Dodavatelé zařízení pro zpětnou vazbu energie pro frekvenční měniče připomínají, že v současnosti se v systémech řízení otáček s převodem frekvence střídavého proudu široce používá jednoduché brzdění na základě spotřeby energie, které má nevýhody, jako je plýtvání elektrickou energií, silné ohřev odporu a nízký rychlý brzdný výkon. Pokud asynchronní motory často brzdí, je použití zpětnovazebního brzdění velmi účinnou metodou úspory energie a zabraňuje poškození životního prostředí a zařízení během brzdění. Uspokojivých výsledků bylo dosaženo v odvětvích, jako jsou elektrické lokomotivy a těžba ropy. S neustálým objevováním nových výkonových elektronických zařízení, rostoucí nákladovou efektivitou a povědomím lidí o úsporách energie a snižování spotřeby existuje široká škála aplikačních perspektiv.
Brzdné zařízení s energetickou zpětnou vazbou je vhodné zejména pro situace, kdy je výkon motoru velký, například větší nebo roven 100 kW, moment setrvačnosti zařízení gd2 je velký a zařízení patří do systému s opakovaným krátkodobým nepřetržitým provozem. Snížení zpomalení z vysoké rychlosti na nízkou rychlost je dlouhé, doba brzdění je krátká a je vyžadováno silné brzdění. Pro zlepšení účinku úspory energie a snížení ztrát energie během brzdění je také nutné energii zpomalení rekuperovat a zpětně ji odevzdávat do elektrické sítě, aby se dosáhlo účinku úspory energie.
Princip zpětnovazebního brzdění
V systému regulace otáček s proměnnou frekvencí se zpomalování a zastavení motoru dosahuje postupným snižováním frekvence. V okamžiku, kdy frekvence klesá, se synchronní rychlost motoru odpovídajícím způsobem snižuje. V důsledku mechanické setrvačnosti však otáčky rotoru motoru zůstávají nezměněny a změna otáček má určité časové zpoždění. V tomto okamžiku budou skutečné otáčky větší než dané otáčky, což vede k situaci, kdy zpětná elektromotorická síla e motoru je vyšší než stejnosměrné svorkové napětí u frekvenčního měniče, tj. e>u. V tomto okamžiku se elektromotor stává generátorem, který nejenže nevyžaduje napájení ze sítě, ale může do sítě také dodávat elektřinu. To má nejen dobrý brzdný účinek, ale také přeměňuje kinetickou energii na elektrickou energii, kterou lze odeslat do sítě k rekuperaci energie, čímž zabije dvě mouchy jednou ranou. Samozřejmě, aby se toho dosáhlo, musí existovat jednotka zpětné vazby energie pro automatické řízení. Kromě toho by obvod zpětné vazby energie měl také zahrnovat tlumivky střídavého a stejnosměrného proudu, odporové kapacitní absorbéry, elektronické spínače atd.
Jak je dobře známo, můstkový usměrňovací obvod obecných frekvenčních měničů je třífázový a neřiditelný, takže není možné dosáhnout obousměrného přenosu energie mezi stejnosměrným obvodem a napájecím zdrojem. Efektivním řešením tohoto problému je použití aktivní invertorové technologie, přičemž usměrňovací část využívá reverzibilní usměrňovač, známý také jako síťový měnič. Řízením síťového měniče se regenerovaná elektrická energie invertuje na střídavý proud se stejnou frekvencí, fází a frekvencí jako síť a přivádí se zpět do sítě za účelem brzdění. Dříve se v aktivních invertorových jednotkách používaly hlavně tyristorové obvody, které mohly bezpečně provádět zpětnovazební provoz pouze za stabilního síťového napětí, které není náchylné k poruchám (s kolísáním síťového napětí nepřesahujícím 10 %). Tento typ obvodu může bezpečně provádět zpětnovazební provoz měniče pouze za stabilního síťového napětí, které není náchylné k poruchám (s kolísáním síťového napětí nepřesahujícím 10 %). Protože během brzdění generátorem energie, pokud je doba brzdění síťového napětí delší než 2 ms, může dojít k selhání komutace a k poškození součástí. Kromě toho má tato metoda při hluboké regulaci nízký účiník, vysoký obsah harmonických a překrývající se komutaci, což způsobuje zkreslení průběhu napětí v elektrické síti. Současně je regulace složitá a nákladná. S praktickým využitím plně řízených zařízení byly vyvinuty reverzibilní měniče řízené střídačem využívající PWM řízení. Tímto způsobem je struktura střídače na straně sítě zcela stejná jako u střídače, oba využívající PWM řízení.
Z výše uvedené analýzy je patrné, že pro skutečné dosažení brzdění střídače zpětnou vazbou energie je klíčem k řízení střídače na straně sítě. Následující text se zaměřuje na algoritmus řízení střídače na straně sítě s využitím plně řízených zařízení a metody PWM řízení.
řídicí algoritmus
Řídicí algoritmus pro střídače na straně sítě obvykle používá vektorový algoritmus řízení, kde vdc, v * dc a △ vdc představují naměřenou hodnotu, danou hodnotu a regulační chybu napětí stejnosměrné sběrnice; id、i*d、 Δ id představuje naměřenou hodnotu, danou hodnotu a regulační chybu osy d střídače na straně sítě; iq、i*q、 Δ iq představuje naměřenou hodnotu, danou hodnotu a regulační chybu proudu v ose q střídače na straně sítě; Δ v * d, v * d a v * q představují požadovanou hodnotu odchylky výstupního napětí v ose d, požadovanou hodnotu výstupního napětí v ose d a požadovanou hodnotu výstupního napětí v ose q střídače na straně sítě; EABC, V * ABC a IABC představují okamžité dané hodnoty síťového potenciálu, výstupního napětí střídače na straně sítě a třífázové okamžité hodnoty výstupního proudu; např. φ představuje amplitudu a fázi síťového potenciálu.
Vektorový regulační algoritmus vypočítá rozdíl mezi naměřeným napětím stejnosměrné sběrnice a danou hodnotou a pomocí PI regulátoru získá danou hodnotu proudu v ose d. Poté se na základě naměřené fáze síťového napětí synchronně transformuje naměřený výstupní proud střídače na straně sítě, čímž se získají naměřené hodnoty proudu v ose d a proudu v ose q. Po úpravě pí se hodnota v ose d přičte k amplitudě síťového napětí, čímž se získají dané hodnoty napětí v ose d a napětí v ose q. Po synchronní inverzní transformaci souřadnic se získá výstup.
Výhodou tohoto algoritmu je vysoká přesnost řízení a dobrá dynamická odezva; nevýhodou je, že v řídicím algoritmu je mnoho transformací souřadnic a algoritmus je složitý, což vyžaduje vysoký výpočetní výkon řídicího procesoru.
Používá složení usměrňovače PWM se sledováním proudu. Tento zjednodušený algoritmus přímo vynásobí požadovanou hodnotu proudu v ose d referenční hodnotou třífázového sinusového proudu získanou z vyhledávací tabulky fází naměřeného síťového napětí, aby získal požadovanou hodnotu třífázového výstupního proudu, a poté provede jednoduché nastavení pí, aby získal požadovanou hodnotu třífázového výstupního napětí a odeslal ji na výstup. Vzhledem k vynechání výpočtů transformace souřadnic v tomto algoritmu jsou výpočetní požadavky na výkon řídicího procesoru relativně nízké. Na druhou stranu, vzhledem k vlastnostem samotného PI regulátoru existuje určitá ustálená chyba v jeho regulaci střídavého proudu, takže účiník tohoto algoritmu je nižší než u standardního algoritmu vektorového řízení. Během dynamických procesů je kolísání napětí stejnosměrné sběrnice relativně velké a pravděpodobnost výskytu napětí stejnosměrné sběrnice a dalších poruch během rychlých dynamických procesů je relativně vysoká.
Charakteristiky zpětnovazebního brzdění
Přísně vzato, střídač na straně sítě nelze jednoduše označovat jako „usměrňovač“, protože může fungovat jak jako usměrňovač, tak jako střídač. Díky použití samovypínacích zařízení lze velikost a fázi střídavého proudu řídit vhodným PWM režimem, čímž se vstupní proud blíží sinusové vlně a zajišťuje se, že účiník systému se vždy blíží 1. Když rekuperační výkon vracený z střídače brzděním motoru zvyšuje stejnosměrné napětí, lze fázi vstupního střídavého proudu obrátit od fáze napájecího napětí, aby se dosáhlo regenerativního provozu, a rekuperační výkon lze přivádět zpět do střídavé sítě, zatímco systém může stále udržovat stejnosměrné napětí na dané hodnotě. V tomto případě střídač na straně sítě pracuje v aktivním stavu střídače. To usnadňuje dosažení obousměrného toku výkonu a má rychlou dynamickou rychlost odezvy. Zároveň tato topologická struktura umožňuje systému plně řídit výměnu jalového a činného výkonu mezi stranou střídavého a stejnosměrného proudu s účinností až 97 % a významnými ekonomickými výhodami. Tepelné ztráty představují 1 % spotřeby energie při brzdění a neznečišťují elektrickou síť. Účiník je přibližně 1, což je šetrné k životnímu prostředí. Zpětnovazební brzdění lze proto široce používat pro energeticky úsporný provoz ve scénářích energeticky zpětnovazebního brzdění u PWM AC přenosu, zejména v situacích, kdy je vyžadováno časté brzdění. Výkon elektromotoru je také vysoký a energeticky úsporný efekt je významný. V závislosti na provozních podmínkách je průměrný energeticky úsporný efekt přibližně 20 %. Jedinou nevýhodou implementace zpětnovazebního řízení je složitá struktura řídicího systému.
Stručně řečeno, lze vidět, že zařízení se zpětnovazebním brzděním má mnohem lepší výhody než brzdění na základě spotřeby energie a stejnosměrné brzdění. Použitím zpětnovazebního brzdění k vracení regenerované elektřiny do sítě lze dosáhnout efektu snížení spotřeby energie a úspory nákladů na elektřinu. V současné situaci nedostatku energie způsobeném rychlým hospodářským rozvojem v různých částech Číny má proto podpora a používání zpětnovazebního brzdění důležitý význam pro úsporu energie.