莊勁松，王龍騰，陳國郎

（福建省特種設(shè)備檢驗研究院泉州分院，福建泉州 362021）

0 引言

隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)事業(yè)的迅猛發(fā)展，電能的需求越來越多，開發(fā)和節(jié)約能源已經(jīng)成為當務(wù)之急。我國發(fā)電總量60%以上都是通過電動機消耗的。作為廣泛應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要設(shè)備，三相異步電動機在電機中的所占比例正在逐年提高，這使得有必要對其運行中的節(jié)能問題進行深入研究。全國現(xiàn)有各類電機系統(tǒng)總裝機容量約4.2億kW，運行效率比國外先進水平低10%～20%，相當于每年浪費電能約1 500億kW·h[1]。

本文針對橋式起重機的節(jié)能研究，提出了變頻能量回饋裝置應用。在變頻器、異步電動機和機械負載所組成的變頻調(diào)速傳統(tǒng)系統(tǒng)中，當電動機所傳動的位能負載下放時，電動機將可能處于再生發(fā)電制動狀態(tài)；或當電動機從高速到低速（含停車）減速時，頻率可以突減，但因電機的機械慣性，電機可能處于再生發(fā)電狀態(tài)，傳動系統(tǒng)中所儲存的機械能經(jīng)電動機轉(zhuǎn)換成電能，回饋到電網(wǎng)。在橋式起重機上工況不同，預計可達到20%～45%[2-3]。

1 變頻能量回饋裝置

本文變頻能量回饋裝置接線圖如圖1所示。變頻系統(tǒng)能實現(xiàn)四象限運行的要求，且采用閉環(huán)控制的方式可以有效防止重物在啟動時的“溜鉤”現(xiàn)象[4]。可根據(jù)實際情況對電機加減速時間進行調(diào)整，從而方便地實現(xiàn)系統(tǒng)的軟啟動、軟停止，速度變化平滑，運行穩(wěn)定。同樣采用變頻系統(tǒng)，可以滿足起升機構(gòu)在某些特定情況的要求，長時間穩(wěn)定、可靠地在低速區(qū)間運行。變頻控制具有低速定位準確、降低電器元件損耗等優(yōu)點[5]。

圖1 變頻能量回饋裝置接線圖

能量回饋單元可以將由生產(chǎn)機械的動能或勢能轉(zhuǎn)換而來的電能及時、高效地回饋到電網(wǎng)，有效節(jié)約電能；且無論是在整流還是在回饋狀態(tài)下，整流回饋單元的網(wǎng)側(cè)電壓和電流波形都是諧波含量很少的正弦波波形，功率因數(shù)也接近于1，基本上消除了變頻器對電網(wǎng)的諧波干擾，真正做到環(huán)保用電。所以，能量回饋單元能夠促進節(jié)能減排，促進環(huán)境、資源的和諧發(fā)展，有著顯著的經(jīng)濟和社會效益[6-7]。

該裝置還具有以下等優(yōu)點：（1）能提高輸入功率因數(shù)，減少電網(wǎng)諧波污染；（2）換相時不會產(chǎn)生電壓豁口，即電機正或反向運行、變相時本裝置均能工作；（3）能自動檢測和同步相序，安裝、操作十分簡便；（4）具有多重保護功能，防止過壓、過流、超溫、短路、接地故障、缺相等。

2 異步三相電機機械特性分析

機械特性是指電動機轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系，通常用曲線來表示。欲求異步電動機機械特性，先求出T與n的數(shù)學關(guān)系表達式，即機械特性表達式。

其中電磁轉(zhuǎn)矩公式為：

圖2 異步電機近似等效電路

由圖2所示的近似等效電路，可以得出：

考慮得出的轉(zhuǎn)矩表達式為二次方程，那么電磁轉(zhuǎn)矩定有最大值，即最大轉(zhuǎn)矩Tm。

將轉(zhuǎn)矩的二次方程表達式對s求導，并令dT/ds=0，可得到最大轉(zhuǎn)矩Tm對應的轉(zhuǎn)差率sm：

將sm代入轉(zhuǎn)矩的二次方程表達式求出最大轉(zhuǎn)矩Tm：

式中：“+”表示電動狀態(tài)，特性在第一象限；“-”表示制動狀態(tài)，特性在第二象限。

最大轉(zhuǎn)矩Tm與額定轉(zhuǎn)矩TN比值稱為過載倍數(shù)KT，通常異步電機KT為1.8～3.0。特殊如冶金機械用的起重電動機，KT可達到3.5。

當異步電動機啟動時，即n=0，s=1，求解起動轉(zhuǎn)矩：

起動轉(zhuǎn)矩Tst與額定轉(zhuǎn)矩TN之比稱為起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)Kst，通常異步電機Kst為1～2。

轉(zhuǎn)子串電阻啟動，為了充分利用電機，調(diào)速前后電流都為額度電流：

又由U1≈E1=4.44f1N1kw1Φm，可得出Φm=k，為常數(shù)。根據(jù) T=CTJΦmcosφ2=CTJΦmcosφ2N=TN，可得出結(jié)論轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。根據(jù)轉(zhuǎn)子損耗，Δp2=+RΩ)=sPT，轉(zhuǎn)子回路效率在低速時效率低。

變頻控制，軟啟動，啟動過程平穩(wěn)。當頻率變化時，由U1≈E1=4.44f1N1kw1Φm知，要保持Φm不變，必須使U1/f1=k。電壓調(diào)節(jié)時，考慮到：x1+∝f1，且 x1+≥r1。則

對于恒轉(zhuǎn)矩負載，即起重機而言，即保持U1f1=k，就可使Φm不變，且KT不變。

3 實驗與結(jié)果分析

本文實驗地點在福建省泉州市南安市水頭弘一大板市場。實驗設(shè)備為同一制造廠家、同一規(guī)格型號、在同一軌道的兩臺橋式起重機。橋式起重機型號為LH5-23.5A3D，額定起重質(zhì)量5 t，起升速度8 m/min，起升高度9 m。其中起升電動機為三相異步電機，額定功率7.5 kW，額定電流18 A，電機采用轉(zhuǎn)子串電阻啟動方式。實驗將其中一臺改造增加變頻能量回饋裝置，進行空載和重載實驗比較，測試3組數(shù)據(jù)。測試儀器采用C.A 8335電能質(zhì)量分析儀器。實驗測試結(jié)果如表1所示。

表1 啟動電流對比表A

表中啟動峰值電流為起重機起升機構(gòu)空載上行啟動時的峰值電流。從中可以比較出，相對于轉(zhuǎn)子串電阻啟動，變頻回饋啟動電流明顯小很多。重載啟動電流比空載啟動電流明顯大。由表計算可得，對于轉(zhuǎn)子串電阻啟動電流空載約為額定電流的2.14～2.28倍，重載約為額定電流的2.48～2.62倍。對于變頻回饋而言，峰值電流空載約為額定電流的1.26～1.32倍，重載約為額定電流的1.41～1.45倍。所以變頻回饋裝置相對于轉(zhuǎn)子串電阻啟動具有更好的節(jié)能效果。特別對于點動操作頻率的起升機構(gòu)場所，節(jié)能效果更為明顯。

分別對于兩臺橋式起重機同等工況下，從同一高度起升同等高度（約5 m），在下降到同一高度處，空載、重載消耗電能對比匯總?cè)绫?所示。

表2 消耗電能對比W·h

從表中可以直接看出變頻能量回饋裝置相對于轉(zhuǎn)子串電阻，電能消耗相差不大。對于空載負荷循環(huán)，轉(zhuǎn)子串電阻消耗電能約為56.82 W·h，變頻回饋消耗電能約為53.24 W·h。對于重載負荷循環(huán)，轉(zhuǎn)子串電阻消耗電能約為79.15 W·h，變頻回饋消耗電能約為76.89 W·h。因為兩者設(shè)備制造和實驗中誤差，所以兩者差值單從試驗比較看不出節(jié)能效果。

但從變頻器在起重機的大量實際應用中，變頻器改造具有15%～45%的節(jié)能效果[8]。而變頻能量回饋改造比單純變頻改造還多回收了重載下降過程的電能，具有更突出的節(jié)能效果（單變頻改造，重載下降過程實際會消耗少部分電能，而不是為負數(shù)）。而實際產(chǎn)生節(jié)能的原因在于起重機在應用中需要大量點動操作。變頻調(diào)速起重機定位精確，操作少，且點動過程消耗電能少。而本文試驗只是簡單的模擬空載、重載升降運行，并不能真實反映出實際的運行工況[9]。

4 結(jié)束語

變頻回饋裝置相對于轉(zhuǎn)子串電阻啟動具有更好的節(jié)能效果。僅從本文實驗結(jié)果，轉(zhuǎn)子串電阻消耗電能與變頻回饋消耗電能，在起重機空載和輕載中相差不大，無法體現(xiàn)出節(jié)能效果。但本文實驗只是簡單的模擬空載、重載升降運行，并不能真實反映出實際的運行工況。在實際應用中，變頻改造相對轉(zhuǎn)子串電阻具有明顯的節(jié)能效果，而變頻回饋具有更突出的節(jié)能優(yōu)勢，能進一步回收轉(zhuǎn)化重載下降過程的勢能回饋電網(wǎng)。綜合所述，本文對于變頻回饋裝置在起重機上的節(jié)能應用研究和推廣具有重要意義。