I fornitori di dispositivi di retroazione energetica per convertitori di frequenza ricordano che attualmente la semplice frenatura a consumo energetico è ampiamente utilizzata nei sistemi di controllo della velocità a conversione di frequenza CA, che presentano svantaggi come spreco di energia elettrica, elevato riscaldamento della resistenza e scarse prestazioni di frenata rapida. Quando i motori asincroni frenano frequentemente, l'utilizzo della frenatura a retroazione è un metodo molto efficace per risparmiare energia ed evitare danni all'ambiente e alle apparecchiature durante la frenata. Risultati soddisfacenti sono stati ottenuti in settori come quello delle locomotive elettriche e dell'estrazione petrolifera. Con la continua introduzione di nuovi dispositivi elettronici di potenza, la crescente economicità e la crescente consapevolezza del pubblico in materia di risparmio energetico e riduzione dei consumi, le prospettive applicative sono molteplici.
Il dispositivo di frenatura a retroazione energetica è particolarmente adatto a situazioni in cui la potenza del motore è elevata, ad esempio maggiore o uguale a 100 kW, il momento di inerzia dell'apparecchiatura gd2 è elevato e appartiene a un sistema di funzionamento continuo ripetuto a breve termine. La riduzione della decelerazione da alta a bassa velocità è notevole, il tempo di frenata è breve ed è richiesta una frenata potente. Per migliorare l'effetto di risparmio energetico e ridurre la perdita di energia durante il processo di frenata, è inoltre necessario recuperare l'energia di decelerazione e restituirla alla rete elettrica per ottenere un effetto di risparmio energetico.
Principio di frenata a feedback
Nel sistema di regolazione della velocità a frequenza variabile, la decelerazione e l'arresto del motore si ottengono riducendo gradualmente la frequenza. Nel momento in cui la frequenza diminuisce, la velocità sincrona del motore diminuisce di conseguenza. Tuttavia, a causa dell'inerzia meccanica, la velocità del rotore del motore rimane invariata e la sua variazione di velocità presenta un certo ritardo. In questo momento, la velocità effettiva sarà maggiore di quella nominale, determinando una situazione in cui la forza controelettromotrice e del motore è superiore alla tensione continua u del convertitore di frequenza, ovvero e > u. A questo punto, il motore elettrico diventa un generatore, che non solo non richiede alimentazione dalla rete, ma può anche immettere elettricità nella rete. Questo non solo ha un buon effetto frenante, ma converte anche l'energia cinetica in energia elettrica, che può essere inviata alla rete per recuperare energia, prendendo due piccioni con una fava. Naturalmente, per ottenere questo risultato, è necessario un dispositivo di retroazione energetica per il controllo automatico. Inoltre, il circuito di retroazione energetica dovrebbe includere anche reattori CA e CC, assorbitori di capacità resistive, interruttori elettronici, ecc.
Come è noto, il circuito raddrizzatore a ponte dei convertitori di frequenza generici è trifase non controllabile, quindi è impossibile ottenere un trasferimento di energia bidirezionale tra il circuito CC e l'alimentatore. La soluzione efficace a questo problema è l'utilizzo della tecnologia inverter attiva, e la parte raddrizzatore adotta un raddrizzatore reversibile, noto anche come convertitore lato rete. Controllando l'inverter lato rete, l'energia elettrica rigenerata viene convertita in corrente alternata con la stessa frequenza, fase e frequenza della rete e reimmessa in rete per ottenere la frenatura. In precedenza, le unità inverter attive utilizzavano principalmente circuiti a tiristori, che possono eseguire in sicurezza il funzionamento in retroazione solo con una tensione di rete stabile e non soggetta a guasti (fluttuazioni della tensione di rete non superiori al 10%). Questo tipo di circuito può eseguire in sicurezza il funzionamento in retroazione dell'inverter solo con una tensione di rete stabile e non soggetta a guasti (con fluttuazioni della tensione di rete non superiori al 10%). Poiché durante la frenatura della generazione di energia, se il tempo di frenatura della tensione di rete è superiore a 2 ms, potrebbero verificarsi guasti di commutazione e danni ai componenti. Inoltre, durante il controllo approfondito, questo metodo presenta un basso fattore di potenza, un elevato contenuto armonico e una commutazione sovrapposta, che causerà la distorsione della forma d'onda della tensione di rete. A ciò si aggiungono complessità di controllo e costi elevati. Con l'applicazione pratica di dispositivi completamente controllati, sono stati sviluppati convertitori reversibili a controllo chopper che utilizzano il controllo PWM. In questo modo, la struttura dell'inverter lato rete è completamente identica a quella dell'inverter, entrambi con controllo PWM.
Dall'analisi di cui sopra, si evince che per ottenere una frenatura a feedback energetico dell'inverter, la chiave è controllare l'inverter lato rete. Il testo seguente si concentra sull'algoritmo di controllo dell'inverter lato rete utilizzando dispositivi completamente controllati e un metodo di controllo PWM.
algoritmo di controllo
L'algoritmo di controllo per gli inverter lato rete adotta solitamente un algoritmo di controllo vettoriale, in cui vdc, v * dc e △ vdc rappresentano rispettivamente il valore misurato, il valore dato e l'errore di controllo della tensione del bus CC; id, i*d, Δ id rappresentano il valore misurato, il valore dato e l'errore di controllo dell'asse d dell'inverter lato rete; iq, i*q, Δ iq rappresentano il valore misurato, il valore dato e l'errore di controllo della corrente dell'asse q del convertitore lato rete; Δ v * d, v * d e v * q rappresentano rispettivamente il setpoint di deviazione della tensione di uscita dell'asse d, il setpoint della tensione di uscita dell'asse d e il setpoint della tensione di uscita dell'asse q dell'inverter lato rete; EABC, V * ABC e IABC rappresentano rispettivamente i valori dati istantanei del potenziale di rete, la tensione di uscita del convertitore lato rete e i valori istantanei trifase della corrente di uscita; e. φ rappresenta rispettivamente l'ampiezza e la fase del potenziale di rete.
L'algoritmo di controllo vettoriale calcola la differenza tra la tensione del bus CC misurata e il valore dato e ottiene il valore dato della corrente sull'asse d tramite un regolatore PI; quindi, in base alla fase misurata della tensione di rete, la corrente di uscita misurata dell'inverter lato rete viene trasformata in modo sincrono per ottenere i valori misurati della corrente sull'asse d e della corrente sull'asse q. Dopo la regolazione del PI, il valore sull'asse d viene aggiunto all'ampiezza della tensione di rete per ottenere i valori dati della tensione sull'asse d e della tensione sull'asse q. Dopo la trasformazione inversa delle coordinate sincrone, si ottiene l'uscita.
Il vantaggio di questo algoritmo è l'elevata precisione di controllo e la buona risposta dinamica; lo svantaggio è che nell'algoritmo di controllo sono presenti numerose trasformazioni di coordinate e l'algoritmo è complesso, richiedendo un'elevata potenza di calcolo da parte del processore di controllo.
Adotta una composizione di raddrizzatore PWM a inseguimento di corrente. Questo algoritmo semplificato moltiplica direttamente il setpoint di corrente sull'asse d per il valore di riferimento sinusoidale trifase ottenuto dalla tabella di ricerca di fase della tensione di rete misurata per ottenere il setpoint della corrente di uscita trifase, quindi esegue una semplice regolazione del pi greco per ottenere il setpoint della tensione di uscita trifase e restituirlo. A causa dell'omissione dei calcoli di trasformazione delle coordinate in questo algoritmo, i requisiti di potenza computazionale per il processore di controllo sono relativamente bassi. D'altra parte, a causa delle caratteristiche del regolatore PI stesso, vi è un certo errore in regime stazionario nel suo controllo del flusso CA, quindi il fattore di potenza di questo algoritmo è inferiore a quello dell'algoritmo di controllo vettoriale standard. Durante i processi dinamici, la fluttuazione della tensione del bus CC è relativamente ampia e la probabilità che si verifichino guasti alla tensione del bus CC e ad altri guasti durante i processi dinamici rapidi è relativamente alta.
Caratteristiche di frenata a feedback
In senso stretto, l'inverter lato rete non può essere semplicemente definito un "raddrizzatore", poiché può funzionare sia come raddrizzatore che come inverter. Grazie all'utilizzo di dispositivi di autospegnimento, l'ampiezza e la fase della corrente alternata possono essere controllate tramite un'appropriata modalità PWM, facendo sì che la corrente di ingresso si avvicini a un'onda sinusoidale e garantendo che il fattore di potenza del sistema si avvicini sempre a 1. Quando la potenza rigenerativa restituita dall'inverter dalla frenatura di decelerazione del motore aumenta la tensione continua, la fase della corrente alternata in ingresso può essere invertita rispetto alla fase della tensione di alimentazione per ottenere il funzionamento rigenerativo e la potenza rigenerativa può essere reimmessa nella rete elettrica alternata, mentre il sistema può comunque mantenere la tensione continua al valore specificato. In questo caso, l'inverter lato rete funziona in uno stato di inverter attivo. Ciò semplifica il flusso di potenza bidirezionale e presenta una rapida velocità di risposta dinamica. Allo stesso tempo, questa struttura topologica consente al sistema di controllare completamente lo scambio di potenza reattiva e attiva tra il lato CA e quello CC, con un'efficienza fino al 97% e significativi vantaggi economici. La perdita di calore è pari all'1% del consumo energetico in frenata e non inquina la rete elettrica. Il fattore di potenza è pari a circa 1, il che è ecologico. Pertanto, la frenatura a retroazione può essere ampiamente utilizzata per il funzionamento a risparmio energetico in scenari di frenatura a retroazione energetica della trasmissione CA PWM, soprattutto in situazioni in cui sono richieste frenate frequenti. Anche la potenza del motore elettrico è elevata e l'effetto di risparmio energetico è significativo. A seconda delle condizioni operative, l'effetto medio di risparmio energetico è di circa il 20%. L'unico inconveniente dell'implementazione del controllo a retroazione è la complessa struttura del sistema di controllo.
In sintesi, si può osservare che il sistema di feedback energetico presenta vantaggi di gran lunga superiori rispetto alla frenatura a consumo energetico e alla frenatura a corrente continua. Utilizzando la frenatura a feedback per immettere in rete l'elettricità rigenerata, si può ottenere l'effetto di ridurre il consumo energetico e risparmiare sui costi dell'elettricità. Pertanto, nell'attuale situazione di carenza di energia elettrica causata dal rapido sviluppo economico in varie parti della Cina, la promozione e l'applicazione di freni a feedback assumono un'importante importanza in termini di risparmio energetico.