หลักการ อัลกอริทึม และคุณลักษณะของการเบรกป้อนกลับของตัวแปลงความถี่

ผู้จำหน่ายอุปกรณ์ป้อนกลับพลังงานสำหรับตัวแปลงความถี่ขอเตือนว่าปัจจุบัน การเบรกแบบประหยัดพลังงานอย่างง่ายถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในระบบควบคุมความเร็วการแปลงความถี่ไฟฟ้ากระแสสลับ ซึ่งมีข้อเสีย เช่น การสิ้นเปลืองพลังงานไฟฟ้า ความร้อนจากความต้านทานสูง และประสิทธิภาพการเบรกที่รวดเร็วต่ำ เมื่อมอเตอร์อะซิงโครนัสเบรกบ่อยครั้ง การใช้เบรกแบบป้อนกลับเป็นวิธีการประหยัดพลังงานที่มีประสิทธิภาพอย่างมากและหลีกเลี่ยงความเสียหายต่อสิ่งแวดล้อมและอุปกรณ์ในระหว่างการเบรก อุตสาหกรรมต่างๆ เช่น หัวรถจักรไฟฟ้าและการสกัดน้ำมันได้รับผลลัพธ์ที่น่าพอใจ ด้วยการเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังแบบใหม่ ความคุ้มค่าที่เพิ่มขึ้น และความตระหนักของผู้คนเกี่ยวกับการอนุรักษ์พลังงานและการลดการใช้พลังงาน ทำให้มีความเป็นไปได้ในการใช้งานที่หลากหลาย

อุปกรณ์เบรกแบบป้อนกลับพลังงานนี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับสถานการณ์ที่มีกำลังมอเตอร์สูง เช่น มากกว่าหรือเท่ากับ 100 กิโลวัตต์ โมเมนต์ความเฉื่อยของอุปกรณ์ (gd2) สูง และจัดอยู่ในระบบการทำงานต่อเนื่องระยะสั้นซ้ำๆ การลดความเร็วจากความเร็วสูงเป็นความเร็วต่ำนั้นใช้เวลานาน เวลาในการเบรกสั้น และจำเป็นต้องใช้แรงเบรกที่แรง เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการประหยัดพลังงานและลดการสูญเสียพลังงานระหว่างการเบรก จำเป็นต้องกู้คืนพลังงานจากการลดความเร็วและป้อนกลับไปยังระบบไฟฟ้าเพื่อให้เกิดประสิทธิภาพการประหยัดพลังงาน

หลักการเบรกแบบป้อนกลับ

ในระบบควบคุมความเร็วแบบปรับความถี่ การลดความเร็วและการหยุดของมอเตอร์ทำได้โดยการลดความถี่ลงทีละน้อย เมื่อความถี่ลดลง ความเร็วซิงโครนัสของมอเตอร์จะลดลงตามไปด้วย อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความเฉื่อยทางกล ความเร็วของโรเตอร์ของมอเตอร์จึงยังคงไม่เปลี่ยนแปลง และการเปลี่ยนแปลงความเร็วจะมีช่วงเวลาหน่วงที่แน่นอน ณ จุดนี้ ความเร็วจริงจะมากกว่าความเร็วที่กำหนด ส่งผลให้แรงเคลื่อนไฟฟ้าย้อนกลับ e ของมอเตอร์สูงกว่าแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง u ของตัวแปลงความถี่ นั่นคือ e>u ณ จุดนี้ มอเตอร์ไฟฟ้าจะกลายเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ซึ่งไม่เพียงแต่ไม่ต้องใช้ไฟฟ้าจากกริดเท่านั้น แต่ยังสามารถส่งกระแสไฟฟ้าไปยังกริดได้อีกด้วย ซึ่งไม่เพียงแต่ให้ผลในการเบรกที่ดีเท่านั้น แต่ยังแปลงพลังงานจลน์เป็นพลังงานไฟฟ้า ซึ่งสามารถส่งไปยังกริดเพื่อกู้คืนพลังงานได้ เปรียบเสมือนการได้นกสองตัวในคราวเดียว แน่นอนว่าจำเป็นต้องมีอุปกรณ์ป้อนกลับพลังงานสำหรับการควบคุมอัตโนมัติเพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ นอกจากนี้ วงจรป้อนกลับพลังงานยังควรมีตัวปฏิกรณ์ AC และ DC ตัวดูดซับความจุความต้านทาน สวิตช์อิเล็กทรอนิกส์ ฯลฯ อีกด้วย

เป็นที่ทราบกันดีว่าวงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์ของตัวแปลงความถี่ทั่วไปเป็นวงจรสามเฟสที่ไม่สามารถควบคุมได้ ดังนั้นจึงไม่สามารถถ่ายโอนพลังงานแบบสองทิศทางระหว่างวงจร DC และแหล่งจ่ายไฟได้ วิธีแก้ปัญหาที่มีประสิทธิภาพคือการใช้เทคโนโลยีอินเวอร์เตอร์แบบแอคทีฟ ซึ่งส่วนของวงจรเรียงกระแสใช้วงจรเรียงกระแสแบบกลับได้ หรือที่รู้จักกันในชื่อตัวแปลงด้านกริด โดยการควบคุมอินเวอร์เตอร์ด้านกริด พลังงานไฟฟ้าที่ถูกสร้างขึ้นใหม่จะถูกแปลงกลับเป็นไฟฟ้ากระแสสลับที่มีความถี่ เฟส และความถี่เดียวกันกับกริด และป้อนกลับไปยังกริดเพื่อทำการเบรก ก่อนหน้านี้ อินเวอร์เตอร์แบบแอคทีฟส่วนใหญ่ใช้วงจรไทริสเตอร์ ซึ่งสามารถทำงานได้อย่างปลอดภัยภายใต้แรงดันไฟฟ้ากริดที่เสถียรและไม่เกิดความผิดพลาด (ความผันผวนของแรงดันไฟฟ้ากริดไม่เกิน 10%) วงจรประเภทนี้สามารถทำงานได้อย่างปลอดภัยภายใต้แรงดันไฟฟ้ากริดที่เสถียรและไม่เกิดความผิดพลาด (ความผันผวนของแรงดันไฟฟ้ากริดไม่เกิน 10%) เนื่องจากในระหว่างการเบรกการผลิตไฟฟ้า หากเวลาเบรกแรงดันไฟฟ้ากริดมากกว่า 2 มิลลิวินาที อาจเกิดความล้มเหลวในการสับเปลี่ยนและส่วนประกอบอาจเสียหายได้ นอกจากนี้ ในระหว่างการควบคุมแบบลึก วิธีการนี้มีค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าต่ำ ปริมาณฮาร์มอนิกสูง และการสับเปลี่ยนที่ทับซ้อนกัน ซึ่งจะทำให้เกิดการบิดเบือนของรูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าของโครงข่ายไฟฟ้า การควบคุมมีความซับซ้อนและมีต้นทุนสูงในเวลาเดียวกัน ด้วยการประยุกต์ใช้อุปกรณ์ที่ควบคุมได้อย่างสมบูรณ์ ผู้คนจึงได้พัฒนาตัวแปลงกลับได้แบบสับเปลี่ยนโดยใช้การควบคุมแบบ PWM ด้วยวิธีนี้ โครงสร้างของอินเวอร์เตอร์ฝั่งกริดจึงเหมือนกับอินเวอร์เตอร์ทุกประการ โดยใช้การควบคุมแบบ PWM

จากการวิเคราะห์ข้างต้น จะเห็นได้ว่าการเบรกป้อนกลับพลังงานของอินเวอร์เตอร์ได้อย่างแท้จริงนั้น สิ่งสำคัญคือการควบคุมอินเวอร์เตอร์ฝั่งกริด ข้อความต่อไปนี้จะเน้นที่อัลกอริทึมการควบคุมอินเวอร์เตอร์ฝั่งกริดโดยใช้อุปกรณ์ควบคุมเต็มรูปแบบและวิธีการควบคุมแบบ PWM

อัลกอริทึมการควบคุม

อัลกอริทึมการควบคุมสำหรับอินเวอร์เตอร์ด้านกริดมักใช้อัลกอริทึมการควบคุมเวกเตอร์ โดยที่ vdc, v * dc และ △ vdc แทนค่าที่วัดได้ ค่าที่กำหนด และข้อผิดพลาดในการควบคุมของแรงดันไฟฟ้าบัส DC ตามลำดับ id、i*d、 Δ id แทนค่าที่วัดได้ ค่าที่กำหนด และข้อผิดพลาดในการควบคุมของแกน d ของอินเวอร์เตอร์ด้านกริด iq、i*q、 Δ iq แทนค่าที่วัดได้ ค่าที่กำหนด และข้อผิดพลาดในการควบคุมของกระแสแกน q ของตัวแปลงด้านกริด Δ v * d, v * d และ v * q แทนค่าตั้งค่าความเบี่ยงเบนของแรงดันเอาต์พุตแกน d, ค่าตั้งค่าแรงดันเอาต์พุตแกน d และค่าตั้งค่าแรงดันเอาต์พุตแกน q ของอินเวอร์เตอร์ด้านกริด EABC, V * ABC และ IABC แทนค่าที่กำหนดในขณะเดียวกันของศักย์กริด แรงดันเอาต์พุตของตัวแปลงด้านกริด และค่าทันทีของกระแสเอาต์พุตสามเฟสตามลำดับ φ แทนแอมพลิจูดและเฟสของศักย์กริดตามลำดับ

อัลกอริทึมการควบคุมเวกเตอร์จะคำนวณความแตกต่างระหว่างแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่วัดได้กับค่าที่กำหนด และหาค่ากระแสแกน d ที่กำหนดผ่านตัวควบคุม PI จากนั้น กระแสเอาต์พุตที่วัดได้ของอินเวอร์เตอร์ฝั่งกริดจะถูกแปลงพิกัดแบบซิงโครนัสตามเฟสของแรงดันไฟฟ้ากริดที่วัดได้ เพื่อให้ได้ค่ากระแสแกน d และกระแสแกน q ที่วัดได้ หลังจากการปรับค่า pi แล้ว ค่าแกน d จะถูกบวกเข้ากับแอมพลิจูดของแรงดันไฟฟ้ากริดเพื่อให้ได้ค่าแรงดันแกน d และแรงดันแกน q ที่กำหนด หลังจากการแปลงผกผันของพิกัดซิงโครนัสแล้ว จะได้เอาต์พุต

ข้อดีของอัลกอริทึมนี้คือความแม่นยำในการควบคุมสูงและการตอบสนองแบบไดนามิกที่ดี ข้อเสียคือมีการแปลงพิกัดจำนวนมากในอัลกอริทึมการควบคุม และอัลกอริทึมมีความซับซ้อน ซึ่งต้องใช้พลังในการคำนวณสูงจากโปรเซสเซอร์ควบคุม

ใช้วงจรเรียงกระแส PWM แบบติดตามกระแส อัลกอริทึมแบบง่ายนี้จะคูณค่า setpoint กระแสในแกน d กับค่าอ้างอิงไซน์สามเฟสที่ได้จากตารางค้นหาเฟสของแรงดันไฟฟ้ากริดที่วัดได้ เพื่อหาค่า setpoint ของกระแสเอาต์พุตสามเฟส จากนั้นทำการปรับค่า pi อย่างง่ายเพื่อหาค่า setpoint ของแรงดันเอาต์พุตสามเฟสและส่งออก เนื่องจากการละเว้นการคำนวณการแปลงพิกัดในอัลกอริทึมนี้ ความต้องการพลังงานในการคำนวณสำหรับโปรเซสเซอร์ควบคุมจึงค่อนข้างต่ำ ในทางกลับกัน เนื่องจากคุณสมบัติของตัวควบคุม PI เอง จึงมีความคลาดเคลื่อนในสถานะคงที่ในการควบคุมการไหลของกระแสสลับ ดังนั้นค่าตัวประกอบกำลังของอัลกอริทึมนี้จึงต่ำกว่าค่าตัวประกอบกำลังของอัลกอริทึมควบคุมเวกเตอร์มาตรฐาน ในระหว่างกระบวนการไดนามิก ความผันผวนของแรงดันไฟฟ้าบัส DC ค่อนข้างสูง และโอกาสที่แรงดันไฟฟ้าบัส DC และความผิดพลาดอื่นๆ จะเกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการไดนามิกที่รวดเร็วนั้นค่อนข้างสูง

ลักษณะการเบรกแบบป้อนกลับ

หากพูดกันตามจริงแล้ว อินเวอร์เตอร์ฝั่งกริดไม่สามารถเรียกง่ายๆ ว่า "วงจรเรียงกระแส" ได้ เนื่องจากสามารถทำงานเป็นทั้งวงจรเรียงกระแสและอินเวอร์เตอร์ได้ ด้วยการใช้อุปกรณ์ปิดตัวเอง สามารถควบคุมขนาดและเฟสของกระแสไฟฟ้าสลับผ่านโหมด PWM ที่เหมาะสม ทำให้กระแสอินพุตเข้าใกล้คลื่นไซน์ และทำให้ค่าตัวประกอบกำลังของระบบเข้าใกล้ 1 เสมอ เมื่อกำลังไฟฟ้ากลับคืนจากอินเวอร์เตอร์โดยการเบรกมอเตอร์ทำให้แรงดันไฟฟ้ากระแสตรงเพิ่มขึ้น เฟสของกระแสไฟฟ้าสลับขาเข้าสามารถย้อนกลับจากเฟสของแรงดันไฟฟ้าแหล่งจ่ายไฟฟ้าเพื่อทำงานแบบสร้างพลังงานใหม่ และกำลังไฟฟ้ากลับคืนสามารถป้อนกลับไปยังโครงข่ายไฟฟ้ากระแสสลับได้ ในขณะที่ระบบยังคงรักษาแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงให้อยู่ในระดับที่กำหนด ในกรณีนี้ อินเวอร์เตอร์ฝั่งกริดจะทำงานในสถานะอินเวอร์เตอร์แอคทีฟ ซึ่งทำให้การไหลของพลังงานแบบสองทิศทางทำได้ง่ายและมีความเร็วในการตอบสนองแบบไดนามิกที่รวดเร็ว ในขณะเดียวกัน โครงสร้างโทโพโลยีนี้ช่วยให้ระบบสามารถควบคุมการแลกเปลี่ยนพลังงานปฏิกิริยาและพลังงานจริงระหว่างด้าน AC และ DC ได้อย่างเต็มที่ ด้วยประสิทธิภาพสูงถึง 97% และประโยชน์ทางเศรษฐกิจที่สำคัญ การสูญเสียความร้อนคิดเป็น 1% ของการใช้พลังงานเบรก และไม่ก่อให้เกิดมลภาวะต่อระบบไฟฟ้า ค่าตัวประกอบกำลังอยู่ที่ประมาณ 1 ซึ่งเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ดังนั้น การเบรกแบบป้อนกลับจึงสามารถนำไปใช้อย่างแพร่หลายสำหรับการประหยัดพลังงานในสถานการณ์การเบรกแบบป้อนกลับของการส่งกำลังไฟฟ้ากระแสสลับแบบ PWM โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสถานการณ์ที่จำเป็นต้องเบรกบ่อยครั้ง กำลังของมอเตอร์ไฟฟ้าก็สูงเช่นกัน และให้ผลการประหยัดพลังงานที่สำคัญ ผลการประหยัดพลังงานโดยเฉลี่ยอยู่ที่ประมาณ 20% ขึ้นอยู่กับสภาวะการทำงาน ข้อเสียเพียงอย่างเดียวของการใช้ระบบควบคุมแบบป้อนกลับคือโครงสร้างที่ซับซ้อนของระบบควบคุม

โดยสรุปแล้ว จะเห็นได้ว่าอุปกรณ์ระบบป้อนกลับพลังงานมีข้อได้เปรียบเหนือกว่าระบบเบรกแบบใช้พลังงานและการเบรกแบบ DC อย่างมาก การใช้ระบบเบรกแบบป้อนกลับเพื่อป้อนกระแสไฟฟ้าที่หมุนเวียนกลับเข้าสู่ระบบโครงข่ายไฟฟ้า ช่วยลดการใช้พลังงานและประหยัดค่าไฟฟ้าได้ ดังนั้น ในสถานการณ์ปัจจุบันที่ขาดแคลนพลังงานอันเนื่องมาจากการพัฒนาเศรษฐกิจอย่างรวดเร็วในหลายพื้นที่ของจีน การส่งเสริมและนำระบบเบรกแบบป้อนกลับมาใช้จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการประหยัดพลังงาน