Taajuusmuuntimien energian takaisinkytkentälaitteiden toimittajat muistuttavat, että yksinkertaista energiankulutusjarrutusta käytetään tällä hetkellä laajalti vaihtovirtataajuusmuunnosnopeuden säätöjärjestelmissä, mutta sen haittoihin kuuluvat sähköenergian tuhlaaminen, voimakas vastuksen lämpeneminen ja heikko nopea jarrutusteho. Kun asynkroniset moottorit jarruttavat usein, takaisinkytkentäjarrutuksen käyttö on erittäin tehokas energiansäästömenetelmä, jolla vältetään ympäristön ja laitteiden vaurioituminen jarrutuksen aikana. Tyydyttäviä tuloksia on saavutettu esimerkiksi sähkövetureissa ja öljynporauksessa. Uusien tehoelektronisten laitteiden jatkuvan ilmestymisen, kustannustehokkuuden lisääntymisen ja ihmisten tietoisuuden lisääntymisen energiansäästöstä ja kulutuksen vähentämisestä myötä sovellusmahdollisuudet ovat laajat.
Energian takaisinkytkentäjarrutuslaite soveltuu erityisesti tilanteisiin, joissa moottorin teho on suuri, kuten suurempi tai yhtä suuri kuin 100 kW, laitteen hitausmomentti gd2 on suuri ja se kuuluu toistuvaan lyhytaikaiseen jatkuvaan työjärjestelmään. Hidastuvuuden pieneneminen suuresta nopeudesta hitaaseen on suuri, jarrutusaika on lyhyt ja tarvitaan voimakasta jarrutusta. Energiansäästövaikutuksen parantamiseksi ja energianhukan vähentämiseksi jarrutusprosessin aikana on myös tarpeen ottaa talteen hidastuvuusenergia ja syöttää se takaisin sähköverkkoon energiansäästövaikutuksen saavuttamiseksi.
Takaisinkytkentäjarrutuksen periaate
Muuttuvataajuisessa nopeudensäätöjärjestelmässä moottorin hidastus ja pysäytys saavutetaan vähentämällä taajuutta asteittain. Taajuuden laskiessa moottorin synkroninen nopeus pienenee vastaavasti. Mekaanisen inertian vuoksi moottorin roottorin nopeus pysyy kuitenkin muuttumattomana, ja sen nopeuden muutoksessa on tietty viive. Tällöin todellinen nopeus on suurempi kuin annettu nopeus, mikä johtaa tilanteeseen, jossa moottorin vastasähkömotorinen voima e on suurempi kuin taajuusmuuttajan tasavirtaliittimen jännite u, eli e > u. Tässä vaiheessa sähkömoottorista tulee generaattori, joka ei ainoastaan vaadi sähkönsyöttöä verkosta, vaan se voi myös lähettää sähköä verkkoon. Tällä ei ole ainoastaan hyvä jarrutusvaikutus, vaan se myös muuntaa kineettisen energian sähköenergiaksi, joka voidaan lähettää verkkoon energian talteenottoon, tappaen kaksi kärpästä yhdellä iskulla. Tämän saavuttamiseksi on tietysti oltava energian takaisinkytkentälaite automaattista ohjausta varten. Lisäksi energian takaisinkytkentäpiirin tulisi sisältää myös AC- ja DC-reaktoreita, vastuskapasitanssinvaimentimia, elektronisia kytkimiä jne.
Kuten hyvin tiedetään, yleisten taajuusmuuttajien siltasuuntauspiiri on kolmivaiheinen ja sitä ei voida ohjata, joten kaksisuuntainen energiansiirto tasavirtapiirin ja virtalähteen välillä on mahdotonta. Tehokas ratkaisu tähän ongelmaan on käyttää aktiivista invertteritekniikkaa, ja tasasuuntaajaosassa käytetään käännettävää tasasuuntaajaa, joka tunnetaan myös nimellä verkkopuolen muunnin. Verkkopuolen invertteriä ohjaamalla regeneroitu sähköenergia invertoidaan vaihtovirraksi, jolla on sama taajuus, vaihe ja taajuus kuin verkossa, ja syötetään takaisin verkkoon jarrutuksen aikaansaamiseksi. Aikaisemmin aktiivisissa invertteriyksiköissä käytettiin pääasiassa tyristoripiirejä, jotka pystyivät suorittamaan turvallisen takaisinkytkentätoiminnan vain vakaassa verkkojännitteessä, joka ei ole altis häiriöille (verkkojännitteen vaihtelut enintään 10 %). Tämän tyyppinen piiri pystyi suorittamaan invertterin turvallisen takaisinkytkentätoiminnan vain vakaassa verkkojännitteessä, joka ei ole altis häiriöille (verkkojännitteen vaihtelut enintään 10 %). Koska sähköntuotannon jarrutustoiminnan aikana, jos verkkojännitteen jarrutusaika on yli 2 ms, kommutointihäiriö voi ilmetä ja komponentit voivat vaurioitua. Lisäksi syväohjauksen aikana tällä menetelmällä on alhainen tehokerroin, korkea harmonisten sisältö ja päällekkäinen kommutointi, mikä aiheuttaa sähköverkon jänniteaaltomuodon vääristymistä. Samanaikaisesti hallinnan monimutkaisuus ja korkeat kustannukset. Täysin ohjattujen laitteiden käytännön soveltamisen myötä ihmiset ovat kehittäneet hakkuriohjattuja käännettäviä muuntimia, jotka käyttävät PWM-ohjausta. Tällä tavoin verkkopuolen invertterin rakenne on täysin sama kuin invertterin, ja molemmat käyttävät PWM-ohjausta.
Yllä olevasta analyysistä voidaan nähdä, että invertterin energiatakaisinkytkentäjarrutuksen todellisen saavuttamisen kannalta avainasemassa on verkkopuolen invertterin ohjaaminen. Seuraava teksti keskittyy verkkopuolen invertterin ohjausalgoritmiin täysin ohjattujen laitteiden ja PWM-ohjausmenetelmän avulla.
ohjausalgoritmi
Verkkopuolen invertterien ohjausalgoritmi käyttää yleensä vektoriohjausalgoritmia, jossa vdc, v * dc ja △ vdc edustavat vastaavasti tasavirtaväylän jännitteen mitattua arvoa, annettua arvoa ja säätövirhettä; id, i*d, Δ id edustaa verkkopuolen invertterin d-akselin mitattua arvoa, annettua arvoa ja säätövirhettä; iq, i*q, Δ iq edustaa verkkopuolen muuttajan q-akselin virran mitattua arvoa, annettua arvoa ja säätövirhettä; Δ v * d, v * d ja v * q edustavat vastaavasti verkkopuolen invertterin d-akselin lähtöjännitteen poikkeaman asetusarvoa, d-akselin lähtöjännitteen asetusarvoa ja q-akselin lähtöjännitteen asetusarvoa; EABC, V * ABC ja IABC edustavat vastaavasti verkkopotentiaalin, verkkopuolen muuttajan lähtöjännitteen ja kolmivaiheisen lähtövirran hetkellisiä annettuja arvoja; e. φ edustaa verkkopotentiaalin amplitudia ja vaihetta.
Vektorisäätöalgoritmi laskee mitatun tasavirtakiskon jännitteen ja annetun arvon välisen eron ja saa annetun d-akselin virran arvon PI-säätimen kautta. Sitten, mitatun verkkojännitteen vaiheen perusteella, verkkopuolen invertterin mitattu lähtövirta muunnetaan synkronisesti koordinaatistossa, jotta saadaan mitatut d-akselin virran ja q-akselin virran arvot. Pi-säädön jälkeen d-akselin arvo lisätään verkkojännitteen amplitudiin, jotta saadaan annetut d-akselin jännitteen ja q-akselin jännitteen arvot. Synkronisen koordinaatiston käänteismuunnoksen jälkeen saadaan lähtö.
Tämän algoritmin etuna on korkea säätötarkkuus ja hyvä dynaaminen vaste; haittana on, että säätöalgoritmissa on paljon koordinaattimuunnoksia ja algoritmi on monimutkainen, mikä vaatii ohjausprosessorilta paljon laskentatehoa.
Se käyttää virtaa seuraavaa PWM-tasasuuntaajarakennetta. Tämä yksinkertaistettu algoritmi kertoo suoraan d-akselin virran asetusarvon mitatusta verkkojännitteen vaihehakutaulukosta saadulla kolmivaiheisella sinimuotoisella viitearvolla saadakseen kolmivaiheisen lähtövirran asetusarvon ja suorittaa sitten yksinkertaisen pi-säädön saadakseen kolmivaiheisen lähtöjännitteen asetusarvon ja syöttääkseen sen ulos. Koordinaattimuunnoslaskelmien poisjättämisen vuoksi tässä algoritmissa ohjausprosessorin laskentatehon vaatimukset ovat suhteellisen alhaiset. Toisaalta PI-säätimen itsensä ominaisuuksien vuoksi sen vaihtovirtavirran ohjauksessa on tietty tasatilan virhe, joten tämän algoritmin tehokerroin on pienempi kuin standardin vektorisäätöalgoritmin. Dynaamisten prosessien aikana tasajännitteen vaihtelu on suhteellisen suuri, ja tasajännitteen ja muiden vikojen esiintymisen todennäköisyys nopeiden dynaamisten prosessien aikana on suhteellisen korkea.
Takaisinkytkentäjarrutusominaisuudet
Tarkkaan ottaen verkkopuolen invertteriä ei voida kutsua yksinkertaisesti "tasasuuntaajaksi", koska se voi toimia sekä tasasuuntaajana että invertterinä. Itsestään sammuvien laitteiden käytön ansiosta vaihtovirran suuruutta ja vaihetta voidaan ohjata sopivalla PWM-tilassa, jolloin tulovirta lähestyy siniaaltoa ja varmistaa, että järjestelmän tehokerroin lähestyy aina arvoa 1. Kun moottorin hidastusjarrutuksen palauttama regeneratiivinen teho invertteristä lisää tasajännitettä, vaihtovirran tulovirran vaihe voidaan kääntää päinvastaiseksi syöttöjännitteen vaiheesta regeneratiivisen toiminnan saavuttamiseksi, ja regeneratiivinen teho voidaan syöttää takaisin vaihtovirtaverkkoon, samalla kun järjestelmä voi silti pitää tasajännitteen annetussa arvossa. Tässä tapauksessa verkkopuolen invertteri toimii aktiivisessa invertteritilassa. Tämä helpottaa kaksisuuntaisen tehon virtauksen saavuttamista ja sillä on nopea dynaaminen vasteaika. Samalla tämä topologiarakenne mahdollistaa järjestelmän täydellisen loistehon ja pätötehon vaihdon hallinnan vaihto- ja tasavirtapuolen välillä jopa 97 %:n hyötysuhteella ja merkittävillä taloudellisilla hyödyillä. Lämpöhäviö on 1 % jarrutuksen energiankulutuksesta, eikä se saastuta sähköverkkoa. Tehokerroin on noin 1, mikä on ympäristöystävällistä. Siksi takaisinkytkentäjarrutusta voidaan käyttää laajalti energiansäästöön PWM-vaihtovirtasiirron energian takaisinkytkentäjarrutustilanteissa, erityisesti tilanteissa, joissa tarvitaan usein toistuvaa jarrutusta. Myös sähkömoottorin teho on korkea, ja energiansäästövaikutus on merkittävä. Käyttöolosuhteista riippuen keskimääräinen energiansäästövaikutus on noin 20 %. Takaisinkytkentäohjauksen ainoa haittapuoli on ohjausjärjestelmän monimutkainen rakenne.
Yhteenvetona voidaan todeta, että energian takaisinkytkentäjärjestelmällä on huomattavasti paremmat edut energiankulutusjarrutukseen ja tasavirtajarrutukseen verrattuna. Käyttämällä takaisinkytkentäjarrutusta regeneroidun sähkön syöttämiseen takaisin verkkoon voidaan saavuttaa energiankulutuksen vähentämisen ja sähkökustannusten säästämisen vaikutus. Siksi Kiinan eri osien nopean talouskehityksen aiheuttaman sähköpulan nykyisessä tilanteessa takaisinkytkentäjarrujen edistämisellä ja soveltamisella on tärkeä energiansäästön merkitys.