تأمینکنندگان واحد بازخورد انرژی به شما یادآوری میکنند که مبدلهای فرکانس اغلب در حین اشکالزدایی و استفاده با مشکلات مختلفی روبرو میشوند که از جمله آنها میتوان به اضافه ولتاژ اشاره کرد. پس از وقوع اضافه ولتاژ، به منظور جلوگیری از آسیب به مدار داخلی، عملکرد حفاظت اضافه ولتاژ مبدل فرکانس فعال میشود و باعث میشود مبدل فرکانس از کار بیفتد و در نتیجه دستگاه به درستی کار نکند.
بنابراین، باید اقداماتی برای حذف اضافه ولتاژ و جلوگیری از وقوع خطا انجام شود. با توجه به سناریوهای مختلف کاربرد مبدلهای فرکانس و موتورها، علل اضافه ولتاژ نیز متفاوت است، بنابراین باید اقدامات مربوطه با توجه به شرایط خاص انجام شود.
تولید اضافه ولتاژ در مبدل فرکانس و ترمز احیا کننده
اصطلاحاً اضافه ولتاژ مبدل فرکانس به وضعیتی اطلاق میشود که ولتاژ مبدل فرکانس به دلایل مختلف از ولتاژ نامی فراتر رود، که عمدتاً در ولتاژ DC باس DC مبدل فرکانس آشکار میشود.
در طول عملکرد عادی، ولتاژ DC مبدل فرکانس، مقدار میانگین پس از یکسوسازی تمام موج سه فاز است. اگر بر اساس ولتاژ خط ۳۸۰ ولت محاسبه شود، ولتاژ DC میانگین Ud=1.35U خط = ۵۱۳ ولت خواهد بود.
هنگامی که اضافه ولتاژ رخ میدهد، خازن ذخیره انرژی روی باس DC شارژ میشود. هنگامی که ولتاژ به حدود ۷۰۰ ولت (بسته به مدل) افزایش مییابد، حفاظت اضافه ولتاژ مبدل فرکانس فعال میشود.
دو دلیل اصلی برای اضافه ولتاژ در مبدلهای فرکانس وجود دارد: اضافه ولتاژ توان و اضافه ولتاژ احیاکننده.
اضافه ولتاژ برق به وضعیتی اشاره دارد که ولتاژ باس DC به دلیل ولتاژ بیش از حد منبع تغذیه از مقدار نامی تجاوز میکند. امروزه ولتاژ ورودی اکثر مبدلهای فرکانس میتواند تا 460 ولت برسد، بنابراین اضافه ولتاژ ناشی از منبع تغذیه بسیار نادر است.
موضوع اصلی مورد بحث در این مقاله، بازیابی اضافه ولتاژ است.
دلایل اصلی ایجاد اضافه ولتاژ احیاکننده به شرح زیر است: وقتی بار GD2 (گشتاور فلایویل) کاهش سرعت مییابد، زمان کاهش سرعت تعیین شده توسط مبدل فرکانس خیلی کوتاه است.
موتور هنگام پایین آمدن تحت تأثیر نیروهای خارجی (مانند فنها و ماشینهای کششی) یا بارهای بالقوه (مانند آسانسورها و جرثقیلها) قرار میگیرد. به همین دلایل، سرعت واقعی موتور بالاتر از سرعت فرمان داده شده مبدل فرکانس است، به این معنی که سرعت روتور موتور از سرعت سنکرون فراتر میرود. در این زمان، نرخ لغزش موتور منفی است و جهت سیمپیچ روتور که میدان مغناطیسی دوار را قطع میکند، خلاف جهت حالت موتور است. گشتاور الکترومغناطیسی تولید شده توسط آن، گشتاور ترمزی است که مانع جهت چرخش میشود. بنابراین موتور الکتریکی در واقع در حالت مولد قرار دارد و انرژی جنبشی بار به انرژی الکتریکی "بازتولید" میشود.
انرژی احیاکننده از طریق دیود هرزگرد اینورتر به خازن ذخیره انرژی DC اینورتر شارژ میشود و باعث افزایش ولتاژ باس DC میشود که به آن اضافه ولتاژ احیاکننده میگویند. گشتاور تولید شده در طول فرآیند احیا اضافه ولتاژ، مخالف گشتاور اصلی است که گشتاور ترمز است. بنابراین، فرآیند احیا اضافه ولتاژ، فرآیند ترمز احیاکننده نیز میباشد.
به عبارت دیگر، حذف انرژی احیاکننده، گشتاور ترمز را افزایش میدهد. اگر انرژی احیاکننده زیاد نباشد، خود اینورتر و موتور ظرفیت ترمز احیاکننده 20 دارند و این بخش از انرژی الکتریکی توسط اینورتر و موتور مصرف میشود. اگر این انرژی از ظرفیت مصرفی مبدل فرکانس و موتور بیشتر شود، خازن مدار DC بیش از حد شارژ میشود و عملکرد حفاظت از ولتاژ بیش از حد مبدل فرکانس فعال میشود و باعث توقف عملکرد میشود. برای جلوگیری از این وضعیت، لازم است این انرژی به موقع دفع شود و در عین حال گشتاور ترمز نیز افزایش یابد که هدف ترمز احیاکننده است.
اقدامات لازم برای جلوگیری از اضافه ولتاژ مبدلهای فرکانسی
با توجه به علل مختلف اضافه ولتاژ، اقدامات انجام شده نیز متفاوت است. برای پدیده اضافه ولتاژ ایجاد شده در هنگام پارک کردن، اگر هیچ الزام خاصی برای زمان یا مکان پارک وجود نداشته باشد، میتوان از روش افزایش زمان کاهش سرعت مبدل فرکانس یا پارک آزاد برای حل آن استفاده کرد. اصطلاحاً پارک آزاد به قطع شدن دستگاه سوئیچ اصلی توسط مبدل فرکانس اشاره دارد که به موتور اجازه میدهد آزادانه حرکت کند و متوقف شود.
اگر الزامات خاصی برای زمان پارک یا مکان پارک وجود داشته باشد، میتوان از عملکرد ترمز DC استفاده کرد.
عملکرد ترمز DC این است که موتور را تا فرکانس خاصی کند کند و سپس برق DC را به سیم پیچ استاتور موتور اعمال کند تا یک میدان مغناطیسی استاتیک تشکیل شود.
سیمپیچ روتور موتور این میدان مغناطیسی را قطع میکند و گشتاور ترمز تولید میکند که انرژی جنبشی بار را به انرژی الکتریکی تبدیل کرده و آن را به صورت گرما در مدار روتور موتور مصرف میکند. بنابراین، این نوع ترمز به عنوان ترمز مصرفکننده انرژی نیز شناخته میشود. فرآیند ترمز DC در واقع شامل دو فرآیند است: ترمز احیاکننده و ترمز مصرفکننده انرژی. این روش ترمز تنها 30 تا 60 درصد ترمز احیاکننده راندمان دارد و گشتاور ترمز نسبتاً کم است. با توجه به اینکه مصرف انرژی در موتور میتواند باعث گرمای بیش از حد شود، زمان ترمز نباید خیلی طولانی باشد.
علاوه بر این، فرکانس شروع، زمان ترمز و ولتاژ ترمز در ترمز DC همگی به صورت دستی تنظیم میشوند و نمیتوانند به طور خودکار بر اساس سطح ولتاژ احیا کننده تنظیم شوند. بنابراین، ترمز DC را نمیتوان برای ولتاژ اضافی تولید شده در حین کار عادی استفاده کرد و فقط میتوان از آن برای ترمز در حین پارک استفاده کرد.
برای اضافه ولتاژ ناشی از GD2 بیش از حد (گشتاور چرخ طیار) بار در هنگام کاهش سرعت (از سرعت بالا به سرعت پایین بدون توقف)، میتوان از روش افزایش زمان کاهش سرعت به طور مناسب برای حل آن استفاده کرد. در واقع، این روش همچنین از اصل ترمز احیاکننده استفاده میکند. افزایش زمان کاهش سرعت فقط سرعت شارژ اینورتر را توسط ولتاژ احیاکننده بار کنترل میکند تا از ظرفیت ترمز احیاکننده خود اینورتر به طور معقول استفاده شود. در مورد بارهایی که به دلیل نیروهای خارجی (از جمله آزادسازی انرژی پتانسیل) باعث میشوند موتور در حالت احیاکننده قرار گیرد، از آنجایی که آنها به طور معمول در حالت ترمز کار میکنند، انرژی احیاکننده برای مصرف توسط خود مبدل فرکانس بسیار زیاد است. بنابراین، استفاده از ترمز DC یا افزایش زمان کاهش سرعت غیرممکن است.
در مقایسه با ترمز DC، ترمز احیاکننده گشتاور ترمز بالاتری دارد و میزان گشتاور ترمز را میتوان به طور خودکار توسط واحد ترمز مبدل فرکانس با توجه به گشتاور ترمز مورد نیاز بار (یعنی سطح انرژی احیاکننده) کنترل کرد. بنابراین، ترمز احیاکننده برای تأمین گشتاور ترمز برای بار در حین کار عادی مناسبترین است.
روش تبدیل فرکانس ترمز احیا کننده:
۱. نوع مصرف انرژی:
این روش شامل موازی کردن یک مقاومت ترمز در مدار DC یک مبدل فرکانس و کنترل روشن/خاموش کردن یک ترانزیستور قدرت با تشخیص ولتاژ باس DC است. هنگامی که ولتاژ باس DC به حدود ۷۰۰ ولت افزایش مییابد، ترانزیستور قدرت هدایت میکند، انرژی احیا شده را به مقاومت منتقل کرده و آن را به صورت انرژی حرارتی مصرف میکند و در نتیجه از افزایش ولتاژ DC جلوگیری میکند. به دلیل عدم توانایی در استفاده از انرژی احیا شده، این نوع از نوع مصرف انرژی است. به عنوان یک نوع مصرف انرژی، تفاوت آن با ترمز DC این است که انرژی را روی مقاومت ترمز خارج از موتور مصرف میکند، بنابراین موتور بیش از حد گرم نمیشود و میتواند بیشتر کار کند.
۲. نوع جذب باس DC موازی:
مناسب برای سیستمهای درایو چند موتوره (مانند ماشینهای کشش)، که در آن هر موتور به یک مبدل فرکانس نیاز دارد، چندین مبدل فرکانس یک مبدل سمت شبکه را به اشتراک میگذارند و همه اینورترها به صورت موازی به یک باس DC مشترک متصل میشوند. در این سیستم، اغلب یک یا چند موتور به طور عادی در حالت ترمز کار میکنند. موتور در حالت ترمز توسط موتورهای دیگر کشیده میشود تا انرژی احیاکننده تولید کند، که سپس توسط موتور در حالت الکتریکی از طریق یک باس DC موازی جذب میشود. اگر نتوان آن را به طور کامل جذب کرد، از طریق یک مقاومت ترمز مشترک مصرف میشود. انرژی احیاشده در اینجا تا حدی جذب و استفاده میشود، اما به شبکه برق بازگردانده نمیشود.
۳. نوع بازخورد انرژی:
مبدل سمت شبکه اینورتر از نوع فیدبک انرژی، برگشتپذیر است. هنگامی که انرژی احیاکننده تولید میشود، مبدل برگشتپذیر، انرژی احیاکننده را به شبکه فیدبک میدهد و امکان استفاده کامل از انرژی احیاکننده را فراهم میکند. اما این روش نیاز به پایداری بالای منبع تغذیه دارد و به محض قطع ناگهانی برق، وارونگی و واژگونی رخ خواهد داد.