桥式起重机能效对比测试与分析

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Abstract：The paper introduces the test plan for energy-eficiency comparison test of the overhead crane，with defini-tions of supply energy，efective energy and energy eficiency，and determines to take the energy eficiency as the index forevaluation of craneS energy consumption leve1.Th e energy-eficiency test is perform ed for two typical overhead cranes withthe same model and diferent speed-regulation mean s such as rotor series resistance speed and dynamic braking variable fre-quency speed regulation respectively. tl further analysis for the test results。

Keywords：overhead cran e；energy eficiency；energy-eficiency test； variable frequency speed regulation； rotorseries resistance；energy quality为顺利完成浙江省质量技术监督局科技计划项目 桥式起重机变频改造与对比测试”，掌握转子串电阻调速和变频调速起重机的能耗情况，项目组在前期制定了测试方案，确定了测试条件、测试仪器和测试程序，并于2012年 8月对2台型号为 QD100/50-22.1 A6的桥式起重机进行了现场测试。

1 设备情况该 2台起重机于2010年 9月制造，各机构调速方式均为转子串电阻调速。因使用单位的需要，2012年3月将其中-台起重机各机构的调速方式改造为变频调速，变频调速系统主要由安川变频器、PLC控制系统和联动操作台组成，通过 PLC控制系统处理联动操作台的速度给定信号，调节变频器的输出相序和频率来控制电机的方向和转速。其中，起升机构采用闭环矢量控制模式，大、小车运行机构采用开环的 V/F控制方式；各机构均采用安川 CDBR-4030B能耗型制动单元。因该2台起重机吨位较大、使用较为频繁，选取该 2台起重机进行能效测试具有-定的典型性。表 1为2台起重机的基本情况。

表 1 起重机基本情况表质量/t 速度/(m·min )起升高度 序号 设备型号小车 /m 调速方式整机 吊钩 起升 大车 小车 (含吊钩组)1转子串QD100/50-22.1A6S 86 5 37 4.8 67.8 30 20 电阻调速2 变频调速浙江省质量技术监督局科研计划项目 (20110311)- 114- 《起重运输机械》 2013(8)2 测试方案的确定项目组在确定能效测试方案时参考 了 JT/T314-2009《港口电动式起重机能源利用效率检测方法》和2个正在征求意见的国家标准草案 《起重机械用电动力驱动起升和运行机构能效测试方法》 (征求意见稿) ]、《冶金起重机能效测试方法》(征求意见稿) j，采用了 供给能”、有效能”和 能源效率”3条定义。其中，供给能是起重机按试验方法要求完成-个测试工作周期时实际消耗的能量，有效能是起重机按试验方法要求完成-个测试工作周期时理论上消耗的能量，而能源效率是起重机在-个测试工作周期 内的有效能与供给能之比。

2.1 测试条件和程序为保证测试效果，实施现场测试时在相应产品标准规定的工作条件下进行测试，测试条件和程序符合 JT/T 314-2009《港口电动式起重机能源利用效率检测方法》 中的相关规定。

2.2 测试仪器测试仪器主要采用法国 Chauvin Arnoux公司的 C.A 8335便携式三相电能质量分析仪 ，同时采用了 C193电流钳，该电能质量分析仪可测量的功能有：波形实时显示、半周期有效值测量、自动识别电流钳、各相谐波的测量计算 和显示可达 50次 、总谐波畸变率的计算、相量图的显示 、总及各相 、 和 功率值的测量、总及各相 电能值 的测量、功率 因数的计算、电流和电压不平衡度的计算、启动电流 的测量 ，并具有波形模式、电能/功率模式、记录模式、暂态模式 、告警模式和谐波模式等 6种模式可方便采用。相应 配套 Dataview数据处理软件，可 自动识别与 PC相连的仪器 ，可直接存取仪器内记录的数据 、仪器 的设置、各种实时测量和进行数据库 管理 ，该仪 器 的部分 技术 参数 如表 2所示表 2 C.A 8335电能质量分析仪技术参数参数 线、相电压/V 电流/A 频率范围/Hz 可测电量和电能参数范围 10～1 00o 1～1 200 40～69 、 、 、 、cosp、 、 、精度 O.1 V ±0.8% 0.01 h2.3 供给能的测试供给能的测试通过 C.A 8335电能质量分析仪测量，并按式 (1)进行计算EG3.6 x 10 ∑D (1)i1式中：E 为供给能，J； 为-个测试周期内包含的测试阶段的个数；D 为-个测试周期内第 i个阶段电能质量分析仪测量值，kW ·h，测量值为负值时，为测试对象向电网反馈能量。

电能质量分析仪输入端的接线应在起重机相应机构馈线接人处，具体接线位置示意图见图 1。

2.4 有效能的测试能效测试的核心部分是有效能的测试，有效能的测试包括现场测试数据和理论计算内容。

2.4.1 有效能测试参数的选取现场测试数据需确定测试载荷质量、测试的各机构位移、测试的各机构速度，项 目组对比了国标征求意见稿和 JT/T 3142009《港口电动式《起重运输机械》 2013(8)图 1 电能质量分析仪接线图起重机能源利用效率检测方法》 中测试载荷质量、各机构测试位移和各机构测试速度，并根据- l15 - 现场实际条件情况确定了这些测试参数，如表 3现场测试工况表。

表 3 现场测试工况参数 测试载荷 起升位移 小车位移 大车位移现场测试 550 kN 10m 13.2 In 5O m 和计算取值测试速度以下面原则确定，在单程运行的0～3%测试距离内，按慢速挡操作，3% -97%测试距离内按实际额定速度操作，在 97% ～100%测试距离内按慢速挡操作，调速的运行机构慢速挡规定为 10%额定速度。

每台起重机各机构单独按表 3的参数及上述的测试速度分别重载和空载运行，测试工况则为每个机构每种工况重复测试 3次，通过 C.A 8335型电能质量分析仪测量供给能，取其 3次测量值的算术平均值。

2.4.2 有效能的理论计算有效能的计算应符合其物理过程和运动规律，并能严格遵守能量转换和守恒的基本定律。根据能量转换和守恒的基本定律，有效能的计算按式(2)计算。

9 800(GG1) 500(GG) 219 800(GG1G2) s1500(GG1G2) 9 800(GG1G3) 500(GGlG3) ；9 800G1h500G1 9 800(G1G2) s1500(G1G2)"/3；9 800(G1G3) s2500(G1G3) i式中：E 为-个作业周期的有效能，J；G为额定测试载荷质量，t；G。为吊钩质量，t；G：为小车质量，t；G。为整机质量，t；h为吊钩提升高度，m； 为主钩额定起升速度，m/s； 为小车额定运行速度，m/s； ，为大车额定运行速度，m/s；S 为小车运行的距离，m；S：为大车运行的距离，m；肛为阻力系数，取 0.006。

2.5 能源效率的计算起重机能源效率计算按式 (3)叼 X 100% (3)G式中：E 为起重机在-个作业周期中各机构有效能之和，E。为起重机在-个作业周期中测量各机构供给能之和。

3 测试结果2012年 8月，项目组按照预定的测试方案在 2台 QD100/50-22.1A6桥式起重机进行了测试，测试结果如下。

3.1 能耗情况对 C.A 8335电能质量分析仪中的数据进行整理，得出各工况平均有功电能消耗情况如表4所示。

表4 各工况有功电能消耗平均值 W ·h空载上升 空载下降 小车空载 大车空载 重载上升 重载下降 小车重载 大车重载变频调速 372.99 192.34 42.89 140.40 2 2O2.14 71.51 57.6O 176.01转子串电阻调速 343.77 104.75 57.86 166.52 2 246.57 -1 205.07 68.84 209.50从表5可以得出，变频调速的起重机完成-个完整测试工况所需的供给能为3 327.39 W ·h，根据式 (1)即为 11.978 6×10。J，而转子串电阻调速的起重机完成-个完整测试工况所需的供给能为1 992.74 W h，根据式 (1)即为7.173 9×10。J。

3.2 能源效率式 (2)的计算值为完成-个完整的测试工况所需有效能的计算值，而各分项分别表示空载起升运行、空载小车运行、空载大车运行、重载起升运行、重载小车运行和重载大车运行所需的有效能计算值。根据式 (2)，计算出各机构各工况有效能 和-个 完整 的测试工 况有效 能如表 5所示。

表 5 各机构各工况及完整工况有效能计算值 J空载起升运行 空载小车运行 空载大车运行 重载起升运行 重载小车运行 重载大车运行 完整测试工况490 016 33 342.92 307 746.7 5 880 192 82 9o6.72 504 561.45 7 298 765.79- 116- 《起重运输机械》 2013(8)根据式 (3)，计算出各机构各工况和-个完 整测试工况的能源利用效率，如表6所示。

表 a 各机构各工况及完整工况能源效率调速方式 空载起升运行 空载小车运行 空载大车运行 重载起升运行 重载小车运行 重载大车运行 完整测试工况变频调速 36.49% 21.59% 60.89% 74.17% 39.98% 79.63% 60.92%转子串电阻调速 39.59% 16.01% 51.34% 72.71% 33.45% 66.90% lO1.74%从表 6可以看出，变频调速起重机完成-个完整测试工况的能源利用效率为60.92%，而转子串电阻调速起重机完成-个完整测试工况的能源利用效率为 lO1.74%，这说明转子串电阻调速起重机的能源利用效率比变频调速的高。

4 测试结果分析4.1 变频调速再生制动无法回馈能量从表4可以看出，变频调速起重机重载下降工况消耗的电能为 71.51 w ·h，而空载下降工况消耗的电能为 192.34 W ·h，说明变频调速起重机重载下降工况能耗较校重载下降时重物本身的重力加速度将使电动机转子的转速超过同步转速 (即旋转磁场的转速)，从而使得电动机处于再生发电状态；同样在降低频率使电动机减速时，如果要在比自由运行停车短的时间内减速，此时电动机实际上运行在比同步转速高的速度上，电动机也变成了感应发电机。在这 2种情况下，电动机和负载的惯性能量返回到变频器，变频器直流电路上的电容在充电，泵升直流电压上升。返回的能量很大时，变频器本体会产生过电压保护，使得电动机成为 自由运行，达不到减速的 目的。所 以，必须对起重机反馈的能量进行处理，起重机变频调速的反馈能量处理方式有 3种。

1)能耗制动 的 - (变频 器 )对- (机构)”结构，即各机构分别配备-台变频器，各变频器分别配备相应的制动单元和制动电阻。各机构急速降速和重物等位势负载下降中，电动机处于再生制动状态，急速降速制动的动能和下降位势能均通过制动单元在制动电阻上以热能形式耗散，就可以提高变频器的减速能力，这种方式叫做再生制动。

2)回馈 再生制动 的 - (变频 器)对-(机构)”结构，下降位势能通过反馈单元反馈至《起重运输机械》 2013(8)电网，其配置整流器 (带反馈功能)、逆变器均可控制能量流向。电源再生单元是与变频器分离的有源逆变单元，作为变频器的外围装置，可并联至变频器的直流母线，将再生能量回馈至电网。

3)能耗制动的公共直流母线 (DC-BUS)系统，起升、大小车各机构所有逆变装置都接在直流母线上，共用网侧整流装置、公共制动单元和制动电阻。系统中往往有-台或几台机构电动机处于再生制动状态，再生能量馈送至公共直流母线，部分能量可被母线上处于电动状态的电动机所吸收。为防止公共直流母线电压过高，不能完全吸收的剩余能量可通过公共制动单元释放于公共制动电阻。尽管没有回馈电网，该方案相对充分利用了再生能量，节省能源。

正是因为被测试的变频调速起重机采用的是第-种方案，由于变频器前级的整流桥只能单方向导通，急速降速制动的动能和下降位势能均通过制动单元在制动电阻上以热能形式耗散，这就是变频调速起重机无法检测到回馈能量的原 因，也是变频调速起重机能源利用效率低的原因所在。

4.2 转子串电阻调速回馈能量从表 4可以看出，转子串电阻调速起重机在重载下降时耗能为 -1 205.07 W ·h，也就是说在重载下降工况时电动机是不耗能的，相反异步电动机处在发电状态，因为转子串电阻调速不存在变频调速整流桥的问题，再生发电电流可以反 向流通，即电动机向电网回馈了-部分电能。关于重载下降工况电动机向电网回馈的电能能否利用，《起重机械用电动力驱动起升机构能效测试方法》(征求意见稿)编制说明 有以下解释，和异步发电机定子与电网并联-样，从电网吸取无功电流作为励磁电流，又向电网输送-定的有功功率。

当电网容量足够大时，电压和频率完全撒于电网的电压和频率，其谐波分量与发电厂同步电机发出的没有太大的差异，不会对 电网产生影响，- 11 7 - 功率因数的影响也不会很大。由于在能量回馈过程中没有电力电子元件参与，因此也没有谐波电流的污染。所以，回馈的电能是可以使用的。实际情况是在定子调压调速和变频调速出现以前，所有的起升机构在下降再生制动时都有能量回馈，并不需要什么回馈装置，也没有见到这种 回馈电能对电网污染的报道，或者说这部分回馈的电能已经被无意中利用了。下降能量作为-种资源应当受到重视，利用下降能量的行为应当受到鼓励，这正是起重机行业节能的优势所在。”而在德国工程师协会标准 VDI 4707电梯能效”及我国各电梯能效测试标准中也要求 ：测量仪器必须能够测得回馈的能量，并把它从消耗能量中减掉”，说明思路和我国起重机能效检测标准是-致的。

我国有关供电电压偏差和电力系统频率偏差的标准分别有以下规定，GB/T 12325-2008《电能质量 供电电压偏差》第4.3，20 kV及以下三相供 电电压偏差 为标称 电压 的 ±7%”，GB/T15945-2008《电能质量 电力系统频率偏差》第3.1，电力系统正常运行条件下频率偏差限值为士0.2 Hz”。为了验证重载下降工况电动机向电网回馈的电能电压值和频率偏差是否符合国家标准的要求，利用 c.A 8 335对这2个参数进行了测量，测量值如表7和表 8。从表 7可以看出，转子串电阻调速起重机重载下降时电压偏差符合 GB/T12325-2008《电能质量 供电电压偏差》 中不大于标称电压 ±7%的要求。

表7 转子串电阻调速起重机重载下降时电压值 VGB/T 12325-2008要求 第 1次 第 2次 第 3次最大值 最小值 最大值 最小值 最大值 最小值 最大值 最小值406.6 353.4 4oo.4 366.1 395.5 368.5 40o.9 365表 8 转子串电阻调速起重机重载下降时频率值 HzGB/T 15945-2008要求 第 1次 第2次 第 3次最大值 最小值 最大值 最小值 最大值 最小值 最大值 最小值5O.20 49.80 50.O3 5O.0o 50.03 49.97 5O.03 50.01从表 8可以看出，转子串电阻调速起重机重载下降时频率偏差符合 GB/T 15945-2008《电能质量 电力系统频率偏差》 中偏差不大于标称频率 士0.2 Hz的要求。

由上可知，转子串电阻调速起重机重载下降时反馈的电能符合有关供电电压和频率偏差国家标准的要求，可以应用于工厂内的其他设备。

4.3 转子串电阻能效大于 1从表 6可知，转子串电阻调速起重机出现完整测试工况能源效率大于 1的情况，这是起升载荷的势能得到了利用的结果，式 (3)计算的是能源效率，不是物理效率。

《起重机械用电动力驱动起升机构能效测试方法》(征求意见稿)编制说明 2 指出，我们平时所说的效率和标准中能耗测试的能效 (能源效率)是 2个概念，传统的效率是有用功和输入功之比，有用功不包括克服摩擦做功；标准中的能效是有- 8 - 效能和输入能之比，有效能包括 2部分，-部分是机械能 <包括势能和动能)；-部分是克服摩擦所消耗的能量 (摩擦功)，而输入能是-个测试周期所输人的总电能，受下降能量回馈的影响，总电能会比传统效率计算中的输入功要校所以从理论上讲，能效不是电效率和机械效率的简单乘积，能效-定要大于或等于总效率，对起升机构而言，能效可能大于 1，但效率永远不会大于 1。

而能效即能源利用效率，它反映了产品或设备利用能源的效率质量特性，是评价产品或设备用能性能的-种指标。起升载荷的势能是客观存在的。

起重机械的主要功能是在-定范围内垂直升降和水平移动物品，其中物品的垂直升降是由起重机的起升机构完成的。-般情况下，有起升就有下降，而且起升和下降的行程常常是相等的。所以，载荷从地面被吊起，再被放回地面，总机械能是不变的。载荷起升时吸收能量、势能增加，载荷下《起重运输机械》 2013 (8)电机外置式电动滚筒效率测试方法探讨曹大远 洪美娟 潘发生中煤科工集团上海研究院检测中心 上海 201401摘 要：分析了JB/T7330-2008《电动滚筒》规定的效率试验方法不适用于电机外置式电动滚筒的原因，并介绍-种合理的试验方法 ，通过受力分析得出电机外置式电动滚筒效率计算公式。

关键词：电机外置式电动滚筒；效率 ；测试中图分类号：TH132 文献标识码：A 文章编号 ：1001-0785(2013)08-0l19-O3Abstract：The paper analyzes the reason why the eficiency test method specified in JB/T7330-2008 Electric Roller isinappropriate for external-motor electric roller，introduces a reasonable test method，and figures out the eficiency calcula。

tion formula of external-motor electric roler through force analysis。

Keywords：externa1.motor electric roler；eficiency；testO 引言目前，电机外置式电动滚筒的效率试验方法没有相关 国家、行业标准可依，JB/T7330-2008《电动滚筒》中的方法仅适用于电机内置式电动滚筒效率测试，本文分析 JB/T7330-2008《电动滚筒》规定的效率试验方法不适用于电机外置式电动滚筒的原因，并介绍-种合理的试验方法。

测试电动滚筒的效率，需要检测输人功率、滚筒输出转矩及滚筒旋转角速度，其中输入功率、滚筒旋转角速度可以分别使用三相功率测试仪、转速表测得。电动滚筒是通过滚筒筒体表面的摩降时释放能量、势能减少，增加和减少的势能是相等的。势能是-种绿色能源，如果能把下降时载荷释放的能量回收起来，就可以取得很好的节能效果。”如前所述，起升机构并不是在所有的下降情况下都有定子对电网的能量回馈，变频调速再生制动是没有能量回馈的，这也是本次测试中变频调速起重机能效低的原因。

5 结语1)根据有关标准规范确定 了能效测试 的方案，确定了以能源效率作为评价起重机能源消耗水平的指标，并对两台型号相同、调速方式不同的典型桥式起重机进了测试；2)测试结果显示，型号相同、参数-致的两台起重机中，能耗制动变频调速起重机的能耗比转子串电阻调速起重机的大，能效不如转子串电阻调速起重机的高；3)因变频器前级的整流桥只能单方向导通，《起重运输机械》 2013(8)变频调速起重机重载下降工况再生发电的能量无法反镭电网，能量均通过制动单元在制动电阻上以热能形式耗散；4)转子串电阻调速起重机重载下降工况再生发电可反老大的电能，电能质量符合有关供电电压和频率偏差国家标准的要求，可为工厂内的其他设备利用。