Dodavatelé podpůrného zařízení pro frekvenční měniče připomínají, že v tradičních systémech frekvenční regulace složených z obecných frekvenčních měničů, asynchronních motorů a mechanických zátěží se při snížení potenciální zátěže přenášené motorem může motor nacházet v rekuperačním brzdění. Nebo když motor zpomaluje z vysoké rychlosti na nízkou rychlost (včetně parkování), může se frekvence náhle snížit, ale v důsledku mechanické setrvačnosti motoru se může nacházet v rekuperačním stavu generování energie. Mechanická energie uložená v přenosové soustavě je motorem přeměněna na elektrickou energii a přes šest volnoběžných diod měniče je odeslána zpět do stejnosměrného obvodu měniče. V tomto okamžiku je měnič v usměrněném stavu. Pokud nejsou přijata žádná opatření ke spotřebě energie v měniči kmitočtu, tato energie způsobí zvýšení napětí na akumulačním kondenzátoru v meziobvodu. Pokud je brzdění příliš rychlé nebo mechanická zátěž je zvedací zařízení, může tato část energie způsobit poškození měniče kmitočtu, proto bychom měli tuto část energie zvážit.
U frekvenčních měničů se obecně používají dvě nejčastěji používané metody pro zpracování regenerované energie:
(1) Ztráta energie v „brzdném rezistoru“ uměle zapojeném paralelně s kondenzátorem ve stejnosměrném obvodu se nazývá stav dynamického brzdění;
(2) Pokud je přiváděn zpět do elektrické sítě, nazývá se to stav zpětnovazebního brzdění (také známý jako stav rekuperačního brzdění). Existuje i jiná metoda brzdění, a to stejnosměrné brzdění, které lze použít v situacích, kdy je vyžadováno přesné parkování nebo když se brzdový motor před rozjezdem otáčí nerovnoměrně v důsledku vnějších faktorů.
Mnoho odborníků se v knihách a publikacích zabývá návrhem a aplikací brzdění s frekvenčním měničem, zejména v poslední době se objevilo mnoho článků na téma „brzdění s energetickou zpětnou vazbou“. Autor dnes představuje nový typ brzdné metody, která má výhody čtyřkvadrantového provozu se „zpětnou vazbou“ a vysokou provozní účinností, a také výhody „brzdění s energetickou spotřebou“ pro energetickou síť bez znečištění a vysokou spolehlivost.
Spotřeba energie při brzdění
Metoda využití brzdného rezistoru zabudovaného ve stejnosměrném obvodu k absorpci regenerativní elektrické energie motoru se nazývá brzdění se spotřebou energie.
Jeho výhodou je jednoduchá konstrukce; žádné znečištění elektrické sítě (ve srovnání se zpětnovazebním řízením), nízké náklady; nevýhodou je nízká provozní účinnost, zejména při častém brzdění, které spotřebovává velké množství energie a zvyšuje kapacitu brzdného odporu.
Obecně platí, že u běžných měničů kmitočtu jsou nízkovýkonové měniče kmitočtu (pod 22 kW) vybaveny vestavěnou brzdnou jednotkou, která vyžaduje pouze externí brzdný rezistor. Měniče kmitočtu s vysokým výkonem (nad 22 kW) vyžadují externí brzdné jednotky a brzdné rezistory.
Zpětnovazební brzdění
Pro dosažení brzdění se zpětnou vazbou energie jsou vyžadovány podmínky, jako je regulace napětí na stejné frekvenci a fázi, regulace proudu se zpětnou vazbou atd. Využívá technologii aktivního střídače k přeměně regenerované elektrické energie na střídavý proud o stejné frekvenci a fázi jako elektrická síť a jeho návratu do sítě, čímž se dosáhne brzdění.
Výhodou zpětnovazebního brzdění je, že může pracovat ve čtyřech kvadrantech a zpětnovazební energie elektrické energie zlepšuje účinnost systému. Jeho nevýhody jsou:
(1) Tuto metodu zpětnovazebního brzdění lze použít pouze za stabilního síťového napětí, které není náchylné k poruchám (s kolísáním síťového napětí nepřesahujícím 10 %). Protože během brzdění generátoru energie, pokud je doba poruchy napětí v elektrické síti delší než 2 ms, může dojít k selhání komutace a poškození součástí.
(2) Během zpětné vazby dochází k harmonickému znečištění elektrické sítě.
(3) Řízení je složité a náklady vysoké.
Nová metoda brzdění (brzdění s kondenzátorovou zpětnou vazbou)
Princip hlavního obvodu
Usměrňovací část využívá pro usměrnění běžný neřiditelný usměrňovací můstek, filtrační obvod používá univerzální elektrolytický kondenzátor a zpožďovací obvod používá buď stykač, nebo tyristor. Nabíjecí a zpětnovazební obvod se skládá z výkonového modulu IGBT, nabíjecí a zpětnovazební tlumivky L a velkého elektrolytického kondenzátoru C (s kapacitou přibližně několika desetin metru, kterou lze určit podle operačního systému frekvenčního měniče). Měničová část se skládá z výkonového modulu IGBT. Ochranný obvod se skládá z IGBT a výkonového rezistoru.
1) Stav provozu generátoru energie elektromotoru
CPU monitoruje vstupní střídavé napětí a napětí stejnosměrného obvodu (μd) v reálném čase a určuje, zda má odeslat nabíjecí signál do VT1. Jakmile je μd vyšší než odpovídající hodnota stejnosměrného napětí (například 380 V AC - 530 V DC) vstupního střídavého napětí, CPU vypne VT3 a nabíjí elektrolytický kondenzátor C pulzním vedením VT1. V tomto okamžiku se tlumivka L a elektrolytický kondenzátor C oddělí, aby se zajistilo, že elektrolytický kondenzátor C pracuje v bezpečném rozsahu. Když se napětí na elektrolytickém kondenzátoru C blíží nebezpečné hodnotě (například 370 V), zatímco systém je stále ve stavu výroby energie, a elektrická energie je nepřetržitě odesílána zpět do stejnosměrného obvodu přes střídač, hraje bezpečnostní obvod roli v dosažení brzdění spotřeby energie (odporové brzdění), řídí vypínání a zapínání VT3 a tím realizuje spotřebu přebytečné energie rezistorem R. K této situaci obvykle nedochází.
(2) Stav provozu elektromotoru
Když CPU detekuje, že se systém již nenabíjí, pulzně vede VT3 a vytváří okamžité levé kladné a pravé záporné napětí na reaktoru L. V kombinaci s napětím na elektrolytickém kondenzátoru C lze dosáhnout procesu zpětné vazby energie z kondenzátoru do stejnosměrného obvodu. CPU řídí spínací frekvenci a pracovní cyklus VT3 detekcí napětí na elektrolytickém kondenzátoru C a napětí ve stejnosměrném obvodu, čímž řídí proud zpětné vazby a zajišťuje, aby napětí ve stejnosměrném obvodu νd nebylo příliš vysoké.
Systémové potíže
(1) Výběr reaktorů
(a) Zohledníme specifické provozní podmínky a předpokládáme, že v systému dojde k určité poruše, která způsobí, že potenciální energetické zatížení nesené motorem volně zrychlí a klesne. V tomto okamžiku je motor v provozním stavu generování energie.
Regenerovaná energie je přes šest volnoběžných diod odeslána zpět do stejnosměrného obvodu, což způsobí zvýšení ∆d a rychlé uvedení střídače do stavu nabíjení. V tomto okamžiku bude proud velmi vysoký. Proto by zvolený průměr tlumivkového drátu měl být dostatečně velký, aby v tomto okamžiku prošel proudem.
(b) Ve zpětnovazební smyčce, aby se před dalším nabitím elektrolytického kondenzátoru uvolnilo co nejvíce elektrické energie, nelze dosáhnout cíle výběrem běžného železného jádra (křemíkový ocelový plech). Nejlepší je zvolit železné jádro vyrobené z feritového materiálu. Z výše uvedené hodnoty proudu je patrné, jak velké toto železné jádro je. Není známo, zda je na trhu k dispozici takto velké feritové železné jádro. I kdyby nějaké bylo, jeho cena rozhodně nebude příliš nízká.
Autor tedy navrhuje použít jeden reaktor pro každý nabíjecí a zpětnovazební obvod.
(2) Potíže s kontrolou
(a) Ve stejnosměrném obvodu frekvenčního měniče je napětí ν d obecně vyšší než 500 V DC, zatímco výdržné napětí elektrolytického kondenzátoru C je pouze 400 V DC, což naznačuje, že řízení tohoto procesu nabíjení se liší od způsobu řízení energetickým brzděním (odporové brzdění). Okamžitý úbytek napětí generovaný na tlumivce je a okamžité nabíjecí napětí elektrolytického kondenzátoru C je ν c = ν d - ν L. Aby bylo zajištěno, že elektrolytický kondenzátor pracuje v bezpečném rozsahu (≤ 400 V), je nutné účinně řídit úbytek napětí ν L na tlumivce, který zase závisí na okamžité rychlosti změny indukčnosti a proudu.
(b) Během procesu zpětné vazby je také nutné zabránit tomu, aby výboj elektrické energie z elektrolytického kondenzátoru C způsobil nadměrné napětí stejnosměrného obvodu přes tlumivku, což by vedlo k ochraně proti přepětí v systému.
Hlavní scénáře použití
Právě kvůli vynikajícím vlastnostem této nové metody brzdění (brzdění s kondenzátorovou zpětnou vazbou) frekvenčních měničů v poslední době mnoho uživatelů navrhlo vybavit tento systém na základě charakteristik svého zařízení. S rozšířením oblasti použití frekvenčních měničů bude mít tato aplikační technologie velké rozvojové vyhlídky. Konkrétně se používá hlavně v odvětvích, jako jsou důlní výtahy (pro přepravu osob nebo nakládání materiálů), šikmé důlní vozíky (jednoduché nebo dvojité trubky) a zdvihací stroje. V každém případě lze zařízení s energetickou zpětnou vazbou použít v situacích, které je vyžadují.