В этом посте мы предлагаем вводный обзор работы регенеративного привода (также называемого “активным передним концом” или “AFE”), охватывающий основные принципы и требования.
Базовые приводы переменного тока не являются регенеративными, что означает, что они не могут возвращать энергию источнику питания. Двигатель переменного тока и сам инвертор по своей сути способны к регенерации, но входной выпрямитель привода — нет. Если применение приводит к возврату механической энергии к двигателю с мощностью, превышающей потери двигателя, то обычно должен быть установлен тормозной резистор для поглощения и рассеивания нежелательной энергии. Без этого возвращаемая энергия вызывает повышение напряжения постоянного тока до тех пор, пока защитное отключение не остановит работу во избежание повреждения.
Иногда желательно избегать использования тормозного резистора, а в некоторых приложениях это особое требование для рекуперации возвращенной энергии. Один из методов заключается в использовании общей шины постоянного тока между несколькими инверторными приводами – это особенно хорошее решение в таких приложениях, как моталка / разматыватель, где имеется циркулирующая мощность. Если регенерированную энергию необходимо вернуть к источнику переменного тока, то в этом заключается роль регенеративного привода. Простой выпрямитель заменен инвертором, иногда называемым “активным передним концом” (AFE), как показано на упрощенном схематическом рисунке 1. Система регенерации методов управления (“Режим регенерации”) использует тот же тип инвертора, что и для электропривода, для реализации AFE.
Еще одним преимуществом режима регенерации является то, что в отличие от простого выпрямителя он по своей сути не генерирует гармонический ток в источнике питания. В некоторых приложениях это самая ценная функция.
Рисунок 1: Упрощенная схема системы привода regen inverter, показывающая входной каскад в качестве активного выпрямителя
Инвертор использует ШИМ для генерации трехфазного синусоидального напряжения, которое синхронизируется с источником переменного тока. Дроссель переменного тока серии, показанный на рисунке 1, выполняет две важные роли:
Дроссель переменного тока должен поддерживать магнитный поток как на линейной частоте, так и на гораздо более высокой частоте переключения ШИМ. Это является причиной его специализированного дизайна. Обычный дроссель, рассчитанный только на работу с частотой 50/60 Гц, в этом положении будет испытывать чрезмерные потери мощности, что приведет к перегреву, а также к снижению эффективности.
Простой диодный мостовой выпрямитель автоматически вырабатывает необходимый входной ток для поддержания постоянного напряжения на среднем уровне, определяемом переменным напряжением и влиянием любых индуктивностей переменного тока. Инвертор regen требует непрерывного активного регулирования напряжения на клеммах переменного тока для поддержания необходимых значений активного и реактивного тока.
Активный ток определяет поток мощности. Затем он управляет напряжением на клеммах постоянного тока, используя контур управления с установленным опорным напряжением постоянного тока.
Источник постоянного тока в системе регенерации должен иметь напряжение, превышающее пиковое напряжение сети, по крайней мере, с небольшим запасом, и меньше уровня отключения OV. Если оно когда-либо падает ниже пикового напряжения питания, то инвертор быстро отключается, обычно с мгновенной перегрузкой по току, поскольку он не может контролировать ток в диодах свободного хода.
Электросеть не была спроектирована для приема возвращаемой энергии от нагрузок, и энергетические компании придерживаются строгих правил, гарантирующих, что местная генерация не подвергает риску безопасность и стабильность сети. Поэтому любой намеренный генератор должен соответствовать правилам и техническим стандартам и может потребовать той или иной формы независимого одобрения. Регенерация также может быть запрещена в небольшой энергосистеме, например, на судне, из-за риска того, что регенерированная мощность может превысить нагрузку и вызвать превышение скорости генератора. С другой стороны, если конкретная нагрузка время от времени возвращает часть своей собственной накопленной энергии в электрическую сеть, и ее выходная мощность намного меньше, чем нормальное энергопотребление узла, к которому она подключена, эффект регенерации заключается лишь во временном снижении энергопотребления и оказывает минимальное воздействие.
В большинстве применений regen номинальная мощность привода намного меньше, чем у других нагрузок в системе электроснабжения объекта, и запасенная энергия также невелика, поэтому нет риска нарушения работы или неисправности. Однако стоит обратить внимание на аспекты, которые обычно охватываются нормативными актами, поскольку они дают представление о некоторых рисках крупномасштабной или широко распространенной регенерации. Мы более внимательно ознакомимся с правилами в следующем блоге.
В сети передачи электроэнергии переменного тока напряжение падает главным образом в последовательных индуктивностях линий, кабелей и трансформаторов, и запаздывающая (индуктивная) составляющая тока нагрузки оказывает наибольшее влияние на величину напряжения на нагрузке. Для регулирования напряжения может потребоваться регулирование коэффициента мощности больших генераторов. Чаще всего они требуются для работы с единичным коэффициентом мощности.
Инверторный модуль Unidrive M имеет дополнительный контроль реактивного тока, измеряемого на его клеммах, который по умолчанию установлен на ноль. Внешний фильтр имеет последовательную индуктивность и параллельную емкость, которые обеспечивают небольшие уровни реактивной мощности. При номинальной нагрузке они примерно уравновешиваются, давая коэффициент мощности, близкий к единице. При уменьшенной нагрузке емкость доминирует, что приводит к запаздывающему коэффициенту мощности (рассматриваемому как генератор, т.е. VAr положительный). Во многих приложениях опорное значение реактивного тока по умолчанию остается равным нулю. Если необходимо регулировать реактивную мощность или напряжение, в инверторе может быть создан контур управления, который регулирует реактивный ток в соответствии с требованиями.
В отличие от диодного или тиристорного выпрямителя, преобразователь Regen генерирует незначительные уровни истинных гармоник питания, то есть тока, кратного частоте питания, вызванного нелинейностью. Это связано с тем, что он работает, генерируя точное синусоидальное напряжение с использованием ШИМ, поэтому единственными нежелательными частотами являются продукты интермодуляции между его собственной частотой переключения ШИМ и частотой сети. Эти частоты намного выше частоты сети, поэтому их можно легко отфильтровать. Будет небольшой остаточный уровень этих частот, которые все еще иногда свободно называют “гармониками”, хотя это название не совсем корректно.
Чрезмерное излучение тока коммутационной частоты в энергосистему может иметь серьезные последствия, и этого следует избегать. Эти частоты слишком низки, чтобы вызывать электромагнитные помехи, и в настоящее время не подпадают под действие правил по электромагнитной совместимости, но они могут вызывать сбои в работе чувствительного к форме сигнала оборудования, такого как ИБП, а также могут нарушать работу звуковых систем, поскольку находятся в пределах слышимого диапазона частот.
Рекомендуемые устройства в руководстве пользователя Regen включают переключающий конденсатор частотного фильтра и дроссельные компоненты для снижения уровня излучения, который является достаточно низким для большинства целей. Важно включать этот фильтр в любую установку, если только нет четкой причины знать, что он не требуется. Единственная ситуация, с которой мы столкнулись, когда это можно знать с уверенностью, — это когда инвертор будет питаться от выделенного местного генератора, который не питает никакое другое оборудование.
Иногда к одной и той же цепи питания низкого напряжения подключается очень чувствительное оборудование, так что стандартного устройства фильтрации недостаточно. CT испытала это на себе с помощью церковной звуковой системы. В этом случае затухание фильтра может быть увеличено путем добавления дополнительных фильтрующих конденсаторов к существующим. В качестве альтернативы частота переключения может быть увеличена, что означает увеличение ослабления стандартного фильтра, а также снижение чувствительности человеческого слуха.
Сетевой источник питания будет иметь существующие гармоники, что приведет к некоторому гармоническому току в инверторе и его фильтре. Хотя они довольно малы по сравнению с теми, которые возникают при использовании простого выпрямителя, они все равно могут вызвать споры по контракту, если требуется соблюдение строгих гармонических требований. Может быть трудно определить, генерируется ли гармонический ток инвертором или поглощается им, а там, где ток не находится в фазе с напряжением, концепция направления в любом случае неверна.
Также важно понимать, что гармонический ток, вызванный существующими гармониками, не зависит от мощности нагрузки. Это означает, что когда мощность нагрузки мала по сравнению с номинальной, гармонический ток выглядит высоким, если он выражен в процентах от основного тока. Большинство анализаторов гармоник дают простое считывание THD и отдельных гармоник в процентах от основного, как их функция по умолчанию. Очевидно, что когда фундаментальная величина мала, гармоники и THD будут казаться очень высокими в процентном выражении. Форма сигнала, наблюдаемая на осциллографе, также будет казаться искаженной при небольшой нагрузке, просто потому, что гармоники фиксированы, но фундаментальная является функцией мощности.
По нашему опыту, во время ввода в эксплуатацию, когда проверяются такие аспекты, как гармоники и THD, полная нагрузка недоступна по эксплуатационным причинам. Это может вызвать недоразумения и споры. Следует четко понимать, что спецификация гармоник относится к работе при номинальном токе (т.е. при номинальной мощности).
(Часть 2 из этой серии доступна здесь)
