Os fornecedores de equipamentos de suporte para conversores de frequência lembram que, no sistema de controle de frequência tradicional, composto por conversores de frequência universais, motores assíncronos e cargas mecânicas, quando a carga de energia acionada pelo motor é descarregada, o motor pode entrar em um estado de frenagem com geração de energia regenerativa; ou quando o motor desacelera de alta para baixa velocidade (incluindo a parada), a frequência pode cair, mas devido à inércia mecânica do motor, ele pode entrar em um estado de geração de energia regenerativa, e a energia mecânica armazenada no sistema de transmissão é convertida em eletricidade pelo motor elétrico, que é devolvida ao circuito CC do inversor através dos seis diodos de corrente contínua do inversor.
Em geral, os conversores de frequência utilizam dois métodos principais para processar energia renovável:
(1) “Resistência de frenagem” em paralelo com o capacitor artificialmente configurado no circuito CC, denominado estado de frenagem dinâmica;
(2), para retornar à rede, é chamado de estado de frenagem de feedback (também conhecido como estado de frenagem regenerativa). Existe também um método de frenagem, ou seja, a frenagem CC, que pode ser usado em situações que exigem estacionamento preciso ou rotação irregular do freio do motor antes da partida devido a fatores externos.
Em livros e publicações, muitos especialistas têm discutido o projeto e a aplicação da frenagem por inversor, especialmente nos últimos tempos, com diversos artigos sobre "frenagem por realimentação de energia". Hoje, o autor propõe um novo método de frenagem que combina as vantagens da operação em quatro quadrantes da "frenagem por realimentação", alta eficiência operacional, com as vantagens da "frenagem por consumo de energia", que não gera poluição para a rede e apresenta alta confiabilidade.
Freio de energia
Utilizar a resistência de frenagem definida no circuito CC para absorver a energia elétrica renovável do motor é chamado de frenagem por consumo de energia.
Suas vantagens são a construção simples; ausência de poluição na rede elétrica (em comparação com a realimentação), e baixo custo; a desvantagem é a baixa eficiência operacional, especialmente quando frenagens frequentes consomem muita energia e a capacidade de resistência à frenagem aumenta.
Em geral, nos conversores de frequência de uso geral, os conversores de baixa potência (abaixo de 22 kW) possuem uma unidade de frenagem integrada, necessitando apenas da adição de um resistor de frenagem. Já os conversores de alta potência (acima de 22 kW) requerem uma unidade de frenagem externa e um resistor de frenagem.
Freio de feedback
Para alcançar a frenagem por realimentação de energia, é necessário o controle de tensão, frequência e fase, o controle da corrente de realimentação e outras condições. A tecnologia de reversão ativa consiste em inverter a energia elétrica renovável para a rede, injetando-a de volta na rede com a mesma frequência e fase da energia CA, alcançando assim a frenagem.
A vantagem da frenagem por realimentação é que ela pode operar em quatro quadrantes, como mostrado na Figura 3, e a realimentação de energia elétrica melhora a eficiência do sistema. Suas desvantagens são:
(1) Somente sob tensão de rede estável e que não seja fácil de falhar (flutuação da tensão da rede não superior a 10%), este método de frenagem por realimentação pode ser usado. Porque quando a frenagem da geração de energia está em funcionamento, o tempo de falha da tensão da rede é superior a 2 ms, podendo ocorrer falha de mudança de fase, danificando o dispositivo.
(2) No feedback, há poluição harmônica na rede.
(3) Controle complexo, alto custo.
Novo tipo de frenagem (frenagem com feedback capacitivo)
Princípio do circuito principal
A parte de retificação utiliza uma ponte retificadora comum não controlável para a retificação, o circuito de filtro utiliza um capacitor eletrolítico comum, o circuito de retardo utiliza um contator ou um transistor de silício controlável. O módulo de potência de carga e realimentação é composto por um IGBT, um resistor de carga e realimentação L e um capacitor eletrolítico de grande capacidade C (cuja capacitância é próxima de zero, podendo ser determinada de acordo com o sistema operacional onde o conversor de frequência está localizado). A parte inversora consiste em um módulo de potência IGBT. O circuito de proteção é composto por um IGBT e um resistor de potência.
(1) Estado operacional da geração de energia do motor elétrico
A CPU monitora em tempo real a tensão CA de entrada e a tensão CC do circuito νd, decidindo se deve enviar um sinal de carga para VT1. Quando νd for maior que a tensão CA de entrada correspondente ao valor da tensão CC (por exemplo, 380 VCA - 530 VCC) até um determinado valor, a CPU desliga VT3, através da condução de pulsos de VT1, para realizar o processo de carga do capacitor eletrolítico C. Nesse momento, o resistor L é conectado ao capacitor eletrolítico C, garantindo que este opere dentro da faixa de segurança.
(2) Estado de funcionamento elétrico do motor elétrico
Quando a CPU detecta que o sistema não está mais carregado, ela conduz o pulso VT3, de modo que a linha no resistor L se torna instantaneamente negativa à esquerda e à direita (como mostrado no ícone), somada à tensão no capacitor eletrolítico C, possibilita o processo de realimentação de energia do capacitor para o circuito CC. A CPU controla a frequência de comutação de VT3 e a taxa de vacância detectando a tensão e a tensão do circuito CC no capacitor eletrolítico C, controlando assim a corrente de realimentação para garantir que a tensão do circuito CC νd não fique muito alta.
Dificuldades do sistema
(1) Seleção do resistor
(a) Levamos em consideração as peculiaridades das condições de trabalho, assumindo que o sistema apresenta algum tipo de falha, levando à aceleração livre da carga do bit contido no motor, quando o motor está em estado de operação de geração de energia,
A energia renovável é devolvida ao circuito CC através de seis diodos de corrente contínua, fazendo com que νd aumente, levando rapidamente o conversor de frequência a um estado de carga, momento em que a corrente será alta. Portanto, o diâmetro do fio do resistor selecionado deve ser grande o suficiente para permitir a passagem da corrente nesse instante.
(b), no circuito de feedback, para que o capacitor eletrolítico libere o máximo de energia elétrica possível antes da próxima carga, a escolha de um núcleo de ferro comum (placa de aço silício) não é capaz de atingir o objetivo. O ideal é escolher um núcleo de ferro feito de material de óxido ferroso. Considerando o valor da corrente mencionado anteriormente, é possível perceber o tamanho desse núcleo de ferro. Não sei se existe um núcleo de ferro tão grande no mercado; mesmo que exista, seu preço certamente não será baixo.
Portanto, sugiro que os circuitos de carga e de realimentação utilizem um resistor elétrico cada um.
(2) Dificuldades de controle
(a) No circuito CC do conversor de frequência, a tensão νd é geralmente superior a 500 VCC, e a tensão resistiva do capacitor eletrolítico C é de apenas 400 VCC. Observa-se que o controle desse processo de carga não se assemelha ao método de controle por frenagem energética (frenagem resistiva). A tensão transitória no resistor é reduzida, e a tensão transitória de carga do capacitor eletrolítico C é νc = νd - νL. Para garantir que o capacitor eletrolítico opere dentro da faixa de segurança (≤ 400 V), é necessário controlar efetivamente a queda de tensão νL no resistor, sendo que a queda de tensão νL depende da indutância e da taxa de variação instantânea da corrente.
(b) No processo de realimentação, a energia elétrica liberada pelo capacitor eletrolítico C também deve ser impedida de causar tensão excessiva no circuito CC através do resistor, para que o sistema apresente proteção contra sobretensão.
Principais aplicações e exemplos de aplicação
Devido às vantagens desse novo tipo de frenagem (frenagem capacitiva por realimentação) do conversor de frequência, muitos usuários têm proposto recentemente equipar seus equipamentos com esse sistema. Devido à complexidade técnica, não se sabe se existe um método de frenagem semelhante no exterior. Atualmente, apenas a Shandong Fengguan Electronics Co., Ltd. adotou esse novo tipo de frenagem capacitiva por realimentação em sua série de elevadores de mineração, substituindo os conversores de frequência que utilizavam frenagem por realimentação convencionais (apenas dois elevadores ainda estão em operação). Até o momento, esse conversor de frequência com frenagem capacitiva por realimentação tem operado normalmente há bastante tempo nas minas de carvão Ningyang Security, em Shandong, e Taiyuan, em Shanxi, preenchendo essa lacuna no mercado nacional.
Com a expansão do campo de aplicações de conversores de frequência, essa tecnologia se mostra muito promissora, principalmente em gaiolas suspensas de mineração (com ou sem operador), caminhões de mineração com poços chanfrados (de cilindro simples ou duplo), máquinas de elevação e outras indústrias. Em resumo, onde há necessidade de dispositivos de realimentação de energia, essa tecnologia pode ser utilizada.