1、上海 工程技术大学 成人教育学院毕业设计 (论文 ) 1 / 35 变频技术在港口作业中的应用 摘要 如今，世界的经济全球化，贸易也随之全球化。我国从 1978 年改革开放至今，对外贸易也逐年增长，近年来更是突飞猛进。 以 上海港为例：集装箱吞吐量从 1978 年 9月的中国大陆港口“第一箱”，到 2003 年突破 1000 万标准箱、 2006 年突破 2000 万标准箱，再到 2010 年10月历史性的超过新加坡港，首次成为世界集装箱第一大港。 散货同样如此：在很久之前的上海，码头上运煤是靠人力背麻袋的形式一点、一点的运，到如今带式输送机全电气化，自动化。 短短的三十年 时间 ， 码头上早
2、已没有往日的人声嘈 杂，没有了“码头号子”，没有了划一的口号和整齐的步伐。 如今的港区是机械化、电气化作业。而在这作业方式转变的过程中，我们体会到机械化、电气化给予我们带来的方便、快捷、高效，但同时我们也不能回避遇到的问题。有时，换一种能源可以节约更多的财力；同样完成一项工作，不同的作业方式在节能上却有着千差万别。这些问题往往很少能有人注意到，但这些节能、降耗所能体现出的价值对于一个公司来说是何等的重要啊。本篇论文将围绕这两条主线进行深入研究和探讨，以实例阐明论点。为今后港区良好、可持续发展提供借鉴。 关键词： 变频 ， 轮胎式 集装箱起重机 ， 带式输送机 ， 节能 上海 工程技术大学 成人
3、教育学院毕业设计 (论文 ) 2 / 35 ABSTRACT With the economic globalization, counties are now doing trade globally. Since the implementation of the Reform and Opening-up Policy in 1978, China has done more foreign trade year by year, and the increase is even more in recent years. Take Shanghai Port as an example
4、: In September 1978, container throughput capacity of Shanghai Port was listed as the first in China and the port was regarded as the “First Port” in China; by 2003, the container throughput capacity of Shanghai Port had surpassed 10 million TEU; by 2006, the capacity had exceeded 20 million TEU, an
5、d in October 2010, the capacity of the Shanghai port firstly surpassed that of the Singapore port to become the worlds largest container port. Long time ago, coal were moved by dockers package by package at dock in Shanghai. And nowadays, you will see electric and automatic belt conveyor everywhere
6、at Shanghais modern port. After a short period of three decades, there has been no labor song and uniform pace any more. Our port today is mechanized and electrical. We are benefit from the convenience, quickness and efficiency of the transformation, but at the same time, we are faced with several p
7、roblems. Energy consumption is one of them. When we complete a certain task, it will save the company a huge amount of energy if we change the energy source. However, few people recognize the problem. This assay will analyze these two main points with examples to provide a guidance of beneficial and
8、 sustainable development of our port. Keywords: Inverter Converter, RTG, Belt Conveyor, Energy Saving 上海 工程技术大学 成人教育学院毕业设计 (论文 ) 3 / 35 第一章 变频技术的 诞生与 发展过程 在工业生产 以 及 人们的日常生活中， 电机的使用十分广泛 。 电机的传动方式一般分为直流电机传动 和 交流电机传动。过去由于交流电机实现调速较 为 困难或某些调速方式低效 、 不 够理想，因而长期以来在调速领域 中 采用 的大多为 直流电机，而交流电动机的优点在调速领域中未能得到发挥。
9、交流电动机的调速方式一般有以下三种。 1）变极调速 ： 是通过改变电动机定子绕组的接线方式以改变电机极 对 数实现调速，这种调速方法是有级调速 。缺点： 不能平滑调速，而且只适用于鼠笼电动机。 2）改变电机转差率调速 ： 其中有通过改变电机转子回路的电阻进行调速，此种调速方式效率不高，且不经济。 3)采用滑差调速电机进行调速 :调速范围宽且能平滑调速，但这种调速装置结构复杂（一般由异步电机、滑差离合器和控制装置三部分组成 ），滑差调速电机是在主电机转速恒定不变的情况下调节励磁实现调速的，即便输出转速很低，而主电机仍运行在额定转速，因此耗电较多，另外励磁和滑差部分也有效率问题和消耗问题。 4）变
10、频调速 ： 通过改变电机定子的供电频率，以改变电机的同步转速达到调速的目的 。 其调速性能优越，调速范围宽， 且 能实现无级调速。 上世纪 50年代末，由于晶闸管（ SCR）的研究成功，电力电子器件开始运用于工业生产，可控整流直流调速便成了调速系统中的主力军。但由于直流电机结构复杂，造价比交流电机高，直流电动机在运行中，炭刷接触产生炭粉而易引起弧 火， 需要 经常 进行 维 护，而且直流调速系统线路复杂，维修十分不便。因而便促 使人们 对交流调速技术的开发和研制。 20 世纪 80 年代中期，随着第三代电力电子器件， 例如 门极可关断晶闸管（ GTO）、大功率晶体管（ GTR）、绝缘栅双极型晶
11、体管（ IGBT）等全控型电力电子器件的研制成功，以及电力电子器件从电流驱动型到电压驱动型全控器件等的发上海 工程技术大学 成人教育学院毕业设计 (论文 ) 4 / 35 展， 一些国家 已先后研制开发出了功率等级不同的 ， 把控制、驱动、检测、保护及功率输出集于一体的变频调速产品。从而使交流变频调速的关键装置 逆变器性能优良，主电路简单，驱动方便，工作可靠。 同时随着控制理论、微电子技术和计算机技术的发展，使交流电机变频调速技术取得了突破性进展，并以其优越的调速性能和良好的节能效果逐渐取代了直流调速系统和其他的调速方式，如变极调速、串级调速、滑差电机调速等。 随着全球能源短缺趋势的加剧以及交
12、流变频技术及变频器产品的性能和功能日趋完善，使其越来越广泛地应用在工业生产的各个领域中。 上海 工程技术大学 成人教育学院毕业设计 (论文 ) 5 / 35 第二章 变频调速技术的原理 、特点及应用 2.1 变频调速技术的原理 变频调速技术的原理是把工频 50Hz 的交流电转换成三相频率和电压可调的交流电 。 变频控制原理大致可分为以下三类： （ 1） V/F控制： 通过改变交流电动机定子绕组的供电频率，在改变频率的同时也改变电压，从而达到调节电动机转速的目的。 （ 2） 矢量控制 ： 利用直流电动机的转矩控制的原理，将交流电动机的定子电流在理论上分为两部分： 产生磁场的电流分量（磁场电流）和
13、产生转矩的电流分量（转矩电流） 分别进行控制 ， 同时将二者合成后的定子电流供给电动机。矢量控制 又可 分为磁通矢量，电压矢量，转矩矢量控制等 。 （ 3） 直接转矩控制 ： 也称 为 “ 直接自控制 ” 。 和矢量控制不同，直接转矩控制不采用解耦的方式，从而在算法上 不存在旋转坐标变换，简单地通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制 ，既直接又简化。 2.2 变频调速技术的 特点 交流变频调速系统一般由三相交流异步电动机、变频器及控制器组成 。 交流变频调速的优异特性 ： （ 1） 调速范围较大，精度高 ， 相
14、对稳定性 较 好。 （ 2） 调速时平滑性好，效率高 ， 调速静态精度及动态品质好 。 （ 3） 起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显。 （ 4） 变频器体积小，便于安装、调试、维修简便。 （ 5） 易于实现过程自动化。 （ 6） 必须有专用的变频电源 ，目前造价较高。 （ 7） 在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。 （ 8） 交流 变频 调速系统在节约能源方面有着很大的优势。一方面，交流拖动的负荷在总用电量中占一半或一半以上的比重，这类负荷实现节上海 工程技术大学 成人教育学院毕业设计 (论文 ) 6 / 35 能，可以获得十分可观的节电效益。另一方面，交流拖动本身存在可
15、以挖掘的节电潜力。在交流调速系统中，选用电机时往往留有一定余量，电机又不总是在最大负荷情况下运行；如果利用变频调速技术，轻载时，通过对电机转速进行控制，就能达到节电的目的。工业上大量使用风机、水泵、压缩机等，其用电量约占工业用电量的 50%；如果采用变频调速技术，既 可大大提高其效率，又可减少 10%的电能消耗。 交流变频调速 与直流调速系统相比具有以下显著优点： （ 1） 直流电机的单机容量一般为 12 14MW，还常制成双电枢形式，而交流电机单机容量却可以数倍于它。 （ 2） 直流电机由于受换向限制，其电枢电压最高只能做到一千多伏，而交流电机可做到 6 10kV。 （ 3） 直流电机受换向
16、器部分机械强度的约束，其额定转速随电机额定功率而减小 ，一般仅为每分钟数百转到一千多转 ； 交流电机 可 达到每分钟数千转 ，且运行更为可靠。 （ 4） 交流 异步电动机比直流电动机结构简单，重量轻，价格低 。 （ 5） 交流变频 控制电路比直流调速 系统简单，易于维护 。 2.3 变频调速技术的应用 交流变频调速技术在工业发达国已得到广泛应用。 以美国为例： 美国有 60% - 65%的发电量用于电机驱动，由于有效地利用了变频调速技术，仅工业传动用电就节约了 15% - 20%的电量。 采用变频调速，一是根据要求调速用，二是 以 节能 为目的 。它主要基于下面几个因素： (1) 变频调速系统
17、自身损耗小，工作效率高。 (2) 电机总是保持在低转差率运行状态，减小转子损耗。 (3) 可实现软启、制动功能，减小启动电流冲击。 上海 工程技术大学 成人教育学院毕业设计 (论文 ) 7 / 35 在采用变频调速时，需从工艺要求、节约效益、投资回收期等 各方面考虑。如果仅从工艺要求、节约效益考虑，下面几种情况选用变频调速 是较合适的 ： （ 1） 根据工艺要求，生产线或单台设备需要按程序或按要求调整电机速度的。如：包装机传送系统，根据不同品种的产品，需要改变系统传送速度，使用变频调速可使调速控制系统结构简单，控制准确，并易于实现程序控制。 （ 2） 用变频调速代替机械变速。如：机床，不仅可以
18、省去复杂的齿轮变速箱，还能提高精度、满足程序控制要求。 （ 3） 用变频调速代替用闸门或挡板调整流量适于风机、水泵、压缩机等。例如：锅炉上水泵、鼓风机、引风机实行了变频调速控制，不 仅省去了伺服放大器、电动操作器、电动执行器和给水阀门（或挡风板），而且使得整个锅炉锅炉控制系统得到了快速的动态响应、高的控制精度和稳定性。 上海 工程技术大学 成人教育学院毕业设计 (论文 ) 8 / 35 第 三 章 变频技术在 集装箱起重机作业中 的应用 3.1轮胎式集装箱起重机 在港口作业中的作用 通过近几年来大力、持续的发展， 我国港口 集装箱吞吐量增长迅速。一直以来，集装箱码头堆场装卸采用的是轮胎式集装箱
19、起重机（简称 轮胎吊 /RTG）作业。轮胎式集装箱起重机 （ RTG） 既有通常的轨道式集装箱门式起重机 (RMG)的作业效率高的性能，又具备类似 轮胎式流动机械的机动性，可以大范围灵活调动，具有空间利用率、生产率高和全堆场机动的特点。 RTG依赖自身配置的柴油发电机组供电，但在作业过程中效率低、能耗大，并且随着国际原油市场的动荡及燃油价格的不断上涨， RTG的运行成本也水涨船高。同时 RTG柴油机组供电方式存在：维护量大，运行中废气排放高、噪音大等缺点，与国家 “ 十二五 ” 等规划中提出的节能降耗，以及我 国 国家领导人在哥本哈根 联合国 气候 变化大 会上所提出的 即到 2020年 我国
20、 温室气体排放量在 2005年的基础上减少 17 的自主 减排目 标存在很大 的 出入 。 因此， 我们 对传统 RTG进行节能改造是具有非常重要的战略意义的。 目前传统 RTG节能措施主要有两大类，一是对轮胎吊原有柴油发电机组进行改造和优化，从而降低能源消耗；二是采用市电取代柴油发电机组供电，简称 “ 轮胎吊油改电 ” 。由于采用市电供电， RTG除转场作业外，柴油发电机组将被彻底取代。如此， RTG作业时便可以大幅降低 RTG运行成本和能耗成本，是一种非常彻底的节能方法。 3.2 轮胎吊油改电供电方案 就轮胎吊 的 油改电方案而言，主要区别在于供电方式的不同。主要有电缆卷盘供电、低架滑触线
21、供电和高架滑触线供电三种方式。 3.2.1电缆 卷盘供电方案 电缆卷盘供电方式的供电系统由电缆卷盘、控制系统、电缆沟、电缆快速插头、地面接线箱等共同组成。当 RTG沿堆场跑道行走时，由电缆卷盘的控制系统根据 RTG行走时上机电缆的张力，通过变频控制来调节电缆卷盘的收放，使之与 RTG的行走速度相匹配，保证上机电缆的安全。上机电缆经导缆架引导进入电缆沟，电缆端部通过快速插头与地面接线箱连接获得电源。 上海 工程技术大学 成人教育学院毕业设计 (论文 ) 9 / 35 3.2.2低架滑触线供电方案 低架滑触线供电方式的供电系统由滑触线馈电装置、集电小车及柔性牵引连接装置、上机电缆快速连接装置等共同
22、组成。采用钢体滑触线作为 RTG供电 的导体。一般架设高度为 2至 3米，每隔 3米左右必须有一个电杆作为支撑。 3.2.3高架滑触线供电方案 高架滑触线供电方式的供电系统由滑触线馈电系统、 RTG取电装置等组成。以电车铜滑触线作为载流导体架设在 RTG顶上。一般架设高度在 25米以上，塔架间隔距离约为 150米。 3.3 电力驱动方案 及节能成效 通用型 RTG采用柴油发电机组提供动力，由于系统载荷是变化的、非线性的，因此通用型 RTG在载荷较轻时，柴油机处于标定转速部分负荷运转，柴油发电机组效率较低。据统计，通用型 RTG发动机启动后，用于装卸作业的时 间只有不到50%，其它时间为空耗，一
23、台通用型 RTG每小时空耗的柴油约 15升。轻型电动RTG工作电机和照明均采用市电为动力，只配备小功率柴 -电机组柴油机作为转场使用，满足 RTG机动性要求 。 电动 RTG采用 变频调速 、可编程控制器（ PLC）和现场总线控制组成电力驱动控制系统，实现调速、控制一体化。 整机的主要控制单元都以节点的形式连接到总线上，实现数字信号通讯，具有快速、准确的特点。同时节省了各控制单元间大量的信号线，简化了硬件系统，降低了成本。 结合通用型 RTG与 RMG的优点，对电力驱动技术进行研 究，以电力驱动 RTG完成集装箱装卸、搬运工作 。 轻型电动 RTG起升和小车共用驱动系统。起升 /小车驱动机构采
24、用带 PG(编码器 )闭环矢量控制方式，从而有效的实现了全变频范围内的全转矩控制。对各驱动机构的交流变频驱动方式进行研究，使电机在各个工况下运行时充分利用其有效功率，保证控制安全可靠的前提下节约能源。 轻型电动 RTG采用了 Profibus总线控制方式， PLC分布模块和变频器作为节点串联在总线上，以数字信号通讯实现整机的一体化控制。在物理层上，各通信上海 工程技术大学 成人教育学院毕业设计 (论文 ) 10 / 35 节点之间采用一根通信总线连接，省去了繁杂的控制线及信号线，节 省了系统硬件的数量与投资以及安装、维护费用，提高了系统集成的可靠性。 以 应用四卷筒控制为基础的起升与小车运行
25、一体化技术为例：其能 显著实现结构轻型化，经济性显著提高 。 该设备自重和投资仅为通用型 RTG的 60%，单箱操作能耗降低约 64%（电力折标准煤系数为 0.404千克标煤 /千瓦时），减排二氧化碳 64%，堆场基础投资降低约 1/3。 轻型电动 RTG 与电动 RTG、通用 RTG 主要参数和效益比较表 项目 轻型电动 RTG 电动 RTG 通用型 RTG 吊具下起重量 (吨 ) 35 35 35 整机重量 (吨 ) 110 150160 160180 起升高度 堆五过六 堆五过六 堆五过六 跨度 (米 ) 23.47 23.47 23.47 购置成本 (万元 ) 400450 680720 710750 单箱能耗 0.92 千瓦时 1.32.0 千瓦时 1.22.2 升 (柴油 ) 能源成本 (元 /单箱 ) 0.90 1.271.96 6.7412.36 港口属地 CO2排放 无 无 每标箱产生 (3.25.8)千克 CO2 噪声 小 较小 大 维护成本 低 较低 高 以下，我们将通过一个实例来使我们有一个更深切的体会。 3.4 高架滑触线供电方式油改电在 集装箱码头的应用 3.4.1 上海沪东集装箱码头 概况 以 上海沪东集装箱码头 为例： 上海沪东集装箱码头有限公司（简称沪东公司）管理经营上海外高桥港区四期集装箱码头。
