能量回饋裝置概述

在電梯、礦山提升機(jī)、港口起重機(jī)、工廠離心機(jī)、油田抽油機(jī)等許多場(chǎng)合，都會(huì)伴隨著負(fù)載勢(shì)能、動(dòng)能的變化。比如，提升機(jī)、起重機(jī)等在下放重物時(shí)勢(shì)能會(huì)減小，離心機(jī)設(shè)備在停機(jī)時(shí)，動(dòng)能會(huì)減小。而由能量守恒定律我們知道，能量是不會(huì)憑空消失的，那么這部分能量到哪里去了呢?答案是通過電機(jī)轉(zhuǎn)換成為了再生電能。實(shí)際上，在采用變頻調(diào)速的設(shè)備里，這部分電能一般是通過能耗制動(dòng)電阻再轉(zhuǎn)換為熱能白白浪費(fèi)掉了的。

設(shè)想如果能夠有一種裝置，將這部分再生電能利用起來(lái)回送到電網(wǎng)，那么不是可以省下這部分電能，起到節(jié)能降耗的效果嗎?能量回饋裝置就是這樣一種產(chǎn)品。它使用的電力電子變換技術(shù),其主要實(shí)現(xiàn)的作用就是將上述設(shè)備在運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的再生電能利用起來(lái)，并轉(zhuǎn)換為同步的交流電能回送到電網(wǎng)，起到節(jié)電的效果。

萬(wàn)洲集團(tuán)新推出的節(jié)能專用產(chǎn)品，適用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)具有位能負(fù)載、大慣量負(fù)載和長(zhǎng)時(shí)間(頻繁)減速制動(dòng)的場(chǎng)合，產(chǎn)品配套與節(jié)能改造。WNK系列回饋節(jié)能裝置采用了第三代電流控制算法，核心部分采用了美國(guó)TI的工業(yè)控制專用DSP處理器和高性能電力電子器件IGBT/IPM，使產(chǎn)品的回饋效率高，電流諧波極小，從而避免了常見回饋裝置對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制系統(tǒng)的干擾，確保了加裝回饋裝置后不會(huì)影響現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的正常運(yùn)行。

1、回饋節(jié)能基本原理

將運(yùn)動(dòng)中負(fù)載上的機(jī)械能(位能、動(dòng)能)通過能量回饋裝置變換成電能(再生電能)并回送給交流電網(wǎng)，供附近其它用電設(shè)備使用，使電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)在單位時(shí)間消耗電網(wǎng)電能下降，從而達(dá)到節(jié)約電能的目的。

2、回饋節(jié)能解決方案

能量回饋裝置的作用就是能有效的將電動(dòng)機(jī)的再生電能高效回送給交流電網(wǎng)，供周邊其它用電設(shè)備使用，節(jié)電效果十分明顯，一般節(jié)電率可達(dá)15%~45%。此外，由于無(wú)電阻發(fā)熱元件，機(jī)房溫度下降，可以節(jié)省機(jī)房空調(diào)的耗電量，在許多場(chǎng)合，節(jié)約空調(diào)耗電量往往帶來(lái)更優(yōu)的節(jié)電效果。

電梯節(jié)能改造與設(shè)備配套

起重機(jī)(小功率提重機(jī))、提升機(jī)等節(jié)能改造與設(shè)備配套

礦山直井、斜井，單溝道、雙溝道等各種提升機(jī)配套和節(jié)能改造

各種起重機(jī)、港口提升機(jī)等設(shè)備配套和節(jié)能改造

其它勢(shì)能設(shè)備的高可靠性回饋節(jié)能

淀粉廠、制藥廠等工業(yè)離心機(jī)設(shè)備配套和節(jié)能改造

其它大慣性負(fù)載設(shè)備的節(jié)能改造

測(cè)功機(jī)等設(shè)備的配套和節(jié)能改造

其它連續(xù)發(fā)電并需要回饋電網(wǎng)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)

油田抽油機(jī)的節(jié)能改造

小功率離心機(jī)、工業(yè)洗衣機(jī)等慣性機(jī)械的節(jié)能改造與設(shè)備配套

¥ 電壓、功率范圍:220V-380V;7.5-300kw。

¥ 替代性:制動(dòng)單元+電阻的使用=能量回饋制動(dòng)器，完全替代。

¥ 節(jié)能性:把再生能量回饋電網(wǎng)，效率高達(dá)97%，增加運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)能環(huán)保。

¥ 安全性:采用先進(jìn)的電力電子技術(shù)和高性能的IGBT作為開關(guān)器件;

采用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，輸出相位準(zhǔn)確、有效抑制高次諧波;

采用DSP中央處理器，速度快、精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng);

電壓畸變率<5%，符合IEC61000-3-2及GB/T14549對(duì)電網(wǎng)諧波的要求;

完善制動(dòng)效果，適應(yīng)快速制動(dòng)和頻繁制動(dòng)的工程需求。

&yen; 回饋性:采用自診斷技術(shù)確保輸出電壓精確，防止電流回送，使變頻器不受任何影響。

&yen; 實(shí)用性:系統(tǒng)節(jié)電效果好，發(fā)熱量低、安全性高、維護(hù)工作量小。

&yen; 可以并聯(lián)使用應(yīng)用于較大功率場(chǎng)合

而采用先進(jìn)的 IGBT 器件和相幅控制 PWM 算法，可用于提高變頻器的減速制動(dòng)能力，同時(shí)將電機(jī)在制動(dòng)過程中產(chǎn)生并輸入到變頻器的能量回饋到電網(wǎng)，從而在滿足變頻器有效制動(dòng)的同時(shí)，能把95% 以上的再生電能回收利用。

為了解決電動(dòng)機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的再生能量，德國(guó)和日本的公司都研制推出了電機(jī)四象限運(yùn)行的變頻器或電源再生裝置，將再生能量回饋到電網(wǎng)中。但這些裝置普遍存在的問題是這些裝置價(jià)格昂貴，再加上一些產(chǎn)品對(duì)電網(wǎng)的要求很高，不適合我國(guó)的國(guó)情。而國(guó)內(nèi)在中小容量系統(tǒng)中大都采用能耗制動(dòng)方式，即通過內(nèi)置或外加制動(dòng)電阻的方法將電能消耗在大功率電阻器中，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行，該方法雖然簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)是顯而易見的:(1)浪費(fèi)能量，降低了系統(tǒng)的效率;(2)電阻發(fā)熱嚴(yán)重，影響系統(tǒng)的其他部分正常工作;(3)簡(jiǎn)單的能耗制動(dòng)有時(shí)不能及時(shí)抑制快速制動(dòng)產(chǎn)生的泵升電壓，限制了制動(dòng)性能的提高。

通用變頻器大都為電壓型交-直-交變頻器。三相交流電首先通過二極管不控整流橋得到脈動(dòng)直流電，再經(jīng)電解電容濾波穩(wěn)壓，最后經(jīng)無(wú)源逆變輸出電壓、頻率可調(diào)的交流電給電動(dòng)機(jī)供電。這類變頻器效率高、精度高、調(diào)速范圍寬，所以在工業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用。但是通用變頻器不能直接用于需要快速起、制動(dòng)和頻繁正、反轉(zhuǎn)的調(diào)速系統(tǒng)，如高速電梯、礦用提升機(jī)、軋鋼機(jī)、大型龍門刨床、卷繞機(jī)構(gòu)張力系統(tǒng)及機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。因?yàn)檫@種系統(tǒng)要求電機(jī)四象限運(yùn)行，當(dāng)電機(jī)減速、制動(dòng)或者帶位能性負(fù)載重物下放時(shí)，電機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)。由于二極管不控整流器能量傳輸不可逆，產(chǎn)生的再生電能傳輸?shù)街绷鱾?cè)濾波電容上，產(chǎn)生泵升電壓。而以IGBT為代表的全控型器件耐壓較低，過高的泵升電壓有可能損壞開關(guān)器件、電解電容，甚至?xí)茐碾姍C(jī)的絕緣，從而威脅系統(tǒng)安全工作，這就限制了通用變頻器的應(yīng)用范圍。

電梯的運(yùn)行離不開電能，由于電梯在空載或輕載上行時(shí)以及滿載或重載下行時(shí)曳引機(jī)會(huì)產(chǎn)生再生能量。并且這些再生能量必須要得到適當(dāng)處理，而能量回饋技術(shù)正是解決再生能量的最佳處理方法。電梯能量回饋技術(shù)的研究就是要解決電梯運(yùn)行過程中的能量浪費(fèi)問題，降低電梯的能耗，這對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)具有重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)效益。

系統(tǒng)的主回路結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由濾波電容、三相IGBT全橋、串聯(lián)電感及一些外圍電路組成。電梯能量回饋系統(tǒng)的輸入端與電梯變頻器的直流母線側(cè)相連，輸出端與電網(wǎng)側(cè)相連。

當(dāng)電梯曳引機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，開關(guān)器件V1~V6全部被封鎖，處于關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)曳引機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，能量累積在變頻器直流母線側(cè)，產(chǎn)生泵升電壓，當(dāng)直流母線電壓超過啟動(dòng)有源逆變電路的工作電壓Ed并滿足其它逆變條件后，能量回饋系統(tǒng)開始工作，將直流母線上的能量回饋電網(wǎng)。隨著這部分能量的釋放，直流母線電壓逐漸下降，當(dāng)回落到設(shè)定值后，回饋系統(tǒng)停止工作。另外，連接在逆變電路與三相交流電網(wǎng)之間的高頻磁芯扼流電抗器將吸收直流母線電壓和電網(wǎng)線電壓的差值，以減小對(duì)電網(wǎng)電壓的影響。

電梯運(yùn)行時(shí)有四個(gè)工況分別是:(1)空車上行和滿載下行，即轎箱或配重較輕的一邊上升，此時(shí)是系統(tǒng)釋放勢(shì)能的過程，曳引機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)。(2) 空車下行與滿載上行，即轎箱或配重較輕的一邊下降，此時(shí)系統(tǒng)勢(shì)能在不斷增加，曳引機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)。(3)當(dāng)電梯到達(dá)所在樓層減速制動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)釋放動(dòng)能，此時(shí)曳引機(jī)也工作在發(fā)電狀態(tài)。(4)電梯在半載或在接近半載狀態(tài)下運(yùn)行，此時(shí)曳引機(jī)工作在平衡或接近平衡工況，這是電梯運(yùn)行的最大概率工況。

當(dāng)電梯運(yùn)行在(1)、(3)工況時(shí)，曳引機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，所產(chǎn)生的能量通過電動(dòng)機(jī)和變頻器轉(zhuǎn)化為變頻器直流母線上的直流電能。這些能量被臨時(shí)存儲(chǔ)在變頻器直流回路的大電容中，能量回饋系統(tǒng)是將電梯變頻器直流側(cè)大電容中儲(chǔ)存的直流電能轉(zhuǎn)換為交流電，并回送到電網(wǎng)。