咸寧師專學(xué)報變頻調(diào)速中的再生能量回收應(yīng)用研究馮靜（武漢水利電力大學(xué)計算機(jī)科學(xué)系，湖北武漢430072）理入手，以門式起重機(jī)為例介紹將變頻調(diào)速中的再生能量反饋回電網(wǎng)的應(yīng)用原理及過程。

　　變頻器驅(qū)動異步電動機(jī)運行的情況下，當(dāng)異步電動機(jī)運行速度低于變頻器提供頻率相應(yīng)的同步轉(zhuǎn)速時，電機(jī)工作于電動狀態(tài)，反之當(dāng)電機(jī)運行速度高于同步轉(zhuǎn)速時，則工作于發(fā)電狀態(tài)。對于容量較小的傳動系統(tǒng)，考慮到回收能量的實際價值比問題，通常把這部分能量加電阻方式或定子加直流能耗制動方式消耗掉，但如果對于容量較大的傳動系統(tǒng)，基于節(jié)能需要，希望能將這部分再生電能進(jìn)行回收。本文以實例介紹這種工作方式在門式起重機(jī)電氣調(diào)速等方面的應(yīng)用。

　　1工作原理變頻調(diào)速異步電機(jī)適用于起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)和大車電氣傳動機(jī)構(gòu)。由于起升機(jī)構(gòu)具有位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性和大車運行的大慣量負(fù)載特點，變頻調(diào)速一般采用回饋再生制動四象限運行方式，是采用SIEMENS公司的SIMOVERTVC多電機(jī)傳動變頻方案設(shè)計的75tX 33.6mA級門式起重機(jī)的電機(jī)傳動變頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

　　1（Sademic整流回饋單元由整流橋和逆變橋組成。其主要功能有：為逆變器提供公共直流母線；當(dāng)電機(jī)處于再生工況（制動或吊重下降）而使直流母線電壓升高時，將再生能量反饋回電網(wǎng)，從而使系統(tǒng)實現(xiàn)四像限運行。

　　SIMOVERTVC逆變器是變頻調(diào)速的主要部件，其內(nèi)部逆變橋采用隔離門極雙極晶體管（IGBT）功率器件，為全數(shù)字電壓型PWM調(diào)制DC到AC變頻裝置，它提供了6種開閉環(huán)控制方式：（1）帶轉(zhuǎn)差補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)頻率控制（V/F特性曲線，用于異步電機(jī)單獨傳動和成組傳動）。（2）高分辨率開環(huán)頻率控制（V/F特性曲線，頻率分辨率：0.（3）帶編碼器反饋的開環(huán)頻率控制（頻率閉環(huán)，僅用于異步電機(jī)單獨傳動）。（4）無反饋的磁通矢量控制（頻率閉環(huán)，僅用于異步電機(jī)單獨傳動）。（5）帶反饋的磁通矢量控制（頻率閉環(huán)，僅用于異步電機(jī)單獨傳動）。（6）閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制（僅用于異步電機(jī)單獨傳動）。

　　進(jìn)線電抗器用于限制電網(wǎng)諧波，減少電網(wǎng)諧波對變頻器、整流/回饋單元等裝置的影響。電抗器參數(shù)與電源的短路功率和裝置的視在功率之比有關(guān)，當(dāng)電源短路功率與裝置視在功率之比大于50：1時，整流回饋單元采用短路壓降為4%的進(jìn)線電抗器。

　　自耦變壓器為整流回饋單元工作于回饋制動狀態(tài)時提供一個高電壓加于逆變橋上，該電壓為電源電壓的1.2倍，有工作系數(shù)ED=25%和ED=1OT%兩種類型選擇。

　　變頻器的選擇一般應(yīng)從投資、電路結(jié)構(gòu)特性、能耗以及使用便利等方面考慮。與其它通用型變頻器方案相比，SIEMENS公司SIMOVERTMASTERDRIVES整流回饋+逆變器多電機(jī)傳動變頻方案具有投資省，電路結(jié)構(gòu)緊湊，沒有制動電阻等發(fā)熱元件等優(yōu)點。該系統(tǒng)采用進(jìn)線電抗器和自耦變壓器使系統(tǒng)對電網(wǎng)的諧波污染大為降低，并保證電機(jī)即使在發(fā)電狀態(tài)也能達(dá)到比較大轉(zhuǎn)矩；其獨特的直流母線供電方式系統(tǒng)內(nèi)各電機(jī)（或電機(jī)組）可各自在任意像限運行，并使處于發(fā)電狀態(tài)的電機(jī)能量經(jīng)母線直接供給處于電動狀態(tài)的電機(jī)，大大提高了能量的再生利用率，具有明顯的節(jié)能效果等一系列優(yōu)勢，是目前起重機(jī)變頻調(diào)速器的理想方案。

　　2容量計算在所示系統(tǒng)中，變頻器容量計算分下面幾個步驟：確定原則為：在滿足起重機(jī)各機(jī)構(gòu)動作要求的前提下，盡可能減少逆變器的數(shù)量，達(dá)到節(jié)省投資，簡化線路的目的。根據(jù)各機(jī)構(gòu)動作相關(guān)性要求，兩臺付鉤須配兩臺獨立的逆變器，又有主鉤和付鉤不允許同時工作的限制性條件，因此主鉤和一臺付鉤可以共用一臺逆變器，本設(shè)計中主鉤和右付鉤共用一臺逆變器，電機(jī)的切換由外部接觸器實現(xiàn)。為使所選逆變器均為同一尺寸系列，以便于直流母線排的布置和控制柜的制作安裝，四臺大車電機(jī)共選用兩臺逆變器，采用成組傳動方式，這種方式還有一個優(yōu)點，即當(dāng)兩端大車電機(jī)有嚴(yán)格同步要求時，采用SIEMENS公司的同步板（選件）即可實現(xiàn)兩端大車的精確同步。

　　對主要用于安裝作業(yè)的起重機(jī)而言，重載、低速起動、零溜鉤是其起升電氣傳動基本要求之一。由于起升電機(jī)為典型的位能性恒轉(zhuǎn)矩工況，而電動機(jī)在低速時，受其本身損耗的影響，要維持恒轉(zhuǎn)矩輸出，即維持磁通不變，其工作電流將大于額定電流，因此，所選逆變器應(yīng)為SIMOVERTVC型，工作方式設(shè)定為帶反饋的磁通矢量閉環(huán)控制（P163=4），速度閉環(huán)采用脈沖旋轉(zhuǎn)編碼器。逆變器容量按異步電機(jī)單獨傳動公式計算。

　　?電機(jī)額定電流（A）；Pcn?逆變器連續(xù)工作容量（KW）。

　　1大車電機(jī)采用成組傳動因此，所選逆變器應(yīng)為POVERTVC型，開、閉環(huán)控制方式設(shè)定ww為帶轉(zhuǎn)差補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)頻率控制（V/F控制、P163= 1）考慮到大車運行屬大慣量負(fù)載特點，逆變器容量選擇應(yīng)留有一定余地。其容量按異步電機(jī)組傳動公式計算：Inmax= Idc?整流回饋單元額定DC電流，可由SIEMENS產(chǎn)品樣本查取；K工況系數(shù)，與直流母線上各逆變器起動及負(fù)載慰問有關(guān)，一般為0.本起重機(jī)各機(jī)構(gòu)工作級別為M5，可取K=0.自耦變壓器容量按兩臺起升逆變器連續(xù)下降，大車處于制動工況考慮回饋能量，由于一般電動機(jī)在發(fā)電狀態(tài)效率低于電動狀態(tài)，因此比較大回饋能量按變頻系統(tǒng)同時工作電機(jī)容量考慮即可，按下式計算：自耦電本機(jī)起升機(jī)構(gòu)工作速度較慢，全程下降時間長達(dá)10min以上，因此自耦變壓器工作系統(tǒng)按ED=100%選擇。

　　進(jìn)線電抗器按整流回饋單元輸入電流選擇其短路電壓降Ud= 3調(diào)速與能量回收（通訊功能板）對逆變器的過程數(shù)據(jù)“控制字、狀態(tài)字、設(shè)定字、實際值”進(jìn)行讀、寫操作實現(xiàn)的，控制字、狀態(tài)字、設(shè)定值的定義參閱SIMOVERTMAS-TERDRIVESVC使用說明書第2冊。PLC接受聯(lián)動臺的主令手柄和選擇按鈕開關(guān)信號，經(jīng)程序處理后將其轉(zhuǎn)變?yōu)閷δ孀兤骱屯鈬佑|器的控制命令，并不斷采樣逆變器的輸出信號“狀態(tài)字、實際值”，以判斷逆變器的工作狀態(tài)。現(xiàn)以主起升為例描述其控制和調(diào)速過程。

　　起升階段。當(dāng)逆變器處于009（準(zhǔn)備開機(jī)）狀態(tài)，且主起升操作允許時，將手柄推向上升（1，23，45擋）PLC令主起升風(fēng)機(jī)工作，同時向逆變器寫入對應(yīng)控制字和設(shè)定字，逆變器脈沖釋放，電機(jī)磁場開始建立，經(jīng)歷磁時間P189后，斜坡函數(shù)發(fā)生器打開，逆變器以矢量方式輸出頻率和電壓，PLC在延時0.5s后令盤式制動器打開，于是電機(jī)開始跟隨頻率變化作正向勻速運轉(zhuǎn)直至起升手柄擋位對應(yīng)設(shè)定值，此時電機(jī)在第一像限運行。當(dāng)手柄退回零擋，系統(tǒng)便按預(yù)設(shè)的減速時間作勻減速運行，PLC不斷讀取逆變器輸出“實際值”，當(dāng)頻率降至0. 1Hz時，盤式制動器復(fù)位，電機(jī)開始制動，頻率降為0Hz，逆變器脈沖封鎖，斜坡函數(shù)發(fā)生器關(guān)閉，電機(jī)停止。

　　而風(fēng)機(jī)繼續(xù)運轉(zhuǎn)，以便進(jìn)一步散去電機(jī)熱量，當(dāng)延時180s（可自行設(shè)定）后，風(fēng)機(jī)關(guān)閉。其調(diào)速過程和機(jī)械特性如下：改變操作手柄的擋位即改變逆變器的輸出頻率f可以得到一簇以f為參量的平行直線，見。在第一像限，設(shè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為，調(diào)節(jié)頻率從乃/2，工作點將從只要負(fù)載不變，電動機(jī)就穩(wěn)定在B點運行。從中還可看出，調(diào)速機(jī)械特性越硬，即直線越接近水平線，則負(fù)載由M！變化到M2引起的轉(zhuǎn)速變化△越小，由于采用了磁通矢量閉環(huán)控制方式和強(qiáng)迫風(fēng)冷措施，系統(tǒng)具有足夠的調(diào)速硬度和良好的低頻矩特性，即使在0Hz電機(jī)也能以額定轉(zhuǎn)矩輸出，從而保證重物懸掛空中時松閘再次起動提升不至于發(fā)生轉(zhuǎn)矩不夠而下滑。調(diào)速的平滑性決定于逆變器的頻率分辨率，分辨率越高，調(diào)速平滑性越佳。

　　為防止起重機(jī)空中再起升時溜鉤，電機(jī)起動時制動器的開啟要比逆變器滯后若干秒鐘打開。電機(jī)的磁場和轉(zhuǎn)矩建立需要一定時間，而在停車時使制動器比逆變器提前0. 1Hz關(guān)閉是考慮到系統(tǒng)的慣性質(zhì)量和制動器的延遲效應(yīng)，防止輕載上竄和重載溜鉤，以提高吊裝作業(yè)的準(zhǔn)確性和安全性。

　　下降階段。下降階段PLC對逆變器及外圍電路的控制與上升階段完全一樣，此處著重分析調(diào)速過程及其機(jī)械特性。輕載（包括空鉤）下降時，由于摩擦阻力作用，合成轉(zhuǎn)矩是負(fù)值，因此系統(tǒng)在第三像限運行呈強(qiáng)力下降方式電力機(jī)仍工作在電動狀調(diào)節(jié)逆變器輸出頻率從。，滿載下降時，隨著負(fù)載的大，合成轉(zhuǎn)矩由負(fù)變成正，電機(jī)由第三象限自動進(jìn)入第四像限運行，工作點由此時系統(tǒng)為再生制動方式，電動機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，見。防止起重機(jī)下降時超速，電機(jī)調(diào)速可采用能量回饋再生制動和速度閉環(huán)控制，當(dāng)負(fù)載由M變?yōu)镸e時，轉(zhuǎn)速變化值較小，可近似認(rèn)為不受負(fù)載大小的影響，即系統(tǒng)在三、四像限具有足夠的調(diào)速硬度。

　　4結(jié)束語在本調(diào)速系統(tǒng)中，由于存在位能性負(fù)載快速下降和大慣量負(fù)載經(jīng)?？焖僦苿赢a(chǎn)生大量的再生電能，即系統(tǒng)處于發(fā)電狀態(tài)，需要制動單元，采用上述方案能將發(fā)電狀態(tài)的電能返回三相交流電網(wǎng)，且在回饋時配置自耦變壓器能使所有電機(jī)在發(fā)電狀態(tài)下轉(zhuǎn)速均達(dá)到電機(jī)的比較大轉(zhuǎn)矩，且對電網(wǎng)電壓有較好的適應(yīng)性。