Постачальники блоків зворотного зв'язку за енергією нагадують, що перетворювачі частоти часто стикаються з різними проблемами під час налагодження та використання, серед яких найпоширенішою є перенапруга. Після виникнення перенапруги, щоб запобігти пошкодженню внутрішнього кола, активується функція захисту від перенапруги перетворювача частоти, що призводить до зупинки перетворювача частоти та неправильної роботи обладнання.
Тому необхідно вжити заходів для усунення перенапруги та запобігання виникненню несправностей. Через різні сценарії застосування перетворювачів частоти та двигунів причини перенапруги також різні, тому відповідні заходи слід вживати залежно від конкретної ситуації.
Генерація перенапруги в перетворювачі частоти та рекуперативному гальмуванні
Так зване перенапруження перетворювача частоти стосується ситуації, коли напруга перетворювача частоти перевищує номінальну напругу з різних причин, що головним чином проявляється в напрузі постійного струму шини постійного струму перетворювача частоти.
Під час нормальної роботи напруга постійного струму перетворювача частоти є середнім значенням після трифазного повнохвильового випрямлення. Якщо розраховувати на основі напруги мережі 380 В, то середня напруга постійного струму Ud=1,35 U, а лінія=513 В.
У разі перенапруги конденсатор накопичувача енергії на шині постійного струму заряджається. Коли напруга зростає приблизно до 700 В (залежно від моделі), спрацьовує захист від перенапруги перетворювача частоти.
Існує дві основні причини перенапруги в перетворювачах частоти: перенапруга живлення та рекуперативна перенапруга.
Перенапруга живлення – це ситуація, коли напруга шини постійного струму перевищує номінальне значення через надмірну напругу живлення. Сьогодні вхідна напруга більшості перетворювачів частоти може сягати 460 В, тому перенапруга, спричинена живленням, трапляється вкрай рідко.
Основним питанням, що обговорюється в цій статті, є регенерація перенапруги.
Основні причини виникнення рекуперативної перенапруги такі: коли навантаження GD2 (крутний момент маховика) сповільнюється, час уповільнення, встановлений перетворювачем частоти, занадто короткий;
Під час опускання двигун піддається впливу зовнішніх сил (таких як вентилятори та розтяжні машини) або потенційних навантажень (таких як ліфти та крани). Через ці причини фактична швидкість двигуна вища за задану швидкість перетворювача частоти, що означає, що швидкість ротора двигуна перевищує синхронну швидкість. У цей час коефіцієнт ковзання двигуна є негативним, а напрямок обмотки ротора, що перерізає обертове магнітне поле, протилежний напрямку стану двигуна. Електромагнітний момент, що генерується ним, є гальмівним моментом, який перешкоджає напрямку обертання. Таким чином, електродвигун фактично знаходиться в стані генерації, а кінетична енергія навантаження «регенерується» в електричну енергію.
Рекуперативна енергія заряджається на конденсатор постійного струму інвертора через діод вільного ходу інвертора, що призводить до підвищення напруги шини постійного струму, що називається рекуперативною перенапругою. Крутний момент, що генерується під час процесу рекуперативної перенапруги, протилежний початковому крутному моменту, який є гальмівним моментом. Тому процес рекуперативної перенапруги також є процесом рекуперативного гальмування.
Іншими словами, усунення рекуперативної енергії збільшує гальмівний момент. Якщо рекуперативна енергія невелика, то інвертор і двигун самі мають рекуперативну гальмівну здатність 20, і ця частина електричної енергії буде споживатися інвертором і двигуном. Якщо ця енергія перевищує споживану здатність перетворювача частоти та двигуна, конденсатор кола постійного струму буде перезаряджений, і функція захисту від перенапруги перетворювача частоти буде активована, що призведе до зупинки роботи. Щоб уникнути цієї ситуації, необхідно своєчасно утилізувати цю енергію, одночасно збільшуючи гальмівний момент, що є метою рекуперативного гальмування.
Заходи щодо запобігання перенапрузі перетворювачів частоти
Через різні причини перенапруги, вжиті заходи також відрізняються. Для вирішення проблеми перенапруги, що виникає під час паркування, якщо немає спеціальних вимог до часу або місця паркування, можна використовувати метод збільшення часу уповільнення перетворювача частоти або вільне паркування. Так зване вільне паркування означає, що перетворювач частоти відключає головний вимикач, дозволяючи двигуну вільно ковзати та зупинятися.
Якщо є певні вимоги щодо часу або місця паркування, можна використовувати функцію гальмування постійним струмом.
Функція гальмування постійним струмом полягає в уповільненні двигуна до певної частоти, а потім подачі постійного струму до обмотки статора двигуна для формування статичного магнітного поля.
Обмотка ротора двигуна зрізає це магнітне поле та генерує гальмівний момент, який перетворює кінетичну енергію навантаження на електричну енергію та споживає її у вигляді тепла в колі ротора двигуна. Тому цей тип гальмування також відомий як енергоємне гальмування. Процес гальмування постійним струмом фактично включає два процеси: рекуперативне гальмування та гальмування зі споживанням енергії. Цей метод гальмування має ефективність лише 30-60% від рекуперативного гальмування, а гальмівний момент відносно невеликий. Через те, що споживання енергії в двигун може спричинити перегрів, час гальмування не повинен бути занадто довгим.
Більше того, частота запуску, час гальмування та напруга гальмування постійного струму встановлюються вручну та не можуть бути автоматично скориговані залежно від рівня рекуперативної напруги. Тому гальмування постійним струмом не може використовуватися при перенапрузі, що виникає під час нормальної роботи, і може використовуватися лише для гальмування під час паркування.
Для вирішення проблеми перенапруги, спричиненої надмірним GD2 (крутним моментом маховика) навантаження під час уповільнення (з високої швидкості на низьку без зупинки), можна застосувати метод відповідного збільшення часу уповільнення. Фактично, цей метод також використовує принцип рекуперативного гальмування. Збільшення часу уповільнення контролює лише швидкість заряджання інвертора рекуперативною напругою навантаження, щоб раціонально використовувати рекуперативну гальмівну здатність самого інвертора. Що стосується навантажень, які переводять двигун у рекуперативний стан через зовнішні сили (включаючи потенційне вивільнення енергії), оскільки вони нормально працюють у стані гальмування, рекуперативна енергія занадто висока, щоб споживатися самим перетворювачем частоти. Тому неможливо використовувати гальмування постійним струмом або збільшити час уповільнення.
Порівняно з гальмуванням постійним струмом, рекуперативне гальмування має вищий гальмівний момент, а величина гальмівного моменту може автоматично регулюватися гальмівним блоком перетворювача частоти відповідно до необхідного гальмівного моменту навантаження (тобто рівня рекуперативної енергії). Тому рекуперативне гальмування є найбільш придатним для забезпечення гальмівного моменту навантаження під час нормальної роботи.
Метод рекуперативного гальмування з перетворенням частоти:
1. Тип споживання енергії:
Цей метод передбачає паралельне підключення гальмівного резистора до кола постійного струму перетворювача частоти та керування вмиканням/вимиканням силового транзистора шляхом виявлення напруги шини постійного струму. Коли напруга шини постійного струму підвищується приблизно до 700 В, силовий транзистор проводить струм, передаючи рекуперовану енергію в резистор і споживаючи її у вигляді теплової енергії, тим самим запобігаючи підвищенню напруги постійного струму. Через неможливість використання рекуперативної енергії, він належить до типу, що споживає енергію. Як тип, що споживає енергію, його відмінність від гальмування постійним струмом полягає в тому, що він споживає енергію на гальмівному резисторі поза двигуном, тому двигун не перегрівається і може працювати частіше.
2. Тип поглинання паралельної шини постійного струму:
Підходить для систем приводу з кількома двигунами (наприклад, розтяжних машин), у яких кожен двигун потребує перетворювача частоти, кілька перетворювачів частоти використовують один перетворювач на стороні мережі, а всі інвертори підключені паралельно до спільної шини постійного струму. У цій системі часто один або кілька двигунів працюють нормально в стані гальмування. Двигун у стані гальмування тягнеться іншими двигунами для генерації рекуперативної енергії, яка потім поглинається двигуном в електричному стані через паралельну шину постійного струму. Якщо вона не може бути повністю поглинена, вона споживається через спільний гальмівний резистор. Рекуперована енергія тут частково поглинається та використовується, але не подається назад в енергомережу.
3. Тип зворотного зв'язку по енергії:
Інверторний перетворювач зі зворотним зв'язком по енергії, що працює на стороні мережі, є реверсивним. Коли генерується рекуперативна енергія, реверсивний перетворювач подає її назад у мережу, дозволяючи повністю використовувати її. Але цей метод вимагає високої стабільності джерела живлення, і якщо трапляється раптове відключення електроенергії, виникає інверсія та перекидання.