1. 概述
      對于工業(yè)中使用大功率電動機的場合，若要節(jié)能和提高效率，通常我們會問以下兩個問題：應(yīng)用哪一種控制策略可以使變頻驅(qū)動電機的損耗最小而效率最高？怎樣才能使生產(chǎn)機械儲存的能量及時高效地回饋到電網(wǎng)？我們的答案是：第一個環(huán)節(jié)通過變頻調(diào)速技術(shù)及其優(yōu)化控制技術(shù)實現(xiàn)“按需供能”，即在滿足生產(chǎn)機械速度、轉(zhuǎn)矩和動態(tài)響應(yīng)要求的前提下，盡量減少變頻裝置的輸入能量，使電機的損耗小而效率高；第二個環(huán)節(jié)是將由生產(chǎn)機械中儲存的動能或勢能轉(zhuǎn)換而來的電能及時地、高效地“回收”到電網(wǎng)，即通過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，另一方面是實現(xiàn)電動機的精密制動，提高電動機的動態(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)濟效益。

      2. 能量回饋裝置在國內(nèi)的應(yīng)用現(xiàn)狀
      2.1 再生能量的處理方式
      為了解決電動機處于再生發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的再生能量，德國和日本的公司都研制推出了電機四象限運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題是這些裝置價格昂貴，再加上一些產(chǎn)品對電網(wǎng)的要求很高，不適合我國的國情。而國內(nèi)在中小容量系統(tǒng)中大都采用能耗制動方式，即通過內(nèi)置或外加制動電阻的方法將電能消耗在大功率電阻器中，實現(xiàn)電機的四象限運行，該方法雖然簡單，但缺點是顯而易見的： (1)　浪費能量，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)　簡單的能耗制動有時不能及時抑制快速制動產(chǎn)生的泵升電壓，限制了制動性能的提高。
      2.2 通用變頻器在應(yīng)用中存在的問題
      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二極管不控整流橋得到脈 動直流電，再經(jīng)電解電容濾波穩(wěn)壓，最后經(jīng)無源逆變輸出電壓、頻率可調(diào)的交流電給電動機供電。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、制動和頻繁正、反轉(zhuǎn)的調(diào)速系統(tǒng)，如高速電梯、礦用提升機、軋鋼機、大型龍門刨床、卷繞機構(gòu)張力系統(tǒng)及機床主軸驅(qū)動系統(tǒng)等。因為這種系統(tǒng)要求電機四象限運行，當(dāng)電機減速、制動或者帶位能性負載重物下放時，電機處于再生發(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，過高的泵升電壓有可能損壞開關(guān)器件、電解電容，甚至?xí)茐碾姍C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電網(wǎng)的諧波污染并提高功率因數(shù)，實現(xiàn)電機的四象限運行，并克服傳統(tǒng)制動方法的并聯(lián)電阻消耗能量造成的浪費，在變頻器整流電路中采用自關(guān)斷器件進行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)達到1，消除網(wǎng)側(cè)諧波污染，能量雙向流動，使電機四象限運行；同時對于各種調(diào)速場合，使電機很快達到速度要求，動態(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)電機處于拖動狀態(tài)時，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；②當(dāng)電機處于減速運行狀態(tài)時，由于負載慣性作用進入發(fā)電狀態(tài)，其再生能量經(jīng)逆變器中開關(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，此時整流器中開關(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。同時由于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)點是制動力矩大，調(diào)速范圍寬，動態(tài)性能好。

圖1 能量回饋裝置的雙PWM拓撲結(jié)構(gòu)

      4. 變頻調(diào)速能量回饋裝置在煤礦提升機中的應(yīng)用
      圖2為典型的煤礦提升機高壓變頻器系統(tǒng)。提升機采用能量回饋制動方式，被控電動機可急起急停，在提升減速和重物下放過程，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） 實現(xiàn)電機軟啟動，起動力矩和低速轉(zhuǎn)矩大；
      2） 在電網(wǎng)波動±20%范圍內(nèi)，恒轉(zhuǎn)矩提升，使負載提升不受電網(wǎng)波動影響；
      3） 實現(xiàn)無級調(diào)速，提升機按“S”速度曲線運行，啟動和停止過程平穩(wěn)，加速和運行平滑，減少機械沖擊；
      4） 制動安全可靠，實現(xiàn)能耗制動或回饋制動、直流制動，并配合機械抱閘制動；
      5） 四象限運行，實現(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及提升機安全防護。

圖2 典型煤礦提升機高壓變頻器系統(tǒng)

      據(jù)相關(guān)資料，我國礦井提升機使用變頻技術(shù)進行節(jié)能改造，節(jié)約電費和設(shè)備維修費，潛力巨大。