Các nhà cung cấp thiết bị hỗ trợ biến tần xin lưu ý rằng trong các hệ thống điều khiển tần số truyền thống bao gồm biến tần chung, động cơ không đồng bộ và tải cơ học, khi tải trọng tiềm năng do động cơ truyền xuống bị hạ thấp, động cơ có thể ở trạng thái phanh tái tạo; hoặc khi động cơ giảm tốc từ tốc độ cao xuống tốc độ thấp (bao gồm cả trạng thái dừng), tần số có thể giảm đột ngột, nhưng do quán tính cơ học của động cơ, nó có thể ở trạng thái phát điện tái tạo. Năng lượng cơ học được lưu trữ trong hệ thống truyền động được động cơ chuyển đổi thành năng lượng điện và được gửi trở lại mạch DC của biến tần thông qua sáu điốt tự do của biến tần. Lúc này, biến tần ở trạng thái chỉnh lưu. Tại thời điểm này, nếu không có biện pháp nào được thực hiện để tiêu thụ năng lượng trong biến tần, năng lượng này sẽ làm tăng điện áp của tụ điện lưu trữ năng lượng trong mạch trung gian. Nếu phanh quá nhanh hoặc tải cơ học là một vật nâng, phần năng lượng này có thể gây hư hỏng cho biến tần, vì vậy chúng ta nên xem xét phần năng lượng này.
Nhìn chung, có hai phương pháp được sử dụng phổ biến nhất để xử lý năng lượng tái tạo:
(1) Sự tiêu tán vào “điện trở hãm” được đặt song song với tụ điện trong mạch DC được gọi là trạng thái hãm động;
(2) Nếu được đưa trở lại lưới điện, thì được gọi là trạng thái phanh phản hồi (còn gọi là trạng thái phanh tái tạo). Có một phương pháp phanh khác, đó là phanh DC, có thể được sử dụng trong các trường hợp cần đỗ xe chính xác hoặc khi động cơ phanh quay không đều do các yếu tố bên ngoài trước khi khởi động.
Nhiều chuyên gia đã thảo luận về thiết kế và ứng dụng phanh biến tần trong sách vở và ấn phẩm, đặc biệt là gần đây, có rất nhiều bài viết về "phanh phản hồi năng lượng". Hôm nay, tác giả giới thiệu một phương pháp phanh mới, có ưu điểm là hoạt động bốn góc phần tư với "phanh phản hồi" và hiệu suất vận hành cao, cũng như lợi ích của "phanh tiêu thụ năng lượng" cho lưới điện không ô nhiễm và độ tin cậy cao.
Tiêu thụ năng lượng phanh
Phương pháp sử dụng bộ điện trở phanh trong mạch DC để hấp thụ năng lượng điện tái tạo của động cơ được gọi là phanh tiêu thụ năng lượng.
Ưu điểm của nó là cấu tạo đơn giản; Không gây ô nhiễm cho lưới điện (so với điều khiển phản hồi), chi phí thấp; Nhược điểm là hiệu suất vận hành thấp, đặc biệt là khi phanh thường xuyên, sẽ tiêu tốn một lượng năng lượng lớn và làm tăng dung lượng của điện trở phanh.
Nhìn chung, trong các bộ biến tần thông dụng, bộ biến tần công suất thấp (dưới 22kW) được trang bị bộ hãm tích hợp, chỉ cần lắp thêm điện trở hãm ngoài. Bộ biến tần công suất cao (trên 22kW) cần lắp thêm bộ hãm ngoài và điện trở hãm.
Phanh phản hồi
Để đạt được phanh phản hồi năng lượng, cần có các điều kiện như điều khiển điện áp cùng tần số và pha, điều khiển dòng điện phản hồi, v.v. Thiết bị sử dụng công nghệ biến tần chủ động để chuyển đổi năng lượng điện tái tạo thành điện xoay chiều cùng tần số và pha với lưới điện, sau đó trả về lưới điện, từ đó đạt được hiệu quả phanh.
Ưu điểm của phanh phản hồi là nó có thể hoạt động ở bốn góc phần tư, và phản hồi năng lượng điện giúp cải thiện hiệu suất của hệ thống. Nhược điểm của nó là:
(1) Phương pháp phanh phản hồi này chỉ có thể sử dụng trong điều kiện điện áp lưới ổn định, không dễ xảy ra sự cố (với dao động điện áp lưới không quá 10%). Vì trong quá trình phanh phát điện, nếu thời gian sự cố điện áp của lưới điện lớn hơn 2ms, có thể xảy ra lỗi chuyển mạch và các thành phần có thể bị hư hỏng.
(2) Trong quá trình phản hồi, có ô nhiễm sóng hài vào lưới điện.
(3) Việc kiểm soát phức tạp và chi phí cao.
Phương pháp phanh mới (phanh phản hồi tụ điện)
Nguyên lý mạch chính
Bộ phận chỉnh lưu sử dụng cầu chỉnh lưu không điều khiển chung để chỉnh lưu, mạch lọc sử dụng tụ điện phân vạn năng, và mạch trễ sử dụng contactor hoặc thyristor. Mạch nạp và phản hồi bao gồm một module công suất IGBT, một cuộn kháng nạp và phản hồi L, và một tụ điện phân lớn C (với dung lượng khoảng vài phần mười mét, có thể được xác định theo hệ điều hành của biến tần). Bộ phận biến tần được cấu thành từ module công suất IGBT. Mạch bảo vệ được cấu thành từ IGBT và điện trở công suất.
1) Tình hình vận hành phát điện bằng động cơ điện
CPU theo dõi điện áp AC đầu vào và điện áp mạch DC (μ d) theo thời gian thực và xác định xem có gửi tín hiệu sạc đến VT1 hay không. Khi μ d cao hơn giá trị điện áp DC tương ứng (chẳng hạn như 380VAC -530VDC) của điện áp AC đầu vào, CPU sẽ tắt VT3 và sạc tụ điện phân C thông qua dẫn xung của VT1. Lúc này, cuộn kháng L và tụ điện phân C được phân chia để đảm bảo tụ điện phân C hoạt động trong phạm vi an toàn. Khi điện áp trên tụ điện phân C đạt đến giá trị nguy hiểm (chẳng hạn như 370V) trong khi hệ thống vẫn đang ở trạng thái phát điện và năng lượng điện liên tục được gửi trở lại mạch DC thông qua biến tần, mạch an toàn đóng vai trò thực hiện phanh tiêu thụ năng lượng (phanh điện trở), điều khiển việc tắt và bật VT3, do đó hiện thực hóa việc tiêu thụ năng lượng dư thừa của điện trở R. Nhìn chung, tình huống này không xảy ra.
(2) Trạng thái hoạt động của động cơ điện
Khi CPU phát hiện hệ thống không còn sạc, nó sẽ dẫn xung VT3, tạo ra điện áp dương trái và âm phải tức thời trên cuộn kháng L. Kết hợp với điện áp trên tụ điện phân C, quá trình phản hồi năng lượng từ tụ điện đến mạch DC có thể đạt được. CPU điều khiển tần số chuyển mạch và chu kỳ làm việc của VT3 bằng cách phát hiện điện áp trên tụ điện phân C và điện áp trong mạch DC, từ đó điều khiển dòng điện phản hồi và đảm bảo điện áp ν d của mạch DC không quá cao.
Khó khăn của hệ thống
(1) Lựa chọn lò phản ứng
(a)、 Chúng tôi xem xét đặc thù của điều kiện vận hành và giả định rằng một lỗi nào đó xảy ra trong hệ thống, khiến tải năng lượng tiềm tàng mà động cơ mang theo tăng tốc tự do và giảm. Lúc này, động cơ đang ở trạng thái vận hành phát điện.
Năng lượng tái tạo được đưa trở lại mạch DC thông qua sáu diode tự do, làm tăng ∆ d và nhanh chóng đưa bộ biến tần vào trạng thái sạc. Lúc này, dòng điện sẽ rất cao. Vì vậy, đường kính dây phản ứng được chọn phải đủ lớn để dòng điện có thể đi qua lúc này.
(b)、 Trong vòng phản hồi, để giải phóng càng nhiều năng lượng điện càng tốt trước khi tụ điện phân tích điện tiếp theo, việc chọn lõi sắt thông thường (tấm thép silic) không thể đạt được mục tiêu. Tốt nhất nên chọn lõi sắt làm bằng vật liệu ferit. Nhìn vào giá trị dòng điện được xem xét ở trên, có thể thấy lõi sắt này lớn đến mức nào. Hiện chưa rõ trên thị trường có lõi sắt ferit lớn như vậy hay không. Cho dù có thì giá của nó chắc chắn cũng không hề thấp.
Vì vậy, tác giả đề xuất sử dụng một lò phản ứng cho mỗi mạch sạc và mạch phản hồi.
(2) Khó khăn trong việc kiểm soát
(a)、 Trong mạch DC của bộ biến tần, điện áp ν d thường cao hơn 500VDC, trong khi điện áp chịu đựng của tụ điện phân C chỉ là 400VDC, cho thấy việc điều khiển quá trình sạc này không giống như phương pháp điều khiển phanh năng lượng (phanh điện trở). Độ sụt áp tức thời sinh ra trên cuộn kháng là, và điện áp sạc tức thời của tụ điện phân C là ν c = ν d - ν L. Để đảm bảo tụ điện phân hoạt động trong phạm vi an toàn (≤ 400V), cần phải điều khiển hiệu quả độ sụt áp ν L trên cuộn kháng, điều này lại phụ thuộc vào tốc độ thay đổi tức thời của độ tự cảm và dòng điện.
(b)、 Trong quá trình phản hồi, cũng cần phải ngăn chặn sự phóng điện năng từ tụ điện phân C gây ra điện áp mạch DC quá mức qua bộ kháng, dẫn đến bảo vệ quá áp trong hệ thống.
Các kịch bản ứng dụng chính
Chính vì tính ưu việt của phương pháp phanh mới này (phanh phản hồi tụ điện) của bộ biến tần mà gần đây nhiều người dùng đã đề xuất trang bị hệ thống này dựa trên đặc tính của thiết bị. Với sự mở rộng phạm vi ứng dụng của bộ biến tần, công nghệ ứng dụng này sẽ có triển vọng phát triển to lớn. Cụ thể, nó chủ yếu được sử dụng trong các ngành công nghiệp như tời mỏ (để chở người hoặc tải vật liệu), xe mỏ nghiêng (ống đơn hoặc ống đôi) và máy móc nâng hạ. Trong mọi trường hợp, các thiết bị phản hồi năng lượng đều có thể được sử dụng trong các tình huống cần thiết.