1 引言
基于近年來碳排放量的增多和化石燃料的緊缺、能源價(jià)格上漲，在一些重力勢能回收的應(yīng)用場合，已經(jīng)出現(xiàn)了能量回饋裝置的應(yīng)用。如：油田磕頭機(jī)、公用建筑中的電梯、礦井提升機(jī)等。但是從能量回饋裝置的容量上講，仍然在中小功率徘徊，對于一些大型起重機(jī)械，能量回收的需求仍受制約。在本文敘述的實(shí)際卸船機(jī)節(jié)能改造項(xiàng)目中，一臺中小型的650噸/小時(shí)卸船機(jī)，年節(jié)電率在25%左右，年節(jié)電量在25萬度以上，年減少約兩百噸二氧化碳排放量，創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

2 抓斗式散料卸船機(jī)工作制式介紹
抓斗式散料卸船機(jī)主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 卸船機(jī)主要結(jié)構(gòu)及工作規(guī)程示意圖

抓斗式卸船機(jī)的主要功能是通過對起升、開閉機(jī)構(gòu)的控制，使用抓斗從散料船上將散料(如煤、鐵礦石粉、硫磺顆粒等)抓運(yùn)到傳送皮帶上，實(shí)現(xiàn)散料的快速卸船。抓斗式卸船機(jī)的工作過程一般為：抓斗抓料→帶料提升→平移→放料→平移→抓斗下降，如此循環(huán)往復(fù)。產(chǎn)生能量回饋的主要階段是抓斗下降的過程，在抓斗平移制動、抓斗抓料和放料階段也有部分動能和散料的重力勢能可以回收。卸船機(jī)在移動大車、收放變幅機(jī)構(gòu)的過程中，也有部分動能和勢能的回收，但后兩者相比抓斗下降所回收的能量較少。

3 卸船機(jī)電氣控制系統(tǒng)簡介
抓斗的控制主要通過起升機(jī)構(gòu)和開閉機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。起升機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)抓斗的上升下降控制，開閉機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)抓斗的張開閉合控制。
抓斗平移由小車機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，由一臺較小功率的變頻器驅(qū)動。卸船機(jī)的整體平移由大車機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，由若干臺較小功率電機(jī)拖動。
起升和開閉一般由兩臺變頻器分別驅(qū)動，兩臺變頻器一般采用二極管或者晶閘管整流橋進(jìn)行整流，能量只能單向流動。變頻器內(nèi)部一般內(nèi)置斬波器，外接制動電阻?；蛘卟捎霉弥绷髂妇€的方式，在公用直流母線上外接斬波器和制動電阻。變頻器接能耗制動電阻斬波器的電路拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2變頻器接能耗制動電阻斬波器的電路拓?fù)鋱D

能量回饋來源于電機(jī)被抓斗牽引而工作在發(fā)電狀態(tài)。在抓斗下降的過程中，電機(jī)轉(zhuǎn)子在抓斗重力的牽引下，通過切割定子與轉(zhuǎn)子間氣隙內(nèi)的磁場，源源不斷的將重力勢能轉(zhuǎn)化為電能。此時(shí)電動機(jī)發(fā)出的電能經(jīng)過變頻器逆變igbt橋路中igbt的反并聯(lián)二極管，整流成直流電。這部分電能以直流電流的形式灌入直流母線電容，使得變頻器直流母線電壓逐漸升高，為了保護(hù)直流母線電容不被過高的直流母線電壓擊穿，變頻器的斬波器動作，將直流母線上逐漸積累的電能通過熱能的形式進(jìn)行釋放。不難理解，要回饋到電網(wǎng)的能量，就是在能耗制動電阻上耗散的電能。
已知制動電阻阻值，通過測量制動電阻兩端的電壓，可計(jì)算出制動電阻消耗的功率，考慮斬波占空比、在每次抓斗上升-下降這個(gè)工作周期內(nèi)動作的時(shí)間即可得到制動電阻的消耗的平均功率，消耗的平均功率乘以年工作時(shí)間，即得到制動電阻的年耗電量。如果采用能量回饋裝置，此部分電能的絕大部分會經(jīng)過回饋單元的逆變處理，反饋到電網(wǎng)。也就是說，測量制動電阻的功率，乘以能量回饋裝置的額定工作效率，即得到規(guī)定時(shí)間內(nèi)節(jié)電度數(shù)。
能量回饋裝置根據(jù)工作原理，可分為兩種：工頻斬波的能量回饋單元和高頻pwm斬波的整流器[2]。直母線電壓和交流電壓的瞬時(shí)值比較，在直流母線電壓高于交流電壓的時(shí)刻，開通igbt提供回饋通路[2]。后者則是通過控制整流器與電網(wǎng)之間電抗器內(nèi)的儲能，來實(shí)現(xiàn)直流母線電壓的穩(wěn)定，并可根據(jù)直流母線電壓的高低來控制能量的流向[1]。相比之下，后者具有高功率因數(shù)、直流母線電壓穩(wěn)定、動態(tài)調(diào)節(jié)迅速、保護(hù)完善、過載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此也被稱為能量回饋整流器[3]。

4 抓斗式散料卸船機(jī)的改造節(jié)電測算
制動電阻兩端電壓和制動電阻阻值得到制動電阻的脈沖功率，脈沖功率平均到斬波器動作的開關(guān)周期，得到斬波動作時(shí)間平均功率，斬波動作時(shí)間平均功率再平均到抓斗的每個(gè)工作周期，得到制動電阻的平均功率。由此平均功率的計(jì)算，可以得到節(jié)電量。實(shí)際改造項(xiàng)目中，起升機(jī)構(gòu)和開閉機(jī)構(gòu)各連接一套獨(dú)立的制動電阻，因此，需要對兩套制動電阻的功耗進(jìn)行測量。圖3為示波器探頭測量位置示意圖。

圖3示波器探頭測量位置示意圖

起升制動電阻兩端電壓的波形圖如圖4所示。

圖4 制動電阻兩端電壓的波形圖
注： 通道1：變頻器輸出電流波形；
通道2：制動電阻電流波形；
通道3：制動電阻兩端電壓波形。
將波形放大(見圖5)，可見制動電阻兩端電壓最高約750v左右，占空比約0.15。
制動電阻在接通到直流母線的一個(gè)周期內(nèi)，制動脈沖功率為：

圖5 電流、電壓波形
注： 通道1：變頻器輸出電流波形；
通道2：制動電阻電流波形；
通道3：制動電阻兩端電壓波形。

一個(gè)周期內(nèi)制動電阻脈沖功率持續(xù)的時(shí)間僅為周期的15%(占空比為0.15)。則在斬波動作時(shí)間之內(nèi)，制動電阻的制動平均功率為：
pt=pmax×d=562.5×0.15=84.4kw
由圖6波形可見，起升電機(jī)的一個(gè)工作周期大約為55s，其中制動電阻工作時(shí)間大約為18s。因此，在起升電機(jī)的一個(gè)工作周期之內(nèi)，制動電阻的平均功率為：

圖6 電流、電壓波形

通道1：變頻器輸出電流波形；通道2：開閉制動電阻電流；通道3：起升制動電阻兩端電壓；通道4：變頻器輸出電壓。

根據(jù)現(xiàn)場測試結(jié)果，起升工作周期變化較小，可認(rèn)為制動電阻的平均功率也就是制動電阻長時(shí)間工作的額定消耗功率。
按照一天工作15個(gè)小時(shí)，一年工作360天來計(jì)算，年節(jié)電量應(yīng)該為 27.62×15×360=149148kwh。折合每年減排二氧化碳117.1噸。
由圖7可見，開閉斬波器的占空比大約在8.7%，開閉斬波器動作電壓大約為750v。因此，開閉制動電阻在接通到直流母線的一個(gè)周期內(nèi)，脈沖功率為：

圖7斬波器波形
注：通道1：開閉制動電阻兩端電壓；通道2：開閉制動電阻電流。

一個(gè)周期內(nèi)制動電阻最大功率持續(xù)的時(shí)間僅為周期的8.7%(占空比為0.087)。則在斬波動作時(shí)間之內(nèi)，制動電阻的制動平均功率為：
pt=pmax×d=562.5×0.087=48.94kw
開閉側(cè)一個(gè)特殊的是開閉斬波器在一個(gè)抓斗工作周期內(nèi)工作時(shí)間的變化。在抓斗料少的時(shí)候，開閉斬波器工作時(shí)間短；在抓料多的時(shí)候，開閉斬波器的工作時(shí)間相應(yīng)增長。
我們在卸料工作現(xiàn)場抓到的開閉動作最大持續(xù)時(shí)間為10×10×34.5%=34.5s每100s。
由圖8波形可見，若開閉電機(jī)的一個(gè)工作周期最大約為100s，其中制動電阻工作時(shí)間大約為34.5s。

圖8 電流, 電壓波形
注：通道1：起升變頻器輸出電流；通道2：開閉制動電阻電流；
通道3：起升制動電阻兩端電壓；通道4：開閉制動電阻兩端電壓。

因此，在開閉電機(jī)的一個(gè)工作周期之內(nèi)，制動電阻的最大平均功率為：

按照一天工作15小時(shí)，一年工作360天來計(jì)算，年節(jié)電量為16.89×15×360=91206kwh，折合每年減少二氧化碳排放71.6噸。
當(dāng)然，如果抓料少的話，料的下降對抓斗的作用的力和時(shí)間均有限，開閉反饋回來的電能會相應(yīng)減少。將大車、小車、變幅等變頻器與實(shí)測負(fù)載相對較輕的開閉變頻器形成共直流母線結(jié)構(gòu)，利用整流回饋單元對小車、大車的制動動能進(jìn)行回收、對變幅機(jī)構(gòu)的重力勢能進(jìn)行回收，總節(jié)電量還能增大3%到5%左右。
有些碼頭因?yàn)槎褕龇植己托读戏N類的原因，有帶料下降的工況。從節(jié)能角度講，帶料下降回收能量更多，但是對能量回饋裝置的容量以及過載能力等指標(biāo)，提出了更高的要求。

5 改造的過程及節(jié)電量的驗(yàn)證
節(jié)能改造的過程對于卸船機(jī)電控系統(tǒng)的影響非常小，不改變原來制動電阻連接、也不改變原來電氣開關(guān)的整定及銅排的連接。斷開變頻器的輸入隔離開關(guān)，將變頻器的直流母線與能量回饋整流器對應(yīng)連接即可。由于能量回饋整流器的直流母線穩(wěn)定電壓范圍最高值比制動電阻動作電壓門限低，因此，制動電阻的保留不影響能量回饋整流器的使用。
如圖9所示，將變頻器的輸入空氣斷路器(或者隔離開關(guān))q1斷開，在輸入位置a、b、c三相輸入端安裝的電能表的測量節(jié)電數(shù)據(jù)。需要在相同使用工況、相同使用時(shí)間的前提下，與改造前的耗電數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

圖9 變頻器加能量回饋單元后的主電路圖

6 能量回饋單元對卸船機(jī)電控系統(tǒng)電能質(zhì)量的改善
利用功率分析儀，測量卸船機(jī)局部電網(wǎng)內(nèi)的功率因數(shù)、諧波含量、電壓畸變率(thdu)、電流畸變率(thdi)以及各次諧波分布。
變頻器重載情況下電壓、電流波形圖如圖10所示。

圖10 變頻器重載情況下電壓、電流波形圖
注：通道1：開閉電流波形；通道2：起升電流波形；
通道3：變頻器輸入電壓波形。

圖10明顯看出，電壓波形出現(xiàn)“削峰”，電流波形出現(xiàn)“駝峰形”。主要原因是因?yàn)樽冾l器采用二極管進(jìn)行不控整流，二極管為非線性器件，影響電壓和電流的相位。
能量回饋整流器在工作在全整流模式下，可以控制整流器與電網(wǎng)接口處的功率因數(shù)在0.96到0.99之間，各次諧波含量降低到5%以下，大大提高電能質(zhì)量。同時(shí)對電網(wǎng)電壓波動進(jìn)行穩(wěn)壓，穩(wěn)定直流母線，從而保證電機(jī)在重載工況下的轉(zhuǎn)矩，提高工作效率。
由圖11可知，電壓的總諧波畸變率(thdu)在7%以上。

圖11 電壓諧波含量測試結(jié)果

由圖12可知，電流的總諧波畸變率(thdi)在40%以上。

圖12 電流諧波含量測試結(jié)果

7 結(jié)束語
改造項(xiàng)目所使用的e-control(億控)能量回饋整流器的功率因數(shù)能保持在0.96～0.99之間，thd可控制在5%以內(nèi)。經(jīng)過半年的節(jié)電量的實(shí)測，達(dá)到了改造項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的節(jié)電量，得到了業(yè)主和集成商的一致認(rèn)可。

作者簡介
陳林(1981-) 男 研發(fā)工程師，現(xiàn)就職于浙江海得新能源有限公司，研究方向?yàn)榇蠊β誓芰炕仞佌髌鳌?/P>

參考文獻(xiàn)
[1] 張崇魏，張興．pwm整流器及其控制[m]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003．
[2] rockwell automation．what is regeneration usa: rockwell international corporation, 2001.
[3] rockwell automation．understanding regeneration. usa: rockwell international corporation, 2001.

作 者：浙江海得新能源有限公司 陳 林 劉常亮