Các nhà cung cấp bộ phản hồi năng lượng lưu ý rằng biến tần thường gặp phải nhiều vấn đề khác nhau trong quá trình gỡ lỗi và sử dụng, trong đó quá áp là vấn đề phổ biến nhất. Sau khi quá áp xảy ra, để tránh làm hỏng mạch bên trong, chức năng bảo vệ quá áp của biến tần sẽ được kích hoạt, khiến biến tần ngừng hoạt động, dẫn đến thiết bị không hoạt động bình thường.
Do đó, cần phải có biện pháp loại bỏ quá áp và ngăn ngừa sự cố. Do ứng dụng của biến tần và động cơ khác nhau, nguyên nhân gây ra quá áp cũng khác nhau, do đó cần áp dụng các biện pháp tương ứng tùy theo tình huống cụ thể.
Tạo ra quá điện áp trong bộ biến tần và phanh tái tạo
Cái gọi là quá điện áp của bộ biến tần là tình huống điện áp của bộ biến tần vượt quá điện áp định mức do nhiều lý do khác nhau, chủ yếu biểu hiện ở điện áp DC của bus DC của bộ biến tần.
Trong quá trình vận hành bình thường, điện áp DC của biến tần là giá trị trung bình sau khi chỉnh lưu toàn sóng ba pha. Nếu tính toán dựa trên điện áp lưới 380V, điện áp DC trung bình Ud = 1,35U = 513V.
Khi xảy ra quá áp, tụ điện lưu trữ năng lượng trên bus DC sẽ được sạc. Khi điện áp tăng lên khoảng 700V (tùy thuộc vào model), chức năng bảo vệ quá áp của bộ biến tần sẽ được kích hoạt.
Có hai lý do chính gây ra tình trạng quá điện áp trong bộ biến tần: quá điện áp nguồn và quá điện áp tái tạo.
Quá áp nguồn là tình trạng điện áp bus DC vượt quá giá trị định mức do điện áp nguồn cung cấp quá cao. Hiện nay, điện áp đầu vào của hầu hết các bộ biến tần có thể đạt tới 460V, do đó hiện tượng quá áp do nguồn cung cấp cực kỳ hiếm gặp.
Vấn đề chính được thảo luận trong bài viết này là sự tái tạo quá điện áp.
Nguyên nhân chính gây ra quá điện áp tái tạo như sau: khi tải GD2 (mô-men xoắn bánh đà) giảm tốc, thời gian giảm tốc do bộ biến tần cài đặt quá ngắn;
Khi hạ xuống, động cơ chịu tác động của ngoại lực (như quạt và máy kéo) hoặc tải trọng tiềm tàng (như thang máy và cần cẩu). Do những lý do này, tốc độ thực tế của động cơ cao hơn tốc độ được điều khiển bởi bộ biến tần, nghĩa là tốc độ rotor của động cơ vượt quá tốc độ đồng bộ. Lúc này, hệ số trượt của động cơ âm, và hướng của cuộn dây rotor cắt từ trường quay ngược với hướng của động cơ. Mô-men xoắn điện từ do nó tạo ra chính là mô-men xoắn hãm cản trở hướng quay. Vì vậy, động cơ điện thực chất đang ở trạng thái phát điện, và động năng của tải được 'tái tạo' thành năng lượng điện.
Năng lượng tái tạo được nạp vào tụ điện lưu trữ năng lượng DC của biến tần thông qua diode tự do của biến tần, khiến điện áp bus DC tăng lên, được gọi là quá áp tái tạo. Mô-men xoắn được tạo ra trong quá trình tái tạo quá áp ngược với mô-men xoắn ban đầu, đó là mô-men xoắn hãm. Do đó, quá trình tái tạo quá áp cũng chính là quá trình hãm tái tạo.
Nói cách khác, việc loại bỏ năng lượng tái tạo sẽ làm tăng mô-men xoắn phanh. Nếu năng lượng tái tạo không lớn, bản thân biến tần và động cơ có khả năng phanh tái tạo là 20, và phần năng lượng điện này sẽ được biến tần và động cơ tiêu thụ. Nếu năng lượng này vượt quá khả năng tiêu thụ của biến tần và động cơ, tụ điện của mạch DC sẽ bị quá tải, và chức năng bảo vệ quá áp của biến tần sẽ được kích hoạt, khiến hoạt động dừng lại. Để tránh tình trạng này, cần phải xử lý năng lượng này kịp thời, đồng thời tăng mô-men xoắn phanh, đây chính là mục đích của phanh tái tạo.
Các biện pháp phòng ngừa quá áp của bộ biến tần
Do nguyên nhân gây quá áp khác nhau, biện pháp áp dụng cũng khác nhau. Đối với hiện tượng quá áp phát sinh trong quá trình đỗ xe, nếu không có yêu cầu đặc biệt về thời gian hoặc vị trí đỗ xe, có thể sử dụng phương pháp kéo dài thời gian giảm tốc của bộ biến tần hoặc đỗ xe tự do. Cái gọi là đỗ xe tự do là việc bộ biến tần ngắt kết nối thiết bị chuyển mạch chính, cho phép động cơ trượt tự do và dừng lại.
Nếu có yêu cầu nhất định về thời gian đỗ xe hoặc vị trí đỗ xe, có thể sử dụng chức năng phanh DC.
Chức năng phanh DC là làm chậm động cơ đến một tần số nhất định, sau đó cấp nguồn DC vào cuộn dây stato của động cơ để tạo thành từ trường tĩnh.
Cuộn dây rô-to động cơ cắt từ trường này và tạo ra mô-men xoắn phanh, chuyển đổi động năng của tải thành năng lượng điện và tiêu thụ năng lượng này dưới dạng nhiệt trong mạch rô-to động cơ. Do đó, loại phanh này còn được gọi là phanh tiêu thụ năng lượng. Quá trình phanh DC thực chất bao gồm hai quá trình: phanh tái tạo và phanh tiêu thụ năng lượng. Phương pháp phanh này có hiệu suất chỉ bằng 30-60% phanh tái tạo, và mô-men xoắn phanh tương đối nhỏ. Do việc tiêu thụ năng lượng vào động cơ có thể gây ra quá nhiệt, thời gian phanh không nên quá dài.
Hơn nữa, tần số khởi động, thời gian phanh và điện áp phanh của phanh DC đều được thiết lập thủ công và không thể tự động điều chỉnh dựa trên mức điện áp tái tạo. Do đó, phanh DC không thể được sử dụng để xử lý quá áp phát sinh trong quá trình vận hành bình thường và chỉ có thể được sử dụng để phanh khi đỗ xe.
Đối với quá điện áp gây ra bởi GD2 (mô-men xoắn bánh đà) quá mức của tải trong quá trình giảm tốc (từ tốc độ cao xuống tốc độ thấp mà không dừng lại), có thể áp dụng phương pháp kéo dài thời gian giảm tốc một cách thích hợp để giải quyết. Trên thực tế, phương pháp này cũng sử dụng nguyên lý phanh tái sinh. Việc kéo dài thời gian giảm tốc chỉ kiểm soát tốc độ sạc của biến tần bằng điện áp tái sinh của tải, để sử dụng hợp lý khả năng phanh tái sinh của chính biến tần. Đối với các tải khiến động cơ ở trạng thái tái sinh do các lực bên ngoài (bao gồm cả giải phóng năng lượng tiềm ẩn), vì chúng hoạt động bình thường ở trạng thái phanh, nên năng lượng tái sinh quá cao để bộ biến tần tự tiêu thụ. Do đó, không thể sử dụng phanh DC hoặc kéo dài thời gian giảm tốc.
So với phanh DC, phanh tái tạo có mô-men phanh cao hơn, và biên độ mô-men phanh có thể được tự động điều khiển bởi bộ phận phanh của bộ biến tần theo mô-men phanh cần thiết của tải (tức là mức năng lượng tái tạo). Do đó, phanh tái tạo phù hợp nhất để cung cấp mô-men phanh cho tải trong quá trình vận hành bình thường.
Phương pháp phanh tái tạo biến đổi tần số:
1. Loại tiêu thụ năng lượng:
Phương pháp này bao gồm việc mắc song song một điện trở hãm trong mạch DC của bộ biến tần và điều khiển bật/tắt transistor công suất bằng cách phát hiện điện áp bus DC. Khi điện áp bus DC tăng lên khoảng 700V, transistor công suất sẽ dẫn điện, truyền năng lượng tái tạo vào điện trở và tiêu thụ dưới dạng nhiệt năng, do đó ngăn chặn sự tăng điện áp DC. Do không thể sử dụng năng lượng tái tạo, phương pháp này thuộc loại tiêu thụ năng lượng. Là một loại tiêu thụ năng lượng, điểm khác biệt của nó so với phanh DC là nó tiêu thụ năng lượng trên điện trở hãm bên ngoài động cơ, do đó động cơ sẽ không bị quá nhiệt và có thể hoạt động thường xuyên hơn.
2. Loại hấp thụ bus DC song song:
Phù hợp với các hệ thống truyền động nhiều động cơ (như máy kéo giãn), trong đó mỗi động cơ cần một bộ biến tần, nhiều bộ biến tần dùng chung một bộ biến tần phía lưới điện, và tất cả các biến tần được kết nối song song với một bus DC chung. Trong hệ thống này, thường có một hoặc nhiều động cơ hoạt động bình thường ở trạng thái phanh. Động cơ ở trạng thái phanh được kéo bởi các động cơ khác để tạo ra năng lượng tái tạo, sau đó được động cơ ở trạng thái điện hấp thụ thông qua một bus DC song song. Nếu không thể hấp thụ hoàn toàn, năng lượng sẽ được tiêu thụ thông qua một điện trở phanh chung. Năng lượng tái tạo ở đây được hấp thụ và sử dụng một phần, nhưng không được đưa trở lại lưới điện.
3. Loại phản hồi năng lượng:
Bộ biến tần phản hồi năng lượng phía lưới điện có khả năng đảo ngược. Khi năng lượng tái tạo được tạo ra, bộ biến đổi thuận nghịch sẽ phản hồi năng lượng tái tạo về lưới điện, cho phép năng lượng tái tạo được sử dụng tối đa. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi nguồn điện phải ổn định cao, và khi mất điện đột ngột, hiện tượng đảo ngược và đảo pha sẽ xảy ra.