港口轮胎式集装箱门式起重机节能辅助电源技术原理及效果
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摘 要：介绍港口轮胎式集装箱门式起重机利用节能辅助电源新技术，达到节能减排的一种新的方法，对其节能
关键词：港口 集装箱辅助电源节能技术
RTG节能辅助电源的技术为低碳经济服务
轮胎式集装箱门式起重机（RTG）是世界各大集装箱专业化码头堆场的主力设备，它具有码头基础的投资成本低、机动灵活可转场作业、便于分期分批购置等优点，一直受到广大集装箱作业码头的欢迎，在用数量占场桥总数量的85%左右。但是，传统RTG由柴油发电机组驱动，能量转换效率低、能耗大、成本高。同时 RTG在作业时排放的废气黑烟和柴油机运转时产生的巨大噪音以及柴油存放与使用中的环境污染也与日益严格的环保要求有一定距离。伴随着近年来全球经济高速增长引起的以石油为代表的化学能源的日益短缺，国际油价不断刷新历史记录，持续快速上涨，给各大拥有大量RTG的集装箱码头的营运成本带来了巨大的压力。
近年来，世界各大港口机械制造商和配套商都投入了研发力量试图改进传统RTG的传动技术。由于RTG的系统载荷是变化的、非线性的，因此在载荷较轻时，RTG节能辅助电源的技术研究与应用，改变以往柴油发电机组效率过低问题，在节能减排方面取得很好的效果。
RTG工况及耗能问题的提出
在传统RTG中，柴油机发电机只有怠速与全速两挡的工作速度：怠速用于待机工况；全速用于工作工况。这是因为柴油发电机要保证输出电能的电压和频率保持恒定。
RTG的供电系统通常分为两个部分，一部分是给大车、小车、起升机构的主传动部分的变频器供电，另一部分是辅助电源部分，负责给控制计算机、PLC、照明、通讯、GPS定位系统，以及司机和电气室的空调系统，转向泵电机，吊具泵电机，防摇电机等供电。
如果平均RTG在一小时完成10个箱的作业，一个箱的作业时间在2分钟左右，再加上大小车必要的移动时间，RTG的工作周期率也就是50%左右。也就是说RTG有将近一半时间处于候工工作状态。为了保证在候工期RTG的控制计算机，PLC，照明，通讯，GPS定位系统，以及司机和电气室的空调系统能够正常工作，大功率的柴油发电机仍在全速工作，这种做法消耗大量燃油，尽管这时候负荷很轻。
节能思路及技术路线
近年来，世界各大港口机械制造商和配套商都投入了研发力量试图改进传统RTG的传动技术。传统RTG的节能降耗技术主要分为节能型RTG和电动RTG两个研发方向。节能型RTG主要是采取提高柴油发电机组的能源利用效率,把RTG在下方重物和运行机构制动时产生的再生回馈能量储存起来加以利用等技术措施，通过提高整机能源利用率实现节能降耗。电动RTG就是RTG工作所需电力不再使用柴油发电机组，而是取自码头堆场提供的廉价市电等等。当然上面的方法很多都应用工程实践，但是由于投资大，成本高，周期长，有些方案并不适用于已有RTG的改造。
我们在这里讨论一种方案， 基本思想是依据RTG的工作工况，在起升作业，大小车行走作业等主传动工作时，柴油发电机全速运行，为RTG的正常作业提供电能，在候工时柴油发电机怠速运行，为RTG的控制系统，PLC，照明，通讯，GPS定位系统，以及司机室的空调系统等提供辅助电源。这部分辅助电源的功率不大在5Kw-15Kw（主要是夜间投光灯的数量）左右。
可行性：从柴油机的特性曲线我们知道，当柴油机怠速运行时的输出功率一般不小于它额定功率的1/4，对于RTG那么大功率的柴油机来说，它的怠速功率远大于候工时所需功率，所以应用足够。但是同步发电机在额定转速1500转/分(对于4极发电机)时，输出电压的频率是50Hz，如果怠速是750转/分，对于4极发电机输出电压频率是25Hz，如果励磁电压保持线性变化，其输出电压为1500转/分时的一半。只要我们通过一个变换装置把这个低频电压的电源转换成标准的50Hz，电压为380V或42OV，就可以为RTG辅助电源系统供电了，从而达到有效利用能源，节约燃油的效果。
RTG节能辅助电源技术的节能原理
当场桥处于待命、此时并无大功率负载情况下，将柴油机自动切换到怠速状态，由新增的能量转换及励磁控制单元将发电机发出的无法直接使用的低频电能进行转换，变换成标准电能给电气房的控制系统， PLC，司机室空调与通讯设备及照明供电。
由于柴油发电机都是工作在额定转速点附近，所以它的同步发电机的励磁电路，也是为之配套生产的，当柴油机的转速低于额定转速20%以上时，励磁电路就不工作了，由于没有励磁，所以发电机也就没有输出电压。如果我们选择一种能够在全程800-1500转/分都能提供励磁的励磁电路板，就可以在柴油发电机在怠速时，得到一个低频低压的交流电源 。
发电机励磁控制示意图
为了将这个低频低压的交流电源利用，我们通过电子转换电路转换成标准的电源。转换的方式有很多种。我们选择用高效的三相电压源型PWM整流方式，这是一种新型高功率因数的PWM整流器。该类整流采用PWM技术对整流桥中的自关断器件进行控制，使得交流输入侧电流接近正弦波，其相位与电源相电压的相位相同，输入电流中只含有与开关频率相关的高次谐波，这些高次谐波容易滤除，这样，就使得输入侧的功率因数为1，从而可以有效解决对电网的污染问题，并且可实现能量的双向流动。这种整流电路的主电路拓扑结果如下图：
PWM整流整流电路图
这个整流电路可以将三相交流输入电压转换成一个电压可调的直流电压，它被称为中间回路电压，这个中间回路电压，几乎可以与输入交流电压无关而保持恒定，通过这个整流器先将三相的低频低压的交流电源先转换成一个高的稳定的直流电压，即AC/DC升压变换。
再将这个直流电压转换成标准的三相交流电源，即DC/AC PWM逆变器，其输出电压和频率都是可以调整的。逆变器输出是PWM波，需要进行滤波处理，经过隔离变压器是三相四线制电压输出，适合任何三相负载和单项负载。
RTG辅助电源主电路
采用RTG辅助电源的施工改造方法。改造工作非常简单，先安装辅助电源，再把RTG候工时必要用电设备，如控制电源，PLC，司机室空调，通讯电源，GPS定位电源，照明等等接线到辅助电源下面，改造任务就完成了。如下图
测试结果：①RTG柴油发电机1500转/分时，候机状态的油耗为13升，在750转/分时，油耗为3.5升。可以看出如果在RTG候机时，把柴油机降速至750转/分，用该辅助电源供电，可以大大的降低柴油消耗，当然也大幅度减少了排放。在正常RTG工作状态，节油率可以达到20%以上。②波形测试。柴油机在750转/分左右时，发电机的输出波形，也就是辅助电源的输入波形，我们可以看出这时的频率约25Hz，电压240V左右。候工时经过辅助电源滤波改变的输出电压波形，我们可以看出这时的频率50Hz，电压400V左右。
节能效果及投资效益
这个辅助电源，投资小成本低，仅需要2-4万元。改造周期短，实施方法简单，一般一个工作日就可以完成改造的全部工作。但是它的节油率却并不低，依据不同的工况节油率可达20%以上。投入产出比很高，甚至在短短几个月能收回全部投资。对于耗油巨大的集装箱码头装卸机械，大规模改造基础设施投入过大，选用辅助电源则是经济环保的有效节能措施。
(作者单位：交通运输部水运科学研究院)