โซลูชันการตอบรับพลังงานสำหรับตัวแปลงความถี่

ผู้จัดจำหน่ายอุปกรณ์สนับสนุนตัวแปลงความถี่ขอเตือนว่าในระบบควบคุมความถี่แบบดั้งเดิมซึ่งประกอบด้วยตัวแปลงความถี่ทั่วไป มอเตอร์แบบอะซิงโครนัส และโหลดเชิงกล เมื่อโหลดศักย์ไฟฟ้าที่ส่งผ่านมอเตอร์ลดลง มอเตอร์อาจอยู่ในสถานะเบรกแบบฟื้นฟูกำลัง หรือเมื่อมอเตอร์ลดความเร็วจากความเร็วสูงเป็นความเร็วต่ำ (รวมถึงการจอด) ความถี่อาจลดลงอย่างกะทันหัน แต่เนื่องจากความเฉื่อยเชิงกลของมอเตอร์ อาจอยู่ในสถานะการผลิตพลังงานแบบฟื้นฟูกำลัง พลังงานกลที่เก็บไว้ในระบบส่งกำลังจะถูกแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยมอเตอร์และส่งกลับไปยังวงจร DC ของอินเวอร์เตอร์ผ่านไดโอดอิสระหกตัวของอินเวอร์เตอร์ ในขณะนี้ อินเวอร์เตอร์จะอยู่ในสถานะแก้ไข ณ จุดนี้ หากไม่มีมาตรการใดๆ ในการใช้พลังงานในตัวแปลงความถี่ พลังงานนี้จะทำให้แรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุเก็บพลังงานในวงจรกลางเพิ่มขึ้น หากเบรกเร็วเกินไปหรือโหลดเชิงกลเป็นรอก พลังงานส่วนนี้อาจทำให้ตัวแปลงความถี่เสียหายได้ ดังนั้นเราจึงควรพิจารณาพลังงานส่วนนี้

โดยทั่วไปแล้วตัวแปลงความถี่จะมีวิธีการประมวลผลพลังงานที่สร้างใหม่ที่นิยมใช้กันมากที่สุดอยู่ 2 วิธีด้วยกัน:

(1) การกระจายตัวเข้าสู่ "ตัวต้านทานเบรก" ที่ตั้งขนานกับตัวเก็บประจุในวงจร DC เรียกว่าสถานะเบรกแบบไดนามิก

(2) หากป้อนกลับไปยังระบบไฟฟ้า จะเรียกว่า สถานะเบรกแบบป้อนกลับ (หรือที่เรียกว่า สถานะเบรกแบบสร้างพลังงานกลับ) นอกจากนี้ยังมีวิธีการเบรกอีกวิธีหนึ่ง คือ การเบรกแบบ DC ซึ่งสามารถใช้ได้ในสถานการณ์ที่ต้องจอดรถอย่างแม่นยำ หรือเมื่อมอเตอร์เบรกหมุนไม่สม่ำเสมอเนื่องจากปัจจัยภายนอกก่อนสตาร์ท

ผู้เชี่ยวชาญหลายท่านได้อภิปรายเกี่ยวกับการออกแบบและการประยุกต์ใช้ระบบเบรกแบบปรับความถี่ในหนังสือและสิ่งพิมพ์ต่างๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีบทความมากมายเกี่ยวกับ "การเบรกแบบป้อนกลับพลังงาน" วันนี้ ผู้เขียนขอนำเสนอวิธีการเบรกแบบใหม่ ซึ่งมีข้อดีของการทำงานแบบสี่ควอแดรนท์ พร้อม "การเบรกแบบป้อนกลับ" และประสิทธิภาพการทำงานสูง รวมถึงประโยชน์ของ "การเบรกแบบใช้พลังงาน" ต่อโครงข่ายไฟฟ้าที่ปราศจากมลพิษและความน่าเชื่อถือสูง

การใช้พลังงานเบรก

วิธีการใช้ชุดตัวต้านทานการเบรกในวงจร DC เพื่อดูดซับพลังงานไฟฟ้าที่สร้างใหม่ของมอเตอร์เรียกว่าการเบรกแบบใช้พลังงาน

ข้อดีคือมีการก่อสร้างที่เรียบง่าย ไม่มีมลภาวะต่อระบบไฟฟ้า (เมื่อเทียบกับการควบคุมป้อนกลับ) มีต้นทุนต่ำ ข้อเสียคือมีประสิทธิภาพการทำงานต่ำ โดยเฉพาะในระหว่างการเบรกบ่อยครั้ง ซึ่งจะใช้พลังงานจำนวนมากและเพิ่มความจุของตัวต้านทานเบรก

โดยทั่วไปแล้ว ตัวแปลงความถี่กำลังต่ำ (ต่ำกว่า 22 กิโลวัตต์) มักมีชุดเบรกในตัว ซึ่งต้องใช้ตัวต้านทานเบรกภายนอกเท่านั้น ตัวแปลงความถี่กำลังสูง (สูงกว่า 22 กิโลวัตต์) ต้องใช้ชุดเบรกภายนอกและตัวต้านทานเบรก

การเบรกแบบป้อนกลับ

เพื่อให้เกิดการเบรกแบบป้อนกลับด้านพลังงาน จำเป็นต้องมีเงื่อนไขต่างๆ เช่น การควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่ความถี่และเฟสเดียวกัน การควบคุมกระแสป้อนกลับ ฯลฯ ระบบนี้ใช้เทคโนโลยีอินเวอร์เตอร์แบบแอคทีฟเพื่อแปลงพลังงานไฟฟ้าที่สร้างใหม่ให้เป็นไฟฟ้ากระแสสลับที่มีความถี่และเฟสเดียวกันกับระบบส่งไฟฟ้า และส่งคืนกลับเข้าสู่ระบบส่งไฟฟ้า ส่งผลให้สามารถเบรกได้

ข้อดีของระบบเบรกป้อนกลับคือสามารถทำงานได้ในสี่ส่วน และพลังงานไฟฟ้าป้อนกลับช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของระบบ ข้อเสียคือ:

(1) วิธีการเบรกป้อนกลับนี้ใช้ได้เฉพาะกับแรงดันไฟฟ้ากริดที่เสถียรและไม่เกิดความผิดพลาดได้ง่าย (โดยมีความผันผวนของแรงดันไฟฟ้ากริดไม่เกิน 10%) เนื่องจากในระหว่างการทำงานเบรกการผลิตไฟฟ้า หากเวลาที่เกิดความผิดพลาดของแรงดันไฟฟ้ากริดมากกว่า 2 มิลลิวินาที อาจเกิดความล้มเหลวในการสับเปลี่ยนและส่วนประกอบอาจเสียหายได้

(2) ในระหว่างการป้อนกลับ จะมีมลภาวะฮาร์มอนิกเกิดขึ้นในระบบไฟฟ้า

(3) การควบคุมมีความซับซ้อนและมีต้นทุนสูง

วิธีการเบรกแบบใหม่ (การเบรกแบบป้อนกลับของตัวเก็บประจุ)

หลักการวงจรหลัก

ส่วนการเรียงกระแสใช้วงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์ที่ไม่สามารถควบคุมได้ร่วมกันสำหรับการเรียงกระแส วงจรกรองใช้ตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์สากล และวงจรหน่วงเวลาใช้คอนแทคเตอร์หรือไทริสเตอร์ วงจรชาร์จและป้อนกลับประกอบด้วยโมดูลกำลังไฟฟ้า IGBT, รีแอคเตอร์การชาร์จและป้อนกลับ L และตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์ขนาดใหญ่ C (มีความจุประมาณไม่กี่ทศนิยมของมิเตอร์ ซึ่งสามารถกำหนดค่าได้ตามระบบปฏิบัติการของตัวแปลงความถี่) ส่วนอินเวอร์เตอร์ประกอบด้วยโมดูลกำลังไฟฟ้า IGBT วงจรป้องกันประกอบด้วย IGBT และตัวต้านทานกำลังไฟฟ้า

1) สถานะการทำงานของการผลิตกระแสไฟฟ้าของมอเตอร์ไฟฟ้า

CPU จะตรวจสอบแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับขาเข้าและแรงดันไฟฟ้าวงจรไฟฟ้ากระแสตรง (μd) แบบเรียลไทม์ และพิจารณาว่าจะส่งสัญญาณการชาร์จไปยัง VT1 หรือไม่ เมื่อ μd สูงกว่าค่าแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่สอดคล้องกัน (เช่น 380VAC - 530VDC) ของแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับขาเข้า CPU จะปิด VT3 และชาร์จประจุตัวเก็บประจุไฟฟ้า C ผ่านการนำพัลส์ของ VT1 ณ เวลานี้ รีแอคเตอร์ L และตัวเก็บประจุไฟฟ้า C จะถูกแบ่งออกเพื่อให้แน่ใจว่าตัวเก็บประจุไฟฟ้า C ทำงานอยู่ในช่วงที่ปลอดภัย เมื่อแรงดันไฟฟ้าบนตัวเก็บประจุไฟฟ้า C ใกล้ถึงค่าอันตราย (เช่น 370V) ขณะที่ระบบยังคงอยู่ในสถานะการผลิตไฟฟ้า และพลังงานไฟฟ้าถูกส่งกลับไปยังวงจรไฟฟ้ากระแสตรงอย่างต่อเนื่องผ่านอินเวอร์เตอร์ วงจรความปลอดภัยจะมีบทบาทในการเบรกการใช้พลังงาน (เบรกความต้านทาน) ควบคุมการปิดและเปิด VT3 และตระหนักถึงการใช้พลังงานส่วนเกินโดยตัวต้านทาน R โดยทั่วไปแล้ว สถานการณ์เช่นนี้จะไม่เกิดขึ้น

(2) สถานะการทำงานของมอเตอร์ไฟฟ้า

เมื่อ CPU ตรวจพบว่าระบบหยุดชาร์จแล้ว จะส่งพัลส์ VT3 ทำให้เกิดแรงดันบวกและแรงดันลบทันทีบนรีแอคเตอร์ L เมื่อรวมกับแรงดันบนตัวเก็บประจุไฟฟ้า C กระบวนการป้อนกลับพลังงานจากตัวเก็บประจุไปยังวงจร DC ก็จะเกิดขึ้นได้ CPU จะควบคุมความถี่การสวิตชิ่งและวัฏจักรการทำงานของ VT3 โดยการตรวจจับแรงดันบนตัวเก็บประจุไฟฟ้า C และแรงดันในวงจร DC ซึ่งจะช่วยควบคุมกระแสป้อนกลับและทำให้มั่นใจได้ว่าแรงดัน νd ของวงจร DC จะไม่สูงเกินไป

ความยากลำบากของระบบ

(1) การเลือกเครื่องปฏิกรณ์

(ก) เราพิจารณาถึงลักษณะเฉพาะของสภาวะการทำงาน และสันนิษฐานว่าระบบเกิดข้อผิดพลาดบางประการ ส่งผลให้ภาระพลังงานศักย์ที่มอเตอร์แบกรับอยู่เกิดการเร่งความเร็วอย่างอิสระและลดลง ณ เวลานี้ มอเตอร์อยู่ในสถานะการผลิตพลังงาน

พลังงานที่สร้างใหม่จะถูกส่งกลับไปยังวงจร DC ผ่านไดโอดแบบฟรีวีลลิ่งจำนวน 6 ตัว ทำให้ค่า ∆d เพิ่มขึ้นและทำให้อินเวอร์เตอร์เข้าสู่สถานะชาร์จอย่างรวดเร็ว ณ เวลานี้ กระแสจะสูงมาก ดังนั้น เส้นผ่านศูนย์กลางของลวดปฏิกรณ์ที่เลือกควรมีขนาดใหญ่พอที่จะส่งกระแสผ่านได้ ณ เวลานี้

(b) ในวงจรป้อนกลับ เพื่อที่จะปลดปล่อยพลังงานไฟฟ้าให้ได้มากที่สุดก่อนการชาร์จประจุไฟฟ้าครั้งต่อไปของตัวเก็บประจุไฟฟ้า การเลือกแกนเหล็กธรรมดา (แผ่นเหล็กซิลิคอน) ไม่สามารถบรรลุเป้าหมายได้ ควรเลือกแกนเหล็กที่ทำจากวัสดุเฟอร์ไรต์ เมื่อพิจารณาจากมูลค่าปัจจุบันที่กล่าวถึงข้างต้น จะเห็นได้ว่าแกนเหล็กนี้มีขนาดใหญ่มาก ยังไม่ทราบแน่ชัดว่ามีแกนเหล็กเฟอร์ไรต์ขนาดใหญ่เช่นนี้อยู่ในท้องตลาดหรือไม่ แม้ว่าจะมีอยู่จริง ราคาก็คงไม่ต่ำมากอย่างแน่นอน

ดังนั้นผู้เขียนจึงแนะนำให้ใช้เครื่องปฏิกรณ์หนึ่งเครื่องสำหรับวงจรการชาร์จและป้อนกลับแต่ละวงจร

(2) ความยากลำบากในการควบคุม

(ก) ในวงจร DC ของตัวแปลงความถี่ แรงดันไฟฟ้า ν d โดยทั่วไปจะสูงกว่า 500VDC ในขณะที่แรงดันไฟฟ้าที่ตัวเก็บประจุไฟฟ้า C ทนได้เพียง 400VDC แสดงให้เห็นว่าการควบคุมกระบวนการชาร์จนี้ไม่เหมือนกับวิธีการควบคุมแบบเบรกพลังงาน (เบรกความต้านทาน) แรงดันไฟฟ้าตกคร่อมที่เกิดขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์คือ และแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมที่เกิดขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์ C คือ ν c = ν d - ν L เพื่อให้มั่นใจว่าตัวเก็บประจุไฟฟ้าทำงานภายในช่วงที่ปลอดภัย (≤ 400V) จำเป็นต้องควบคุมแรงดันไฟฟ้าตกคร่อม ν L บนเครื่องปฏิกรณ์อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งขึ้นอยู่กับอัตราการเปลี่ยนแปลงของความเหนี่ยวนำและกระแสไฟฟ้าในขณะนั้น

(b) ในระหว่างกระบวนการป้อนกลับ จำเป็นต้องป้องกันไม่ให้การคายประจุพลังงานไฟฟ้าจากตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์ C ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าวงจร DC มากเกินไปผ่านเครื่องปฏิกรณ์ ส่งผลให้เกิดการป้องกันแรงดันไฟฟ้าเกินในระบบ

สถานการณ์การใช้งานหลัก

เนื่องจากความเหนือกว่าของวิธีการเบรกแบบใหม่ (การเบรกแบบป้อนกลับของตัวเก็บประจุ) ของตัวแปลงความถี่นี้เอง ผู้ใช้จำนวนมากจึงได้เสนอให้ติดตั้งระบบนี้โดยพิจารณาจากคุณสมบัติของอุปกรณ์ที่ใช้ ด้วยการขยายตัวของสาขาการประยุกต์ใช้ตัวแปลงความถี่ เทคโนโลยีการใช้งานนี้จึงมีแนวโน้มการพัฒนาอย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ส่วนใหญ่จะนำไปใช้ในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น รอกยกของในเหมือง (สำหรับบรรทุกคนหรือขนถ่ายวัสดุ) รถบรรทุกเหมืองเอียง (แบบท่อเดี่ยวหรือแบบท่อคู่) และเครื่องจักรยกของ อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์ป้อนกลับพลังงานสามารถนำมาใช้ในสถานการณ์ที่ต้องการได้