能量回饋裝置

在通用頻器、異步電動機和機械負載所組成的變頻調速傳統系統中，當電動機所傳動的位能負載下放時，電動機將可能處於再生髮電制動狀態；或當電動機從高速到低速（含停車）減速時，頻率可以突減，但因電機的機械慣性，電機可能處於再生髮電狀態，傳動系統中所儲存的機械能經電動機轉換成電能，通過逆變器的六個續流二極體回送到變頻器的直流迴路中。此時的逆變器處於整流狀態。這時，如果變頻器中沒採取消耗能量的措施，這部分能量將導致中間迴路的儲能電容器的電壓上升。如果當制動過快或機械負載為提升機類時，這部分能量就可能對變頻器帶來損壞。

基本介紹

• 中文名：能量回饋裝置
• 類別：機械裝置
• 套用範圍1：電梯節能改造與設備配套
• 套用範圍2：起重機、提升機等節能改造設備

概述

在電梯、礦山提升機、港口起重機、工廠離心機、油田抽油機等許多場合，都會伴隨著負載勢能、動能的變化。比如，提升機、起重機等在下放重物時勢能會減小，離心機設備在停機時，動能會減小。而由能量守恆定律我們知道，能量是不會憑空消失的，那么這部分能量到哪裡去了呢？答案是通過電機轉換成為了再生電能。實際上，在採用變頻調速的設備里，這部分電能一般是通過能耗制動電阻再轉換為熱能白白浪費掉了的。

構想如果能夠有一種裝置，將這部分再生電能利用起來回送到電網，那么不是可以省下這部分電能，起到節能降耗的效果嗎？能量回饋裝置就是這樣一種產品。它使用的電力電子變換技術,其主要實現的作用就是將上述設備在運行過程中所產生的再生電能利用起來，並轉換為同步的交流電能回送到電網，起到節電的效果。

萬洲集團新推出的節能專用產品，適用於國民經濟各行業具有位能負載、大慣量負載和長時間（頻繁）減速制動的場合，產品配套與節能改造。WNK系列回饋節能裝置採用了第三代電流控制算法，核心部分採用了美國TI的工業控制專用DSP處理器和高性能電力電子器件IGBT/IPM，使產品的回饋效率高，電流諧波極小，從而避免了常見回饋裝置對現場設備控制系統的干擾，確保了加裝回饋裝置後不會影響現場設備的正常運行。

能量回饋原理

1、回饋節能基本原理

將運動中負載上的機械能（位能、動能）通過能量回饋裝置變換成電能（再生電能）並回送給交流電網，供附近其它用電設備使用，使電機拖動系統在單位時間消耗電網電能下降，從而達到節約電能的目的。

2、回饋節能解決方案

能量回饋裝置的作用就是能有效的將電動機的再生電能高效回送給交流電網，供周邊其它用電設備使用，節電效果十分明顯，一般節電率可達15%～45%。此外，由於無電阻發熱元件，機房溫度下降，可以節省機房空調的耗電量，在許多場合，節約空調耗電量往往帶來更優的節電效果。

套用範圍

電梯節能改造與設備配套

起重機（小功率提重機）、提升機等節能改造與設備配套

礦山直井、斜井，單溝道、雙溝道等各種提升機配套和節能改造

各種起重機、港口提升機等設備配套和節能改造

其它勢能設備的高可靠性回饋節能

澱粉廠、製藥廠等工業離心機設備配套和節能改造

其它大慣性負載設備的節能改造

測功機等設備的配套和節能改造

其它連續發電並需要回饋電網的工業現場

油田抽油機的節能改造

小功率離心機、工業洗衣機等慣性機械的節能改造與設備配套

性能特點

¥ 電壓、功率範圍：220V-380V；7.5-300kw。

¥ 替代性：制動單元+電阻的使用=能量回饋制動器，完全替代。

¥ 節能性：把再生能量回饋電網，效率高達97%，增加運行經濟效益，節能環保。

¥ 安全性：採用先進的電力電子技術和高性能的IGBT作為開關器件；

採用PWM脈寬調製技術，輸出相位準確、有效抑制高次諧波；

採用DSP中央處理器，速度快、精度高、穩定性好、抗干擾能力強；

電壓畸變率<5%，符合IEC61000-3-2及GB/T14549對電網諧波的要求；

完善制動效果，適應快速制動和頻繁制動的工程需求。

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

&yen; 實用性：系統節電效果好，發熱量低、安全性高、維護工作量小。

&yen; 可以並聯使用套用於較大功率場合

而採用先進的 IGBT 器件和相幅控制 PWM 算法，可用於提高變頻器的減速制動能力，同時將電機在制動過程中產生並輸入到變頻器的能量回饋到電網，從而在滿足變頻器有效制動的同時，能把95% 以上的再生電能回收利用。

能量回饋裝置在國內的套用現狀

再生能量的處理方式

為了解決電動機處於再生髮電狀態產生的再生能量，德國和日本的公司都研製推出了電機四象限運行的變頻器或電源再生裝置，將再生能量回饋到電網中。但這些裝置普遍存在的問題是這些裝置價格昂貴，再加上一些產品對電網的要求很高，不適合我國的國情。而國內在中小容量系統中大都採用能耗制動方式，即通過內置或外加制動電阻的方法將電能消耗在大功率電阻器中，實現電機的四象限運行，該方法雖然簡單，但缺點是顯而易見的：(1)浪費能量，降低了系統的效率；(2)電阻發熱嚴重，影響系統的其他部分正常工作；(3)簡單的能耗制動有時不能及時抑制快速制動產生的泵升電壓，限制了制動性能的提高。

通用變頻器在套用中存在的問題

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體不控整流橋得到脈動直流電，再經電解電容濾波穩壓，最後經無源逆變輸出電壓、頻率可調的交流電給電動機供電。這類變頻器效率高、精度高、調速範圍寬，所以在工業中獲得廣泛套用。但是通用變頻器不能直接用於需要快速起、制動和頻繁正、反轉的調速系統，如高速電梯、礦用提升機、軋鋼機、大型龍門刨床、卷繞機構張力系統及工具機主軸驅動系統等。因為這種系統要求電機四象限運行，當電機減速、制動或者帶位能性負載重物下放時，電機處於再生髮電狀態。由於二極體不控整流器能量傳輸不可逆，產生的再生電能傳輸到直流側濾波電容上，產生泵升電壓。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器件、電解電容，甚至會破壞電機的絕緣，從而威脅系統安全工作，這就限制了通用變頻器的套用範圍。

能量回饋裝置技術的新發展

—高壓變頻雙PWM控制技術為了消除通用變頻器對電網的諧波污染並提高功率因數，實現電機的四象限

運行，並克服傳統制動方法的並聯電阻消耗能量造成的浪費，在變頻器整流電路中採用自關斷器件進行PWM控制，可使電網側的輸入電流接近正弦波並且功率因數達到1，消除網側諧波污染，能量雙向流動，使電機四象限運行；同時對於各種調速場合，使電機很快達到速度要求，動態回響快。如圖1所示。雙PWM控制技術的工作原理：①時，能量由交流電網經整流器中間濾波電容充電，逆變器在PWM控制下將能量傳送到電機；②當電機處於減速運行狀態時，由於負載慣性作用進入發電狀態，其再生能量經逆變器中開關元件和續流二極體向中間濾波電容充電，使中間直流電壓升高，此時整流器中開關元件在PWM控制下將能量回饋到交流電網，完成能量的雙向流動。同時由於PWM整流器閉環控制作用，使電網電流與電壓同頻同相位，提高了系統的功率因數，消除了網側諧波污染。其優點是制動力矩大，調速範圍寬，動態性能好。

實踐範例——電梯的能量回饋裝置

電梯的運行離不開電能，由於電梯在空載或輕載上行時以及滿載或重載下行時曳引機會產生再生能量。並且這些再生能量必須要得到適當處理，而能量回饋技術正是解決再生能量的最佳處理方法。電梯能量回饋技術的研究就是要解決電梯運行過程中的能量浪費問題，降低電梯的能耗，這對於國民經濟具有重要的社會意義和經濟效益。

電梯能量回饋裝置的基本原理

系統的主迴路結構如圖2所示，主要由濾波電容、三相IGBT全橋、串聯電感及一些外圍電路組成。電梯能量回饋系統的輸入端與電梯變頻器的直流母線側相連，輸出端與電網側相連。

能量回饋裝置的工作過程

當電梯曳引機工作在電動狀態時，開關器件V1~V6全部被封鎖，處於關斷狀態。當曳引機工作在發電狀態，能量累積在變頻器直流母線側，產生泵升電壓，當直流母線電壓超過啟動有源逆變電路的工作電壓Ed並滿足其它逆變條件後，能量回饋系統開始工作，將直流母線上的能量回饋電網。隨著這部分能量的釋放，直流母線電壓逐漸下降，當回落到設定值後，回饋系統停止工作。另外，連線在逆變電路與三相交流電網之間的高頻磁芯扼流電抗器將吸收直流母線電壓和電網線電壓的差值，以減小對電網電壓的影響。

能量回饋裝置的運作方式

電梯運行時有四個工況分別是：(1)空車上行和滿載下行，即轎箱或配重較輕的一邊上升，此時是系統釋放勢能的過程，曳引機工作在發電狀態。(2) 空車下行與滿載上行，即轎箱或配重較輕的一邊下降，此時系統勢能在不斷增加，曳引機工作在電動狀態。(3)當電梯到達所在樓層減速制動時，系統釋放動能，此時曳引機也工作在發電狀態。(4)電梯在半載或在接近半載狀態下運行，此時曳引機工作在平衡或接近平衡工況，這是電梯運行的最大機率工況。

當電梯運行在(1)、(3)工況時，曳引機工作在發電狀態，所產生的能量通過電動機和變頻器轉化為變頻器直流母線上的直流電能。這些能量被臨時存儲在變頻器直流迴路的大電容中，能量回饋系統是將電梯變頻器直流側大電容中儲存的直流電能轉換為交流電，並回送到電網。