王凤兵

【摘  要】“十二五”时期，是加快转变经济发展方式，建设资源节约型、环境友好型港口的关键时期，应贯彻国家及部有关节能减排工作的方针、政策及相关要求，深化港口行业节能减排工作。交通运输部在《关于港口节能减排工作的指导意见》中对于减少电能消耗方面提出应充分利用港口装卸过程中产生的回馈能，减少能源浪费。现就能量回馈装置在变频门机的应用做了简要介绍。

【关键词】节能减耗;变频门机;能量回馈

1.引言

近年来，国内外对变频器的研究和应用取得飞速的进步，尤其是通用变频器在工业生产中得到了广泛的应用。当变频器驱动异步电动机在制动或者下放位能性负载过程中，电动机处于再生制动状态，传动系统中的机械能通过电动机转换成电能，变频器中续流二极管将这种能量回馈到变频器直流侧电容C 中，使直流侧电压升高，产生泵升电压。特别是要求快速起、制动和频繁正、反转的调速系统，短时间内有很大的能量回馈，在电容上产生很高的泵升电压，若不及时释放这部分能量，则势必会引起变频器过压保护动作或造成主回路大功率器件的过压损坏。对这种泵升能量的处理方法基本上有两种：（1）耗散到直流侧与电容器并联的“制动电阻”中，（2）通过能量回馈电路使之回馈到交流电网中。前一种方式比较简单，但经过电阻耗散能量，不仅浪费了能源，有时也会产生某些副作用，后一种方式虽然结构较为复杂，但提高了能源的利用率，尤其是对频繁起制动或长期带位能性负载下放的系统，会产生显著的节电效果。

2.门机负载特性及制动方式

起重机械的负载性质有两种，一种是对于行走机构、旋转机构和有平衡重的变幅机构，是属于反抗性负载。另一种是对于起升机构和没有平衡重的变幅机构，是属于位能性负载。反抗性负载要求电动机具有以原点为对称的特性，电动机的工作状态是电动状态，位能性负载要求电动机具有不对称特性，电动机的工作状态是当提升或空钩下降时为电动状态，负载下降时为制动状态。位能负载的一个特征是下放过程有大量的位能功率需要释放。下面以起升机构重载下降时，变频调速电动机的工作状态为例进行分析：

重载下降时，重物将因自身的重力而下降，电转方向是反转的，但其转矩的方向却与旋转方向相反。这时电动机的作用是防止重物由于重力加速度的原因而不断加速，达到使重物匀速下降的目的。在这种情况下，摩擦转矩将阻碍重物下降，故重物在下降时构成的负载转矩比上升时小。在一个下放行程中，重物的全部位能都将被释放出来除少量能量会损耗在电动机和变频器内部外，大部分位能都那么单位时间内回馈的总能量就很可观。当电动机处于制动状态时，传动系统中所储存的机械能经电动机转换成电能，通过逆变器的六个续流二极管回送到变频器的直流回路中，此时的逆变器处于整流状态。这时，如果变频器中没采取消耗能量的措施，这部分能量将导致中间回路的储能电容器的电压上升。如果当制动过快或机械负载为提升机类时，这部分能量就可能对变频器带来损坏。我港变频门机现有处理方式为通过设置在直流回路中的制动电阻吸收电机的再生电能。

3.门机起升能量回馈

门机起升能量回馈即为起升机构增加能量回馈装置，将回馈能量回收后反馈回电网。带来的收益是：（1）节约电能，降低单机能耗，节电率達到了19% - 35%;（2）再生能量回馈电网效率达到了97%，稳定电网总体电压，提高供电质量;（3）热损耗降低到能耗制动的3%以下，降低了电气房的温度。

具体实施内容是：保留原有起升机构的支持、开闭电气柜中制动单元、制动电阻回路，在变频器直流母线上，增加回馈单元，回馈单元输出侧通过智能电表后连接电网，用于统计回馈电量。支持、开闭变频器的直流母线接至回馈单元入口，回馈单元出口接至电源柜电网，实现能量回馈。在产生回馈能量时，回馈单元首先进行启动工作，将电能从直流母线回馈到电网，当瞬时回馈能量较大时，多余部分将从制动单元、制动电阻上消耗，保证系统的安全。

回馈装置的起始动作电压需要与制动电阻起动电压相匹配，通过改变设置值来改变动作电压。动作电压应可以调节，范围至少应从620～680 V，我港门机可设定640 V，变频器制动电阻起动电压设定为710 V。当电机工作到发电状态时，直流母线电压升高，达到640 V时，回馈单元起动，进行能量回馈制动。当回馈量小于发电量，直流母线继续升高，超过710 V时，备用的制动电阻起动，实现能耗制动，使得系统在节能的同时保证可靠制动。同时，回馈单元的故障输出信号连接至门机的PLC系统的DI点，并将故障信号显示在司机室的故障指示灯，当回馈单元出现故障时，可以提示维护工程师进行维修，同时电阻能耗制动依然有效，不影响作业。

4.理论节能分析

我港门机典型的工作情况可以总结如下图。具体来说，门机一个循环过程包括：抓斗加速上升、抓斗匀速上升、抓斗减速上升、抓斗旋转、抓斗加速下降、抓斗匀速下降、抓斗减速下降、抓斗伸开卸掉物料、空斗加速上升、空斗匀速上升、空斗减速上升、空斗旋转、空斗加速下降、空斗匀速下降、空斗减速下降、闭斗抓料，一次循环78S。在满载加速上升阶段，转矩为额定转矩的150%，电机功率为145 kW;匀速上升阶段，负载转矩为额定转矩的90%，电机功率为81 kW;减速上升阶段，负载转矩为额定转矩的30%，电机功率为27 kW;大臂旋转阶段，抓斗水平运动，支持开闭电机停止工作，电机功率为0 kW;在满载加速下降阶段，转矩为额定转矩的10%，电机功率为9 kW;匀速下降阶段，负载转矩为额定转矩的70%，电机功率为63 kW;减速下降阶段，负载转矩为额定转矩的130%，电机功率为117 kW;至此，完成一次物料的取卸过程。同理，抓斗空载完成上升、旋转、下降的过程，实现抓斗的往复运动。

通过一个周期分析可以看出，原有的能耗制动，在抓斗下降过程中，物料势能转化为电能，电动机处于发电状态，导致直流母线电压升高，当直流回路储能器件达到保护电压时，制动电阻投入，电能瞬间在制动电阻以热能的方式消耗掉，直至直流母线电压降低到安全电压。若采用回馈制动，则在抓斗下降过程，直流母线电压升高后，回馈单元工作，电能通过逆变送回电网，实现电能回收的目的。

以起升电机2台90KW为例，可以计算出理论节能情况。我港门机的一个典型工作周期约78S，即正向加速时间2 s，正向恒速时间15 s，正向减速时间2 s，零速时间20 s，反向加速时间2 s，反向恒速时间15 s，反向减速时间2 s。根据该图，一个工作周期中，提升过程消耗能量20.65KW，下放时在电阻上释放的位能为11.74KW，因此，采用制动电阻能耗制动方式下的平均功率约为20.65KW，若采用回馈制动方式时，实际消耗的能量为20.65KW -11.74KW =8.91KW，假设回馈装置的效率为97%，则采用回馈制动的回馈率可以达到11.74KW*0.95/20.65KW=55%。门机上80%的电能均消耗在抓头的频繁提升与下降过程中，由于实际工作中各种因素的影响，再把回馈效率打个8折，可以推算出整机的理论节能率为55%*80%*80%=35%。

我港现有门座式起重机21台，其中11台为变频门机。2013年我港门机全年用电量约160万度，变频门机年均耗电约在12万度。按理论节能率为35%计算，对于变频门机，若能全部实现回馈，则每年可以回馈电能4.2万度，按我港2013年平均电价1.25元/度计算，可获得直接收益5.25万元。

5.结语

门机在货物装卸过程中存在着大量的能量再生利用，通过能量回馈装置能够将再生能量回馈到交流电网，达到节能减耗目的，且目前能量回馈装置技术较为成熟，在节能降耗的同时能够使回馈电网电流与电压同频同相位，有效地提高了系统的功率因素，减少了网侧谐波污染，目前在秦皇岛港股份有限公司杂货港务分公司（节电效率30%）、镇江港务局（节电效率19%）、天津港焦炭码头有限公司（节电效率35%）使用都有良好效果。

参考文献：

[1]张承慧、杜春水、李珂.变频驱动异步电机再生制动及馈电技术

[2]田微.基于嵌入式的桥式起重机能量回馈系统

[3]交通运输部.关于港口节能减排工作的指导意见

（作者单位：招商局港口集团股份有限公司）