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.
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, ohjaamaton, joten se ei voi saavuttaa kaksisuuntaista energiansiirtoa tasavirtapiirin ja virtalähteen välillä. Tehokkain tapa ratkaista tämä ongelma 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 turvallisesti takaisinkytkentätoiminnan vain vakaassa verkkojännitteessä, joka ei ole altis häiriöille (verkkojännitteen vaihtelut enintään 10 %). Tämän tyyppinen piiri pystyi suorittamaan invertterin turvallisesti 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.
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. Sähkömoottorin teho on myös korkea, ja energiansäästövaikutus on merkittävä. Käyttöolosuhteista riippuen keskimääräinen energiansäästövaikutus on noin 20 %.