0综述

　　起重机械工作时，电动机从供电网中获取电能， 电动机把电能转换为机械能，实现货物的提升搬运。

　　但是当起重机械的电动机被所提升货物的重力带动 运转时，电动机会处于发电状态，需将这部分再生 能量合理的处理掉。目前，采用外接制动单元和制 动电阻是起重机械处理再生能量的两种主要方式。

　　其优点是电动机不会发热，适合工作频繁的设备， 其缺点是电阻发热将电动机回馈的能量白白消耗掉， 造成能量的浪费。电阻发热严重时甚至会影响到起 重机械其他结构部分正常工作。能耗制动制动性能 受限于其抑制快速制动产生的泵生电压的及时性。

　　1能量回馈装置在国内的应用现状

　　1.1再生能量的处理方式 电动机处于再生发电状态下产生的再生能量， 可以通过电机四象限运行的变频器或者电源再生装 置，把再生能量回馈到电网中，但是由于该类产品 对电网要求普遍很高，并且价格较高，不合适我国 国内推广和广泛应用。目前国内大多仍旧采用能耗 制动方式。

　　1.2通用变频器应用中存在的问题 通用变频器多数是电压型交-直-交变频器。

　　三相交流电需要通过二极管整流桥得到脉动直流 电，再经电解电容滤波稳压，最后经无源逆变输出 电压、可调频率的交流电为电动机供电。该类变频 器主要优点为精度高、效率高、调速范围宽，故而 得到了广泛的应用。但是在需要快速起动、制动和 频繁正转、反转的调速系统中，通用变频器不能直接使用。像矿用提升机、大型龙门刨床、机床主轴 驱动系统、高速电梯等，这类系统要求电动机四象 限运行，当电机减速、制动或者带有位能性负载重 物下落时，电动机处于再生发电状态。二极管不控 整流器能量传输不可逆，产生的再生电能传输到直 流侧滤波电容上，产生泵生电压，而泵生电压过高 有可能损坏开关零件、电解电容，甚至会破坏电机 绝缘，从而威胁系统的安全工作，使通用变频器的 应用范围受到一定限制。

　　1.3能量回馈装置的新发展 高压变频双PWM控制技术。在变频器整流电 路中采用自关断器件进行PWM控制，可以消除通 用变频器对电网的谐波污染并且能够提高功率因 数，实现电动机的四象限运行，克服了传统的制动 方法的并联电阻消耗能量造成的浪费。这种控制方 法可以使电网的输入电流接近正弦波并且功率因素 达到1，可以消除电网侧谐波污染，使能量双向流 动，实现电动机四象限转动。高压变频双PWM控 制技术的工作原理如下：能量由交流电网经整流器 中间的滤波电容进行充电，逆变器在PWM控制下 将能量传送到电动机;当电动机处于减速运行状态 时，负载的惯性作用使电动机进入发电状态，它的 再生能量经逆变器中开关元件和续流二极管向中间 的滤波电容充电，使中间直流电压升高，这时整流 器中开关元件在PWM控制下将能量回馈到交流电 网，完成能量的双向流动。由于PWM整流器闭环 控制的作用，造成电网电流和电压同频同相位，提 高了系统功率因素，消除了网侧的谐波污染。该控 制技术具有制动力矩大，调速范围宽，动态性能好 等优点。

　　2能量回馈装置原理及应用场合

　　2.1能量回馈装置的控制原则 能量回馈制动的主要目的就是将电机旋转的机 械能转换为电能，并且能够返回电网，以有利于节 能，同时可以省去常用的泵生保护电路，而且还可 以充分保证输出的电能质量。根据这些要求，电网 要输出一定频率幅值的正弦交流电压，否则会对电 网造成污染，同时还要注意保护组成能量回馈电路 的功率开关元件。要使变频调速系统工作处于能量 回馈状态，必须满足以下条件(1)当直流母线电压 高于设定的门槛电压时开始回馈;(2)回馈过程必须 与电网同步;(3)回馈电流必须加以限制。

　　2.2能量回馈节能原理 如图1所示，运动中负载上的机械能如位能、 势能，通过能量回馈装置变换成再生电能，并回送 给交流电网，供给附近其他的用电设备使用，使电 动机拖动系统在单位时间内消耗的电网电能下降， 从而达到节约电能的目的。

　　提高功率因数，降低谐波，减少线路和设备损 耗，一般节电率可以达到15%-45%，提高电能使 用效率。功率因数和谐波示意见图2。

　　2.3应用场合 起重机械如港口用装卸桥、轮胎式集装箱门式 起重机、门座起重机等;复杂的传动系统如电动机 四象限运动;测试台及高动态应用如测动机、拉丝 机、离心机等;直流或者交流电子负载应用如测试 台和测试装配等。

　　3能量回馈装置功能特点

　　3.1回馈电能，节约电力 能量回馈装置，回馈能量，使电动机能够四象 限运动，其提高了能源的使用效率，实现了电能的 双向流动。在起重机械、电梯、提升设备等领域.

　　提升的负载重量和提升高度较大时，提升后具有很 大的重力势能，其下降时的运动主要靠势能驱动， 但又不允许其自由下降，一般需要通过驱动装置消 耗多余的势能。根据实际工况的统计，结合转换效 率，经过计算，重量为40t的吊物，每下降10m的 势能可以转换为lkwh的电能。因此，通过能量回 馈装置将吊物下放过程中的势能回收转换为电能， 对节能减排具有非常大的潜力和重要的现实意义。

　　3.2补偿无功功率，提高功率因素 能量回馈装置具备动态调整无功的能力，功率 因素接近1，系统无需配备无功补偿设备，降低了设 备投资，同时大大减少了因为系统功率因数低引起 的线缆、电力设备的热损耗，延长了设备使用寿命。

　　3.3优化电网电能质量，降低谐波影响 能量回馈装置具有谐波抑制功能，可保证起 重机械电网处三相交流电流波形为接近完美的正弦 波，谐波电流总畸变率不大于4%，满足《电能质 量公用电网谐波》(GB/T14549-1993)标准。在谐 波源头消除谐波污染，大大减少电压电流谐波对于 工厂其他电气设备和用电设备的谐波污染，降低电 气设备维护成本，提高电力设备可靠性。

　　3.4稳定控制直流母线电压，提高系统动态响 应能力 能量回馈装置即使在电网电压波动较大时 (-20%~10%)，也能保证变频器正常的扭矩出力， 减少电动机运行过程中的不稳定性。由于能力回馈 装置采用高性能的控制算法，还可以保证起重机械 在提升和下放重物过程中直流母线电压在较小的范 围内波动，减少直流母线电容发热，提高直流母线 的电容寿命。

　　3.5可调整的负载曲线 能量回馈装置具备电力负载功能，可提供任意 交流、直流线性或者非线性电流曲线，电流曲线可 以通过监控软件在线编程，可以在实验室全真模拟 和测试现场工作特性曲线，保证设备具备较高的可 靠性和较高的性能参数。

　　4经济效益分析 以宁波港为例，如该厂拥有200台轮胎式集装 箱门式起重机，综合考虑实际工况中间歇时间长短、 行走距离远近、重物的轻重等多方面因素，节电效 率一般在30%左右。按照每台设备每年作业集装箱 量在10万TEU、而工业用电费为1元每千瓦时测算， 每年可产生直接经济效益为800万元，数字相当惊 人，效益非常可观。

　　5总结

　　为了应对全球气候变化，促进经济转型升级，增 强可持续发展能力，党中央、国务院对节能减排高度 重视，大力推进节能减排工作，但是由于某些地区政 策机制不完善、基础工作薄弱以及对该项工作认识不 足等因素，导致我国节能减排工作面临巨大挑战。实 践证明，能量回馈装置能降低起重机械运行成本，提 高制动能力和工作效率，同时提升起重机械运行的可 靠性，应用前景十分广阔。本文从四方面较系统地阐 述起重机械能量回馈装置的应用现状、原理、特点及 经济效益，供起重机械制造单位及产品研发单位参考， 达到促进起重机械使用节能环保的目的。