Постачальники пристроїв зворотного зв'язку щодо енергії для перетворювачів частоти нагадують вам, що наразі просте гальмування зі споживаною енергією широко використовується в системах керування швидкістю перетворення частоти змінного струму, які мають такі недоліки, як марна витрата електроенергії, сильний нагрівання резистора та низька ефективність швидкого гальмування. Коли асинхронні двигуни часто гальмують, використання гальмування зі зворотним зв'язком є дуже ефективним методом енергозбереження та дозволяє уникнути пошкодження навколишнього середовища та обладнання під час гальмування. Задовільні результати були досягнуті в таких галузях промисловості, як електровози та видобуток нафти. З постійною появою нових силових електронних пристроїв, підвищенням економічної ефективності та усвідомленням людей питання енергозбереження та скорочення споживання існує широкий спектр перспектив застосування.
Гальмівний пристрій зі зворотним зв'язком за енергією особливо підходить для ситуацій, коли потужність двигуна велика, наприклад, більше або дорівнює 100 кВт, момент інерції обладнання gd2 великий, і він належить до системи короткочасної безперервної роботи, що повторюється. Зменшення уповільнення з високої швидкості на низьку є тривалим, час гальмування короткий, і потрібне сильне гальмування. Для покращення ефекту енергозбереження та зменшення втрат енергії під час гальмування також необхідно рекуперувати енергію уповільнення та передати її в електромережу для досягнення ефекту енергозбереження.
Принцип гальмування зі зворотним зв'язком
У системі регулювання швидкості зі змінною частотою уповільнення та зупинка двигуна досягаються шляхом поступового зниження частоти. У момент зменшення частоти синхронна швидкість двигуна відповідно зменшується. Однак через механічну інерцію швидкість ротора двигуна залишається незмінною, а зміна його швидкості має певний часовий лаг. У цей час фактична швидкість буде більшою за задану, що призведе до ситуації, коли зворотна електрорушійна сила e двигуна буде вищою за напругу постійного струму на клемах u перетворювача частоти, тобто e>u. У цей момент електродвигун стає генератором, який не тільки не потребує живлення від мережі, але й може подавати електроенергію в мережу. Це не тільки має хороший гальмівний ефект, але й перетворює кінетичну енергію в електричну, яку можна подавати в мережу для рекуперації енергії, вбиваючи двох зайців одним пострілом. Звичайно, для досягнення цього повинен бути блок зворотного зв'язку по енергії для автоматичного керування. Крім того, схема зворотного зв'язку по енергії повинна також включати реактори змінного та постійного струму, ємнісні абсорбери, електронні перемикачі тощо.
Як добре відомо, схема мостового випрямляча загальних перетворювачів частоти є трифазною некерованою, тому неможливо досягти двонаправленої передачі енергії між колом постійного струму та джерелом живлення. Ефективним рішенням цієї проблеми є використання технології активного інвертора, а випрямляч використовує реверсивний випрямляч, також відомий як мережевий перетворювач. Керуючи мережевим інвертором, регенерована електрична енергія перетворюється на змінний струм з тією ж частотою, фазою та частотою, що й мережа, та подається назад у мережу для гальмування. Раніше в активних інверторних блоках переважно використовувалися тиристорні схеми, які могли безпечно виконувати роботу зі зворотним зв'язком лише за стабільної напруги мережі, яка не схильна до несправностей (коливання напруги мережі не перевищують 10%). Цей тип схеми може безпечно виконувати роботу зі зворотним зв'язком інвертора лише за стабільної напруги мережі, яка не схильна до несправностей (коливання напруги мережі не перевищують 10%). Оскільки під час гальмування генерації електроенергії, якщо час гальмування напругою мережі перевищує 2 мс, може виникнути збій комутації та пошкодження компонентів. Крім того, під час глибокого керування цей метод має низький коефіцієнт потужності, високий вміст гармонік та перекриття комутації, що призводить до спотворення форми хвилі напруги електромережі. Одночасно це призводить до складності керування та високої вартості. Завдяки практичному застосуванню повністю керованих пристроїв, люди розробили реверсивні перетворювачі з переривчастим керуванням, що використовують ШІМ-керування. Таким чином, структура інвертора на стороні мережі повністю ідентична структурі інвертора, обидва з яких використовують ШІМ-керування.
З наведеного вище аналізу видно, що для справжнього досягнення гальмування інвертора зі зворотним зв'язком по енергії ключовим є керування інвертором з боку мережі. У наступному тексті основна увага приділяється алгоритму керування інвертором з боку мережі з використанням повністю керованих пристроїв та методу ШІМ-керування.
алгоритм керування
Алгоритм керування для мережевих інверторів зазвичай використовує векторний алгоритм керування, де vdc, v * dc та △ vdc представляють відповідно виміряне значення, задане значення та похибку керування напругою шини постійного струму; id、i*d、 Δ id представляє виміряне значення, задане значення та похибку керування осі d мережевого інвертора; iq、i*q、 Δ iq представляє виміряне значення, задане значення та похибку керування струмом осі q мережевого перетворювача; Δ v * d, v * d та v * q відповідно представляють задане значення відхилення вихідної напруги осі d, задане значення вихідної напруги осі d та задане значення вихідної напруги осі q мережевого інвертора; EABC, V * ABC та IABC відповідно представляють миттєві задані значення потенціалу мережі, вихідної напруги мережевого перетворювача та миттєві значення вихідного струму трифазного типу; тобто φ представляє відповідно амплітуду та фазу потенціалу мережі.
Алгоритм векторного керування обчислює різницю між виміряною напругою шини постійного струму та заданим значенням, і отримує задане значення струму по осі d за допомогою ПІ-регулятора. Потім, на основі виміряної фази напруги мережі, виміряний вихідний струм інвертора з боку мережі синхронно перетворюється за координатами для отримання виміряних значень струму по осі d та струму по осі q. Після корекції ПІ значення по осі d додається до амплітуди напруги мережі для отримання заданих значень напруги по осі d та напруги по осі q. Після синхронного оберненого перетворення координат отримується вихідний сигнал.
Перевагою цього алгоритму є висока точність керування та хороша динамічна характеристика; недоліком є те, що в алгоритмі керування є багато перетворень координат, а сам алгоритм є складним, що вимагає високої обчислювальної потужності від процесора керування.
Він використовує структуру випрямляча ШІМ зі відстеженням струму. Цей спрощений алгоритм безпосередньо множить задане значення струму по осі d на опорне значення трифазного синусоїдального струму, отримане з таблиці пошуку фаз виміряної напруги мережі, щоб отримати задане значення вихідного струму трифазного струму, а потім виконує просте коригування π для отримання заданого значення вихідної напруги трифазного струму та виведення його. Через відсутність обчислень перетворення координат у цьому алгоритмі, вимоги до обчислювальної потужності для процесора керування є відносно низькими. З іншого боку, через характеристики самого π-регулятора існує певна стаціонарна похибка в його регулюванні потоку змінного струму, тому коефіцієнт потужності цього алгоритму нижчий, ніж у стандартного алгоритму векторного керування. Під час динамічних процесів коливання напруги шини постійного струму є відносно великими, а ймовірність виникнення напруги шини постійного струму та інших несправностей під час швидких динамічних процесів є відносно високою.
Характеристики гальмування зі зворотним зв'язком
Строго кажучи, мережевий інвертор не можна просто називати «випрямлячем», оскільки він може функціонувати як випрямляч, так і як інвертор. Завдяки використанню пристроїв самовимкнення, величину та фазу змінного струму можна контролювати за допомогою відповідного режиму ШІМ, що робить вхідний струм наближеним до синусоїди та забезпечує, щоб коефіцієнт потужності системи завжди наближався до 1. Коли рекуперативна потужність, що повертається від інвертора шляхом гальмування двигуна, збільшує напругу постійного струму, фаза вхідного змінного струму може бути зворотною відносно фази напруги живлення для досягнення рекуперативного режиму, і рекуперативна потужність може бути подана назад до мережі змінного струму, при цьому система все ще може підтримувати напругу постійного струму на заданому значенні. У цьому випадку мережевий інвертор працює в активному стані інвертора. Це дозволяє легко досягти двонаправленого потоку потужності та має високу динамічну швидкість відгуку. Водночас, така топологічна структура дозволяє системі повністю контролювати обмін реактивною та активною потужністю між сторонами змінного та постійного струму з ефективністю до 97% та значними економічними перевагами. Втрати тепла становлять 1% від споживання енергії при гальмуванні та не забруднюють енергомережу. Коефіцієнт потужності становить близько 1, що є екологічно чистим. Тому гальмування зі зворотним зв'язком може широко використовуватися для енергозберігаючої роботи в сценаріях гальмування зі зворотним зв'язком для ШІМ-передачі змінного струму, особливо в ситуаціях, коли потрібне часте гальмування. Потужність електродвигуна також висока, а ефект енергозбереження значний. Залежно від умов експлуатації, середній ефект енергозбереження становить близько 20%. Єдиним недоліком впровадження керування зі зворотним зв'язком є складна структура системи керування.
Підсумовуючи, можна побачити, що пристрій системи зворотного зв'язку за енергією має значно кращі переваги порівняно з гальмуванням за споживанням енергії та гальмуванням постійним струмом. Використання гальмування зі зворотним зв'язком для повернення рекуперативної електроенергії в мережу може досягти ефекту зниження споживання енергії та економії витрат на електроенергію. Тому в нинішній ситуації дефіциту електроенергії, спричиненого швидким економічним розвитком у різних частинах Китаю, просування та застосування гальм зі зворотним зв'язком має важливе значення для енергозбереження.