新型變頻調(diào)速能量回饋控制技術(shù)在門機(jī)上的應(yīng)用

潘磊

摘 要：本文介紹了目前國(guó)內(nèi)門座式起重機(jī)上單傳動(dòng)變頻系統(tǒng)和多傳動(dòng)變頻能量回饋系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上闡述了多傳動(dòng)能量回饋系統(tǒng)具有節(jié)能降耗、安全可靠、對(duì)電網(wǎng)無污染、廣闊市場(chǎng)前景的突出優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：門座式起重機(jī)；單傳動(dòng)變頻、多傳動(dòng)變頻能量回饋系統(tǒng)；經(jīng)濟(jì)效益

引言

近年來，隨著我國(guó)加入WTO以來港口經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，越來越多的先進(jìn)技術(shù)在港口裝備中得到廣泛推廣和應(yīng)用，變頻調(diào)速能量回饋控制技術(shù)也以其不可替代的優(yōu)點(diǎn)得到推廣，被應(yīng)用在諸于門座起重機(jī)、卸船機(jī)和岸邊集裝箱裝卸橋等大型設(shè)備上。

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(jì)效益。但是，在對(duì)調(diào)速節(jié)能的一片贊譽(yù)中，人們往往忽視了進(jìn)一步挖掘變頻調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能潛力和提高效率的問題。

本文討論的就是變頻調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能控制的變頻調(diào)速能量回饋控制技術(shù)。在能源資源日趨緊張的今天，這項(xiàng)探討無疑具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1.通用型變頻器工作原理

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(dòng)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(dòng)機(jī)供電。這類變頻器功率因數(shù)高、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(dòng)和頻繁正、反轉(zhuǎn)的調(diào)速系統(tǒng)。因?yàn)檫@種系統(tǒng)要求電機(jī)四象限運(yùn)行，當(dāng)電機(jī)減速、制動(dòng)或者帶位能性負(fù)載重物下放時(shí)，電機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)。由于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GTR、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(jī)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。

2.單傳動(dòng)變頻系統(tǒng)

對(duì)于門機(jī)而言，起升機(jī)構(gòu)下降減速時(shí)大量的勢(shì)能通過電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，常規(guī)的方法是采用能耗制動(dòng)，即利用掛在變頻器直流母線上的制動(dòng)單元和電阻將這部分轉(zhuǎn)化過來的電能通過熱量的形式消耗掉。該方法雖然簡(jiǎn)單，但也存在浪費(fèi)能源等諸多缺點(diǎn)：①電能通過電阻消耗掉，嚴(yán)重浪費(fèi)能量，降低了系統(tǒng)的效率。②電阻發(fā)熱，對(duì)周圍的電子元件造成影響。③能耗制動(dòng)不能及時(shí)消耗大量回饋電能，只能通過延長(zhǎng)制動(dòng)時(shí)間來消耗掉。④單傳動(dòng)由于高開關(guān)頻率的電子元件大量使用，勢(shì)必造成高次諧波產(chǎn)生，對(duì)電網(wǎng)會(huì)造成污染。

3.多傳動(dòng)能量回饋系統(tǒng)

多傳動(dòng)能量回饋系統(tǒng)有以下一些特點(diǎn)：

（1）采用整流/回饋單元，逆變器共直流母線。

（2）通過整流/回饋單元及自耦變壓器，可實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)。

（3）通過LCL濾波裝置，濾除高次諧波，對(duì)電網(wǎng)無污染。

（4）將重物下降及制動(dòng)過程的能量回饋給電網(wǎng)，減少資源損失。

（5）提高整機(jī)功率因數(shù)約為1。

（6）投入成本高，比單傳動(dòng)設(shè)備成本提高約1.8倍。

變頻調(diào)速能量回饋控制技術(shù)是采用有源逆變技術(shù)，將再生電能逆變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻率同相位的交流電回送電網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)運(yùn)行的。它極大的提高了系統(tǒng)的效率，因此必然會(huì)逐步成為大功率設(shè)備的首選控制方式。

4.經(jīng)濟(jì)效應(yīng)

如果門機(jī)采用常規(guī)的串電阻調(diào)速系統(tǒng)，功率因數(shù)為0.6～0.65；如果是普通的變頻調(diào)速系統(tǒng)，一般門機(jī)在起動(dòng)、制動(dòng)階段，功率因數(shù)為0.7左右；在正常運(yùn)行階段，功率因數(shù)為0.8～0.85；而變頻調(diào)速能量回饋控制系統(tǒng)的綜合功率因數(shù)則為0.93～0.96，極大的提高了電能的利用效率。以一臺(tái)門機(jī)1個(gè)月的用電為例，該門機(jī)的各機(jī)構(gòu)均采用變頻能量回饋控制方式，該門機(jī)實(shí)際用電為71280Kwh，功率因數(shù)按照0.94計(jì)算，實(shí)際損耗總電能為75830KVAh。①如果采用常規(guī)控制方式，功率因數(shù)按照0.65計(jì)算，實(shí)際損耗總電能為109661KVAh；在這一個(gè)月里這種控制方案比能量回饋方式多消耗的電能38381 KVAh，一年所節(jié)約的電能約為38381 KVAh×12月=460572 KVAh，以工業(yè)用電電價(jià)0.67元/ Kwh計(jì)算，一年就可以節(jié)約30.86萬(wàn)多元。②如果采用普通變頻調(diào)速方式控制，功率因數(shù)按照0.8計(jì)算，實(shí)際損耗總電能為89100KVAh；在這一個(gè)月里這種控制方案比能量回饋方式多消耗的電能17820 KVAh，一年所節(jié)約的電能約為17820 KVAh×12月=213840KVAh，以工業(yè)用電電價(jià)0.67元/ Kwh計(jì)算，一年就可以節(jié)約14.33萬(wàn)多元。

5.結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)然，如果采用變頻調(diào)速能量回饋系統(tǒng)，前期投入就必然要增加，增加的資金一般不會(huì)超過門機(jī)總價(jià)的5%，幾年之后完全可以通過節(jié)約電費(fèi)的方式收回投資，而一臺(tái)門機(jī)的正常使用壽命都在15年左右。在全球能源日趨緊張的今天，能量回饋系統(tǒng)在控制方面的顯著優(yōu)勢(shì)必將進(jìn)一步突顯，應(yīng)用也必將更加廣泛。