新型變頻調速能量回饋控制技術在門機上的應用

潘磊

摘 要：本文介紹了目前國內門座式起重機上單傳動變頻系統(tǒng)和多傳動變頻能量回饋系統(tǒng)。在此基礎上闡述了多傳動能量回饋系統(tǒng)具有節(jié)能降耗、安全可靠、對電網無污染、廣闊市場前景的突出優(yōu)點。

關鍵詞：門座式起重機；單傳動變頻、多傳動變頻能量回饋系統(tǒng)；經濟效益

引言

近年來，隨著我國加入WTO以來港口經濟的飛速發(fā)展，越來越多的先進技術在港口裝備中得到廣泛推廣和應用，變頻調速能量回饋控制技術也以其不可替代的優(yōu)點得到推廣，被應用在諸于門座起重機、卸船機和岸邊集裝箱裝卸橋等大型設備上。

變頻調速技術是節(jié)能降耗、改善控制性能、提高產品產量和質量的重要途徑，已在應用中取得了良好的應用效果和顯著的經濟效益。但是，在對調速節(jié)能的一片贊譽中，人們往往忽視了進一步挖掘變頻調速系統(tǒng)節(jié)能潛力和提高效率的問題。

本文討論的就是變頻調速系統(tǒng)節(jié)能控制的變頻調速能量回饋控制技術。在能源資源日趨緊張的今天，這項探討無疑具有一定的現(xiàn)實意義。

1.通用型變頻器工作原理

通用變頻器大都為電壓型交-直-交變頻器。三相交流電首先通過二極管不控整流橋得到脈動直流電，再經電解電容濾波穩(wěn)壓，最后經無源逆變輸出電壓、頻率可調的交流電給電動機供電。這類變頻器功率因數(shù)高、效率高、精度高、調速范圍寬，所以在工業(yè)中獲得廣泛應用。但是通用變頻器不能直接用于需要快速起、制動和頻繁正、反轉的調速系統(tǒng)。因為這種系統(tǒng)要求電機四象限運行，當電機減速、制動或者帶位能性負載重物下放時，電機處于再生發(fā)電狀態(tài)。由于整流器能量傳輸不可逆，產生的再生電能傳輸?shù)街绷鱾葹V波電容上，產生泵升電壓。而以GTR、IGBT為代表的全控型器件耐壓較低，過高的泵升電壓有可能損壞開關器件、電解電容，甚至會破壞電機的絕緣，從而威脅系統(tǒng)安全工作，這就限制了通用變頻器的應用范圍。

2.單傳動變頻系統(tǒng)

對于門機而言，起升機構下降減速時大量的勢能通過電動機轉化為電能，常規(guī)的方法是采用能耗制動，即利用掛在變頻器直流母線上的制動單元和電阻將這部分轉化過來的電能通過熱量的形式消耗掉。該方法雖然簡單，但也存在浪費能源等諸多缺點：①電能通過電阻消耗掉，嚴重浪費能量，降低了系統(tǒng)的效率。②電阻發(fā)熱，對周圍的電子元件造成影響。③能耗制動不能及時消耗大量回饋電能，只能通過延長制動時間來消耗掉。④單傳動由于高開關頻率的電子元件大量使用，勢必造成高次諧波產生，對電網會造成污染。

3.多傳動能量回饋系統(tǒng)

多傳動能量回饋系統(tǒng)有以下一些特點：

（1）采用整流/回饋單元，逆變器共直流母線。

（2）通過整流/回饋單元及自耦變壓器，可實現(xiàn)能量雙向流動。

（3）通過LCL濾波裝置，濾除高次諧波，對電網無污染。

（4）將重物下降及制動過程的能量回饋給電網，減少資源損失。

（5）提高整機功率因數(shù)約為1。

（6）投入成本高，比單傳動設備成本提高約1.8倍。

變頻調速能量回饋控制技術是采用有源逆變技術，將再生電能逆變?yōu)榕c電網同頻率同相位的交流電回送電網，從而實現(xiàn)制動運行的。它極大的提高了系統(tǒng)的效率，因此必然會逐步成為大功率設備的首選控制方式。

4.經濟效應

如果門機采用常規(guī)的串電阻調速系統(tǒng)，功率因數(shù)為0.6～0.65；如果是普通的變頻調速系統(tǒng)，一般門機在起動、制動階段，功率因數(shù)為0.7左右；在正常運行階段，功率因數(shù)為0.8～0.85；而變頻調速能量回饋控制系統(tǒng)的綜合功率因數(shù)則為0.93～0.96，極大的提高了電能的利用效率。以一臺門機1個月的用電為例，該門機的各機構均采用變頻能量回饋控制方式，該門機實際用電為71280Kwh，功率因數(shù)按照0.94計算，實際損耗總電能為75830KVAh。①如果采用常規(guī)控制方式，功率因數(shù)按照0.65計算，實際損耗總電能為109661KVAh；在這一個月里這種控制方案比能量回饋方式多消耗的電能38381 KVAh，一年所節(jié)約的電能約為38381 KVAh×12月=460572 KVAh，以工業(yè)用電電價0.67元/ Kwh計算，一年就可以節(jié)約30.86萬多元。②如果采用普通變頻調速方式控制，功率因數(shù)按照0.8計算，實際損耗總電能為89100KVAh；在這一個月里這種控制方案比能量回饋方式多消耗的電能17820 KVAh，一年所節(jié)約的電能約為17820 KVAh×12月=213840KVAh，以工業(yè)用電電價0.67元/ Kwh計算，一年就可以節(jié)約14.33萬多元。

5.結束語

當然，如果采用變頻調速能量回饋系統(tǒng)，前期投入就必然要增加，增加的資金一般不會超過門機總價的5%，幾年之后完全可以通過節(jié)約電費的方式收回投資，而一臺門機的正常使用壽命都在15年左右。在全球能源日趨緊張的今天，能量回饋系統(tǒng)在控制方面的顯著優(yōu)勢必將進一步突顯，應用也必將更加廣泛。