650吨/小时卸船机节能测试及改造

1 引言
基于近年来碳排放量的增多和化石燃料的紧缺、能源价格上涨，在一些重力势能回收的应用场合，已经出现了能量回馈装置的应用。如：油田磕头机、公用建筑中的电梯、矿井提升机等。但是从能量回馈装置的容量上讲，仍然在中小功率徘徊，对于一些大型起重机械，能量回收的需求仍受制约。在本文叙述的实际卸船机节能改造项目中，一台中小型的650吨/小时卸船机，年节电率在25%左右，年节电量在25万度以上，年减少约两百吨二氧化碳排放量，创造了显著的经济效益和社会效益。

2 抓斗式散料卸船机工作制式介绍
抓斗式散料卸船机主要结构如图1所示。

图1 卸船机主要结构及工作规程示意图

抓斗式卸船机的主要功能是通过对起升、开闭机构的控制，使用抓斗从散料船上将散料(如煤、铁矿石粉、硫磺颗粒等)抓运到传送皮带上，实现散料的快速卸船。抓斗式卸船机的工作过程一般为：抓斗抓料→带料提升→平移→放料→平移→抓斗下降，如此循环往复。产生能量回馈的主要阶段是抓斗下降的过程，在抓斗平移制动、抓斗抓料和放料阶段也有部分动能和散料的重力势能可以回收。卸船机在移动大车、收放变幅机构的过程中，也有部分动能和势能的回收，但后两者相比抓斗下降所回收的能量较少。

3 卸船机电气控制系统简介
抓斗的控制主要通过起升机构和开闭机构实现。起升机构负责抓斗的上升下降控制，开闭机构负责抓斗的张开闭合控制。
抓斗平移由小车机构实现，由一台较小功率的变频器驱动。卸船机的整体平移由大车机构实现，由若干台较小功率电机拖动。
起升和开闭一般由两台变频器分别驱动，两台变频器一般采用二极管或者晶闸管整流桥进行整流，能量只能单向流动。变频器内部一般内置斩波器，外接制动电阻。或者采用公用直流母线的方式，在公用直流母线上外接斩波器和制动电阻。变频器接能耗制动电阻斩波器的电路拓扑图如图2所示。

图2变频器接能耗制动电阻斩波器的电路拓扑图

能量回馈来源于电机被抓斗牵引而工作在发电状态。在抓斗下降的过程中，电机转子在抓斗重力的牵引下，通过切割定子与转子间气隙内的磁场，源源不断的将重力势能转化为电能。此时电动机发出的电能经过变频器逆变igbt桥路中igbt的反并联二极管，整流成直流电。这部分电能以直流电流的形式灌入直流母线电容，使得变频器直流母线电压逐渐升高，为了保护直流母线电容不被过高的直流母线电压击穿，变频器的斩波器动作，将直流母线上逐渐积累的电能通过热能的形式进行释放。不难理解，要回馈到电网的能量，就是在能耗制动电阻上耗散的电能。
已知制动电阻阻值，通过测量制动电阻两端的电压，可计算出制动电阻消耗的功率，考虑斩波占空比、在每次抓斗上升-下降这个工作周期内动作的时间即可得到制动电阻的消耗的平均功率，消耗的平均功率乘以年工作时间，即得到制动电阻的年耗电量。如果采用能量回馈装置，此部分电能的绝大部分会经过回馈单元的逆变处理，反馈到电网。也就是说，测量制动电阻的功率，乘以能量回馈装置的额定工作效率，即得到规定时间内节电度数。
能量回馈装置根据工作原理，可分为两种：工频斩波的能量回馈单元和高频pwm斩波的整流器[2]。直母线电压和交流电压的瞬时值比较，在直流母线电压高于交流电压的时刻，开通igbt提供回馈通路[2]。后者则是通过控制整流器与电网之间电抗器内的储能，来实现直流母线电压的稳定，并可根据直流母线电压的高低来控制能量的流向[1]。相比之下，后者具有高功率因数、直流母线电压稳定、动态调节迅速、保护完善、过载能力强等优点，因此也被称为能量回馈整流器[3]。

4 抓斗式散料卸船机的改造节电测算
制动电阻两端电压和制动电阻阻值得到制动电阻的脉冲功率，脉冲功率平均到斩波器动作的开关周期，得到斩波动作时间平均功率，斩波动作时间平均功率再平均到抓斗的每个工作周期，得到制动电阻的平均功率。由此平均功率的计算，可以得到节电量。实际改造项目中，起升机构和开闭机构各连接一套独立的制动电阻，因此，需要对两套制动电阻的功耗进行测量。图3为示波器探头测量位置示意图。

图3示波器探头测量位置示意图

起升制动电阻两端电压的波形图如图4所示。

图4 制动电阻两端电压的波形图
注： 通道1：变频器输出电流波形；
通道2：制动电阻电流波形；
通道3：制动电阻两端电压波形。
将波形放大(见图5)，可见制动电阻两端电压最高约750v左右，占空比约0.15。
制动电阻在接通到直流母线的一个周期内，制动脉冲功率为：

图5 电流、电压波形
注： 通道1：变频器输出电流波形；
通道2：制动电阻电流波形；
通道3：制动电阻两端电压波形。

一个周期内制动电阻脉冲功率持续的时间仅为周期的15%(占空比为0.15)。则在斩波动作时间之内，制动电阻的制动平均功率为：
pt=pmax×d=562.5×0.15=84.4kw
由图6波形可见，起升电机的一个工作周期大约为55s，其中制动电阻工作时间大约为18s。因此，在起升电机的一个工作周期之内，制动电阻的平均功率为：

图6 电流、电压波形

通道1：变频器输出电流波形；通道2：开闭制动电阻电流；通道3：起升制动电阻两端电压；通道4：变频器输出电压。

根据现场测试结果，起升工作周期变化较小，可认为制动电阻的平均功率也就是制动电阻长时间工作的额定消耗功率。
按照一天工作15个小时，一年工作360天来计算，年节电量应该为 27.62×15×360=149148kwh。折合每年减排二氧化碳117.1吨。
由图7可见，开闭斩波器的占空比大约在8.7%，开闭斩波器动作电压大约为750v。因此，开闭制动电阻在接通到直流母线的一个周期内，脉冲功率为：

图7斩波器波形
注：通道1：开闭制动电阻两端电压；通道2：开闭制动电阻电流。

一个周期内制动电阻最大功率持续的时间仅为周期的8.7%(占空比为0.087)。则在斩波动作时间之内，制动电阻的制动平均功率为：
pt=pmax×d=562.5×0.087=48.94kw
开闭侧一个特殊的是开闭斩波器在一个抓斗工作周期内工作时间的变化。在抓斗料少的时候，开闭斩波器工作时间短；在抓料多的时候，开闭斩波器的工作时间相应增长。
我们在卸料工作现场抓到的开闭动作最大持续时间为10×10×34.5%=34.5s每100s。
由图8波形可见，若开闭电机的一个工作周期最大约为100s，其中制动电阻工作时间大约为34.5s。

图8 电流, 电压波形
注：通道1：起升变频器输出电流；通道2：开闭制动电阻电流；
通道3：起升制动电阻两端电压；通道4：开闭制动电阻两端电压。

因此，在开闭电机的一个工作周期之内，制动电阻的最大平均功率为：

按照一天工作15小时，一年工作360天来计算，年节电量为16.89×15×360=91206kwh，折合每年减少二氧化碳排放71.6吨。
当然，如果抓料少的话，料的下降对抓斗的作用的力和时间均有限，开闭反馈回来的电能会相应减少。将大车、小车、变幅等变频器与实测负载相对较轻的开闭变频器形成共直流母线结构，利用整流回馈单元对小车、大车的制动动能进行回收、对变幅机构的重力势能进行回收，总节电量还能增大3%到5%左右。
有些码头因为堆场分布和卸料种类的原因，有带料下降的工况。从节能角度讲，带料下降回收能量更多，但是对能量回馈装置的容量以及过载能力等指标，提出了更高的要求。

5 改造的过程及节电量的验证

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