Dodávatelia jednotiek spätnej väzby energie pripomínajú, že frekvenčné meniče sa počas ladenia a používania často stretávajú s rôznymi problémami, medzi ktorými je najčastejším prepätie. Po výskyte prepätia sa aktivuje funkcia ochrany proti prepätiu frekvenčného meniča, aby sa predišlo poškodeniu vnútorného obvodu, čo spôsobí zastavenie frekvenčného meniča a následne nesprávnu funkčnosť zariadenia.
Preto je potrebné prijať opatrenia na elimináciu prepätia a zabránenie vzniku porúch. Vzhľadom na rôzne scenáre použitia frekvenčných meničov a motorov sa líšia aj príčiny prepätia, preto by sa mali prijať zodpovedajúce opatrenia podľa konkrétnej situácie.
Generovanie prepätia vo frekvenčnom meniči a rekuperačnom brzdení
Takzvané prepätie frekvenčného meniča označuje situáciu, keď napätie frekvenčného meniča z rôznych dôvodov prekročí menovité napätie, čo sa prejavuje najmä v jednosmernom napätí jednosmernej zbernice frekvenčného meniča.
Počas normálnej prevádzky je jednosmerné napätie frekvenčného meniča priemernou hodnotou po trojfázovom usmernení s plnou vlnou. Ak sa vypočíta na základe sieťového napätia 380 V, priemerné jednosmerné napätie Ud = 1,35 U v sieti = 513 V.
Keď dôjde k prepätiu, kondenzátor na jednosmernej zbernici sa nabije. Keď napätie stúpne na približne 700 V (v závislosti od modelu), aktivuje sa ochrana proti prepätiu frekvenčného meniča.
Existujú dva hlavné dôvody prepätia vo frekvenčných meničoch: prepätie napájania a rekuperatívne prepätie.
Prepätie napájania sa vzťahuje na situáciu, keď napätie jednosmernej zbernice prekročí menovitú hodnotu v dôsledku nadmerného napätia zdroja napájania. V súčasnosti môže vstupné napätie väčšiny frekvenčných meničov dosiahnuť až 460 V, takže prepätie spôsobené zdrojom napájania je mimoriadne zriedkavé.
Hlavnou otázkou, o ktorej sa v tomto článku diskutuje, je regenerácia prepätia.
Hlavné dôvody generovania regeneratívneho prepätia sú nasledovné: keď sa zaťaženie GD2 (moment zotrvačníka) spomaľuje, čas spomalenia nastavený frekvenčným meničom je príliš krátky;
Motor je pri spúšťaní vystavený vonkajším silám (ako sú ventilátory a naťahovacie stroje) alebo potenciálnym zaťaženiam (ako sú výťahy a žeriavy). Z týchto dôvodov je skutočná rýchlosť motora vyššia ako požadovaná rýchlosť frekvenčného meniča, čo znamená, že rýchlosť rotora motora presahuje synchrónnu rýchlosť. V tomto čase je sklzová rýchlosť motora záporná a smer vinutia rotora, ktorý pretína rotujúce magnetické pole, je opačný ako smer motora. Elektromagnetický krútiaci moment, ktorý generuje, je brzdný moment, ktorý bráni smeru otáčania. Elektromotor je teda v stave generovania a kinetická energia záťaže sa „regeneruje“ na elektrickú energiu.
Regeneračná energia sa nabíja do kondenzátora jednosmerného prúdu meniča cez voľnobežnú diódu meniča, čo spôsobuje zvýšenie napätia na jednosmernej zbernici, čo sa nazýva regeneratívne prepätie. Krútiaci moment generovaný počas procesu regeneratívneho prepätia je opačný k pôvodnému krútiacemu momentu, čo je brzdný moment. Preto je proces regeneratívneho prepätia zároveň procesom regeneratívneho brzdenia.
Inými slovami, eliminácia regeneratívnej energie zvyšuje brzdný moment. Ak regeneračná energia nie je veľká, menič a motor majú regeneračnú brzdnú kapacitu 20 a túto časť elektrickej energie spotrebujú menič a motor. Ak táto energia prekročí spotrebu frekvenčného meniča a motora, kondenzátor jednosmerného obvodu sa prebije a aktivuje sa funkcia ochrany proti prepätiu frekvenčného meniča, čo spôsobí zastavenie prevádzky. Aby sa tejto situácii predišlo, je potrebné túto energiu včas zlikvidovať a zároveň zvýšiť brzdný moment, čo je účelom regeneratívneho brzdenia.
Opatrenia na zabránenie prepätia frekvenčných meničov
Vzhľadom na rôzne príčiny prepätia sa líšia aj prijaté opatrenia. V prípade javu prepätia vznikajúceho počas parkovania, ak neexistujú žiadne špeciálne požiadavky na čas alebo miesto parkovania, je možné na jeho vyriešenie použiť metódu predĺženia času spomalenia frekvenčného meniča alebo voľné parkovanie. Takzvané voľné parkovanie znamená, že frekvenčný menič odpojí hlavný spínač, čo umožní motoru voľne sa pohybovať a zastaviť.
Ak existujú určité požiadavky na čas alebo miesto parkovania, je možné použiť funkciu jednosmerného brzdenia.
Funkcia jednosmerného brzdenia spočíva v spomalení motora na určitú frekvenciu a následnom privedení jednosmerného prúdu do statorového vinutia motora, čím sa vytvorí statické magnetické pole.
Vinutie rotora motora toto magnetické pole preruší a generuje brzdný moment, ktorý premieňa kinetickú energiu záťaže na elektrickú energiu a spotrebúva ju vo forme tepla v obvode rotora motora. Preto sa tento typ brzdenia nazýva aj brzdenie so spotrebou energie. Proces jednosmerného brzdenia v skutočnosti zahŕňa dva procesy: rekuperačné brzdenie a brzdenie so spotrebou energie. Táto metóda brzdenia má účinnosť iba 30 – 60 % rekuperačného brzdenia a brzdný moment je relatívne malý. Vzhľadom na to, že spotreba energie do motora môže spôsobiť prehriatie, čas brzdenia by nemal byť príliš dlhý.
Okrem toho sa štartovacia frekvencia, čas brzdenia a brzdné napätie jednosmerného brzdenia nastavujú manuálne a nemožno ich automaticky upraviť na základe úrovne regeneratívneho napätia. Preto sa jednosmerné brzdenie nedá použiť pri prepätí generovanom počas normálnej prevádzky a možno ho použiť iba na brzdenie počas parkovania.
Pre prepätie spôsobené nadmerným GD2 (zotrvačníkovým momentom) záťaže počas spomaľovania (z vysokej rýchlosti na nízku rýchlosť bez zastavenia) je možné použiť metódu predĺženia času spomaľovania. V skutočnosti táto metóda tiež využíva princíp rekuperatívneho brzdenia. Predĺženie času spomaľovania riadi iba rýchlosť nabíjania meniča regeneratívnym napätím záťaže, aby sa rozumne využila rekuperačná brzdná kapacita samotného meniča. Čo sa týka záťaží, ktoré spôsobujú, že motor je v regeneračnom stave v dôsledku vonkajších síl (vrátane uvoľnenia potenciálnej energie), keďže normálne pracujú v brzdnom stave, regeneračná energia je príliš vysoká na to, aby ju spotreboval samotný frekvenčný menič. Preto nie je možné použiť jednosmerné brzdenie ani predĺžiť čas spomaľovania.
V porovnaní s jednosmerným brzdením má rekuperačné brzdenie vyšší brzdný moment a veľkosť brzdného momentu môže byť automaticky riadená brzdovou jednotkou frekvenčného meniča podľa požadovaného brzdného momentu záťaže (t. j. úrovne regeneratívnej energie). Preto je rekuperačné brzdenie najvhodnejšie na poskytovanie brzdného momentu záťaži počas normálnej prevádzky.
Metóda rekuperačného brzdenia s premenou frekvencie:
1. Typ spotrebúvajúci energiu:
Táto metóda zahŕňa paralelné zapojenie brzdného odporu v jednosmernom obvode frekvenčného meniča a riadenie zapínania/vypínania výkonového tranzistora detekciou napätia jednosmernej zbernice. Keď napätie jednosmernej zbernice stúpne na približne 700 V, výkonový tranzistor vedie prúd, prenáša regenerovanú energiu do odporu a spotrebúva ju vo forme tepelnej energie, čím zabraňuje nárastu jednosmerného napätia. Vzhľadom na nemožnosť využitia regenerovanej energie patrí k typu brzdenia so spotrebou energie. Ako typ spotrebúvajúci energiu sa líši od jednosmerného brzdenia tým, že spotrebúva energiu na brzdnom odpore mimo motora, takže sa motor neprehrieva a môže pracovať častejšie.
2. Typ absorpcie paralelnej jednosmernej zbernice:
Vhodné pre viacmotorové pohonné systémy (ako napríklad naťahovacie stroje), v ktorých každý motor vyžaduje frekvenčný menič, viacero frekvenčných meničov zdieľa jeden menič na strane siete a všetky meniče sú paralelne zapojené k spoločnej jednosmernej zbernici. V tomto systéme často jeden alebo viacero motorov pracuje normálne v brzdnom stave. Motor v brzdnom stave je ťahaný inými motormi na generovanie regeneratívnej energie, ktorú potom absorbuje motor v elektrickom stave prostredníctvom paralelnej jednosmernej zbernice. Ak ju nemožno úplne absorbovať, spotrebuje sa cez spoločný brzdný odpor. Regenerovaná energia sa tu čiastočne absorbuje a využíva, ale nevracia späť do elektrickej siete.
3. Typ energetickej spätnej väzby:
Invertorový menič s energetickou spätnou väzbou na strane siete je reverzibilný. Keď sa generuje regeneračná energia, reverzibilný menič ju vracia späť do siete, čo umožňuje jej plné využitie. Táto metóda však vyžaduje vysokú stabilitu napájania a pri náhlom výpadku prúdu dôjde k inverzii a prevráteniu.