Традиционным способом избавления от лишней энергии, выделяемой в преобразователях частоты во время торможения управляемых ими асинхронных двигателей, было рассеивание оной в форме тепла на резисторах. Тормозные резисторы применялись везде, где имела место высокая инерция нагрузки, например в центрифугах, на электротранспорте, на нагрузочных стендах и т. п.

Такое решение было необходимостью, чтобы ограничить максимальное напряжение на зажимах преобразователей в режиме торможения. Иначе бы частотные преобразователи выходили из строя, ведь было бы невозможно контролировать параметры разгона и торможения.

Тормозные резисторы не обременяли экономически оборудование, но некоторые неудобства за собой неизменно влекли. Резисторы габаритны, сильно разогреваются, нужна защита от влаги и пыли. И все это связано лишь с тем, что нужно рассеять впустую энергию, за которую предприятие платит деньги, и деньги не малые, если тем более речь о крупном производстве.

Летом особенно нежелателен дополнительный нагрев окружающего воздуха, ведь технологическое оборудование и так нагрето теплым воздухом, а тут еще и резисторы, прогретые до 100 градусов и выше. Нужна дополнительная вентиляция — снова расходы.

Но есть и другой путь. Зачем рассеивать энергию впустую? Можно вернуть ее в сеть обратно, и так сэкономить энергозатраты. Тут то и приходят на помощь системы рекуперации электроэнергии.

Безусловно, частотные преобразователи сегодняшнего дня сильно сокращают потребление электричества оборудованием, благодаря оптимизации способа питания двигателей различного технологического оборудования, и это экономит ресурсы. Но применение рекуперации еще более наращивает экономию. Энергия может не рассеиваться на резисторах при торможении, а возвращаться в сеть с учетом текущих параметров сети.

На сегодняшний день ведущие производители промышленных механизмов и оборудования уже внедряют такие системы на электротранспорте: для троллейбусов, электропоездов, эскалаторов, трамваев, наконец — для электрокаров.

Как же работает система рекуперации? Источник переменного тока, питающий двигатель или другую установку, должен суметь принять энергию назад. Для этого вместо обычного выпрямителя применяется преобразователь с широтно-импульсной модуляцией. Такой преобразователь в состоянии направлять потоки мощности как от источника к потребителю, так и от потребителя к источнику. Данный путь позволяет довести коэффициент мощности до единицы.

Типичный IGBT-каскад частотного преобразователя, работающий в режиме рекуперации, сначала представляется как выпрямитель синусоидального тока, однако при торможении он генерирует сигнал с широтно-импульсной модуляцией, при котором направление тока, при напряжении на зажимах выше определенного уровня, оказывается направленным не от сети, а к сети из цепи потребителя.

Разница напряжений питающей сети и цепи нагрузки прикладывается к рекуперационному индуктору. Индуктивность блокирует высокочастотные гармоники, и получается почти чистый синусоидальный ток, здесь не требуется синхронизирующего оборудования, достаточно подать три тестирующих импульса от ШИМ-модулятора в сеть, чтобы определить частоту и фазу напряжения в текущий момент.

Примером могут служить частотные преобразователи с системой рекуперации фирмы Control Techniques, которые служат в частности на заводах Lamborghini и Nissan для питания стендов динамических испытаний, а также на эскалаторах и в различных металлургических решениях.

Суть везде одна и та же — создается двунаправленный поток энергии как к потребителю из сети, от источника, так и из потребителя к сеть. При проектировании рекуперационных систем учитывают рад факторов: диапазон сетевого напряжения, номинал оборудования и коэффициент мощности, максимальная мощность с учетом перегрузки, уровень потерь.

Схема, приведенная на рисунке, демонстрирует одномоторное решение, где привод двигателя и привод рекуператора представлены каждый в одном экземпляре, их номиналы равны. Но порой случаются перегрузки двигателя, и тогда требуется более мощный привод рекуперации, дабы покрыть нижний предел по напряжению и потери в двигателе.

По такому же принципу обеспечивается работа нескольких двигателей с несколькими моторными приводами, при этом ставится один мощный привод рекуперации, способный пропустить через себя суммарную мощность для всех двигателей системы с учетом возможности одновременного торможения всех двигателей.

Для ограничения пускового тока в системах с несколькими двигателями, когда шины постоянного тока объединены, применяют тиристорные модули, подключаемые при помощи контакторов к заряжаемым постоянным током конденсаторам преобразователя. После заряда конденсаторов тиристорный модуль отключается. Очевидно, системы рекуперации конфигурируются по разному, и проектируются индивидуально.

Говоря о рекуперации, нельзя не вспомнить о системах рекуперативного торможения, применяемых в современных гибридных двигателях автомобилей, где основой служит путь электрической рекуперации кинетической энергии.

Всегда, когда автомобиль движется, проявляется кинетическая энергия. Но при торможении в традиционном виде, избыток энергии просто теряется в форме тепла, тормозные колодки трутся о тормозные диски, расходуя кинетическую энергию впустую, нагревая фрикционный материал и металл, отдавая тепло в конечном итоге окружающему воздуху. Это очень расточительный подход.

Система рекуперативного торможения не расходует кинетическую энергию просто на трение, чтобы затормозить. Вместо этого используется включенный в трансмиссию электродвигатель, который начинает при торможении работать как генератор, преобразовывая момент на валу в электроэнергию, заряжающую аккумуляторную батарею, а тормозящий момент ротора, возникающий в генераторном режиме, как раз и дает автомобилю желанное торможение. Запасенная в аккумуляторе таким образом энергия через некоторое время вновь служит для движения автомобиля, то есть используется повторно.

Рекуперативное торможение позволяет по максимуму использовать доступный ресурс каждого заряда аккумулятора, и топливо сильно экономится. Поскольку при торможении 70% кинетической энергии приходится на переднюю ось, то и систему рекуперации монтируют именно на передней оси, чтобы более эффективно сохранять энергию.

Наибольшая эффективность рекуперативного торможения достигается на высоких скоростях движения, а при низких скоростях эффективность системы падает. По этой причине наряду с рекуперационным торможением так или иначе фрикционная тормозная система присутствует. Совместная работа двух систем обеспечивается электронным контроллером.

Контроллер реализует ряд функций: контролирует скорость вращения колес, поддерживает правильный тормозящий момент, распределяет тормозное усилие между рекуперационным и фрикционным тормозом, поддерживает приемлемый для оптимального заряда батареи крутящий момент.

Разумеется, прямой механической связи между педалью тормоза и фрикционными колодками в таких автомобилях нет. Электронный блок обеспечивает правильное взаимодействие ABS, системы курсовой устойчивости, системы распределения тормозных усилий и усилителя экстренного торможения между собой.

Источник

Рекуперация в частотно-регулируемых приводах и методы энергосбережения

Авторы: K. R. Rasin, Arunkumar G
Автор перевода: Е. Ю. Балабанов
Источник: International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET), 2017, Page 1246 – 1249.

Аннотация

K. R. Rasin, Arunkumar G Рекуперация в частотно – регулируемых приводах и методы энергосбережения. В этой статье рассматриваются различные варианты рекуперации линии питания для эффективного использования генерированной мощности асинхронного электродвигателя с переменной частотой вращения приводов и сравнение этих методов.

Когда асинхронный двигатель приводится в действие приводом с переменной частотой, электрическая мощность, подаваемая из источника питания, генерируется обратно, в то время как двигатель замедляется, применяя отрицательный крутящий момент к валу двигателя. Энергосистема внутри частотно – регулируемых приводов обычно ограничена, поэтому рекуперация энергии должна осуществляться обратно в энергосистему вместо рассеивания в виде тепла

В некоторых производствах требуется работа в области квадранта, где приложенный крутящий момент находится в противоположном направлении вращения асинхронного двигателя.

Частотно – регулируемый привод должен включать в себя накопительную энергию от механической нагрузки через клеммы двигателя к инвертору. Эта ситуация возникает, когда частотно – регулируемый привод пытается препятствовать вращающемуся асинхронному двигателю, например, инерция двигателя начинает замедляться, или ситуация при использовании нагрузки, как в динамометре, или при удержании вращающего момента. Когда нагрузка подается обратно на запасенную энергию на переднюю часть, основные конденсаторные шины постоянного тока привода начинают заряжаться. Отсутствие рационального метода использования этой энергии приведет к продолжению повышения напряжения шины постоянного тока до опасного уровня, и привод отключится от неисправности шины по напряжению.

Метод под названием «Рекуперация линии» разряжает эту энергию от конденсаторов шины постоянного тока и передает ее обратно на линию переменного тока. Рекуперативная мощность может рассеиваться с использованием устройства тормозного прерывателя и тормозного резистора там, где привод будет защищен от отключения при перенапряжении. Также имеется возможность управления перенапряжением в частотно-регулируемых приводах. Значительная экономия энергии может быть достигнута рекуперативным блоком питания, особенно при частом включении и выключении, замедлении и большой инерционной нагрузке, а крутящий момент находится в переменном состоянии. Такие системы применяются в декантационных центрифугах, подъемниках, шпиндельных приводах, краная, лифтах и т. д., поскольку стоимость электроэнергии за киловатт – час дороже. Таким образом, будет полезно разобраться в основах регенеративных установок и проанализировать оценку экономии энергии. В зависимости от применения доступны три типа рекуперативных блоков питания. Основные характеристики и мощности топологии объясняются и сравниваются. Система динамического тормозного прерывателя и резистора используется для преобразования регенерированной мощности в потери тепла из-за низкой стоимости установки и простоты.

1.1 Рекуперативный преобразователь

Рисунок 1 – Рекуеративный преобразователь

В большинстве применяемых приводов используются тормозные прерыватели и резисторы для простого рассеивания мощности в виде тепловых потерь. Эффективное низкобюджетное альтернативное решение, называется регенерацией энергии, с использованием регенеративных преобразователей, которые могут заменить использование схемы динамического торможения и внешний тормозной резистор. Во время рекуперации избыточная рекуперативная энергия, доступная в переднем конце инверторного преобразователя частоты, переводится к источнику переменного тока через схему преобразователя. На рисунке 1 показано, как избыточная рекуперативная энергия будет поддерживать обратную связь асинхронного двигателя со стороны питания, используя схему рекуперативного преобразователя, параллельную цепи преобразователя частоты. В двигательном режиме преобразователь частоты передает питание на клеммы двигателя, не используя рекуперативный преобразователь, в виде основного потока мощности. Таким образом, двигатель работает без потерь в рекупееративном преобразователе.

При рекуперации, конденсаторы постоянного тока начинают заряжаться. Рекуперативный преобразователь включается из-за сгенерировавшейся энергии конденсаторов постоянного тока преобразователя частоты. Рекуперативный преобразователь преобразует напряжение постоянного тока в переменный ток и возвращает накопленную энергию из конденсаторов постоянного тока в сеть.

Размер преобразователей частоты зависит от номинальных значений мощности, поэтому размер рекуперативных преобразователей будет зависеть от размера двигателя, коэффициента рекуперации и коэффициента полезного действия.

6–ступенчатый ШИМ – метод используется для переключения, тем самым может уменьшить потери переключения до очень низких значений. В некоторых применениях требуется очень большое количество циклов торможения, в таких ситуациях рекуперативный преобразователь может снизить стоимость использования электроэнергии, значительно повысив эффективность системы.

1.2 Синусоидальный ШИМ преобразователь

В обоих режимах двигательного и рекуперативного питания было разработано высокоэффективное решение для регулирования напряжения шины постоянного тока, называемого синусоидальным преобразователем ШИМ. Преобразователь предназначен для генерации синусоидального сигнала тока на стороне электросети с очень низкой скоростью гармонических искажений, приблизительно говоря, что полное гармоническое искажение (THD) будет составлять 5%. Инвертор предназначен для соответствия стандарту IEEE–519.

Рисунок 2 – Синусоидальный ШИМ преобразователь

Чтобы сделать возможной синхронизацию с управляющим входным сетевым напряжением и входным током, также имеет место, что позволит получить единицу входного коэффициента мощности. Синусоидальный ШИМ – преобразователь последовательно соединен между приводом переменного тока и входной линией электропередач.

Чтобы уменьшить сетевые гармоники, фильтр переменного тока устанавливается перед преобразователем со стороны сети, как правило, LCL – фильтр используется в качестве компонента внешнего гармонического фильтра для уменьшения гармоник переменного тока. Для управления инвертором в основном используются синусоидальные ШИМ – методы, благодаря которым, можно управлять выходным напряжением и частотой, соответственно синусоидальными функциями. Широко используется синусоидальная широтно-импульсная модуляция в управлении производством.

Из-за простоты цепи, схема управления так же проста. Методы SPWM характеризуются одинаковой амплитудой импульсов с различными рабочими циклами для каждого периода. Ширина этих импульсов контролируется для получения модуляции выходного напряжения инвертора и минимизации его гармонического содержания путем уменьшения THD.

1.3 Матричный преобразователь

Матричный преобразователь представляет собой одноступенчатый рекуперативный преобразователь с прямым преобразованием переменного тока в переменный, имеющий способность к движению и рекуперации. Благодаря использованию двунаправленных управляемых переключателей, возможно прямое преобразование энергии из переменного тока в переменный ток.

Преобразователь характеризуется синусоидальными формами сигналов, которые определяют частоты выходного и входного переключения. С помощью двунаправленных переключателей можно управлять вводом коэффициента мощности. Кроме того, основным преимуществом является отсутствие напряжения постоянного тока, обеспечивающего компактный дизайн.

Матричный преобразователь, используемый для управления асинхронными двигателями, имеет больше преимуществ по сравнению с традиционными преобразователями переменной частоты выпрямительно-инверторного типа. Входные и выходные сигналы матричного преобразователя синусоидальные, с минимизированными компонентами гармоник более высокого порядка, субгармоник нет. Матричные преобразователи имеют потенциал потока энергии в обоих направлениях. Коэффициент входной мощности можно полностью контролировать. Он имеет минимальные требования к накоплению энергии, что улучшит срок службы накопительных конденсаторов энергии.

Недостатками матричных преобразователей являются коэффициент передачи его максимального входного и выходного напряжения, ограниченного почти 85 % для синусоидального выхода и входных сигналов. По сравнению с обычными частотными преобразователями матричные преобразователи требуют большего количества полупроводниковых устройств, которые увеличивают напряжение переключения. Дискретные однонаправленные устройства по-разному предназначены для использования для каждого двунаправленного переключателя, поскольку не существует монолитных двунаправленных переключателей. Он чувствителен к колебаниям системы входного напряжения. В матричных преобразователях с использованием девяти двунаправленных переключателей переменный входной ток напрямую преобразуется в выходной переменный ток. Таким образом, синусоидальная рекуперация преобразователя и частотные функции объединены. Эта комбинация позволяет асинхронным двигателям работать в рекуперативных и двигательных режимах без использования дополнительного привода.

Традиционная схема выпрямительного инвертора требует большего обслуживания, поскольку в основном потоке мощности в качестве схемы фильтра находится диодный выпрямитель и электролитический конденсатор постоянного тока. Обычно электролитический конденсатор громоздкий по размеру и имеет более короткий срок службы, чем другие детали. Но в матричных преобразователях присутствует электролитический конденсатор, требующий меньшего обслуживания. В матричных преобразователях можно управлять входным током, что значительно снижает гармоники входного тока. В режиме полной нагрузки входной ток гармонического THD находится в диапазоне 5% – 10%. В отличие от традиционных частотных преобразователей схема внешнего линейного реактора не требуется для минимизации гармоник тока, которые обычно являются громоздкими по размеру.

2. Энергосбережение использованием рекуперативных преобразователей

Для производства требуется обратная связь с избыточной рекуперацией энергии в сети питания, возможна линейная рекуперация. Рекуперация происходит, когда нагрузка пытается вращать вал двигателя быстрее выходного сигнала инвертора. Обычно это называется перегонкой и может возникать при попытке уменьшить скорость нагрузки или приложить механическую энергию к двигательной системе при нагрузке. В этих условиях инвертор ведет себя так, чтобы сдерживать вращение нагрузки по инерции, что приводит к рекуперации. Здесь инвертор используется для отправки избыточной рекуперативной энергии обратно в сеть методом рекуперации линии. Для этого система привода должна использовать рекуперативный преобразователь. Этот преобразователь подключен к общей сети постоянного тока, как и существующие накопители. Преобразователь получает избыточную энергию обратной связи, вызванную постоянным напряжением от шины постоянного тока и выдает шестиступенчатую форму волны обратно в сеть.

При использовании матричного преобразователя коэффициент мощности всегда поддерживается почти на уровне 0,95. Поскольку коэффициент мощности является постоянным или независимо от рабочей частоты, потери энергии минимизируются. Рекуперация приводит к увеличению напряжения шины постоянного тока, приведет к отключению привода переменной частоты из-за перенапряжения шины постоянного тока. Традиционный метод решения этой проблемы заключается в использовании тормозной цепи прерывателя и внешних резисторов, рекуперативная энергия рассеивается как потери тепла.

Чувствительное напряжение цепи шины постоянного тока сопровождаются транзистором, который ощутит увеличение напряжения постоянного тока, и которое позволит рассеивать мощность на внешнем резисторе с помощью установленных транзисторов. Вместо простого недостатка энергии как потери в тепло, мы можем преобразовать в эффективную форму и использовать в сети. Рекуперативные преобразователи заменяют традиционную систему динамического торможения и преобразуют эту рекуперативную энергию обратно в сеть питания. Он преобразует эту рекуперативную энергию обратно в сеть в виде трехфазного переменного тока вместо того, чтобы тратить ее на потери тепла. При этом рекуперативная энергия, может быть обратной связью на входе потребителя и минимизировать потребление энергии и, следовательно, счета за коммунальные услуги. Другими словами, блок рекуперативного преобразователя похож на вторичный генератор, размещенный в сети электромагистрали, подавая питание на него, происходит синхронизация с ним.

2.1 Оценка экономии энергии

Рекуперативный преобразователь преобразует избыточную рекуперативную энергию в сеть при том же условии, что энергия рассеивается в тепло. Таким образом, вычисление общего энергосбережения с использованием рекуперативного преобразователя одинаково для расчета потерь тепла в тормозном резисторе. Для вышеуказанного требуемого цикла торможения, необходимо определить тормозной момент. Из полученных данных можно вычислить общее количество рекуперированной энергии за данный период рекуперативный преобразователь преобразует почти 95% сгенерированной энергии в сеть. Это дает все переменные, необходимые для расчета кВт – ч, генерации для заданного периода времени. Зная уровень спроса на коммунальные услуги, эти значения пересчета могут быть преобразованы в деньги и, следовательно, период окупаемости.

2.2 Сравнение рекуперативных преобразователей

В преобразователях с частотным приводом в возобновляемом состоянии все вышеупомянутые преобразователи обладают хорошей способностью к экономии энергии, вместо того, чтобы тратить преобразованную энергию просто как потерю тепла во внешней цепи резистора. Цепь преобразователя, упомянутая в первом соединении VFD в первом разделе, представляет собой низкую гармонику входного тока, и требуется место для установки среднего уровня. Лучшим недорогим решением является синусоидальный ШИМ-преобразователь, который имеет выгодную экономию и стоимость с использованием рекуперативного торможения и множественного VFD – соединения, что похоже на первый преобразователь. Наилучшее решение может быть разным, если важны дополнительные преимущества, такие как низкочастотные гармоники тока и коэффициент мощности близкий к единице.

Матричные преобразователи – это ещё одно справедливое решение, которое требует меньшего пространства по сравнению с другими двумя модулями рекуперативных преобразователей, и множественное соединение VFD невозможно, а матричный преобразователь является продуктом, который имеет как рекуперативный преобразователь, так и возможности VFD. В таблице приведены единицы энергии при рекуперации.

Таблица 1. Единицы энергии при рекуперации.

При рекуперации производится огромное количество энергии в частотно – регулируемых приводах. При использовании тормозного рассоединителя и внешнего резистора избыточная рекуперационная энергия просто теряется в виде тепла. Можно обнаружить, что из расчета энергосбережения почти 50% энергии тратится впустую как простой нагрев. Используя рекуперативные преобразователи, эта чрезмерная регенерированная мощность может быть обратной связью с сетью. Для нескольких подключений VFD преобразователи, описанные в первом и втором разделе, являются хорошим выбором, но в общем исполнении матричный преобразователь является более эффективным.

Список использованной литературы

1. D. H. Braun; T. P. Gilmore; W. A. Maslowski Regenerative converter for PWM AC drives , IEEE Transactions on Industry Applications, Volume: 30, Year: 1994, Issue: 5 ,Pages: 1176 – 1184, DOI: 10.1109/28.315227
2. Patrick. W. Wheeler, J. Rodriguez, Jon. C. Clare, L. Empringham, Matrix converter-A Technology Review , IEEE Trans. Ind. Electron, vol. 49, no. 2, pp. 276–288, Apr. 2002.
3. Norm Lindner, Line regenerating with variable speed AC drives .

Источник