Bremsen und Regeneration
Meistens steuert in den meisten Anwendungen ein Frequenzumrichter den Motor, indem er ihn mit Energie versorgt, die dann die Last antreibt. Gelegentlich ist der Energiefluss jedoch umgekehrt, dh von der Last über den Motor zurück zum Antrieb. Dies geschieht, wenn die Last Energie abgibt, z. B. wenn ein Kran oder Aufzug eine Last senkt oder wenn ein Fördergerät Material bergab transportiert. Die Regeneration, wie sie genannt wird, findet auch statt, wenn eine hohe Trägheitslast abgebremst wird; in diesem Fall fließt die in der rotierenden Masse gespeicherte Energie durch den Motor zurück zum Antrieb. Fans regenerieren sich oft, wenn sie schnell verlangsamt werden.
Wenn es eine erhebliche Reibung im System gibt oder wenn es andere Bremseffekte gibt (z. B. den Luftstrom durch einen Ventilator), kann die an den Antrieb zurückgegebene Energie natürlich stark reduziert werden. Wenn die Regeneration jedoch signifikant ist, wird die Energie wieder in den Antrieb zurückfließen. In diesem Fall wird der fortgesetzte Betrieb des Antriebs eine Spannung am Motor aufrechterhalten, so dass ein magnetischer Fluss vorhanden ist, aber die Phase der Ströme ändert sich, so dass Energie - dh Strom - vom Motor in den Antrieb fließt. Die IGBTs und Kommutierungsdioden funktionieren wie gewohnt – die Dioden fungieren nicht als Gleichrichter oder so.
Dadurch fließt Strom in den Zwischenkreis und auf den Zwischenkreiskondensator. Hier lädt es den Kondensator auf, so dass die Spannung steigt. Der Strom kann nicht an die Versorgung zurückgehen (die Gleichrichter blockieren dies), so dass, wenn die Regeneration fortgesetzt wird, die Spannung am Kondensator weiter steigt. Um Schäden zu vermeiden, erkennt das Laufwerk dies und schaltet das Schalten der Ausgangs-IGBTs aus. Jetzt gibt es keine Ausgangsspannung und damit keinen Magnetisierungsstrom, so dass der Fluss im Motor zusammenbricht, so dass sich Rotor und Last frei drehen, ohne dass mehr Energie zum Antrieb zurückkehrt. Der Antrieb ist auf Überspannung gestolpert; Dies ist ein Symptom für zu viel Regeneration.
Wir können Überspannungsauslösungen auf verschiedene Arten verhindern. Wenn sich das System während der Verzögerung regeneriert, besteht die einfachste Lösung darin, die Verzögerung zu reduzieren. Das heißt, erhöhen Sie die Ramp-Down-Zeit. Jetzt ist die regenerierte Energie über einen längeren Zeitraum geringer, und dies kann möglicherweise durch die Verluste im System oder durch den Antrieb selbst absorbiert werden. Bei hohen Trägheitslasten werden Sie jedoch wahrscheinlich mit einer sehr langen Verzögerungszeit enden. Ein anderer Ansatz besteht darin, den Ausgang des Frequenzumrichters einfach auszuschalten und motorisch und last bis zum Stillstand ausrollen zu lassen. Sie können dies tun, indem Sie den Stop-Mode-Parameter P-05 (P1-05 auf P2 und Eco) von 0 auf 1 ändern. Jetzt gibt es keine Rampe mehr, der Antrieb schaltet sich ab und der Motor rollt.
Der Nachteil dieser Lösung ist, dass es während des Anhaltens keine Kontrolle über die Last und den Motor gibt, so dass Sie nicht wissen, ob und wann alles aufhören wird. Dies ist in der Prozessindustrie nicht bequem, kann aber für einen Lüfter in Ordnung sein.
Keine dieser Optionen hilft, wenn sich die Last im Rahmen ihres normalen Betriebs und nicht beim Anhalten regeneriert. Wenn Sie ständig beschleunigen und verlangsamen oder wenn Ihr Kran oder Aufzug ständig hebt und senkt, ist eine kontrollierte Lösung erforderlich. Einige Anwendungen, wie der bereits erwähnte Downhill-Conveyer oder ein Abwickler, regenerieren sich ständig. Die Energie, die zum Zwischenkreis des Antriebs fließt, muss daher abgeführt werden.
Die Lösung besteht darin, einen Widerstand über den Gleichstrom anzuschließen, um die Energie abzubrennen. Der Widerstand wird durch ein IGBT ein- und ausgeschaltet, das in die meisten industriellen Laufwerke eingebaut ist und von der Antriebssoftware gesteuert wird, die die Gleichspannung überwacht und die IGBT entsprechend ein- und ausschaltet. Dies "hackt" die Spannung, so dass es manchmal als Brems-Chopper bezeichnet wird. Vielleicht ist eine bessere Beschreibung dynamisches oder resistives Bremsen. Der Widerstand ist normalerweise nicht im Lieferumfang des Laufwerks enthalten und muss separat ausgewählt und gekauft werden. Diese Anordnung ist in Abbildung 1 dargestellt.
Frequenzumrichter mit Anzeige des Brems-Chopper-Betriebs
Abb. 1: Frequenzumrichter mit Anzeige des Brems-Chopper-Betriebs
Mit dem richtigen Bremswiderstand ermöglicht der Antrieb nun, dass typischerweise Volllaststrom an den Antrieb zurückgegeben und die Leistung im Widerstand abgeführt wird. Dies ermöglicht ein kontrolliertes Absenken von Lasten und Abwickeln sowie bei Bedarf eine schnelle Verzögerung hoher Trägheitslasten.
Wie bereits erwähnt, ist der "Chopper" IGBT normalerweise in das Laufwerk eingebaut, aber der Widerstand muss vom Kunden ausgewählt werden. Auswahl braucht ein wenig Sorgfalt. Erstens muss jeder gewählte Widerstand bei hoher Gleichspannung arbeiten können und entsprechend geschützt (d. h. abgesichert) sein. Zweitens muss der Widerstand einen ohmschen Mindestwert haben, um den Strom im IGBT zu begrenzen. Dann muss es so gewählt werden, dass es die erwartete Leistung über das Tastverhältnis der Maschine absorbiert. Schließlich sollte der Schutz des Widerstands berücksichtigt werden. Aufgrund der Wärme, die sie ableiten, werden Bremswiderstände oft außerhalb der Kabine montiert und sollten außer Gefahr sein und vor Flüssigkeit, Schmutz und Fingern geschützt sein.
Diese Lösung eignet sich hervorragend für niedrige und mittlere Leistungen und für die Kontrolle von Bremsen, die gelegentlich auftreten. Wenn Sie jedoch einen Containerkran betreiben, der kontinuierlich große Container hebt und senkt, ist es verschwenderisch, all diese Energie in einem Widerstand zu verbrennen. Die Lösung ist hier ein vollständig regenerativer Antrieb, der Energie in die Versorgung zurückspeist. DC-Antriebe waren dabei recht gut, aber Frequenzumrichter müssen den Eingangsgleichrichter ersetzen, wenn ein voll funktionsfähiger Wechselrichter wie in Abbildung 2 gezeigt wird.
Abb. 2: Vollständig regenerativer Frequenzumrichter
Wir haben bereits festgestellt, dass Strom in beide Richtungen durch einen Wechselrichter fließen kann, so dass die regenerative Energie jetzt entlang der Zwischenkreisstrecke, durch den Wechselrichter an der Vorderseite und zurück zum Stromnetz zurückfließt. Ein solcher Invertergleichrichter hat auch den Vorteil, dass er die Eingangsoberschwingungen im Normalbetrieb steuern kann, was bei diesen hohen Leistungen durchaus wichtig sein kann. Die Mehrkosten für den zweiten Wechselrichter, seine Steuerelektronik und die dafür erforderlichen Induktivitäten sind bei Antrieben gerechtfertigt, die sich über 200 kW oder so regenerieren. Sie werden auch häufig in Lokomotiven mit variabler Frequenz verwendet, so dass die Verlangsamung des Zuges die Kraft zurück in die Versorgung pumpt, anstatt die Bremsen zu verschleißen.
Ein weiterer Trick zur Rückgewinnung von Bremsenergie in einem System mit mehreren Antrieben besteht darin, die Dc-Verbindungen der Antriebe miteinander zu verbinden, so dass, wenn sich ein Antrieb regeneriert, er einfach einen anderen Antrieb, der motorisiert, mit Strom versorgt. Dies erfordert ein wenig Pflege; Es gibt eine Anwendungsnotiz, die hilft.
E3 Invertek-Umrichter enthalten standardmäßig Brems-IGBTs, mit Ausnahme der kleinsten Einheit. P2-Laufwerke verfügen außerdem über eingebaute Brems-IGBTs (optional bei Rahmengrößen 6 und höher). Die Elevator-Variante von P2 beinhaltet ein Brems-IGBT.