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(lái)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(guò)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(wèn)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]?？筛鶕?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(lái)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(guò)壓、過(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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。