Frekans konvertörleri için enerji geri besleme cihazı tedarikçileri, basit enerji tüketim frenlemesinin günümüzde AC frekans dönüşüm hız kontrol sistemlerinde yaygın olarak kullanıldığını ve elektrik enerjisi israfı, aşırı direnç ısınması ve düşük hızlı frenleme performansı gibi dezavantajlara sahip olduğunu hatırlatır. Asenkron motorlar sık sık fren yaptığında, geri besleme frenlemesi kullanmak çok etkili bir enerji tasarrufu yöntemidir ve frenleme sırasında çevreye ve ekipmana zarar gelmesini önler. Elektrikli lokomotifler ve petrol çıkarma gibi endüstrilerde tatmin edici sonuçlar elde edilmiştir. Sürekli yeni güç elektroniği cihazlarının ortaya çıkması, maliyet etkinliğinin artması ve insanların enerji tasarrufu ve tüketim azaltma konusundaki farkındalığıyla birlikte, geniş bir uygulama yelpazesi mevcuttur.
Enerji geri beslemeli frenleme cihazı, motor gücünün 100 kW veya üzeri, ekipmanın atalet momentinin (gd2) büyük olduğu ve tekrarlanan kısa süreli sürekli çalışma sistemine ait olduğu durumlar için özellikle uygundur. Yüksek hızdan düşük hıza yavaşlama azalması büyük, frenleme süresi kısa ve güçlü frenleme gereklidir. Enerji tasarrufu etkisini artırmak ve frenleme işlemi sırasındaki enerji kaybını azaltmak için, yavaşlama enerjisinin geri kazanılması ve enerji tasarrufu sağlamak üzere şebekeye geri beslenmesi de gereklidir.
Geri bildirim frenleme prensibi
Değişken frekanslı hız regülasyon sisteminde, motorun yavaşlaması ve durması frekansın kademeli olarak azaltılmasıyla sağlanır. Frekans azaldığında, motorun senkron hızı da buna bağlı olarak azalır. Ancak, mekanik atalet nedeniyle motorun rotor hızı sabit kalır ve hız değişimi belirli bir gecikme süresine sahiptir. Bu noktada, gerçek hız verilen hızdan daha büyük olur ve motorun geri elektromotor kuvveti e, frekans dönüştürücünün DC terminal voltajı u'dan daha yüksek olur, yani e>u. Bu noktada, elektrik motoru, şebekeden güç beslemesi gerektirmeyen, aynı zamanda şebekeye elektrik de gönderebilen bir jeneratör haline gelir. Bu, yalnızca iyi bir frenleme etkisi sağlamakla kalmaz, aynı zamanda kinetik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürür ve bu enerjiyi şebekeye göndererek enerji geri kazanımı sağlar ve böylece bir taşla iki kuş vurmuş olur. Elbette, bunu başarmak için otomatik kontrol için bir enerji geri besleme cihazı ünitesi bulunmalıdır. Ayrıca, enerji geri besleme devresinde AC ve DC reaktörler, direnç kapasitans emiciler, elektronik anahtarlar vb. bulunmalıdır.
Bilindiği üzere, genel frekans dönüştürücülerin köprü doğrultucu devresi üç fazlı kontrol edilemez olduğundan, DC devresi ile güç kaynağı arasında çift yönlü enerji transferi sağlamak imkansızdır. Bu soruna etkili bir çözüm, aktif invertör teknolojisini kullanmak ve doğrultucu kısmı, şebeke tarafı dönüştürücü olarak da bilinen tersinir doğrultucuyu kullanmaktır. Şebeke tarafı invertörü kontrol ederek, rejenerasyondan elde edilen elektrik enerjisi, şebeke ile aynı frekans, faz ve frekansta AC güce dönüştürülür ve frenleme sağlamak için şebekeye geri beslenir. Daha önce, aktif invertör üniteleri çoğunlukla, yalnızca arızaya eğilimli olmayan (şebeke voltaj dalgalanmaları %10'u aşmayan) kararlı şebeke voltajı altında güvenli bir şekilde geri besleme işlemi gerçekleştirebilen tristör devreleri kullanıyordu. Bu tür devreler, yalnızca arızaya eğilimli olmayan (şebeke voltaj dalgalanmaları %10'u aşmayan) kararlı şebeke voltajı altında invertörün geri besleme işlemini güvenli bir şekilde gerçekleştirebilir. Çünkü güç üretim frenleme işlemi sırasında, şebeke gerilimi frenleme süresi 2 ms'den fazlaysa, komütasyon arızası meydana gelebilir ve bileşenler hasar görebilir. Ayrıca, derin kontrol sırasında bu yöntem düşük güç faktörü, yüksek harmonik içeriği ve üst üste binen komütasyona sahip olduğundan, şebeke gerilimi dalga formunda bozulmaya neden olur. Eş zamanlı kontrol karmaşıklığı ve yüksek maliyet. Tam kontrollü cihazların pratik uygulamasıyla birlikte, PWM kontrolü kullanan kıyıcı kontrollü tersinir dönüştürücüler geliştirildi. Bu şekilde, şebeke tarafı invertörünün yapısı, her ikisi de PWM kontrolü kullanan invertörle tamamen aynıdır.
Yukarıdaki analizden, invertörün enerji geri beslemeli frenlemesini gerçekten sağlamanın anahtarının şebeke tarafındaki invertörü kontrol etmek olduğu görülebilir. Aşağıdaki metin, tam kontrollü cihazlar ve PWM kontrol yöntemi kullanılarak şebeke tarafındaki invertörün kontrol algoritmasına odaklanmaktadır.
kontrol algoritması
Şebeke tarafı invertörler için kontrol algoritması genellikle vektör kontrol algoritmasını benimser; burada vdc, v * dc ve △ vdc sırasıyla DC bara geriliminin ölçülen değerini, verilen değerini ve kontrol hatasını temsil eder; id, i * d, Δ id, şebeke tarafı invertörünün d ekseninin ölçülen değerini, verilen değerini ve kontrol hatasını temsil eder; iq, i * q, Δ iq, şebeke tarafı dönüştürücünün q ekseni akımının ölçülen değerini, verilen değerini ve kontrol hatasını temsil eder; Δ v * d, v * d ve v * q sırasıyla şebeke tarafı invertörünün d ekseni çıkış gerilimi sapma ayar noktasını, d ekseni çıkış gerilimi ayar noktasını ve q ekseni çıkış gerilimi ayar noktasını temsil eder; EABC, V * ABC ve IABC sırasıyla şebeke potansiyelinin, şebeke tarafı dönüştürücü çıkış geriliminin anlık verilen değerlerini ve üç fazlı anlık çıkış akımı değerlerini temsil eder; e. φ sırasıyla şebeke potansiyelinin genliğini ve fazını temsil eder.
Vektör kontrol algoritması, ölçülen DC bara gerilimi ile verilen değer arasındaki farkı hesaplar ve bir PI regülatörü aracılığıyla d ekseni akımının verilen değerini elde eder; ardından, şebeke geriliminin ölçülen fazına bağlı olarak, şebeke tarafı invertörünün ölçülen çıkış akımı, d ekseni akımı ve q ekseni akımının ölçülen değerlerini elde etmek için senkron olarak koordinat dönüşümüne tabi tutulur. Pi ayarlaması yapıldıktan sonra, d ekseni değeri şebeke geriliminin genliğine eklenerek d ekseni gerilimi ve q ekseni geriliminin verilen değerleri elde edilir. Senkron ters koordinat dönüşümünden sonra çıkış elde edilir.
Bu algoritmanın avantajı yüksek kontrol doğruluğu ve iyi dinamik tepkisidir; dezavantajı ise kontrol algoritmasında çok sayıda koordinat dönüşümü olması ve algoritmanın karmaşık olması, kontrol işlemcisinden yüksek hesaplama gücü gerektirmesidir.
Akım izlemeli bir PWM doğrultucu bileşimi kullanır. Bu basitleştirilmiş algoritma, ölçülen şebeke gerilimi faz arama tablosundan elde edilen üç fazlı sinüs referans değeriyle d ekseni akım ayar noktasını doğrudan çarparak üç fazlı çıkış akımının ayar noktasını elde eder ve ardından basit bir pi ayarlaması gerçekleştirerek üç fazlı çıkış geriliminin ayar noktasını elde eder ve bunu çıkışa verir. Bu algoritmada koordinat dönüşümü hesaplamalarının yapılmaması nedeniyle, kontrol işlemcisinin hesaplama gücü gereksinimleri nispeten düşüktür. Öte yandan, PI regülatörünün kendi özellikleri nedeniyle, AC akış kontrolünde belirli bir sabit durum hatası vardır, bu nedenle bu algoritmanın güç faktörü standart vektör kontrol algoritmasından daha düşüktür. Dinamik süreçler sırasında, DC bara gerilimindeki dalgalanma nispeten büyüktür ve hızlı dinamik süreçler sırasında DC bara gerilimi ve diğer arızaların meydana gelme olasılığı nispeten yüksektir.
Geri bildirim frenleme özellikleri
Kesin olarak, şebeke tarafı invertörü yalnızca bir "doğrultucu" olarak adlandırılamaz çünkü hem doğrultucu hem de invertör olarak işlev görebilir. Kendi kendini kapatan cihazların kullanımı sayesinde, AC akımının büyüklüğü ve fazı uygun PWM modu aracılığıyla kontrol edilebilir, bu da giriş akımının sinüs dalgasına yaklaşmasını ve sistemin güç faktörünün her zaman 1'e yaklaşmasını sağlar. Motor yavaşlama frenlemesiyle invertörden dönen rejeneratif güç DC gerilimini artırdığında, AC giriş akımının fazı güç kaynağı geriliminin fazından tersine çevrilerek rejeneratif çalışma sağlanabilir ve rejeneratif güç AC güç şebekesine geri beslenebilirken sistem DC gerilimini belirlenen değerde tutabilir. Bu durumda, şebeke tarafı invertörü aktif invertör durumunda çalışır. Bu, çift yönlü güç akışı elde etmeyi kolaylaştırır ve hızlı bir dinamik tepki hızına sahiptir. Aynı zamanda bu topoloji yapısı, sistemin AC ve DC tarafları arasındaki reaktif ve aktif güç alışverişini %97'ye varan bir verimlilik ve önemli ekonomik faydalarla tam olarak kontrol etmesini sağlar. Isı kaybı, frenlemedeki enerji tüketiminin %1'idir ve elektrik şebekesini kirletmez. Güç faktörü yaklaşık 1'dir, bu da çevre dostudur. Bu nedenle, geri beslemeli frenleme, özellikle sık frenlemenin gerekli olduğu durumlarda, PWM AC iletiminin enerji geri beslemeli frenleme senaryolarında enerji tasarrufu sağlayan çalışma için yaygın olarak kullanılabilir. Elektrik motorunun gücü de yüksektir ve enerji tasarrufu etkisi önemlidir. Çalışma koşullarına bağlı olarak ortalama enerji tasarrufu etkisi yaklaşık %20'dir. Geri beslemeli kontrolün uygulanmasının tek dezavantajı, kontrol sisteminin karmaşık yapısıdır.
Özetle, enerji geri besleme sistemi cihazının enerji tüketim frenlemesi ve DC frenlemeye göre çok daha üstün avantajlara sahip olduğu görülebilir. Geri besleme frenlemesi kullanılarak rejenerasyonlu elektriği şebekeye geri beslemek, enerji tüketimini azaltma ve elektrik maliyetlerinden tasarruf sağlama etkisine sahip olabilir. Bu nedenle, Çin'in çeşitli bölgelerinde hızlı ekonomik kalkınmanın neden olduğu mevcut elektrik kesintileri durumunda, geri besleme frenlerinin teşvik edilmesi ve uygulanması enerji tasarrufu açısından büyük önem taşımaktadır.