變頻能量回饋裝置在橋式起重機(jī)上的節(jié)能應(yīng)用

莊勁松，王龍騰，陳國(guó)郎

（福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院泉州分院，福建泉州 362021）

0 引言

隨著我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)事業(yè)的迅猛發(fā)展，電能的需求越來越多，開發(fā)和節(jié)約能源已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。我國(guó)發(fā)電總量60%以上都是通過電動(dòng)機(jī)消耗的。作為廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要設(shè)備，三相異步電動(dòng)機(jī)在電機(jī)中的所占比例正在逐年提高，這使得有必要對(duì)其運(yùn)行中的節(jié)能問題進(jìn)行深入研究。全國(guó)現(xiàn)有各類電機(jī)系統(tǒng)總裝機(jī)容量約4.2億kW，運(yùn)行效率比國(guó)外先進(jìn)水平低10%～20%，相當(dāng)于每年浪費(fèi)電能約1 500億kW·h[1]。

本文針對(duì)橋式起重機(jī)的節(jié)能研究，提出了變頻能量回饋裝置應(yīng)用。在變頻器、異步電動(dòng)機(jī)和機(jī)械負(fù)載所組成的變頻調(diào)速傳統(tǒng)系統(tǒng)中，當(dāng)電動(dòng)機(jī)所傳動(dòng)的位能負(fù)載下放時(shí)，電動(dòng)機(jī)將可能處于再生發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)；或當(dāng)電動(dòng)機(jī)從高速到低速（含停車）減速時(shí)，頻率可以突減，但因電機(jī)的機(jī)械慣性，電機(jī)可能處于再生發(fā)電狀態(tài)，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，回饋到電網(wǎng)。在橋式起重機(jī)上工況不同，預(yù)計(jì)可達(dá)到20%～45%[2-3]。

1 變頻能量回饋裝置

本文變頻能量回饋裝置接線圖如圖1所示。變頻系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行的要求，且采用閉環(huán)控制的方式可以有效防止重物在啟動(dòng)時(shí)的“溜鉤”現(xiàn)象[4]。可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)電機(jī)加減速時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，從而方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟啟動(dòng)、軟停止，速度變化平滑，運(yùn)行穩(wěn)定。同樣采用變頻系統(tǒng)，可以滿足起升機(jī)構(gòu)在某些特定情況的要求，長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定、可靠地在低速區(qū)間運(yùn)行。變頻控制具有低速定位準(zhǔn)確、降低電器元件損耗等優(yōu)點(diǎn)[5]。

圖1 變頻能量回饋裝置接線圖

能量回饋單元可以將由生產(chǎn)機(jī)械的動(dòng)能或勢(shì)能轉(zhuǎn)換而來的電能及時(shí)、高效地回饋到電網(wǎng)，有效節(jié)約電能；且無(wú)論是在整流還是在回饋狀態(tài)下，整流回饋單元的網(wǎng)側(cè)電壓和電流波形都是諧波含量很少的正弦波波形，功率因數(shù)也接近于1，基本上消除了變頻器對(duì)電網(wǎng)的諧波干擾，真正做到環(huán)保用電。所以，能量回饋單元能夠促進(jìn)節(jié)能減排，促進(jìn)環(huán)境、資源的和諧發(fā)展，有著顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[6-7]。

該裝置還具有以下等優(yōu)點(diǎn)：（1）能提高輸入功率因數(shù)，減少電網(wǎng)諧波污染；（2）換相時(shí)不會(huì)產(chǎn)生電壓豁口，即電機(jī)正或反向運(yùn)行、變相時(shí)本裝置均能工作；（3）能自動(dòng)檢測(cè)和同步相序，安裝、操作十分簡(jiǎn)便；（4）具有多重保護(hù)功能，防止過壓、過流、超溫、短路、接地故障、缺相等。

2 異步三相電機(jī)機(jī)械特性分析

機(jī)械特性是指電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系，通常用曲線來表示。欲求異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性，先求出T與n的數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)式，即機(jī)械特性表達(dá)式。

其中電磁轉(zhuǎn)矩公式為：

圖2 異步電機(jī)近似等效電路

由圖2所示的近似等效電路，可以得出：

考慮得出的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為二次方程，那么電磁轉(zhuǎn)矩定有最大值，即最大轉(zhuǎn)矩Tm。

將轉(zhuǎn)矩的二次方程表達(dá)式對(duì)s求導(dǎo)，并令dT/ds=0，可得到最大轉(zhuǎn)矩Tm對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差率sm：

將sm代入轉(zhuǎn)矩的二次方程表達(dá)式求出最大轉(zhuǎn)矩Tm：

式中：“+”表示電動(dòng)狀態(tài)，特性在第一象限；“-”表示制動(dòng)狀態(tài)，特性在第二象限。

最大轉(zhuǎn)矩Tm與額定轉(zhuǎn)矩TN比值稱為過載倍數(shù)KT，通常異步電機(jī)KT為1.8～3.0。特殊如冶金機(jī)械用的起重電動(dòng)機(jī)，KT可達(dá)到3.5。

當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，即n=0，s=1，求解起動(dòng)轉(zhuǎn)矩：

起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst與額定轉(zhuǎn)矩TN之比稱為起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)Kst，通常異步電機(jī)Kst為1～2。

轉(zhuǎn)子串電阻啟動(dòng)，為了充分利用電機(jī)，調(diào)速前后電流都為額度電流：

又由U1≈E1=4.44f1N1kw1Φm，可得出Φm=k，為常數(shù)。根據(jù) T=CTJΦmcosφ2=CTJΦmcosφ2N=TN，可得出結(jié)論轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。根據(jù)轉(zhuǎn)子損耗，Δp2=+RΩ)=sPT，轉(zhuǎn)子回路效率在低速時(shí)效率低。

變頻控制，軟啟動(dòng)，啟動(dòng)過程平穩(wěn)。當(dāng)頻率變化時(shí)，由U1≈E1=4.44f1N1kw1Φm知，要保持Φm不變，必須使U1/f1=k。電壓調(diào)節(jié)時(shí)，考慮到：x1+∝f1，且 x1+≥r1。則

對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，即起重機(jī)而言，即保持U1f1=k，就可使Φm不變，且KT不變。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

本文實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)在福建省泉州市南安市水頭弘一大板市場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備為同一制造廠家、同一規(guī)格型號(hào)、在同一軌道的兩臺(tái)橋式起重機(jī)。橋式起重機(jī)型號(hào)為L(zhǎng)H5-23.5A3D，額定起重質(zhì)量5 t，起升速度8 m/min，起升高度9 m。其中起升電動(dòng)機(jī)為三相異步電機(jī)，額定功率7.5 kW，額定電流18 A，電機(jī)采用轉(zhuǎn)子串電阻啟動(dòng)方式。實(shí)驗(yàn)將其中一臺(tái)改造增加變頻能量回饋裝置，進(jìn)行空載和重載實(shí)驗(yàn)比較，測(cè)試3組數(shù)據(jù)。測(cè)試儀器采用C.A 8335電能質(zhì)量分析儀器。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 啟動(dòng)電流對(duì)比表A

表中啟動(dòng)峰值電流為起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)空載上行啟動(dòng)時(shí)的峰值電流。從中可以比較出，相對(duì)于轉(zhuǎn)子串電阻啟動(dòng)，變頻回饋啟動(dòng)電流明顯小很多。重載啟動(dòng)電流比空載啟動(dòng)電流明顯大。由表計(jì)算可得，對(duì)于轉(zhuǎn)子串電阻啟動(dòng)電流空載約為額定電流的2.14～2.28倍，重載約為額定電流的2.48～2.62倍。對(duì)于變頻回饋而言，峰值電流空載約為額定電流的1.26～1.32倍，重載約為額定電流的1.41～1.45倍。所以變頻回饋裝置相對(duì)于轉(zhuǎn)子串電阻啟動(dòng)具有更好的節(jié)能效果。特別對(duì)于點(diǎn)動(dòng)操作頻率的起升機(jī)構(gòu)場(chǎng)所，節(jié)能效果更為明顯。

分別對(duì)于兩臺(tái)橋式起重機(jī)同等工況下，從同一高度起升同等高度（約5 m），在下降到同一高度處，空載、重載消耗電能對(duì)比匯總?cè)绫?所示。

表2 消耗電能對(duì)比W·h

從表中可以直接看出變頻能量回饋裝置相對(duì)于轉(zhuǎn)子串電阻，電能消耗相差不大。對(duì)于空載負(fù)荷循環(huán)，轉(zhuǎn)子串電阻消耗電能約為56.82 W·h，變頻回饋消耗電能約為53.24 W·h。對(duì)于重載負(fù)荷循環(huán)，轉(zhuǎn)子串電阻消耗電能約為79.15 W·h，變頻回饋消耗電能約為76.89 W·h。因?yàn)閮烧咴O(shè)備制造和實(shí)驗(yàn)中誤差，所以兩者差值單從試驗(yàn)比較看不出節(jié)能效果。

但從變頻器在起重機(jī)的大量實(shí)際應(yīng)用中，變頻器改造具有15%～45%的節(jié)能效果[8]。而變頻能量回饋改造比單純變頻改造還多回收了重載下降過程的電能，具有更突出的節(jié)能效果（單變頻改造，重載下降過程實(shí)際會(huì)消耗少部分電能，而不是為負(fù)數(shù)）。而實(shí)際產(chǎn)生節(jié)能的原因在于起重機(jī)在應(yīng)用中需要大量點(diǎn)動(dòng)操作。變頻調(diào)速起重機(jī)定位精確，操作少，且點(diǎn)動(dòng)過程消耗電能少。而本文試驗(yàn)只是簡(jiǎn)單的模擬空載、重載升降運(yùn)行，并不能真實(shí)反映出實(shí)際的運(yùn)行工況[9]。

4 結(jié)束語(yǔ)

變頻回饋裝置相對(duì)于轉(zhuǎn)子串電阻啟動(dòng)具有更好的節(jié)能效果。僅從本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果，轉(zhuǎn)子串電阻消耗電能與變頻回饋消耗電能，在起重機(jī)空載和輕載中相差不大，無(wú)法體現(xiàn)出節(jié)能效果。但本文實(shí)驗(yàn)只是簡(jiǎn)單的模擬空載、重載升降運(yùn)行，并不能真實(shí)反映出實(shí)際的運(yùn)行工況。在實(shí)際應(yīng)用中，變頻改造相對(duì)轉(zhuǎn)子串電阻具有明顯的節(jié)能效果，而變頻回饋具有更突出的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，能進(jìn)一步回收轉(zhuǎn)化重載下降過程的勢(shì)能回饋電網(wǎng)。綜合所述，本文對(duì)于變頻回饋裝置在起重機(jī)上的節(jié)能應(yīng)用研究和推廣具有重要意義。