Nguyên tắc thiết kế hệ thống VFD DC Link

Trong hệ thống Biến tần (VFD), liên kết DC, với tư cách là thành phần cốt lõi kết nối bộ-bộ chỉnh lưu mặt trước và bộ biến tần-mặt sau, được thiết kế xoay quanh bộ đệm năng lượng, ổn định điện áp, triệt tiêu sóng hài và độ tin cậy của hệ thống. Nó tạo thành cơ sở vật lý để đạt được khả năng kiểm soát tốc độ động cơ chính xác và quản lý năng lượng hiệu quả. Hệ thống này, thông qua các tác động tổng hợp của chỉnh lưu, lọc, lưu trữ năng lượng và điều chỉnh động, chuyển đổi nguồn điện AC lưới thành nguồn DC có thể điều khiển được, cung cấp hỗ trợ nguồn điện ổn định cho giai đoạn biến tần, do đó thích ứng với những thay đổi về tải và các điều kiện vận hành phức tạp.

Thiết kế của liên kết DC bắt đầu bằng việc chuyển đổi và ổn định dạng năng lượng. Mạch chỉnh lưu mặt trước thường sử dụng chỉnh lưu đi-ốt không điều khiển hoặc chỉnh lưu thyristor/IGBT được điều khiển: mạch chỉnh lưu trước đây có cấu trúc đơn giản và chi phí thấp, phù hợp với các tình huống có yêu cầu chung về hệ số công suất đầu vào; cái sau có thể chủ động điều chỉnh dạng sóng dòng điện đầu vào thông qua điều khiển pha, cải thiện hệ số công suất và triệt tiêu sóng hài, nhưng làm tăng độ phức tạp của điều khiển. Điện áp DC dao động đầu ra từ bộ chỉnh lưu có gợn sóng đáng kể, cần được lọc bằng tụ điện DC hoặc bộ lưu trữ năng lượng cuộn cảm để hạn chế dao động điện áp trong giới hạn cho phép, tạo thành điện áp bus DC tương đối ổn định để cung cấp năng lượng cho cầu biến tần.

Bộ đệm năng lượng là một trong những chức năng cốt lõi của liên kết DC. Bởi vì dòng năng lượng đảo ngược khi động cơ chuyển đổi giữa trạng thái động cơ và phanh tái tạo (ví dụ: động cơ cung cấp năng lượng trở lại liên kết DC trong khi phanh), tụ điện bus DC phải có đủ công suất và chịu được điện áp để hấp thụ hoặc giải phóng chênh lệch công suất tức thời, ngăn ngừa dao động điện áp bus nghiêm trọng có thể gây hư hỏng quá điện áp cho mô-đun biến tần hoặc mô-men đầu ra không đủ. Thiết kế công suất của nó phải xem xét toàn diện quán tính tải, tần số hãm, biên độ dao động điện áp lưới và hệ số gợn sóng điện áp thanh cái cho phép để đảm bảo ổn định điện áp ngay cả trong những điều kiện vận hành đòi hỏi khắt khe nhất.

Việc triệt tiêu sóng hài và tối ưu hóa chất lượng điện là những phần mở rộng quan trọng của thiết kế liên kết DC. Các mạch chỉnh lưu không được kiểm soát tạo ra một số lượng lớn sóng hài bậc-thấp (chẳng hạn như sóng hài bậc 5 và bậc 7), không chỉ gây ô nhiễm lưới điện mà còn có thể gây tổn thất đường dây và hỏng hóc thiết bị. Bằng cách giới thiệu cuộn kháng đầu vào, cuộn kháng làm trơn DC hoặc sử dụng cấu trúc liên kết chỉnh lưu nhiều{5}}xung (chẳng hạn như 12-xung hoặc 24 xung), việc đưa dòng điện hài vào lưới có thể được ngăn chặn một cách hiệu quả. Đối với các tình huống đòi hỏi khắt khe, công nghệ chỉnh lưu chủ động ngoại vi (AFE), thông qua các thiết bị điện tử công suất được điều khiển hoàn toàn và các thuật toán điều khiển tiên tiến, đạt được dòng điện đầu vào hình sin và vận hành hệ số công suất thống nhất, cải thiện đáng kể chất lượng điện năng của hệ thống.

Cơ chế điều chỉnh và bảo vệ động là rất quan trọng để đảm bảo độ tin cậy trong các nguyên tắc thiết kế. Điện áp bus DC cần được theo dõi trong thời gian thực. Khi điện áp vượt quá ngưỡng (quá điện áp hoặc thấp áp), hệ thống điều khiển sẽ kích hoạt các chiến lược bảo vệ tương ứng: trong trường hợp quá điện áp, năng lượng dư thừa có thể bị tiêu tán trong điện trở hãm thông qua bộ hãm hoặc chuyển đổi trở lại thành nguồn AC thông qua bộ phản hồi và đưa trở lại lưới điện; trong trường hợp điện áp thấp, công suất đầu ra phải được hạn chế hoặc hệ thống phải tắt để tránh làm hỏng mô-đun biến tần do không đủ năng lượng. Hơn nữa, điện cảm và điện dung ký sinh trong liên kết DC có thể tạo thành các mạch cộng hưởng; do đó, phải sử dụng điện trở giảm chấn hoặc hệ thống dây điện được tối ưu hóa trong thiết kế để triệt tiêu các dao động tần số cao- và tránh nhiễu với tín hiệu điều khiển.

Từ góc độ cấu trúc liên kết, các liên kết DC có thể được phân loại thành các loại bus DC đơn và các loại bus DC đa cấp. Cấu trúc bus DC đơn giản và-chi phí thấp, phù hợp với các ứng dụng công suất vừa và nhỏ. Bus DC nhiều{4}}cấp, thông qua tụ điện phân chia điện áp-hoặc cấu trúc cầu H{6}} xếp tầng, có thể làm giảm khả năng chịu áp lực của thiết bị và sóng hài đầu ra, khiến chúng phù hợp với các kịch bản truyền động điện-điện áp cao,{8}}cao. Thiết kế tản nhiệt cũng phải được xem xét, vì sự tăng nhiệt độ của tụ điện bus DC và các thiết bị nguồn ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ và hiệu suất. Bố trí hợp lý, tản nhiệt hiệu quả hoặc hệ thống làm mát bằng chất lỏng là cần thiết để kiểm soát nhiệt độ vận hành.

Nhìn chung, nguyên tắc thiết kế của hệ thống liên kết VFD DC tập trung vào sự ổn định và chuyển đổi năng lượng. Thông qua việc tối ưu hóa tổng hợp việc lựa chọn cấu trúc liên kết chỉnh lưu, cấu hình bộ lưu trữ năng lượng, công nghệ triệt tiêu sóng hài và cơ chế bảo vệ động, một kênh năng lượng linh hoạt kết nối lưới điện và động cơ được xây dựng. Chất lượng thiết kế của nó quyết định trực tiếp đến độ chính xác của việc điều chỉnh tốc độ, độ tin cậy vận hành và hiệu quả sử dụng năng lượng của VFD, khiến nó trở thành nền tảng công nghệ không thể thiếu trong điều khiển tiết kiệm năng lượng và truyền tải công nghiệp hiện đại.