I fornitori di apparecchiature di supporto per convertitori di frequenza ricordano che nei sistemi di controllo della frequenza tradizionali composti da convertitori di frequenza generici, motori asincroni e carichi meccanici, quando il carico potenziale trasmesso dal motore diminuisce, il motore potrebbe trovarsi in uno stato di frenata rigenerativa; oppure, quando il motore decelera da alta a bassa velocità (inclusa la fase di parcheggio), la frequenza potrebbe diminuire improvvisamente, ma a causa dell'inerzia meccanica del motore, potrebbe trovarsi in uno stato di generazione di energia rigenerativa. L'energia meccanica immagazzinata nel sistema di trasmissione viene convertita in energia elettrica dal motore e inviata al circuito CC dell'inverter attraverso i sei diodi di ricircolo dell'inverter. In questo momento, l'inverter si trova in uno stato di raddrizzamento. A questo punto, se non vengono prese misure per consumare energia nel convertitore di frequenza, questa energia causerà un aumento della tensione del condensatore di accumulo di energia nel circuito intermedio. Se la frenata è troppo rapida o il carico meccanico è un paranco, questa parte di energia potrebbe danneggiare il convertitore di frequenza, quindi è opportuno tenerla in considerazione.
Nei convertitori di frequenza generali, i metodi più comunemente utilizzati per elaborare l'energia rigenerata sono due:
(1) La dissipazione nel "resistore di frenatura" artificialmente impostato in parallelo con il condensatore nel circuito CC è chiamata stato di frenatura dinamica;
(2) Se viene reimmesso nella rete elettrica, si parla di stato di frenata a retroazione (noto anche come stato di frenata rigenerativa). Esiste un altro metodo di frenata, ovvero la frenata in corrente continua, che può essere utilizzato in situazioni in cui è richiesto un parcheggio preciso o quando il motore del freno ruota in modo irregolare a causa di fattori esterni prima dell'avviamento.
Molti esperti hanno discusso la progettazione e l'applicazione della frenatura con azionamento a frequenza variabile in libri e pubblicazioni, soprattutto negli ultimi tempi, con numerosi articoli sulla "frenatura a retroazione energetica". Oggi, l'autore presenta un nuovo tipo di metodo di frenatura, che presenta i vantaggi del funzionamento a quattro quadranti con "frenatura a retroazione" e un'elevata efficienza operativa, nonché i benefici della "frenatura a consumo energetico" per una rete elettrica priva di inquinamento e un'elevata affidabilità.
Consumo energetico in frenata
Il metodo di utilizzo della resistenza di frenatura inserita nel circuito CC per assorbire l'energia elettrica rigenerativa del motore è denominato frenatura a consumo di energia.
Il suo vantaggio è la semplicità costruttiva; nessun inquinamento della rete elettrica (rispetto al controllo a feedback), basso costo; lo svantaggio è la bassa efficienza operativa, soprattutto in caso di frenate frequenti, che consumano una grande quantità di energia e aumentano la capacità della resistenza di frenata.
Generalmente, nei convertitori di frequenza generici, i convertitori di frequenza a bassa potenza (inferiori a 22 kW) sono dotati di un'unità di frenatura integrata, che richiede solo una resistenza di frenatura esterna. I convertitori di frequenza ad alta potenza (superiori a 22 kW) richiedono unità di frenatura e resistenze di frenatura esterne.
Frenata a feedback
Per ottenere la frenata con feedback energetico, sono necessarie condizioni quali il controllo della tensione alla stessa frequenza e fase, il controllo della corrente di feedback, ecc. Adotta la tecnologia inverter attiva per invertire l'energia elettrica rigenerata in corrente alternata alla stessa frequenza e fase della rete elettrica e restituirla alla rete, ottenendo così la frenata.
Il vantaggio della frenata a retroazione è che può operare in quattro quadranti e il feedback dell'energia elettrica migliora l'efficienza del sistema. I suoi svantaggi sono:
(1) Questo metodo di frenatura a retroazione può essere utilizzato solo con una tensione di rete stabile e non soggetta a guasti (con fluttuazioni della tensione di rete non superiori al 10%). Poiché durante il funzionamento della frenatura della generazione di energia, se il tempo di guasto della tensione di rete è superiore a 2 ms, potrebbe verificarsi un guasto di commutazione e i componenti potrebbero danneggiarsi.
(2) Durante il feedback, si verifica un inquinamento armonico nella rete elettrica.
(3) Il controllo è complesso e il costo è elevato.
Nuovo metodo di frenata (frenata con feedback del condensatore)
Principio del circuito principale
La parte di rettifica utilizza un comune ponte raddrizzatore non controllabile per la rettifica, il circuito di filtraggio utilizza un condensatore elettrolitico universale e il circuito di ritardo utilizza un contattore o un tiristore. Il circuito di carica e retroazione è costituito da un modulo di potenza IGBT, un reattore di carica e retroazione L e un grande condensatore elettrolitico C (con una capacità di circa pochi decimi di metro, che può essere determinata in base al sistema operativo del convertitore di frequenza). La parte inverter è composta da un modulo di potenza IGBT. Il circuito di protezione è composto da IGBT e resistenza di potenza.
1) Stato di funzionamento della generazione di energia del motore elettrico
La CPU monitora la tensione CA in ingresso e la tensione del circuito CC (μ d) in tempo reale e determina se inviare un segnale di carica a VT1. Quando μ d è superiore al valore di tensione CC corrispondente (ad esempio 380 V CA - 530 V CC) della tensione CA in ingresso, la CPU spegne VT3 e carica il condensatore elettrolitico C tramite conduzione a impulsi di VT1. A questo punto, il reattore L e il condensatore elettrolitico C vengono separati per garantire che il condensatore elettrolitico C operi entro un intervallo di sicurezza. Quando la tensione sul condensatore elettrolitico C si avvicina a un valore pericoloso (ad esempio 370 V) mentre il sistema è ancora in stato di generazione di energia e l'energia elettrica viene continuamente inviata al circuito CC tramite l'inverter, il circuito di sicurezza interviene nel realizzare la frenatura del consumo di energia (frenatura a resistenza), controllando lo spegnimento e l'accensione di VT3 e quindi realizzando il consumo di energia in eccesso da parte del resistore R. Generalmente, questa situazione non si verifica.
(2) Stato di funzionamento del motore elettrico
Quando la CPU rileva che il sistema non è più in carica, conduce impulsi a VT3, creando una tensione positiva sinistra e negativa destra sul reattore L. In combinazione con la tensione sul condensatore elettrolitico C, è possibile ottenere il processo di feedback energetico dal condensatore al circuito CC. La CPU controlla la frequenza di commutazione e il duty cycle di VT3 rilevando la tensione sul condensatore elettrolitico C e la tensione nel circuito CC, controllando così la corrente di feedback e assicurando che la tensione del circuito CC ν d non diventi troppo elevata.
Difficoltà del sistema
(1) Selezione dei reattori
(a) Consideriamo la particolarità delle condizioni operative e ipotizziamo che si verifichi un certo guasto nel sistema, che causa un'accelerazione libera e una diminuzione del carico di energia potenziale trasportato dal motore. In questo momento, il motore si trova in uno stato operativo di generazione di energia.
L'energia rigenerata viene reimmessa nel circuito CC attraverso sei diodi di ricircolo, causando un aumento di ∆ d e mettendo rapidamente l'inverter in stato di carica. In questo momento, la corrente sarà molto elevata. Pertanto, il diametro del filo del reattore selezionato dovrebbe essere sufficientemente grande da consentire il passaggio della corrente in questo momento.
(b) Nel ciclo di retroazione, per rilasciare quanta più energia elettrica possibile prima della carica successiva del condensatore elettrolitico, la scelta di un nucleo di ferro standard (lamiera di acciaio al silicio) non può raggiungere l'obiettivo. È meglio scegliere un nucleo di ferro in ferrite. Osservando il valore di corrente considerato sopra, si può vedere quanto sia grande questo nucleo di ferro. Non è noto se esista sul mercato un nucleo di ferro in ferrite così grande. Anche se ne esistesse uno, il suo prezzo non sarebbe sicuramente molto basso.
Pertanto l'autore suggerisce di utilizzare un reattore per ogni circuito di carica e di feedback.
(2) Difficoltà nel controllo
(a) Nel circuito CC del convertitore di frequenza, la tensione ν d è generalmente superiore a 500 V CC, mentre la tensione di tenuta del condensatore elettrolitico C è di soli 400 V CC, il che indica che il controllo di questo processo di carica non è simile al metodo di controllo della frenatura energetica (frenatura a resistenza). La caduta di tensione istantanea generata sul reattore è ν c = ν d - ν L e la tensione di carica istantanea del condensatore elettrolitico C è ν c = ν d - ν L. Per garantire che il condensatore elettrolitico funzioni entro un intervallo di sicurezza (≤ 400 V), è necessario controllare efficacemente la caduta di tensione ν L sul reattore, che a sua volta dipende dalla velocità di variazione istantanea di induttanza e corrente.
(b) Durante il processo di feedback, è anche necessario impedire che la scarica di energia elettrica dal condensatore elettrolitico C provochi una tensione eccessiva del circuito CC attraverso il reattore, con conseguente protezione da sovratensione nel sistema.
Principali scenari applicativi
È proprio grazie alla superiorità di questo nuovo metodo di frenatura (frenatura con feedback di condensatore) dei convertitori di frequenza che molti utenti hanno recentemente proposto di equipaggiare questo sistema in base alle caratteristiche delle loro apparecchiature. Con l'espansione del campo di applicazione dei convertitori di frequenza, questa tecnologia applicativa avrà grandi prospettive di sviluppo. Nello specifico, viene utilizzata principalmente in settori come i montacarichi da miniera (per il trasporto di persone o il carico di materiali), i carri da miniera inclinati (a tubo singolo o doppio) e i macchinari di sollevamento. In ogni caso, i dispositivi con feedback di energia possono essere utilizzati nelle situazioni che lo richiedono.