Dobavitelji podporne opreme za frekvenčne pretvornike vas opominjajo, da se v tradicionalnih sistemih za regulacijo frekvence, ki jih sestavljajo splošni frekvenčni pretvorniki, asinhroni motorji in mehanske obremenitve, ko se potencialna obremenitev, ki jo prenaša motor, zmanjša, motor lahko znajde v stanju regenerativnega zaviranja; ali pa se pri zaviranju motorja z visoke na nizko hitrost (vključno s parkiranjem) frekvenca lahko nenadoma zmanjša, vendar se zaradi mehanske vztrajnosti motorja lahko znajde v stanju regenerativnega generiranja energije. Mehansko energijo, shranjeno v prenosnem sistemu, motor pretvori v električno energijo in jo prek šestih prostotečnih diod pretvornika pošlje nazaj v enosmerni tokokrog pretvornika. V tem času je pretvornik v usmerjenem stanju. Če se v frekvenčnem pretvorniku ne sprejmejo nobeni ukrepi za porabo energije, bo ta energija povzročila povečanje napetosti kondenzatorja za shranjevanje energije v vmesnem tokokrogu. Če je zaviranje prehitro ali je mehanska obremenitev dvigalo, lahko ta del energije povzroči poškodbo frekvenčnega pretvornika, zato je treba upoštevati ta del energije.
Pri frekvenčnih pretvornikih se na splošno najpogosteje uporabljata dve metodi za obdelavo regenerirane energije:
(1) Disipacija v "zavornem uporu", ki je umetno nastavljen vzporedno s kondenzatorjem v enosmernem tokokrogu, se imenuje stanje dinamičnega zaviranja;
(2) Če se dovaja nazaj v električno omrežje, se to imenuje stanje povratnega zaviranja (znano tudi kot stanje regenerativnega zaviranja). Obstaja še ena metoda zaviranja, in sicer zaviranje z enosmernim tokom, ki se lahko uporabi v situacijah, ko je potrebno natančno parkiranje ali ko se zavorni motor zaradi zunanjih dejavnikov pred zagonom vrti nepravilno.
Številni strokovnjaki so v knjigah in publikacijah razpravljali o zasnovi in uporabi zaviranja s frekvenčno spremenljivim pogonom, zlasti v zadnjem času je bilo objavljenih veliko člankov o "zaviranju z energijsko povratno zanko". Danes avtor predstavlja novo vrsto metode zaviranja, ki ima prednosti štirikvadrantnega delovanja s "zaviranjem z povratno zanko" in visoko obratovalno učinkovitostjo, pa tudi prednosti "zaviranja s porabo energije" za električno omrežje brez onesnaževanja in visoko zanesljivost.
Poraba energije pri zaviranju
Metoda uporabe zavornega upora, vgrajenega v enosmerni tok, za absorpcijo regenerativne električne energije motorja se imenuje zaviranje s porabo energije.
Njegova prednost je preprosta konstrukcija; brez onesnaževanja električnega omrežja (v primerjavi z regulacijo z povratno zanko), nizki stroški; slabost je nizka obratovalna učinkovitost, zlasti med pogostim zaviranjem, ki porabi veliko energije in poveča kapaciteto zavornega upora.
Na splošno so pri splošnih frekvenčnih pretvornikih frekvenčni pretvorniki z nizko močjo (pod 22 kW) opremljeni z vgrajeno zavorno enoto, ki zahteva le zunanji zavorni upor. Frekvenčni pretvorniki z visoko močjo (nad 22 kW) potrebujejo zunanje zavorne enote in zavorne upore.
Zavorna povratna zavora
Za dosego zaviranja z povratno zanko so potrebni pogoji, kot so regulacija napetosti pri isti frekvenci in fazi, regulacija toka z povratno zanko itd. Uporablja aktivno invertersko tehnologijo za pretvorbo regenerirane električne energije v izmenični tok iste frekvence in faze kot električno omrežje in njeno vračanje v omrežje, s čimer se doseže zaviranje.
Prednost povratnega zaviranja je, da lahko deluje v štirih kvadrantih, povratna zanka z električno energijo pa izboljša učinkovitost sistema. Njegove slabosti so:
(1) To metodo zaviranja z povratno zanko je mogoče uporabiti le pri stabilni omrežni napetosti, ki ni nagnjena k napakam (z nihanji omrežne napetosti, ki ne presegajo 10 %). Med zaviranjem za proizvodnjo električne energije lahko, če je čas napake napetosti v omrežju daljši od 2 ms, pride do komutacijske napake in poškodb komponent.
(2) Med povratno zanko pride do harmoničnega onesnaženja električnega omrežja.
(3) Nadzor je zapleten in stroški visoki.
Nova metoda zaviranja (zaviranje s kondenzatorsko povratno zanko)
Načelo glavnega vezja
Usmerjevalni del za usmerjanje uporablja običajni nekrmiljeni usmerjevalni mostiček, filtrirno vezje uporablja univerzalni elektrolitski kondenzator, zakasnilno vezje pa kontaktor ali tiristor. Polnilno in povratno vezje je sestavljeno iz napajalnega modula IGBT, polnilnega in povratnega reaktorja L ter velikega elektrolitskega kondenzatorja C (s kapaciteto približno nekaj desetink metra, ki jo je mogoče določiti glede na operacijski sistem frekvenčnega pretvornika). Razsmerniški del je sestavljen iz napajalnega modula IGBT. Zaščitno vezje je sestavljeno iz IGBT in napajalnega upora.
1) Status delovanja generatorja električne energije elektromotorja
CPU v realnem času spremlja vhodno izmenično napetost in napetost enosmernega tokokroga (μ d) ter določi, ali bo poslal polnilni signal na VT1. Ko je μ d višji od ustrezne vrednosti enosmerne napetosti (npr. 380 VAC - 530 VDC) vhodne izmenične napetosti, CPU izklopi VT3 in s pulznim prevajanjem VT1 napolni elektrolitski kondenzator C. V tem času se reaktor L in elektrolitski kondenzator C ločita, da se zagotovi delovanje elektrolitskega kondenzatorja C v varnem območju. Ko se napetost na elektrolitskem kondenzatorju C približa nevarni vrednosti (npr. 370 V), medtem ko je sistem še vedno v stanju proizvodnje energije, in se električna energija prek razsmernika neprekinjeno vrača v enosmerni tokokrog, varnostno vezje igra vlogo pri doseganju zaviranja porabe energije (uporovnega zaviranja), nadzoruje vklop in izklop VT3 in s tem doseže porabo presežne energije z uporom R. Do tega običajno ne pride.
(2) Stanje delovanja elektromotorja
Ko CPU zazna, da se sistem ne polni več, impulzno prevaja VT3, kar ustvari takojšnjo levo pozitivno in desno negativno napetost na reaktorju L. V kombinaciji z napetostjo na elektrolitskem kondenzatorju C je mogoče doseči proces povratne zanke iz kondenzatorja v enosmerni tok. CPU nadzoruje preklopno frekvenco in delovni cikel VT3 z zaznavanjem napetosti na elektrolitskem kondenzatorju C in napetosti v enosmernem tok, s čimer nadzoruje povratni tok in zagotavlja, da napetost v enosmernem tok νd ne postane previsoka.
Težave s sistemom
(1) Izbira reaktorjev
(a) Upoštevamo posebnosti obratovalnih pogojev in predpostavljamo, da se v sistemu pojavi določena napaka, zaradi katere potencialna energijska obremenitev, ki jo nosi motor, prosto pospeši in pade. V tem času je motor v stanju proizvodnje energije.
Regenerirana energija se prek šestih prostotečnih diod vrne v enosmerni tok, kar povzroči povečanje Δd in hitro preklopi razsmernik v stanje polnjenja. V tem času bo tok zelo visok. Zato mora biti izbrani premer reaktorske žice dovolj velik, da bo v tem času prepuščal tok.
(b) V povratni zanki, da bi se pred naslednjim polnjenjem elektrolitskega kondenzatorja sprostilo čim več električne energije, izbira običajnega železnega jedra (silicijeva jeklena plošča) ne more doseči cilja. Najbolje je izbrati železno jedro iz feritnega materiala. Glede na zgornjo vrednost toka je razvidno, kako veliko je to železno jedro. Ni znano, ali je na trgu na voljo tako veliko feritno železno jedro. Tudi če obstaja, njegova cena zagotovo ne bo zelo nizka.
Avtor torej predlaga uporabo enega reaktorja za vsak polnilni in povratni tokokrog.
(2) Težave pri nadzoru
(a)、 V enosmernem tokokrogu frekvenčnega pretvornika je napetost ν d običajno višja od 500 VDC, medtem ko je vzdržna napetost elektrolitskega kondenzatorja C le 400 VDC, kar kaže, da krmiljenje tega procesa polnjenja ni podobno metodi krmiljenja energijskega zaviranja (uporovnega zaviranja). Trenutni padec napetosti, ki nastane na reaktorju, je , trenutna polnilna napetost elektrolitskega kondenzatorja C pa je ν c = ν d - ν L. Da bi zagotovili delovanje elektrolitskega kondenzatorja v varnem območju (≤ 400 V), je treba učinkovito krmiliti padec napetosti ν L na reaktorju, ki je odvisen od trenutne hitrosti spremembe induktivnosti in toka.
(b) Med procesom povratne zanke je treba preprečiti tudi, da bi praznjenje električne energije iz elektrolitskega kondenzatorja C povzročilo prekomerno napetost enosmernega tokokroga skozi reaktor, kar bi povzročilo zaščito pred prenapetostjo v sistemu.
Glavni scenariji uporabe
Prav zaradi superiornosti te nove metode zaviranja (zaviranje s kondenzatorsko povratno zanko) frekvenčnih pretvornikov so mnogi uporabniki v zadnjem času predlagali opremljanje s tem sistemom na podlagi značilnosti svoje opreme. Z razširitvijo področja uporabe frekvenčnih pretvornikov bo imela ta aplikacijska tehnologija velike razvojne možnosti. Uporablja se predvsem v panogah, kot so rudniška dvigala (za prevoz ljudi ali nalaganje materialov), nagnjeni rudniški vagoni (enocevni ali dvocevni) in dvižni stroji. V vsakem primeru se lahko naprave za energijsko povratno zanko uporabljajo v situacijah, ki jih zahtevajo.