Die Anbieter von Frequenzumrichter-Zubehör weisen darauf hin, dass in herkömmlichen Frequenzregelungssystemen, bestehend aus Universal-Frequenzumrichtern, Asynchronmotoren und mechanischen Lasten, der Motor bei Entladung einer kleinen Last im regenerativen Bremszustand sein kann; oder wenn der Motor von hoher auf niedrige Drehzahl abbremst (einschließlich Stillstand), kann die Frequenz zwar sinken, aber aufgrund der mechanischen Trägheit des Motors kann er sich im Zustand der regenerativen Energieerzeugung befinden, und die im Übertragungssystem gespeicherte mechanische Energie wird vom Elektromotor in elektrische Energie umgewandelt, die über die sechs Gleichstromdioden des Wechselrichters in dessen Gleichstromkreis zurückgeführt wird.
Bei Frequenzumrichtern gibt es im Allgemeinen zwei gängigste Methoden zur Verarbeitung erneuerbarer Energien:
(1) „Bremswiderstand“ parallel zu dem künstlich in den Gleichstromkreis geschalteten Kondensator, der als dynamischer Bremszustand bezeichnet wird;
(2) Wenn der Motor wieder ins Stromnetz zurückkehrt, spricht man vom Rückkopplungsbremszustand (auch regenerativer Bremszustand genannt). Es gibt auch eine andere Bremsmethode, die Gleichstrombremsung, die in Situationen eingesetzt werden kann, die ein präzises Anhalten oder eine unregelmäßige Rotation der Motorbremse vor dem Anfahren aufgrund externer Faktoren erfordern.
In Büchern und Publikationen haben viele Experten über die Konstruktion und Anwendung der Wechselrichterbremsung gesprochen, insbesondere in letzter Zeit gab es viele Artikel über „Energierückkopplungsbremsung“. Heute stellt der Autor eine neue Bremsmethode vor, die die Vorteile des Vierquadrantenbetriebs der „Rückkopplungsbremsung“ und der hohen Betriebseffizienz mit den Vorteilen der „energieverbrauchsreduzierenden Bremsung“ für ein netzschonendes und zuverlässiges Stromnetz verbindet.
Energiebremse
Die Nutzung des im Gleichstromkreis eingestellten Bremswiderstands zur Absorption der erneuerbaren elektrischen Energie des Motors wird als energieverbrauchendes Bremsen bezeichnet.
Seine Vorteile sind die einfache Konstruktion, die fehlende Verschmutzung des Stromnetzes (im Vergleich zur Rückkopplung) und die niedrigen Kosten. Der Nachteil ist die geringe Betriebseffizienz, insbesondere wenn häufiges Bremsen viel Energie verbraucht und die Kapazität des Bremswiderstands zunimmt.
Im Allgemeinen verfügen Frequenzumrichter mit geringer Leistung (unter 22 kW) über eine integrierte Bremseinheit; es muss lediglich ein Bremswiderstand hinzugefügt werden. Frequenzumrichter mit hoher Leistung (über 22 kW) benötigen hingegen eine externe Bremseinheit mit Bremswiderstand.
Rückkopplungsbremse
Um eine Energierückkopplungsbremsung zu erreichen, sind Spannungs-, Frequenz- und Phasenregelung, Rückkopplungsstromregelung und weitere Bedingungen erforderlich. Dabei wird eine aktive Umkehrtechnologie eingesetzt, um den ins Netz eingespeisten erneuerbaren Strom mit der gleichen Frequenz und Phase als Wechselstrom zurückzuspeisen und so die Bremswirkung zu erzielen.
Der Vorteil der Rückkopplungsbremsung besteht darin, dass sie in vier Quadranten betrieben werden kann, wie in Abbildung 3 dargestellt. Die Rückkopplung elektrischer Energie verbessert die Effizienz des Systems. Ihre Nachteile sind:
(1) Nur bei stabiler Netzspannung mit geringen Schwankungen (Netzspannungsschwankungen maximal 10 %) kann diese Rückkopplungsbremsmethode angewendet werden. Denn bei einer Netzspannungsausfallzeit von mehr als 2 ms während des Bremsvorgangs der Stromerzeugung kann es zu Phasenüberschlägen und damit zu Schäden am Gerät kommen.
(2) Bei der Rückkopplung kommt es zu einer harmonischen Verschmutzung des Netzes.
(3) Komplexe Steuerung, hohe Kosten.
Neue Bremsart (kapazitive Rückkopplungsbremse)
Hauptschaltungsprinzip
Der Gleichrichterteil verwendet eine herkömmliche, nicht steuerbare Gleichrichterbrücke. Die Filterschaltung nutzt einen herkömmlichen Elektrolytkondensator. Die Verzögerungsschaltung verwendet einen Schütz oder einen steuerbaren Siliziumchip. Die Lade- und Rückkopplungsschaltung besteht aus einem IGBT-Leistungsmodul, einem Lade- und Rückkopplungswiderstand L sowie einem großen Elektrolytkondensator C (dessen Kapazität nahe Null liegt und vom Betriebssystem des Frequenzumrichters abhängt). Der Wechselrichterteil besteht aus dem IGBT-Leistungsmodul. Die Schutzschaltung besteht aus einem IGBT und einem Leistungswiderstand.
(1) Betriebszustand der Stromerzeugung durch Elektromotoren
Die CPU überwacht in Echtzeit die Eingangswechselspannung und die Gleichspannung νd und entscheidet, ob ein Ladesignal an VT1 gesendet wird. Sobald νd einen bestimmten Wert überschreitet, der der Eingangswechselspannung (z. B. 380 V AC – 530 V DC) entspricht, schaltet die CPU VT3 ab. Durch die Impulsleitung von VT1 wird der Elektrolytkondensator C geladen. Dabei wird der Widerstand L in den Elektrolytkondensator C integriert, um dessen Betrieb im sicheren Bereich zu gewährleisten.
(2) Elektrischer Betriebszustand des Elektromotors
Sobald die CPU erkennt, dass das System nicht mehr geladen ist, sendet sie den VT3-Impuls. Dadurch entsteht am Widerstand L eine kurzzeitige negative Spannung (siehe Abbildung). Zusätzlich wird am Elektrolytkondensator C Energie vom Kondensator in den Gleichstromkreis zurückgeführt. Die CPU steuert die Schaltfrequenz von VT3 und das Leerstellenverhältnis, indem sie die Spannung am Elektrolytkondensator C und die Spannung im Gleichstromkreis erfasst. So regelt sie den Rückkopplungsstrom und verhindert, dass die Spannung νd im Gleichstromkreis zu hoch wird.
Systemschwierigkeiten
(1) Auswahl des Widerstands
(a) Wir berücksichtigen die Besonderheiten der Arbeitsbedingungen und gehen davon aus, dass das System eine Art von Fehler aufweist, der zu einer freien Beschleunigung der Last des im Motor enthaltenen Bits führt, wenn sich der Motor im Zustand des Stromerzeugungsbetriebs befindet.
Die erneuerbare Energie wird über sechs Gleichstromdioden in den Gleichstromkreis zurückgeführt, wodurch die Spannung νd ansteigt und der Frequenzumrichter schnell geladen wird. In diesem Zustand fließt ein hoher Strom. Daher muss der Durchmesser des gewählten Widerstandsdrahts ausreichend groß sein, um den Strom in diesem Zustand leiten zu können.
(b) Um im Rückkopplungszweig zu erreichen, dass der Elektrolytkondensator vor der nächsten Ladung möglichst viel elektrische Energie freisetzt, reicht ein gewöhnlicher Eisenkern (Siliziumstahlplatte) nicht aus. Am besten wählt man einen Eisenkern aus Eisenoxid. Angesichts der oben genannten hohen Stromstärke kann man sich vorstellen, wie groß dieser Eisenkern sein muss. Ich weiß nicht, ob es einen so großen Eisenkern auf dem Markt gibt; selbst wenn, wäre er sicherlich nicht sehr günstig.
Daher schlage ich vor, dass sowohl die Lade- als auch die Rückkopplungsschaltungen einen elektrischen Widerstand verwenden.
(2) Schwierigkeiten bei der Kontrolle
(a) Im Gleichstromkreis des Frequenzumrichters ist die Spannung νd im Allgemeinen höher als 500 V DC, während die Spannung am Widerstand des Elektrolytkondensators C nur 400 V DC beträgt. Die Steuerung dieses Ladevorgangs unterscheidet sich daher von der Steuerung der Energiebremsung (Widerstandsbremsung). Die transiente Spannung am Widerstand wird reduziert, und die transiente Ladespannung des Elektrolytkondensators C beträgt νc = νd - νL. Um sicherzustellen, dass der Elektrolytkondensator im sicheren Bereich (≤ 400 V) arbeitet, muss der Spannungsabfall νL am Widerstand effektiv begrenzt werden. Der Spannungsabfall νL hängt von der Induktivität und der momentanen Stromänderungsrate ab.
(b) Im Rückkopplungsprozess muss außerdem verhindert werden, dass die vom Elektrolytkondensator C freigesetzte elektrische Energie über den Widerstand eine übermäßige Gleichspannung im Stromkreis verursacht, sodass das System einen Überspannungsschutz aufweist.
Hauptanwendungen und Anwendungsbeispiele
Aufgrund der Vorteile dieser neuen Bremsart (kapazitive Rückkopplungsbremsung) des Frequenzumrichters haben in letzter Zeit viele Anwender vorgeschlagen, ihre Anlagen mit diesem System auszustatten. Aufgrund der technischen Herausforderung ist nicht bekannt, ob ein solches Bremsverfahren im Ausland existiert. Derzeit hat lediglich Shandong Fengguan Electronics Co., Ltd. von der bisherigen Rückkopplungsbremsung auf diese neue Art von Grubenaufzugsanlage mit kapazitiver Rückkopplungsbremsung umgestellt (zwei Anlagen sind noch im Normalbetrieb). Dieser Frequenzumrichter mit kapazitiver Rückkopplungsbremsung ist bereits seit Längerem im Kohlebergwerk Ningyang Security in Shandong und in Taiyuan in Shanxi im Einsatz und schließt damit eine Marktlücke in China.
Mit der Erweiterung des Anwendungsbereichs von Frequenzumrichtern ist diese Technologie äußerst vielversprechend. Sie findet insbesondere Anwendung in Hängeförderanlagen (bemannt oder unbemannt) im Bergbau, in Muldenkippern (ein- oder zweizylindrig), in Hebezeugen und anderen Branchen. Kurz gesagt: Sie eignet sich für Anwendungen, die Energierückführung benötigen.