El frenado regenerativo, también conocido como frenado por retroalimentación regenerativa, funciona mediante el uso de tecnología de inversión activa para convertir la energía regenerativa generada durante la deceleración o parada del motor en corriente alterna (CA) que coincida con la frecuencia, fase y tensión de la red eléctrica. Esta energía se devuelve directamente a la red, lo que permite el reciclaje energético y resuelve de raíz el problema del “bombeo de tensión” en el bus de CC, logrando al mismo tiempo un ahorro de energía. Como solución de frenado de gama alta en sistemas de variadores de frecuencia (VFD), admite el funcionamiento del motor en cuatro cuadrantes y es ideal para aplicaciones industriales con cargas de energía potencial o frenados frecuentes.
Componentes Principales
El sistema de frenado regenerativo consta principalmente de cuatro partes: una unidad regenerativa (inversor activo), un circuito de filtro, un circuito de detección y control, y un circuito de protección. Algunos productos integran el módulo central en un armario de frenado regenerativo, adecuado para escenarios con convertidores de frecuencia de alta potencia.
Unidad Regenerativa
El núcleo es un puente inversor de alta potencia (compuesto por dispositivos de potencia como IGBT), que es clave para convertir la corriente continua (CC) en corriente alterna (CA). Controla con precisión la frecuencia, fase y amplitud de la tensión invertida para que coincida con los parámetros de la red.
Circuito de Filtro
Incluye componentes como reactancias y condensadores, utilizados para suprimir los armónicos generados durante el proceso de inversión, reducir la contaminación armónica en la red y estabilizar la corriente de retroalimentación.
Circuito de Detección y Control
Detecta en tiempo real la tensión, frecuencia y fase de la red, así como la tensión del bus de CC del inversor. Un algoritmo de control de bucle cerrado ajusta el estado operativo del puente inversor para garantizar la sincronización y estabilidad de la recuperación de energía.
Circuito de Protección
Cuenta con funciones de protección como sobretensión, sobrecorriente, pérdida de fase, error de fase y exceso de fluctuación de la red. Cuando las fluctuaciones de tensión de la red superan el 15% o se produce un fallo, corta inmediatamente el circuito de retroalimentación para evitar fallos de conmutación, daños en los dispositivos y la propagación de fallos en la red.
1. Principio de Funcionamiento
1.1. Cuando el motor desacelera, se detiene o libera energía potencial (por ejemplo, una grúa bajando una carga o un ascensor descendiendo), mantiene una velocidad alta debido a la inercia mecánica. La velocidad sincrónica es inferior a la velocidad del rotor y el motor entra en estado de generador. La energía eléctrica regenerada es rectificada por el diodo de marcha libre y devuelta al bus de CC del convertidor de frecuencia, provocando que la tensión del bus Ud aumente.
1.2. Cuando la tensión del bus de CC alcanza el umbral de arranque de la unidad regenerativa, el circuito de detección captura las señales de tensión, frecuencia y fase de la red eléctrica en tiempo real, y el circuito de control activa el puente inversor de la unidad regenerativa.
1.3. El puente inversor convierte la energía eléctrica regenerativa del bus de CC en corriente alterna trifásica con la misma frecuencia, fase y amplitud que la red eléctrica. Una vez que el circuito de filtro elimina los armónicos, la energía eléctrica se devuelve a la red, logrando la recuperación energética.
1.4. Cuando la tensión del bus de CC baja hasta el umbral de parada de la unidad regenerativa, el puente inversor deja de funcionar y se interrumpe el proceso de retroalimentación. Si la tensión del bus vuelve a subir, se repite el proceso anterior, estabilizando siempre la tensión del bus de CC dentro de un rango seguro.
2. Proceso de Frenado
2.1. Generación de Energía: El motor opera en estado de frenado regenerativo, devolviendo energía al circuito de CC del VFD, lo que provoca que la tensión del bus de CC aumente continuamente.
2.2. Activación por Umbral: Cuando la tensión del bus alcanza la tensión de arranque preestablecida de la unidad de retroalimentación, el circuito de detección inicia el muestreo en tiempo real de los parámetros de la red y el circuito de control entra en estado de trabajo.
2.3. Inversión Activa: El puente inversor convierte la energía de CC en energía de CA conforme a los estándares de la red basándose en la señal de muestreo y, tras el filtrado, la devuelve a la red.
2.4. Estabilización de Tensión: A medida que la energía regenerativa se devuelve continuamente, la tensión del bus de CC disminuye gradualmente. Cuando cae al umbral de parada, la unidad regenerativa cesa la inversión.
2.5. Monitoreo Cíclico: El sistema monitoriza continuamente la tensión del bus. Si alcanza de nuevo el umbral de arranque, el proceso de inversión y retroalimentación se repite, equilibrando dinámicamente la tensión del bus para garantizar el funcionamiento seguro del sistema del VFD y del motor.
3. Características del Frenado
3.1. Recuperación de Energía, Alta Eficiencia y Ahorro: La energía eléctrica regenerada se devuelve directamente a la red y puede ser reutilizada. En comparación con el frenado dinámico, no hay desperdicio de energía. En escenarios con frenado frecuente y grandes cargas de inercia o energía potencial, el efecto de ahorro de energía es significativo.
3.2. Sin Pérdidas de Calor, Reducción de la Carga Térmica del Equipo: Dado que no se utilizan resistencias para la disipación de energía, se evita una generación sustancial de calor. Esto elimina la necesidad de equipos de refrigeración adicionales, mejora el entorno operativo del equipo y reduce los costes de enfriamiento.
3.3. Par de Frenado Estable, Soporta Operación en Cuatro Cuadrantes: La salida de par es estable durante el frenado, permitiendo la operación en cuatro cuadrantes (rotación del motor hacia adelante, hacia atrás, motorización y frenado). Adecuado para grúas, ascensores, montacargas de minas y otras cargas que requieren rotación frecuente en ambos sentidos y elevación de energía potencial.
3.4. Bajos Costes Operativos a Largo Plazo: Aunque la inversión inicial es mayor, los beneficios del ahorro de energía compensan el coste del equipo durante todo su ciclo de vida. Además, no es necesario reemplazar resistencias de frenado, lo que resulta en menores costes de mantenimiento.
4. Selección y Precauciones de Uso
4.1. Bases para la Selección
- Parámetros de la Red: Confirmar el nivel de tensión de la red, el número de fases y el rango de fluctuación de tensión para asegurar el cumplimiento del requisito de estabilidad del ±15%;
- Potencia Regenerativa: Calcular el pico y el promedio de la potencia regenerada en función de la potencia nominal del motor, la frecuencia de frenado y el tiempo de deceleración;
- Características de la Carga: Para cargas de energía potencial, considerar la potencia regenerativa correspondiente a la velocidad máxima de descarga, reservando un margen de potencia de 1,2 a 1,5 veces;
- Requisitos de Mitigación de Armónicos: Seleccionar reactancias y filtros adecuados según los estándares de armónicos de la red industrial.
4.2. Precauciones de Uso
4.2.1. Durante la instalación, configure un interruptor automático de aislamiento entre la unidad regenerativa y la red. Asegúrese de que el cableado al bus de CC del VFD tenga un calibre suficiente para minimizar las pérdidas en la línea.
4.2.2. Inspeccione periódicamente los componentes de potencia y los elementos de detección, reemplazando las piezas desgastadas rápidamente para evitar que los fallos del dispositivo causen averías en la red.
4.2.3. Si hay fluctuaciones en la red eléctrica, se puede configurar un estabilizador de tensión de red adicional para mejorar la adaptabilidad del sistema.
4.2.4. El sistema de frenado regenerativo requiere una toma de tierra separada, independiente del sistema de tierra del inversor, para evitar interferencias.
5. Escenarios de Aplicación
El frenado regenerativo es adecuado para escenarios industriales con redes eléctricas estables, frenado/inversión frecuentes y altos requisitos de ahorro energético. Es compatible principalmente con cargas de energía potencial y cargas de alta inercia, que incluyen específicamente:
5.1. Equipos de elevación: ascensores, escaleras mecánicas, grúas, grúas torre, montacargas de minas, polipastos de cadena, plataformas elevadoras hidráulicas;
5.2. Equipos de transmisión de alta inercia: grandes centrífugas, laminadores, unidades de bombeo de campos petrolíferos, grúas pórtico portuarias;
5.3. Equipos con avance/retroceso frecuentes: husillos de máquinas herramienta, equipos de transporte metalúrgico, transportadores de rascadores mineros.
Escenarios no adecuados: Condiciones operativas con fluctuaciones significativas de tensión de red o contaminación armónica severa; cargas generales sensibles al coste y con baja frecuencia de frenado (por ejemplo, ventiladores pequeños, bombas, cintas transportadoras estándar); sistemas VFD independientes sin capacidad de retroalimentación a la red.
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