Dominio de la sobretensión de los variadores de frecuencia: análisis de correlación en profundidad y soluciones

Análisis de correlación crucial de la sobretensión del variador de frecuencia

一. Introducción

         En el campo de la automatización industrial, el inversor (también conocido como variador de frecuencia) es un dispositivo clave utilizado para controlar la velocidad y el par del motor con el fin de lograr múltiples funciones, como el ahorro de energía y el control preciso. Comprender el principio de funcionamiento del variador de frecuencia es esencial porque el problema de sobretensión del variador es uno de los fallos más comunes durante su funcionamiento y puede acarrear graves consecuencias, que afectarán al funcionamiento normal y a la vida útil del equipo. Es de gran importancia práctica analizar en profundidad el origen del problema de sobretensión del variador y discutir soluciones eficaces.

二. el análisis de la fuente del problema de sobretensión del variador de frecuencia vfd

(1) Sobretensión en el lado de entrada de la fuente de alimentación

1. Fluctuaciones de tensión en la red

        En algunas zonas, la calidad del suministro eléctrico de la red puede ser inestable. Cuando se produce un pico de tensión en la red eléctrica, como el aumento instantáneo de la tensión de red provocado por el arranque de un motor grande, la caída de un rayo, etc., que supera el rango de tensión de entrada nominal del inversor, se producirá la sobretensión del inversor. Esta fluctuación de tensión puede ser un pico breve o un pico de tensión que dure unos segundos o incluso más.
        El sistema de alimentación de la red presenta cambios de tensión significativos durante los periodos de máxima y mínima potencia. Durante los periodos de baja potencia, las tensiones de red pueden aumentar y, sin una regulación de tensión adecuada, los variadores son susceptibles de sufrir sobretensiones.

2. Problemas de conmutación de potencia

        En algunos sistemas con alimentación de reserva o doble alimentación, cuando se conmuta la alimentación, si no se controla adecuadamente el proceso de conmutación, como la diferencia de fase y la diferencia de tensión en el momento de la conmutación, puede generarse una descarga de tensión excesiva en la entrada de alimentación del inversor. Esto es especialmente probable que ocurra al conmutar entre un sistema de alimentación ininterrumpida (SAI) y la red eléctrica, o entre dos redes eléctricas.

(2) La energía regenerativa del propio variador de frecuencia vfd provoca sobretensión

1. Proceso de frenado rápido del motor

        Cuando el motor necesita pararse rápidamente, por ejemplo, en algunos equipos de producción que necesitan arrancar y parar con frecuencia, el motor seguirá girando debido a la inercia, y el motor se encuentra en un estado de generación de energía, y la energía eléctrica generada se retroalimentará al variador. Si el variador no dispone de un mecanismo eficiente de procesamiento de la energía, esta energía regenerativa puede provocar un aumento de la tensión del bus de CC. En el caso de algunas cargas inerciales grandes, como el mecanismo de elevación de la grúa que frena rápidamente cuando se baja el objeto pesado, la energía realimentada por el motor puede ser muy grande, lo que es fácil que cause sobretensión.
         En algunas aplicaciones de control de velocidad de alta precisión, como el motor de husillo de las máquinas herramienta CNC, cuando el motor desacelera, el rápido cambio de su velocidad producirá una gran cantidad de energía eléctrica regenerativa, que hará que la tensión del bus de CC del variador aumente bruscamente si esta energía eléctrica no se puede consumir o realimentar a tiempo.

2. Retroalimentación de energía causada por cambios bruscos de carga

         En algunas ocasiones en las que la carga cambia con frecuencia, como el grosor desigual del acero que encuentra el laminador durante el proceso de laminación, el par de carga disminuirá repentinamente, la velocidad del motor aumentará de forma instantánea y el motor entrará en estado de generación de energía regenerativa, y la energía regenerativa generada se realimentará al variador, lo que puede provocar una sobretensión. La energía generada por este cambio repentino de carga es rápida y aleatoria, lo que supone un reto para la estabilidad de la tensión del inversor.

三.la solución al problema de la sobretensión del inversor

(1) Medidas contra la sobretensión en el lado de entrada de la fuente de alimentación

1. Instalar estabilizador de tensión

         Instalar un regulador de tensión en la entrada de alimentación del variador es un método eficaz. El regulador automático de tensión (AVR) puede controlar la tensión de entrada en tiempo real y estabilizar la tensión de entrada dentro del rango de tensión nominal del variador ajustando automáticamente la relación de vueltas del transformador. Para algunas ocasiones con elevados requisitos de estabilidad de la tensión, pueden utilizarse servorreguladores de alta precisión, que pueden controlar la tensión de salida con mayor precisión y hacer frente con eficacia a la fluctuación de la tensión de red.
         Los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) se utilizan para suprimir los picos de tensión en la red. El SPD puede dirigir los impulsos de tensión excesiva a tierra en muy poco tiempo, protegiendo al inversor de descargas instantáneas de alta tensión causadas por rayos, etc. A la hora de elegir el SPD adecuado, tenga en cuenta su capacidad de paso, tiempo de respuesta y otros parámetros para garantizar una protección eficaz del inversor.

2. Optimizar la estrategia de conmutación de potencia

         En los sistemas con fuentes de alimentación dobles o de reserva, deben emplearse dispositivos de conmutación síncrona. Este dispositivo puede detectar y ajustar la tensión, la fase y otros parámetros de las dos fuentes de alimentación antes de la conmutación de potencia, para garantizar que la diferencia de tensión y la diferencia de fase en el momento de la conmutación estén dentro del rango permitido. Por ejemplo, se puede utilizar un conmutador con captura simultánea para lograr una conmutación sin descargas mediante un algoritmo de control preciso, reduciendo la descarga de tensión al inversor durante la conmutación de potencia.
         Para la conmutación entre el SAI y la red eléctrica, el circuito de conmutación del SAI debe estar razonablemente diseñado y los parámetros optimizados. El circuito tampón puede aumentar el tiempo de transición de conmutación, reducir la mutación de tensión en el momento de la conmutación y garantizar la estabilidad de la tensión de salida del SAI, de modo que no tenga un efecto de sobretensión en el inversor durante el proceso de conmutación.

(2) Medidas para la sobretensión causada por la energía regenerativa del propio inversor

1. Aumentar la resistencia al frenado

         Conectar una resistencia de frenado al extremo del bus de CC del accionamiento es una forma habitual de gestionar la energía regenerativa. Cuando el motor se encuentra en un estado de generación de energía regenerativa, la energía eléctrica generada puede disiparse en forma de energía térmica a través de la resistencia de frenado. El valor de resistencia de la resistencia de frenado debe seleccionarse razonablemente en función de la potencia del variador, la inercia del motor y otros factores. Para el sistema de variador con alta potencia y gran carga de inercia, es necesario seleccionar una resistencia de frenado con un valor de resistencia pequeño y una gran potencia para garantizar que la energía regenerativa pueda consumirse de forma oportuna y eficaz para evitar que la tensión del bus de CC sea demasiado alta.
         Algunos inversores avanzados están equipados con una unidad de frenado inteligente que puede controlar automáticamente la entrada y salida de las resistencias de frenado en función de los cambios en tiempo real de la tensión del bus de CC. Cuando la tensión del bus de CC sube hasta el umbral establecido, la unidad de frenado inteligente conecta automáticamente la resistencia de frenado al circuito para el consumo de energía. Cuando la tensión cae a un rango seguro, la resistencia de frenado se retira automáticamente para lograr un control dinámico de la energía regenerativa.

2. Adoptar un dispositivo de retroalimentación de energía

         Para las aplicaciones que generan con frecuencia grandes cantidades de energía regenerativa, pueden instalarse dispositivos de realimentación de energía. El dispositivo de retroalimentación de energía puede retroalimentar la energía eléctrica generada por la generación de energía de regeneración del motor a la red eléctrica para realizar la reutilización de la energía. Por ejemplo, en algunas grúas, ascensores y otros equipos con caída de objetos pesados o frenado frecuente de motores, se adopta la unidad de realimentación de energía activa, que invierte la energía eléctrica regenerada del bus de CC en corriente alterna a la misma frecuencia y fase que la red eléctrica mediante tecnología avanzada de electrónica de potencia, y la realimenta a la red eléctrica, lo que no sólo resuelve el problema de la sobretensión, sino que también mejora la utilización de la energía.
         En algunas ocasiones con altos requisitos de calidad de la red eléctrica, el dispositivo de realimentación de energía también puede controlar la calidad del retorno de energía, como la supresión de armónicos, etc., para reducir el impacto negativo en la red eléctrica.

四. Conclusión

        El problema de la sobretensión del inversor es un problema complejo y exhaustivo, y en su origen intervienen muchos aspectos, como la entrada de potencia, la gestión de la energía propia y los fallos del circuito interno. El problema de la sobretensión del inversor puede prevenirse y resolverse eficazmente tomando las medidas correspondientes, como instalar un regulador de tensión en el lado de entrada de la fuente de alimentación y optimizar la estrategia de conmutación, añadir una resistencia de frenado o un dispositivo de realimentación de energía para la energía regenerativa, y llevar a cabo el mantenimiento periódico y el diagnóstico y reparación de fallos internos del inversor. Esto no sólo puede garantizar el funcionamiento estable del inversor y prolongar su vida útil, sino también mejorar la fiabilidad y la eficiencia de producción de todo el sistema de automatización industrial, y reducir la pérdida de producción causada por el fallo del inversor. En las aplicaciones prácticas, es necesario considerar y seleccionar de forma exhaustiva las soluciones adecuadas en función de factores como los modelos específicos de inversor, las características de carga y el entorno operativo para conseguir el mejor efecto de protección contra sobretensiones.