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

　　變頻器驅動異步電動機運行的情況下，當異步電動機運行速度低于變頻器提供頻率相應的同步轉速時，電機工作于電動狀態，反之當電機運行速度高于同步轉速時，則工作于發電狀態。對于容量較小的傳動系統，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，基于節能需要，希望能將這部分再生電能進行回收。本文以實例介紹這種工作方式在門式起重機電氣調速等方面的應用。

　　1工作原理變頻調速異步電機適用于起重機的起升機構和大車電氣傳動機構。由于起升機構具有位能性恒轉矩負載特性和大車運行的大慣量負載特點，變頻調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多電機傳動變頻方案設計的75tX 33.6mA級門式起重機的電機傳動變頻系統結構示意圖。

　　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；當電機處于再生工況（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，從而使系統實現四像限運行。

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

　　進線電抗器用于限制電網諧波，減少電網諧波對變頻器、整流/回饋單元等裝置的影響。電抗器參數與電源的短路功率和裝置的視在功率之比有關，當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ED=25%和ED=1OT%兩種類型選擇。

　　變頻器的選擇一般應從投資、電路結構特性、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+逆變器多電機傳動變頻方案具有投資省，電路結構緊湊，沒有制動電阻等發熱元件等優點。該系統采用進線電抗器和自耦變壓器使系統對電網的諧波污染大為降低，并保證電機即使在發電狀態也能達到比較大轉矩；其獨特的直流母線供電方式系統內各電機（或電機組）可各自在任意像限運行，并使處于發電狀態的電機能量經母線直接供給處于電動狀態的電機，大大提高了能量的再生利用率，具有明顯的節能效果等一系列優勢，是目前起重機變頻調速器的理想方案。

　　2容量計算在所示系統中，變頻器容量計算分下面幾個步驟：確定原則為：在滿足起重機各機構動作要求的前提下，盡可能減少逆變器的數量，達到節省投資，簡化線路的目的。根據各機構動作相關性要求，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，本設計中主鉤和右付鉤共用一臺逆變器，電機的切換由外部接觸器實現。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點，即當兩端大車電機有嚴格同步要求時，采用SIEMENS公司的同步板（選件）即可實現兩端大車的精確同步。

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

　　?電機額定電流（A）；Pcn?逆變器連續工作容量（KW）。

　　1大車電機采用成組傳動因此，所選逆變器應為POVERTVC型，開、閉環控制方式設定ww為帶轉差補償的開環頻率控制（V/F控制、P163= 1）考慮到大車運行屬大慣量負載特點，逆變器容量選擇應留有一定余地。其容量按異步電機組傳動公式計算：Inmax= Idc?整流回饋單元額定DC電流，可由SIEMENS產品樣本查取；K工況系數，與直流母線上各逆變器起動及負載慰問有關，一般為0.本起重機各機構工作級別為M5，可取K=0.自耦變壓器容量按兩臺起升逆變器連續下降，大車處于制動工況考慮回饋能量，由于一般電動機在發電狀態效率低于電動狀態，因此比較大回饋能量按變頻系統同時工作電機容量考慮即可，按下式計算：自耦電本機起升機構工作速度較慢，全程下降時間長達10min以上，因此自耦變壓器工作系統按ED=100%選擇。

　　進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調速與能量回收（通訊功能板）對逆變器的過程數據“控制字、狀態字、設定字、實際值”進行讀、寫操作實現的，控制字、狀態字、設定值的定義參閱SIMOVERTMAS-TERDRIVESVC使用說明書第2冊。PLC接受聯動臺的主令手柄和選擇按鈕開關信號，經程序處理后將其轉變為對逆變器和外圍接觸器的控制命令，并不斷采樣逆變器的輸出信號“狀態字、實際值”，以判斷逆變器的工作狀態。現以主起升為例描述其控制和調速過程。

　　起升階段。當逆變器處于009（準備開機）狀態，且主起升操作允許時，將手柄推向上升（1，23，45擋）PLC令主起升風機工作，同時向逆變器寫入對應控制字和設定字，逆變器脈沖釋放，電機磁場開始建立，經歷磁時間P189后，斜坡函數發生器打開，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，于是電機開始跟隨頻率變化作正向勻速運轉直至起升手柄擋位對應設定值，此時電機在第一像限運行。當手柄退回零擋，系統便按預設的減速時間作勻減速運行，PLC不斷讀取逆變器輸出“實際值”，當頻率降至0. 1Hz時，盤式制動器復位，電機開始制動，頻率降為0Hz，逆變器脈沖封鎖，斜坡函數發生器關閉，電機停止。

　　而風機繼續運轉，以便進一步散去電機熱量，當延時180s（可自行設定）后，風機關閉。其調速過程和機械特性如下：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，設負載轉矩為，調節頻率從乃/2，工作點將從只要負載不變，電動機就穩定在B點運行。從中還可看出，調速機械特性越硬，即直線越接近水平線，則負載由M！變化到M2引起的轉速變化△越小，由于采用了磁通矢量閉環控制方式和強迫風冷措施，系統具有足夠的調速硬度和良好的低頻矩特性，即使在0Hz電機也能以額定轉矩輸出，從而保證重物懸掛空中時松閘再次起動提升不至于發生轉矩不夠而下滑。調速的平滑性決定于逆變器的頻率分辨率，分辨率越高，調速平滑性越佳。

　　為防止起重機空中再起升時溜鉤，電機起動時制動器的開啟要比逆變器滯后若干秒鐘打開。電機的磁場和轉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關閉是考慮到系統的慣性質量和制動器的延遲效應，防止輕載上竄和重載溜鉤，以提高吊裝作業的準確性和安全性。

　　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，此處著重分析調速過程及其機械特性。輕載（包括空鉤）下降時，由于摩擦阻力作用，合成轉矩是負值，因此系統在第三像限運行呈強力下降方式電力機仍工作在電動狀調節逆變器輸出頻率從。，滿載下降時，隨著負載的大，合成轉矩由負變成正，電機由第三象限自動進入第四像限運行，工作點由此時系統為再生制動方式，電動機工作在發電狀態，見。防止起重機下降時超速，電機調速可采用能量回饋再生制動和速度閉環控制，當負載由M變為Me時，轉速變化值較小，可近似認為不受負載大小的影響，即系統在三、四像限具有足夠的調速硬度。

　　4結束語在本調速系統中，由于存在位能性負載快速下降和大慣量負載經常快速制動產生大量的再生電能，即系統處于發電狀態，需要制動單元，采用上述方案能將發電狀態的電能返回三相交流電網，且在回饋時配置自耦變壓器能使所有電機在發電狀態下轉速均達到電機的比較大轉矩，且對電網電壓有較好的適應性。