能量回饋裝置在變頻門機(jī)的應(yīng)用

王鳳兵

【摘 ?要】“十二五”時(shí)期，是加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式，建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型港口的關(guān)鍵時(shí)期，應(yīng)貫徹國(guó)家及部有關(guān)節(jié)能減排工作的方針、政策及相關(guān)要求，深化港口行業(yè)節(jié)能減排工作。交通運(yùn)輸部在《關(guān)于港口節(jié)能減排工作的指導(dǎo)意見》中對(duì)于減少電能消耗方面提出應(yīng)充分利用港口裝卸過程中產(chǎn)生的回饋能，減少能源浪費(fèi)。現(xiàn)就能量回饋裝置在變頻門機(jī)的應(yīng)用做了簡(jiǎn)要介紹。

【關(guān)鍵詞】節(jié)能減耗;變頻門機(jī);能量回饋

1.引言

近年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)變頻器的研究和應(yīng)用取得飛速的進(jìn)步，尤其是通用變頻器在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)變頻器驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)在制動(dòng)或者下放位能性負(fù)載過程中，電動(dòng)機(jī)處于再生制動(dòng)狀態(tài)，傳動(dòng)系統(tǒng)中的機(jī)械能通過電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換成電能，變頻器中續(xù)流二極管將這種能量回饋到變頻器直流側(cè)電容C 中，使直流側(cè)電壓升高，產(chǎn)生泵升電壓。特別是要求快速起、制動(dòng)和頻繁正、反轉(zhuǎn)的調(diào)速系統(tǒng)，短時(shí)間內(nèi)有很大的能量回饋，在電容上產(chǎn)生很高的泵升電壓，若不及時(shí)釋放這部分能量，則勢(shì)必會(huì)引起變頻器過壓保護(hù)動(dòng)作或造成主回路大功率器件的過壓損壞。對(duì)這種泵升能量的處理方法基本上有兩種：（1）耗散到直流側(cè)與電容器并聯(lián)的“制動(dòng)電阻”中，（2）通過能量回饋電路使之回饋到交流電網(wǎng)中。前一種方式比較簡(jiǎn)單，但經(jīng)過電阻耗散能量，不僅浪費(fèi)了能源，有時(shí)也會(huì)產(chǎn)生某些副作用，后一種方式雖然結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但提高了能源的利用率，尤其是對(duì)頻繁起制動(dòng)或長(zhǎng)期帶位能性負(fù)載下放的系統(tǒng)，會(huì)產(chǎn)生顯著的節(jié)電效果。

2.門機(jī)負(fù)載特性及制動(dòng)方式

起重機(jī)械的負(fù)載性質(zhì)有兩種，一種是對(duì)于行走機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和有平衡重的變幅機(jī)構(gòu)，是屬于反抗性負(fù)載。另一種是對(duì)于起升機(jī)構(gòu)和沒有平衡重的變幅機(jī)構(gòu)，是屬于位能性負(fù)載。反抗性負(fù)載要求電動(dòng)機(jī)具有以原點(diǎn)為對(duì)稱的特性，電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)是電動(dòng)狀態(tài)，位能性負(fù)載要求電動(dòng)機(jī)具有不對(duì)稱特性，電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)是當(dāng)提升或空鉤下降時(shí)為電動(dòng)狀態(tài)，負(fù)載下降時(shí)為制動(dòng)狀態(tài)。位能負(fù)載的一個(gè)特征是下放過程有大量的位能功率需要釋放。下面以起升機(jī)構(gòu)重載下降時(shí)，變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)為例進(jìn)行分析：

重載下降時(shí)，重物將因自身的重力而下降，電轉(zhuǎn)方向是反轉(zhuǎn)的，但其轉(zhuǎn)矩的方向卻與旋轉(zhuǎn)方向相反。這時(shí)電動(dòng)機(jī)的作用是防止重物由于重力加速度的原因而不斷加速，達(dá)到使重物勻速下降的目的。在這種情況下，摩擦轉(zhuǎn)矩將阻礙重物下降，故重物在下降時(shí)構(gòu)成的負(fù)載轉(zhuǎn)矩比上升時(shí)小。在一個(gè)下放行程中，重物的全部位能都將被釋放出來除少量能量會(huì)損耗在電動(dòng)機(jī)和變頻器內(nèi)部外，大部分位能都那么單位時(shí)間內(nèi)回饋的總能量就很可觀。當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)中所儲(chǔ)存的機(jī)械能經(jīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換成電能，通過逆變器的六個(gè)續(xù)流二極管回送到變頻器的直流回路中，此時(shí)的逆變器處于整流狀態(tài)。這時(shí)，如果變頻器中沒采取消耗能量的措施，這部分能量將導(dǎo)致中間回路的儲(chǔ)能電容器的電壓上升。如果當(dāng)制動(dòng)過快或機(jī)械負(fù)載為提升機(jī)類時(shí)，這部分能量就可能對(duì)變頻器帶來損壞。我港變頻門機(jī)現(xiàn)有處理方式為通過設(shè)置在直流回路中的制動(dòng)電阻吸收電機(jī)的再生電能。

3.門機(jī)起升能量回饋

門機(jī)起升能量回饋即為起升機(jī)構(gòu)增加能量回饋裝置，將回饋能量回收后反饋回電網(wǎng)。帶來的收益是：（1）節(jié)約電能，降低單機(jī)能耗，節(jié)電率達(dá)到了19% - 35%;（2）再生能量回饋電網(wǎng)效率達(dá)到了97%，穩(wěn)定電網(wǎng)總體電壓，提高供電質(zhì)量;（3）熱損耗降低到能耗制動(dòng)的3%以下，降低了電氣房的溫度。

具體實(shí)施內(nèi)容是：保留原有起升機(jī)構(gòu)的支持、開閉電氣柜中制動(dòng)單元、制動(dòng)電阻回路，在變頻器直流母線上，增加回饋單元，回饋單元輸出側(cè)通過智能電表后連接電網(wǎng)，用于統(tǒng)計(jì)回饋電量。支持、開閉變頻器的直流母線接至回饋單元入口，回饋單元出口接至電源柜電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)能量回饋。在產(chǎn)生回饋能量時(shí)，回饋單元首先進(jìn)行啟動(dòng)工作，將電能從直流母線回饋到電網(wǎng)，當(dāng)瞬時(shí)回饋能量較大時(shí)，多余部分將從制動(dòng)單元、制動(dòng)電阻上消耗，保證系統(tǒng)的安全。

回饋裝置的起始動(dòng)作電壓需要與制動(dòng)電阻起動(dòng)電壓相匹配，通過改變?cè)O(shè)置值來改變動(dòng)作電壓。動(dòng)作電壓應(yīng)可以調(diào)節(jié)，范圍至少應(yīng)從620～680 V，我港門機(jī)可設(shè)定640 V，變頻器制動(dòng)電阻起動(dòng)電壓設(shè)定為710 V。當(dāng)電機(jī)工作到發(fā)電狀態(tài)時(shí)，直流母線電壓升高，達(dá)到640 V時(shí)，回饋單元起動(dòng)，進(jìn)行能量回饋制動(dòng)。當(dāng)回饋量小于發(fā)電量，直流母線繼續(xù)升高，超過710 V時(shí)，備用的制動(dòng)電阻起動(dòng)，實(shí)現(xiàn)能耗制動(dòng)，使得系統(tǒng)在節(jié)能的同時(shí)保證可靠制動(dòng)。同時(shí)，回饋單元的故障輸出信號(hào)連接至門機(jī)的PLC系統(tǒng)的DI點(diǎn)，并將故障信號(hào)顯示在司機(jī)室的故障指示燈，當(dāng)回饋單元出現(xiàn)故障時(shí)，可以提示維護(hù)工程師進(jìn)行維修，同時(shí)電阻能耗制動(dòng)依然有效，不影響作業(yè)。

4.理論節(jié)能分析

我港門機(jī)典型的工作情況可以總結(jié)如下圖。具體來說，門機(jī)一個(gè)循環(huán)過程包括：抓斗加速上升、抓斗勻速上升、抓斗減速上升、抓斗旋轉(zhuǎn)、抓斗加速下降、抓斗勻速下降、抓斗減速下降、抓斗伸開卸掉物料、空斗加速上升、空斗勻速上升、空斗減速上升、空斗旋轉(zhuǎn)、空斗加速下降、空斗勻速下降、空斗減速下降、閉斗抓料，一次循環(huán)78S。在滿載加速上升階段，轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的150%，電機(jī)功率為145 kW;勻速上升階段，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的90%，電機(jī)功率為81 kW;減速上升階段，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的30%，電機(jī)功率為27 kW;大臂旋轉(zhuǎn)階段，抓斗水平運(yùn)動(dòng)，支持開閉電機(jī)停止工作，電機(jī)功率為0 kW;在滿載加速下降階段，轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的10%，電機(jī)功率為9 kW;勻速下降階段，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的70%，電機(jī)功率為63 kW;減速下降階段，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的130%，電機(jī)功率為117 kW;至此，完成一次物料的取卸過程。同理，抓斗空載完成上升、旋轉(zhuǎn)、下降的過程，實(shí)現(xiàn)抓斗的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

通過一個(gè)周期分析可以看出，原有的能耗制動(dòng)，在抓斗下降過程中，物料勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，導(dǎo)致直流母線電壓升高，當(dāng)直流回路儲(chǔ)能器件達(dá)到保護(hù)電壓時(shí)，制動(dòng)電阻投入，電能瞬間在制動(dòng)電阻以熱能的方式消耗掉，直至直流母線電壓降低到安全電壓。若采用回饋制動(dòng)，則在抓斗下降過程，直流母線電壓升高后，回饋單元工作，電能通過逆變送回電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)電能回收的目的。

以起升電機(jī)2臺(tái)90KW為例，可以計(jì)算出理論節(jié)能情況。我港門機(jī)的一個(gè)典型工作周期約78S，即正向加速時(shí)間2 s，正向恒速時(shí)間15 s，正向減速時(shí)間2 s，零速時(shí)間20 s，反向加速時(shí)間2 s，反向恒速時(shí)間15 s，反向減速時(shí)間2 s。根據(jù)該圖，一個(gè)工作周期中，提升過程消耗能量20.65KW，下放時(shí)在電阻上釋放的位能為11.74KW，因此，采用制動(dòng)電阻能耗制動(dòng)方式下的平均功率約為20.65KW，若采用回饋制動(dòng)方式時(shí)，實(shí)際消耗的能量為20.65KW -11.74KW =8.91KW，假設(shè)回饋裝置的效率為97%，則采用回饋制動(dòng)的回饋率可以達(dá)到11.74KW*0.95/20.65KW=55%。門機(jī)上80%的電能均消耗在抓頭的頻繁提升與下降過程中，由于實(shí)際工作中各種因素的影響，再把回饋效率打個(gè)8折，可以推算出整機(jī)的理論節(jié)能率為55%*80%*80%=35%。

我港現(xiàn)有門座式起重機(jī)21臺(tái)，其中11臺(tái)為變頻門機(jī)。2013年我港門機(jī)全年用電量約160萬度，變頻門機(jī)年均耗電約在12萬度。按理論節(jié)能率為35%計(jì)算，對(duì)于變頻門機(jī)，若能全部實(shí)現(xiàn)回饋，則每年可以回饋電能4.2萬度，按我港2013年平均電價(jià)1.25元/度計(jì)算，可獲得直接收益5.25萬元。

5.結(jié)語

門機(jī)在貨物裝卸過程中存在著大量的能量再生利用，通過能量回饋裝置能夠?qū)⒃偕芰炕仞伒浇涣麟娋W(wǎng)，達(dá)到節(jié)能減耗目的，且目前能量回饋裝置技術(shù)較為成熟，在節(jié)能降耗的同時(shí)能夠使回饋電網(wǎng)電流與電壓同頻同相位，有效地提高了系統(tǒng)的功率因素，減少了網(wǎng)側(cè)諧波污染，目前在秦皇島港股份有限公司雜貨港務(wù)分公司（節(jié)電效率30%）、鎮(zhèn)江港務(wù)局（節(jié)電效率19%）、天津港焦炭碼頭有限公司（節(jié)電效率35%）使用都有良好效果。

參考文獻(xiàn)：

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[3]交通運(yùn)輸部.關(guān)于港口節(jié)能減排工作的指導(dǎo)意見

（作者單位：招商局港口集團(tuán)股份有限公司）