انرژی برگشتی حاصل از ترمز الکتریکی و راه حل هایی برای خطای اضافه ولتاژ اینورتر

راه حل هایی برای ترمز الکتریکی در درایو ها electric brake vfd

درایو AC مدرن شامل یک یکسو ساز ورودی است

که ولتاژ AC شبکه را به ولتاژ DC به صورت ذخیره شده در خازن DC تبدیل می کند.

ترمز الکتریکی چیست؟

اینورتر، ولتاژ DC را به ولتاژ  AC تغذیه در موتور AC با فرکانس موردنظر تبدیل می کند.

پروژه ریجنریتیو سانتریفیوژ های شکر 400 کیلووات کارخانه قند اصفهان طراحی و اجرا توسط تیم مهندسی الکترومارکت یوسف رجبی.

Electrical braking solution in drives

توان فرآیند تولید ، نیازمند جریانی است

که از طریق یکسوساز، باس DC و اینورتر به سوی موتور برقرار می گردد.

مقدار انرژی ذخیره شده در خازن های DC در مقایسه با نیازمندی های توان بسیار ناچیز است،

به عنوان مثال؛

یکسوساز به طور مداوم توان موردنیاز موتور را ارائه می دهد، هم چنین بعلاوه این که تلفات سیستم درایو را نیز در بردارد.

ترمز شار موتور نوعی ترمز الکتریکی

ترمز شار روشی مبتنی بر تلفات موتور است.

هنگامی که در یک سیستم فرآیند ترمز الکتریکی مورد نیاز است، و بعد از زدن استپ اینورتر فرایند کاهش دور شروع میشود و زمان کاهش دور بستگی به زمان تنظیم شده در پارامترهای اینورتر دارد.

فرایند ترمز الکتریکی و استپ باعث شار موتور و در نتیجه بخش جریان مغناطیسی مورد استفاده در موتور افزایش می یابد.

کنترل شار را به راحتی می توان از طریق اصل کنترل گشتاور مستقیم بدست آورد.

(برای اطلاعات بیشتر در مورد DTC توصیه میشود مطالعه شود: الگوریتم کنترل مستقیم گشتاور + نحوه عملکرد اینورتر )

با استفاده از DTC، اینورتر به طور مستقیم برای دستیابی به گشتاور و شار موردنظر برای موتور، کنترل می گردد.

در طول فرآیند ترمز الکتریکی شار، موتور تحت کنترل DTC می باشد که این مسئله را تضمین می کند که ترمز با توجه به سطح سرعت مشخص شده ساخته شده است.

این با ترمز تزریق DC رایج در استفاده درایو ها، بسیار متفاوت است.

در روش تزریق جریان DC، جریان DC به موتور تزریق می شود به گونه ای که کنترل شار موتور هنگام فرآیند ترمز الکتریکی از دست می رود. روش ترمز شار مبتنی بر DTC، موتور را قادر می سازد تا در زمان خواسته شده از حالت ترمز به حالت قدرت تغییر یابد.

در ترمز شار، افزایش جریان به معنای افزایش تلفات در داخل موتور است.

بنابراین توان ترمز و انرژی برگشتی هم افزایش می یابد؛ اگرچه توان ترمز الکتریکی وارد شده به مبدل فرکانسی افزایش نیافته است. افزایش جریان افزایش تلفات را از نقطه نظر مقاومت موتور دربردارد.

هرچه مقدار مقاومت بالاتر باشد، اتلاف انرژی ترمز در داخل موتور بیشتر است.

معمولا در موتور های کوچک با قدرت پایین (زیر 5 کیلووات) مقدار مقاومت موتور در مقایسه با جریان نامی آن نسبتا بزرگ است.

هرچه توان یا ولتاژ موتور بیشتر باشد، میزان مقاومت موتور با توجه به جریان آن کمتر است. به عبارت دیگر، ترمز شار بیشترین تأثیر را در یک موتور کوچک با قدرت پایین دارد.

مزایای اصلی ترمز شار عبارتند از:

• با استفاده از روش کنترل DTC، هیچ قطعه و هزینه اضافی نیاز نیست.
• موتور در حین فرآیند ترمز کنترل می شود برخلاف تزریق  DC که معمولا از ترمز جریان در درایو ها استفاده می گردد.

معایب اصلی ترمز شار عبارتند از:

• اگر ترمز بطور مکرر طی دوره های کوتاه اتفاق بیفتد، دمای موتور افزایش پیدا خواهد کرد.
• توان موتور محدود به مشخصه های موتور است، به عنوان مثال؛ میزان مقاومت.
• ترمز شار عمدتا در موتور هایی با توان پایین مورد استفاده قرار می گیرد.

چاپر و مقاومت ترمز

ماهیت ذخیره سازی انرژی مبدل فرکانس

در درایو های استاندارد، یکسوساز معمولا یک دیود 6 یا 12 پالسی است که تنها قادر به ارائه توان از شبکه AC به باس DC است و برعکس آن ممکن نیست.

اگر تغییرات جریان توان در برنامه های دو یا چهار ربع باشد، تغذیه توان توسط فرآیند،خازن های DC را  با توجه به فرمول فوق شارژ می نماید و ولتاژ باس DC رو به افزایش می رود.

W = P × t = C ×U∞22

U∞ = 2 ×WC = 2 ×P ×tC

همچنین اجزای یک اینورتر ممکن است تنها تا سطح مشخصی در برابر ولتاژ مقاومت کند و خطای اضافه ولتاژ رخ میدهد.

توصیه میشود مطالعه شود: بررسی انرژی ترمز درایوهای فرکانس متغیر در الکترومارکت

به منظور جلوگیری از افزایش بیش از حد ولتاژ باس DC

دو راهکار موجود است:

اینورتر خود مانع جریان توان از پروسه به مبدل فرکانس شود.

این راهکار با محدود کردن گشتاور ترمز برای حفظ ولتاژ باس DC در یک سطح ثابت، قابل انجام است.

این عمل، کنترل ولتاژ اضافی نامیده می شوند و یک ویژگی استاندارد برای اکثر درایو های مدرن به حساب می آید.

با این حال، این بدان معنی است که مشخصات ترمز ماشین آلات، با توجه به نمودار سرعت تعیین شده توسط کاربر، قابلیت اجرایی ندارند.

ظرفیت ذخیره سازی اینورتر معمولا بسیار کوچک است، به عنوان مثال؛ برای یک درایو 90 کیلوواتی، میزان ظرفیت معمولا 5mF می باشد.

اگر درایو با 400V AC تولید شده باشد، باس DC چنین است:

1.35 × 400 = 565V DC. با فرض اینکه خازن ها می توانند در برابر حداکثر 735V DC مقاومت کنند، زمانی که در آن، توان نامی 90 کیلووات قادر به تغذیه خازن DC باشد، از این طریق قابل محاسبه است:

T = C ×U∞22 × P = 5 ×10-3 ×(7352- 5652)2 ×90 × 10-3 = 6ms

به طور کلی این طیف از مقادیر، برای تمامی درایو های AC ولتاژ پایین و مدرن، بدون درنظر گرفتن توان نامی آن ها، صادق است.

عملا این بدان معناست که کنترل گر ولتاژ اضافی و کنترل گر پرتوان گشتاور موتور AC، می بایست دارای عملکردی سریع باشند.

همچنین فعال سازی بازیابی یا چاپر ترمز می بایست بسار سریع انجام شوند بخصوص زمانیکه در پیکربندی درایو استفاده می شوند.

اصل چاپر ترمز

امکانی دیگر برای محدود کردن ولتاژ باس DC، هدایت انرژی ترمز به یک مقاومت از طریق یک چاپر ترمز است.

چاپر ترمز یک سوئیچ الکتریکی است که ولتاژ باس DC را به یک مقاومت که در آن انرژی ترمز تبدیل به گرما می شود، متصل می کند.

چاپر ترمز زمانی که ولتاژ حقیقی باس DC از یک سطح مشخص که وابسته به ولتاژ نامی اینورتر است، تجاوز کند به صورت خودکار فعال می گردد.

در بعضی از اینورتر ها مثل سانترنو سری پنتا (SINUS PENTA) تا توان 132 کیلووات مجهز به چاپر داخلی هستند و مجهز به پارامترهایی ویژه برای کنترل بهتر انرژی ترمز میباشد.

مزایای اصلی چاپر ترمز و راه حل های مورد استفاده برای مقاومت بدین شرح است؛

• ساختار الکتریکی ساده و تکنولوژی شناخته شده.
• سرمایه گذاری اساسی پایین برای چاپر و مقاومت.
• چاپر حتی اگر تغذیه AC از دست برود باز هم کار می کند.
• در طول از دست رفتن توان اصلی (قطعی برق اصلی) ممکن است عمل ترمز لازم باشد، به عنوان مثال؛ در آسانسور ها یا سایر کاربرد های مرتبط با برنامه.

معایب اصلی چاپر و مقاومت عبارتند از؛

• انرژی ترمز در صورتی که نتوان از گرمای تولیدی مقاومت ترمز مثلا برای تولید هوای گرم استفاده کرد، هدر می رود.
• چاپر و مقاومت ترمز نیازمند فضای اضافی و امن هستند.
• ممکن است نیاز به سرمایه گذاری اضافه ای در خنک سازی و گرم کردن سیستم بازیابی باشد.
• چاپر ها اغلب برای چرخه خاصی سایزبندی می شوند، به عنوان مثال؛ توان 100% و 1.10 دقیقه، برای مدت زمان یک ترمز طولانی، ابعاد دقیق تری از چاپر ترمز لازم است.
• خطر آتش سوزی با توجه به حرارت مقاومت، گرد و غبار احتمالی و اجزای شیمیایی در فضای هوای محیط افزایش می یابد.
• افزایش سطح ولتاژ باس DC در طول ترمز، سبب ایجاد تنش در عایق موتور می گردد و احتمال خرابی و ترکیدگی خازن های باس DC بسیار بالا است.

چه زمانی باید از یک چاپر ترمز استفاده کنیم؟

• چرخه ترمز گاها لازم باشد.
• مقدار انرژی ترمز در مقایسه با انرژی راه اندازی موتور بسیار ناچیز باشد.
• عملیات ترمز در طول ازدست رفتن توان اصلی لازم باشد.

چه زمانی راهکارهای دیگری را جز چاپر و مقامت ترمز در نظر بگیریم؟

• عملیات ترمز استمرار داشته و به صورت منظم تکرار شود.
• مقدار کل انرژی ترمز نسبت به انرژی لازم برای راه اندازی موتور بالاتر باشد.
• توان ترمز آنی بالا باشد، به عنوان مثال؛ چندصد کیلووات برای چند دقیقه.
• هوای محیط شامل مقدار قابل توجهی از گرد و غبار، اشیاء قابل احتراق یا مواد منفجره و  مواد فلزی باشد.

توصیه میشود مطالعه شود: انرژی ترمز و احیای آن (Regenerative) با اینورتر AC

پیکربندی مدار تریستور غیرموازی

در یک اینورتر یا همان درایو کنترل دور موتور مدار های یکسوساز دیود می توانند با دو تریستور که یکسوساز ها را در فاز مخالف کنترل می کنند، جایگزین شوند. با این پیکربندی مدار یکسوساز می تواند با توجه به جریان برق مورد نیاز در فرآیند تغییر کند.

اجزای اصلی منبع تریستور شامل دو مدار تریستور 6 پالسی می باشد.

مدار جلو منبع تغذیه AC سه فاز را به DC تبدیل می کند که این از طریق مدار میانی، درایو ها را از نظر برق تغذیه می کند. مدار معکوس هر زمان که نیاز به بازگشت برق اضافی از ترمز موتور به شبکه تغذیه باشد DC را به AC تبدیل می کند.

در یک زمان، تنها یک مدار عمل میکند و دیگری متوقف می ماند.

زاویه جرقه تریستور برای حفظ ولتاژ متوسط مدار در سطح مورد نظر به طور مداوم تنظیم می گردد.

انتخاب مدار جلو/عقب و کنترل ولتاژ متوسط مدار به اندازه جریان منبع، ولتاژ منبع و ولتاژ متوسط مدار بستگی دارد.

مزایای اصلی مدار تریستور غیرموازی عبارتند از؛

• راهکاری شناخته شده است.
• نسبت به یک راهکار IGBT به سرمایه کمتری نیاز دارد.
• با کنترل می توان میزان ولتاژ DC را کمتر از مقدار شبکه کرد. در برخی برنامه های خاص این می تواند یک مزیت به حساب بیاید.

توصیه میشود مطالعه شود: انرژی ترمز و احیای آن (ریجنریتیو) با اینورتر AC بخش دوم

معایب اصلی مدار تریستور غیرموازی عبارتند از؛

• به منظور حفظ یک بازه از تغییرات، ولتاژ باس DC همواره پایین تر از ولتاژ منبع AC است. بنابراین ولتاژی که به موتور تغذیه می گردد پایین تر از ورودی AC باقی می ماند. با این حال این ولتاژ منبع می تواند با استفاده از یک اتوترانسفورماتور در منبع بر ورودی AC غلبه نماید.
• اگر منبع AC از بین برود، با توجه به شکست در تغییرات تریستور، خطر ترکیدن فیوز وجود دارد.
• COSϕ با بارگذاری تغییر می کند.
• اعوجاج هارمونیک کل بالاتر از واحد های بازسازی IGBT است.
• اعوجاج فعلی از طریق امپدانس شبکه دیگر به جریان درمی آید و می تواند اعوجاج ولتاژ ناخواسته ای برای دستگاه های دیگر ایجاد کند، دستگاه هایی که از نقطه ای که در آن اعوجاج ولتاژ وجود دارد، تولید شده اند،
• قابلیت ترمز در طول تلف شدن برق از دسترس خارج است.

پیکربندی مدار IGBT

اصول کلی IGBT مبنی بر واحد های بازسازی

IGBT مبنی بر بازسازی براساس همان اصولی است که به عنوان انتقال برق بدون شبکه برق مطرح شده است.

در یک شبکه برق چند ژنراتور و نقاط بار به هم متصل اند. چیزی که می توان فرض کرد این است که از نقطه نظر اتصال، شبکه برق یک ژنراتور سنکرون بزرگ است که فرکانس ثابتی را داراست.

مدار IGBT ورودی یک درایو (مبدل خطی بعدی) می تواند به عنوان یک سیستم ولتاژ AC دیگر فرض شود که توسط یک چوک به ژنراتور متصل است.

توصیه میشود مطالعه شود: چوک ورودی (LINE REACTOR) چیست؟

اصل انتقال برق بین دو سیستم AC دارای ولتاژ U و متصل به یکدیگر را می توان از فرمول فوق محاسبه کرد.

P = Sinδ × [(Uline × Urec)/X]

فرمول نشان می دهد که به منظور انتقال برق بین این دو سیستم، می بایست اختلاف فازی در در زاویه بین ولتاژ دو سیستم AC وجود داشته باشد. به منظور کنترل جریان برق بین دو سیستم می بایست این زاویه را کنترل نمود.

IGBT مبنی بر اهداف کنترل

سه هدف کنترل کلی در IGBT (ای جی بی تی) مبنی بر واحد های بازسازی وجود دارد.

اولین هدف:

حفظ ولتاژ باس DC پایدار با صرف نظر از مقدار مطلق جریان برق و جهت آن است.

این تضمین می کند که اینورتر هایی که موتور AC را تغذیه می کنند، می توانند در مسیری مطلوب عمل کنند، با صرف نظر از نقطه کار که نتیجه یک ولتاژ باس DC پایدار است.

ولتاژ باس DC زمانی پایدار است که جریان برق درون باس DC با جریان برق خارج از باس DC برابر باشد.

این کنترل مناسب از جریان برق با کنترل زاویه برق بین دو سیستم AC حاصل می شود.

دومین هدف کنترل:

به حداقل رساندن جریان منبع مورد نیاز است، به عنوان مثال؛ کار در COSϕ = 0.1.

این هدف با کنترل ولتاژ خروجی مبدل خطی حاصل می شود. در برخی برنامه ها این مسئله مورد نظر است که مبدل خطی IGBT هم به عنوان یک بار القایی یا به عنوان یک بار خازنی عمل می کند.

هدف سوم کنترل:

به حداقل رساندن هارمونیک جریان منبع است.

شاخصه های اصلی طراحی، مقدار امپدانس چوک و یک روش کنترل مناسب می باشد.

توصیه میشود مطالعه شود: اصلاح ضریب توان و فیلتر هارمونیکی

کنترل مستقیم گشتاور در قالب کنترل مستقیم برق

کنترل مستقیم گشتاور (DTC) راهی برای کنترل یک موتور AC که توسط یک اینورتر تغذیه می شود.

این که اصل کنترل، سوئیچ های IGBT را روشن یا خاموش می سازد

مستقیما به اختلاف بین گشتاور حقیقی موتور AC و گشتاور مرجع کاربر بستگی دارد.

همان اصل را می توان بر یک مبدل خطی که جریان برق را از شبکه برق به درایو کنترل می کند و بالعکس، اعمال کرد. برق عبارت است از ضرب گشتاور در فرکانس زاویه ای،

یعنی کنترل گشتاور همچنین به معنای کنترل جریان برق است.

P = [(UI × UIC)/X] × Sinδ = |T||ω|

روش کنترل DTC همراه با تکنولوژی IGBT از عوامل مقدار کمی از هارمونیک های جریان است.

به همین دلیل واحد عرضه IGBT می تواند برای جایگزینی پیکربندی منبع تک ربع 12 پالسی یا 18 پالسی مورد استفاده قرار گیرد که معمولا برای کاهش هارمونیک جریان در سمت منبع استفاده می شود.

بنابراین یک منبع عرضه IGBT راه حلی برای مواردی است که در آن ها هارمونیک های جریان به جای رسیدگی و بررسی انرژی ترمز، موضوع اصلی باشد.

مزایای اصلی یک واحد بازسازی IGBT عبارتند از:

• مقدار پایین هارمونیک های جریان منبع در راه اندازی موتور و بازسازی.
• نیرو محرکه بالا در طول تغییرات سریع جریان برق از جهت بار.
• امکان بالا بردن ولتاژ DC بیشتر از منبع ورودی AC مربوطه. این می تواند برای جبران یک شبکه ضعیف و یا افزایش ظرفیت حداکثر گشتاور موتور در زمینه منطقه تضعیف مورد استفاده قرار گیرد.
• جبران کامل افت ولتاژ سیستم در نتیجه ظرفیت افزایش ولتاژ.
• امکان کنترل ضریب توان.
• اتلاف برق از طریق سنکرون سازی خودکار به شبکه منتقل می شود.
• ولتاژ باس DC هنگام راه اندازی موتور یا ترمز دارای همان مقدار است. هیچگونه تنش ولتاژ اضافی بر روی عایق سیم پیچ موتور در حین ترمز پیش نخواهد آمد.

معایب اصلی یک واحد بازسازی IGBT:

• هزینه های بالاتر.
• در حین از دست رفتن برق، قابلیت ترمز از دسترس خارج است.
• فرکانس بالای هارمونیک های ولتاژ با توجه به فرکانس سوئیچینگ بالا. این اجزا با ولتاژ چند کیلو هرتزی می توانند خازن های کوچک مورد استفاده در دستگاه های برقی دیگر را تحریک کنند.
  با طراحی و چیدمان مناسب ترانسفورماتور تغذیه، این پدیده ها برای دستگاه های مختلف حذف می گردد.

زمان استفاده از یک واحد بازسازی IGBT:

• عمل ترمز به صورت استمراری باشد یا به طور منظم تکرار شود.
• توان ترمز بسیار بالا باشد.
• هنگامی که صرفه جویی در فضا در مقایسه با راه حل مقاومت ترمز حاصل شود.
• هنگامی که معیار، محدودیت های هارمونیک شبکه باشد.

ابعاد یک واحد بازسازی IGBT

ابعاد فعلی منبع واحد IGBT وابسته به توانی است که موردنیاز است.

اجازه دهید تا موردی را فرض کنیم که در آن توان شفت راه اندازی موتور 130 کیلووات و توان ترمز 100 کیلووات باشد.

برای سایز بندی واحد منبع IGBT حداکثر توان برای راه اندازی موتور و یا ترمز انتخاب شده است.

ولتاژ موتور 400 ولت است. حداقل مقدار برای شبکه منبع 370 ولت است.

در این مورد ظرفیت افزایش ولتاژ می تواند مورد استفاده قرار گیرد؛

ولتاژ باس DC مطرح شده است تا با یک ولتاژ AC 400 ولتی مرتبط شود.

با این حال، جریان منبع مورد نیاز براساس سطح 370 محاسبه می شود.

با فرض این که 5% از اتلاف سیستم در درایو و موتور است، توان کل مورد نیاز شبکه 136.5 کیلووات است.

جریان منبع از فرمول زیر می تواند محاسبه شود:

Iin = (P/ 3 × Uin) = 136.5 kW3 ×370V = 213A

واحد بازسازی IGBT تنها در محاسبه مقدار جریان انتخاب شده است.

باس DC مشترک

هنگامی که یک فرآیند متشکل از چندین درایو باشد، ممکن است که در آن ها یک موتور، هنگامی که بقیه موتور ها در حالت راه اندازی قرار دارند، به قابلیت ترمز نیاز داشته باشد.

راه حل باس DC مشترک راهی بسیار مؤثر برای استفاده مجدد از انرژی مکانیکی است.

راه حل باس DC مشترک یک سیستم درایو متشکل از یک منبع یکسوساز مجزاست که AC را به DC تبدیل می کند و اینورتر هایی که موتور AC را تغذیه می کنند به باس DC مشترک متصل اند، یعنی باس DC کانالی برای حرکت انرژی ترمز از یک موتور به نفع موتورهای دیگر است.

پیکربندی پایه تنظیمات باس DC مشترک را می توان از شکل دریافت:

مزایای اصلی راه حل باس DC مشترک عبارتند از:

• راهی آسان برای ایجاد تعادل جریان برق بین درایوها.
• اتلافات پایین سیستم در تبدیل انرژی ترمز که نتیجه باس DC مشترک است.
• حتی اگر توان ترمز آنی بیشتر از توان راه اندازی موتور باشد، نیازی نیست تا چاپر و مقاومت ترمز، برای توان ترمز الکتریکی کامل و بالا سایزبندی شوند.
• اگر توان ترمز الکتریکی برای مدت زمانی طولانی مورد نیاز قرار گیرد، ترکیبی از یکسوساز ها را می توان استفاده نمود.

معایب اصلی راه حل باس DC مشترک با یکسوساز تک ربع عبارتند از:

• توان راه اندازی موتور به صورت آنی، می بایست بالاتر یا برابر با توان ترمز الکتریکی یا انرژی برگشتی باشد.
• اگر توان ترمز الکتریکی آنی از توان راه اندازی موتور تجاوز کرد، چاپر و مقاومت ترمز مورد نیاز واقع می شوند.
• اگر تعداد موتور ها محدود باشد، هزینه اضافی یک اینورتر ریجنریتیو اختصاصی که دستگاه را از باس DC قطع می کند به هزینه های کلی افزوده می گردد.

چه هنگام می توان از باس DC مشترک با یکسوساز تک ربع استفاده کرد؟

• تعداد درایو ها زیاد باشند.
• توان راه اندازی موتور همواره بیشتر از توان ترمز باشد و یا فقط با استفاده از چاپر ترمز توان ترمز پایینی نیاز باشد.

با تشکر از مطالعه شما .الکترومارکت را به اشتراک بگذارید. :)”

“محبت و دانش را به اشتراک بگذاریم”

“نظرات شما را میخوانیم و به آن ها فکر میکنیم.

اگر روش های دیگری را که حاصل از مطالعه و تجربه شما دوستان عزیز است با ما به اشتراک بگذارید خوشحال میشویم لطفا در قسمت نظرات عنوان فرمایید.

ما در 24 ساعت از 7 روز هفته منتظر شنیدن صدای شما هستیم
02165292580
02165295301