起重机械节能应用技术的探讨

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1、起重机械节能应用技术的探讨起重机械节能应用技术的探讨一、引言一、引言 起重机是国民经济发展中必不可缺的物料搬运输送设备和工业安装设备。随着我国经 济的快速发展，国内各类起重机的需求量也随之大大上升。按照起重机所使用的电能来源 方式，可以将其分为采用公共供电网络供电和采用燃油发电机供电两类。前一类起重机械 多为在固定的作业区域工作，不需要很高的机动性，如码头上的大型起重机械等；后一类 设备多为机动性较高的起重机械，能够方便地移动到所需作业的场地，比如汽车起重机等。 采用公共供电网络供电的起重机械大多是沿着固定的线路移动，电源可通过滑触线或电缆 卷筒等装置向起重机提供。 由于起重机在工作过程中有大

2、量的势能和电能的相互转换过程，因此，回收利用从势 能转换的电能，并通过起重机的供电装置向公共供电网络回送，可达到节能的目的。 本文提出的适合于交流变频驱动的起重机械应用的节能技术主要针对采用公共供电网 络的起重机械，不论是通过滑触线还是电缆卷筒供电均适用。它是从交流变频器的直流母 线上将势能转换的电能通过一个直流一交流变流器回馈到供电网络。这种技术通用性强， 适合所有通用型变频器，并且工程实施简单，成本较低。二、使用燃油发电机供电的起重机械的节能二、使用燃油发电机供电的起重机械的节能 技术发展动态技术发展动态 燃油转换为电能的过程效率较低，能源浪费严重。对于由燃油发电机供电的起重机节 能技术，

3、国内外早有研究，最早为人们所接受的是超级电容储能技术。因燃油转换为电能 后不能实现逆向转换，将电动机运行在发电状态下产生的电能储存起来是唯一的解决方法。 由于受到超级电容技术可靠性、成本以及体积等因素的制约，该技术在实际工程应用中具 有很大的局限性。后续的研究又转向了节约燃油机在待速时的油耗量，因为待速期间的设 备用电量很少，而且待速时间往往很长，超过了实际工作时间，因此，降低燃油机待速的 速度可明显减少油耗。但燃油机待速速度降低后，发电机输出的电压和频率也相应降低，因此，需要增加一个小容量的电源稳定装置，以便起重机械能够处于正常的待命状态。该 电源稳定装置的技术是成熟的，但由于是新概念产品，

4、目前还没有大规模生产。 仅从节约燃油的技术角度出发来解决由燃油发电机供电的起重机械的节能问题是不够 的。如果从更大的范围考虑问题会更有效果，比如限制起重机的高机动性，通过合理规划 和合理配置生产设备，尽量少地采用燃油发电机供电而直接采用供电网络供电，则能源的 消耗量会更加明显地降低。国内有些港口单位已经率先进行了这样的尝试，将集装箱场地 的轮胎吊的供电方式由原来的柴油发电机供电改为滑触线供电方式，已经取得了明显的节 能效果。 在码头集装箱堆场上配置的起重机采用沿固定轨道移动的方式，可直接使用电网供电，从 根本上避免燃油转换为电能过程中存在的低效率问题。其实，直接由供电网络供电的起重 机械占大多

5、数，随着节能意识的不断提高和国家相关法令的激励与惩罚，燃油供电的起重 机械仅在少数场合存在，所以，本文讨论的节能应用技术将有更加宽广的应用场合。三、电动机驱动技术的发展与起重机势能的利用三、电动机驱动技术的发展与起重机势能的利用 毋庸置疑，起重机械的用途决定了它在工作期间存在着大量的势能和电能的相互转换 过程。直至 20 世纪 90 年代中期，国内起重机驱动技术仍主要是有级调速技术。该技术采 用滑环式交流电动机，通过改变串接在电动机转子回路中的外接电阻，以改变电动机的力 矩特性，从而达到电动机启动和调速的目的，这种技术的性能较差。当时的无级调速技术 主要使用直流电动机，通过可控硅调整电动机电枢

6、的电压实现无级调速。后来又出现了交 流滑环电动机的无级调速技术，它是一种将电动机电枢调压和改变电动机力矩特性相结合 的方法。不管是直流电动机还是交流电动机调速装置，均可以四象限运行，电流可双向流 动，即从电源到电动机，从电动机到电源，因而，势能和电能的相互转换利用不存在问题。 但这时的问题主要是功率因数低，电磁谐波较大。由于存在大量的无功电流和谐波电流， 在供电装置侧的额外损耗较为严重。 20 世纪 90 年代后期，交流变频器技术的发展日趋成熟。交流变频调速的对象是鼠笼 式异步电动机，其成本低、维护便利、调速性能优越。同时，变频器自身可提供无功电流， 具有很高的功率因数，对电网的冲击很小，所以

7、大量的起重机械采用了交流变频调速技术。使用交流变频调速技术限制了势能到电能的转换利用。这是由当时变频技术自身的特点所 决定的：变频器采用二极管整流，整流源输出的直流电经电容滤波后再经过三相 IGBT 桥 路逆变为三相频率可变的交流电供往电动机，当电动机工作在发电状态时，由势能转换成 的电能只能回馈到直流侧的电容，而不能通过二极管整流电路回馈到电网，因此，剩余的 电能只能通过直流侧的直流斩波器流向外接电阻，转变成热能而消耗掉，以免电容充电过 多，造成电压过高而损坏设备。进入 21 世纪以后，国外的许多电气公司在直流电再次逆变 回馈到电网的技术方面有了进一步发展，并开始在国内应用。但是在我国进行这

8、些技术推 广的国外公司都是原来在中国进行变频器产品推广的公司，他们将电能回馈装置集成在自 已公司生产的变频器整流源内部，即：将直流整流和直流回馈电网的 2 个功能集成在一起， 用同一套 IGBT 装置完成电流的双向流动。这种产品技术先进、性能优良，但其较高的售 价限制了该产品和技术的推广应用。 经过十几年交流变频技术的推广，国内已有众多的起重机采用变频驱动技术，从而使 大量的势能被转换为热能而浪费掉。如果能将这些势能变成电能并回收进供电电网，对国 家经济的贡献是不可估量的。据保守估算，质量为 430t 的重物每下降 11TI，即可向电网回 馈电能 1kWh。若以上海港集装箱码头的货柜处理量估算

9、，1 台集装箱场地起重机 1 年的 势能回收发电量可达 6 万 kWh 以上；若以 1 台应用于火力发电厂的生产能力为 1000Wh的抓斗卸船机为例，仅考虑空抓斗下降的势能，按照每年工作 2200h 计算，每年可向电网 提供的电能也在 6 万 kWh 以上。 显而易见，起重机工作过程中的势能是一种对环境无任何污染的绿色能源，回收由势 能转换的电能对未来社会经济的发展有重要意义。但如前所述，目前国外公司提供的 IGBT 能量回馈变频系统价格不菲，在很多工程项目中，最终用户均会考虑一次性投资过 大问题。因此，大力推广起重机节能技术，除了技术本身的障之外，还必须克服过高的投 资成本问题.四、应用于起

10、重机的较低成本的节能技术的实现四、应用于起重机的较低成本的节能技术的实现 作者从事交流变频技术应用多年，对中国的变频技术在起重机上的应用和市场动态较 为了解，对能量回馈技术关注较早，并对该技术及其发展动向进行了深入研究。 目前，工程中新添置的起重机械的电气传动系统主要是欧美国家的产品，如使用 ABB 公司，SIEMENS 公司和 ROCKWELLAB 公司的产品等。在变频技术已经广为国内用户接 受以后，电能回馈技术也逐渐为用户所重视。由于这些技术都是从国外引进的，一旦电能 回馈技术与变频器产品绑定，电能回馈部分即变得十分昂贵，也就是说，国外供应商赚取 的利润不仅是该产品本身应有的销售利润，还包

11、括了中国用户在使用该产品以后的若干年 内由于能源节约所得的经济利益。这样的销售价格对国内用户十分不利，大大限制了起重 机械节能技术的推广同时使已投运的众多交流变频驱动的起重机增加电能回馈功能的可能 性变得非常小。 经过研究之后，作者在工程实践中设计了一套采用独立电能回馈装置的交流变频系统 的应用技术，它可适用于目前中国市场上现有的各类变频器产品，并一次性成功地投运在 南通天生港电厂 3 台生产能力均为 1000th 的桥式抓斗卸船机上。经过半年多的实践检验， 该技术性能稳定，完全达到前述几家国外供应商产品的性能。独立的电能回馈装置带来的 益处很多，电气系统的部件更加标准化，体积小、功耗小、电磁

12、谐波少、方案灵活，能够 按实际需要配置所需的回馈容量，不受制于任何一家变频器供应商的售价牵制，可为国内 用户提供最大的利益和实惠。作者及所在单位研制的各种卸船机电气系统的主要部件仍是进口件，不存在产品批量生产的工艺控制问题，因此，系统的可靠性较高。应用于桥式抓 斗卸船机上的交流变频系统和控制系统采用独立电能回馈装置。在现有的由交流变频驱动 的起重机械上进行改造升级，追加电能回馈功能，可充分利用从势能转化的电能。这种改 造升级耗时短，现场安装只需 1d。五、结论五、结论 节约能源是当我国经济发展的大势，作者以自己的见解并结合在实践中获得的经验， 提出了一种简单易行的起重机节能应用技术，该技术实施简单、性价比高，宜在新旧起重 机械上推广应用。资料整理资料整理东莞市华兴起重设备有限公司东莞市华兴起重设备有限公司 http:/