenčni pretvornik preneha delovati in oprema ne deluje pravilno.
Zato je treba sprejeti ukrepe za odpravo prenapetosti in preprečevanje nastanka napak. Zaradi različnih scenarijev uporabe frekvenčnih pretvornikov in motorjev so tudi vzroki prenapetosti različni, zato je treba sprejeti ustrezne ukrepe glede na specifično situacijo.
Generiranje prenapetosti v frekvenčnem pretvorniku in regenerativnem zaviranju
Tako imenovana prenapetost frekvenčnega pretvornika se nanaša na situacijo, ko napetost frekvenčnega pretvornika zaradi različnih razlogov preseže nazivno napetost, kar se kaže predvsem v enosmerni napetosti enosmernega vodila frekvenčnega pretvornika.
Med normalnim delovanjem je enosmerna napetost frekvenčnega pretvornika povprečna vrednost po trifazni polnovalni usmernitvi. Če se izračuna na podlagi omrežne napetosti 380 V, je povprečna enosmerna napetost Ud = 1,35 U, omrežna napetost pa 513 V.
Ko pride do prenapetosti, se kondenzator za shranjevanje energije na enosmernem vodilu napolni. Ko napetost naraste na približno 700 V (odvisno od modela), se aktivira prenapetostna zaščita frekvenčnega pretvornika.
Obstajata dva glavna razloga za prenapetost v frekvenčnih pretvornikih: prenapetost moči in regenerativna prenapetost.
Prenapetost napajanja se nanaša na situacijo, ko napetost enosmernega vodila preseže nazivno vrednost zaradi previsoke napetosti napajanja. Dandanes lahko vhodna napetost večine frekvenčnih pretvornikov doseže do 460 V, zato je prenapetost, ki jo povzroča napajanje, izjemno redka.
Glavno vprašanje, ki ga obravnava ta članek, je regeneracija prenapetosti.
Glavni razlogi za nastanek regenerativne prenapetosti so naslednji: ko se obremenitev GD2 (vztrajniški navor) upočasni, je čas upočasnitve, ki ga nastavi frekvenčni pretvornik, prekratek;
Motor je pri spuščanju izpostavljen zunanjim silam (kot so ventilatorji in raztezni stroji) ali potencialnim obremenitvam (kot so dvigala in žerjavi). Zaradi teh razlogov je dejanska hitrost motorja višja od zahtevane hitrosti frekvenčnega pretvornika, kar pomeni, da hitrost rotorja motorja presega sinhrono hitrost. V tem času je stopnja zdrsa motorja negativna, smer rotorskega navitja, ki reže vrteče se magnetno polje, pa je nasprotna smeri stanja motorja. Elektromagnetni navor, ki ga ustvarja, je zavorni navor, ki ovira smer vrtenja. Tako je elektromotor dejansko v stanju generiranja, kinetična energija bremena pa se "regenerira" v električno energijo.
Regenerativna energija se preko prostotečne diode razsmernika polni v kondenzator za shranjevanje enosmerne energije, kar povzroči dvig napetosti na enosmernem vodilu, kar imenujemo regenerativna prenapetost. Navor, ki nastane med procesom regenerativne prenapetosti, je nasproten prvotnemu navoru, ki je zavorni navor. Zato je proces regenerativne prenapetosti tudi proces regenerativnega zaviranja.
Z drugimi besedami, odprava regenerativne energije poveča zavorni navor. Če regenerativna energija ni velika, imata pretvornik in motor regenerativno zavorno zmogljivost 20, ta del električne energije pa bosta porabila pretvornik in motor. Če ta energija preseže porabno zmogljivost frekvenčnega pretvornika in motorja, se bo kondenzator enosmernega tokokroga preobremenil in aktivirala se bo funkcija prenapetostne zaščite frekvenčnega pretvornika, kar bo povzročilo zaustavitev delovanja. Da bi se temu izognili, je treba to energijo pravočasno odstraniti in hkrati povečati zavorni navor, kar je namen regenerativnega zaviranja.
Ukrepi za preprečevanje prenapetosti frekvenčnih pretvornikov
Zaradi različnih vzrokov prenapetosti se razlikujejo tudi ukrepi. Za rešitev problema prenapetosti, ki nastane med parkiranjem, se lahko, če ni posebnih zahtev glede časa ali lokacije parkiranja, uporabi metoda podaljšanja časa zaviranja frekvenčnega pretvornika ali prosto parkiranje. Tako imenovano prosto parkiranje se nanaša na odklop glavnega stikala frekvenčnega pretvornika, kar omogoča motorju prosto drsenje in ustavitev.
Če obstajajo določene zahteve glede časa parkiranja ali lokacije parkiranja, se lahko uporabi funkcija enosmernega zaviranja.
Funkcija enosmernega zaviranja je upočasniti motor na določeno frekvenco in nato na statorsko navitje motorja priključiti enosmerni tok, da se ustvari statično magnetno polje.
Navitje rotorja motorja prekine to magnetno polje in ustvari zavorni navor, ki pretvori kinetično energijo bremena v električno energijo in jo porablja v obliki toplote v tokokrogu rotorja motorja. Zato je ta vrsta zaviranja znana tudi kot zaviranje s porabo energije. Postopek enosmernega zaviranja dejansko vključuje dva procesa: regenerativno zaviranje in zaviranje s porabo energije. Ta metoda zaviranja ima izkoristek le 30–60 % regenerativnega zaviranja, zavorni navor pa je relativno majhen. Ker lahko poraba energije v motor povzroči pregrevanje, čas zaviranja ne sme biti predolg.
Poleg tega se zagonska frekvenca, čas zaviranja in zavorna napetost pri enosmernem zaviranju nastavljajo ročno in jih ni mogoče samodejno prilagajati glede na raven regenerativne napetosti. Zato se enosmerno zaviranje ne more uporabljati pri prenapetosti, ki nastane med normalnim delovanjem, temveč se lahko uporablja le za zaviranje med parkiranjem.
Za prenapetost, ki jo povzroči prekomerni GD2 (vztrajniški navor) bremena med zaviranjem (z visoke hitrosti na nizko hitrost brez ustavljanja), se lahko uporabi metoda ustreznega podaljšanja časa zaviranja. Pravzaprav ta metoda uporablja tudi načelo regenerativnega zaviranja. Podaljšanje časa zaviranja nadzoruje hitrost polnjenja pretvornika le z regenerativno napetostjo bremena, tako da se razumno izkoristi regenerativna zavorna zmogljivost samega pretvornika. Kar zadeva bremena, ki zaradi zunanjih sil (vključno s potencialno sproščanjem energije) povzročijo, da je motor v regenerativnem stanju, je regenerativna energija previsoka, da bi jo porabil frekvenčni pretvornik sam, ker normalno delujejo v stanju zaviranja. Zato ni mogoče uporabiti enosmernega zaviranja ali podaljšati časa zaviranja.
V primerjavi z enosmernim zaviranjem ima regenerativno zaviranje večji zavorni navor, velikost zavornega navora pa lahko samodejno krmili zavorna enota frekvenčnega pretvornika glede na potreben zavorni navor bremena (tj. raven regenerativne energije). Zato je regenerativno zaviranje najprimernejše za zagotavljanje zavornega navora bremenu med normalnim delovanjem.
Metoda regenerativnega zaviranja s pretvorbo frekvence:
1. Vrsta porabe energije:
Ta metoda vključuje vzporedno vezavo zavornega upora v enosmernem vezju frekvenčnega pretvornika in krmiljenje vklopa/izklopa močnostnega tranzistorja z zaznavanjem napetosti enosmernega vodila. Ko napetost enosmernega vodila naraste na približno 700 V, močnostni tranzistor prevaja energijo, pri čemer regenerirano energijo prenese v upor in jo porablja v obliki toplotne energije, s čimer prepreči dvig enosmerne napetosti. Zaradi nezmožnosti izrabe regenerirane energije spada med zaviranja, ki porabljajo energijo. Ker so zaviranja, ki porabljajo energijo, se od enosmernega zaviranja razlikuje po tem, da porabljajo energijo na zavornem uporu zunaj motorja, zato se motor ne pregreva in lahko deluje pogosteje.
2. Vrsta absorpcije vzporednega enosmernega vodila:
Primerno za večmotorne pogonske sisteme (kot so raztezni stroji), pri katerih vsak motor potrebuje frekvenčni pretvornik, več frekvenčnih pretvornikov si deli pretvornik na strani omrežja in so vsi razsmerniki vzporedno priključeni na skupno enosmerno vodilo. V tem sistemu pogosto en ali več motorjev normalno deluje v stanju zaviranja. Motor v stanju zaviranja vlečejo drugi motorji, da ustvarijo regenerativno energijo, ki jo nato motor v električnem stanju absorbira prek vzporednega enosmernega vodila. Če je ni mogoče v celoti absorbirati, jo porabi skupni zavorni upor. Regenerirana energija se tukaj delno absorbira in izkoristi, vendar se ne vrne nazaj v električno omrežje.
3. Vrsta povratne informacije o energiji:
Inverterski pretvornik z energijsko povratno zanko na strani omrežja je reverzibilen. Ko se generira regenerativna energija, jo reverzibilni pretvornik vrača nazaj v omrežje, kar omogoča njeno polno izkoriščanje. Vendar ta metoda zahteva visoko stabilnost napajanja, in ko pride do nenadnega izpada električne energije, pride do inverzije in prevračanja.