Energia tagasiside üksuste tarnijad tuletavad meelde, et sagedusmuunduritel esineb silumise ja kasutamise ajal sageli mitmesuguseid probleeme, millest kõige levinum on ülepinge. Pärast ülepinge tekkimist aktiveeritakse sagedusmuunduri ülepingekaitse funktsioon, et vältida sisemise vooluahela kahjustamist, põhjustades sagedusmuunduri töötamise seiskumise, mille tulemuseks on seadmete nõuetekohane töötamine.
Seetõttu tuleb võtta meetmeid ülepinge kõrvaldamiseks ja rikete vältimiseks. Sagedusmuundurite ja mootorite erinevate rakendusstsenaariumide tõttu on ka ülepinge põhjused erinevad, seega tuleks võtta vastavad meetmed vastavalt konkreetsele olukorrale.
Ülepinge teke sagedusmuunduris ja regeneratiivpidurduses
Sagedusmuunduri nn ülepinge all peetakse silmas olukorda, kus sagedusmuunduri pinge ületab erinevatel põhjustel nimipinget, mis avaldub peamiselt sagedusmuunduri alalisvoolusiinil oleva alalispinge pinges.
Normaalse töö ajal on sagedusmuunduri alalispinge keskmine väärtus pärast kolmefaasilist täislaine alaldamist. Kui see arvutatakse 380 V liinipinge põhjal, on keskmine alalispinge Ud = 1,35U liinipinge = 513 V.
Ülepinge tekkimisel laetakse alalisvoolusiinil olevat energiasalvestuskondensaatorit. Kui pinge tõuseb umbes 700 V-ni (sõltuvalt mudelist), aktiveerub sagedusmuunduri ülepingekaitse.
Sagedusmuundurite ülepingel on kaks peamist põhjust: võimsusülepinge ja regeneratiivne ülepinge.
Võimsusülepinge all mõeldakse olukorda, kus alalisvoolusiinil olev pinge ületab nimiväärtuse liiga kõrge toitepinge tõttu. Tänapäeval võib enamiku sagedusmuundurite sisendpinge ulatuda kuni 460 V-ni, seega on toiteallikast tingitud ülepinge äärmiselt haruldane.
Selles artiklis käsitletav peamine küsimus on ülepinge taastamine.
Regeneratiivse ülepinge tekkimise peamised põhjused on järgmised: kui GD2 (hooratta pöördemoment) koormus aeglustub, on sagedusmuunduri seatud aeglustusaeg liiga lühike;
Mootorile mõjuvad langetamisel välised jõud (näiteks ventilaatorid ja venitusmasinad) või potentsiaalsed koormused (näiteks liftid ja kraanad). Nendel põhjustel on mootori tegelik kiirus suurem kui sagedusmuunduri käskluskiirus, mis tähendab, et mootori rootori kiirus ületab sünkroonkiirust. Sel ajal on mootori libisemiskiirus negatiivne ja rootori mähise suund pöörleva magnetvälja lõikamisel on vastupidine mootori olekule. Selle tekitatud elektromagnetiline pöördemoment on pidurdusmoment, mis takistab pöörlemissuunda. Seega on elektrimootor tegelikult genereerivas olekus ja koormuse kineetiline energia "regenereeritakse" elektrienergiaks.
Regeneratiivenergia laetakse inverteri vabajooksudioodi kaudu inverteri alalisvooluenergia salvestuskondensaatorisse, põhjustades alalisvoolusiinil pinge tõusu, mida nimetatakse regeneratiivseks ülepingeks. Ülepinge regenereerimise käigus tekkiv pöördemoment on vastupidine algsele pöördemomendile, mida nimetatakse pidurdusmomendiks. Seega on ülepinge regenereerimise protsess ka regeneratiivpidurduse protsess.
Teisisõnu, regeneratiivenergia kõrvaldamine suurendab pidurdusmomenti. Kui regeneratiivenergia ei ole suur, on inverteril ja mootoril endal regeneratiivpidurdusvõimsus 20 ning see osa elektrienergiast tarbitakse inverteri ja mootori poolt. Kui see energia ületab sagedusmuunduri ja mootori tarbimisvõimsuse, laetakse alalisvooluahela kondensaator üle ja sagedusmuunduri ülepingekaitse funktsioon aktiveerub, põhjustades töö seiskumise. Selle olukorra vältimiseks on vaja see energia õigeaegselt kõrvaldada ja samal ajal suurendada pidurdusmomenti, mis ongi regeneratiivpidurduse eesmärk.
Meetmed sagedusmuundurite ülepinge vältimiseks
Ülepinge erinevate põhjuste tõttu on ka võetavad meetmed erinevad. Parkimise ajal tekkiva ülepinge nähtuse korral, kui parkimisaja või -koha suhtes pole erinõudeid, saab selle lahendamiseks kasutada sagedusmuunduri aeglustusaja pikendamise või tasuta parkimise meetodit. Nn tasuta parkimine viitab sagedusmuunduri pealüliti lahtiühendamisele, võimaldades mootoril vabalt liikuda ja peatuda.
Kui parkimisaja või parkimiskoha osas on teatud nõuded, saab kasutada alalisvoolupidurduse funktsiooni.
Alalisvoolupidurduse funktsioon on mootori aeglustamine teatud sageduseni ja seejärel staatori mähisele alalisvoolu rakendamine, et moodustada staatiline magnetväli.
Mootori rootori mähis lõikab selle magnetvälja ja tekitab pidurdusmomendi, mis muundab koormuse kineetilise energia elektrienergiaks ja tarbib selle mootori rootori ahelas soojuse kujul. Seetõttu nimetatakse seda tüüpi pidurdust ka energiat tarbivaks pidurdamiseks. Alalisvoolupidurduse protsess hõlmab tegelikult kahte protsessi: regeneratiivpidurdust ja energiat tarbivat pidurdust. Selle pidurdusmeetodi efektiivsus on vaid 30–60% regeneratiivpidurdusest ja pidurdusmoment on suhteliselt väike. Kuna energia tarbimine mootorisse võib põhjustada ülekuumenemist, ei tohiks pidurdusaeg olla liiga pikk.
Lisaks seadistatakse alalisvoolupidurduse käivitussagedus, pidurdusaeg ja pidurduspinge käsitsi ning neid ei saa regeneratiivpinge taseme põhjal automaatselt reguleerida. Seetõttu ei saa alalisvoolupidurdust kasutada normaalse töö ajal tekkiva ülepinge korral, vaid ainult parkimispidurduseks.
Koormuse liigsest GD2-st (hooratta pöördemomendist) tingitud ülepinge korral aeglustuse ajal (suurelt kiiruselt väikesele kiirusele ilma peatumiseta) saab lahenduseks kasutada aeglustusaja pikendamise meetodit. Tegelikult kasutab see meetod ka regeneratiivpidurduse põhimõtet. Aeglustusaja pikendamine kontrollib ainult inverteri laadimiskiirust koormuse regeneratiivpinge abil, et mõistlikult ära kasutada inverteri enda regeneratiivpidurdusvõimet. Mis puutub koormustesse, mis põhjustavad mootori regeneratiivse oleku väliste jõudude (sh potentsiaalse energia vabanemise) tõttu, siis kuna need töötavad tavaliselt pidurdusolekus, on regeneratiivenergia liiga suur, et sagedusmuundur ise seda tarbida saaks. Seetõttu ei ole võimalik kasutada alalisvoolupidurdust ega pikendada aeglustusaega.
Võrreldes alalisvoolupidurdusega on regeneratiivpidurdusel suurem pidurdusmoment ja sagedusmuunduri pidurdusseade saab pidurdusmomendi suurust automaatselt reguleerida vastavalt koormuse nõutavale pidurdusmomendile (st regeneratiivenergia tasemele). Seetõttu sobib regeneratiivpidurdus kõige paremini koormusele normaalse töö ajal pidurdusmomendi pakkumiseks.
Sagedusmuundamise regeneratiivpidurduse meetod:
1. Energiat tarbiv tüüp:
See meetod hõlmab sagedusmuunduri alalisvooluahelas oleva pidurdustakisti paralleelühendust ja võimsustransistori sisse-/väljalülitamise juhtimist alalisvoolusiinil oleva pinge tuvastamise teel. Kui alalisvoolusiinil olev pinge tõuseb umbes 700 V-ni, juhib võimsustransistor voolu, suunates regenereeritud energia takistile ja tarbides seda soojusenergiana, takistades seeläbi alalisvoolupinge tõusu. Kuna see ei suuda regenereeritud energiat kasutada, kuulub see energiat tarbiva tüübi hulka. Energiat tarbiva tüübina erineb see alalisvoolupidurdusest selle poolest, et see tarbib energiat pidurdustakisti peal väljaspool mootorit, mistõttu mootor ei kuumene üle ja saab sagedamini töötada.
2. Paralleelse alalisvoolu siini neeldumistüüp:
Sobib mitme mootoriga ajamisüsteemidele (näiteks venitusmasinatele), kus iga mootor vajab sagedusmuundurit, mitu sagedusmuundurit jagavad võrgupoolset muundurit ja kõik inverterid on ühendatud paralleelselt ühise alalisvoolusiiniga. Selles süsteemis töötab sageli üks või mitu mootorit normaalselt pidurdusolekus. Pidurdusolekus mootorit lohistavad teised mootorid regeneratiivenergia genereerimiseks, mille seejärel elektrilises olekus mootor paralleelse alalisvoolusiiniga neelab. Kui seda ei saa täielikult neelata, tarbitakse see ühise pidurdustakisti kaudu. Siin regenereeritud energia neeldub ja kasutatakse osaliselt, kuid seda ei suunata tagasi võrku.
3. Energia tagasiside tüüp:
Energiatagasiside tüüpi invertervõrgupoolne muundur on pööratav. Regeneratiivenergia genereerimisel suunab pööratav muundur selle tagasi võrku, võimaldades regeneratiivenergiat täielikult ära kasutada. Kuid see meetod nõuab toiteallika suurt stabiilsust ja äkilise voolukatkestuse korral toimub inversioon ja ümberminek.