能量回饋技術(shù)與應(yīng)用范例(共7頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上能量回饋技術(shù)與應(yīng)用范例一、技術(shù)簡(jiǎn)介在電梯、礦山提升機(jī)、港口起重機(jī)、工廠離心機(jī)、油田抽油機(jī)等許多場(chǎng)合，都會(huì)伴隨著負(fù)載勢(shì)能、動(dòng)能的變化。比如，提升機(jī)、起重機(jī)等在下放重物時(shí)勢(shì)能會(huì)減小，離心機(jī)設(shè)備在停機(jī)時(shí)，動(dòng)能會(huì)減小。而由能量守恒定律我們知道，能量是不會(huì)憑空消失的，那么這部分能量通過電機(jī)轉(zhuǎn)換成為了再生電能。實(shí)際上，在采用變頻調(diào)速的設(shè)備里，這部分電能一般是通過能耗制動(dòng)電阻再轉(zhuǎn)換為熱能浪費(fèi)掉了。 如果能夠有一種裝置，將這部分再生電能利用起來，那么不是可以省下這部分電能，起到節(jié)能降耗的效果嗎？能量回饋裝置就是這樣一種技術(shù)。它使用的電力電子變換技術(shù)，其主要實(shí)現(xiàn)的作用就是將上

2、述設(shè)備在運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的再生電能利用起來，并轉(zhuǎn)換為所需的電能再利用，起到節(jié)電的效果。二、能量回饋技術(shù)基本原理該技術(shù)將運(yùn)動(dòng)中負(fù)載上的機(jī)械能（勢(shì)能、動(dòng)能）通過能量回饋裝置變換成電能（再生電能）并回送給交流電網(wǎng)，供自身或其它用電設(shè)備使用，使電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)在單位時(shí)間消耗電網(wǎng)電能下降，從而達(dá)到節(jié)約電能的目的。能量回饋裝置的作用就是能有效的將電動(dòng)機(jī)的再生電能高效回送給交流電網(wǎng)，供周邊用電設(shè)備使用，節(jié)電效果十分明顯，一般節(jié)電率可達(dá)15%45%。此外，由于無電阻發(fā)熱元件，機(jī)房溫度下降，可以節(jié)省機(jī)房空調(diào)的耗電量，在許多場(chǎng)合，節(jié)約空調(diào)耗電量往往帶來更優(yōu)的節(jié)電效果。但是，現(xiàn)行的國(guó)家電網(wǎng)不允許零星的再生電力回饋給公共

3、電網(wǎng)，所以，現(xiàn)階段的能源回饋裝置產(chǎn)生的電能都是供給自身或周邊的電器使用。三、實(shí)踐范例電梯的能量回饋裝置介紹1、技術(shù)背景隨著現(xiàn)代化工業(yè)的高速發(fā)展，能源緊缺已成為日益突出的世界性問題。我國(guó)近年來電能供需矛盾也日益突出，節(jié)能已成為中國(guó)經(jīng)濟(jì)生活勢(shì)在必行的選擇。作為現(xiàn)代建筑最大“用電老虎”之一的電梯，已成為節(jié)能研發(fā)的首選。據(jù)中國(guó)電梯協(xié)會(huì)提供的信息顯示，截止到2008年年底，我國(guó)電梯的保有量已達(dá)到1153萬臺(tái)，居世界之首。而且，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)生活進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期，電梯的使用量還在以年均1520的速度遞增。電梯作為常用的交通工具，已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ畈豢扇鄙俚囊徊糠?。電梯的運(yùn)行離不開電能，由于電梯在空載或輕載

4、上行時(shí)以及滿載或重載下行時(shí)曳引機(jī)會(huì)產(chǎn)生再生能量并且這些再生能量必須要得到適當(dāng)處理，而能量回饋技術(shù)正是解決再生能量的最佳處理方法。假如按每臺(tái)電梯的平均功率是15KW，即電機(jī)連續(xù)工作1小時(shí)消耗15度電，那么消耗在制動(dòng)電阻上的平均功率約為4.5KW(按電機(jī)功率的30)。以2008年底全國(guó)在用電梯115萬臺(tái)計(jì)算，相當(dāng)于我國(guó)有一個(gè)500萬千瓦的電爐在消耗能量，浪費(fèi)驚人。電梯能量回饋技術(shù)的研究就是要解決電梯運(yùn)行過程中的能量浪費(fèi)問題，降低電梯的能耗，這對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)具有重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)效益。2、技術(shù)簡(jiǎn)介A、電梯工作原理下圖1是四層電梯示意圖，我們可以把電梯簡(jiǎn)單理解成一個(gè)兩端分別懸掛轎廂和配重的定滑輪組，起

5、滑輪作用的曳引機(jī)實(shí)際上就是一部電動(dòng)機(jī)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)正向或者反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，轎廂會(huì)相應(yīng)的上行或者下行，實(shí)現(xiàn)了電梯運(yùn)送乘客或者貨物的目的。位于電梯控制系統(tǒng)中的變頻器是驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的裝置。一般來講，電梯平衡系數(shù)為45左右，即轎廂內(nèi)放置45左右載重時(shí)，轎廂與電梯配重的重量相當(dāng)。圖1 電梯的基本結(jié)構(gòu)B、電梯能量回饋裝置的基本原理系統(tǒng)的主回路結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由濾波電容、三相IGBT全橋、串聯(lián)電感及一些外圍電路組成。電梯能量回饋系統(tǒng)的輸入端與電梯變頻器的直流母線側(cè)相連，輸出端與電網(wǎng)側(cè)相連。圖2 電梯系統(tǒng)的主回路結(jié)構(gòu)圖能量回饋裝置的工作過程是：當(dāng)電梯曳引機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，開關(guān)器件V1V6全部被封鎖，處于關(guān)斷狀

6、態(tài)。當(dāng)曳引機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，能量累積在變頻器直流母線側(cè)，產(chǎn)生泵升電壓，當(dāng)直流母線電壓超過啟動(dòng)有源逆變電路的工作電壓Ed并滿足其它逆變條件后，能量回饋系統(tǒng)開始工作，將直流母線上的能量回饋電網(wǎng)。隨著這部分能量的釋放，直流母線電壓逐漸下降，當(dāng)回落到設(shè)定值后，回饋系統(tǒng)停止工作。另外，連接在逆變電路與三相交流電網(wǎng)之間的高頻磁芯扼流電抗器將吸收直流母線電壓和電網(wǎng)線電壓的差值，以減小對(duì)電網(wǎng)電壓的影響。C、能量回饋裝置的運(yùn)作方式電梯運(yùn)行時(shí)有四個(gè)工況分別是：(1)空車上行和滿載下行，即轎箱或配重較輕的一邊上升，此時(shí)是系統(tǒng)釋放勢(shì)能的過程，曳引機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)。(2) 空車下行與滿載上行，即轎箱或配重較輕的一邊下降

7、，此時(shí)系統(tǒng)勢(shì)能在不斷增加，曳引機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)。(3)當(dāng)電梯到達(dá)所在樓層減速制動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)釋放動(dòng)能，此時(shí)曳引機(jī)也工作在發(fā)電狀態(tài)。(4)電梯在半載或在接近半載狀態(tài)下運(yùn)行，此時(shí)曳引機(jī)工作在平衡或接近平衡工況，這是電梯運(yùn)行的最大概率工況。當(dāng)電梯運(yùn)行在(1)、(3)工況時(shí)，曳引機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，所產(chǎn)生的能量通過電動(dòng)機(jī)和變頻器轉(zhuǎn)化為變頻器直流母線上的直流電能。這些能量被臨時(shí)存儲(chǔ)在變頻器直流回路的大電容中，能量回饋系統(tǒng)是將電梯變頻器直流側(cè)大電容中儲(chǔ)存的直流電能轉(zhuǎn)換為交流電，并回送到電網(wǎng)。3、電梯能量回饋裝置的技術(shù)指標(biāo)分析A、節(jié)能指標(biāo)分析本文中采用了一臺(tái)已安裝能量回饋裝置的電梯在不同工況下的耗電量與發(fā)電量進(jìn)行

8、對(duì)比，數(shù)據(jù)如下表1。表1 某臺(tái)電梯的耗電量與回饋電量項(xiàng)目耗電量（kWh）回饋電量（kWh）類型空載上行0.01090.0242空載下行0.09110.00145人下行0.05720.00275人上行0.01460.005214人下行0.03190.005214人上行0.05840.002921人下行0.01010.031121人上行0.10270.001424小時(shí)正常運(yùn)行41.578.66日節(jié)電率20.85%數(shù)據(jù)來源：電梯能量回饋裝置節(jié)能效果研究 劉大為 北京節(jié)能環(huán)保中心結(jié)果表明，不同工況下該產(chǎn)品回饋電量相差較大，在5人下行過程中，轎廂和對(duì)重塊處于相對(duì)平衡狀態(tài)，機(jī)械勢(shì)能較小，該過程耗電量0.0

9、572kWh，而回饋只有0.0027 kWh；而在21人下行工況中，屬于重載下行過程，機(jī)械勢(shì)能達(dá)到最大，該過程電梯耗電0.0101kWh，而回饋電量高達(dá)0.031lkWh。由上述數(shù)據(jù)可知安裝能量回饋裝置節(jié)能效果顯著。B、回饋電能諧波分析電網(wǎng)對(duì)電能有相位、電壓、電流等方面的控制標(biāo)準(zhǔn)，這就對(duì)電能回饋裝置提出了要求。回饋的電能應(yīng)盡量減少回饋過程對(duì)電網(wǎng)的污染，即諧波的注入量。諧波對(duì)電網(wǎng)及系統(tǒng)中運(yùn)行的設(shè)備、儀器會(huì)帶來很大的危害。對(duì)此，國(guó)家制定了GB/T 14549-1993電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波規(guī)定了公用電網(wǎng)諧波電壓限值，電流諧波限值。具體標(biāo)準(zhǔn)如下表2、表3。表2 公用電網(wǎng)諧波電壓標(biāo)準(zhǔn)電網(wǎng)標(biāo)稱電壓 kV電

10、壓總諧波畸變率 %各次諧波含有率%奇次偶次0.385.04.02.064.03.21.610353.02.41.2661102.01.60.8表3 注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值標(biāo)準(zhǔn)電壓 kV基準(zhǔn)短路容量 MVA諧波次數(shù)及諧波電流允許值 A23456789100.3810786239622644192116610043342134142411118.5同時(shí)能量回饋裝置其本質(zhì)是一個(gè)逆變器，GB/T 19939-2005光伏系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)要求中對(duì)回饋電網(wǎng)的電能做出了規(guī)定，要求電流波總畸變率小于5%，各次諧波含有率如下表4。表4 各次諧波含有率奇次諧波次數(shù)含有率限值%3th9th4.011th15

11、th2.017th21th1.523th33th0.6偶次諧波次數(shù)含有率限值%2th10th1.012th16th0.5實(shí)際運(yùn)行中，各次諧波的含有率見圖3。圖3能量回饋裝置在試驗(yàn)平臺(tái)上的諧波測(cè)試數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)來源：能量回饋裝置安全性要求解析 常文清 薛季愛 徐國(guó)強(qiáng) 徐磊上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院根據(jù)上述兩組數(shù)據(jù)可知，電梯電能回饋裝置輸回電網(wǎng)輸入端電能的總諧波失真小于5%，各次諧波含有率也小于國(guó)標(biāo)要求，整體上回饋的電能指標(biāo)符合國(guó)標(biāo)中的各項(xiàng)要求。4、能量回饋裝置的優(yōu)點(diǎn)提高電梯性能的角度，能量回饋裝置能處理由于電梯在空載或輕載上行時(shí)以及滿載或重載下行時(shí)曳引機(jī)會(huì)產(chǎn)生再生能量；保持直流電壓恒定；減少直流

12、電容充放電次數(shù)、延長(zhǎng)其使用壽命；實(shí)現(xiàn)了再生能量的再利用從而改善電梯機(jī)房溫度、降低設(shè)備故障率。節(jié)能環(huán)保的角度，能量回饋裝置完成再生能量的再利用；有效減少?gòu)U氣、煙塵等有害物的排放；消減再生能量對(duì)電網(wǎng)的諧波污染；迫使電梯輸入側(cè)的功率因數(shù)單位化。四、能源回饋裝置應(yīng)用現(xiàn)狀1、設(shè)備現(xiàn)狀能量回饋裝置是利用運(yùn)動(dòng)中負(fù)載上的機(jī)械能（勢(shì)能、動(dòng)能）通過電機(jī)轉(zhuǎn)化成電能，再由逆變、整流、濾波電路變換成交流電的裝置。所以，能量回饋裝置安裝在系統(tǒng)內(nèi)勢(shì)能、動(dòng)能會(huì)經(jīng)常變化的大功率設(shè)備（起重機(jī)、提升機(jī)、離心機(jī)、抽油機(jī)四大類）上。上文中舉例的電梯，屬于提升機(jī)這大類中。起重機(jī)、離心機(jī)、油田抽油機(jī)在工作的一個(gè)周期中，都會(huì)產(chǎn)生“泵升電壓”

13、，此時(shí)使電動(dòng)機(jī)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)的狀態(tài)，現(xiàn)階段的能量回饋裝置正是利用這個(gè)能量進(jìn)行電能回饋，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。其次，由于起重機(jī)、提升機(jī)、離心機(jī)、油田抽油機(jī)都是使用電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，所以能量回饋裝置的結(jié)構(gòu)與電路架構(gòu)完全相同?，F(xiàn)階段，不同的能量回饋裝置只是逆變、整流、濾波的電路模塊有所不同。其中，逆變電路可分為半控器件型(晶閘管型)結(jié)構(gòu)，可控整流/有源逆變復(fù)用型，滯環(huán)控制斬波-逆變回饋方式。現(xiàn)行使用的整流濾波模塊可分為GTR、MOSFET、IGBT、IPM等。2、國(guó)內(nèi)外應(yīng)用狀況國(guó)外，為了解決電動(dòng)機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的再生能量，德國(guó)西門子公司已經(jīng)推出了電機(jī)四象限運(yùn)行的電壓型交-直-交變頻器，日本富

14、士公司也成功研制了電源再生裝置，如RHR系列、FRENIC系列電源再生單元，它把有源逆變單元從變頻器中分離出來，直接作為變頻器的一個(gè)外圍裝置，可并聯(lián)到變頻器的直流側(cè)，將再生能量回饋到電網(wǎng)中。同時(shí)，國(guó)外有研制四象限電壓型交直交變頻器及電網(wǎng)側(cè)脈沖整流器。上述裝置普遍存在價(jià)格昂貴，再加上一些產(chǎn)品對(duì)電網(wǎng)的要求很高，不適合我國(guó)的國(guó)情的問題。國(guó)內(nèi)，在中小容量系統(tǒng)中大都采用能耗制動(dòng)方式，即通過內(nèi)置或外加制動(dòng)電阻的方法將電能消耗在大功率電阻器中，該方法雖然簡(jiǎn)單，有如下嚴(yán)重缺點(diǎn)：(1) 浪費(fèi)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) 有時(shí)不能及時(shí)抑制快速制動(dòng)產(chǎn)生的泵升電壓，限制了制動(dòng)性能的提高。  同時(shí)，國(guó)內(nèi)關(guān)于中小容量系統(tǒng)能量回饋控制的研究正在進(jìn)行，但基本上都處于實(shí)驗(yàn)階段。目前，國(guó)內(nèi)使用能量回饋系統(tǒng)的大功率設(shè)備主要有，船廠、港口等地的大型起重機(jī)，礦山中提升礦石的提升機(jī)，工廠中分離物質(zhì)的大型離心機(jī)，油田