Các nhà cung cấp thiết bị phản hồi năng lượng cho bộ biến tần xin lưu ý rằng hiện nay, phanh tiêu thụ năng lượng đơn giản được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tốc độ biến tần AC, với những nhược điểm như lãng phí điện năng, sinh nhiệt điện trở nghiêm trọng và hiệu suất phanh nhanh kém. Khi động cơ không đồng bộ thường xuyên phanh, sử dụng phanh phản hồi là một phương pháp tiết kiệm năng lượng rất hiệu quả và tránh gây hại cho môi trường và thiết bị trong quá trình phanh. Kết quả khả quan đã đạt được trong các ngành công nghiệp như đầu máy xe lửa điện và khai thác dầu. Với sự xuất hiện liên tục của các thiết bị điện tử công suất mới, hiệu quả chi phí ngày càng tăng và nhận thức của mọi người về tiết kiệm năng lượng và giảm tiêu thụ năng lượng, triển vọng ứng dụng đang mở ra rất nhiều.
Thiết bị phanh phản hồi năng lượng đặc biệt phù hợp với các trường hợp công suất động cơ lớn, chẳng hạn như lớn hơn hoặc bằng 100kw, mô men quán tính gd2 của thiết bị lớn và thuộc hệ thống làm việc liên tục ngắn hạn lặp lại. Độ giảm tốc từ tốc độ cao xuống tốc độ thấp lớn, thời gian phanh ngắn và cần lực phanh mạnh. Để nâng cao hiệu quả tiết kiệm năng lượng và giảm tổn thất năng lượng trong quá trình phanh, cần thu hồi năng lượng giảm tốc và phản hồi về lưới điện để đạt được hiệu quả tiết kiệm năng lượng.
Nguyên lý phanh phản hồi
Trong hệ thống điều chỉnh tốc độ tần số biến thiên, việc giảm tốc và dừng động cơ được thực hiện bằng cách giảm dần tần số. Khi tần số giảm, tốc độ đồng bộ của động cơ cũng giảm theo. Tuy nhiên, do quán tính cơ học, tốc độ rotor của động cơ không đổi, và sự thay đổi tốc độ có độ trễ nhất định. Lúc này, tốc độ thực tế sẽ lớn hơn tốc độ cho trước, dẫn đến tình trạng suất điện động ngược e của động cơ cao hơn điện áp đầu cực DC u của bộ biến tần, tức là e>u. Lúc này, động cơ điện trở thành máy phát điện, không những không cần nguồn điện lưới mà còn có thể phát điện lên lưới. Điều này không chỉ có tác dụng phanh tốt mà còn chuyển đổi động năng thành điện năng, có thể phát lên lưới để thu hồi năng lượng, một mũi tên trúng hai đích. Tất nhiên, để đạt được điều này, cần phải có một bộ phận phản hồi năng lượng để điều khiển tự động. Ngoài ra, mạch phản hồi năng lượng cũng nên bao gồm các cuộn kháng AC và DC, bộ hấp thụ điện dung, công tắc điện tử, v.v.
Như đã biết, mạch chỉnh lưu cầu của các bộ biến tần thông thường là mạch ba pha không điều khiển được, do đó không thể truyền năng lượng hai chiều giữa mạch DC và nguồn điện. Giải pháp hiệu quả cho vấn đề này là sử dụng công nghệ biến tần chủ động, và bộ phận chỉnh lưu sử dụng bộ chỉnh lưu thuận nghịch, còn được gọi là bộ biến đổi phía lưới. Bằng cách điều khiển biến tần phía lưới, năng lượng điện được tái tạo được đảo ngược thành điện xoay chiều có cùng tần số, pha và tần số với lưới điện, và được phản hồi trở lại lưới điện để đạt được trạng thái hãm. Trước đây, các bộ biến tần chủ động chủ yếu sử dụng mạch thyristor, chỉ có thể thực hiện hoạt động phản hồi an toàn trong điều kiện điện áp lưới điện ổn định, không dễ xảy ra sự cố (biến động điện áp lưới không quá 10%). Loại mạch này chỉ có thể thực hiện hoạt động phản hồi của biến tần một cách an toàn trong điều kiện điện áp lưới điện ổn định, không dễ xảy ra sự cố (biến động điện áp lưới không quá 10%). Bởi vì trong quá trình hãm phát điện, nếu thời gian hãm điện áp lưới điện lớn hơn 2ms, có thể xảy ra lỗi chuyển mạch và các linh kiện có thể bị hư hỏng. Ngoài ra, trong quá trình điều khiển sâu, phương pháp này có hệ số công suất thấp, hàm lượng sóng hài cao và sự giao thoa chồng chéo, gây ra méo dạng sóng điện áp lưới điện. Đồng thời, việc điều khiển phức tạp và chi phí cao. Với việc ứng dụng thực tế các thiết bị điều khiển hoàn toàn, người ta đã phát triển các bộ biến đổi thuận nghịch điều khiển bằng dao động (Chopper) sử dụng điều khiển PWM. Theo cách này, cấu trúc của bộ biến tần phía lưới điện hoàn toàn giống với cấu trúc của bộ biến tần, cả hai đều sử dụng điều khiển PWM.
Từ những phân tích trên, có thể thấy rằng để thực sự đạt được hiệu quả phanh phản hồi năng lượng của biến tần, chìa khóa nằm ở việc điều khiển biến tần phía lưới. Bài viết sau đây tập trung vào thuật toán điều khiển biến tần phía lưới sử dụng các thiết bị được điều khiển hoàn toàn và phương pháp điều khiển PWM.
thuật toán điều khiển
Thuật toán điều khiển cho bộ biến tần phía lưới thường áp dụng thuật toán điều khiển vectơ, trong đó vdc, v * dc và △ vdc lần lượt biểu diễn giá trị đo được, giá trị cho trước và lỗi điều khiển của điện áp bus DC; id, i * d, Δ id biểu diễn giá trị đo được, giá trị cho trước và lỗi điều khiển của trục d của bộ biến tần phía lưới; iq, i * q, Δ iq biểu diễn giá trị đo được, giá trị cho trước và lỗi điều khiển của dòng điện trục q của bộ biến đổi phía lưới; Δ v * d, v * d và v * q lần lượt biểu diễn điểm đặt độ lệch điện áp đầu ra trục d, điểm đặt điện áp đầu ra trục d và điểm đặt điện áp đầu ra trục q của bộ biến tần phía lưới; EABC, V * ABC và IABC lần lượt biểu diễn giá trị cho trước tức thời của điện thế lưới, điện áp đầu ra của bộ biến đổi phía lưới và giá trị tức thời ba pha của dòng điện đầu ra; e. φ lần lượt biểu diễn biên độ và pha của điện thế lưới.
Thuật toán điều khiển vector tính toán chênh lệch giữa điện áp bus DC đo được và giá trị cho trước, và thu được giá trị dòng điện trục d cho trước thông qua bộ điều chỉnh PI; sau đó, dựa trên pha đo được của điện áp lưới, dòng điện đầu ra đo được của bộ biến tần phía lưới được biến đổi tọa độ đồng bộ để thu được giá trị dòng điện trục d và dòng điện trục q đo được. Sau khi điều chỉnh pi, giá trị trục d được thêm vào biên độ điện áp lưới để thu được giá trị điện áp trục d và điện áp trục q cho trước. Sau khi biến đổi tọa độ ngược đồng bộ, thu được đầu ra.
Ưu điểm của thuật toán này là độ chính xác điều khiển cao và đáp ứng động tốt; Nhược điểm là có nhiều phép biến đổi tọa độ trong thuật toán điều khiển và thuật toán phức tạp, đòi hỏi công suất tính toán cao từ bộ xử lý điều khiển.
Nó áp dụng thành phần chỉnh lưu PWM theo dõi dòng điện. Thuật toán đơn giản hóa này nhân trực tiếp điểm đặt dòng điện trục d với giá trị tham chiếu sin ba pha thu được từ bảng tra cứu pha điện áp lưới đo được để có được điểm đặt của dòng điện đầu ra ba pha, sau đó thực hiện điều chỉnh pi đơn giản để có được điểm đặt của điện áp đầu ra ba pha và xuất nó ra. Do thuật toán này không tính toán biến đổi tọa độ nên yêu cầu về công suất tính toán cho bộ xử lý điều khiển tương đối thấp. Mặt khác, do đặc điểm của chính bộ điều chỉnh PI, có một lỗi trạng thái ổn định nhất định trong việc điều khiển dòng AC, do đó hệ số công suất của thuật toán này thấp hơn so với thuật toán điều khiển vectơ tiêu chuẩn. Trong các quá trình động, sự dao động của điện áp bus DC tương đối lớn và xác suất xảy ra điện áp bus DC và các lỗi khác trong các quá trình động nhanh là tương đối cao.
Đặc tính phanh phản hồi
Nói một cách chính xác, bộ biến tần phía lưới không thể được gọi đơn giản là "bộ chỉnh lưu" vì nó có thể hoạt động như một bộ chỉnh lưu và một bộ biến tần. Nhờ sử dụng các thiết bị tự ngắt, biên độ và pha của dòng điện AC có thể được điều khiển thông qua chế độ PWM thích hợp, khiến dòng điện đầu vào tiến gần đến dạng sóng sin và đảm bảo hệ số công suất của hệ thống luôn tiến gần đến 1. Khi công suất tái tạo được trả về từ bộ biến tần nhờ phanh giảm tốc động cơ làm tăng điện áp DC, pha của dòng điện AC đầu vào có thể được đảo ngược so với pha của điện áp nguồn để đạt được hoạt động tái tạo, và công suất tái tạo có thể được đưa trở lại lưới điện AC, trong khi hệ thống vẫn có thể duy trì điện áp DC ở giá trị đã cho. Trong trường hợp này, bộ biến tần phía lưới hoạt động ở trạng thái bộ biến tần chủ động. Điều này giúp dễ dàng đạt được dòng công suất hai chiều và có tốc độ phản ứng động nhanh. Đồng thời, cấu trúc liên kết này cho phép hệ thống kiểm soát hoàn toàn việc trao đổi công suất phản kháng và công suất chủ động giữa phía AC và DC, với hiệu suất lên đến 97% và mang lại lợi ích kinh tế đáng kể. Tổn thất nhiệt chỉ bằng 1% năng lượng tiêu thụ khi phanh, và không gây ô nhiễm lưới điện. Hệ số công suất khoảng 1, thân thiện với môi trường. Do đó, phanh phản hồi có thể được sử dụng rộng rãi để tiết kiệm năng lượng trong các tình huống phanh phản hồi năng lượng của truyền tải điện xoay chiều PWM, đặc biệt là trong các trường hợp cần phanh thường xuyên. Công suất của động cơ điện cũng cao, hiệu quả tiết kiệm năng lượng đáng kể. Tùy thuộc vào điều kiện vận hành, hiệu quả tiết kiệm năng lượng trung bình khoảng 20%. Nhược điểm duy nhất của việc triển khai điều khiển phản hồi là cấu trúc phức tạp của hệ thống điều khiển.
Tóm lại, có thể thấy rằng thiết bị hệ thống phản hồi năng lượng có ưu điểm vượt trội hơn hẳn so với phanh tiêu thụ năng lượng và phanh DC. Bằng cách sử dụng phanh phản hồi để đưa điện tái tạo trở lại lưới điện, nó có thể đạt được hiệu quả giảm tiêu thụ năng lượng và tiết kiệm chi phí điện. Do đó, trong tình trạng thiếu điện hiện nay do sự phát triển kinh tế nhanh chóng ở nhiều khu vực của Trung Quốc, việc thúc đẩy và ứng dụng phanh phản hồi có ý nghĩa quan trọng trong việc tiết kiệm năng lượng.