Os fornecedores de dispositivos de realimentação de energia para conversores de frequência lembram que, atualmente, a frenagem por consumo de energia simples é amplamente utilizada em sistemas de controle de velocidade com conversores de frequência CA, apresentando desvantagens como desperdício de energia elétrica, aquecimento excessivo da resistência e desempenho insatisfatório em frenagens rápidas. Quando motores assíncronos são submetidos a frenagens frequentes, o uso da frenagem por realimentação é um método muito eficaz para economizar energia e evitar danos ao meio ambiente e aos equipamentos durante a frenagem. Resultados satisfatórios já foram alcançados em setores como o de locomotivas elétricas e extração de petróleo. Com o surgimento contínuo de novos dispositivos eletrônicos de potência, o aumento da relação custo-benefício e a crescente conscientização sobre a conservação e redução do consumo de energia, há um amplo leque de possibilidades de aplicação.
O dispositivo de frenagem com realimentação de energia é particularmente adequado para situações em que a potência do motor é elevada, como 100 kW ou superior, o momento de inércia do equipamento (gd²) é grande e se trata de um sistema de trabalho contínuo de curta duração e repetitivo. Nesses casos, a redução da desaceleração de alta para baixa velocidade é significativa, o tempo de frenagem é curto e é necessária uma frenagem potente. Para melhorar a eficiência energética e reduzir as perdas de energia durante a frenagem, é necessário recuperar a energia de desaceleração e devolvê-la à rede elétrica.
Princípio de frenagem com feedback
Em um sistema de regulação de velocidade por frequência variável, a desaceleração e a parada do motor são alcançadas pela redução gradual da frequência. No momento em que a frequência diminui, a velocidade síncrona do motor diminui correspondentemente. No entanto, devido à inércia mecânica, a velocidade do rotor do motor permanece inalterada, e sua variação de velocidade apresenta um certo atraso. Nesse momento, a velocidade real será maior que a velocidade desejada, resultando em uma situação em que a força contraeletromotriz (e) do motor é maior que a tensão CC (u) do conversor de frequência, ou seja, e > u. Nesse ponto, o motor elétrico se torna um gerador, que não só não necessita de alimentação da rede elétrica, como também pode enviar energia para a rede. Isso não só proporciona um bom efeito de frenagem, como também converte energia cinética em energia elétrica, que pode ser enviada para a rede para recuperação de energia, matando dois coelhos com uma cajadada só. Naturalmente, para que isso aconteça, é necessário um dispositivo de realimentação de energia para controle automático. Além disso, o circuito de realimentação de energia também deve incluir reatores CA e CC, absorvedores capacitivos resistivos, chaves eletrônicas, etc.
Como é sabido, o circuito retificador em ponte dos conversores de frequência convencionais é trifásico e incontrolável, o que impossibilita a transferência bidirecional de energia entre o circuito CC e a fonte de alimentação. A solução eficaz para esse problema reside na utilização da tecnologia de inversores ativos, nos quais a parte retificadora adota um retificador reversível, também conhecido como conversor do lado da rede. Controlando o inversor do lado da rede, a energia elétrica regenerada é convertida em energia CA com a mesma frequência, fase e tempo da rede, sendo então injetada na rede para realizar a frenagem. Anteriormente, as unidades de inversores ativos utilizavam principalmente circuitos de tiristores, que só podiam operar com segurança sob tensão de rede estável e sem falhas (flutuações de tensão da rede não superiores a 10%). Isso porque, durante a operação de frenagem da geração de energia, se o tempo de frenagem da tensão da rede for superior a 2 ms, pode ocorrer falha de comutação e danos aos componentes. Além disso, durante o controle profundo, esse método apresenta baixo fator de potência, alto conteúdo harmônico e comutação sobreposta, o que causa distorção na forma de onda da tensão da rede elétrica. Simultaneamente, o controle é complexo e o custo elevado. Com a aplicação prática de dispositivos totalmente controlados, foram desenvolvidos conversores reversíveis controlados por chopper utilizando controle PWM. Dessa forma, a estrutura do inversor do lado da rede é completamente idêntica à do inversor convencional, ambos utilizando controle PWM.
A partir da análise acima, pode-se observar que, para alcançar de fato a frenagem por realimentação de energia do inversor, a chave é controlar o inversor do lado da rede. O texto a seguir se concentra no algoritmo de controle do inversor do lado da rede utilizando dispositivos totalmente controlados e o método de controle PWM.
algoritmo de controle
O algoritmo de controle para inversores do lado da rede geralmente adota o algoritmo de controle vetorial, onde vdc, v*dc e Δvdc representam, respectivamente, o valor medido, o valor dado e o erro de controle da tensão do barramento CC; id, i*d e Δid representam, respectivamente, o valor medido, o valor dado e o erro de controle do eixo d do inversor do lado da rede; iq, i*q e Δiq representam, respectivamente, o valor medido, o valor dado e o erro de controle da corrente do eixo q do conversor do lado da rede; Δv*d, v*d e v*q representam, respectivamente, o ponto de ajuste do desvio da tensão de saída do eixo d, o ponto de ajuste da tensão de saída do eixo d e o ponto de ajuste da tensão de saída do eixo q do inversor do lado da rede; EABC, V*ABC e IABC representam, respectivamente, os valores instantâneos dados do potencial da rede, da tensão de saída do conversor do lado da rede e os valores instantâneos trifásicos da corrente de saída; e φ representa, respectivamente, a amplitude e a fase do potencial da rede.
O algoritmo de controle vetorial calcula a diferença entre a tensão medida no barramento CC e o valor desejado, obtendo o valor desejado da corrente no eixo d por meio de um regulador PI. Em seguida, com base na fase medida da tensão da rede, a corrente de saída medida do inversor do lado da rede é transformada em coordenadas síncronas para obter os valores medidos das correntes nos eixos d e q. Após o ajuste por PI, o valor do eixo d é somado à amplitude da tensão da rede para obter os valores desejados das tensões nos eixos d e q. Após a transformação inversa de coordenadas síncronas, obtém-se a saída.
A vantagem desse algoritmo é a alta precisão de controle e a boa resposta dinâmica; a desvantagem é que existem muitas transformações de coordenadas no algoritmo de controle, e o algoritmo é complexo, exigindo alta capacidade computacional do processador de controle.
Adota-se uma composição de retificador PWM com rastreamento de corrente. Este algoritmo simplificado multiplica diretamente o valor de referência da corrente no eixo d pelo valor de referência senoidal trifásico obtido da tabela de consulta de fase da tensão da rede medida, para obter o valor de referência da corrente de saída trifásica. Em seguida, realiza-se um ajuste simples de pi para obter o valor de referência da tensão de saída trifásica e, então, emite-se o valor. Devido à omissão dos cálculos de transformação de coordenadas neste algoritmo, os requisitos de poder computacional para o processador de controle são relativamente baixos. Por outro lado, devido às características do próprio regulador PI, existe um certo erro em regime permanente no seu controle do fluxo CA, de modo que o fator de potência deste algoritmo é inferior ao do algoritmo de controle vetorial padrão. Durante processos dinâmicos, a flutuação da tensão do barramento CC é relativamente grande e a probabilidade de ocorrência de falhas na tensão do barramento CC e em outros sistemas durante processos dinâmicos rápidos é relativamente alta.
Características de frenagem com feedback
Tecnicamente, o inversor do lado da rede não pode ser simplesmente chamado de "retificador", pois pode funcionar tanto como retificador quanto como inversor. Graças ao uso de dispositivos de desligamento automático, a magnitude e a fase da corrente CA podem ser controladas por meio de um modo PWM apropriado, fazendo com que a corrente de entrada se aproxime de uma onda senoidal e garantindo que o fator de potência do sistema esteja sempre próximo de 1. Quando a energia regenerativa devolvida pelo inversor, proveniente da frenagem do motor, aumenta a tensão CC, a fase da corrente CA de entrada pode ser invertida em relação à fase da tensão de alimentação para realizar a operação regenerativa. Essa energia regenerativa pode então ser injetada de volta na rede elétrica CA, enquanto o sistema mantém a tensão CC no valor desejado. Nesse caso, o inversor do lado da rede opera em estado de inversor ativo. Isso facilita o fluxo de energia bidirecional e proporciona uma resposta dinâmica rápida. Ao mesmo tempo, essa estrutura topológica permite que o sistema controle totalmente a troca de potência reativa e ativa entre os lados CA e CC, com uma eficiência de até 97% e benefícios econômicos significativos. A perda de calor representa 1% do consumo de energia durante a frenagem e não polui a rede elétrica. O fator de potência é próximo de 1, o que é ecologicamente correto. Portanto, a frenagem por realimentação pode ser amplamente utilizada para operação com economia de energia em cenários de frenagem por realimentação de energia em transmissões CA PWM, especialmente em situações que exigem frenagem frequente. A potência do motor elétrico também é alta, e o efeito de economia de energia é significativo. Dependendo das condições de operação, a economia média de energia é de cerca de 20%. A única desvantagem da implementação do controle por realimentação é a complexidade da estrutura do sistema de controle.
Em resumo, observa-se que o dispositivo de sistema de realimentação de energia apresenta vantagens muito superiores em relação à frenagem por consumo de energia e à frenagem CC. Ao utilizar a frenagem por realimentação para devolver a eletricidade regenerada à rede, é possível alcançar o efeito de redução do consumo de energia e economia nos custos de eletricidade. Portanto, no atual cenário de escassez de energia causada pelo rápido desenvolvimento econômico em diversas partes da China, a promoção e a aplicação de freios por realimentação têm grande importância para a economia de energia.