Dodavatelé jednotek energetické zpětné vazby připomínají, že frekvenční měniče se během ladění a používání často setkávají s různými problémy, mezi nimiž je nejčastější přepětí. Po vzniku přepětí se aktivuje funkce ochrany proti přepětí frekvenčního měniče, aby se zabránilo poškození vnitřního obvodu, což způsobí zastavení frekvenčního měniče a následnou poruchu zařízení.
Proto je nutné přijmout opatření k eliminaci přepětí a zabránění vzniku poruch. Vzhledem k různým scénářům použití frekvenčních měničů a motorů se liší i příčiny přepětí, proto je třeba přijmout odpovídající opatření podle konkrétní situace.
Generování přepětí ve frekvenčním měniči a rekuperačním brzdění
Takzvané přepětí frekvenčního měniče označuje situaci, kdy napětí frekvenčního měniče z různých důvodů překročí jmenovité napětí, což se projevuje především stejnosměrným napětím stejnosměrné sběrnice frekvenčního měniče.
Během normálního provozu je stejnosměrné napětí frekvenčního měniče průměrnou hodnotou po třífázovém usměrnění s plnou vlnou. Pokud se vypočítá na základě síťového napětí 380 V, průměrné stejnosměrné napětí Ud=1,35U, síťové napětí=513 V.
Pokud dojde k přepětí, kondenzátor na stejnosměrné sběrnici se nabije. Když napětí stoupne na přibližně 700 V (v závislosti na modelu), aktivuje se ochrana proti přepětí měniče kmitočtu.
Existují dva hlavní důvody přepětí v měničích kmitočtu: přepětí v síti a rekuperační přepětí.
Přepětí napájení označuje situaci, kdy napětí stejnosměrné sběrnice překročí jmenovitou hodnotu v důsledku nadměrného napětí napájecího zdroje. V dnešní době může vstupní napětí většiny frekvenčních měničů dosáhnout až 460 V, takže přepětí způsobené napájením je extrémně vzácné.
Hlavním problémem probíraným v tomto článku je regenerace přepětí.
Hlavní důvody generování regenerativního přepětí jsou následující: když zátěž GD2 (moment setrvačníku) zpomaluje, doba zpomalení nastavená měničem kmitočtu je příliš krátká;
Motor je při spouštění vystaven vnějším silám (například ventilátorům a natahovacím strojům) nebo potenciálnímu zatížení (například výtahům a jeřábům). Z těchto důvodů je skutečná rychlost motoru vyšší než požadovaná rychlost frekvenčního měniče, což znamená, že rychlost rotoru motoru překračuje synchronní rychlost. V tomto okamžiku je skluzová rychlost motoru záporná a směr vinutí rotoru, který prořezává rotující magnetické pole, je opačný než směr stavu motoru. Elektromagnetický moment, který generuje, je brzdný moment, který brání směru otáčení. Elektromotor se tedy ve skutečnosti nachází v generátorovém stavu a kinetická energie zátěže se „regeneruje“ na elektrickou energii.
Regenerativní energie se nabíjí do kondenzátoru stejnosměrné energie střídače přes nulovou diodu střídače, což způsobuje zvýšení napětí na sběrnici stejnosměrného proudu, což se nazývá regenerativní přepětí. Točivý moment generovaný během procesu regenerativního přepětí je opačný k původnímu točivému momentu, kterým je brzdný moment. Proces regenerativního přepětí je proto zároveň procesem regenerativního brzdění.
Jinými slovy, eliminace rekuperační energie zvyšuje brzdný moment. Pokud rekuperační energie není velká, měnič a motor samotné mají rekuperační brzdnou kapacitu 20 a tato část elektrické energie bude spotřebována měničem a motorem. Pokud tato energie překročí spotřební kapacitu frekvenčního měniče a motoru, kondenzátor stejnosměrného obvodu se přebije a aktivuje se funkce ochrany proti přepětí frekvenčního měniče, což způsobí zastavení provozu. Aby se této situaci předešlo, je nutné tuto energii včas zlikvidovat a zároveň zvýšit brzdný moment, což je účelem rekuperačního brzdění.
Opatření k prevenci přepětí frekvenčních měničů
Vzhledem k různým příčinám přepětí se liší i použitá opatření. V případě přepětí vznikajícího během parkování, pokud neexistují žádné zvláštní požadavky na dobu nebo místo parkování, lze k jeho řešení použít metodu prodloužení doby zpomalení měniče kmitočtu nebo volné parkování. Takzvané volné parkování znamená, že měnič kmitočtu odpojí hlavní spínač, což umožní motoru volný pohyb a zastavení.
Pokud existují určité požadavky na dobu parkování nebo místo parkování, lze použít funkci stejnosměrného brzdění.
Funkce stejnosměrného brzdění spočívá ve zpomalení motoru na určitou frekvenci a následném přivedení stejnosměrného proudu do statorového vinutí motoru, čímž se vytvoří statické magnetické pole.
Vinutí rotoru motoru toto magnetické pole prořízne a generuje brzdný moment, který přeměňuje kinetickou energii zátěže na elektrickou energii a spotřebovává ji ve formě tepla v obvodu rotoru motoru. Proto se tento typ brzdění nazývá také brzdění spotřebovávající energii. Proces stejnosměrného brzdění ve skutečnosti zahrnuje dva procesy: rekuperační brzdění a brzdění spotřebovávající energii. Tato metoda brzdění má účinnost pouze 30–60 % rekuperačního brzdění a brzdný moment je relativně malý. Vzhledem k tomu, že spotřeba energie do motoru může způsobit přehřátí, neměla by doba brzdění být příliš dlouhá.
Navíc se spouštěcí frekvence, doba brzdění a brzdné napětí stejnosměrného brzdění nastavují ručně a nelze je automaticky upravovat na základě úrovně rekuperačního napětí. Stejnosměrné brzdění proto nelze použít pro přepětí generované během normálního provozu a lze jej použít pouze pro brzdění během parkování.
Pro přepětí způsobené nadměrným GD2 (momentem setrvačníku) zátěže během zpomalování (z vysoké rychlosti na nízkou rychlost bez zastavení) lze použít metodu odpovídajícího prodloužení doby zpomalení. Tato metoda ve skutečnosti také využívá princip rekuperačního brzdění. Prodloužení doby zpomalení řídí pouze rychlost nabíjení měniče regenerativním napětím zátěže, aby se rozumně využila schopnost rekuperačního brzdění samotného měniče. Co se týče zátěží, které způsobují, že motor je v regenerativním stavu v důsledku vnějších sil (včetně uvolnění potenciální energie), protože normálně pracují v brzdném stavu, je regenerativní energie příliš vysoká na to, aby ji spotřeboval samotný měnič kmitočtu. Proto není možné použít stejnosměrné brzdění ani prodloužit dobu zpomalení.
Ve srovnání se stejnosměrným brzděním má rekuperační brzdění vyšší brzdný moment a velikost brzdného momentu může být automaticky řízena brzdnou jednotkou frekvenčního měniče podle požadovaného brzdného momentu zátěže (tj. úrovně rekuperační energie). Rekuperační brzdění je proto nejvhodnější pro poskytování brzdného momentu zátěži během normálního provozu.
Metoda rekuperačního brzdění s převodem frekvence:
1. Typ spotřebovávající energii:
Tato metoda spočívá v paralelním zapojení brzdného rezistoru do stejnosměrného obvodu frekvenčního měniče a v řízení zapínání/vypínání výkonového tranzistoru detekcí napětí stejnosměrné sběrnice. Když napětí stejnosměrné sběrnice stoupne na přibližně 700 V, výkonový tranzistor vede proud, předává regenerovanou energii do rezistoru a spotřebovává ji ve formě tepelné energie, čímž zabraňuje nárůstu stejnosměrného napětí. Vzhledem k nemožnosti využití regenerované energie patří k typu brzdění spotřebovávajícím energii. Jako typ spotřebovávající energii se liší od stejnosměrného brzdění tím, že spotřebovává energii na brzdném rezistoru vně motoru, takže se motor nepřehřívá a může pracovat častěji.
2. Typ absorpce paralelní stejnosměrné sběrnice:
Vhodné pro systémy s více motory (například protahovací stroje), ve kterých každý motor vyžaduje frekvenční měnič, více frekvenčních měničů sdílí jeden měnič na straně sítě a všechny střídače jsou zapojeny paralelně ke společné stejnosměrné sběrnici. V tomto systému často jeden nebo několik motorů pracuje normálně v brzdném stavu. Motor v brzdném stavu je tažen jinými motory, aby se generovala rekuperační energie, kterou pak motor v elektrickém stavu absorbuje prostřednictvím paralelní stejnosměrné sběrnice. Pokud ji nelze plně absorbovat, bude spotřebována prostřednictvím sdíleného brzdného rezistoru. Rekuperovaná energie je zde částečně absorbována a využita, ale není přiváděna zpět do elektrické sítě.
3. Typ energetické zpětné vazby:
Měnič s energetickou zpětnou vazbou na straně sítě je reverzibilní. Když se generuje regenerativní energie, reverzibilní měnič ji vrací zpět do sítě, což umožňuje její plné využití. Tato metoda však vyžaduje vysokou stabilitu napájení a při náhlém výpadku proudu dojde k inverzi a převrácení.