采用變頻調速控制的起重機，當各機構電動機所傳動的負載處于下降或制動過程中（電動機處于再生發電狀態）時，會使變頻器的直流母線電壓升高。為了限制變頻器直流母線端的電壓，常規的方法是將其產生的再生電能通過外接制動電阻的形式消耗掉，這樣就導致了能量的浪費。

針對上述電能浪費的問題，在調速控制系統設計時，采用共直流母線能量回饋系統技術，將各機構產生的再生能量通過有源回饋裝置回饋到電網，從而有效減少了能量的浪費，且對電網無污染，提高了調速系統的控制性能。

1 共直流母線能量回饋系統介紹

共直流母線能量回饋調速系統（以下簡稱共母線回饋系統）采用單獨的整流/回饋單元，為提供一定功率的直流電源，調速用逆變器直接掛接在直流母線上。當系統工作在電動狀態時，逆變器從母線上獲取電能；當系統工作在發電狀態時，能量通過母線及回饋單元直接回饋給電網，以達到節能、提高設備運行可靠性、減少設備維護量和設備占地面積等目的。

共直流母線能量回饋變頻調速系統主要硬件部分包括有源整流/回饋單元、逆變裝置。

1.1 有源整流/回饋單元

圖1所示為有源回饋整流單元，其中有源回饋整流裝置由自由換向絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor, IGBT）逆變器組成，該逆變器工作于電源側，既可以把電源電壓整流為恒定可控的直流電源，也能將能量回饋給電網。

圖1 有源回饋整流單元

整流裝置的IGBT在自然換相點觸發導通，與電流流動方向無關。電流流動方向只取決于電源電壓和直流母線電壓。在電動運動狀態下運行時，有電流流動期間，直流母線電壓總是低于電源電壓，電源通過二極管從電源流向直流母線；在發電（回饋）狀態下運行時，有電流流動期間，直流母線電壓總是高于電源電壓，電流通過IGBT從直流母線流向電網。對于負載的變化，整流回饋裝置能夠快速做出反應，還可以隨時改變電流流動方向。

有源濾波裝置使實際產生的電流接近正弦波，有效抑制諧波。

1.2 逆變裝置

逆變裝置是一個采用IGBT技術的自換流逆變器。它將直流母線電壓轉變成頻率和電壓可調的電源，以滿足電機平滑調速的目的。逆變裝置為多傳動系統設計，由控制單元控制。逆變裝置之間通過公共直流母線相連，逆變裝置從中間的直流回路獲取能量并加以轉換輸出，從而驅動電動機運轉。

2 傳統變頻調速方案及硬件配置

傳統的變頻調速方案即是變頻器加制動電阻的形式，起重機的各機構分別配備相應規格的變頻器，變頻器配備制動單元及制動電阻，各機構的變頻器接到三相交流電網上，通過變頻器驅動各機構電動機。圖2所示為傳統變頻調速系統主回路單線圖。

在由變頻器、制動單元及制動電阻所組成的傳統變頻調速系統中，當電動機所傳動的位能負載下放時，或當電動機從高速到低速減速時，電機所發出的電能通過制動電阻消耗掉，同時維持直流母線上的電壓為一個正常值。

3 共直流母線回饋系統應用于起重機

下面以某公司大型平頭塔式起重機為例，詳細介紹該系統在起重機上的應用。該平頭塔機有四個驅動機構，分別為起升機構、變幅機構、回轉機構和行走機構。

圖2 傳統變頻調速系統主回路單線圖

3.1 共直流母線回饋系統方案及硬件配置

圖3所示為該平頭塔機的共直流母線能量回饋變頻調速系統主回路單線圖。

3.2 共母線回饋系統工作情況簡述

從圖3可以看出，塔機的電氣控制系統采用的是公共直流母線的變頻調速系統，系統框圖從上到下分為四大部分：上位機部分、通信及控制單元部分、共直流母線整流回饋部分、逆變部分。起升、變幅、回轉和行走四大機構分別采用一套逆變裝置，共用一套回饋整流裝置，4個機構的逆變裝置連接到公共直流母線上，分別拖動電機運行。

三相交流電通過能量回饋裝置，輸出直流560V左右的直流母排電壓，再通過各個機構的逆變器變成頻率可調的交流電壓，調速驅動各機構的電動機運行。當塔機只有某一個機構電動機處于制動狀態時，所產生的電能通過整流回饋裝置回饋到電網，在此期間如果有另一個機構處于正常運行狀態，所回饋的能量優先用于另一個機構的使用，多余的電量才回饋給電網，保證了母線電壓的穩定供給，提高了系統的穩定性。

4 變頻調速共直流母線回饋系統能量分析

以某公司同一型號、同一規格的兩臺大型平頭塔式起重機為例，最大額定起重質量為100t，起升高度為100m，工作級別M5，一個工作循環時間約為24min，上升一次10min，下降10min，增幅90s，減幅90s，回轉60s，行走使用頻率極低，可忽略不計，各機構電動機功率見表1。

圖3 系統主回路單線圖

表1 各電動機功率（單位: kW）

按照變頻電動機和變頻器的選型手冊，通常電動機的效率◆1取0.89，變頻器效率◆2取0.98，機械傳動效率◆3取0.9，電動機傳輸的能量總效率

分別對兩臺塔式起重機在同等工況下、同等高度、同一負載、一個作業周期內電動機分別采用變頻調速和共直流母線變頻調速的耗能對比見表2。

表2 耗能對比（單位: kW）

從表2中數據可知，塔式起重機采用共直流母線調速在上升、變幅和回轉時電動機耗能與采用變頻調速在忽略制動時相同，共直流母線變頻調速在下降時回饋能量，通過計算能量回饋率為24.5%，計算時忽略行走機構以及其他部件耗電量，實際回饋率要高于計算值。

5 共直流母線回饋系統的優缺點分析及選型注意事項

1）系統優點

共直流母線系統是解決多電機傳動技術的最優方案，能很好地解決多電機間電動狀態和發電狀態之間的矛盾。在同一系統中，同一時刻不同裝置可工作在不同的狀態，整流回饋單元保證了公共直流母線電壓的穩定供給，又將多余的能量回饋給電網，實現了再生能源的合理利用。

共直流母線系統設備結構緊湊，工作穩定。在多電機傳動系統中省去了大量的制動單元、制動電阻等外圍設備，從而解決了制動單元和制動電阻無空間擺放的難題，減少了設備故障點，提高了設備的整體控制水平。

2）系統缺點

首先，由于系統需要獨立的能量回饋裝置，且能量回饋裝置的功率要考慮至少兩個機構運行/回饋的容量，所以系統硬件配置成本投入較高，一般用戶難以接受。

其次，系統硬件及軟件配置較復雜，對主機廠電氣技術人員的專業技術水平要求較高。一旦系統出現問題，用戶的技術人員很難處理，給用戶后期維修也增加了難度。

3）整流回饋裝置選型注意事項

現在市面上有很多品牌和規格的整流回饋裝置，硬件配備時一定要根據實際需要選擇不同的整流回饋裝置。以Siemens品牌為例，帶回饋功能的整流單元有ALM型和SLM型，ALM為主動型可調節性整流模塊，比SLM整流單元多了一個LC凈網濾波器和一個AFE電抗器，能有效保證母線電壓的穩定，從而減小回饋過程中諧波對電網的沖擊，并確保變頻調速系統的正常運行。

6 結論

共直流母線能量回饋變頻調速系統，能夠有效避免再生能量的浪費，并將再生能量通過整流回饋裝置回饋到電網，對于大型起重機，尤其是起升高度高、工作級別高、起升機構功率大的起重機，節能效果更顯著，一般節電率可達25%左右，且瞬間停電不會跳脫停機，保證設備的安全，具有良好的社會效益。

本文編自2021年第1期《電氣技術》，論文標題為“共直流母線能量回饋系統在起重機上的應用與分析”，作者為夏文艷。