深圳市合興加能科技有限公司 楊 維

Shenzhen Hexing IPC Technology CO.,LTD Yangwei

摘要：本文主要介紹了IPC起重行業(yè)變頻回饋電控系統(tǒng)在礦井絞車上的應(yīng)用。變頻回饋電控系統(tǒng)是對(duì)礦井絞車提升機(jī)構(gòu)原有的繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速控制方式進(jìn)行升級(jí)改造的電氣系統(tǒng)，采用加能公司PH7系列起重專用變頻器對(duì)提升電機(jī)進(jìn)行變頻控制，同時(shí)采用加能公司PFH重型回饋裝置將提升電機(jī)再生發(fā)電狀態(tài)下產(chǎn)生的再生能量回饋到電網(wǎng)。

Abstract:

This paper mainly describes the application of the IPC variable frequency energy feedback system which used in well winch. This system adopts PH7 series special inverter for hoisting industry and PFH series heavy-duty energy feedback equipment, and reconstruts the original rotor series resistance speed control mode, which can feed the regenerate energy of the hoisting motor back to the grid.

關(guān)鍵詞：PH7起重專用變頻器 PFH重型回饋裝置 礦井絞車改造系統(tǒng)

Key words:

special inverter of PH7 for hoisting industry PFH heavy-duty energy feedback equipment recontruction system of well winch

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一、引言

礦井提升是采礦生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)，井下各工作面采掘下來的礦石或煤，由運(yùn)輸設(shè)備經(jīng)井下巷道運(yùn)到井底車場(chǎng)，然后再由提升設(shè)備提至地面。人員的升降，材料、設(shè)備的輸送都需要通過提升設(shè)備來完成。它是礦山井下生產(chǎn)系統(tǒng)和地面工業(yè)廣場(chǎng)相聯(lián)接的樞紐，用“礦井的咽喉”形象的描述了礦井提升的重要作用，十分恰當(dāng)。礦井提升機(jī)或礦井絞車作為礦井提升設(shè)備中應(yīng)用最多的設(shè)備，對(duì)其可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性要求都很高。加能公司起重行業(yè)變頻回饋電控系統(tǒng)已成功地用在郴州市怡鑫實(shí)業(yè)有限公司宜章縣長策銀礦礦井絞車的改造上，本文將詳細(xì)介紹其應(yīng)用情況。

二、礦井絞車電氣傳動(dòng)要求

1． 礦井絞車負(fù)載特性

重物上升時(shí)，電機(jī)需要克服各種阻力（包括重物的重力和摩擦力等），屬于阻力負(fù)載。

重物下放時(shí)，由于重物本身具有按照重力加速度下降的能力（位能），因此，當(dāng)重物的重力大于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦阻力時(shí)，重物本身的重力（位能）是下降的動(dòng)力，電機(jī)成了能量的接受者，故屬于動(dòng)力負(fù)載。

2、礦井絞車電機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)器的要求

①啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速特性好；

②過載能力強(qiáng)；

③低頻時(shí)能輸出較大轉(zhuǎn)矩，懸掛時(shí)不能溜車；

④下放時(shí)，電機(jī)有較大再生能量產(chǎn)生，要求能夠合理處理電機(jī)再生能量。

3、礦井絞車傳統(tǒng)控制系統(tǒng)缺點(diǎn)

①能耗大

礦井絞車傳統(tǒng)調(diào)速方式為繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速。這種控制系統(tǒng)大量的轉(zhuǎn)差功率消耗在轉(zhuǎn)子串接的電阻上（一般情況下可占總能耗的30%以上），造成大量電能浪費(fèi)，從節(jié)能和經(jīng)濟(jì)兩方面來講，都不可取。

②調(diào)速性能差

轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方式屬于有級(jí)調(diào)速，其轉(zhuǎn)速的下降是通過轉(zhuǎn)子外接電阻消耗能量來實(shí)現(xiàn)的。最重要的是轉(zhuǎn)速越低，電機(jī)的機(jī)械特性越軟，輸出轉(zhuǎn)矩越小。且有級(jí)調(diào)速對(duì)電機(jī)和機(jī)械設(shè)備的沖擊大，設(shè)備運(yùn)行不平穩(wěn)，調(diào)速不連續(xù)，容易掉道，故障率高。對(duì)于煤礦24小時(shí)連續(xù)生產(chǎn)模式，經(jīng)濟(jì)損失大。

③系統(tǒng)可靠性差

a接觸器頻繁分、合（接觸器在大電流情況下頻繁分、合），經(jīng)常造成接觸器觸點(diǎn)的燒結(jié)和線圈燒毀。

b保護(hù)措施不完善，易發(fā)生電動(dòng)機(jī)燒毀的現(xiàn)象。

c制動(dòng)器承受比較大的沖擊，閘皮磨損嚴(yán)重，容易出現(xiàn)抱閘抱不緊，經(jīng)常需檢修、更換。

④維護(hù)成本高

a接觸器、繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子電刷、滑環(huán)經(jīng)常需要維護(hù)、更換，費(fèi)用較大。

b減速機(jī)、制動(dòng)器受沖擊大，經(jīng)常需要維護(hù)。

c轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方式本身的特點(diǎn)最終導(dǎo)致的生產(chǎn)效率受到限制（經(jīng)常出故障處于停機(jī)、維修狀態(tài)）、維護(hù)工作量大、使用維修成本上升。

4、礦井絞車變頻回饋電控系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

①變頻器調(diào)速性能好，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，機(jī)械特性硬、定位準(zhǔn)確。

②變頻器運(yùn)行平穩(wěn)，對(duì)減速機(jī)、制動(dòng)器的沖擊小，減小設(shè)備的維護(hù)量，延長提升機(jī)的使用壽命。

③使用變頻器后，無需再使用接觸器，同時(shí)繞線式電機(jī)也可以更改為鼠籠式電機(jī)使用，無需對(duì)電刷和滑環(huán)進(jìn)行維護(hù)

④變頻器運(yùn)行效率高，對(duì)電機(jī)和系統(tǒng)具有完善的保護(hù)、監(jiān)測(cè)及自診斷功能，如再結(jié)合PLC控制，可大幅度提高礦井絞車電控系統(tǒng)的可靠性。

⑤能量回饋功能，能將電機(jī)的再生能量回饋到電網(wǎng)，大大節(jié)約電能。

三、IPC變頻回饋電控系統(tǒng)在礦井絞車節(jié)能改造上的應(yīng)用(380V)

1、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備概況

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2、根據(jù)礦井絞車設(shè)備的負(fù)載特性和控制要求，變頻回饋電控系統(tǒng)主要配置如下：
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3、礦井絞車變頻回饋節(jié)能改造系統(tǒng)

礦井絞車系統(tǒng)改造后對(duì)礦井絞車提升機(jī)構(gòu)電機(jī)進(jìn)行無級(jí)調(diào)速，大大提升了提升機(jī)構(gòu)的控制性能，而且減小了對(duì)電機(jī)和機(jī)械部分的巨大沖擊。同時(shí)，能量回饋將提升電機(jī)再生能量回饋到電網(wǎng)，大大節(jié)約了電能，降低了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備工作的環(huán)境溫度，延長了電氣設(shè)備的使用壽命。 節(jié)能改造系統(tǒng)共有兩個(gè)控制柜，由變頻器、能量回饋裝置、PLC、接觸器等部分組成，其具體功能概述如下：

1、系統(tǒng)改造后提升電機(jī)的變頻回饋控制方式與原有的轉(zhuǎn)子串電阻工頻控制方式可以自由切換，兩種控制方式切換相互電氣聯(lián)鎖，保證系統(tǒng)工作的安全性。

2、系統(tǒng)改造后保留礦井絞車原有的操作方式和習(xí)慣，即保留原有的凸輪控制器的檔位控制和操作方式。這樣，既不會(huì)影響礦井絞車操作員的正常操作，又保證了礦井絞車特種設(shè)備檢驗(yàn)合格。

3、提升機(jī)構(gòu)的變頻回饋電控系統(tǒng)，具有短路、過電壓、過電流、缺相、過載、過溫等多種保護(hù)功能，最大限度的保護(hù)礦井絞車的提升機(jī)構(gòu)。

4、系統(tǒng)采用變頻器驅(qū)動(dòng)提升機(jī)構(gòu)電機(jī)，當(dāng)電機(jī)拖動(dòng)位能性負(fù)載下放時(shí)，電動(dòng)機(jī)將處于再生發(fā)電狀態(tài)。能量回饋裝置會(huì)將電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)下的再生能量回饋到電網(wǎng)，保證變頻系統(tǒng)正常工作，同時(shí)大大節(jié)約電能。

系統(tǒng)原理示意圖如下：

4、系統(tǒng)調(diào)試

① PLC程序及控制回路調(diào)試。 設(shè)備安裝結(jié)束后，控制回路上電，主回路不上電。進(jìn)行控制回路和PLC程序調(diào)試，保證控制回路和PLC邏輯控制正確，各元器件動(dòng)作正常。

② 變頻器調(diào)試。

a 將礦井絞車電機(jī)與減速機(jī)脫開，變頻器采用V/F控制方式空載運(yùn)行，拖動(dòng)電機(jī)，確保電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，正常，變頻器輸出電壓、電流正常。

b 將礦井絞車電機(jī)與減速機(jī)脫開，變頻器采用無PG矢量控制方式，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)型自學(xué)習(xí)，獲得電機(jī)參數(shù)。然后采用無PG矢量控制方式空載運(yùn)行，拖動(dòng)電機(jī)，并調(diào)整相應(yīng)參數(shù)保證電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，變頻器輸出電壓、電流正常。

c 將絞車電機(jī)與減速機(jī)連接，變頻器采用無PG矢量控制方式，帶負(fù)載運(yùn)行變頻器，保證電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定。

d 變頻器部分參數(shù)設(shè)置。
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③ 能量回饋裝置調(diào)試。

進(jìn)行礦井絞車空載下放和重載下放試驗(yàn)，正確設(shè)定能量回饋裝置的回饋動(dòng)作電壓值，保證變頻器和能量回饋系統(tǒng)正常工作。

④ 系統(tǒng)整體調(diào)試運(yùn)行。

整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行整體測(cè)試，保證礦井絞車空載提升和下放、重載提升和下放，各檔位速度符合要求，換擋正常，變頻器和能量回饋裝置運(yùn)行正常。并進(jìn)行工、變頻切換試驗(yàn)，保證切換正常，工頻運(yùn)行正常。

現(xiàn)場(chǎng)圖片

四、IPC變頻回饋電控系統(tǒng)在礦井絞車節(jié)能改造上應(yīng)用的效果與客戶評(píng)價(jià)

系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行證明，IPC變頻回饋電控系統(tǒng)在礦井絞車節(jié)能改造上的應(yīng)用，不改變?cè)械V井絞車的操作方式，且原有的手剎基本可以不再使用，使操作簡化。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，調(diào)速性能優(yōu)良，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和低頻轉(zhuǎn)矩輸出大；提升機(jī)構(gòu)下放時(shí)，將電機(jī)再生發(fā)電狀態(tài)下多余的電能回饋到電網(wǎng)，大大節(jié)約電能。客戶對(duì)IPC變頻回饋電控系統(tǒng)在礦井絞車節(jié)能改造上的使用效果非常滿意。 經(jīng)過實(shí)際的計(jì)量，IPC變頻回饋電控系統(tǒng)相比原來的礦井絞車?yán)@線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方式，能夠節(jié)約電能高達(dá)28%以上。

五、結(jié)束語

IPC變頻回饋電控系統(tǒng)在礦井絞車節(jié)能改造上的應(yīng)用，提高了礦山行業(yè)的提升絞車設(shè)備的自動(dòng)化水平，加快了礦山行業(yè)的產(chǎn)業(yè)裝備升級(jí)。對(duì)提高礦山行業(yè)的產(chǎn)能，保證礦山行業(yè)安全生產(chǎn)都起到了非常積極的作用。

更為重要的是，礦井提升絞車設(shè)備屬于礦山大型設(shè)備，其能耗占整個(gè)礦山生產(chǎn)總能耗比重大，變頻回饋電控系統(tǒng)相比繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速系統(tǒng)，能夠大大的節(jié)約電能，真正的為礦山行業(yè)的生產(chǎn)降低成本，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。

六、參考文獻(xiàn)

1．《PH7起重專用變頻器用戶手冊(cè)》 深圳市合興加能科技有限公司

2．《PFH重型回饋裝置用戶手冊(cè)》 深圳市合興加能科技有限公司

3.《礦山機(jī)械與設(shè)備》 中國礦業(yè)大學(xué)出版社 謝錫純 李曉豁 主編

4.《礦山工程與設(shè)備技術(shù)》 冶金工業(yè)出版社 王榮祥 任效乾 主編

六盤水市騰慶煤業(yè)礦井絞車能量回饋技術(shù)方案（660V）
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第一章 礦井絞車能量回饋應(yīng)用案例

1、設(shè)備概況

礦井絞車主要參數(shù)如下：
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2、再生能量的處理

當(dāng)采用變頻器驅(qū)動(dòng)提升機(jī)構(gòu)電機(jī)，電機(jī)拖動(dòng)位能性負(fù)載下放時(shí)，電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速會(huì)很快超過它的同步轉(zhuǎn)速，這樣電動(dòng)機(jī)將處于再生發(fā)電狀態(tài)。逆變器中的六個(gè)回饋二極管將傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能回饋到中間直流回路，并引起儲(chǔ)能電容兩端電壓升高。若不采取必要的措施，當(dāng)直流回路電容電壓升到保護(hù)極限值后變頻器將過電壓跳閘。

在高性能的工程型變頻器中，對(duì)連續(xù)再生能量的處理有以下兩種方案。① 在中間直流回路設(shè)置電阻器，讓連續(xù)再生能量通過電阻器以發(fā)熱的形式消耗掉，這種方式稱為耗能制動(dòng)；② 采用再生整流器方式，將連續(xù)再生能量送回電網(wǎng)，這種方式稱為回饋制動(dòng)。下面對(duì)這兩種制動(dòng)方式做以詳細(xì)介紹。

（1）耗能制動(dòng)

耗能制動(dòng)由制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻構(gòu)成。變頻器設(shè)置了制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻后，其耗能制動(dòng)能力取決于制動(dòng)電阻的允許功率。因此，計(jì)算再生功率PM時(shí)，必須滿足PM

① 計(jì)算再生能量EM

② 計(jì)算再生功率PM

PM = EM/t0

式中PM——制動(dòng)期間電機(jī)產(chǎn)生的有效再生功率，W

EM——機(jī)構(gòu)急減速及下降時(shí)的再生能量，J

t0——制動(dòng)周期時(shí)間，S

③ 選擇合適的制動(dòng)單元/制動(dòng)電阻組合 選擇合適的制動(dòng)單元/制動(dòng)電阻組合，必須滿足下列條件：

PM

式中 PM——制動(dòng)期間電機(jī)產(chǎn)生的有效再生功率，W

PR——制動(dòng)電阻的允許功率，W

PDB——制動(dòng)單元的允許功率，W

當(dāng)計(jì)算的PM>PR時(shí)，表明超出了制動(dòng)電阻的處理能力，需重新核算負(fù)載慣量和減速時(shí)間。

④ 制動(dòng)電阻RB0的計(jì)算

在再生回饋制動(dòng)中，即使不設(shè)置制動(dòng)電阻，依靠電機(jī)內(nèi)部損耗也可獲得約20%的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因此可用下式計(jì)算所需的電阻值RB0： VC2

RB0 = —————————— 1.027（TB-0.2TM）n1

式中VC——變頻器中間直流回路的電壓（約為960V），V

TB——制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，kg·m

TM——電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，kg·m

n1——電動(dòng)機(jī)開始減速時(shí)的速度，rpm

耗能制動(dòng)的放電回路由制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻構(gòu)成，其最大電流受制動(dòng)晶體管最大允許電流IC的限制，制動(dòng)電阻最小允許值RMIN=VC/IC。因此制動(dòng)電阻選用時(shí)其實(shí)際值RB應(yīng)滿足以下條件：

RMIN < RB < RB0

上述選型是建立在精確的計(jì)算基礎(chǔ)上，在實(shí)際工程中如果精確的計(jì)算數(shù)據(jù)不能取得，也可按下述給出的經(jīng)驗(yàn)公式選型。

①提升機(jī)構(gòu)的再生功率PM

PM = Pb×ηtotal

ηtotal=ηmec×ηmot×0.98

上式中，Pb為實(shí)際的負(fù)載再生發(fā)電功率，ηmec為機(jī)械效率，ηmot為電機(jī)效率。

②制動(dòng)電阻RB0的近似計(jì)算 VC2 RB0 = —— PM

（2）回饋制動(dòng)

為了實(shí)現(xiàn)制動(dòng)狀態(tài)的電動(dòng)機(jī)再生發(fā)電能量向電網(wǎng)回饋，網(wǎng)側(cè)變流器應(yīng)采用可逆變流器。深圳市合興加能科技有限公司推出的IPC-PFH系列重載型能量回饋裝置，它的網(wǎng)側(cè)變流器與逆變器結(jié)構(gòu)相同，采用一塊具有PWM控制方式的電網(wǎng)電壓識(shí)別板。由于采用了PWM控制技術(shù)，對(duì)網(wǎng)側(cè)交流電壓的大小和相位可以進(jìn)行控制，可以使交流輸入電流與電網(wǎng)同相位并接近正弦波，系統(tǒng)的功率因數(shù)大于0.96，回饋制動(dòng)時(shí)有97%電網(wǎng)回饋能力。

IPC-PFH系列能量回饋裝置可以把電機(jī)調(diào)速等過程中所產(chǎn)生的再生電能回饋到電網(wǎng)，避免了采用常規(guī)耗能式制動(dòng)單元因電阻發(fā)熱而造成的能量損耗，從而達(dá)到理想的節(jié)能效果，實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行。

3、選型配置

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的工況參數(shù)，結(jié)合我公司關(guān)于礦井絞車設(shè)備的工程改造經(jīng)驗(yàn)，建議能量回饋裝置選型如下：
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4、控制原理

礦井絞車提升機(jī)構(gòu)配置能量回饋裝置的主電路原理圖如圖所示：

電能回饋裝置的輸入接變頻器的直流母線，電能回饋裝置的輸出直接接電網(wǎng)。PFH系列能量回饋裝置已經(jīng)標(biāo)配了電抗器和噪聲濾波器，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)及周邊的電器設(shè)備造成干擾。

安裝PFH系列重載型能量回饋裝置后，預(yù)計(jì)節(jié)電率在20%-50%之間。

5、能量回饋裝置安裝使用操作流程

n 安裝

（1） 安裝之前必須先仔細(xì)閱讀用戶手冊(cè)、接線時(shí)參考上圖回饋裝置柜與礦井絞車變頻器控制柜的連接圖。

（2） 將提升機(jī)構(gòu)總電源完全斷開。

（3） 接線時(shí)注意回饋單元直流輸入端正（+）、負(fù)（-）的極性，嚴(yán)禁極性接反。

（4） 注意回饋單元交流輸出端（AC-A、AC-B、AC-C）與電網(wǎng)側(cè)連接無極性要求，嚴(yán)禁與電機(jī)側(cè)連接。

n 送電

（1） 回饋裝置柜輸出端加裝了斷路器的情況下，先合上斷路器。

（2） 提升機(jī)構(gòu)總電源送電，5～10秒回饋裝置柜面板顯示。

n 斷電

（1） 提升機(jī)構(gòu)總電源斷電。

（2） 回饋裝置柜輸出端開關(guān)斷開。

n 注意事項(xiàng)

（1） 在不斷開回饋裝置柜的情況下嚴(yán)禁礦井絞車提升機(jī)構(gòu)總電源開關(guān)連續(xù)送電，送電時(shí)需變頻器內(nèi)部電壓完全放掉才給再次送電，這樣可以避免回饋裝置內(nèi)部的熔斷器損壞。

（2） 在通電狀態(tài)下嚴(yán)禁直接斷開回饋裝置柜輸出端的斷路器。

第二章 IPC-PFH系列（660V）重載型能量回饋裝置產(chǎn)品介紹

IPC-PFH系列重載型能量回饋裝置是采用加拿大技術(shù)生產(chǎn)制造的高性能傳動(dòng)節(jié)能產(chǎn)品，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于港口、電梯、起重、礦山提升機(jī)、皮帶機(jī)、離心機(jī)、油田抽油機(jī)、風(fēng)力并網(wǎng)發(fā)電等各種場(chǎng)合。

IPC-PFH系列重載型能量回饋裝置可以把電機(jī)調(diào)速等過程中所產(chǎn)生的再生電能回饋到電網(wǎng)，避免了采用常規(guī)能耗式制動(dòng)單元因電阻發(fā)熱而造成的能量損耗，從而達(dá)到可觀的節(jié)能效果，也可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)力、太陽能等的并網(wǎng)發(fā)電。該系列產(chǎn)品內(nèi)部已經(jīng)安裝有電抗器和噪聲濾波器，可以直接接駁電網(wǎng)，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)和周邊的電器設(shè)備造成干擾。

其主回路原理圖如下圖所示：

當(dāng)?shù)V井絞車采用變頻器驅(qū)動(dòng)的提升機(jī)構(gòu)拖動(dòng)位能性負(fù)載下放或運(yùn)行機(jī)構(gòu)急減速、順風(fēng)運(yùn)行時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)將處于再生發(fā)電狀態(tài)。變頻器逆變部分將傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能回饋到變頻器中間直流回路，并引起儲(chǔ)能電容兩端電壓升高。通常情況下，為了保證變頻器系統(tǒng)的正常工作，會(huì)使用能耗電阻消耗這部分再生電能。但是由于電阻過熱，則會(huì)導(dǎo)致電阻及其引線燒斷，從而產(chǎn)生一系列安全問題，更重要的是造成了再生電能很大浪費(fèi)。

應(yīng)用PHF系列重載回饋裝置后，變頻器具有四象限運(yùn)行功能，將電機(jī)產(chǎn)生的再生電能，通過一系列變換，以正弦波的形式返回至網(wǎng)，從而保證了系統(tǒng)的正常運(yùn)行，且達(dá)到了節(jié)電的目的。

PFH系列重載回饋裝置特有的“全電壓自動(dòng)跟蹤”和“零點(diǎn)電流”處理技術(shù)，提高回饋電流過零時(shí)電流質(zhì)量，提高重載回饋穩(wěn)定性和功率因數(shù)。PFH重載回饋裝置內(nèi)置熔斷器，即使在輸出短路的情況下也不會(huì)損壞原來的控制系統(tǒng)。

IPC-PHF系列重載型能量回饋裝置技術(shù)規(guī)格：