周波数変換器用エネルギーフィードバック装置のサプライヤーは、現在、交流周波数変換速度制御システムでは単純なエネルギー消費ブレーキが広く使用されていることを指摘しています。このブレーキには、電気エネルギーの浪費、抵抗発熱の激しさ、急速ブレーキ性能の低さなどの欠点があります。非同期モータが頻繁にブレーキをかける場合、フィードバックブレーキの使用は非常に効果的な省エネ方法であり、ブレーキ時の環境や設備への損傷を回避できます。電気機関車や石油採掘などの業界では、既に満足のいく結果が得られています。新しいパワーエレクトロニクス装置の継続的な登場、コスト効率の向上、そして人々の省エネと消費削減に対する意識の高まりにより、その応用範囲は広がっています。
エネルギーフィードバックブレーキ装置は、モーター出力が大きく、例えば100kW以上、設備の慣性モーメントgd2が大きく、繰り返し短期連続運転システムに属する場合に特に適しています。高速から低速への減速量が大きく、制動時間が短く、強い制動が求められます。省エネ効果を高め、制動時のエネルギー損失を低減するためには、減速エネルギーを回収し、電力網にフィードバックして省エネ効果を得ることも必要です。
フィードバックブレーキの原理
可変周波数速度制御システムでは、モーターの減速・停止は周波数を徐々に低下させることで実現されます。周波数が低下すると、モーターの同期速度もそれに応じて低下します。しかし、機械慣性により、モーターの回転子速度は変化せず、速度変化には一定の時間差が生じます。このとき、実際の速度は設定速度よりも大きくなり、モーターの逆起電力eが周波数変換器の直流端子電圧uよりも高くなる、つまりe>uという状態になります。この時点で、電動モーターは発電機となり、系統からの電力供給を必要としないだけでなく、系統に電力を送ることもできます。これは優れた制動効果をもたらすだけでなく、運動エネルギーを電気エネルギーに変換し、系統に送電してエネルギーを回収できるため、一石二鳥です。もちろん、これを実現するには、自動制御用のエネルギーフィードバック装置が必要です。さらに、エネルギーフィードバック回路には、交流リアクトル、直流リアクトル、抵抗・容量吸収装置、電子スイッチなどを含める必要があります。
周知のように、一般的な周波数変換器のブリッジ整流回路は三相制御が不可能であるため、直流回路と電源間の双方向エネルギー伝送を実現できません。この問題に対する効果的な解決策は、アクティブインバータ技術を使用することです。整流器部分には可逆整流器（グリッド側コンバータとも呼ばれます）を採用しています。グリッド側インバータを制御することで、回生された電気エネルギーを系統と同じ周波数、位相、周波数の交流電力に変換し、系統にフィードバックしてブレーキをかけます。従来のアクティブインバータユニットは主にサイリスタ回路を使用しており、系統電圧が安定し、故障が発生しにくい（系統電圧変動が10%を超えない）場合にのみ、安全にフィードバック動作を行うことができます。このタイプの回路は、系統電圧が安定し、故障が発生しにくい（系統電圧変動が10%を超えない）場合にのみ、インバータのフィードバック動作を安全に行うことができます。発電ブレーキ動作中に系統電圧ブレーキ時間が2msを超えると、整流失敗が発生し、部品が損傷する可能性があるためです。さらに、この方式は深制御時に力率の低下、高調波含有率の増加、重畳整流などの問題を抱え、電力網電圧波形の歪みを引き起こします。同時に制御の複雑さとコストも増大します。完全制御機器の実用化に伴い、PWM制御を用いたチョッパ制御可逆コンバータが開発されました。これにより、電力網側インバータの構造はインバータ本体と完全に同一となり、どちらもPWM制御を採用しています。
上記の分析から、インバータのエネルギーフィードバックブレーキを真に実現するには、系統側インバータの制御が鍵となることがわかります。以下では、完全制御デバイスとPWM制御方式を用いた系統側インバータの制御アルゴリズムに焦点を当てます。
制御アルゴリズム
系統側インバータの制御アルゴリズムは、通常、ベクトル制御アルゴリズムを採用しており、vdc、v * dc、△vdc はそれぞれ DC バス電圧の測定値、指定値、制御誤差を表します。id、i*d、Δ id は系統側インバータの d 軸の測定値、指定値、制御誤差を表します。iq、i*q、Δ iq は系統側コンバータの q 軸電流の測定値、指定値、制御誤差を表します。Δ v * d、v * d、v * q はそれぞれ系統側インバータの d 軸出力電圧偏差設定値、d 軸出力電圧設定値、q 軸出力電圧設定値を表します。EABC、V * ABC、IABC はそれぞれ系統電位の瞬時指定値、系統側コンバータ出力電圧、出力電流の 3 相瞬時値を表します。e. φ はそれぞれ系統電位の振幅と位相を表します。
ベクトル制御アルゴリズムは、測定されたDCバス電圧と所定の値との差を計算し、PIレギュレータを介してd軸電流の所定の値を取得します。次に、測定されたグリッド電圧の位相に基づいて、グリッド側インバータの測定出力電流を同期座標変換し、d軸電流とq軸電流の測定値を取得します。π調整後、d軸値をグリッド電圧の振幅に加算し、d軸電圧とq軸電圧の所定の値を取得します。同期座標逆変換後、出力が得られます。
このアルゴリズムの利点は、制御精度が高く、動的応答が優れていることです。欠点は、制御アルゴリズムに多くの座標変換があり、アルゴリズムが複雑であるため、制御プロセッサに高い計算能力が必要になることです。
電流追従型PWM整流器構成を採用しています。この簡略化されたアルゴリズムは、d軸電流設定値と測定されたグリッド電圧位相ルックアップテーブルから得られた三相正弦波基準値を直接乗算して三相出力電流の設定値を取得し、その後、簡単なπ調整を行って三相出力電圧の設定値を取得して出力します。このアルゴリズムでは座標変換計算が省略されているため、制御プロセッサの計算能力要件は比較的低くなっています。一方、PIレギュレータ自体の特性上、交流フローの制御には一定の定常誤差があるため、このアルゴリズムの力率は標準のベクトル制御アルゴリズムよりも低くなります。動的プロセス中、DCバス電圧の変動は比較的大きく、急速な動的プロセス中にDCバス電圧などの障害が発生する確率は比較的高くなります。
フィードバックブレーキ特性
厳密に言えば、系統側インバータは整流器とインバータの両方の機能を持つため、単に「整流器」と呼ぶことはできません。自己消弧素子を用いることで、適切なPWMモードを通して交流電流の大きさと位相を制御することができ、入力電流を正弦波に近づけ、システムの力率を常に1に近づけることができます。モータ減速ブレーキによってインバータから戻ってきた回生電力によって直流電圧が上昇すると、交流入力電流の位相を電源電圧の位相と反転させることで回生運転を実現し、回生電力を交流電力系統に帰還させることができます。同時に、システムは直流電圧を所定の値に維持することができます。この場合、系統側インバータはアクティブインバータ状態で動作します。これにより、双方向の電力潮流を容易に実現でき、動的応答速度も高速です。同時に、このトポロジ構造により、システムはAC側とDC側の間の無効電力と有効電力のやり取りを完全に制御でき、最大97％の効率と大きな経済的メリットが得られます。熱損失はブレーキ消費エネルギーの1％であり、電力網を汚染しません。力率は約1で、環境に優しいです。したがって、フィードバックブレーキは、PWM AC伝送のエネルギーフィードバックブレーキシナリオ、特に頻繁なブレーキが必要な状況での省エネ操作に広く使用できます。電動機の出力も高く、省エネ効果は大きく、動作条件によって異なりますが、平均省エネ効果は約20％です。フィードバック制御を実装する唯一の欠点は、制御システムの構造が複雑なことです。
まとめると、エネルギーフィードバックシステム装置は、エネルギー消費ブレーキや直流ブレーキよりもはるかに優れた利点を持っていることがわかります。フィードバックブレーキを用いて回生電力を系統にフィードバックすることで、エネルギー消費を削減し、電気代を節約する効果が得られます。したがって、急速な経済発展によって中国各地で電力不足が生じている現状において、フィードバックブレーキの推進と適用は重要な省エネ意義を有しています。