Los proveedores de equipos de soporte para convertidores de frecuencia le recuerdan que, en los sistemas tradicionales de control de frecuencia, compuestos por convertidores de frecuencia generales, motores asíncronos y cargas mecánicas, al reducirse la carga potencial transmitida por el motor, este puede entrar en estado de frenado regenerativo. Por otro lado, al desacelerar de alta a baja velocidad (incluido el estacionamiento), la frecuencia puede disminuir repentinamente, pero debido a la inercia mecánica del motor, puede entrar en estado de generación de energía regenerativa. La energía mecánica almacenada en el sistema de transmisión es convertida en energía eléctrica por el motor y enviada de vuelta al circuito de CC del inversor a través de sus seis diodos de rueda libre. En este momento, el inversor se encuentra en estado rectificado. En este punto, si no se toman medidas para consumir energía en el convertidor de frecuencia, esta energía provocará un aumento de la tensión del condensador de almacenamiento de energía en el circuito intermedio. Si el frenado es demasiado rápido o la carga mecánica es un elevador, esta parte de la energía puede dañar el convertidor de frecuencia, por lo que debe considerarse.
En los convertidores de frecuencia generales, hay dos métodos más comúnmente utilizados para procesar la energía regenerada:
(1) La disipación en la "resistencia de frenado" colocada artificialmente en paralelo con el condensador en el circuito de CC se denomina estado de frenado dinámico;
(2) Si se realimenta a la red eléctrica, se denomina frenado regenerativo (también conocido como frenado por retroalimentación). Existe otro método de frenado, el frenado de CC, que puede utilizarse cuando se requiere un estacionamiento preciso o cuando el motor del freno gira de forma irregular debido a factores externos antes del arranque.
Numerosos expertos han debatido el diseño y la aplicación del frenado con variadores de frecuencia en libros y publicaciones, especialmente en los últimos tiempos, donde se han publicado numerosos artículos sobre el frenado con retroalimentación de energía. Hoy, el autor presenta un nuevo método de frenado que ofrece las ventajas del funcionamiento en cuatro cuadrantes con frenado de retroalimentación y una alta eficiencia operativa, así como las ventajas del frenado por consumo de energía para una red eléctrica libre de contaminación y una alta fiabilidad.
Consumo de energía al frenar
El método de utilizar la resistencia de frenado instalada en el circuito de CC para absorber la energía eléctrica regenerativa del motor se denomina frenado por consumo de energía.
Su ventaja es la construcción simple; No hay contaminación de la red eléctrica (en comparación con el control de retroalimentación), bajo costo; La desventaja es la baja eficiencia operativa, especialmente durante el frenado frecuente, que consumirá una gran cantidad de energía y aumentará la capacidad de la resistencia de frenado.
Generalmente, los convertidores de frecuencia de baja potencia (menos de 22 kW) incorporan una unidad de frenado, que solo requiere una resistencia de frenado externa. Los convertidores de frecuencia de alta potencia (más de 22 kW) requieren unidades de frenado externas y resistencias de frenado.
Frenado por retroalimentación
Para lograr el frenado por retroalimentación de energía, se requieren condiciones como el control de voltaje con la misma frecuencia y fase, y el control de corriente de retroalimentación, entre otras. Adopta tecnología de inversor activo para convertir la energía eléctrica regenerada en corriente alterna (CA) con la misma frecuencia y fase que la red eléctrica y devolverla a la red, logrando así el frenado.
La ventaja del frenado por retroalimentación es que puede operar en cuatro cuadrantes, y la retroalimentación de energía eléctrica mejora la eficiencia del sistema. Sus desventajas son:
(1) Este método de frenado por retroalimentación solo se puede utilizar con una tensión de red estable y sin riesgo de fallos (con fluctuaciones de tensión de red que no superen el 10 %). Dado que, durante el frenado de generación de energía, si el tiempo de fallo de tensión de la red eléctrica es superior a 2 ms, puede producirse un fallo de conmutación y dañar los componentes.
(2) Durante la retroalimentación, hay contaminación armónica en la red eléctrica.
(3) El control es complejo y el costo es alto.
Nuevo método de frenado (frenado por retroalimentación de condensador)
Principio del circuito principal
La rectificación utiliza un puente rectificador común incontrolable, el circuito de filtrado utiliza un condensador electrolítico universal y el circuito de retardo utiliza un contactor o un tiristor. El circuito de carga y retroalimentación consta de un módulo de potencia IGBT, una reactancia de carga y retroalimentación L y un condensador electrolítico de gran tamaño C (con una capacidad de unas pocas décimas de metro, que puede determinarse según el sistema operativo del convertidor de frecuencia). El inversor está compuesto por un módulo de potencia IGBT. El circuito de protección está compuesto por un IGBT y una resistencia de potencia.
1) Estado de funcionamiento de la generación de energía del motor eléctrico
La CPU monitoriza la tensión de entrada de CA y la tensión del circuito de CC (μd) en tiempo real y determina si se envía una señal de carga a VT1. Una vez que μd supera el valor de tensión de CC correspondiente (por ejemplo, 380 V CA - 530 V CC) de la tensión de entrada de CA, la CPU desactiva VT3 y carga el condensador electrolítico C mediante la conducción de pulsos de VT1. En este momento, el reactor L y el condensador electrolítico C se dividen para garantizar que este último funcione dentro de un rango seguro. Cuando la tensión del condensador electrolítico C se acerca a un valor peligroso (por ejemplo, 370 V) mientras el sistema aún genera energía, y la energía eléctrica se devuelve continuamente al circuito de CC a través del inversor, el circuito de seguridad actúa para frenar el consumo de energía (frenado por resistencia), controlando el apagado y encendido de VT3 y, por lo tanto, controlando el consumo excesivo de energía por la resistencia R. Generalmente, esta situación no ocurre.
(2) Estado de funcionamiento del motor eléctrico
Cuando la CPU detecta que el sistema ya no se carga, impulsa el VT3, creando un voltaje instantáneo positivo izquierdo y negativo derecho en el reactor L. Combinado con el voltaje del condensador electrolítico C, se logra la retroalimentación de energía del condensador al circuito de CC. La CPU controla la frecuencia de conmutación y el ciclo de trabajo del VT3 detectando el voltaje del condensador electrolítico C y el voltaje en el circuito de CC, controlando así la corriente de retroalimentación y asegurando que el voltaje del circuito de CC ν d no sea demasiado alto.
Dificultades del sistema
(1) Selección de reactores
(a) Consideramos la particularidad de las condiciones de operación y asumimos que se produce una falla en el sistema, lo que provoca que la carga de energía potencial transportada por el motor se acelere libremente y disminuya. En este momento, el motor se encuentra en estado de operación de generación de energía.
La energía regenerada se devuelve al circuito de CC a través de seis diodos de rueda libre, lo que provoca un aumento de ∆ d y pone rápidamente al inversor en estado de carga. En este momento, la corriente será muy alta. Por lo tanto, el diámetro del cable del reactor seleccionado debe ser lo suficientemente grande como para permitir el paso de la corriente.
(b) En el bucle de retroalimentación, para liberar la mayor cantidad de energía eléctrica posible antes de la siguiente carga del condensador electrolítico, no se puede lograr el objetivo con un núcleo de hierro convencional (lámina de acero al silicio). Es preferible elegir un núcleo de hierro de ferrita. El valor de corriente mencionado anteriormente permite apreciar el tamaño de este núcleo de hierro. Se desconoce si existe un núcleo de hierro de ferrita de este tamaño en el mercado. Incluso si lo hubiera, su precio no sería muy bajo.
Por ello, el autor sugiere utilizar un reactor para cada circuito de carga y retroalimentación.
(2) Dificultades en el control
(a) En el circuito de CC del convertidor de frecuencia, la tensión νd suele ser superior a 500 VCC, mientras que la tensión de resistencia del condensador electrolítico C es de tan solo 400 VCC. Esto indica que el control de este proceso de carga no se asemeja al método de frenado por energía (frenado por resistencia). La caída de tensión instantánea generada en el reactor es νc = νd - νL. Para garantizar que el condensador electrolítico funcione dentro de un rango seguro (≤ 400 V), es necesario controlar eficazmente la caída de tensión νL en el reactor, que a su vez depende de la tasa de variación instantánea de la inductancia y la corriente.
(b) Durante el proceso de retroalimentación, también es necesario evitar que la descarga de energía eléctrica del condensador electrolítico C provoque un voltaje excesivo en el circuito de CC a través del reactor, lo que genera una protección contra sobretensión en el sistema.
Principales escenarios de aplicación
Precisamente debido a la superioridad de este nuevo método de frenado (frenado por retroalimentación de condensador) de los convertidores de frecuencia, muchos usuarios han propuesto recientemente equipar este sistema según las características de sus equipos. Con la expansión del campo de aplicación de los convertidores de frecuencia, esta tecnología tendrá grandes perspectivas de desarrollo. En concreto, se utiliza principalmente en industrias como polipastos mineros (para el transporte de personas o la carga de materiales), vagones mineros inclinados (de tubo simple o doble) y maquinaria de elevación. En cualquier caso, los dispositivos de retroalimentación de energía pueden utilizarse cuando sea necesario.