1. 概述
      對(duì)于工業(yè)中使用大功率電動(dòng)機(jī)的場(chǎng)合，若要節(jié)能和提高效率，通常我們會(huì)問(wèn)以下兩個(gè)問(wèn)題：應(yīng)用哪一種控制策略可以使變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)的損耗最小而效率最高？怎樣才能使生產(chǎn)機(jī)械儲(chǔ)存的能量及時(shí)高效地回饋到電網(wǎng)？我們的答案是：第一個(gè)環(huán)節(jié)通過(guò)變頻調(diào)速技術(shù)及其優(yōu)化控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)“按需供能”，即在滿足生產(chǎn)機(jī)械速度、轉(zhuǎn)矩和動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求的前提下，盡量減少變頻裝置的輸入能量，使電機(jī)的損耗小而效率高；第二個(gè)環(huán)節(jié)是將由生產(chǎn)機(jī)械中儲(chǔ)存的動(dòng)能或勢(shì)能轉(zhuǎn)換而來(lái)的電能及時(shí)地、高效地“回收”到電網(wǎng)，即通過(guò)有源逆變裝置將再生能量回饋到交流電網(wǎng)，一方面是節(jié)能降耗，另一方面是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的精密制動(dòng)，提高電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)性能。因此，采用變頻調(diào)速技術(shù)是節(jié)能降耗、改善控制性能、提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的重要途徑，已在應(yīng)用中取得了良好的應(yīng)用效果和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

      2. 能量回饋裝置在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用現(xiàn)狀
      2.1 再生能量的處理方式
      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(wèn)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(guò)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(jiàn)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。
      2.2 通用變頻器在應(yīng)用中存在的問(wèn)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(guò)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(guò)高的泵升電壓有可能損壞開(kāi)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。

 
      3. 能量回饋技術(shù)的新發(fā)展 — 高壓變頻雙PWM控制技術(shù)
      綜上所述，為了消除通用變頻器對(duì)電網(wǎng)的諧波污染并提高功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行，并克服傳統(tǒng)制動(dòng)方法的并聯(lián)電阻消耗能量造成的浪費(fèi)，在變頻器整流電路中采用自關(guān)斷器件進(jìn)行PWM控制，可使電網(wǎng)側(cè)的輸入電流接近正弦波并且功率因數(shù)達(dá)到1，消除網(wǎng)側(cè)諧波污染，能量雙向流動(dòng)，使電機(jī)四象限運(yùn)行；同時(shí)對(duì)于各種調(diào)速場(chǎng)合，使電機(jī)很快達(dá)到速度要求，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。如圖１所示。雙PWM控制技術(shù)的工作原理：①當(dāng)電機(jī)處于拖動(dòng)狀態(tài)時(shí)，能量由交流電網(wǎng)經(jīng)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(jī)；②當(dāng)電機(jī)處于減速運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，由于負(fù)載慣性作用進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，其再生能量經(jīng)逆變器中開(kāi)關(guān)元件和續(xù)流二極管向中間濾波電容充電，使中間直流電壓升高，此時(shí)整流器中開(kāi)關(guān)元件在PWM控制下將能量回饋到交流電網(wǎng)，完成能量的雙向流動(dòng)。同時(shí)由于PWM整流器閉環(huán)控制作用，使電網(wǎng)電流與電壓同頻同相位，提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)，消除了網(wǎng)側(cè)諧波污染。其優(yōu)點(diǎn)是制動(dòng)力矩大，調(diào)速范圍寬，動(dòng)態(tài)性能好。

圖1 能量回饋裝置的雙PWM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

      4. 變頻調(diào)速能量回饋裝置在煤礦提升機(jī)中的應(yīng)用
      圖2為典型的煤礦提升機(jī)高壓變頻器系統(tǒng)。提升機(jī)采用能量回饋制動(dòng)方式，被控電動(dòng)機(jī)可急起急停，在提升減速和重物下放過(guò)程，慣量越大，回饋能量越大，可產(chǎn)生不低于80％額定功率的能量回饋。具有以下控制性能：
      1） 實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng)，起動(dòng)力矩和低速轉(zhuǎn)矩大；
      2） 在電網(wǎng)波動(dòng)±20%范圍內(nèi)，恒轉(zhuǎn)矩提升，使負(fù)載提升不受電網(wǎng)波動(dòng)影響；
      3） 實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，提升機(jī)按“S”速度曲線運(yùn)行，啟動(dòng)和停止過(guò)程平穩(wěn)，加速和運(yùn)行平滑，減少機(jī)械沖擊；
      4） 制動(dòng)安全可靠，實(shí)現(xiàn)能耗制動(dòng)或回饋制動(dòng)、直流制動(dòng)，并配合機(jī)械抱閘制動(dòng)；
      5） 四象限運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)再生能量回饋，并控制功率因數(shù)為1；
      6） 完整、可靠的變頻器自身保護(hù)及提升機(jī)安全防護(hù)。

圖2 典型煤礦提升機(jī)高壓變頻器系統(tǒng)

      據(jù)相關(guān)資料，我國(guó)礦井提升機(jī)使用變頻技術(shù)進(jìn)行節(jié)能改造，節(jié)約電費(fèi)和設(shè)備維修費(fèi)，潛力巨大。