O fornecedor da unidade de frenagem com conversor de frequência lembra que, na produção industrial, para melhorar a eficiência energética e reduzir as perdas durante a frenagem, é necessário recuperar a energia de desaceleração e devolvê-la à rede elétrica. Atualmente, com diversas regiões da China enfrentando escassez de energia devido ao rápido desenvolvimento econômico, a promoção e a aplicação de freios com realimentação têm grande importância para a economia de energia. Portanto, acelerar a pesquisa e a produção de produtos relacionados no mercado interno é de significativa relevância prática.
Atualmente, a frenagem por consumo de energia simples é amplamente utilizada em sistemas de controle de velocidade de frequência variável em corrente alternada, 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 surge como um método muito eficaz para economia de energia, evitando danos ao meio ambiente e aos equipamentos durante a frenagem. Resultados satisfatórios têm sido 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 instante, 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 injetar energia na 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 atingir esse objetivo, é necessário um dispositivo de realimentação de energia para controle automático, conforme ilustrado no diagrama esquemático da Figura 1. Além disso, o circuito de realimentação de energia deve incluir reatores CA e CC, absorvedores capacitivos resistivos, chaves eletrônicas, etc.
Princípio e características da frenagem por realimentação do conversor de frequência
Figura 1. Diagrama esquemático do circuito de frenagem por realimentação do conversor de frequência.
Como é sabido, o circuito retificador em ponte dos conversores de frequência convencionais é trifásico e incontrolável, o que impede a transferência bidirecional de energia entre o circuito CC e a fonte de alimentação. A solução mais eficaz para esse problema é a 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.
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 apenas 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 pode chegar a 20% ou mais.