Поставщики оборудования для поддержки преобразователей частоты напоминают, что в традиционных системах управления частотой, состоящих из обычных преобразователей частоты, асинхронных двигателей и механических нагрузок, при снижении потенциальной нагрузки, передаваемой двигателем, двигатель может перейти в режим рекуперативного торможения. Или при замедлении двигателя с высокой скорости на низкую (включая стояночный режим) частота может резко снизиться, но из-за механической инерции двигателя он может перейти в режим рекуперативного генерирования энергии. Механическая энергия, накопленная в системе передачи, преобразуется двигателем в электрическую и возвращается в цепь постоянного тока преобразователя частоты через шесть обратных диодов. В этот момент преобразователь частоты находится в состоянии выпрямления. В этот момент, если не принять мер по потреблению энергии преобразователем частоты, эта энергия приведет к повышению напряжения на накопительном конденсаторе в промежуточной цепи. Если торможение слишком быстрое или механическая нагрузка представляет собой подъёмный механизм, эта часть энергии может привести к повреждению преобразователя частоты, поэтому необходимо учитывать эту часть энергии.
В преобразователях частоты общего назначения наиболее распространены два метода обработки рекуперированной энергии:
(1) Рассеивание в «тормозном резисторе», искусственно установленном параллельно конденсатору в цепи постоянного тока, называется состоянием динамического торможения;
(2) Если сигнал поступает обратно в электросеть, это называется режимом торможения с обратной связью (также известным как режим рекуперативного торможения). Существует другой метод торможения, а именно торможение постоянным током, который может использоваться в ситуациях, когда требуется точная парковка или когда тормозной двигатель вращается неравномерно из-за внешних факторов перед запуском.
Многие эксперты обсуждали конструкцию и применение частотно-регулируемых приводов в книгах и публикациях, особенно в последнее время, когда появилось много статей о «торможении с обратной связью по энергии». Сегодня автор представляет новый метод торможения, обладающий преимуществами четырёхквадрантного режима работы с «торможением с обратной связью» и высокой эффективностью, а также преимуществами «торможения с потреблением энергии» для экологически чистой электросети и высокой надёжности.
Энергопотребление при торможении
Метод использования тормозного резистора, установленного в цепи постоянного тока, для поглощения рекуперативной электрической энергии двигателя называется торможением с потреблением энергии.
Преимуществом является простота конструкции; отсутствие загрязнения электросети (по сравнению с управлением с обратной связью), низкая стоимость; недостатком является низкая эффективность работы, особенно при частом торможении, что приводит к большому расходу энергии и увеличению мощности тормозного резистора.
Как правило, маломощные преобразователи частоты (до 22 кВт) оснащены встроенным тормозным блоком, для которого требуется только внешний тормозной резистор. Преобразователи частоты высокой мощности (выше 22 кВт) требуют использования внешних тормозных блоков и тормозных резисторов.
Торможение с обратной связью
Для реализации торможения с обратной связью по энергии необходимы такие условия, как управление напряжением на той же частоте и фазе, управление током обратной связи и т. д. В системе используется технология активного инвертора для преобразования рекуперированной электроэнергии в переменный ток той же частоты и фазы, что и в электросети, и возврата его в сеть, что обеспечивает торможение.
Преимущество торможения с обратной связью заключается в том, что оно может работать в четырёх квадрантах, а обратная связь по электроэнергии повышает эффективность системы. Недостатки торможения:
(1) Данный метод торможения с обратной связью может применяться только при стабильном напряжении сети, не подверженном сбоям (при колебаниях напряжения сети не более 10%). Поскольку при торможении выработкой электроэнергии, если время сбоя напряжения сети превышает 2 мс, может произойти сбой коммутации и повреждение компонентов.
(2) Во время обратной связи в электросети возникают гармонические загрязнения.
(3) Контроль сложен, а стоимость высока.
Новый метод торможения (торможение с конденсаторной обратной связью)
Принцип главной цепи
В выпрямительной части используется обычный неуправляемый выпрямительный мост, в схеме фильтрации – универсальный электролитический конденсатор, а в схеме задержки – контактор или тиристор. Схема зарядки и обратной связи состоит из силового модуля IGBT, дросселя зарядки и обратной связи L и большого электролитического конденсатора C (ёмкостью около нескольких десятых долей метра, которая определяется в зависимости от операционной системы преобразователя частоты). Инверторная часть состоит из силового модуля IGBT. Схема защиты состоит из IGBT и мощного резистора.
1) Состояние работы выработки электроэнергии электродвигателем
CPU отслеживает входное переменное напряжение и напряжение цепи постоянного тока (μ d) в режиме реального времени и определяет, следует ли отправлять сигнал зарядки на VT1. Как только μ d превысит соответствующее значение постоянного напряжения (например, 380 В переменного тока - 530 В постоянного тока) входного переменного напряжения, CPU выключает VT3 и заряжает электролитический конденсатор C посредством импульсной проводимости VT1. В это время реактор L и электролитический конденсатор C разделены, чтобы гарантировать работу электролитического конденсатора C в безопасном диапазоне. Когда напряжение на электролитическом конденсаторе C приближается к опасному значению (например, 370 В), когда система все еще находится в состоянии генерации энергии, и электрическая энергия непрерывно отправляется обратно в цепь постоянного тока через инвертор, схема безопасности играет роль в достижении торможения потреблением энергии (резистивное торможение), управляя выключением и включением VT3 и, таким образом, реализуя потребление избыточной энергии резистором R. Как правило, такая ситуация не возникает.
(2) Состояние работы электродвигателя
Когда ЦП обнаруживает, что система больше не заряжается, он подаёт импульс, открывая VT3, создавая мгновенное левое положительное и правое отрицательное напряжение на дросселе L. В сочетании с напряжением на электролитическом конденсаторе C, обеспечивается обратная связь энергии от конденсатора к цепи постоянного тока. ЦП управляет частотой переключения и скважностью VT3, определяя напряжение на электролитическом конденсаторе C и напряжение в цепи постоянного тока, тем самым контролируя ток обратной связи и гарантируя, что напряжение ν d в цепи постоянного тока не станет слишком высоким.
Системные проблемы
(1) Выбор реакторов
(a) Мы рассматриваем особенности условий эксплуатации и предполагаем, что в системе возникает некая неисправность, приводящая к свободному ускорению и падению потенциальной энергетической нагрузки, переносимой двигателем. В этот момент двигатель находится в режиме генерации электроэнергии.
Регенерированная энергия возвращается в цепь постоянного тока через шесть обратных диодов, что приводит к увеличению Δd и быстрому переходу инвертора в состояние зарядки. В этот момент ток будет очень большим. Поэтому выбранный диаметр провода дросселя должен быть достаточно большим для пропускания тока в этот момент.
(b) В контуре обратной связи, чтобы высвободить как можно больше электроэнергии до следующего заряда электролитического конденсатора, выбор обычного железного сердечника (листа кремнистой стали) не может достичь цели. Лучше всего выбрать железный сердечник из феррита. Глядя на приведенное выше значение тока, можно увидеть, насколько велик этот железный сердечник. Неизвестно, есть ли на рынке такой большой ферритовый сердечник. Даже если он есть, его цена, безусловно, будет не очень низкой.
Поэтому автор предлагает использовать по одному реактору для каждой цепи зарядки и обратной связи.
(2) Трудности контроля
(a) В цепи постоянного тока преобразователя частоты напряжение ν d обычно превышает 500 В постоянного тока, в то время как выдерживаемое напряжение электролитического конденсатора C составляет всего 400 В постоянного тока, что указывает на то, что управление этим процессом зарядки отличается от метода управления энергетическим торможением (резистивным торможением). Мгновенное падение напряжения, генерируемое на реакторе, равно ν c = ν d - ν L. Чтобы обеспечить работу электролитического конденсатора в безопасном диапазоне (≤ 400 В), необходимо эффективно контролировать падение напряжения ν L на реакторе, которое, в свою очередь, зависит от мгновенной скорости изменения индуктивности и тока.
(б) В процессе обратной связи также необходимо предотвратить разряд электрической энергии из электролитического конденсатора C, который может привести к возникновению чрезмерного напряжения в цепи постоянного тока через реактор, что приведет к защите от перенапряжения в системе.
Основные сценарии применения
Именно благодаря превосходству этого нового метода торможения (торможение с конденсаторной обратной связью) преобразователей частоты многие пользователи в последнее время предлагают оснастить его этой системой, исходя из характеристик своего оборудования. С расширением области применения преобразователей частоты эта технология применения будет иметь большие перспективы развития. В частности, она находит основное применение в таких отраслях, как шахтные подъёмники (для перевозки людей или погрузки материалов), наклонные шахтные вагоны (одно- или двухтрубные) и подъёмные машины. В любом случае, устройства с энергетической обратной связью могут быть использованы в ситуациях, когда это необходимо.