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電場橋能量回饋系統(tǒng)改造

高強(qiáng)生

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為解決電場橋(ERTG)能耗制動方式浪費(fèi)再生電能的問題，對電場橋進(jìn)行能量回饋系統(tǒng)改造，將電場橋一個作業(yè)周期內(nèi)電機(jī)產(chǎn)生的再生電能通過能量回饋系統(tǒng)回收再利用，實(shí)現(xiàn)了碼頭電場橋節(jié)能降耗。

電場橋(ERTG); 能量回饋; PWM調(diào)制

1 引言

在電場橋(ERTG)工作的一個周期中，伴隨著負(fù)載勢能、動能的變化。比如，下放重物時勢能會減

小，設(shè)備停機(jī)時動能會減小。在采用變頻調(diào)速的設(shè)備里，減少的勢能和動能通過電機(jī)轉(zhuǎn)換成再生電能，這部分電能通常通過能耗制動電阻再轉(zhuǎn)換為熱能,白白浪費(fèi)了。能量回饋是使用電力電子變換技術(shù),將設(shè)備在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的再生電能進(jìn)行利用，并轉(zhuǎn)換為同步的交流電能回送到電網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的一種方法。

2 能量回饋

能量回饋的基本原理是：將運(yùn)動中負(fù)載上的機(jī)械能(位能、動能)通過能量回饋裝置變換成電能(再生電能)并回送給交流電網(wǎng)，供其他用電設(shè)備使用，使電機(jī)拖動系統(tǒng)在單位時間消耗電網(wǎng)電能下降，從而達(dá)到節(jié)約電能的目的[1]。要使變頻調(diào)速系統(tǒng)工作于能量回饋狀態(tài)，必須滿足以下條件：

(1)網(wǎng)側(cè)端需要采用可控變流器。當(dāng)電機(jī)工作于能量回饋狀態(tài)時，為了實(shí)現(xiàn)電能回饋電網(wǎng)，網(wǎng)側(cè)變流器必須工作于逆變狀態(tài)，而不可控變流器不能實(shí)現(xiàn)逆變。

(2)直流母線電壓要高于回饋閾值。變頻器要向電網(wǎng)回饋能量，直流母線電壓值一定要高于回饋閾值，只有這樣才能夠向電網(wǎng)輸出電流。閾值的設(shè)定則要根據(jù)電網(wǎng)電壓和變頻器耐壓性能決定。

(3)回饋電壓頻率必須和電網(wǎng)電壓頻率相同。回饋過程中必須使其輸出電壓頻率和電網(wǎng)電壓頻率相同，避免浪涌沖擊。

3 常用2種制動方式的比較

ERTG是具有較大節(jié)能潛力的機(jī)械，ERTG提升和下放操作頻繁，單位時間內(nèi)回饋總能量很可觀。如果變頻器中沒有采取消耗能量的措施，這部分能量將導(dǎo)致中間回路的儲能電容器的電壓上升。當(dāng)制動過快或位能性負(fù)載下降時，這部分能量將導(dǎo)致變頻器的損壞。

能耗制動是采用在直流回路中加制動電阻的方式吸收電機(jī)的再生電能，實(shí)現(xiàn)能耗制動(見圖1)。各傳動裝置上均有相應(yīng)的制動單元和制動電阻，當(dāng)傳動裝置處于能量回饋工作方式時，電動機(jī)的機(jī)械能通過逆變器的IGBT返回到直流母線，使直流母線上電容器兩端電壓升高。當(dāng)電壓達(dá)到制動單元允許釋放電能的閾值時，制動單元導(dǎo)通，將電能消耗到無電感的制動電阻上。

能耗制動系統(tǒng)能量的傳輸總是單向式的，只能從電源流入到傳動系統(tǒng)，再由傳動裝置到電阻，能量只是消耗，不能回饋到供電電網(wǎng)。

圖1 能耗制動系統(tǒng)接線圖

回饋制動對回饋的電能采用直流電源調(diào)制處理成交流正弦波。IGBT工藝和應(yīng)用技術(shù)在電力電子行業(yè)已非常成熟。可以采用IGBT元器件通過PWM調(diào)制處理，使回饋到直流母線的電能處理成需要的波形。圖2是以IGBT為功率器件的PWM整流器作為回饋裝置的系統(tǒng)。

圖2 回饋制動系統(tǒng)接線圖

能量回饋裝置連接于交流電源電網(wǎng)與直流母線之間，當(dāng)直流母線上需要能量供給電動機(jī)時，回饋裝置通過整流器將交流電源變成直流至公共母線。當(dāng)直流母線的電壓高于某一設(shè)定值時，回饋裝置中的IGBT 將通過PWM調(diào)制的方式，將直流母線電壓以正弦波的方式向電網(wǎng)輸送。這種方式可以使電網(wǎng)諧波減小，功率因數(shù)提高。

4 取得的成果

2011年8月在廣泛調(diào)研和比較相關(guān)技術(shù)方案及能量回饋裝置實(shí)用性基礎(chǔ)上，選用了上海某公司的HDM系列能量回饋裝置，在公司206場橋上進(jìn)行了安裝調(diào)試。改造后，系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好，經(jīng)過江蘇省節(jié)能技術(shù)服務(wù)中心測試，節(jié)能效果達(dá)到預(yù)期，2012年順利通過南京港科協(xié)組織的專家鑒定。同年改造了3臺ERTG，使ERTG在用電消耗上進(jìn)一步下降。

經(jīng)過改造后，取得了顯著的成效：

(1)直流母線電壓的波動范圍明顯減小，降低了變頻器內(nèi)部電解電容的發(fā)熱，降低變頻器輸出轉(zhuǎn)矩因電壓波動而引起的脈動，避免了設(shè)備意外停車的風(fēng)險(xiǎn)，間接提高了系統(tǒng)的工作效率。

(2)提高電網(wǎng)功率因數(shù)，相應(yīng)地減少線路中電壓損耗，節(jié)約了電能，降低了生產(chǎn)成本。

(3)減小了電網(wǎng)電壓諧波和電流諧波，滿足了GBT14549、IEC61000-3-2對電網(wǎng)電壓諧波和電流諧波的要求。提高了用電設(shè)備的效率，降低電機(jī)、電抗器、電纜等設(shè)備因發(fā)熱導(dǎo)致的絕緣老化，延長設(shè)備使用壽命。同時對于通信、繼電保護(hù)和自動裝置的干擾誤動作有相當(dāng)程度的改善。

通過實(shí)際使用，加裝能量回饋裝置的ERTG與未加裝能量回饋裝置的ERTG比較，電耗分別為1.14 kWh/TEU和1.7 kWh/TEU，節(jié)能32%，效果明顯。目前全年場橋作業(yè)量達(dá)180萬TEU，如全部進(jìn)行能量回饋改造，每年可節(jié)約用電100萬kWh左右。

5 結(jié)語

能源是經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，企業(yè)應(yīng)該積極參與到節(jié)能降耗的新技術(shù)研究與實(shí)踐中，為建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的發(fā)展貢獻(xiàn)自己的一份力量。

[1] 黎明森,黃有方.現(xiàn)代港口電氣自動化工程技術(shù)手冊[M〗.北京：人民交通出版社,2005：20-56.

高強(qiáng)生: 210000，南京市棲霞區(qū)龍?zhí)督值例執(zhí)段锪鲌@區(qū)1-2號

The Transformation of ERTG Energy Feedback System

Gao Qiangsheng

Longtan Container Co. Ltd., Nanjing Port

In order to solving the problem that dynamic braking by ERTG wastes its regenerative energy, the energy feedback system of ERTG is improved. The regenerated electric energy by the motor of ERTG is reclaimed and reused by the energy feedback system in one operation cycle. It achieves ERTG energy saving.

ERTG；energy feedback；PWM modulation

2016-07-07

10.3963/j.issn.1000-8969.2016.06.019