变频调速能量回馈装置在节能中的应用

变频调速能量回馈装置在节能中的应用

1.概述

对于工业中使用大功率电动机的场合，若要节能和提高效率，通常我们会问以下两个问题：应用哪一种控制策略可以使变频驱动电机的损耗最小而效率最高？怎样才能使生产机械储存的能量及时高效地回馈到电网？我们的答案是：第一个环节通过变频调速技术及其优化控制技术实现“按需供能”，即在满足生产机械速度、转矩和动态响应要求的前提下，尽量减少变频装置的输入能量，使电机的损耗小而效率高；第二个环节是将由生产机械中储存的动能或势能转换而来的电能及时地、高效地“回收”到电网，即通过有源逆变装置将再生能量回馈到交流电网，一方面是节能降耗，另一方面是实现电动机的精密制动，提高电动机的动态性能。因此，采用变频调速技术是节能降耗、改善控制性能、提高产品产量和质量的重要途径，已在应用中取得了良好的应用效果和显著的经济效益。

2.能量回馈装置在国内的应用现状

2.1 再生能量的处理方式

为了解决电动机处于再生发电状态产生的再生能量，德国和日本的公司都研制推出了电机四象限运行的变频器或电源再生装置，将再生能量回馈到电网中。但这些装置普遍存在的问题是这些装置价格昂贵，再加上一些产品对电网的要求很高，不适合我国的国情。而国内在中小容量系统中大都采用能耗制动方式，即通过内置或外加制动电阻的方法将电能消耗在大功率电阻器中，实现电机的四象限运行，该方法虽然简单，但缺点是显而易见的： (1)浪费能量，降低了系统的效率；(2)电阻发热严重，影响系统的其他部分正常工作；(3)简单的能耗制动有时不能及时抑制快速制动产生的泵升电压，限制了制动性能的提高。

2.2通用变频器在应用中存在的问题

通用变频器大都为电压型交-直-交变频器。三相交流电首先通过二极管不控整流桥得到脉动直流电，再经电解电容滤波稳压，最后经无源逆变输出电压、频率可调的交流电给电动机供电。这类变频器效率高、精度高、调速范围宽，所以在工业中获得广泛应用。但是通用变频器不能直接用于需要快速起、制动和频繁正、反转的调速系统，如高速电梯、矿用提升机、轧钢机、大型龙门刨床、卷绕机构张力系统及机床主轴驱动系统等。因为这种系统要求电机四象限运行，当电机减速、制动或者带位能性负载重物下放时，电机处于再生发电状态。由于二极管不控整流器能量传输不可逆，产生的再生电能传输到直流侧滤波电容上，产生泵升电压。而以IGBT为代表的全控型器件耐压较低，过高的泵升电压有可能损坏开关器件、电解电容，甚至会破坏电机的绝缘，从而威胁系统安全工作，这就限制了通用变频器的应用范围。

3.能量回馈技术的新发展—高压变频双PWM控制技术

综上所述，为了消除通用变频器对电网的谐波污染并提高功率因数，实现电机的四象限运行，并克服传统制动方法的并联电阻消耗能量造成的浪费，在变频器整流电路中采用自关断器件进行PWM控制，可使电网侧的输入电流接近正弦波并且功率因数达到1，消除网侧谐波污染，能量双向流动，使电机四象限运行；同时对于各种调速场合，使电机很快达到速度要求，动态响应快。如图１所示。双PWM控制技术的工作原理：①当电机处于拖动状态时，能量由交流电网经整流器中间滤波电容充电，逆变器在PWM控制下将能量传送到电机；

②当电机处于减速运行状态时，由于负载惯性作用进入发电状态，其再生能量经逆变器中开关元件和续流二极管向中间滤波电容充电，使中间直流电压升高，此时整流器中开关元件在PWM控制下将能量回馈到交流电网，完成能量的双向流动。同时由于PWM整流器闭环控制作用，使电网电流与电压同频同相位，提高了系统的功率因数，消除了网侧谐波污染。其优点是制动力矩大，调速范围宽，动态性能好。

图1 能量回馈装置的双PWM拓扑结构

4.变频调速能量回馈装置在煤矿提升机中的应用

图2为典型的煤矿提升机高压变频器系统。提升机采用能量回馈制动方式，被控电动机可急起急停，在提升减速和重物下放过程，惯量越大，回馈能量越大，可产生不低于80％额定功率的能量回馈。具有以下控制性能：

1）实现电机软启动，起动力矩和低速转矩大；

2）在电网波动±20%范围内，恒转矩提升，使负载提升不受电网波动影响；

3）实现无级调速，提升机按“S”速度曲线运行，启动和停止过程平稳，加速和运行平滑，减少机械冲击；

4）制动安全可靠，实现能耗制动或回馈制动、直流制动，并配合机械抱闸制动；

5）四象限运行，实现再生能量回馈，并控制功率因数为1；

6）完整、可靠的变频器自身保护及提升机安全防护。

图2 典型煤矿提升机高压变频器系统

据相关资料，我国矿井提升机使用变频技术进行节能改造，节约电费和设备维修费，潜力巨大。