En la industria eléctrica y energética, los convertidores de frecuencia se utilizan principalmente para el ahorro de energía y la mejora de los procesos de producción. Como dispositivos de ahorro de energía y regulación de velocidad para motores, se utilizan ampliamente en la metalurgia, la energía, el suministro de agua, el petróleo, la química, el carbón y otros sectores. La unidad de retroalimentación de energía del convertidor de frecuencia se basa en la inversión activa. Su método de implementación consiste en inyectar la energía regenerada a la red mediante inversores trifásicos antiparalelos en el rectificador no controlado de la etapa frontal del convertidor. El circuito principal de la unidad de retroalimentación de energía se compone principalmente de un puente inversor compuesto por tiristores, IGBT, módulos IPM y algunos circuitos periféricos.
El extremo de salida del puente inversor se conecta a los terminales de entrada R, S y T del convertidor de frecuencia mediante tres reactancias de choque, y el extremo de entrada se conecta al terminal positivo del lado de CC del convertidor de frecuencia universal mediante un diodo de aislamiento para garantizar el flujo unidireccional de energía hacia la red del puente inversor activo del convertidor de frecuencia. La función de una reactancia de choque es equilibrar la diferencia de tensión, limitar la corriente y filtrar, desempeñando un papel fundamental en la retroalimentación de energía regenerativa a la red eléctrica.
El proceso de funcionamiento del sistema es el siguiente: cuando el motor está en funcionamiento, el dispositivo inversor activo no funciona y todos los tubos del interruptor del inversor están bloqueados y en estado apagado; cuando el motor está en un estado de generación de energía regenerativa, el motor devuelve energía a la red y es necesario iniciar el dispositivo inversor activo para que funcione.
La activación del inversor activo durante la retroalimentación de energía se controla mediante la magnitud de la tensión del lado de CC Ud del convertidor de frecuencia. Esto se debe a que, cuando el motor está en estado eléctrico, la tensión del lado de CC del convertidor de frecuencia permanece prácticamente constante. Cuando el motor está en estado de frenado por generación, la energía regenerativa del motor de CA carga el condensador de almacenamiento de energía en el enlace de CC central del convertidor de frecuencia, lo que provoca un aumento de la tensión del bus de CC. Al detectar la magnitud de Ud, se puede determinar el estado del motor y controlar el inversor activo para lograr la retroalimentación de energía.
Cuando el motor devuelve energía al lado de CC, lo que hace que el voltaje del bus de CC exceda el voltaje pico de la línea de la red eléctrica, el puente rectificador del convertidor de frecuencia universal se apagará debido al voltaje inverso; cuando el voltaje del bus de CC continúa aumentando y excede el voltaje de trabajo del inversor activo de arranque, el inversor comienza a funcionar, devolviendo energía a la red desde el lado de CC; cuando el voltaje del bus de CC cae al voltaje de funcionamiento del inversor, el inversor activo se apaga.
Al utilizar un inversor activo para realimentar la energía regenerativa generada durante la desaceleración y el frenado del motor a la red eléctrica, un convertidor de frecuencia universal puede superar la baja eficiencia y la dificultad de cumplir con los requisitos de frenado rápido y rotación frecuente hacia adelante/atrás causados por el uso tradicional de resistencias de frenado, lo que permite que el convertidor de frecuencia universal funcione en cuatro cuadrantes.
1) Sistema de control de retroalimentación de energía
Un sistema completo de control de retroalimentación de energía debe cumplir con las condiciones de control de fase, voltaje, corriente, etc., lo que requiere que el proceso de retroalimentación esté sincronizado con la fase de la red, y el dispositivo inversor activo solo debe iniciarse cuando el voltaje del bus de CC exceda un cierto valor; El sistema debe poder controlar la magnitud de la corriente de retroalimentación, controlando así el par de frenado del motor y logrando un frenado preciso.
2) Dos tipos de unidades de retroalimentación de energía del convertidor de frecuencia universal
Anteriormente, el circuito principal de las unidades de retroalimentación de energía se componía principalmente de tiristores e IGBT. En los últimos años, algunos nuevos tipos de unidades de retroalimentación de energía también han incorporado módulos inteligentes como el IPM para simplificar la estructura del sistema.
(1) Unidad de retroalimentación de energía del tiristor:
El circuito principal de retroalimentación de energía se compone de tiristores, una de las primeras unidades de retroalimentación de energía. Se utiliza no solo en convertidores de frecuencia, sino también en el frenado de algunos sistemas de control de velocidad reversible de CC.
① Estado de funcionamiento directo del convertidor de frecuencia universal: Cuando el motor está en estado eléctrico, el rectificador del convertidor de frecuencia está funcionando, mientras que el tiristor de la unidad de retroalimentación de energía no se activa y se encuentra en estado desconectado. El rectificador funciona en sentido directo. El inversor controlable del inversor se activa, el rectificador inverso no controlable se encuentra en estado desconectado y el inversor funciona en sentido directo.
② Estado de funcionamiento inverso del convertidor de frecuencia universal: Cuando el motor está en modo de generación, el rectificador del convertidor de frecuencia está en estado de corte y los tiristores de la unidad de retroalimentación de energía se activan. El inversor controlable sigue activado, mientras que el rectificador inverso no controlable está en estado de funcionamiento y el inversor funciona en sentido inverso.
(2) Unidad de retroalimentación de energía IGBT:
El circuito principal de retroalimentación de energía se compone de dispositivos IGBT, comúnmente utilizados en convertidores de frecuencia generales. El diodo de rueda libre integrado en los dispositivos IGBT no puede utilizarse como rectificador debido a la limitación del diodo de aislamiento conectado al lado de CC. Su coste debería ser superior al de la unidad de retroalimentación de energía con tiristores.
① Estado de funcionamiento directo del convertidor de frecuencia universal: Cuando el motor está en estado eléctrico, el rectificador del convertidor de frecuencia funciona, mientras que el dispositivo IGBT de la unidad de retroalimentación de energía no se activa y se encuentra en estado desconectado. El rectificador funciona en sentido directo. Los dispositivos IGBT del inversor se activan y la rectificación inversa no controlada se encuentra en estado desconectado, mientras que el inversor funciona en sentido directo.
② Estado de funcionamiento inverso del convertidor de frecuencia universal: Cuando el motor está en modo de generación, el rectificador del convertidor de frecuencia se desconecta y el dispositivo IGBT de la unidad de realimentación de energía se activa. Los dispositivos IGBT del inversor siguen activados y la rectificación inversa no controlada está en funcionamiento, lo que provoca que el inversor funcione en sentido inverso.