1、引言

據有關統(tǒng)計數據表明，電動機拖動負載的消耗電能占總耗電量的70%以上，因此，電動機及其所拖動負載的節(jié)能具有特別重要的社會意義和經濟效益。

電動機及其負載節(jié)約電能的途徑主要有兩大類:一是提高電動機或負載的運行效率，如裝上“記憶大腦”的電梯——一幢大樓內，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？現代控制技術可以說解決了這一問題，“人工神經元”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。根據記載的信息，“人工神經元”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，在適當的時間到達適當的位置，方便乘客上下，又減少了電梯啟動、運行次數。對群梯而言，節(jié)約電能可達30%以上。另外如無人乘坐時電梯照明自動關閉、自動扶梯自動停止或低速運行等等，都是以提高電動機運行效率為目標的節(jié)能措施;二是將電機以轉換到負載上的機械能反變換成電能回送電網，使電動機和負載在單位時間內消耗的電網電能下降，從而達到節(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，電動機拖動負載旋轉運動即具備了機械動能，如果電動機拽引上、下運動的負載(如電梯、吊車、水庫閘門等)便具備了位能。當電動機拖動負載減速運動時，其機械動能將釋放出來;當位能性負載下降運動時(位能減少)，其機械為能也將釋放出來。如果能將這兩部分機械能有效轉換成電能并回送給交流電網，就可達到節(jié)約電能的目的。

2、電梯節(jié)能分析

采用變頻調速的電梯啟動達到最高運行速度后具有最大的機械動能，電梯到達目標層前要逐步減速直到電梯停止運動為止，這一過程是電梯負載釋放機械動能的時段。變頻調速器通過電動機可以將這一時段的機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，從而既達到節(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載，為了均勻拖動負荷，電梯負載由載客轎廂和對重平衡塊組成。只有當轎廂載重量約為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量基本平衡狀態(tài)，否則，轎廂和對重平衡塊就會有質量差，使電梯運行時產生機械位能。電梯質量重的部件上行時，由電動機吸收電網電能轉換的機械位能增加，電梯質量重的部件下行時，機械位能減少，這減少的機械位能釋放出來通過電動機轉變?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。

分析計算和樣機實測表明，電梯的梯速越快，樓層越高，機械轉動消耗越小，則可以回送電網的能量越多，最多回送電量可達電梯總消耗量的40%，即節(jié)電效率達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)能裝置的結構及基本控制原理

有源能量回饋器主回路結構如圖1所示,主要由三相IGBT（絕緣柵雙級晶體管）全橋、串聯電感、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構及連接方式圖

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能量回饋器輸送到電網上。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。當電梯電動運行時,開關管VT1～VT6全部被封鎖,處于關斷狀態(tài)。當電梯再生發(fā)電時,電梯變頻器母線電壓升高,經VD1、VD2后使回饋器母線電壓也升高。當母線電壓高于設定開啟值后,回饋器開始工作,將電能回饋到網側。

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)由單片微機可編程邏輯芯片、外圍信號采樣器構成，配以冗余度高的軟件設計，使控制電路能自動識別三相交流電網的相序、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。

圖2  有源能量回饋器的功能框圖

4、結語

現在已有有源能量回饋器產品，該產品有如下幾個特點:

①取代制動電阻等發(fā)熱元件，消除了發(fā)熱源，改善機房環(huán)境，減少了高溫對電動機、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，可有效抑制驅動電梯的變頻器對電網的諧波干擾，凈化電網；

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備或被外界干擾；

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

⑦只要選型正確，接線無誤，無需調試即可投入使用；

⑧產品結構簡單、體積小巧、安裝維護方便。

采用有源能量回饋器節(jié)電效果十分明顯，從目前已經進行過節(jié)能改造的單位看，一般節(jié)電率可達15％--50％，根據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，電梯機房溫度明顯下降，也就節(jié)省了機房降溫設備的耗電量。