1、引言

據(jù)有關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，電動機(jī)拖動負(fù)載的消耗電能占總耗電量的70%以上，因此，電動機(jī)及其所拖動負(fù)載的節(jié)能具有特別重要的社會意義和經(jīng)濟(jì)效益。

電動機(jī)及其負(fù)載節(jié)約電能的途徑主要有兩大類:一是提高電動機(jī)或負(fù)載的運行效率，如裝上“記憶大腦”的電梯——一幢大樓內(nèi)，多臺電梯常常同上同下，十分耗電。如何讓電梯變得聰明而省電？現(xiàn)代控制技術(shù)可以說解決了這一問題，“人工神經(jīng)元”如同一個信息處理和記憶庫，它以每一周為時間段，記載著這一周電梯的運行情況。根據(jù)記載的信息，“人工神經(jīng)元”會生成最為省電的運行模式，控制大樓里的多臺電梯，讓它們分工明確，在適當(dāng)?shù)臅r間到達(dá)適當(dāng)?shù)奈恢茫奖愠丝蜕舷?，又減少了電梯啟動、運行次數(shù)。對群梯而言，節(jié)約電能可達(dá)30%以上。另外如無人乘坐時電梯照明自動關(guān)閉、自動扶梯自動停止或低速運行等等，都是以提高電動機(jī)運行效率為目標(biāo)的節(jié)能措施;二是將電機(jī)以轉(zhuǎn)換到負(fù)載上的機(jī)械能反變換成電能回送電網(wǎng)，使電動機(jī)和負(fù)載在單位時間內(nèi)消耗的電網(wǎng)電能下降，從而達(dá)到節(jié)電的目的。有源能量回饋即屬于第二類節(jié)約電能的典型裝置。

眾所周知，電動機(jī)拖動負(fù)載旋轉(zhuǎn)運動即具備了機(jī)械動能，如果電動機(jī)拽引上、下運動的負(fù)載(如電梯、吊車、水庫閘門等)便具備了位能。當(dāng)電動機(jī)拖動負(fù)載減速運動時，其機(jī)械動能將釋放出來;當(dāng)位能性負(fù)載下降運動時(位能減少)，其機(jī)械為能也將釋放出來。如果能將這兩部分機(jī)械能有效轉(zhuǎn)換成電能并回送給交流電網(wǎng)，就可達(dá)到節(jié)約電能的目的。

2、電梯節(jié)能分析

采用變頻調(diào)速的電梯啟動達(dá)到最高運行速度后具有最大的機(jī)械動能，電梯到達(dá)目標(biāo)層前要逐步減速直到電梯停止運動為止，這一過程是電梯負(fù)載釋放機(jī)械動能的時段。變頻調(diào)速器通過電動機(jī)可以將這一時段的機(jī)械能變成電能存儲在變頻器直流環(huán)節(jié)的大電容中，此時大電容好比一座儲量有限的小水庫。如不及時排放小水庫中注入的水量，則水庫回發(fā)生溢出事故。同理，如不及時泄放大電容中的電量，也會發(fā)生過壓。目前變頻器泄放大電容的方法是采用制動單元或外加大功率電阻，將大電容中電量消耗到外加大功率電阻上白白浪費掉。有源逆變器則可以將大電容中儲存的電量無消耗地回送給電網(wǎng)，從而既達(dá)到節(jié)電目的，又無耗電發(fā)熱的大功率電阻，大大改善了系統(tǒng)的運行環(huán)境。

電梯還是一個位能性負(fù)載，為了均勻拖動負(fù)荷，電梯負(fù)載由載客轎廂和對重平衡塊組成。只有當(dāng)轎廂載重量約為50%(如1000kg載客電梯乘客為7人左右)時，轎廂對重平衡塊才處于雙方質(zhì)量基本平衡狀態(tài)，否則，轎廂和對重平衡塊就會有質(zhì)量差，使電梯運行時產(chǎn)生機(jī)械位能。電梯質(zhì)量重的部件上行時，由電動機(jī)吸收電網(wǎng)電能轉(zhuǎn)換的機(jī)械位能增加，電梯質(zhì)量重的部件下行時，機(jī)械位能減少，這減少的機(jī)械位能釋放出來通過電動機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)樽冾l器直流環(huán)節(jié)大電容儲存的電能，有源能量回饋器再將這部分電能回送給電網(wǎng)。

分析計算和樣機(jī)實測表明，電梯的梯速越快，樓層越高，機(jī)械轉(zhuǎn)動消耗越小，則可以回送電網(wǎng)的能量越多，最多回送電量可達(dá)電梯總消耗量的40%，即節(jié)電效率達(dá)40%之高。

以上分析表明，在電梯、吊車等快速上、下運動裝備中，采用有源能量回饋器具有明顯的節(jié)能效果。此外，在電力機(jī)車、龍門刨床等頻繁起、制動運行的裝備中，也有較明顯的節(jié)能效果。

3、節(jié)能裝置的結(jié)構(gòu)及基本控制原理

有源能量回饋器主回路結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由三相IGBT（絕緣柵雙級晶體管）全橋、串聯(lián)電感、濾波電容及一些外圍電路組成。

圖1  電梯有源能量回饋器主回路結(jié)構(gòu)及連接方式圖

它的輸出端與電梯變頻器的輸入端子R、S、T相連;輸入端串聯(lián)有兩個隔離二極管VD1、VD2,再連接到變頻器的PN線上。該二極管保證了能量只能由變頻器母線流經(jīng)能量回饋器輸送到電網(wǎng)上。其工作過程是:上電后,J1、J2接觸器吸合,并延時合上J3切除上電電阻。當(dāng)電梯電動運行時,開關(guān)管VT1～VT6全部被封鎖,處于關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)電梯再生發(fā)電時,電梯變頻器母線電壓升高,經(jīng)VD1、VD2后使回饋器母線電壓也升高。當(dāng)母線電壓高于設(shè)定開啟值后,回饋器開始工作,將電能回饋到網(wǎng)側(cè)。

有源能量回饋器的功能可以用圖2來描述，控制電路(虛線框內(nèi))由單片微機(jī)可編程邏輯芯片、外圍信號采樣器構(gòu)成，配以冗余度高的軟件設(shè)計，使控制電路能自動識別三相交流電網(wǎng)的相序、相位、電壓、電流瞬時值，有序地控制IPM（智能功率模塊）工作在PWM狀態(tài)，保證直流電能夠及時地回送到交流電網(wǎng)。

圖2  有源能量回饋器的功能框圖

4、結(jié)語

現(xiàn)在已有有源能量回饋器產(chǎn)品，該產(chǎn)品有如下幾個特點:

①取代制動電阻等發(fā)熱元件，消除了發(fā)熱源，改善機(jī)房環(huán)境，減少了高溫對電動機(jī)、控制系統(tǒng)等部件的不良影響，延長電梯的使用壽命；

②能即時消除泵升電壓，從而有效改善電梯制動性能，提高電梯舒適性能；

③通過相位控制策略，可有效抑制驅(qū)動電梯的變頻器對電網(wǎng)的諧波干擾，凈化電網(wǎng)；

④輸出電壓波形好、功率因素高、無脈動環(huán)流，其電壓與電網(wǎng)電壓相匹配；

⑤具備有效的電氣隔離措施，不會干擾其他電氣設(shè)備或被外界干擾；

⑥產(chǎn)品智能化程度高、工作穩(wěn)定、安全可靠，各種故障保護(hù)和故障報警功能齊全；

⑦只要選型正確，接線無誤，無需調(diào)試即可投入使用；

⑧產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單、體積小巧、安裝維護(hù)方便。

采用有源能量回饋器節(jié)電效果十分明顯，從目前已經(jīng)進(jìn)行過節(jié)能改造的單位看，一般節(jié)電率可達(dá)15％--50％，根據(jù)電梯使用的頻繁程度不同，回收成本周期約為6～12個月，由于沒有了電阻發(fā)熱源，電梯機(jī)房溫度明顯下降，也就節(jié)省了機(jī)房降溫設(shè)備的耗電量。