（控制科学与工程专业论文）港口皮带机传输系统节能技术的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 针对港口皮带机传输系统出现的“大马拉小车”现象，国内外对皮带机的 节能改造进行了研究并已取得了一些成果，本文首先对这些技术进行了介绍和 分析，包括皮带机流量自动控制技术、异步电动机y 一接法变换节能、皮带机 降电压技术和减电机运行节能技术。这些技术为本文讨论的项目节能研究提供 了很好的参考价值。其中减电机运行节能技术实施方便、成本低、周期短，系 统运行稳定可靠，尤其适用于港口散货的输送系统及相关场所，具有显著的节 能效果和广泛的推广应用价值。本文针对这一节能技术开展研究工作。 论文首先介绍了港口皮带机的数据采集系统，并对系统在空载、重载条件 下三台电机运行和停运一台电机、两台电机运行的实验数据进行了分析。从理 论上分析了“2 台电机持续运行，1 台电机辅助运行的减电机节能运行的节能 效果。 然后论文从理论上对减电机运行方案中切换电机再投入运行的瞬态过程进 行了详细的分析，得出了切换电机重投入过程存在很大力矩冲击和电流冲击的 结论。针对这一问题，论文分析了采用传统的添加超越离合器控制方式的方案， 提出了变频启动控制方式的解决方案，并对两种控制方式的原理进行了详细的 分析，从理论上论证了变频启动控制的可行性。通过对两种方案在效果上和成 本上的比较，得出皮带机减电机节能运行方案需要采用变频启动控制方式的结 论。 论文最后利用计算功能强大的m a t l a b 仿真软件对皮带机驱动系统进行建 模，重点对节能技术中切换电机再投入运行的过渡过程进行了仿真。论文对系 统直接启动运行、带超越离合器的直接分时启动运行和变频启动控制方式下的 系统模型进行了仿真实验，研究了切换电机再投入运行时的动态特性和静态特 性，仿真结果表明与传统的采用超越离合器方式相比，变频启动控制方式在减 小力矩冲击和电流冲击方面有着良好的表现，证明了变频启动控制系统的有效 性和可行性，这一结论对皮带机传输系统的设计及系统改造有着重要的理论指 导意义。 关键字：皮带机，电动机，节能，变频启动，仿真 武汉理工大学硕士学位论文 。_ - _ - _ _ - _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ - - _ _ _ - _ 一 a b s t r a c t n o w ，as e r i o u sp h e n o m e n o ni nt h ep o r tc o n v e y o rs y s t e m so f t e na p p e a r s ，w h i c h r e s u l t e di ne n o r m 0 1 k sw a s t eo fe n e r g y t h em a i nr e a s o ni st h a tt h ep o r tc o n v e y o r s y s t e m so f t e nr u nw i t hn ol o a do rl i g h tl o a d i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m ，s o m e e n e r g y - s a v i n gt e c h n o l o g i e sf o r t h eb e l th a v eb e e ns t u d i e d a n d ，a n ds o m ea c h i e v e m e n t s h a v eb e e no b t a i n e df o r md o m e s t i ca n da b r o a d t h ea c h i e v e m e n t si n c l u d et h e t e c h n o l o g yo fc o n t r o l l i n g b e l tm a c h i n ef l o wa u t o m a t i c a l l y , t h et e c h n o l o g yo f t r a n s f o r m i n gt h ec o n n e c t i o no fa s y n c h r o n o u sm o t o rf o r m ”y ”t o ”a ”，t h et e c h n o l o g y o fl o w e r i n gt h ev o l t a g eo ft h es y s t e ma n dt h et e c h n o l o g yo fr e d u c i n gt h en u m b e ro f m o t o r s t h e s et e c h n o l o g i e sa r eg o o dr e f e r e n c ef o rt h es t u d yo ft h ea r t i c l e b e c a u s e t h et e c h n o l o g yt h a tr e d u c i n gt h en u m b e ro fm o t o r s1 螂t l l ea d v a n t a g e s o f i m p l e m e n t e a s i l y , l o wc o s t ，s h o r tc y c l e ，r e l i a b l eo p e r a t i o n ，a n d i ti se s p e c i a l l yf o rt h e p o r tb e l tt r a n s m i s s i o ns y s t e ma n d r e l a t e ds i t e s ，s ot h ep a p e rm a i n l yd o e sr e s e a r c ho n i t t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c t st h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mo fb e l ts y s t e m ，a n d a n a l y z e st h ed a t ao ft h em o t o rp a r a m e t e rw h e n3m o t o r sa r er u n n i n ga n dt h ed a t a w h e ni u s t2m o t o r sa r er u n n i n g b a s e do ni t ，t h ep a p e ra n a l y z e st h ee f f e c to ft h e p r o g r a mt h a to n eo f t h em o t o r si sc u to f fw h e n3m o t o r sa r ew o r k i n gt o g e t h e r t h e nt h ep a p e ra n a l y s i st h et r a n s i e n tp r o c e s sw h e nt h es w i t c h i n gm o t o ro p e r a t e a g a i ni nt h ep r o g r a mt h a tt w om o t o r sr u nc o n t i n u o u s l ya n do n em o t o ra s s i s t e di n t h e o r e t i c a l l y , a n dc o n c l u d et h a tt h e r ei sab i gt o r q u ei m p a c ta n dc u r r e n ti m p a c t i nt h e t r a n s i e n tp r o c e s s t os o l v et h i sp r o b l e m ，t h ep a p e ra n a l y z e st h et r a d i t i o n a lw a y o f a d d i n gt h ec l u t c ht ot h es y s t e m ，a n dp r o p o s e st h ep r o g r a mo fu s i n gt h ef r e q u e n c y v o l t a g ec o n t r o lm e t h o d i na d d i t i o n ，t h ep a p e rd o e sd e t a i l e da n a l y s i s o nt h et w o m e t h o d s t h a tp r o v e st h a ti ti sf e a s i b l eo ft h ef r e q u e n c yv o l t a g ec o n t r o lm e t h o d t h e p a p e ra l s oc o m p a r e st h et w om e t h o d si ne f f e c ta n di nc o s t ，a n dc o n c l u dt h a t i t i s n e c e s s a r yt oa d o p tt h et e c h n o l o g yo ff r e q u e n c y c o n t r o lm e t h o d f i n a l l yt h i sp a p e rd o e sr r i o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nf o rt h em o t o rs y s t e mb a s e d o n s i m u l i n k t h ep a p e rd o e se x p e r i m e n t so nt h es y s t e mi nt h ef o l l o w i n gs i t u a t i o n ：t h e n 武汉理工大学硕士学位论文 _ _ - - 一一 。 s w i t c h i n gm o t o rs t a r t u pd i r e c t l y , t h es w i t c h i n gm o t o rs t a r t u pw h e na d d i n gc l u t c ht oi t a n dt h es w i t c h i n gm o t o rs t a r t u pw h e na d a p t i n gf r e q u e n c y v o l t a g ec o n t r o lm e t h o d a n dd o e ss o m er e s e a r c ho nt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n ds t a t i cc h a r a c t e r i s t i c so f t h em o t o r s n es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ef r e q u e n c y v o l t a g ec o n t r o lm e t h o d h a sag o o dp e r f o r m a n c ei nd e c r e a s i n gt h et o r q u ei m p a c ta n d c u r r e n ts h o c k s c o m p a r i n gw i t ht h et r a d i t i o n a lm e t h o d ，w h i t c hp r o v e st h a ti ti se f f e c t i v ea n df e a s i b l e o ft h ef r e q u e n e y v o l t a g ec o n t r o lm e t h o d t h ec o n c l u s i o nh a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a l s i g n i f i c a n c ef o rm ed e s i g na n dr e f o r mo ft h eb e l tt r a n s m i s s i o ns y s t e m k e y w o r d s ：b e l t ，m o t o r ，e n e r g y - s a v i n g , f r e q u e n c yc o n t r o lm e t h o d ，s i m u l a t i o n i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 签名：盔佥盘日期： 丝2 1 2 ：厶：2 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 f 一 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：夺丹丹 导师( 签名) ：) 夙日期如i 彭2 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 电机节能技术及皮带机的国内外发展现状 1 1 1 电机节能技术的国内外发展现状 经济的高速发展带来了国民经济的持续增长，但是能源的巨大消耗也造成 资源的日益短缺，现在全球各国都己认识到“节能降耗”的重要性。当今，如 何满足迅速增长的能源需求，实现能源的清洁高效利用，是我国面临的一次严 峻的挑战，而节能是解决这一问题的根本途径，这就意味着我们需要大力推进 节能技术，提高能源的利用效率n 1 。因此我国推出了“节能优先，降低能耗”的 能源发展战略思路，并且进一步提出要建设能源节约型企业，此中的“节约一 具有双重含义：其一是相对浪费而言的节约。其二是要求在经济运行中对能源 需求实行减量化，即：在生产和消费过程中，用尽可能少的能源，创造相同的 财富甚至更多的财富。这种节约要求彻底转变现行的经济增长方式，进行深刻 的技术革新，真正推动企业的全面进步。 电工行业的电机节能技术是我国节能减排战略的重要组成部分，是国家的 要求，也是企业提高经济效益的迫切需要。在一定意义上说，企业的竞争，更 是技术的竞争，是提高资源与能源效率的竞争。 电动机是我国最主要的用电设备，广泛应用于工业、商业、农业、公用设 施和家用电气的各个领域，用于拖动皮带机输送机、风机、泵等各种设备。电 机系统包括电动机、被拖动装置、传动控制系统。根据我国国家发改委2 0 0 3 年 的调查结果，电机系统耗电约占我国用电量的6 0 以上心1 。 由于电机系统消耗了大部分的工业用电，因此提高电机系统的能源利用效 率水平对于我国的能源节约和环境保护都具有相当重要的意义。根据国际协会 预测，在我国通过提高电动机的能效标准和推广高效电动机的应用，到2 0 1 1 年 节电数量可累计到7 6 4 亿千瓦时，二氧化碳排放量可减少7 6 4 0 万吨比1 。欧盟预 测，对不同功率的电机效率提高1 - - - 6 ，可节能3 ，每年可节约电能2 7 6 亿千 瓦时，相当于5 座1 0 0 万千瓦电站的供电能力口1 。可见，电机的节能潜力是非常 巨大的，因此也是非常必要的。 1 1 1 1 我国电机系统的能效现状 武汉理工大学硕士学位论文 与发达国家比较，我国的电机系统尚存在很大的节能潜力和技术升级空间， 主要表现在： ( 1 ) 电动机和被拖动设备效率低 我国生产和在用的电动机以y 系列为主，占据了近9 0 的市场份额，其效率 平均值为8 7 3 。美国高效电动机效率平均值为9 0 3 ，该效率为美国能源政策 法令所规定的市场准入水平，美国超高效电机的效率平均值为9 1 7 。我国y 系 列电动机效率比美国等先进国家的高效水平平均低3 ，比美国超高效水平平均 低4 4 叫。 ( 2 ) 系统运行效率低 由于工程设计规范规定的余量过大、过于保守以及主机设备设计和配套环 节留余量过大两个原因使得系统匹配不合理，电机实际负载率低、“大马拉小 车现象突出，以至于设备长期低负荷运行，这是导致电机能效水平低的重要 因素2 1 。 ( 3 ) 节能技术和装备水平相对落后 节能型电机推广难，国内市场难以打开。目前，国外变频调速技术和产品 主导我国电机系统市场，采用i g b t i g c t 电力电子器件的高压变频器及技术主 要靠国外进口，价格较贵，而且安全可靠性方面还有待进一步提高，企业不愿 承担经济和技术风险，因此采用变频调速的电机系统仍为少数，不到总量的 1 0 【2 】o 根据美国和欧盟电机挑战计划，空气压缩机系统、泵类系统以及风机系统 的节能潜力分别为1 0 札5 0 、2 0 9 6 - 4 0 、2 0 9 6 r 6 0 。由于这三个系统就占了全国耗 电量的4 0 7 ，因此开展电机系统节能对于实现我国“十一五”期间单位g d p 能 耗下降2 0 的节能目标，建设节约型企业、发展循环经济和清洁生产的任务具有 重要的意义心1 。 1 1 1 2 电机系统节能潜力分析方法 如图1 - 1 所示，电机系统的电能在每个环节均有效率损失，所以，要想达 到电机系统的节能，就要追求每个环节效率的最大化，从而达到整个系统效率 的提高心1 。由于电机系统最终的目的是驱动负载的运行，因此在分析电机系统节 能潜力应该是逆着电能流向的方向，如图中虚线所示1 。在节能技术多样化的当 下，研究出了一项提高电机系统效率的最有效的方法一应用系统的方法对系 统进行评估，其步骤为口1 ： ( 1 ) 分析当前的生产需求，预测未来的生产发展需求； ( 2 ) 了解系统当前的参数和运行状态； 2 武汉理工大学硕士学位论文 电_ 机启 动器 终端 设备 供电 线路 流体 系统 电机速度 控制装置 拖动设备 ( 泵、风机等) 电动 机 联轴 器 一 能量方向节能分析方向 图1 - 1 电机系统电能流向和节能分析方向 ( 3 ) 收集系统运行数据并对其进行分析； ( 4 ) 提出改进的系统设计方案； ( 5 ) 比较多种潜在的节能方案，确定技术上最可行、投资回报最合理的方 案； ( 6 ) 实施确定的方案； ( 7 ) 继续检测和优化系统； ( 8 ) 继续运行并维护系统，保证系统高效运行。 1 1 1 3 电机节能技术 1 ) 正确选型 电机选型的一般原则：( 1 ) 选用高效电机。按节能的需要，为避免“大马 拉小车 的浪费现象出现，港口皮带机应选用高效电机，并且还必须减小电机 的浮装容量，尽量使电机负载率始终保持在8 0 以上h 3 ；( 2 ) 优先选择y 、y x 系 列异步电机。我国自行设计的y 、y x 系列异步电机效率比老式j o 系列电机效率高 h 1 ；( 3 ) 改造磁性材料和设计结构。由于电机空载损耗( 铜损耗和铁损耗) 的 不可避免性，就要采取措施减少这种损耗，这就需要采用损耗低、导磁性较好 的磁性材料，同时为了降低杂散损耗还要想法改进设计结构和制造工艺，这会 增加高效电机的制造成本h 1 。但是对于长期连续运行且负载率较高的工况采用高 效电机是合适的。 另外，电机选型时还需考虑以下几点因素似1 ： ( 1 ) 基于转子效率的不同，相比绕线型电机，宜优先选择鼠笼型电机； ( 2 ) 基于功率因数的不同，相比低速电机，宜优先选择高速电机； ( 3 ) 基于电压等级不同，当负载较大时，相比低压电机宜优先选择高压 电机。 3 武汉理工大学硕士学位论文 2 ) 提高功率因数 由电机学知识可知，异步电动机运行时必须从电网中吸取无功功率，它的 功率因数永远小于1 。空载时，定子功率因数很低，不超过o 2 。当负载增大时， 定子电流中的有功电流增加，使功率因数提高。接近额定负载时，功率因数最 高。如果负载进一步增大，功率因数又开始下降。由于异步电机在运行过程中 会在电网中吸取大量的感性无功功率，这样，就会使电网中的功率因数变小， 电机的运行效率下降。这时可以采取无功补偿的方法予以调整。无功功率补偿 的作用是提高电网的功率因数，降低供输送线路的损耗，提高供电效率。补偿 方法有：( 1 ) 并联电容器：通常是在电动机的出线端并接电容器，因为电机的 端电压未变，所以电机的运行状态不会改变，而电容器本身消耗的功率很小( 可 忽略不计) ，所以可以提高线路的功率因素n 1 。( 2 ) 如果是大容量的绕线式异步 电机，可通过让其同步运行的方法达到无功功率补偿的目的口1 。( 3 ) 安装功率因 数静补装置b 1 。保证有功功率恒定的前提下，提高电网的功率因数，使系统的视 在电流有所减小，降低了供电系统的损耗。 3 ) 调速节能 ( 1 ) 串级调速节能 如图1 - 2 所示，串级调速原理：异步电机运行时，转子线圈中会产生感应 电势，此电势经过三相整流桥变为直流，再由三相全控桥逆变为5 0 h z 或6 0 h z 的 交流电流，然后通过变压器将转差功率反馈到电源h 1 。这样改变逆变桥的的晶闸 管触发角就可以调节电机的转速，并且，转差功率的反馈保证其可以被电网再 利用，这样使得当异步电机处于低速状态时就可以节约大量的电能 ，。 一 亘亟 叫二垂垂 垂垂卜| 变压器 _ 图1 2 串级调速原理图 ( 2 ) 变压调速节能 当同步转速不变时，电机的电磁转矩z 与u 2 成证比，若电动机拖动恒转矩 负载，降低电源电压可以降低转速。而异步电机处于轻载状态时，降低其外在 的电源电压，也可以实现节能。异步电机正常运行时，转子轴输出的力矩包括 电磁转矩乃和空载转矩t o ，若忽略空载转距瓦，则电磁转距r e 等于负载转距乃口1 。 当电源电压减小时，会导致：主磁通减小，从而使励磁电流变小陋1 ；电磁转 4 武汉理工大学硕士学位论文 矩变小，转速下降，从而使得转子电流增加口1 。由电磁理论可知，定子电流等于 励磁电流和转子电流之和，由于在轻载状态下，转子电流的增幅远远小于励磁 电流的减幅，因此，电源电压的降低最终使得定子电流减少，定子铜损随之减 少，从而使电机效率增加口1 。在实际应用中，对接法的异步电机，当负载率低 于5 0 以下时可以改为y 形揍法，此时，电机的相电压降为原来的1 3 ，具有较好 的节能效果口1 。 ( 3 ) 变频调速节能 变频调速节能是一种先进的节能技术，电机变频调速节能原理如图卜3 所 示： 图1 3 变频调速原理图 异步电动机转速的公式： 以= 6 0 f ( 1 一s ) p 式中：n 电机转速； 厂电源频率； 占转差率； p 电机极对数。 由上式可知，电机转速和电源频率有关，通过改变输入的电源频率来调节 电动机的转速。大型变频装置可在效率基本不变的情况下，通过驱动电源电压 和频率，平滑地调节电机转速b 1 。这一节能方式广泛应用于拥有风机、水泵这类 设备的企业和单位。采用变频装置，通过改变风机、水泵电机的转速，就可以 改变所需要的轴输出功率，从而可达到很好的节能效果。 1 1 1 4 结构改造 在老式电动机的基础上进行改造： ( 1 ) 更换电动机的外风扇为节能型，对于不同型号的电动机，有对应的 节能型风扇产品可供选用。”。这种节能主要针对拖动负载是单方向运转的2 极和4 极电动机，改后可提高效率1 3 5 - - 2 5 5 ，改造后的风扇效率甚至可高达6 7 左 右，因此这种风扇被称为节能风扇瞄1 。 ( 2 ) 更换原来的槽楔为磁性槽楔。高压异步电机的开口槽所引起的齿谐波 磁通，在定、转子铁心中产生的表面损耗和脉振损耗约可达铁耗的7 5 口3 。如果 武汉理工大学硕士学位论文 定子槽楔改用磁性的，就等于缩小了定子的槽宽，减轻了槽对气隙磁场分布的 影响，从而可使铁耗下降5 0 左右1 。同时能使空载电流、空载损耗、定子铜温、 定子铁温、噪音和启动电流下降，从而提高电机的效率和功率因数，并且设备 温度的下降也会增加电机的使用寿命b 3 。虽然启动转矩会下降1 0 2 0 ，但很适 合空载或轻载启动的电动机改造。 ( 3 ) 保持匝数和截面都不变，更换定予铝线为铜线 这可结合修理电机时进行。由于铜的电阻率低于铝的电阻率，如果铝线换 成铜线之后，定子绕组的铜耗就会降低哺1 。损耗的减少使得电机温度降低，从而 可延长电机的使用寿命。 ( 4 ) 更换定子黑绝缘为黄绝缘，增大铜线截面 在室温下，黑绝缘线圈和黄绝缘线圈的击穿场强分别为1 4 1 8 3 k v m 和2 5 3 0 k v m mt e l 。因此在同一电压等级下，黄绝缘要比黑绝缘薄，当将黑绝缘换成黄 绝缘后，铜线的截面积增大，定子线圈的电阻值降低，因此相应的铜损减少， 从而提高了电机效率，而温度的降低又延长了电机的使用寿命哺1 。 1 1 2 皮带机的国内外发展现状 皮带机的发展已有1 5 0 余年的历史，它是散状物料运输的理想设备，能以 高速度、自动化、连续性的作业实现物料的传输。当今，在许多场合，无论衡 量标准是输送量、运送距离还是经济效益，采用带式输送机都有着比路上交通 的汽车、火车更为优越的性能口3 。比较常见的是目前港口码头的装煤卸煤运行都 会选择使用带式输送机，其原因是采用汽车运输投资较大，不仅要修建公路， 购买汽车，而且还要投资日常的公路和汽车维修费；而带式输送机输送散状物 料是连续的物料流，生产效率比较高口1 。1 9 8 3 年a r o b e r t s 等就提出了一份关 于长距离带式输送机与汽车和铁路运输相比较的统计研究报告，指出当运输距 离小于5 0 k m 时，最经济的方式是采用带式输送机进行物料输送1 。目前，带式 输送机已被广泛应用于煤炭、冶金、矿山、港口、电力、粮食和化工等领域呻1 。 随着国民经济的飞速发展，这些领域对散状物料的输送提出了新要求，带式输 送机也相应的发展成为具有长距离( 指单机输送长度，国外最长达1 5 0 0 0 m ，国内 最长达8 9 8 4m ) 、大运量( 高带速和大带宽) 和大倾角输送物料能力的大型皮带输 送机引。 1 1 2 1 皮带机系统结构 6 武汉理工大学硕士学位论文 管理级 监控级 控制级 现场级 图1 - 4 港口皮带机系统结构图 ( 1 ) 现场级 一般位于被控生产过程设备附近。港口皮带机现场级包括电气控制系统， 驱动系统和输送系统。电气控制系统主要采用p l c 控制器为核心的逻辑控制系 统。皮带机驱动系统主要由鼠笼式三相异步电动机、耦合器、减速器等构成。 皮带机输送机构则由输送带、滚筒、托棍、拉紧装置、机架和取料机组成3 。 ( 2 ) 控制级 一般来说，皮带机的过程控制主要由中控室p l c 集中联锁控制，这种方式便 于中控室综合操作，操作员可以在工控机上通过预先装好的组态软件来进行启 动或停止系统的操作，也可在操作台上通过按启动、停止按钮来控制系统的运 行、停止n 引。 ( 3 ) 监控级 7 武汉理工大学硕士学位论文 其主要设备有运行员操作站、工程师站和计算站。这些设备安装在中控室 中。根据皮带机系统设备分布广，距离远，实时性要求高等特点考虑，皮带机 监控系统一般采用现场总线控制。每条皮带或皮带附属设备使用一台现场控制 站进行相对独立的测控，所有现场信号直接进入现场控制分站并且将皮带连锁、 自动开关机等控制功能也全部由现场控制分站完成，现场控制分站输出的控制 信号通过现场的电气控制柜驱动现场皮带运输线上的各种电气设备。整个系统 中所有控制分站都挂接在一对双绞线上，以总线方式连接，主控计算机可以对 整条皮带机运输机进行监控管理。总线与主控计算机通过一定的设备连接引。 ( 4 ) 管理级 它所面向的使用者是厂长、经理、总工程师等行政管理或运行管理人员。 其主要任务是检测企业各部分的运行情况，利用历史数据和实时数据预测可能 发生的各种情况，从企业全局利益出发，辅助企业管理人员进行决策，帮助企 业实现规划目标n 。 1 1 2 2 皮带机驱动系统 1 ) 鼠笼异步电动机在带式输送机上的应用 由于结构简单、制造容易、价格低廉、坚固耐用和工作效率高，异步电动 机在皮带机中得到非常广泛的应用。但是异步电动机起动时存在两个问题：( 1 ) 起动电流比较大，而供电网所承受冲击电流的能力有限； ( 2 ) 起动转矩小，而 负载需要足够大的转矩才能启动。为了尽量满足大型皮带机对驱动装置的要求， 需要对输送机的起动速度进行控制u 副。 2 ) 皮带机电机驱动装置的启动性能n 朝 皮带机的输送带是一个具有粘弹特性的弹性体，其起动过程是一个非常复 杂的动态过程。因此在评价皮带机驱动装置优劣时通常有以下五个标准： ( 1 ) 能否完成启动过程以及启动完成所需要的时间； ( 2 ) 电动机的最大启动电流； ( 3 ) 电动机的最大启动转矩； ( 4 ) 起动过程中电动机有否机电共振等异常现象； ( 5 ) 起动过程中电流的高次谐波含量。 皮带机系统的实际状况需要驱动电机能够转动起来，并很快达到额定转速 正常工作，这就要求电动机有足够大的起动转矩；但是由于供电电网所能承受 的冲击有限，因此又要求起动电流不能太大。因此在改善皮带机驱动装置的启 武汉理工大学硕士学位论文 动性能时，应主要考虑起动电流和起动转矩两个因素，尽量使电机在起动电流 比较小的情况下，获得较大的起动转矩。 3 ) 电动机的传统起动方法 通常来说，鼠笼型异步电动机的传统起动方法有全压起动、降压起动和变 频起动三种。 ( 1 ) 全压启动n 这种方法控制接触器闭合将电源电压加到电机定子端上。其优点：成本低、 稳定性高、使电机产生高转矩、加速时间短；缺点：产生大的电流冲击，其最 大值可以达到额定电流的5 到7 倍，对电网的冲击最大。 ( 2 ) 降压启动n 踟 传统的降压起动方法是通过降低电机的定子端电压来减小起动电流的，它 包括自耦变压器起动、定子串电阻或电抗起动和定子串电阻或电抗起动。其优 点：能使起动转矩显著减小；缺点：电压难以自动地连续调节，启动转矩不可 调，启动中存在二次冲击电流。 ( 3 ) 变频器起动u 嬲 优点：不仅能调节电机的输入电压，还能调节电压的频率，起动时保持电 压和频率的比为一个常数；调节范围比较大，最高起动转矩可以达到额定转矩 的l o 倍，起动电流通常保持额定电流的1 5 0 。缺点：成本比较高。 1 2 本课题研究背景 中国经济的迅速发展引来了世界各国的关注，世界制造中心以及世界贸易 中心逐渐转向亚洲，这为中国港口的发展提供了一个大好机会。如何加大新技 术研究和推广的力度以达到降低成本，提高能源利用率，进而全面提升企业的 核心竞争力成为了港口面临的一大问题。 港口大多数煤炭、矿石等散货堆场都是通过皮带机系统进行传输的，因此 皮带机系统成为了港口散货码头的重要组成部分，其驱动系统一般是由两台或 两台以上电机组成。目前，港口中皮带机系统大部分时间运行在空载或轻载运 情况下，运送物资效率较为低下，出现严重的“大马拉小车现象，这样就使 皮带机驱动系统中的电动机工作于一种非最佳状态，导致电动机能耗较高，系 统功率因数较低，再加上其它一些设备( p l c 、接触器、电缆等) 上能量的损耗， 使得整个系统能量损失比较严重，造成了能源的巨大浪费。因此，研究皮带机 9 武汉理工大学硕士学位论文 传输系统节能技术，对于港口降低生产成本，提高工作效率具有十分重要的作 用。 1 3 论文的研究内容及意义 1 3 1 课题的提出及研究意义 “节能减排”的任务要求企业应该向建设能源节约型企业的方向发展，只 有这样才能更有效的提高企业的竞争力，提高资源与能源效率的竞争力。这罩 所说的“节约 既有相对浪费而言的传统意义，同时它还包含一种特殊意思， 即是在生产和消费过程中，企业以消耗尽量少的能源来创造尽量多的财富。 由于其结构简单，性能可靠，三相异步电动机广泛应用在工业生产中。以 往在设备选配电动机时，常常要考虑设备的最大负载，过载能力和可靠性，因 此比较保守，所选设备就会存在较大裕量。这样当电动机工作在空载或轻载状 态时，就会出现“大马拉小车的现象，使得电机效率和功率因数都较低，造 成了能源巨大浪费。 天津港煤码头有限公司南七南八系统的运行主要是以电动机驱动的皮带输 送机来完成的，皮带机的额定能力为6 0 0 0 t h 、最大能力6 7 0 0 t h ，每条皮带机 由三台电动机通过变速箱、联轴器驱动皮带滚筒来带动皮带机运转，皮带机运 行方式为电机按顺序延时启动后共同运转。此系统自投入使用以来，常常发现 皮带机的重载负荷远低于其额定负荷的状况，这意味着电动机没有正常发挥其 效率，如果长期处在低效率状态( 空载或轻载) 下运转，就会造成电力损耗的 极大浪费。 因此我们可以考虑，当三台电机存在较大浪费的时候就切换为两台电机运 行，而当两台电机运行后，负载需求功率变大，并且有趋势大到两台电机不能 胜任时，就启动第三台电机。从而达到减少电动机及减速箱的损耗，节约能源 的目的。 在节能方案中，存在这样的问题：切换电机重新投入运行时，由于另外两 台电机处于j 下常运行状态，第三台电机的投入过程可能会产生很大的电流冲击 和力矩冲击，这会对机械设备造成损坏，从而减少设备的使用寿命。针对这一 问题，传统的解决方法是采用超越离合器，但是由于超越离合器缓解力矩冲击 能力的局限性并且成本比较高，因此需要寻找更好的解决方案。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 由于具有较高的控制精度，优越的调速以及启制动性能等优点，近年来， 变频技术等到了很大的发展，在节能、减少维护、提高产品质量等方面取得了 明显的效益。变频器可以对电机进行软启动，因此采用变频器能实现消除切换 电机再投入运行时的力矩冲击和电流冲击，这不仅对研究皮带机传输节能技术， 而且还对很多需要电机调速的系统研究都是具有积极意义的。 本文从理论上深入分析力矩冲击存在的必然性，在此基础上，对添加超越 离合器控制方法和变频调压控制方法进行研究，并利用m a t l a b s i m u li n k 对这 两种方法进行仿真研究，证明了传统方法可以在一定程度上缓解冲击问题，而 变频调压控制方法能够基本消除冲击现象，这一研究能为实践提供理论指导。 1 3 2 主要研究内容 根据相关背景及国际标准要求，结合港口皮带机控制系统，论文研究的主 要内容包括t 1 ) 皮带传输系统的系统结构，研究皮带机的节能运行方式； 2 ) 设计皮带传输系统的减电机节能技术方案； 3 ) 通过理论模型，研究切换电机的再投入过程，内容主要包括： ( 1 ) 分析传统的直接分时启动方式下电机再投入时对系统的冲击； ( 2 ) 分析超越离合器的原理和其在电机再投入过程中的应用； ( 3 ) 研究采用变频启动控制方式下电机再投入时对系统的冲击。 4 ) 利用m a t l a b 仿真软件，研究切换电机再投入时的动态过程，从而验证 变频启动控制方式的有效性和可行性。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章港口皮带机传输系统的节能探讨 港口是水陆交通的集结点和枢纽，中国沿海港口建设重点围绕煤炭、集装 箱、进口铁矿石、粮食等运输系统进行，特别加强了集装箱运输系统和煤炭运 输系统的建设，新建成一批煤炭装卸船码头。到2 0 0 4 年底，沿海港口共有中级 以上泊位2 5 0 0 多个，其中万吨级泊位6 5 0 多个；全年完成集装箱吞吐量6 1 5 0 万标 准箱，跃居世界第一位。一些大港口年总吞吐量超过亿吨，上海港、深圳港、 青岛港、天津港、广州港、厦门港、宁波港、大连港八个港口已进入集装箱港 口世界5 0 强。随着港口泊位大型化、专业化的发展和港口装卸设备自动化水平 的提高，港口对能源的需求量也将越来越大，能源费用在港口装卸生产中所占 成本费用的比例也会有所提高。在全国大力推行“节能减排任务的环境下， 为了降低企业的生产成本，提高企业的核心竞争力，港口企业应积极采取措施 以实现减少能源消耗，提高企业经济效益的目的。 港口的煤炭等散货堆场所采用的皮带机传输系统属于输送量大、输送距离 长的大型传输设备。它具有以下特点： ( 1 ) 负载量大，皮带机额定生产率一般在2 5 0 0 - - - 8 0 0 0 t h n 。 ( 2 ) 性能参数高，趋向宽带化和高速化，其长度一般为i 0 0 0 - - 一1 5 0 0 m ，带 宽为1 8 0 0 一- - 2 2 0 0 m m ( 煤炭) ，带速大于4 m s n 引。 ( 3 ) 装机容量大，每条皮带机一般配备两台或两台以上额定电压为6 k v 、 额定功率为3 0 0 - - 一6 0 0 k w 的三相异步电动机n 。 ( 4 ) 输送机分为堆料和取料两种机型，因此作业工况也具有其特殊性，即 当堆、取料机在处在不同位黄时，皮带机上的有料段长度也不一样，这样就造 成了皮带机负载量的较大变化。在这种工况下，皮带机的输送量，远远低于皮 带机的通过能力，导致输送机能耗过高，系统功率因数过低，造成了电能的大 量浪费n 。 由于港口皮带机驱动系统采用了高压异步电动机( 一般为6 k v 的高压) 作为 驱动单元，其对能源造成的浪费相比采用低压控制的皮带机控制系统要大的多， 因此为了降低能耗、提高功率因数，港口皮带机的输送能力应与驱动能力相匹 配。因系统对电能的利用率直接反应在电动机的工作效率中，因此节能研究对 象应首先考虑异步电动机。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 港口皮带机系统效率低的主要原因 港口皮带机系统效率低的主要原因是负荷特性与电动机的转矩特性不匹 配，当电机所带负荷较小时，电机的运行效率较低；当电机所带负荷较大时， 电机才可能以较高效率运行。皮带机在初步设计时一般按最大运输量考虑，而 减速机和电动机的选型原则是等级靠大不靠小n 别，并且由于皮带机系统的托辊 较多，皮带较长，是惯性力矩较大的机械设备，启动所需的功率较大，为了满 足启动的要求，在选择驱动电机时，一般会选配额定功率较大的电动机，一般 均有2 0 ，一- - 4 5 的富余量钉。而当系统平稳运行时其功率相对于启动功率较小， 致使大多数情况下电动机处于轻载状态；另外，当堆、取料机处在不同位置时， 导致堆料和取料皮带机上有料段长度变化很大，使得物料分布不均匀，物料量 连续性差，进而导致皮带机的运行负载变化很大。这些因素导致系统运行存在 着严重的“大马拉小车现象，造成电机功率因数低、效率低。据测试，功率 因数有时候甚至只有0 2 - - 0 3 ，远远达不到供电部门要求的功率因数不得低于 0 8 的要求( 各地有所不同) ，同时还增加了电路不必要的损耗引。 2 2 港口皮带机节能增效的技术与方法 2 2 1 皮带机流量自动控制技术 作业时皮带机上的料流连续性越强、物料分布越均匀、平均流量越稳定，系 统的单吨耗电量就越少；反之则越大。皮带机流量自动控制技术就是基于这一 原理，其控制流量的方式是通过采取皮带机料流检测装置测出的瞬时流量值， 随时对上料设备的数量以及作业速率进行调整。这种自动调节装置可以及时、 准确地调整物料流量，增强料流的稳定性，提高输送机作业效率，降低系统的 能耗 。 天津港散货物流中心就是根据这一原理，发明了种输煤皮带机限流装置， 并把它应用于焦炭长廊皮带机系统。其工作原理如下图2 - 1 所示。 这种限流装置由前段导料槽、中段导料槽和后段导料槽三段导料槽组成。 每段导料槽仓内分别连通一对沿着皮带机并引向地面的料流管，尾部垂直于皮 带机承载皮带的上表面方向分别安装有前段调节闸、中段调节闸和后段调节闸。 各段调节闸的术端和上端分别安装有一块刮料胶皮和一对旋拧螺杆，两只螺杆 武汉理工大学硕士学位论文 对称地连接在调节闸同一侧面上，可通过旋拧螺栓调节刮料胶皮距承载皮带的 高度。 其工作原理是：根据作业煤种粒度的大小，通过旋拧螺杆将该限流装置的 三段调节闸的高度分别调整为h l 、h 2 、h 3 。在作业过程中，当物料经上料区进 入限流装置时，前段调节闸首先将高于h 1 的料流挡在前段导料槽内，这时前段 导料槽将刮料胶皮挡住的物料暂时存于导料槽仓内，等到低料流时这些被挡住 的物料就会落回皮带上并随新一批的料流一起带走。而当料流量一直很大以至 于使得前段导料槽仓内积满刮留的物料时，这些物料就通过两侧的料流管溢出， 并堆积在皮带机两侧作为地脚料处理。中段调节闸和后段调节闸的工作过程也 是同样的道理。在进入转接塔之前，经过整个限流装置后，皮带机上的物料已 被充分调匀，且流量持续稳定n 7 1 。 流量自动控制技术在皮带机上的具体应用大大改善了天津港散货物流中心 皮带机输送系统的现状，主要体现在以下两方面n ： ( 1 ) 避免大流量，增强稳定性，提高作业效率； ( 2 ) 节约成本，降低能源。 限流装置 图2 1 皮带机自动限流装置安装图 2 2 2 异步电动机y 接法变换节能 i- -i ：上料区： ii 由电工学知识可知电动机有三角形( a ) 接法和星形( y ) 接法两种解法。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 三角形接法的特点：将各相绕组依次首尾相连，并将每个相连的点引出， 作为三相电的三个相线。此时电机相电压等于线电压，即u 。- = u 。；电流等于根 号3 倍的相电流，即i 。= 4 3i a l o 星形接法的特点：将各相绕组的一端都接在一点上，而它们的另一端作为 引出线，分别为三个相线。此时，线电压是相电压的根号3 倍，即u v 。= u ，3 ， 而线电流等于相电流，即i y 。= 4 3 i 。 电机所需要的无功功率q = q ，c + q 比，其中q ，c 表示励磁无功功率，q 比表 示漏磁无功功率。由于漏磁无功功率