การสร้างและวิธีแก้ไขปัญหาแรงดันไฟเกินในตัวแปลงความถี่

ซัพพลายเออร์ชุดป้อนกลับพลังงานขอเตือนว่าตัวแปลงความถี่มักประสบปัญหาต่างๆ ระหว่างการดีบักและการใช้งาน ซึ่งปัญหาที่พบบ่อยที่สุดคือปัญหาแรงดันไฟฟ้าเกิน หลังจากเกิดแรงดันไฟฟ้าเกิน เพื่อป้องกันความเสียหายต่อวงจรภายใน ฟังก์ชันป้องกันแรงดันไฟฟ้าเกินของตัวแปลงความถี่จะทำงาน ส่งผลให้ตัวแปลงความถี่หยุดทำงาน ส่งผลให้อุปกรณ์ทำงานไม่ถูกต้อง

ดังนั้น จึงจำเป็นต้องมีมาตรการเพื่อขจัดปัญหาแรงดันไฟฟ้าเกินและป้องกันการเกิดข้อผิดพลาด เนื่องจากตัวแปลงความถี่และมอเตอร์มีการใช้งานที่แตกต่างกัน สาเหตุของแรงดันไฟฟ้าเกินจึงแตกต่างกัน ดังนั้นจึงควรใช้มาตรการที่เหมาะสมตามสถานการณ์เฉพาะ

การเกิดแรงดันไฟเกินในตัวแปลงความถี่และการเบรกแบบสร้างพลังงานใหม่

สิ่งที่เรียกว่าแรงดันไฟเกินของตัวแปลงความถี่ หมายถึงสถานการณ์ที่แรงดันไฟฟ้าของตัวแปลงความถี่เกินแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดเนื่องจากสาเหตุต่างๆ ซึ่งส่วนใหญ่มักปรากฏอยู่ในแรงดันไฟฟ้า DC ของบัส DC ของตัวแปลงความถี่

ในระหว่างการทำงานปกติ แรงดันไฟฟ้ากระแสตรงของตัวแปลงความถี่จะเป็นค่าเฉลี่ยหลังจากการแก้ไขคลื่นเต็มสามเฟส หากคำนวณจากแรงดันไฟฟ้าสาย 380V แรงดันไฟฟ้ากระแสตรงเฉลี่ย Ud = 1.35U สาย = 513V

เมื่อเกิดแรงดันไฟฟ้าเกิน ตัวเก็บประจุเก็บพลังงานบนบัส DC จะถูกชาร์จประจุ เมื่อแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นถึงประมาณ 700V (ขึ้นอยู่กับรุ่น) ระบบป้องกันแรงดันไฟฟ้าเกินของตัวแปลงความถี่จะทำงาน

มีสาเหตุหลักสองประการสำหรับแรงดันไฟเกินในตัวแปลงความถี่ ได้แก่ แรงดันไฟเกินและแรงดันไฟเกินแบบสร้างใหม่

แรงดันไฟเกินหมายถึงสถานการณ์ที่แรงดันไฟฟ้าของบัส DC เกินค่าที่กำหนดเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟที่มากเกินไป ปัจจุบัน แรงดันไฟฟ้าขาเข้าของตัวแปลงความถี่ส่วนใหญ่สามารถสูงถึง 460V ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าเกินที่เกิดจากแหล่งจ่ายไฟจึงเกิดขึ้นได้น้อยมาก

ปัญหาหลักที่กล่าวถึงในบทความนี้คือการสร้างแรงดันไฟเกินขึ้นมาใหม่

เหตุผลหลักในการสร้างแรงดันไฟฟ้าเกินแบบสร้างใหม่มีดังนี้: เมื่อโหลดของ GD2 (แรงบิดของล้อช่วยแรง) ลดความเร็วลง เวลาในการลดความเร็วที่ตั้งไว้โดยตัวแปลงความถี่จะสั้นเกินไป

มอเตอร์ต้องรับแรงภายนอก (เช่น พัดลมและเครื่องยืด) หรือแรงกระทำที่อาจเกิดได้ (เช่น ลิฟต์และเครน) เมื่อลดระดับลง ด้วยเหตุผลเหล่านี้ ความเร็วจริงของมอเตอร์จึงสูงกว่าความเร็วที่ตัวแปลงความถี่กำหนด ซึ่งหมายความว่าความเร็วของโรเตอร์ของมอเตอร์จะสูงกว่าความเร็วซิงโครนัส ณ เวลานี้ อัตราการลื่นไถลของมอเตอร์จะเป็นลบ และทิศทางของขดลวดโรเตอร์ที่ตัดสนามแม่เหล็กหมุนจะตรงข้ามกับสถานะของมอเตอร์ แรงบิดแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดขึ้นคือแรงบิดเบรกที่ขัดขวางทิศทางการหมุน ดังนั้น มอเตอร์ไฟฟ้าจึงอยู่ในสถานะกำลังผลิต และพลังงานจลน์ของโหลดจะถูก 'สร้างใหม่' เป็นพลังงานไฟฟ้า

พลังงานที่สร้างใหม่จะถูกชาร์จไปยังตัวเก็บประจุเก็บพลังงานไฟฟ้ากระแสตรง (DC) ของอินเวอร์เตอร์ผ่านไดโอดแบบฟรีวีลลิ่งของอินเวอร์เตอร์ ทำให้แรงดันไฟฟ้าของบัสไฟฟ้ากระแสตรงเพิ่มขึ้น ซึ่งเรียกว่า แรงดันไฟฟ้าเกินที่สร้างใหม่ แรงบิดที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการสร้างแรงดันไฟฟ้าเกินที่สร้างใหม่จะตรงข้ามกับแรงบิดเดิม ซึ่งก็คือแรงบิดเบรก ดังนั้น กระบวนการสร้างแรงดันไฟฟ้าเกินที่สร้างใหม่จึงเป็นกระบวนการเบรกที่สร้างใหม่เช่นกัน

กล่าวอีกนัยหนึ่ง การกำจัดพลังงานที่สร้างใหม่จะช่วยเพิ่มแรงบิดในการเบรก หากพลังงานที่สร้างใหม่มีปริมาณน้อย อินเวอร์เตอร์และมอเตอร์จะมีความสามารถในการเบรกแบบสร้างใหม่อยู่ที่ 20 และพลังงานไฟฟ้าส่วนนี้จะถูกอินเวอร์เตอร์และมอเตอร์ใช้ไป หากพลังงานนี้เกินขีดความสามารถในการใช้พลังงานของตัวแปลงความถี่และมอเตอร์ ตัวเก็บประจุของวงจร DC จะถูกชาร์จมากเกินไป และฟังก์ชันป้องกันแรงดันไฟฟ้าเกินของตัวแปลงความถี่จะถูกเปิดใช้งาน ทำให้การทำงานหยุดลง เพื่อหลีกเลี่ยงสถานการณ์นี้ จำเป็นต้องกำจัดพลังงานนี้ออกไปอย่างทันท่วงที พร้อมกับเพิ่มแรงบิดในการเบรก ซึ่งเป็นจุดประสงค์ของการเบรกแบบสร้างใหม่

มาตรการป้องกันแรงดันไฟเกินของตัวแปลงความถี่

เนื่องจากสาเหตุของแรงดันไฟฟ้าเกินมีสาเหตุที่แตกต่างกัน มาตรการที่ใช้จึงแตกต่างกันไป สำหรับปรากฏการณ์แรงดันไฟฟ้าเกินที่เกิดขึ้นระหว่างการจอดรถ หากไม่มีข้อกำหนดพิเศษเกี่ยวกับเวลาหรือสถานที่จอดรถ สามารถใช้วิธีการยืดเวลาหน่วงของตัวแปลงความถี่หรือจอดรถอิสระเพื่อแก้ไขปัญหาได้ สิ่งที่เรียกว่าการจอดรถอิสระ หมายถึง ตัวแปลงความถี่ตัดการเชื่อมต่ออุปกรณ์สวิตช์หลัก ทำให้มอเตอร์สามารถเลื่อนและหยุดได้อย่างอิสระ

หากมีข้อกำหนดบางประการเกี่ยวกับเวลาจอดรถหรือสถานที่จอดรถ สามารถใช้ฟังก์ชันเบรก DC ได้

ฟังก์ชันการเบรก DC คือการลดความเร็วของมอเตอร์ลงเหลือความถี่หนึ่ง จากนั้นจึงจ่ายพลังงาน DC ให้กับขดลวดสเตเตอร์ของมอเตอร์เพื่อสร้างสนามแม่เหล็กคงที่

ขดลวดโรเตอร์ของมอเตอร์จะตัดสนามแม่เหล็กนี้และสร้างแรงบิดเบรก ซึ่งจะแปลงพลังงานจลน์ของโหลดเป็นพลังงานไฟฟ้าและนำไปใช้ในรูปของความร้อนในวงจรโรเตอร์ของมอเตอร์ ดังนั้น การเบรกประเภทนี้จึงเรียกว่าการเบรกแบบใช้พลังงาน กระบวนการเบรก DC ประกอบด้วยสองกระบวนการ ได้แก่ การเบรกแบบฟื้นฟูพลังงานและการเบรกแบบใช้พลังงาน วิธีการเบรกนี้มีประสิทธิภาพเพียง 30-60% ของการเบรกแบบฟื้นฟูพลังงาน และแรงบิดเบรกค่อนข้างต่ำ เนื่องจากการใช้พลังงานเข้าสู่มอเตอร์อาจทำให้เกิดความร้อนสูงเกินไป เวลาในการเบรกจึงไม่ควรนานเกินไป

ยิ่งไปกว่านั้น ความถี่ในการสตาร์ท เวลาเบรก และแรงดันเบรกของระบบเบรก DC ล้วนถูกตั้งค่าด้วยตนเอง และไม่สามารถปรับอัตโนมัติตามระดับแรงดันไฟคืนได้ ดังนั้น ระบบเบรก DC จึงไม่สามารถใช้กับแรงดันไฟฟ้าเกินที่เกิดขึ้นระหว่างการทำงานปกติ และสามารถใช้ได้เฉพาะกับการเบรกขณะจอดรถเท่านั้น

สำหรับแรงดันไฟฟ้าเกินที่เกิดจาก GD2 (แรงบิดของล้อช่วยแรง) ของโหลดที่มากเกินไปในระหว่างการลดความเร็ว (จากความเร็วสูงไปยังความเร็วต่ำโดยไม่หยุด) สามารถนำวิธีการยืดเวลาการลดความเร็วที่เหมาะสมมาใช้เพื่อแก้ไขปัญหานี้ได้ อันที่จริง วิธีการนี้ยังใช้หลักการเบรกแบบฟื้นฟูพลังงาน (regenerative braking) อีกด้วย การขยายเวลาการลดความเร็วจะควบคุมความเร็วในการชาร์จของอินเวอร์เตอร์ด้วยแรงดันไฟฟ้าแบบฟื้นฟูพลังงานของโหลดเท่านั้น เพื่อให้สามารถใช้ความสามารถในการเบรกแบบฟื้นฟูพลังงานของอินเวอร์เตอร์ได้อย่างเหมาะสม สำหรับโหลดที่ทำให้มอเตอร์อยู่ในสถานะฟื้นฟูพลังงานเนื่องจากแรงภายนอก (รวมถึงการปลดปล่อยพลังงานศักย์) เนื่องจากโหลดเหล่านี้ทำงานตามปกติในสถานะเบรก พลังงานแบบฟื้นฟูพลังงานจึงสูงเกินกว่าที่ตัวแปลงความถี่จะนำไปใช้ได้ ดังนั้นจึงไม่สามารถใช้เบรกแบบ DC หรือยืดเวลาการลดความเร็วได้

เมื่อเปรียบเทียบกับการเบรกแบบ DC การเบรกแบบสร้างพลังงานกลับคืนจะมีแรงบิดในการเบรกที่สูงกว่า และชุดเบรกของตัวแปลงความถี่สามารถควบคุมแรงบิดในการเบรกได้โดยอัตโนมัติตามแรงบิดที่ต้องการของโหลด (เช่น ระดับพลังงานที่สร้างพลังงานกลับคืน) ดังนั้น การเบรกแบบสร้างพลังงานกลับคืนจึงเหมาะสมที่สุดสำหรับการจ่ายแรงบิดในการเบรกให้กับโหลดในระหว่างการทำงานปกติ

วิธีการเบรกแบบสร้างพลังงานกลับด้วยการแปลงความถี่:

1. ประเภทการใช้พลังงาน:

วิธีการนี้เกี่ยวข้องกับการต่อตัวต้านทานเบรกขนานในวงจร DC ของตัวแปลงความถี่ และควบคุมการเปิด/ปิดของทรานซิสเตอร์กำลังโดยการตรวจจับแรงดันไฟฟ้าบัส DC เมื่อแรงดันไฟฟ้าบัส DC เพิ่มขึ้นถึงประมาณ 700V ทรานซิสเตอร์กำลังจะนำไฟฟ้า โดยส่งพลังงานที่สร้างใหม่ไปยังตัวต้านทานและใช้พลังงานความร้อน จึงป้องกันไม่ให้แรงดันไฟฟ้า DC เพิ่มขึ้น เนื่องจากไม่สามารถนำพลังงานที่สร้างใหม่มาใช้ได้ จึงจัดอยู่ในประเภทการสิ้นเปลืองพลังงาน สำหรับการสิ้นเปลืองพลังงาน ความแตกต่างจากการเบรก DC คือ ตัวต้านทานเบรกจะใช้พลังงานจากภายนอกมอเตอร์ ทำให้มอเตอร์ไม่ร้อนเกินไปและสามารถทำงานได้บ่อยขึ้น

2. ประเภทการดูดซับบัส DC แบบขนาน:

เหมาะสำหรับระบบขับเคลื่อนมอเตอร์หลายตัว (เช่น เครื่องยืดกล้ามเนื้อ) ซึ่งมอเตอร์แต่ละตัวต้องใช้ตัวแปลงความถี่ ตัวแปลงความถี่หลายตัวใช้ตัวแปลงความถี่ฝั่งกริดร่วมกัน และอินเวอร์เตอร์ทั้งหมดเชื่อมต่อแบบขนานกับบัส DC ทั่วไป ในระบบนี้ มักจะมีมอเตอร์หนึ่งตัวหรือหลายตัวทำงานตามปกติในสถานะเบรก มอเตอร์ในสถานะเบรกจะถูกมอเตอร์ตัวอื่นๆ ลากเพื่อสร้างพลังงานทดแทน ซึ่งจะถูกดูดซับโดยมอเตอร์ในสถานะไฟฟ้าผ่านบัส DC แบบขนาน หากไม่สามารถดูดซับพลังงานได้ทั้งหมด พลังงานจะถูกใช้ผ่านตัวต้านทานเบรกที่ใช้ร่วมกัน พลังงานที่ฟื้นฟูได้จะถูกดูดซับและนำไปใช้บางส่วน แต่จะไม่ถูกป้อนกลับเข้าสู่ระบบไฟฟ้า

3. ประเภทการตอบรับพลังงาน:

อินเวอร์เตอร์แบบป้อนกลับพลังงานแบบแปลงกลับด้านกริดสามารถแปลงกลับได้ เมื่อผลิตพลังงานไฟฟ้าแบบสร้างใหม่ ตัวแปลงกลับได้จะป้อนพลังงานไฟฟ้าแบบสร้างใหม่กลับเข้าสู่กริด ทำให้พลังงานไฟฟ้าแบบสร้างใหม่สามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้อย่างเต็มที่ แต่วิธีนี้ต้องการความเสถียรของแหล่งจ่ายไฟฟ้าสูง และเมื่อเกิดไฟฟ้าดับกะทันหัน จะเกิดการกลับขั้วและพลิกคว่ำ