高压变频调速技术及能量回馈技术在矿井提升机的调速和节能改造中的应用

3 高压变频调速技术

3.1四象限变频器

对于变频器来说，定义电机的运行象限为变频器的运行象限，以电机的转矩为横轴，转速为纵轴，建立平面直角坐标系，如图2所示。

当电机的输出转矩与电机转向相同时，如电机拖动风机、水泵、压缩机、带轮等稳态或加速运行，或拖动提升机提升重物时，电机运行在电动机方式下，变频器从电网获取有功功率并输出给电机，变频器运行方式在能量输出状态下，即处于第一、三象限。而当电机输出的转矩与电机转向相反时，如电机拖动风机等轴负载减速制动运行，或者电机拖动绞车下放重物时，电机运行在发电机方式下，变频器将从电机获取有功功率并回馈至电网，变频器运行于第二、四象限，处于能量回馈状态。

普通的变频器电网侧采用二极管不可控整流或者半可控整流，仅能工作在第一和第三象限，称为两象限变频器；如果电网侧采用全可控整流的话，则可以使变频器工作在4个象限，则这种变频器称为四象限变频器或能量回馈型变频器。

在提升机上使用能量回馈型变频器，在停车或下放重物时，变频器可以驱动电机输出制动力矩，从而不仅可以实现快速制动（50hz停车只需10s），还可将负载的动能转化成电能直接回馈于电网。

　　3.2能量回馈的基本原理

电压源型能量回馈变频器的基本拓扑结构如图3所示。

图3中，网侧逆变器称为有源前端，负责控制变频器与电网之间的能量交换；电抗器为电网与变频器之间的能量流动提供条件，并限制网侧逆变器电流；网侧滤波器用于吸收网侧逆变器发出的谐波电流，阻止其注入电网。
将上述结构进行简化，将网侧逆变器等效为一可控电压源，将电网与滤波器等效于一个理想电压源，设电网电压角频率为ω，有效值为e，相位为0°；网侧逆变器输出有效电压有效值为u，相位为θ，电感大小为l则：

此可知，通过调整网侧逆变器的输出电压u的幅值和相位来调节变频器与电网之间的有功和无功交换：当u滞后e时，θ》0°，p》0，变频器从电网吸收有功功率；当u超前e时，θ《0°，p《0，变频器向电网回馈有功功率，即处于能力回馈状态；当ucosθe时，变频器向电网发出感性无功功率；当ucosθ=e时，变频器网侧功率因数为1。

综上所述，只需精确控制变频器网侧逆变器的输出电压，即可控制其有功功率和无功功率的大小和流向，实现能量回馈。实际控制上往往通过控制电感上的电流来控制变频器与电网间的功率交换。

　　3.3能量回馈的实现

目前国内大部分变频器均采用单元串联多电平的方式，带能量回馈的拓扑结构与非能量回馈的拓扑类似，其区别在于每个功率单元内，将原有的二极管不可控整流桥改为igbt逆变桥，如图4、图5所示。此外，为了滤除网侧逆变器产生的开关频率高次谐波电流，阻止其注入电网，在输入侧增加了一组网侧滤波器。

为了控制各个功率单元的直流母线电压，在每个功率单元内设置单独的控制器，执行网侧逆变器的矢量控制算法，当变频器由能量输出状态转入能量回馈状态时，有功功率从电机流入变频器，造成每个功率单元的直流母线电压上升。各个功率单元内的控制器检测到这一上升电压后，将从电网流向功率单元的有功电流给定值减小至一负数，这个时候主控制器会预先通过程序锁定电网电压的幅值、相位和频率，然后使功率单元的网侧逆变器输出pwm波，各个功率单元产生的pwm波通过叠加后形成与电网相适应的正弦波电压和相位，再向电网回馈有功功率。

4 节能效果明显

在工频运行时，电机需要5～7倍的启动电流，而在变频器运行时，电机可在零速、零电压启动（当然可以适当提高转矩提升），采用矢量控制，启动时动态转矩最大为150%的额定转矩，可带全负载起动。

变频器在制动中，由于负载下降时，电机转速随频率而下降，这是由制动产生的功率能量（势能）通过网侧逆变器回馈到电网中。还有电机在刹车停车时，电机的惯性作用所发生的能量（势能）也能变成再生能源，回馈到电网中重新利用。所以，使用变频器节能效果明显。

5 结束语

矢量控制技术实现了大转矩、小电流启动和转速及转矩的精准调节，而能量回馈技术则使变频器的节能功效进一步优化。因为传统的变频调速节能只是在满足现场工艺的条件下，将阀门或挡板节流所产生的能量损失减少，而能量回馈则还将电机在二、四象限运行时处于发电机状态下的再生能量直接回馈至电网。不仅不会产生像转子串电阻或能耗制动方式那样将不可用或再生的电能以电阻发热的形式消耗掉的情况，而且还将这部分能量得以利用，从而使变频器的节能效果更加明显。

煤矿生产也是一个高耗能行业，现代的大型电动机械代替了传统的人工开掘方式。皮带机、提升机、瓦斯抽排风机、主扇风机的容量逐渐变大，高压大功率电机的应用进一步推广。而在现有的工艺条件下实现大幅度的节能降耗将成为企业长期生存下去的必要条件。

高压变频技术的迅速发展为煤矿行业的节能降耗提供了一个非常有利的契机。利德华福公司依托清华大学的学术优势，拥有10多年的技术和经验沉淀，矢量控制能量回馈型变频器的大力推广将为煤炭等矿山型企业的节能降耗提供强有力的技术支持和保障。