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起重機(jī)滑觸線機(jī)械應(yīng)用與節(jié)能

   隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,國內(nèi)各類起重機(jī)的需求量也隨之大大上升。按照起重機(jī)所使用的電能來源方式,可以將其分為采用公共供電網(wǎng)絡(luò)供電和采用燃油發(fā)電機(jī)供電兩類。前一類起重機(jī)械多為在固定的作業(yè)區(qū)域工作,不需要很高的機(jī)動性,如碼頭上的大型起重機(jī)械等;后一類設(shè)備多為機(jī)動性較高的起重機(jī)械,能夠方便地移動到所需作業(yè)的場地,比如汽車起重機(jī)等。
   采用公共供電網(wǎng)絡(luò)供電的起重機(jī)械大多是沿著固定的線路移動,電源可通過滑觸線或電纜卷筒等裝置向起重機(jī)提供。由于起重機(jī)在工作過程中有大量的勢能和電能的相互轉(zhuǎn)換過程,因此,回收利用從勢能轉(zhuǎn)換的電能,并通過起重機(jī)的供電裝置向公共供電網(wǎng)絡(luò)回送,可達(dá)到節(jié)能的目的。本文提出的適合于交流變頻驅(qū)動的起重機(jī)械應(yīng)用的節(jié)能技術(shù)主要針對采用公共供電網(wǎng)絡(luò)的起重機(jī)械,不論是通過滑觸線還是電纜卷筒供電均適用。它是從交流變頻器的直流母線上將勢能轉(zhuǎn)換的電能通過一個直流一交流變流器回饋到供電網(wǎng)絡(luò)。這種技術(shù)通用性強(qiáng),適合所有通用型變頻器,并且工程實施簡單,成本較低。
    1、使用燃油發(fā)電機(jī)供電的起重機(jī)械的節(jié)能技術(shù)發(fā)展動態(tài)燃油轉(zhuǎn)換為電能的過程效率較低,能源浪費嚴(yán)重。對于由燃油發(fā)電機(jī)供電的起重機(jī)節(jié)能技術(shù),國內(nèi)外早有研究,最早為人們所接受的是超級電容儲能技術(shù)。因燃油轉(zhuǎn)換為電能后不能實現(xiàn)逆向轉(zhuǎn)換,將電動機(jī)運行在發(fā)電狀態(tài)下產(chǎn)生的電能儲存起來是唯一的解決方法。由于受到超級電容技術(shù)可靠性、成本以及體積等因素的制約,該技術(shù)在實際工程應(yīng)用中具有很大的局限性。后續(xù)的研究又轉(zhuǎn)向了節(jié)約燃油機(jī)在待速時的油耗量,因為待速期間的設(shè)備用電量很少,而且待速時間往往很長,超過了實際工作時間,因此,降低燃油機(jī)待速的速度可明顯減少油耗。但燃油機(jī)待速速度降低后,發(fā)電機(jī)輸出的電壓和頻率也相應(yīng)降低,因此,需要增加一個小容量的電源穩(wěn)定裝置,以便起重機(jī)械能夠處于正常的待命狀態(tài)。
    該電源穩(wěn)定裝置的技術(shù)是成熟的,但由于是新概念產(chǎn)品,目前還沒有大規(guī)模生產(chǎn)。僅從節(jié)約燃油的技術(shù)角度出發(fā)來解決由燃油發(fā)電機(jī)供電的起重機(jī)械的節(jié)能問題是不夠的。如果從更大的范圍考慮問題會更有效果,比如限制起重機(jī)的高機(jī)動性,通過合理規(guī)劃和合理配置生產(chǎn)設(shè)備,盡量少地采用燃油發(fā)電機(jī)供電而直接采用供電網(wǎng)絡(luò)供電,則能源的消耗量會更加明顯地降低。國內(nèi)有些港口單位已經(jīng)率先進(jìn)行了這樣的嘗試,將集裝箱場地的輪胎吊的供電方式由原來的柴油發(fā)電機(jī)供電改為滑觸線供電方式,已經(jīng)取得了明顯的節(jié)能效果。在碼頭集裝箱堆場上配置的起重機(jī)采用沿固定軌道移動的方式,可直接使用電網(wǎng)供電,從根本上避免燃油轉(zhuǎn)換為電能過程中存在的低效率問題。其實,直接由供電網(wǎng)絡(luò)供電的起重機(jī)械占大多數(shù),隨著節(jié)能意識的不斷提高和國家相關(guān)法令的激勵與懲罰,燃油供電的起重機(jī)械僅在少數(shù)場合存在,所以,本文討論的節(jié)能應(yīng)用技術(shù)將有更加寬廣的應(yīng)用場合。
   2、電動機(jī)驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展與起重機(jī)勢能的利用毋庸置疑,起重機(jī)械的用途決定了它在工作期間存在著大量的勢能和電能的相互轉(zhuǎn)換過程。直至20世紀(jì)90年代中期,國內(nèi)起重機(jī)驅(qū)動技術(shù)仍主要是有級調(diào)速技術(shù)。該技術(shù)采用滑環(huán)式交流電動機(jī),通過改變串接在電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路中的外接電阻,以改變電動機(jī)的力矩特性,從而達(dá)到電動機(jī)啟動和調(diào)速的目的,這種技術(shù)的性能較差。當(dāng)時的無級調(diào)速技術(shù)主要使用直流電動機(jī),通過可控硅調(diào)整電動機(jī)電樞的電壓實現(xiàn)無級調(diào)速。后來又出現(xiàn)了交流滑環(huán)電動機(jī)的無級調(diào)速技術(shù),它是一種將電動機(jī)電樞調(diào)壓和改變電動機(jī)力矩特性相結(jié)合的方法。不管是直流電動機(jī)還是交流電動機(jī)調(diào)速裝置,均可以四象限運行,電流可雙向流動,即從電源到電動機(jī),從電動機(jī)到電源,因而,勢能和電能的相互轉(zhuǎn)換利用不存在問題。但這時的問題主要是功率因數(shù)低,電磁諧波較大。
   由于存在大量的無功電流和諧波電流,在供電裝置側(cè)的額外損耗較為嚴(yán)重。20世紀(jì)90年代后期,交流變頻器技術(shù)的發(fā)展日趨成熟。交流變頻調(diào)速的對象是鼠籠式異步電動機(jī),其成本低、維護(hù)便利、調(diào)速性能優(yōu)越。同時,變頻器自身可提供無功電流,具有很高的功率因數(shù),對電網(wǎng)的沖擊很小,所以大量的起重機(jī)械采用了交流變頻調(diào)速技術(shù)。使用交流變頻調(diào)速技術(shù)限制了勢能到電能的轉(zhuǎn)換利用。這是由當(dāng)時變頻技術(shù)自身的特點所決定的:變頻器采用二極管整流,整流源輸出的直流電經(jīng)電容濾波后再經(jīng)過三相IGBT橋路逆變?yōu)槿囝l率可變的交流電供往電動機(jī),當(dāng)電動機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)時,由勢能轉(zhuǎn)換成的電能只能回饋到直流側(cè)的電容,而不能通過二極管整流電路回饋到電網(wǎng),因此,剩余的電能只能通過直流側(cè)的直流斬波器流向外接電阻,轉(zhuǎn)變成熱能而消耗掉,以免電容充電過多,造成電壓過高而損壞設(shè)備。進(jìn)入21世紀(jì)以后,國外的許多電氣公司在直流電再次逆變回饋到電網(wǎng)的技術(shù)方面有了進(jìn)一步發(fā)展,并開始在國內(nèi)應(yīng)用。
    但是在我國進(jìn)行這些技術(shù)推廣的國外公司都是原來在中國進(jìn)行變頻器產(chǎn)品推廣的公司,他們將電能回饋裝置集成在自已公司生產(chǎn)的變頻器整流源內(nèi)部,即:將直流整流和直流回饋電網(wǎng)的2個功能集成在一起,用同一套IGBT裝置完成電流的雙向流動。這種產(chǎn)品技術(shù)先進(jìn)、性能優(yōu)良,但其較高的售價限制了該產(chǎn)品和技術(shù)的推廣應(yīng)用。經(jīng)過十幾年交流變頻技術(shù)的推廣,國內(nèi)已有眾多的起重機(jī)采用變頻驅(qū)動技術(shù),從而使大量的勢能被轉(zhuǎn)換為熱能而浪費掉。如果能將這些勢能變成電能并回收進(jìn)供電電網(wǎng),對國家經(jīng)濟(jì)的貢獻(xiàn)是不可估量的。據(jù)保守估算,質(zhì)量為430t的重物每下降11TI,即可向電網(wǎng)回饋電能1kW穐。若以上海港集裝箱碼頭的貨柜處理量估算,1臺集裝箱場地起重機(jī)1年的勢能回收發(fā)電量可達(dá)6萬kW穐以上;若以1臺應(yīng)用于火力發(fā)電廠的生產(chǎn)能力為1000Wh的抓斗卸船機(jī)為例,僅考慮空抓斗下降的勢能,按照每年工作2200h計算,每年可向電網(wǎng)提供的電能也在6萬kW穐以上。顯而易見,起重機(jī)工作過程中的勢能是一種對環(huán)境無任何污染的綠色能源,回收由勢能轉(zhuǎn)換的電能對未來社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有重要意義。但如前所述,目前國外公司提供的IGBT能量回饋變頻系統(tǒng)價格不菲,在很多工程項目中,最終用戶均會考慮一次性投資過大問題。因此,大力推廣起重機(jī)節(jié)能技術(shù),除了技術(shù)本身的障之外,還必須克服過高的投資成本問題.3應(yīng)用于起重機(jī)的較低成本的節(jié)能技術(shù)的實現(xiàn)作者從事交流變頻技術(shù)應(yīng)用多年,對中國的變頻技術(shù)在起重機(jī)上的應(yīng)用和市場動態(tài)較為了解,對能量回饋技術(shù)關(guān)注較早,并對該技術(shù)及其發(fā)展動向進(jìn)行了深入研究。目前,工程中新添置的起重機(jī)械的電氣傳動系統(tǒng)主要是歐美國家的產(chǎn)品,如使用ABB公司,SIEMENS公司和ROCKWELLAB公司的產(chǎn)品等。在變頻技術(shù)已經(jīng)廣為國內(nèi)用戶接受以后,電能回饋技術(shù)也逐漸為用戶所重視。
   由于這些技術(shù)都是從國外引進(jìn)的,一旦電能回饋技術(shù)與變頻器產(chǎn)品綁定,電能回饋部分即變得十分昂貴,也就是說,國外供應(yīng)商賺取的利潤不僅是該產(chǎn)品本身應(yīng)有的銷售利潤,還包括了中國用戶在使用該產(chǎn)品以后的若干年內(nèi)由于能源節(jié)約所得的經(jīng)濟(jì)利益。這樣的銷售價格對國內(nèi)用戶十分不利,大大限制了起重機(jī)械節(jié)能技術(shù)的推廣同時使已投運的眾多交流變頻驅(qū)動的起重機(jī)增加電能回饋功能的可能性變得非常小。經(jīng)過研究之后,作者在工程實踐中設(shè)計了一套采用獨立電能回饋裝置的交流變頻系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù),它可適   用于目前中國市場上現(xiàn)有的各類變頻器產(chǎn)品,并一次性成功地投運在南通天生港電廠3臺生產(chǎn)能力均為1000t/h的橋式抓斗卸船機(jī)上。經(jīng)過半年多的實踐檢驗,該技術(shù)性能穩(wěn)定,完全達(dá)到前述幾家國外供應(yīng)商產(chǎn)品的性能。獨立的電能回饋裝置帶來的益處很多,電氣系統(tǒng)的部件更加標(biāo)準(zhǔn)化,體積小、功耗小、電磁諧波少、方案靈活,能夠按實際需要配置所需的回饋容量,不受制于任何一家變頻器供應(yīng)商的售價牽制,可為國內(nèi)用戶提供最大的利益和實惠。作者及所在單位研制的各種卸船機(jī)電氣系統(tǒng)的主要部件仍是進(jìn)口件,不存在產(chǎn)品批量生產(chǎn)的工藝控制問題,因此,系統(tǒng)的可靠性較高。應(yīng)用于橋式抓斗卸船機(jī)上的交流變頻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)采用獨立電能回饋裝置。在現(xiàn)有的由交流變頻驅(qū)動的起重機(jī)械上進(jìn)行改造升級,追加電能回饋功能,可充分利用從勢能轉(zhuǎn)化的電能。這種改造升級耗時短,現(xiàn)場安裝只需1d。4結(jié)論節(jié)約能源是當(dāng)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大勢,作者以自己的見解并結(jié)合在實踐中獲得的經(jīng)驗,提出了一種簡單易行的起重機(jī)節(jié)能應(yīng)用技術(shù),該技術(shù)實施簡單、性價比高,宜在新舊起重機(jī)械上推廣應(yīng)用。

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