Os fornecedores de equipamentos de suporte para conversores de frequência lembram que, em sistemas tradicionais de controle de frequência compostos por conversores de frequência genéricos, motores assíncronos e cargas mecânicas, quando a carga potencial transmitida pelo motor diminui, o motor pode entrar em estado de frenagem regenerativa; ou quando o motor desacelera de alta para baixa velocidade (incluindo em ponto morto), a frequência pode diminuir repentinamente, mas, devido à inércia mecânica do motor, ele pode entrar em estado de geração de energia regenerativa. A energia mecânica armazenada no sistema de transmissão é convertida em energia elétrica pelo motor e enviada de volta ao circuito CC do inversor através dos seis diodos de roda livre do inversor. Nesse momento, o inversor está em estado retificado. Se nenhuma medida for tomada para consumir a energia no conversor de frequência, essa energia fará com que a tensão do capacitor de armazenamento de energia no circuito intermediário aumente. Se a frenagem for muito brusca ou a carga mecânica for um guincho, essa energia pode danificar o conversor de frequência, portanto, devemos considerar essa parcela de energia.
Em geral, nos conversores de frequência, existem dois métodos mais comuns para processar a energia regenerada:
(1) A dissipação no "resistor de frenagem" artificialmente colocado em paralelo com o capacitor no circuito CC é chamada de estado de frenagem dinâmica;
(2) Se a energia for devolvida à rede elétrica, é chamada de estado de frenagem por realimentação (também conhecido como estado de frenagem regenerativa). Existe outro método de frenagem, a saber, a frenagem CC, que pode ser usada em situações onde é necessário um estacionamento preciso ou quando o motor de freio gira irregularmente devido a fatores externos antes da partida.
Muitos especialistas têm discutido o projeto e a aplicação da frenagem por inversores de frequência em livros e publicações, especialmente nos últimos tempos, com diversos artigos sobre "frenagem por realimentação de energia". Hoje, o autor apresenta um novo método de frenagem que possui as vantagens da operação em quatro quadrantes com "frenagem por realimentação" e alta eficiência operacional, além dos benefícios da "frenagem por consumo de energia" para uma rede elétrica livre de poluição e alta confiabilidade.
Consumo de energia na frenagem
O método de usar o resistor de frenagem configurado no circuito CC para absorver a energia elétrica regenerativa do motor é chamado de frenagem por consumo de energia.
Sua vantagem é a construção simples; não polui a rede elétrica (em comparação com o controle por realimentação), e tem baixo custo; a desvantagem é a baixa eficiência operacional, especialmente durante frenagens frequentes, que consomem muita energia e aumentam a capacidade do resistor de frenagem.
De modo geral, em conversores de frequência de uso geral, os conversores de baixa potência (abaixo de 22 kW) são equipados com uma unidade de frenagem integrada, que requer apenas um resistor de frenagem externo. Conversores de frequência de alta potência (acima de 22 kW) requerem unidades de frenagem externas e resistores de frenagem.
Frenagem com feedback
Para alcançar a frenagem por realimentação de energia, são necessárias condições como controle de tensão na mesma frequência e fase, controle de corrente de realimentação, etc. O sistema adota a tecnologia de inversor ativo para converter a energia elétrica regenerada em energia CA da mesma frequência e fase da rede elétrica e devolvê-la à rede, realizando assim a frenagem.
A vantagem da frenagem por realimentação é que ela pode operar em quatro quadrantes, e a realimentação de energia elétrica melhora a eficiência do sistema. Suas desvantagens são:
(1) Este método de frenagem por realimentação só pode ser usado sob tensão de rede estável que não seja propensa a falhas (com flutuações de tensão de rede não superiores a 10%). Porque durante a operação de frenagem de geração de energia, se o tempo de falha de tensão da rede elétrica for superior a 2 ms, pode ocorrer falha de comutação e os componentes podem ser danificados.
(2) Durante o feedback, há poluição harmônica na rede elétrica.
(3) O controle é complexo e o custo é alto.
Novo método 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 filtragem utiliza um capacitor eletrolítico universal e o circuito de retardo utiliza um contator ou um tiristor. O circuito de carga e realimentação consiste em um módulo de potência IGBT, um reator de carga e realimentação L e um capacitor eletrolítico de grande capacidade C (com capacitância de alguns décimos de metro cúbico, que pode ser determinada de acordo com o sistema operacional do conversor de frequência). A parte inversora é composta por um módulo de potência IGBT. O circuito de proteção é composto por um IGBT e um resistor de potência.
1) Estado de operação da geração de energia do motor elétrico
A CPU monitora a tensão CA de entrada e a tensão do circuito CC (μd) em tempo real e determina se deve enviar um sinal de carga para VT1. Quando μd for maior que o valor da tensão CC correspondente (como 380 VCA - 530 VCC) da tensão CA de entrada, a CPU desliga VT3 e carrega o capacitor eletrolítico C por meio da condução de pulsos de VT1. Nesse momento, o reator L e o capacitor eletrolítico C são separados para garantir que o capacitor C opere dentro de uma faixa segura. Quando a tensão no capacitor eletrolítico C se aproxima de um valor perigoso (como 370 V) enquanto o sistema ainda está em geração de energia, e a energia elétrica é continuamente enviada de volta para o circuito CC através do inversor, o circuito de segurança atua na frenagem do consumo de energia (frenagem resistiva), controlando o desligamento e o religamento de VT3 e, assim, dissipando o excesso de energia pelo resistor R. Geralmente, essa situação não ocorre.
(2) Estado de funcionamento do motor elétrico
Quando a CPU detecta que o sistema parou de carregar, ela conduz pulsos em VT3, criando uma tensão instantânea positiva à esquerda e negativa à direita no reator L. Combinada com a tensão no capacitor eletrolítico C, o processo de realimentação de energia do capacitor para o circuito CC pode ser realizado. A CPU controla a frequência de comutação e o ciclo de trabalho de VT3 detectando a tensão no capacitor eletrolítico C e a tensão no circuito CC, controlando assim a corrente de realimentação e garantindo que a tensão νd do circuito CC não se torne muito alta.
Dificuldades do sistema
(1) Seleção de reatores
(a) Considerando a particularidade das condições de operação e assumindo que ocorre uma determinada falha no sistema, a carga de energia potencial suportada pelo motor acelera livremente e cai. Nesse momento, o motor encontra-se em estado de operação de geração de energia.
A energia regenerada é enviada de volta ao circuito CC através de seis diodos de roda livre, causando um aumento em ∆d e colocando rapidamente o inversor em estado de carga. Nesse momento, a corrente será muito alta. Portanto, o diâmetro do fio do reator selecionado deve ser grande o suficiente para permitir a passagem da corrente nesse instante.
(b) No circuito de realimentação, para liberar o máximo de energia elétrica possível antes da próxima carga do capacitor eletrolítico, selecionar um núcleo de ferro comum (chapa de aço silício) não atinge o objetivo. O ideal é escolher um núcleo de ferro feito de material de ferrite. Considerando o valor da corrente mencionado anteriormente, é possível perceber o tamanho considerável desse núcleo de ferro. Não se sabe se existe um núcleo de ferrite tão grande no mercado. Mesmo que exista, seu preço certamente não será baixo.
Assim, o autor sugere o uso de um reator para cada circuito de carregamento e feedback.
(2) Dificuldades de controle
(a) No circuito CC do conversor de frequência, a tensão νd geralmente é superior a 500 VCC, enquanto a tensão suportável do capacitor eletrolítico C é de apenas 400 VCC, indicando que o controle desse processo de carga não é como o método de controle de frenagem energética (frenagem resistiva). A queda de tensão instantânea gerada no reator é dada por νc = νd - νL, e a tensão de carga instantânea do capacitor eletrolítico C é νc = νd - νL. Para garantir que o capacitor eletrolítico opere dentro de uma faixa segura (≤ 400 V), é necessário controlar efetivamente a queda de tensão νL no reator, que por sua vez depende da taxa de variação instantânea da indutância e da corrente.
(b) Durante o processo de feedback, também é necessário evitar que a descarga de energia elétrica do capacitor eletrolítico C cause tensão excessiva no circuito CC através do reator, resultando em proteção contra sobretensão no sistema.
Principais cenários de aplicação
É precisamente devido à superioridade deste novo método de frenagem (frenagem por realimentação capacitiva) de conversores de frequência que muitos usuários têm proposto recentemente equipar seus equipamentos com este sistema, com base nas características dos mesmos. Com a expansão do campo de aplicação dos conversores de frequência, esta tecnologia terá grandes perspectivas de desenvolvimento. Especificamente, ela é utilizada principalmente em indústrias como guindastes de mineração (para transporte de pessoas ou carregamento de materiais), vagões de mineração inclinados (de tubo simples ou duplo) e máquinas de elevação. Em qualquer caso, dispositivos de realimentação de energia podem ser utilizados em situações que os requeiram.