Trong ngành điện và điện lực, biến tần chủ yếu được sử dụng để tiết kiệm năng lượng và cải thiện quy trình sản xuất. Là thiết bị tiết kiệm năng lượng và điều chỉnh tốc độ cho động cơ, chúng được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực luyện kim, điện, cấp nước, dầu khí, hóa chất, than đá và các lĩnh vực khác. Bản chất của bộ phản hồi năng lượng của biến tần là nghịch đảo chủ động. Phương pháp thực hiện bộ phản hồi năng lượng của biến tần tổng là đưa năng lượng tái tạo vào lưới điện bằng các bộ nghịch lưu ba pha song song ngược tại bộ chỉnh lưu không điều khiển của tầng trước của biến tần tổng. Mạch chính của bộ phản hồi năng lượng chủ yếu bao gồm một cầu biến tần bao gồm các thyristor, IGBT, mô-đun IPM và một số mạch ngoại vi.
Đầu ra của cầu biến tần được kết nối với các cực đầu vào R, S và T của biến tần thông qua ba cuộn kháng, và đầu vào được kết nối với cực dương của phía DC của biến tần vạn năng thông qua một diode cách ly để đảm bảo dòng năng lượng một chiều theo hướng "lưới cầu biến tần chủ động biến tần". Chức năng của cuộn kháng là cân bằng chênh lệch điện áp, giới hạn dòng điện và lọc, đóng vai trò quan trọng trong việc phản hồi năng lượng tái tạo về lưới điện.
Quy trình hoạt động của hệ thống như sau: khi động cơ đang chạy, thiết bị biến tần chủ động không hoạt động, các ống công tắc biến tần đều bị chặn và ở trạng thái tắt; khi động cơ ở trạng thái phát điện tái tạo, năng lượng được động cơ đưa trở lại lưới điện, thiết bị biến tần chủ động cần được khởi động để hoạt động.
Việc kích hoạt bộ biến tần chủ động trong quá trình phản hồi năng lượng được điều khiển bởi độ lớn của điện áp phía DC Ud của bộ biến tần. Cơ sở là khi động cơ ở trạng thái điện, điện áp phía DC của bộ biến tần về cơ bản vẫn không đổi. Khi động cơ ở trạng thái hãm phát điện, năng lượng tái tạo của động cơ AC sẽ nạp điện cho tụ điện lưu trữ năng lượng ở liên kết DC giữa của bộ biến tần, làm tăng điện áp bus DC. Chỉ cần phát hiện được độ lớn của Ud, trạng thái của động cơ có thể được xác định và bộ biến tần chủ động có thể được điều khiển để đạt được phản hồi năng lượng.
Khi năng lượng được động cơ đưa trở lại phía DC, khiến điện áp bus DC vượt quá điện áp đỉnh của đường dây lưới điện, cầu chỉnh lưu của bộ biến tần vạn năng sẽ tắt do điện áp ngược; Khi điện áp bus DC tiếp tục tăng và vượt quá điện áp làm việc khởi động của bộ biến tần chủ động, bộ biến tần bắt đầu hoạt động, đưa năng lượng trở lại lưới điện từ phía DC; Khi điện áp bus DC giảm xuống điện áp hoạt động của bộ biến tần, bộ biến tần chủ động sẽ tắt.
Bằng cách sử dụng bộ biến tần chủ động để phản hồi năng lượng tái tạo được tạo ra trong quá trình giảm tốc và phanh động cơ về lưới điện, bộ biến tần vạn năng có thể khắc phục hiệu suất thấp và khó khăn trong việc đáp ứng các yêu cầu phanh nhanh và quay tiến/lùi thường xuyên do sử dụng điện trở phanh truyền thống, cho phép bộ biến tần vạn năng hoạt động ở bốn góc phần tư.
1) Hệ thống điều khiển phản hồi năng lượng
Hệ thống điều khiển phản hồi năng lượng hoàn chỉnh phải đáp ứng các điều kiện điều khiển về pha, điện áp, dòng điện, v.v., yêu cầu quá trình phản hồi phải đồng bộ với pha lưới và thiết bị biến tần chủ động chỉ được khởi động khi điện áp bus DC vượt quá một giá trị nhất định; Hệ thống phải có khả năng kiểm soát độ lớn của dòng điện phản hồi, từ đó kiểm soát mô-men phanh của động cơ và đạt được hiệu quả phanh chính xác.
2) Hai loại bộ phản hồi năng lượng biến tần phổ thông
Trước đây, mạch chính của bộ phản hồi năng lượng chủ yếu bao gồm thyristor và IGBT. Trong những năm gần đây, một số loại bộ phản hồi năng lượng mới cũng đã sử dụng các mô-đun thông minh như IPM để đơn giản hóa cấu trúc hệ thống của bộ phản hồi năng lượng.
(1) Bộ phản hồi năng lượng Thyristor:
Mạch chính phản hồi năng lượng được cấu thành từ các linh kiện thyristor, cũng là một bộ phận phản hồi năng lượng sơ khai. Nó không chỉ được sử dụng trong bộ biến tần mà còn trong hệ thống phanh của một số hệ thống điều khiển tốc độ thuận nghịch DC.
① Trạng thái làm việc thuận của biến tần vạn năng: Khi động cơ ở trạng thái điện, bộ chỉnh lưu của biến tần đang hoạt động, trong khi thiết bị thyristor trong bộ phản hồi năng lượng không được kích hoạt và ở trạng thái ngắt, bộ chỉnh lưu đang hoạt động theo hướng thuận. Bộ phận biến tần có thể điều khiển của biến tần được kích hoạt để hoạt động, bộ phận chỉnh lưu ngược không thể điều khiển ở trạng thái ngắt, biến tần đang hoạt động thuận.
② Trạng thái làm việc ngược của biến tần vạn năng: Khi động cơ ở trạng thái phát điện, bộ chỉnh lưu của biến tần ở trạng thái ngắt, các thiết bị thyristor trong bộ phản hồi năng lượng được kích hoạt để hoạt động. Bộ phận biến tần có thể điều khiển của biến tần vẫn được kích hoạt để hoạt động, bộ phận chỉnh lưu ngược không thể điều khiển ở trạng thái hoạt động, biến tần hoạt động ngược.
(2) Bộ phản hồi năng lượng IGBT:
Mạch chính phản hồi năng lượng bao gồm các linh kiện IGBT, loại linh kiện thường được sử dụng trong các bộ biến tần thông dụng. Diode tự do tích hợp với các linh kiện IGBT không thể được sử dụng làm bộ chỉnh lưu do hạn chế của diode cách ly được kết nối với phía DC. Chi phí của nó sẽ cao hơn so với bộ phản hồi năng lượng thyristor.
① Trạng thái làm việc thuận của biến tần vạn năng: Khi động cơ ở trạng thái điện, bộ chỉnh lưu của biến tần đang hoạt động, trong khi thiết bị IGBT trong bộ phản hồi năng lượng không được kích hoạt và ở trạng thái ngắt, bộ chỉnh lưu đang hoạt động theo hướng thuận. Các thiết bị IGBT trong biến tần được kích hoạt để hoạt động, và bộ phận chỉnh lưu ngược không được kiểm soát ở trạng thái ngắt, trong khi biến tần đang hoạt động thuận.
② Trạng thái làm việc ngược của biến tần vạn năng: Khi động cơ ở trạng thái phát điện, bộ chỉnh lưu của biến tần ở trạng thái ngắt, thiết bị IGBT trong bộ phản hồi năng lượng được kích hoạt để hoạt động. Các thiết bị IGBT trong biến tần vẫn được kích hoạt để hoạt động, và bộ phận chỉnh lưu ngược không được kiểm soát đang hoạt động, khiến biến tần hoạt động ngược.