Dodávatelia zariadení so spätnou väzbou energie pre frekvenčné meniče pripomínajú, že v súčasnosti sa v systémoch riadenia rýchlosti striedavého prúdu s premenou frekvencie široko používa jednoduché brzdenie na základe spotreby energie, ktoré má nevýhody, ako je plytvanie elektrickou energiou, silné ohrev odporu a slabý výkon rýchleho brzdenia. Keď asynchrónne motory často brzdia, použitie spätnoväzobného brzdenia je veľmi účinnou metódou úspory energie a zabraňuje poškodeniu životného prostredia a zariadení počas brzdenia. Uspokojivé výsledky sa dosiahli v odvetviach, ako sú elektrické lokomotívy a ťažba ropy. S neustálym objavovaním sa nových výkonových elektronických zariadení, zvyšujúcou sa nákladovou efektívnosťou a povedomím ľudí o úspore energie a znižovaní spotreby existuje široká škála aplikačných perspektív.
Princíp spätnoväzobného brzdenia
V systéme regulácie otáčok s premenlivou frekvenciou sa spomaľovanie a zastavenie motora dosahuje postupným znižovaním frekvencie. V momente, keď sa frekvencia znižuje, sa zodpovedajúcim spôsobom znižuje aj synchrónna rýchlosť motora. Avšak v dôsledku mechanickej zotrvačnosti zostáva rýchlosť rotora motora nezmenená a zmena jeho otáčok má určité časové oneskorenie. V tomto čase bude skutočná rýchlosť väčšia ako daná rýchlosť, čo vedie k situácii, keď je spätná elektromotorická sila e motora vyššia ako jednosmerné svorkové napätie u frekvenčného meniča, teda e>u. V tomto bode sa elektromotor stáva generátorom, ktorý nielenže nevyžaduje napájanie zo siete, ale môže do siete aj posielať elektrinu. To má nielen dobrý brzdný účinok, ale tiež premieňa kinetickú energiu na elektrickú energiu, ktorú je možné poslať do siete na rekuperáciu energie, čím sa zabijú dve muchy jednou ranou. Na dosiahnutie tohto cieľa je samozrejme potrebná jednotka spätnej väzby energie pre automatické riadenie. Okrem toho by obvod spätnej väzby energie mal obsahovať aj AC a DC tlmivky, odporové kapacitné absorbéry, elektronické spínače atď.
Ako je dobre známe, mostíkový usmerňovací obvod všeobecných frekvenčných meničov je trojfázový a neriaditeľný, takže nemôže dosiahnuť obojsmerný prenos energie medzi jednosmerným obvodom a napájacím zdrojom. Najúčinnejším spôsobom riešenia tohto problému je použitie aktívnej invertorovej technológie, pričom usmerňovacia časť využíva reverzibilný usmerňovač, známy aj ako menič na strane siete. Riadením meniča na strane siete sa regenerovaná elektrická energia invertuje na striedavý prúd s rovnakou frekvenciou, fázou a frekvenciou ako sieť a privádza sa späť do siete na dosiahnutie brzdenia. Predtým aktívne invertorové jednotky používali hlavne tyristorové obvody, ktoré dokázali bezpečne vykonávať spätnoväzobnú prevádzku iba pri stabilnom sieťovom napätí, ktoré nie je náchylné na poruchy (s kolísaním sieťového napätia nepresahujúcim 10 %). Tento typ obvodu dokázal bezpečne vykonávať spätnoväzobnú prevádzku meniča iba pri stabilnom sieťovom napätí, ktoré nie je náchylné na poruchy (s kolísaním sieťového napätia nepresahujúcim 10 %). Pretože počas brzdenia pri výrobe energie, ak je čas brzdenia sieťového napätia dlhší ako 2 ms, môže dôjsť k poruche komutácie a môže dôjsť k poškodeniu komponentov. Okrem toho má táto metóda počas hlbokého riadenia nízky účinník, vysoký obsah harmonických a prekrývajúcu sa komutáciu, čo spôsobuje skreslenie priebehu napätia elektrickej siete. Súčasne je riadenie zložité a nákladné. S praktickým využitím plne riadených zariadení boli vyvinuté reverzibilné meniče riadené striedačom s PWM riadením. Týmto spôsobom je štruktúra meniča na strane siete úplne rovnaká ako štruktúra meniča, pričom oba používajú PWM riadenie.
Z vyššie uvedenej analýzy vyplýva, že na skutočné dosiahnutie brzdenia meniča spätnou väzbou energie je kľúčom riadenie meniča na strane siete. Nasledujúci text sa zameriava na riadiaci algoritmus meniča na strane siete s použitím plne riadených zariadení a metódy PWM riadenia.
Charakteristiky spätnoväzobného brzdenia
Prísne vzaté, menič na strane siete nemožno jednoducho označovať ako „usmerňovač“, pretože môže fungovať ako usmerňovač aj ako menič. Vďaka použitiu samovypínacích zariadení je možné riadiť veľkosť a fázu striedavého prúdu pomocou vhodného režimu PWM, čím sa vstupný prúd blíži k sínusovej vlne a zabezpečí sa, že účinník systému sa vždy blíži k 1. Keď rekuperačný výkon vrátený z meniča brzdením motora zvýši jednosmerné napätie, fáza vstupného striedavého prúdu sa môže obrátiť od fázy napájacieho napätia, aby sa dosiahla regeneratívna prevádzka, a rekuperačný výkon sa môže privádzať späť do striedavej elektrickej siete, pričom systém dokáže udržiavať jednosmerné napätie na danej hodnote. V tomto prípade menič na strane siete pracuje v aktívnom stave meniča. To umožňuje ľahko dosiahnuť obojsmerný tok výkonu a má rýchlu dynamickú rýchlosť odozvy. Zároveň táto topologická štruktúra umožňuje systému plne riadiť výmenu jalového a činného výkonu medzi striedavou a jednosmernou stranou s účinnosťou až 97 % a významnými ekonomickými výhodami. Tepelné straty predstavujú 1 % spotreby energie pri brzdení a neznečisťujú elektrickú sieť. Účinník je približne 1, čo je šetrné k životnému prostrediu. Preto sa spätnoväzobné brzdenie môže široko používať na úsporu energie v scenároch spätnoväzobného brzdenia pri PWM AC prevodovke, najmä v situáciách, kde je potrebné časté brzdenie. Výkon elektromotora je tiež vysoký a efekt úspory energie je významný. V závislosti od prevádzkových podmienok je priemerný efekt úspory energie približne 20 %.