庄劲松，王龙腾，陈国郎

（福建省特种设备检验研究院泉州分院，福建泉州 362021）

0 引言

随着我国现代化建设事业的迅猛发展，电能的需求越来越多，开发和节约能源已经成为当务之急。我国发电总量60%以上都是通过电动机消耗的。作为广泛应用于工农业生产中的重要设备，三相异步电动机在电机中的所占比例正在逐年提高，这使得有必要对其运行中的节能问题进行深入研究。全国现有各类电机系统总装机容量约4.2亿kW，运行效率比国外先进水平低10%～20%，相当于每年浪费电能约1 500亿kW·h[1]。

本文针对桥式起重机的节能研究，提出了变频能量回馈装置应用。在变频器、异步电动机和机械负载所组成的变频调速传统系统中，当电动机所传动的位能负载下放时，电动机将可能处于再生发电制动状态；或当电动机从高速到低速（含停车）减速时，频率可以突减，但因电机的机械惯性，电机可能处于再生发电状态，传动系统中所储存的机械能经电动机转换成电能，回馈到电网。在桥式起重机上工况不同，预计可达到20%～45%[2-3]。

1 变频能量回馈装置

本文变频能量回馈装置接线图如图1所示。变频系统能实现四象限运行的要求，且采用闭环控制的方式可以有效防止重物在启动时的“溜钩”现象[4]。可根据实际情况对电机加减速时间进行调整，从而方便地实现系统的软启动、软停止，速度变化平滑，运行稳定。同样采用变频系统，可以满足起升机构在某些特定情况的要求，长时间稳定、可靠地在低速区间运行。变频控制具有低速定位准确、降低电器元件损耗等优点[5]。

图1 变频能量回馈装置接线图

能量回馈单元可以将由生产机械的动能或势能转换而来的电能及时、高效地回馈到电网，有效节约电能；且无论是在整流还是在回馈状态下，整流回馈单元的网侧电压和电流波形都是谐波含量很少的正弦波波形，功率因数也接近于1，基本上消除了变频器对电网的谐波干扰，真正做到环保用电。所以，能量回馈单元能够促进节能减排，促进环境、资源的和谐发展，有着显著的经济和社会效益[6-7]。

该装置还具有以下等优点：（1）能提高输入功率因数，减少电网谐波污染；（2）换相时不会产生电压豁口，即电机正或反向运行、变相时本装置均能工作；（3）能自动检测和同步相序，安装、操作十分简便；（4）具有多重保护功能，防止过压、过流、超温、短路、接地故障、缺相等。

2 异步三相电机机械特性分析

机械特性是指电动机转矩T与转速n之间的关系，通常用曲线来表示。欲求异步电动机机械特性，先求出T与n的数学关系表达式，即机械特性表达式。

其中电磁转矩公式为：

图2 异步电机近似等效电路

由图2所示的近似等效电路，可以得出：

考虑得出的转矩表达式为二次方程，那么电磁转矩定有最大值，即最大转矩Tm。

将转矩的二次方程表达式对s求导，并令dT/ds=0，可得到最大转矩Tm对应的转差率sm：

将sm代入转矩的二次方程表达式求出最大转矩Tm：

式中：“+”表示电动状态，特性在第一象限；“-”表示制动状态，特性在第二象限。

最大转矩Tm与额定转矩TN比值称为过载倍数KT，通常异步电机KT为1.8～3.0。特殊如冶金机械用的起重电动机，KT可达到3.5。

当异步电动机启动时，即n=0，s=1，求解起动转矩：

起动转矩Tst与额定转矩TN之比称为起动转矩倍数Kst，通常异步电机Kst为1～2。

转子串电阻启动，为了充分利用电机，调速前后电流都为额度电流：

又由U1≈E1=4.44f1N1kw1Φm，可得出Φm=k，为常数。根据 T=CTJΦmcosφ2=CTJΦmcosφ2N=TN，可得出结论转子串电阻调速为恒转矩调速。根据转子损耗，Δp2=+RΩ)=sPT，转子回路效率在低速时效率低。

变频控制，软启动，启动过程平稳。当频率变化时，由U1≈E1=4.44f1N1kw1Φm知，要保持Φm不变，必须使U1/f1=k。电压调节时，考虑到：x1+∝f1，且 x1+≥r1。则

对于恒转矩负载，即起重机而言，即保持U1f1=k，就可使Φm不变，且KT不变。

3 实验与结果分析

本文实验地点在福建省泉州市南安市水头弘一大板市场。实验设备为同一制造厂家、同一规格型号、在同一轨道的两台桥式起重机。桥式起重机型号为LH5-23.5A3D，额定起重质量5 t，起升速度8 m/min，起升高度9 m。其中起升电动机为三相异步电机，额定功率7.5 kW，额定电流18 A，电机采用转子串电阻启动方式。实验将其中一台改造增加变频能量回馈装置，进行空载和重载实验比较，测试3组数据。测试仪器采用C.A 8335电能质量分析仪器。实验测试结果如表1所示。

表1 启动电流对比表A

表中启动峰值电流为起重机起升机构空载上行启动时的峰值电流。从中可以比较出，相对于转子串电阻启动，变频回馈启动电流明显小很多。重载启动电流比空载启动电流明显大。由表计算可得，对于转子串电阻启动电流空载约为额定电流的2.14～2.28倍，重载约为额定电流的2.48～2.62倍。对于变频回馈而言，峰值电流空载约为额定电流的1.26～1.32倍，重载约为额定电流的1.41～1.45倍。所以变频回馈装置相对于转子串电阻启动具有更好的节能效果。特别对于点动操作频率的起升机构场所，节能效果更为明显。

分别对于两台桥式起重机同等工况下，从同一高度起升同等高度（约5 m），在下降到同一高度处，空载、重载消耗电能对比汇总如表2所示。

表2 消耗电能对比W·h

从表中可以直接看出变频能量回馈装置相对于转子串电阻，电能消耗相差不大。对于空载负荷循环，转子串电阻消耗电能约为56.82 W·h，变频回馈消耗电能约为53.24 W·h。对于重载负荷循环，转子串电阻消耗电能约为79.15 W·h，变频回馈消耗电能约为76.89 W·h。因为两者设备制造和实验中误差，所以两者差值单从试验比较看不出节能效果。

但从变频器在起重机的大量实际应用中，变频器改造具有15%～45%的节能效果[8]。而变频能量回馈改造比单纯变频改造还多回收了重载下降过程的电能，具有更突出的节能效果（单变频改造，重载下降过程实际会消耗少部分电能，而不是为负数）。而实际产生节能的原因在于起重机在应用中需要大量点动操作。变频调速起重机定位精确，操作少，且点动过程消耗电能少。而本文试验只是简单的模拟空载、重载升降运行，并不能真实反映出实际的运行工况[9]。

4 结束语

变频回馈装置相对于转子串电阻启动具有更好的节能效果。仅从本文实验结果，转子串电阻消耗电能与变频回馈消耗电能，在起重机空载和轻载中相差不大，无法体现出节能效果。但本文实验只是简单的模拟空载、重载升降运行，并不能真实反映出实际的运行工况。在实际应用中，变频改造相对转子串电阻具有明显的节能效果，而变频回馈具有更突出的节能优势，能进一步回收转化重载下降过程的势能回馈电网。综合所述，本文对于变频回馈装置在起重机上的节能应用研究和推广具有重要意义。