تامینکنندگان تجهیزات پشتیبانی مبدل فرکانس به شما یادآوری میکنند که در سیستمهای کنترل فرکانس سنتی متشکل از مبدلهای فرکانس عمومی، موتورهای آسنکرون و بارهای مکانیکی، هنگامی که بار پتانسیل منتقل شده توسط موتور کاهش مییابد، موتور ممکن است در حالت ترمز احیاکننده باشد؛ یا هنگامی که موتور از سرعت بالا به سرعت پایین (از جمله پارک) کاهش سرعت مییابد، ممکن است فرکانس به طور ناگهانی کاهش یابد، اما به دلیل اینرسی مکانیکی موتور، ممکن است در حالت تولید توان احیاکننده باشد. انرژی مکانیکی ذخیره شده در سیستم انتقال توسط موتور به انرژی الکتریکی تبدیل شده و از طریق شش دیود هرزگرد اینورتر به مدار DC اینورتر ارسال میشود. در این زمان، اینورتر در حالت یکسوسازی قرار دارد. در این مرحله، اگر هیچ اقدامی برای مصرف انرژی در مبدل فرکانس انجام نشود، این انرژی باعث افزایش ولتاژ خازن ذخیره انرژی در مدار میانی میشود. اگر ترمز خیلی سریع باشد یا بار مکانیکی یک بالابر باشد، این بخش از انرژی ممکن است باعث آسیب به مبدل فرکانس شود، بنابراین باید این بخش از انرژی را در نظر بگیریم.
در مبدلهای فرکانس عمومی، دو روش رایج برای پردازش انرژی بازیافتی وجود دارد:
(1) اتلاف در "مقاومت ترمز" که به صورت مصنوعی به موازات خازن در مدار DC قرار گرفته است، حالت ترمز دینامیکی نامیده میشود.
(2) اگر به شبکه برق بازگردانده شود، به آن حالت ترمز بازخوردی میگویند (همچنین به عنوان حالت ترمز احیاکننده شناخته میشود). روش ترمز دیگری به نام ترمز DC وجود دارد که میتواند در شرایطی که نیاز به پارک دقیق است یا زمانی که موتور ترمز قبل از شروع به کار به دلیل عوامل خارجی به طور نامنظم میچرخد، استفاده شود.
بسیاری از کارشناسان در کتابها و نشریات، طراحی و کاربرد ترمز درایو فرکانس متغیر را مورد بحث قرار دادهاند، به خصوص در سالهای اخیر، مقالات زیادی در مورد "ترمز بازخورد انرژی" منتشر شده است. امروز، نویسنده نوع جدیدی از روش ترمز را ارائه میدهد که مزایای عملکرد چهار ربعی با "ترمز بازخورد" و راندمان عملیاتی بالا و همچنین مزایای "ترمز مصرف انرژی" برای شبکه برق بدون آلودگی و قابلیت اطمینان بالا را دارد.
مصرف انرژی ترمز
روش استفاده از مقاومت ترمز تنظیم شده در مدار DC برای جذب انرژی الکتریکی احیا کننده موتور، ترمز مصرف انرژی نامیده میشود.
مزیت آن ساختار ساده است؛ هیچ آلودگی برای شبکه برق ایجاد نمیکند (در مقایسه با کنترل فیدبک)، هزینه کم؛ عیب آن راندمان عملیاتی پایین است، به خصوص در هنگام ترمزگیری مکرر که مقدار زیادی انرژی مصرف میکند و ظرفیت مقاومت ترمز را افزایش میدهد.
به طور کلی، در مبدلهای فرکانس عمومی، مبدلهای فرکانس کمتوان (زیر ۲۲ کیلووات) به یک واحد ترمز داخلی مجهز هستند که فقط به یک مقاومت ترمز خارجی نیاز دارد. مبدلهای فرکانس توان بالا (بالای ۲۲ کیلووات) به واحدهای ترمز خارجی و مقاومتهای ترمز نیاز دارند.
ترمز بازخوردی
برای دستیابی به ترمز فیدبک انرژی، شرایطی مانند کنترل ولتاژ در همان فرکانس و فاز، کنترل جریان فیدبک و غیره مورد نیاز است. این سیستم از فناوری اینورتر فعال برای تبدیل انرژی الکتریکی احیا شده به برق AC با همان فرکانس و فاز شبکه برق و بازگرداندن آن به شبکه استفاده میکند و در نتیجه به ترمز دست مییابد.
مزیت ترمز فیدبک این است که میتواند در چهار ربع کار کند و فیدبک انرژی الکتریکی باعث بهبود راندمان سیستم میشود. معایب آن عبارتند از:
(1) این روش ترمز فیدبک فقط میتواند تحت ولتاژ شبکه پایدار که مستعد خطا نیست (با نوسانات ولتاژ شبکه که از 10٪ تجاوز نکند) استفاده شود. زیرا در حین عملکرد ترمز تولید برق، اگر زمان خطای ولتاژ شبکه برق بیشتر از 2 میلیثانیه باشد، ممکن است خطای کموتاسیون رخ دهد و قطعات آسیب ببینند.
(2) در طول بازخورد، آلودگی هارمونیکی در شبکه برق وجود دارد.
(3) کنترل پیچیده و هزینه بالا است.
روش ترمز جدید (ترمز با فیدبک خازنی)
اصل مدار اصلی
بخش یکسوساز از یک پل یکسوساز غیرقابل کنترل مشترک برای یکسوسازی استفاده میکند، مدار فیلتر از یک خازن الکترولیتی جهانی استفاده میکند و مدار تأخیر از یک کنتاکتور یا تریستور استفاده میکند. مدار شارژ و بازخورد شامل یک ماژول قدرت IGBT، یک راکتور شارژ و بازخورد L و یک خازن الکترولیتی بزرگ C (با ظرفیت حدود چند دهم متر است که میتواند با توجه به سیستم عامل مبدل فرکانس تعیین شود) است. بخش اینورتر از ماژول قدرت IGBT تشکیل شده است. مدار حفاظت از IGBT و مقاومت قدرت تشکیل شده است.
۱) وضعیت عملکرد تولید برق موتور الکتریکی
CPU ولتاژ AC ورودی و ولتاژ مدار DC (μ d) را به صورت بلادرنگ رصد میکند و تعیین میکند که آیا سیگنال شارژ را به VT1 ارسال کند یا خیر. هنگامی که μ d از مقدار ولتاژ DC مربوطه (مانند 380VAC -530VDC) ولتاژ AC ورودی بالاتر باشد، CPU VT3 را خاموش میکند و خازن الکترولیتی C را از طریق هدایت پالسی VT1 شارژ میکند. در این زمان، راکتور L و خازن الکترولیتی C تقسیم میشوند تا اطمینان حاصل شود که خازن الکترولیتی C در محدوده ایمن کار میکند. هنگامی که ولتاژ خازن الکترولیتی C به مقدار خطرناکی (مانند 370 ولت) نزدیک میشود در حالی که سیستم هنوز در حالت تولید برق است و انرژی الکتریکی به طور مداوم از طریق اینورتر به مدار DC ارسال میشود، مدار ایمنی در دستیابی به ترمز مصرف انرژی (ترمز مقاومتی)، کنترل خاموش و روشن شدن VT3 و در نتیجه تحقق مصرف انرژی اضافی توسط مقاومت R نقش دارد. به طور کلی، این وضعیت رخ نمیدهد.
(2) وضعیت عملکرد موتور الکتریکی
وقتی CPU تشخیص میدهد که سیستم دیگر شارژ نمیشود، VT3 را به صورت پالس هدایت میکند و یک ولتاژ آنی چپ مثبت و راست منفی روی راکتور L ایجاد میکند. با ترکیب ولتاژ روی خازن الکترولیتی C، فرآیند فیدبک انرژی از خازن به مدار DC قابل دستیابی است. CPU با تشخیص ولتاژ روی خازن الکترولیتی C و ولتاژ در مدار DC، فرکانس سوئیچینگ و چرخه وظیفه VT3 را کنترل میکند و در نتیجه جریان فیدبک را کنترل میکند و اطمینان حاصل میکند که ولتاژ مدار DC ν d خیلی زیاد نشود.
مشکلات سیستم
(1) انتخاب راکتورها
(الف) ما ویژگی شرایط عملیاتی را در نظر میگیریم و فرض میکنیم که یک خطای خاص در سیستم رخ میدهد و باعث میشود بار انرژی پتانسیل حمل شده توسط موتور آزادانه شتاب گرفته و سقوط کند. در این زمان، موتور در حالت تولید برق است.
انرژی احیا شده از طریق شش دیود هرزگرد به مدار DC بازگردانده میشود و باعث افزایش Δd شده و اینورتر را به سرعت در حالت شارژ قرار میدهد. در این زمان، جریان بسیار زیاد خواهد بود. بنابراین قطر سیم راکتور انتخاب شده باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا جریان را در این زمان عبور دهد.
(ب) در حلقه بازخورد، برای آزادسازی هرچه بیشتر انرژی الکتریکی قبل از شارژ بعدی خازن الکترولیتی، انتخاب یک هسته آهنی معمولی (ورق فولاد سیلیکونی) نمیتواند به این هدف دست یابد. بهتر است یک هسته آهنی ساخته شده از مواد فریت انتخاب شود. با نگاهی به مقدار فعلی که در بالا در نظر گرفته شد، میتوان دید که این هسته آهنی چقدر بزرگ است. مشخص نیست که آیا چنین هسته آهن فریت بزرگی در بازار وجود دارد یا خیر. حتی اگر وجود داشته باشد، قیمت آن قطعاً خیلی پایین نخواهد بود.
بنابراین نویسنده پیشنهاد میکند برای هر مدار شارژ و فیدبک از یک راکتور استفاده شود.
(2) مشکلات در کنترل
(الف) در مدار DC مبدل فرکانس، ولتاژ ν d عموماً بالاتر از 500 ولت DC است، در حالی که ولتاژ قابل تحمل خازن الکترولیتی C تنها 400 ولت DC است، که نشان میدهد کنترل این فرآیند شارژ مانند روش کنترل ترمز انرژی (ترمز مقاومتی) نیست. افت ولتاژ لحظهای ایجاد شده روی راکتور ν c=ν d - ν L است. برای اطمینان از اینکه خازن الکترولیتی در محدوده ایمن (≤ 400 ولت) کار میکند، لازم است افت ولتاژ ν L روی راکتور به طور موثر کنترل شود، که به نوبه خود به نرخ تغییر لحظهای اندوکتانس و جریان بستگی دارد.
(ب) در طول فرآیند بازخورد، همچنین لازم است از تخلیه انرژی الکتریکی از خازن الکترولیتی C که باعث ایجاد ولتاژ مدار DC بیش از حد از طریق راکتور میشود، جلوگیری شود و در نتیجه از سیستم در برابر ولتاژ اضافی محافظت شود.
سناریوهای اصلی کاربرد
دقیقاً به دلیل برتری این روش ترمز جدید (ترمز بازخورد خازنی) مبدلهای فرکانس است که بسیاری از کاربران اخیراً پیشنهاد دادهاند که بر اساس ویژگیهای تجهیزات خود، این سیستم را تجهیز کنند. با گسترش حوزه کاربرد مبدلهای فرکانس، این فناوری کاربردی چشمانداز توسعه بزرگی خواهد داشت. به طور خاص، عمدتاً در صنایعی مانند بالابرهای معدن (برای حمل افراد یا بارگیری مواد)، واگنهای شیبدار معدن (تک یا دو لوله) و ماشینآلات بالابر استفاده میشود. در هر صورت، میتوان از دستگاههای بازخورد انرژی در موقعیتهایی که به آنها نیاز است، استفاده کرد.