Na indústria de energia elétrica, os conversores de frequência são utilizados principalmente para a conservação de energia e a melhoria dos processos de produção. Como dispositivos de economia de energia e regulação de velocidade para motores, são amplamente utilizados em metalurgia, geração de energia, abastecimento de água, petróleo, química, mineração de carvão e outros setores. A essência da unidade de realimentação de energia do conversor de frequência é a inversão ativa. O método de implementação da unidade de realimentação de energia do conversor de frequência convencional consiste em injetar a energia regenerada na rede elétrica por meio de inversores trifásicos antiparalelos no retificador não controlado do estágio de entrada do conversor de frequência. O circuito principal da unidade de realimentação de energia é composto principalmente por uma ponte inversora formada por tiristores, IGBTs, módulos IPM e alguns circuitos periféricos.
A extremidade de saída da ponte inversora é conectada aos terminais de entrada R, S e T do conversor de frequência através de três reatores de choque, e a extremidade de entrada é conectada ao terminal positivo do lado CC do conversor de frequência universal através de um diodo de isolamento para garantir o fluxo unidirecional de energia na direção da "rede da ponte inversora ativa do conversor de frequência". A função de um reator de choque é equilibrar a diferença de tensão, limitar a corrente e filtrar, desempenhando um papel fundamental na realimentação da energia regenerativa para a rede elétrica.
O processo de funcionamento do sistema é o seguinte: quando o motor está funcionando, o inversor ativo não opera, e os transistores de comutação do inversor estão todos bloqueados e desligados; quando o motor está em estado de geração de energia regenerativa, a energia é injetada de volta na rede pelo motor, e o inversor ativo precisa ser acionado para operar.
A ativação do inversor ativo durante a realimentação de energia é controlada pela magnitude da tensão Ud no lado CC do conversor de frequência. O princípio é que, quando o motor está em funcionamento, a tensão no lado CC do conversor de frequência permanece praticamente constante. Quando o motor está em regime de frenagem com geração de energia, a energia regenerativa do motor CA carrega o capacitor de armazenamento de energia no barramento CC intermediário do conversor de frequência, causando um aumento na tensão do barramento CC. Assim que a magnitude de Ud for detectada, o estado do motor pode ser determinado e o inversor ativo pode ser controlado para realizar a realimentação de energia.
Quando a energia é injetada de volta no lado CC pelo motor, fazendo com que a tensão do barramento CC exceda a tensão de pico da rede elétrica, a ponte retificadora do conversor universal de frequência desliga devido à tensão reversa; Quando a tensão do barramento CC continua a subir e excede a tensão de operação ativa do inversor, o inversor começa a funcionar, injetando energia de volta na rede a partir do lado CC; Quando a tensão do barramento CC cai para a tensão de operação do inversor, o inversor ativo é desligado.
Ao utilizar um inversor ativo para realimentar a energia regenerativa gerada durante a desaceleração e frenagem do motor para a rede elétrica, um conversor de frequência universal pode superar a baixa eficiência e a dificuldade em atender aos requisitos de frenagem rápida e rotação frequente para frente/para trás causadas pelo uso tradicional de resistores de frenagem, permitindo que o conversor de frequência universal opere em quatro quadrantes.
1) Sistema de controle de feedback de energia
Um sistema completo de controle de realimentação de energia deve atender às condições de controle de fase, tensão, corrente, etc., o que exige que o processo de realimentação seja sincronizado com a fase da rede e que o inversor ativo seja acionado somente quando a tensão do barramento CC exceder um determinado valor; o sistema deve ser capaz de controlar a magnitude da corrente de realimentação, controlando assim o torque de frenagem do motor e obtendo uma frenagem precisa.
2) Dois tipos de unidades universais de realimentação de energia para conversores de frequência
Anteriormente, o circuito principal das unidades de realimentação de energia era composto principalmente por tiristores e IGBTs. Nos últimos anos, alguns novos tipos de unidades de realimentação de energia também passaram a utilizar módulos inteligentes, como IPM, para simplificar a estrutura do sistema.
(1) Unidade de realimentação de energia do tiristor:
O circuito principal de realimentação de energia é composto por dispositivos tiristores, que também são uma das primeiras unidades de realimentação de energia. Eles são usados não apenas em conversores de frequência, mas também na frenagem de alguns sistemas de controle de velocidade reversíveis em corrente contínua.
① Estado de operação direta do conversor de frequência universal: Quando o motor está em estado elétrico, o retificador do conversor de frequência está funcionando, enquanto o dispositivo tiristor na unidade de realimentação de energia não é acionado e está em estado de corte, e o retificador opera no sentido direto. A parte inversora controlável do inversor é acionada para funcionar, a parte retificadora reversa não controlável está em estado de corte e o inversor está operando no sentido direto.
② Estado de funcionamento reverso do conversor de frequência universal: Quando o motor está em estado de geração, o retificador do conversor de frequência está em estado de corte e os tiristores da unidade de realimentação de energia são acionados. A parte inversora controlável do inversor continua acionada, a parte de retificação reversa não controlável está em estado de funcionamento e o inversor opera em sentido inverso.
(2) Unidade de realimentação de energia IGBT:
O circuito principal de realimentação de energia é composto por dispositivos IGBT, que são comumente usados em conversores de frequência em geral. O diodo de roda livre integrado aos dispositivos IGBT não pode ser usado como um dispositivo retificador devido à limitação do diodo de isolamento conectado ao lado CC. Seu custo seria maior do que o da unidade de realimentação de energia com tiristores.
① Estado de funcionamento direto do conversor de frequência universal: Quando o motor está em funcionamento, o retificador do conversor de frequência está operando, enquanto o dispositivo IGBT na unidade de realimentação de energia não é acionado e está em corte, e o retificador opera no sentido direto. Os dispositivos IGBT no inversor são acionados para operar, e a parte de retificação reversa não controlada está em corte, enquanto o inversor opera no sentido direto.
② Estado de funcionamento inverso do conversor de frequência universal: Quando o motor está em estado de geração, o retificador do conversor de frequência está em corte e o dispositivo IGBT na unidade de realimentação de energia é acionado. Os dispositivos IGBT no inversor continuam acionados, e a parte de retificação reversa descontrolada entra em operação, fazendo com que o inversor funcione ao contrário.