Enerji geri besleme ünitesi tedarikçileri, frekans dönüştürücülerin hata ayıklama ve kullanım sırasında sıklıkla çeşitli sorunlarla karşılaştığını ve bunların en yaygınının aşırı gerilim olduğunu hatırlatır. Aşırı gerilim oluştuğunda, iç devrenin hasar görmesini önlemek için frekans dönüştürücünün aşırı gerilim koruma fonksiyonu devreye girerek frekans dönüştürücünün çalışmasını durdurur ve ekipmanın düzgün çalışmamasına neden olur.
Bu nedenle, aşırı gerilimi ortadan kaldırmak ve arıza oluşumunu önlemek için önlemler alınmalıdır. Frekans konvertörlerinin ve motorların farklı uygulama senaryoları nedeniyle, aşırı gerilimin nedenleri de farklıdır, bu nedenle duruma özel önlemler alınmalıdır.
Frekans konvertöründe aşırı gerilim oluşumu ve rejeneratif frenleme
Frekans konvertörünün aşırı gerilimi, çeşitli nedenlerle frekans konvertörünün geriliminin nominal gerilimi aştığı durumu ifade eder, bu durum esas olarak frekans konvertörünün DC barasındaki DC geriliminde kendini gösterir.
Normal çalışma sırasında, frekans dönüştürücünün DC gerilimi, üç fazlı tam dalga doğrultma işleminden sonraki ortalama değerdir. 380 V hat gerilimi baz alınarak hesaplandığında, ortalama DC gerilimi Ud=1,35 U hat=513 V'tur.
Aşırı gerilim oluştuğunda, DC barasındaki enerji depolama kondansatörü şarj olur. Gerilim yaklaşık 700 V'a (modele bağlı olarak) yükseldiğinde, frekans dönüştürücünün aşırı gerilim koruması devreye girer.
Frekans konvertörlerinde aşırı gerilimin iki temel nedeni vardır: Güç aşırı gerilimi ve rejeneratif aşırı gerilim.
Güç aşırı gerilimi, aşırı güç kaynağı gerilimi nedeniyle DC bara geriliminin nominal değeri aştığı durumu ifade eder. Günümüzde çoğu frekans dönüştürücünün giriş gerilimi 460 V'a kadar ulaşabildiğinden, güç kaynağından kaynaklanan aşırı gerilimler son derece nadirdir.
Bu makalede tartışılan temel konu aşırı gerilimin rejenerasyonudur.
Rejeneratif aşırı gerilim oluşmasının başlıca nedenleri şunlardır: GD2 yükü (volan torku) yavaşladığında, frekans konvertörü tarafından ayarlanan yavaşlama süresi çok kısadır;
Motor, indirildiğinde harici kuvvetlere (fanlar ve germe makineleri gibi) veya potansiyel yüklere (asansörler ve vinçler gibi) maruz kalır. Bu nedenlerden dolayı, motorun gerçek hızı frekans dönüştürücünün komut verdiği hızdan daha yüksektir; bu da motorun rotor hızının senkron hızı aştığı anlamına gelir. Bu sırada motorun kayma hızı negatiftir ve rotor sargısının dönen manyetik alanı kesme yönü, motor durumuna terstir. Ürettiği elektromanyetik tork, dönüş yönünü engelleyen frenleme torkudur. Dolayısıyla elektrik motoru aslında üretim durumundadır ve yükün kinetik enerjisi elektrik enerjisine 'yeniden üretilir'.
Rejeneratif enerji, invertörün serbest diyotu aracılığıyla invertörün DC enerji depolama kapasitörüne yüklenir ve bu da DC bara voltajının yükselmesine neden olur; bu duruma rejeneratif aşırı gerilim denir. Rejeneratif aşırı gerilim işlemi sırasında oluşan tork, frenleme torku olan orijinal torkun tersidir. Bu nedenle, rejeneratif aşırı gerilim işlemi aynı zamanda rejeneratif frenleme işlemidir.
Başka bir deyişle, rejeneratif enerjinin ortadan kaldırılması frenleme torkunu artırır. Rejeneratif enerji büyük değilse, invertör ve motorun rejeneratif frenleme kapasitesi 20'dir ve elektrik enerjisinin bu kısmı invertör ve motor tarafından tüketilir. Bu enerji, frekans dönüştürücü ve motorun tüketim kapasitesini aşarsa, DC devresinin kapasitörü aşırı şarj olur ve frekans dönüştürücünün aşırı gerilim koruma fonksiyonu devreye girerek çalışmayı durdurur. Bu durumu önlemek için, rejeneratif frenlemenin amacı olan frenleme torkunu artırırken, bu enerjinin zamanında bertaraf edilmesi gerekir.
Frekans konvertörlerinin aşırı gerilimini önlemeye yönelik tedbirler
Aşırı gerilimin farklı nedenleri nedeniyle alınan önlemler de farklıdır. Park sırasında oluşan aşırı gerilim durumunda, park süresi veya konumu için özel bir gereklilik yoksa, frekans dönüştürücünün yavaşlama süresini uzatma veya serbest park yöntemi kullanılabilir. Serbest park yöntemi, frekans dönüştürücünün ana şalter cihazını devre dışı bırakarak motorun serbestçe kaymasını ve durmasını sağlar.
Park süresi veya park yeri konusunda belirli gereksinimler varsa DC frenleme fonksiyonu kullanılabilir.
DC frenlemenin işlevi, motoru belirli bir frekansa kadar yavaşlatmak ve ardından motorun stator sargısına DC güç uygulayarak statik bir manyetik alan oluşturmaktır.
Motor rotor sargısı bu manyetik alanı keserek bir frenleme torku oluşturur. Bu tork, yükün kinetik enerjisini elektrik enerjisine dönüştürerek motor rotor devresinde ısı şeklinde tüketir. Bu nedenle, bu frenleme türüne enerji tüketen frenleme de denir. DC frenleme işlemi aslında iki işlemden oluşur: rejeneratif frenleme ve enerji tüketen frenleme. Bu frenleme yönteminin verimliliği, rejeneratif frenlemenin yalnızca %30-60'ı kadardır ve frenleme torku nispeten küçüktür. Motora enerji verilmesi aşırı ısınmaya neden olabileceğinden, frenleme süresi çok uzun olmamalıdır.
Ayrıca, DC frenlemenin başlangıç frekansı, frenleme süresi ve frenleme voltajı manuel olarak ayarlanır ve rejeneratif voltaj seviyesine göre otomatik olarak ayarlanamaz. Bu nedenle, DC frenleme normal çalışma sırasında oluşan aşırı voltaj için kullanılamaz ve yalnızca park halindeyken frenleme için kullanılabilir.
Yükün yavaşlama sırasında (yüksek hızdan düşük hıza durmadan geçerken) aşırı GD2 (volan torku) nedeniyle oluşan aşırı gerilim için, yavaşlama süresini uygun şekilde uzatma yöntemi uygulanabilir. Aslında bu yöntem aynı zamanda rejeneratif frenleme prensibini de kullanır. Yavaşlama süresinin uzatılması, yalnızca invertörün şarj hızını yükün rejeneratif voltajıyla kontrol ederek invertörün rejeneratif frenleme kapasitesinden makul bir şekilde yararlanılmasını sağlar. Dış kuvvetler (potansiyel enerji salınımı dahil) nedeniyle motorun rejeneratif duruma geçmesine neden olan yüklere gelince, bunlar normal olarak frenleme durumunda çalıştıkları için, rejeneratif enerji frekans dönüştürücünün kendisi tarafından tüketilemeyecek kadar yüksektir. Bu nedenle, DC frenleme kullanmak veya yavaşlama süresini uzatmak mümkün değildir.
Rejeneratif frenleme, DC frenlemeye kıyasla daha yüksek bir frenleme torkuna sahiptir ve frenleme torkunun büyüklüğü, yükün ihtiyaç duyduğu frenleme torkuna (yani rejeneratif enerji seviyesine) göre frekans dönüştürücünün frenleme ünitesi tarafından otomatik olarak kontrol edilebilir. Bu nedenle, rejeneratif frenleme, normal çalışma sırasında yüke frenleme torku sağlamak için en uygun yöntemdir.
Frekans dönüşümlü rejeneratif frenleme yöntemi:
1. Enerji tüketen tip:
Bu yöntem, bir frekans dönüştürücünün DC devresine bir fren direncinin paralel bağlanmasını ve DC bara gerilimini algılayarak bir güç transistörünün açılıp kapanmasını kontrol etmeyi içerir. DC bara gerilimi yaklaşık 700 V'a yükseldiğinde, güç transistörü iletime geçerek rejenerasyon enerjisini dirence iletir ve termal enerji olarak tüketir, böylece DC geriliminin yükselmesini önler. Rejenerasyon enerjisinden yararlanılamaması nedeniyle enerji tüketimli tipe aittir. Enerji tüketimli bir tip olarak, DC frenlemeden farkı, motorun dışındaki fren direncinde enerji tüketmesi, böylece motorun aşırı ısınmaması ve daha sık çalışabilmesidir.
2. Paralel DC bara emilim tipi:
Her motorun bir frekans konvertörü gerektirdiği, birden fazla frekans konvertörünün şebeke tarafındaki bir konvertörü paylaştığı ve tüm invertörlerin ortak bir DC barasına paralel olarak bağlandığı çok motorlu tahrik sistemleri (örneğin, germe makineleri) için uygundur. Bu sistemde, genellikle frenleme durumunda normal olarak çalışan bir veya daha fazla motor bulunur. Frenleme durumundaki motor, diğer motorlar tarafından çekilerek rejeneratif enerji üretir ve bu enerji daha sonra elektrik durumundaki motor tarafından paralel bir DC bara üzerinden emilir. Tamamen emilemezse, ortak bir frenleme direnci üzerinden tüketilir. Burada rejeneratif enerji kısmen emilir ve kullanılır, ancak şebekeye geri beslenmez.
3. Enerji geri bildirim türü:
Enerji geri beslemeli invertör tipi şebeke tarafı dönüştürücü tersinirdir. Rejeneratif enerji üretildiğinde, tersinir dönüştürücü rejeneratif enerjiyi şebekeye geri besleyerek rejeneratif enerjinin tam olarak kullanılmasını sağlar. Ancak bu yöntem, güç kaynağının yüksek kararlılığını gerektirir ve ani bir elektrik kesintisi durumunda tersinirlik ve devrilme meydana gelir.