毕业设计（论文）-变频技术在港口生产作业中的应用.doc

上海工程技术大学成人教育学院毕业设计(论文)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ABSTRACTWith 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: 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, and 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 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 problems. 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 sustainable development of our port.朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典 - 查看字典详细内容Keywords: Inverter Converter, RTG, Belt Conveyor, Energy Saving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。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。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1214MW，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610kV。（3） 直流电机受换向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。 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。 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。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)353535整机重量(吨)110150160160180起升高度堆五过六堆五过六堆五过六跨度(米)23.4723.4723.47购置成本(万元)400450680720710750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)0.901.271.966.7412.36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。自2003年公司成立以来，集装箱吞吐量逐年增长，公司能耗成本特别是油耗成本随之成倍增长（见图1）。同时大量的能源消耗也与国家在“十一五”规划以及未来“十二五”规划中明确提出的节能降耗和污染减排目标相违背。因此节能减排工作成为了重要工作之一。图13.4.2油改电方案选择沪东公司近几年集装箱年吞吐量均高达360万TEU，公司拥有RTG48台，堆场面积78万平方米，堆场使用率高达75%。RTG作业时转场作业和跨箱区作业十分频繁。根据以上实际情况，最终选择了高架滑触线供电方案。此方案具有以下特点：(1)架设高度在25米以上，超过RTG和其他码头移动设备的高度，对港口设备没有妨碍，可避免由于碰撞造成的损失。 (2)RTG司机无需改变操作习惯可操作性好，安全性也强。 (3)在直线箱区间移动自由，保证了绝大部分RTG转场机动性的要求，因此，可以结合其他简单方法，彻底让RTG从柴油发电机中解放出来，并省去相当大的柴油机维护成本。 (4)RTG切换供电时，由于电源开关的安全距离达2米，所以系统安全性很高。 (5)高架滑触线的架线依靠高杆塔架来完成，塔高为34.2米，间隔为150米左右，因此，可选择合适的空间来安装，保证不影响运行，没有碰撞危险。 (6)设备使用寿命很长，主要部件在3050年以上。维护成本低。 (7)系统供电效率高，综合经济性很好。 (8)采用市电供电的RTG，达到了很好的降耗减排的目的。 (9)虽然堆场改造成本相对较高，但考虑到寿命、效率、维护和省略柴油发电机，综合经济性相当优越。(10)该方法不仅适用于老堆场，对于新堆场，由于高空滑触线方式还保留了转场的机动性，所以它在机动性方面比RTG有优势，这是它目前被新建码头看中的重要原因。3.4.3 沪东公司高架滑触线供电方式油改电的应用3.4.3.1 项目范围及主要内容公司已经完成4条RTG作业线改造工作，每条作业线长度为1160米；每条线架设塔架9座，其中中间塔7座，端塔2座。塔架间距为143.6米，高度为34.5米。每条线架设避雷索2根、承重锁4根、铜滑线8根（见图2）。改造轮胎吊32台。图2 作业线立面图3.4.3.2 项目设计概况(1)项目设计指导思想轮胎吊工作时，架空滑触线应保持平直，平即滑触线与地面道路应保持平行，直即要求在最大八级横风作用下，滑触线风致摆动单侧最大值不应超过l米。改造后的轮胎吊要求滑触线距地面高度24米。根据工艺要求并结合场地条件，本工程采用了塔索组合结构作为电线的支撑结构：在场地内每间隔146.3米设置高度为345米钢结构塔架，并在塔架之间张拉承重钢索，由承重钢索及调节挂索将悬挂的滑触电线调节至设计标高并使之平直(每侧箱区设两根承重索及四根滑触线，两侧箱区对称设置)。塔架分中间塔及端塔，中间塔为承重钢索及滑触线提供竖向支撑，端塔为承重钢索提供锚固点。在平行于承重钢索的上部5米处设置避雷索(每侧箱区设一根)。由于工程地址在港口集装箱集中堆放区，对塔架占地的范围有一定的限制，本设计决定采用抗弯性能较好的钢结构空间桁架式的塔架结构，同时桁架主材采用钢管，这样既减小了作用在结构上的风荷载又提高材料的使用效率。塔架横截面为边宽1.5米正方形，主体结构沿高度方向等宽度，通过桁架弦杆截面积的变化达到结构竖向刚度变化的效果(与结构上外荷载产生的弯矩变化趋势一致)。塔架横担在滑触线连接点处设计成滑动或活动构造，以保证铜质滑触线在外界温度变化下的自由伸缩。考虑到安全因素及不影响场内交通，为滑触线在端塔处的张拉配重专门设置了转换桁架、滑轮组及活动钢梁，在满足工艺操作的前提下成功地将配重块置于塔架边的安全区域。（2）塔架基础设计本工程位于港口，地质条件较差，地基土的承载力和侧向土抗力都较低，而集装箱堆放区不适宜采用大开挖基础, 采用混凝土预制方桩，其桩的单位面积承载力高；桩身质量易于保证和检查；桩身混凝土的密度大，抗腐蚀性能强，施工工效高。经计算采用400400预制方桩，桩长32米，桩持力层为5-2-2层粉细砂夹粉质粘土。单桩竖向抗压承载力设计值为800kN，单桩竖向抗拔承载力设计值为450kN。承台基础埋深为自然地坪下2.1米。（3）钢结构设计本工程项目由于港口码头场地可立塔的位置有限，所以采用窄基钢管塔。结构主体为正方形钢结构桁架，现场采用承压型高强螺栓拼装，钢结构与基础的连接采用预埋地锚螺栓。中间塔设计重量约18吨，端塔设计重量约28吨。所有外露钢构件均需作热浸锌防腐处理，镀锌厚度不低于86M。（4）高空滑触线系统的设计双沟铜滑线具有运行可靠、压降小、造价低、通用性强等多种优点。用电线杆将双沟铜滑线架设在24m高空中，重量由钢索支撑，保证其水平双沟铜滑线固定在绝缘瓷瓶吊链上，几根铜滑线水平放置，间距在400mm左右，铜滑线端部采用滑轮或者加以配重以保证铜滑线能够安全可靠地处于水平张紧状态，保证轮胎吊的可靠供电。本次使用的双沟铜滑线是截面积为185平方毫米的铜滑线。（5）避雷系统设计线路防雷采用避雷索作为接闪器，利用塔身作为引下线，接地装置利用建筑物基础，内钢筋及基础槽外敷设的人工接地体，塔身与基础避雷带螺栓连接，基地装置的接地电阻4.0。（6）RTG设备改造RTG上采用一套集电器(每套四根)保证RTG的可靠供电，装有双电源切换开关，可以使得RTG的供电方式能够在柴油机电源和滑触线电源两种方式中任意切换。滑触线集电器的水平摆动范围保证在1000mm，保证在八级以下大风干扰和RTG适当跑偏的情况下也能够正常供电。滑触线集电器的安装高度以集电器受电碳刷高度计算，确定为24米。（7）供电系统设计本项目电源由港区35KV总变引出2路10KV进线电源，接至港区新增高压配电站，再由高压配电站降压至0.45KV后每条作业线的箱式变电站。每条作业线布置2台箱式变压站，可提供8台RTG正常使用。3.4.3.3项目实施情况主要施工流程如下：钢结构拼装钢结构吊装承台制作沉桩避雷索架设绝缘横担安装承重锁架设吊装承重锁架设吊装系统送电滑触线架设3.4.3.4 项目主要难点（1）公司生产作业繁忙，改造工程对日常生产带来较大影响，必需与公司作业部门加强沟通、协调，同时做好现场安全维护工作，以防人员及设备发生安全事故。（2）本工程钢结构采用钢管桁架结构，相贯线放样以及手工焊接工作量大，加工质量和进度控制难度较大。建议设计可以加以改善和优化。（3）本工程为创新项目，在今后使用中应不断积累经验，制定操作流程。同时应对碳刷等易耗件加强检查，制定详细的维护保养计划，确保系统正常运行。3.4.3.5 运行效益分析本项目自投入试运行后的一个月时间内，总计完成集装箱操作量为19万TEU。经过统计分析，项目取得了预期的效果。（1）社会效益通过对能源消耗分析，折合成标准煤，采用柴油发电机单耗为0.976公斤/TEU，采用滑触线供电方式为0.525公斤/TEU，用电比柴油在能耗上节省了46%。 轮胎吊省去柴油发动机后，可以杜绝废气排放，降低设备运行噪声，防止对环境的污染。（2）经济效益经分析轮胎吊采用柴油发电机成本为4.74元/TEU；采用滑触线供电方式成本为1.00元/TEU。用电比柴油在成本上可节约79%，按每台RTG年作业箱量12万TEU计算，年消耗燃油费56.88万元计算，消耗电费12万元，每台一年可节约45万元，按32台RTG配置计算，一年节约运行成本1440万元人民币，按本项目总投资额5500万元计算（包括设备改造），投资回收期为3.8年。 这个项目从最初的设想到实施完毕后在实际作业中的表现让我们看到：节能降耗工作是当前港口发展中的一项长期战略任务，是港口企业贯彻落实党中央提出的科学发展观的具体实践。近年来，港口企业在节能降耗方面采取了一系列的有效措施，取得了积极成效，沪东公司轮胎吊高架油改电项目反映的就是这种努力的成果。节能降耗工作不仅影响企业自身利益，对解决整个国家乃至全球的能源和环境问题也起到至关重要的作用，具有非常深远的意义。 RTG在从使用石油到使用清洁能源的转变，不仅使我们在环境保护方面取得重大突破，也为我们在能耗节约方面提供了有力的提高和保障。特别是在RTG“油改电”之后对于整个大机的电气控制上运用了变频技术，使RTG小车、起升运行平稳，同时在大机待机方面其节能的优势更充分体现了出来。第四章 变频技术在皮带输送机中的应用从二十世纪八十年代末至今，低压交流变频控制器控制交流电机在国内外冶金、矿山、煤炭、电力、机械制造等行业逐步成为非常成熟可靠、非常实用的先进技术设备。在国外，大型皮带输送机驱动电机使用变频器已经有许多成功案例；而在国内，大型皮带输送机驱动电机使用变频器也已经有成功的案例（ABB公司和西门子公司在天津南疆煤炭码头和秦皇岛煤炭码头各有应用）。以690V低压变频调速装置在输送机上的应用为例：该系统可应用于长距离输送机恒转矩负载的高性能调速驱动过程，在轻载及重载工况下，均能有效控制带式输送机柔性负载的软起动/软停车动态过程，实现各带式机的驱动点之间的功率平衡和速度同步，由此降低快速起动/快速停车过程对机械和电气系统的冲击，避免撒料与叠带，有效抑制带式输送机动态张力波可能对带式和机械设备造成的危害，延长输送机使用寿命，增加输送机系统的安全性和可靠性，并且在降低负载时实现节能。4.1皮带输送机变频技术应用案例 通过以下案例，我们可以清晰的看到变频技术在皮带输送机中应用的广泛程度及其在不同项目内各自表现出的特点及其自身发展。瑞典ABB公司变频设备在皮带输送机上的应用案例：时间地点功率 kW容量长度米说明1996德 国Overburden conveyor2 x 12501 x 6302 x 12501 x 630低压690V14 000 m/h853010025Excavator,弯曲皮带Variable inclination of beltsACV700MD, LGU1999德国褐煤1 x 6301 x 6303 x 900低压690V5400 t/h225381910上坡皮带占总长9 With loading stationuphill 9%ACS600MD, ISU/DSU时间地点功率 kW容量长度米说明2000德国褐煤2 x 9003 x 630低压690V5400 t/h14801552水平皮带传输Horizontal conveyorACS600MD, ISU/DSU2001德国褐煤2 x 12502 x 12504 x 4504 x 6302 x 280低压690V18000 m/h8800 m/h15080SpreaderVariable inclination of beltsACW600MD, DSU水冷方案Water cooled2002德国褐煤3 x 900低压690V5400 t/h1500水平皮带传输Horizontal conveyorACS600MD, ISU/DSU2003塞内加尔磷酸盐3 x 710低压690V1800 t/h6500水平皮带Horizontal conveyorACS6002003中国天津南疆码头4 x 400低压690V3000 m/h7580曲线皮带Curve conveyorACS6002004智利铜矿3 x 20004 x 20001 x 2000中压方案8500 t/h52602795226上下坡皮带传输Uphill and downhill conveyorsACS6000MD2004/2005秘鲁铜矿2 x 8503 x 8502 x 850中压方案8350 t/h815117128623 下坡皮带Downhill conveyorsVSD supplied by third party2004/2005加勒比海捏矿2 x 1904 x 1901 x 132低压690V800 t/h45454750760下坡曲线皮带Downhill curve conveyor system (up to 18%)ACS 800天津南疆码头应用案例Location: Tianjin Port (P.R. China) Belt speed: 3.6 m/secBelt width: 1.6 m Belt length: 7.6 km Capacity: 1.800t/hElectrical capacity of belt conveyor Motors: 4 x 400kW (3 x head, 1 x tail)现场实景：德国SIEMENS公司变频设备在输送皮带机上的应用实例：时间地点功率 kW 说明1998Laubag,Welzow 德国4 x 20003.3kV变频+电机2001Laubag,Nochten 德国3 x 24003.3kV变频+电机2003Jincheng 1# 晋煤集团3 x 12002.3kV变频+电机2003Tianjin Dagang 天津港4 x 15003.3kV变频+电机2003Anjialing 1# 安家岭1#3 x 12002.3kV变频+电机2003Antaibao 安太堡5 x 630690V变频+电机时间地点功率 kW 说明2004Anjialing 2# 安家岭2#3 x 12002.3kV变频+电机2004Pinshuo 4# 平朔4号井3 x 12002.3kV变频+电机2004Jincheng 2# 晋煤集团3 x 18502.3kV变频+电机典型案例：天津港原煤输送机单机长度：8987米 运量：6000吨 带速：5.6米/秒带 宽：1800毫米 带强ST3150 启动时间：323秒驱动配置：3x1500kW + 1x1500kW, 3.3kV, 头尾驱动晋煤集团成庄矿输送机单机长度：2700米 运量：3000吨 带速：4.15米/秒带 宽：1400毫米 带强ST3150 启动时间：175秒驱动配置：3x1200kW， 2.3kV, 机头驱动4.2 变频技术在上海港罗泾二期矿石码头皮带输送机上的应用4.2.1上海港罗泾二期矿石码头工程概况上海港罗泾二期矿石码头工程（以下简称“罗二期矿石码头”）主要从事铁矿石装卸服务及钢厂物流配送服务。码头设计年吞吐量为2200万吨，码头拥有2个20万吨级（减载）矿石卸船泊位， 1个5000吨级非金属矿石卸船泊位；7个20005000吨级矿石装船泊位；1个15000吨级矿石装船泊位。整个码头共计17台大型机械：接卸能力达到2100吨/小时桥式抓斗卸船机4台、800吨/小时1台；装载能力为4200吨/小时的装船机2台、2100吨/小时1台；4台作业能力为4200吨/小时斗轮堆取料机、2台堆料机、3台取料机； 42条带式输送机。配合完成卸船至堆场、堆场至装船、卸船至装船、堆场至钢厂配送四大类作业流程。作为一座高科技现代化的专业码头，整个港区散货系统是全集成综合自动化系统。码头可同时启停8条生产作业流程。在国内外散货码头同行中，罗二期矿石码头拥有多个首创：首次提出公共码头与大型钢铁企业之间的工业物流配送新理念，实现物流链与生产链的无缝衔接，成功建立“前港后厂”式这种新型物流配送模式。实现每年约600万吨的铁矿石及辅料货种经皮带机安全高效准确地直接输送到钢厂厂内高炉；首创全港带式输送机变频器驱动，建立全变频驱动控制系统；同时也是国内首个成功建立“管控一体化”信息化散货码头。罗二期矿石码头所有42条带式输送机系统采用全变频驱动，皮带机总长约20公里，总装机容量为1.6245万千瓦,17台大机总装机容量为1.96万千瓦。4.2.2上海港罗泾一期、二期皮带输送机对比罗泾一期码头（以下简称“罗一期”）作为罗二期矿石码头的前身，其输送皮带机所采用的是传统10KV交流电动机直接启动控制方式。10KV交流电动机直接启动是中大功率电动机长距离配电和控制最传统的方式，采用单台高压开关柜控制单台高压电机系统构成简单，初期投资较少。但在罗二期矿石码头，不论是输送皮带机的数量还是皮带输送机的距离都要远远大于罗一期的规模，并且罗二期“前港后厂”的工作模式，其皮带输送机的启停次数也注定将远超罗一期时的工作启停次数。具体来看，倘若10kV交流电动机直接启动控制方式应用于罗二期矿石码头的工况下，它将会存在以下问题：（1） 输送钢厂的特点：品种多（8种）、批次多（27次/天）、运量小（4.57分钟/次46分钟/次）；装船特点：装船过程时间短，换船频繁且换船等待时间不确定；卸船特点：清舱时间长、运量小、按舱单换舱；上述工序具有相同的输送工艺特性，流程起停、更换频繁、装卸负载不平衡，如果使用传统的10KV电机直接启动驱动控制方式，电气设备特性要求不允许15钟内设备连续停止再启动，因此，要实现钢厂的原料运输与连续1000吨以下驳船装船只能采用流程设备空载运行进行流程转换，为此而产生的相关皮带输送工艺流程机械和电气设备的空载运行率高达30%，设备占用率大、电能浪费很大，装卸成本大。（2） 在线直接启动定速电机，经验告诉我们会有一个高于额定电流6倍以上的浪涌启动电流。8个流程同时运行时，16880KW皮带机及15台大机同时工作，供电系统将面临严峻问题，特别是重载启运的情况下，它会造成整个港区电网的较大压降，甚至局部跳闸，对供电设备造成严重损害。（3） 10KV 1.92万KW电机的无功功率补偿系统昂贵，使用不方便，容易造成欠补偿和过补偿，同时维护成本高。下面我们拿全变频驱动控制系统控制皮带输送机与10KV高压交流电机直接启动控制方式进行对比，我们可以看到全变频驱动控制系统具有以下几个优点：（1） 变频驱动效率高。使用变频调速装置来取代机械的调速方式，特别是在变转矩应用场合，他的最大好处是节能。与高压直接驱动定速电机的过程相比，变速驱动系统仅从电网中吸取必要的及满足输出所需的功率。特别是在流量或输出较低的情况下，即部分负荷或低负荷的情况下，节能效率明显提高。（2） 软启动能力/延长电机寿命，避免电网冲击。高压直接启动定速电机，经验告诉我们会有一个高于额定电流6倍以上的浪涌启动电流。这个电流中的一部分在电机内部以有害的热能形式散发。另一方面，供电系统也会面临问题，特别是电网较弱的情况下，它会造成较大压降。根据不同的应用场合，变频器的控制功能可以将启动电流限制在电机的额定电流甚至额定电流以下的任何电流值，这样便可以降低对电机及电网的压力。启动/停机运行稳定受控,能有效抑制启动和停机过程对机械设备和电气设备的危害性冲击，降低设备使用维护成本。（3） 变频驱动系统能自动控制电机启动过程电流, 降低总配电难度。实时自动检测驱动电机的故障隐患，极大提高皮带输送机驱动系统的稳定性和可靠性。（4） 皮带输送机的闭环力矩控制：对于恒转矩传动系统，采用DTC技术或每台电动机使用一个1024脉冲或更高分辨率的增量型脉冲编码器，结合闭环力矩控制技术，以获得最高的动态特性和速度精度。变频器采用先进的控制方式，能够精确控制任何标准鼠笼电机的速度和转矩。（5） 功率平衡和速度同步好, 工作损耗低，低速运行稳定，多机同步驱动容易实现。实际的功率平衡和速度同步是长皮带输送机现场所需的关键技术，而机械和液压驱动系统往往难以实现。（6） 功率因数高，无须配置大容量无功功率补偿设备；同时减少使用43套高压开关柜，降低了总配电成本。（7） 取消机械附属设备液力耦合器，降低机械设备成本，并可有效避免机械共振。（8） 设备容量配置满足重载启动要求，设备使用可靠性高,维护方便，寿命长。（9） 系统设备主要由高压开关、变压器、变频器、交流变频电机构成，设备生产商多，可选用的品牌多，设备生产制造和售后服务标准化程度高（10） 满足罗二期特殊工艺向钢厂精细配送要求。对钢厂直接输送配送矿石原料，输送工艺特性是：多品种、多批次、小运量，流量动态变化大。而变频控制系统具有灵活启动/停机的功能。为保证罗二期码头向钢厂精细配送矿石原料工艺流程、以及在装船输送工艺流程和卸船清仓流程的合理、稳定、顺行操作及极大降低生产用电损耗，降低生产运行成本成为可能。实现系统的高效启/停控制和调速运行，具有机械和液压调速方式不可比拟的优势，通过精确的驱动数学模型实现优化的动态驱动过程，可调速度运行及验带；由此带来的效益是降低机械和皮带的投资，并有效延长皮带输送机转动部件如齿轮箱、托辊、滚筒的使用寿命，保护输送系统的安全。（11） 易与目前PLC控制设备相结合：1. 根据现场控制系统的实际情况，变频器与现有控制系统的通讯可通过变频器配置的I/O口、设备总线及通讯口来实现。2. 多机驱动变频器自成系统，在调试过程中，变频器将被设置成主/从控制，以便实现变频器之间的转速同步、负荷分配以及变频器的重载启动。控制系统只需与主驱动装置相连。3. 为了优化皮带机的启动和停车特性，驱动系统采用优化的S形曲线启动，使皮带机的启动更平稳；同时，皮带机的停车过程将通过变频器可控停车。4.2.3上海港罗泾二期矿石码头皮带输送机使用现状及其改进罗二期矿石码头于2007年7月正式投产。虽然码头采用了全变频的皮带机控制运行方式，但随着公司生产持续发展，装卸生产规模不断扩大，能源消耗也越来越大。纵观全港能耗现状，每月200万度以上的用电量，生产用电成本占到95%以上。原先设计时考虑到的节能效果并没有体现出来。原因出在哪里呢？4.2.3.1 码头实际情况矿石码头装卸以铁矿石、石灰石、焦碳等散货为主，码头生产装卸都是通过组织运行生产作业流程完成。众所周知，散货码头装卸作业过程中都存在流程空放现象，流程空放越多就意味着电能损耗越多。最大限度减低流程空载运行时间，就意味着节约下这些无效功耗。如何才能解决这个困挠散货装卸作业几十年的老大难问题？这需要突破装卸作业瓶颈，打破散货行业习惯。在充分研究分析码头自身系统设备特点后，罗二期码头开拓性进行如下技术优化创新，确立散货码头装卸流程设备系统综合改造项目，制定节能优化的方向应从在整个装卸流程运行中挖掘潜能。针对散货流程作业整个工艺特点，分析中控系统控制程序，借助SIEMENS变频技术，开发流程皮带计量系统，改造应用剪式抓斗等进行广泛细致系统技术讨论研究。从控制、驱动、工艺、计量、管理系统共同解决装卸流程过程中能耗空放问题。4.2.3.2改进内容及其效果以及计算依据为解决降低能耗这一要求，并结合实际生产过程中的特点，我们确定了两个项目：项目（1），压缩流程启动过程时间。减短带式输送机启停时间，以优化流程启停时间系统。通过改变中控控制程序，优化变频器启停控制参数，大大减少整条流程每个皮带空载启动时间，达到节能目的。项目（2），改变传统散货只有单一的逆式流程启动工艺，增加顺式启动流程工艺。通过散货码头整个流程启停顺序控制工艺改造，消除皮带空载等待时间