در صنعت برق و الکترونیک، مبدلهای فرکانس عمدتاً برای صرفهجویی در مصرف انرژی و بهبود فرآیندهای تولید استفاده میشوند. به عنوان دستگاههای صرفهجویی در مصرف انرژی و تنظیم سرعت موتورها، آنها به طور گسترده در متالورژی، برق، تأمین آب، نفت، مواد شیمیایی، زغال سنگ و سایر زمینهها مورد استفاده قرار میگیرند. اساس واحد بازخورد انرژی مبدل فرکانس، وارونگی فعال است. روش پیادهسازی واحد بازخورد انرژی مبدل فرکانس عمومی، تزریق انرژی احیا شده به شبکه توسط اینورترهای سه فاز موازی در یکسوساز کنترل نشده مرحله جلوی مبدل فرکانس عمومی است. مدار اصلی واحد بازخورد انرژی عمدتاً از یک پل اینورتر متشکل از تریستورها، IGBTها، ماژولهای IPM و برخی مدارهای جانبی تشکیل شده است.
انتهای خروجی پل اینورتر از طریق سه راکتور چوک به ترمینالهای ورودی R، S و T مبدل فرکانس متصل شده است و انتهای ورودی از طریق یک دیود ایزولاسیون به ترمینال مثبت سمت DC مبدل فرکانس جهانی متصل شده است تا جریان یک طرفه انرژی در جهت "شبکه پل اینورتر فعال مبدل فرکانس" تضمین شود. عملکرد یک راکتور چوک متعادل کردن اختلاف ولتاژ، محدود کردن جریان و فیلتر کردن است که نقش کلیدی در بازخورد انرژی احیا کننده به شبکه برق ایفا میکند.
روند کار سیستم به این صورت است: وقتی موتور در حال کار است، دستگاه اینورتر فعال کار نمیکند و لولههای سوئیچ اینورتر همگی مسدود شده و در حالت خاموش هستند؛ وقتی موتور در حالت تولید برق احیاکننده است، انرژی توسط موتور به شبکه بازگردانده میشود و دستگاه اینورتر فعال باید برای کار کردن شروع به کار کند.
فعال شدن دستگاه اینورتر فعال در طول بازخورد انرژی توسط مقدار ولتاژ سمت DC مبدل فرکانس Ud کنترل میشود. اساس این است که وقتی موتور در حالت الکتریکی است، ولتاژ سمت DC مبدل فرکانس اساساً ثابت میماند. هنگامی که موتور در حالت ترمز مولد قرار دارد، انرژی احیاکننده موتور AC، خازن ذخیره انرژی در لینک DC میانی مبدل فرکانس را شارژ میکند و باعث افزایش ولتاژ باس DC میشود. تا زمانی که مقدار Ud تشخیص داده شود، میتوان وضعیت موتور را تعیین کرد و دستگاه اینورتر فعال را میتوان برای دستیابی به بازخورد انرژی کنترل کرد.
وقتی انرژی توسط موتور به سمت DC برگردانده میشود و باعث میشود ولتاژ باس DC از ولتاژ پیک خط شبکه برق بیشتر شود، پل یکسوساز مبدل فرکانس یونیورسال به دلیل ولتاژ معکوس خاموش میشود؛ وقتی ولتاژ باس DC همچنان افزایش مییابد و از ولتاژ کاری فعال اینورتر شروع به کار بیشتر میشود، اینورتر شروع به کار میکند و انرژی را از سمت DC به شبکه برمیگرداند؛ وقتی ولتاژ باس DC به ولتاژ کاری اینورتر کاهش مییابد، اینورتر فعال خاموش میشود.
با استفاده از یک اینورتر فعال برای بازخورد انرژی احیا کننده تولید شده در هنگام کاهش سرعت موتور و ترمز به شبکه برق، یک مبدل فرکانس جهانی میتواند بر راندمان پایین و دشواری در برآورده کردن الزامات ترمز سریع و چرخش مکرر رو به جلو/عقب ناشی از استفاده سنتی از مقاومتهای ترمز غلبه کند و به مبدل فرکانس جهانی اجازه دهد تا در چهار ربع کار کند.
۱) سیستم کنترل بازخورد انرژی
یک سیستم کنترل فیدبک انرژی کامل باید شرایط کنترل فاز، ولتاژ، جریان و غیره را برآورده کند، که مستلزم آن است که فرآیند فیدبک با فاز شبکه هماهنگ شود و دستگاه اینورتر فعال فقط زمانی شروع شود که ولتاژ باس DC از مقدار مشخصی فراتر رود. سیستم باید بتواند بزرگی جریان فیدبک را کنترل کند، در نتیجه گشتاور ترمز موتور را کنترل کرده و به ترمز دقیقی دست یابد.
۲) دو نوع واحد فیدبک انرژی مبدل فرکانس جهانی
پیش از این، مدار اصلی واحدهای فیدبک انرژی عمدتاً از تریستورها و IGBTها تشکیل شده بود. در سالهای اخیر، برخی از انواع جدید واحدهای فیدبک انرژی از ماژولهای هوشمندی مانند IPM نیز برای سادهسازی ساختار سیستم واحدهای فیدبک انرژی استفاده کردهاند.
(1) واحد بازخورد انرژی تریستور:
مدار اصلی فیدبک انرژی از قطعات تریستوری تشکیل شده است که یک واحد فیدبک انرژی اولیه نیز میباشد. این مدار نه تنها در مبدلهای فرکانس، بلکه در ترمز برخی از سیستمهای کنترل سرعت برگشتپذیر DC نیز استفاده میشود.
① حالت کار رو به جلو مبدل فرکانس جهانی: هنگامی که موتور در حالت الکتریکی است، یکسو کننده مبدل فرکانس کار میکند، در حالی که دستگاه تریستور در واحد بازخورد انرژی فعال نشده و در حالت قطع است و یکسو کننده در جهت رو به جلو کار میکند. بخش اینورتر قابل کنترل اینورتر برای کار فعال میشود، بخش یکسو کننده معکوس غیرقابل کنترل در حالت قطع است و اینورتر در حال کار رو به جلو است.
② حالت کار معکوس مبدل فرکانس جهانی: هنگامی که موتور در حالت تولید است، یکسوکننده مبدل فرکانس در حالت قطع قرار دارد و دستگاههای تریستور در واحد بازخورد انرژی برای کار فعال میشوند. بخش اینورتر قابل کنترل اینورتر هنوز برای کار فعال است، بخش یکسوسازی معکوس غیرقابل کنترل در حالت کار است و اینورتر در حالت معکوس کار میکند.
(2) واحد بازخورد انرژی IGBT:
مدار اصلی فیدبک انرژی از دستگاههای IGBT تشکیل شده است که بیشتر در مبدلهای فرکانس عمومی استفاده میشوند. دیود هرزگرد یکپارچه با دستگاههای IGBT به دلیل محدودیت دیود ایزولاسیون متصل به سمت DC، نمیتواند به عنوان یک دستگاه یکسوساز استفاده شود. هزینه آن باید بیشتر از واحد فیدبک انرژی تریستور باشد.
① حالت کار رو به جلو مبدل فرکانس جهانی: هنگامی که موتور در حالت الکتریکی است، یکسو کننده مبدل فرکانس کار میکند، در حالی که دستگاه IGBT در واحد بازخورد انرژی فعال نشده و در حالت قطع است و یکسو کننده در جهت رو به جلو کار میکند. دستگاههای IGBT در اینورتر فعال میشوند و بخش اصلاح معکوس کنترل نشده در حالت قطع است، در حالی که اینورتر در حالت رو به جلو کار میکند.
② حالت کار معکوس مبدل فرکانس جهانی: هنگامی که موتور در حالت تولید است، یکسوکننده مبدل فرکانس در حالت قطع قرار دارد و دستگاه IGBT در واحد بازخورد انرژی فعال میشود. دستگاههای IGBT در اینورتر هنوز فعال هستند و بخش اصلاح معکوس کنترل نشده در حال کار است و باعث میشود اینورتر در حالت معکوس کار کند.