Leveranciers van energiefeedbackunits wijzen u erop dat frequentieomvormers vaak te maken krijgen met diverse problemen tijdens het debuggen en gebruik, waarvan overspanning de meest voorkomende is. Om schade aan het interne circuit te voorkomen, wordt na het optreden van overspanning de overspanningsbeveiliging van de frequentieomvormer geactiveerd. Hierdoor stopt de frequentieomvormer met werken en functioneert de apparatuur niet meer naar behoren.
Daarom moeten maatregelen worden genomen om overspanning te elimineren en storingen te voorkomen. Vanwege de verschillende toepassingsscenario's van frequentieregelaars en motoren zijn de oorzaken van overspanning ook verschillend, dus moeten passende maatregelen worden genomen op basis van de specifieke situatie.
Opwekking van overspanning in frequentieomvormer en regeneratief remmen
Onder overspanning van een frequentieomvormer wordt verstaan de situatie waarbij de spanning van de frequentieomvormer de nominale spanning overschrijdt om verschillende redenen. Dit uit zich voornamelijk in de DC-spanning van de DC-bus van de frequentieomvormer.
Tijdens normaal bedrijf is de DC-spanning van de frequentieomvormer de gemiddelde waarde na driefasige gelijkrichting. Berekend op basis van een netspanning van 380 V, is de gemiddelde DC-spanning Ud = 1,35 U = 513 V.
Bij overspanning wordt de energieopslagcondensator op de DC-bus opgeladen. Wanneer de spanning stijgt tot ongeveer 700 V (afhankelijk van het model), wordt de overspanningsbeveiliging van de frequentieomvormer geactiveerd.
Er zijn twee hoofdoorzaken voor overspanning in frequentieregelaars: netspanning en regeneratieve overspanning.
Overspanning in het net verwijst naar de situatie waarbij de DC-busspanning de nominale waarde overschrijdt als gevolg van een te hoge voedingsspanning. Tegenwoordig kan de ingangsspanning van de meeste frequentieregelaars oplopen tot 460 V, waardoor overspanning veroorzaakt door de voeding uiterst zeldzaam is.
Het hoofdonderwerp dat in dit artikel besproken wordt, is de regeneratie van overspanning.
De belangrijkste redenen voor het genereren van regeneratieve overspanning zijn als volgt: wanneer de belasting van GD2 (vliegwielkoppel) vertraagt, is de door de frequentieomvormer ingestelde vertragingstijd te kort;
De motor wordt bij het neerlaten blootgesteld aan externe krachten (zoals ventilatoren en rekmachines) of potentiële belastingen (zoals liften en kranen). Hierdoor is de werkelijke snelheid van de motor hoger dan de door de frequentieomvormer ingestelde snelheid, wat betekent dat de rotorsnelheid van de motor de synchrone snelheid overschrijdt. Op dit moment is de slipfactor van de motor negatief en is de richting van de rotorwikkeling die het roterende magnetische veld onderbreekt tegengesteld aan die van de motortoestand. Het elektromagnetische koppel dat hierdoor wordt gegenereerd, is het remkoppel dat de draairichting belemmert. De elektromotor bevindt zich dus feitelijk in een genererende toestand en de kinetische energie van de belasting wordt 'geregenereerd' tot elektrische energie.
De regeneratieve energie wordt via de vrijloopdiode van de omvormer naar de DC-energieopslagcondensator van de omvormer geladen, waardoor de DC-busspanning stijgt, wat regeneratieve overspanning wordt genoemd. Het koppel dat tijdens het regeneratieve overspanningsproces wordt gegenereerd, is tegengesteld aan het oorspronkelijke koppel, namelijk het remkoppel. Daarom is het proces van regeneratieve overspanning ook het proces van regeneratief remmen.
Met andere woorden, het elimineren van regeneratieve energie verhoogt het remkoppel. Als de regeneratieve energie niet groot is, hebben de omvormer en de motor zelf een regeneratief remvermogen van 20%, en dit deel van de elektrische energie wordt verbruikt door de omvormer en de motor. Als deze energie de verbruikscapaciteit van de frequentieomvormer en de motor overschrijdt, raakt de condensator van het DC-circuit overbelast en wordt de overspanningsbeveiliging van de frequentieomvormer geactiveerd, waardoor de werking stopt. Om deze situatie te voorkomen, is het noodzakelijk om deze energie tijdig af te voeren en tegelijkertijd het remkoppel te verhogen, wat het doel is van regeneratief remmen.
Maatregelen ter voorkoming van overspanning van frequentieomvormers
Vanwege de verschillende oorzaken van overspanning zijn ook de te nemen maatregelen verschillend. Voor het overspanningsverschijnsel dat tijdens het parkeren ontstaat, kan, indien er geen speciale eisen zijn aan de parkeertijd of -locatie, de vertragingstijd van de frequentieomvormer worden verlengd of kan vrij parkeren worden gebruikt. Vrij parkeren verwijst naar het feit dat de frequentieomvormer de hoofdschakelaar loskoppelt, waardoor de motor vrij kan bewegen en stoppen.
Indien er specifieke eisen zijn aan de parkeertijd of parkeerlocatie, kan de DC-remfunctie worden gebruikt.
De DC-remfunctie bestaat uit het vertragen van de motor tot een bepaalde frequentie en het vervolgens aanleggen van DC-stroom op de statorwikkeling van de motor om een statisch magnetisch veld te creëren.
De wikkeling van de motorrotor onderbreekt dit magnetische veld en genereert een remkoppel, dat de kinetische energie van de belasting omzet in elektrische energie en deze in de vorm van warmte verbruikt in het motorrotorcircuit. Daarom wordt dit type remmen ook wel energieverbruikend remmen genoemd. DC-remmen omvat in feite twee processen: regeneratief remmen en energieverbruikend remmen. Deze remmethode heeft een rendement van slechts 30-60% ten opzichte van regeneratief remmen en het remkoppel is relatief laag. Omdat het energieverbruik van de motor oververhitting kan veroorzaken, mag de remtijd niet te lang zijn.
Bovendien worden de startfrequentie, remtijd en remspanning van DC-remmen handmatig ingesteld en kunnen ze niet automatisch worden aangepast op basis van de regeneratieve spanning. DC-remmen kan daarom niet worden gebruikt voor overspanning die tijdens normaal gebruik ontstaat en kan alleen worden gebruikt voor remmen tijdens het parkeren.
Voor de overspanning die wordt veroorzaakt door de overmatige GD2 (vliegwielkoppel) van de belasting tijdens het vertragen (van hoge snelheid naar lage snelheid zonder te stoppen), kan de methode van het op passende wijze verlengen van de vertragingstijd worden toegepast. Deze methode maakt in feite ook gebruik van het principe van regeneratief remmen. Het verlengen van de vertragingstijd regelt alleen de laadsnelheid van de omvormer via de regeneratieve spanning van de belasting, om zo het regeneratieve remvermogen van de omvormer zelf redelijk te benutten. Wat betreft de belastingen die ervoor zorgen dat de motor in een regeneratieve toestand verkeert als gevolg van externe krachten (inclusief het vrijkomen van potentiële energie), omdat ze normaal gesproken in een remtoestand werken, is de regeneratieve energie te hoog om door de frequentieomvormer zelf te worden verbruikt. Daarom is het onmogelijk om DC-remmen te gebruiken of de vertragingstijd te verlengen.
Vergeleken met DC-remmen heeft regeneratief remmen een hoger remkoppel. De grootte van het remkoppel kan bovendien automatisch worden geregeld door de remeenheid van de frequentieomvormer, afhankelijk van het benodigde remkoppel van de belasting (d.w.z. het niveau van de regeneratieve energie). Daarom is regeneratief remmen het meest geschikt om remkoppel aan de belasting te leveren tijdens normaal bedrijf.
Methode voor frequentieomzetting regeneratief remmen:
1. Energieverbruikend type:
Deze methode omvat het parallel schakelen van een remweerstand in het DC-circuit van een frequentieomvormer en het regelen van de aan-/uitschakeling van een vermogenstransistor door de DC-busspanning te detecteren. Wanneer de DC-busspanning stijgt tot ongeveer 700 V, gaat de vermogenstransistor geleiden, waardoor de geregenereerde energie naar de weerstand wordt geleid en in de vorm van thermische energie wordt verbruikt, waardoor een stijging van de DC-spanning wordt voorkomen. Omdat geregenereerde energie niet kan worden gebruikt, behoort dit tot het energieverbruikende type. Als energieverbruikend type onderscheidt het zich van DC-remmen door het verbruik van energie aan de remweerstand buiten de motor, waardoor de motor niet oververhit raakt en vaker kan werken.
2. Parallelle DC-bus absorptietype:
Geschikt voor aandrijfsystemen met meerdere motoren (zoals rekmachines), waarbij elke motor een frequentieomvormer nodig heeft. Meerdere frequentieomvormers delen een netomvormer en alle omvormers zijn parallel aangesloten op een gemeenschappelijke DC-bus. In dit systeem werken vaak één of meerdere motoren normaal in de remstand. De motor in de remstand wordt door andere motoren aangetrokken om regeneratieve energie op te wekken. Deze energie wordt vervolgens door de motor in de elektrische stand opgenomen via een parallelle DC-bus. Als de energie niet volledig kan worden opgenomen, wordt deze verbruikt via een gedeelde remweerstand. De geregenereerde energie wordt hier gedeeltelijk opgenomen en gebruikt, maar niet teruggevoerd naar het elektriciteitsnet.
3. Type energiefeedback:
De netzijdige inverter met energiefeedback is omkeerbaar. Wanneer er regeneratieve energie wordt opgewekt, levert de omkeerbare inverter de regeneratieve energie terug aan het net, waardoor de regeneratieve energie volledig kan worden benut. Deze methode vereist echter een hoge stabiliteit van de stroomvoorziening en bij een plotselinge stroomuitval zullen er omkeringen en omvallen optreden.