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随着我国人口的增长，资源被大规模开采，可利用能源日益减少。为此，节能降耗成为我国经济社会发展的一项重要任务。宁波港吉（意宁）码头经营有限公司（以下简称港吉码头）积极响应节能号召，进行龙门吊“油改电”高架滑触线供电模式改造，每年可节约能源成本2 000多万元人民币，节能效率达67%。2013年，港吉码头针对龙门吊在正常待机状态下不管有无作业指令其吊具电机（原异步电机）均处于工作状态，从而使电机在空载状态下的能耗在龙门吊作业能耗中所占比例较大的问题，提出龙门吊吊具电机节能技术改造方案，使龙门吊吊具作业能耗降低66.36%，龙门吊作业能耗降低7.90%。
1 龙门吊吊具空载能耗情况
从港吉码头设备设施监控中心随机调取12台龙门吊作业数据如表1所示，由此可见：（1）龙门吊作业箱量与其通电时间、作业时间、空载时间基本呈同一变化趋势，说明吊箱越多，作业时间越长，通电时间越长，空载时间也越长；（2）龙门吊吊具空载时间占通电时间比例的平均值为70%左右，这表明龙门吊吊具电机空载运行时间占整个作业时间的比值较大，吊具空载能耗较高；（3）龙门吊平均单箱作业时间约为/TEU，其实际通电时间为4.07 min，这说明吊具电机空载运行时间为；（4）有必要优化吊具电机运行模式，以达到节能降耗的目的；（5）龙门吊吊具空载时间越短，其作业时间越接近通电时间。
2 龙门吊吊具电机节能技术改造
伺服电机又称执行电机，在自动控制系统中用作执行元件，把所收到的电信号转换成电机轴上的角位移或角速度输出，当信号电压为零时无自转现象，其转速随着转矩的增加而匀速下降。自20世纪80年代以来，交流伺服驱动技术迅猛发展，各国著名电气厂商相继推出各品牌交流伺服电机和伺服驱动器系列产品，并不断加以完善和更新；20世纪90年代，交流伺服驱动系统已成为当代高性能伺服驱动系统的主要发展方向。
伺服电机主要有以下优点：（1）无电刷和换向器，工作可靠性较高，对维护和保养的要求较低；（2）定子绕组散热比较方便；（3）惯性小，易于提高系统速度；（4）适应高速大力矩工作状态；（5）同功率下的体积和质量较小。相比之下，三相异步电机在待机时一直处于运转状态，且转速不易调整，导致其空载能耗较大。伺服驱动系统由BMZ2310- 20FR交流伺服电机（由宁波威骏电子科技有限公司制造）、IS300汇川伺服驱动器、易福门压力传感器、GR47-32CC SETTIMA螺纹泵等组成。
龙门吊吊具电机节能技术改造步骤如下：拆下龙门吊原吊具电机、液压泵及附属装置；安装伺服电机及螺纹泵，将驱动器安装在配电箱里，并铺设电缆。
吊具伺服电机节能工作原理如下：在吊具程序中增加一个“或”门，开闭锁或伸缩命令发出后，吊具程序输出信号，变频器接收信号，驱动吊具泵（即螺纹泵）工作。在无指令状态下，吊具驱动系统伺服电机低速运转（/min）；待开闭锁或伸缩指令发出后，伺服电机立即提升转速（达到～/min），使油泵输出油压。油泵的油量和油压可由驱动器程序设定，也可由驱动器外接信号控制。
单台吊具伺服电机系统的改造成本为元人民币。
3 龙门吊吊具电机节能技术改造后的能耗情况
3.1 R15龙门吊伺服电机与R18龙门吊异步电机能耗比较
将R15龙门吊异步电机改造为交流伺服电机，测定交流伺服电机驱动吊具电耗数据；同时，测定R18龙门吊异步电机驱动吊具电耗数据，并分析模拟和实际作业能耗数据。
R15和R18龙门吊模拟试车4 h，吊具从最高点放下→吊箱（包括闭锁）→升至最高点→放箱（包括开锁）→升至最高点，每小时完成15个以上完整动作，吊具伸缩5次。测得R15和R18龙门吊吊具模拟作业能耗数据如表2所示，由此可见：（1）在模拟作业情况下，由交流伺服电机驱动吊具的能耗大大降低，不到由异步电机驱动吊具能耗的1/3；（2）在模拟作业情况下，由交流伺服电机驱动吊具的节能效率达70%，伺服电机驱动系统有利于降低吊具空载能耗；（3）在模拟作业情况下，由交流伺服电机驱动的“油改电”龙门吊（以下简称电车型龙门吊）可节能约9%。
统计2013年3月R15和R18龙门吊作业箱量并测取其吊具电耗数据如表3所示，由此可见：（1）由交流伺服电机驱动吊具的实际作业能耗较低，约为由异步电机驱动吊具能耗的1/3；（2）由交流伺服电机驱动的吊具实际作业节能约66%；（3）由交流伺服电机驱动的电车龙门吊作业节能约8%。
3.2 电车型龙门吊与柴油龙门吊能耗比较
将R15、R17、R20、R21和R26龙门吊吊具电机改造为伺服电机后：测取2013年9月R15龙门吊在柴油发动机模式下的作业箱量和油耗数据，计算出作业单耗，并将之与吊具电机改造前（2012年9月）的作业单耗对比，计算柴油龙门吊的节能效率；测取R17、R20、R21和R26龙门吊在电动机模式下的作业箱量和电耗数据，计算出作业单耗，并将之与吊具电机改造前（上年同期）的作业单耗对比，计算电车型龙门吊的节能效率（见表4）。可见，吊具由伺服电机驱动的龙门吊作业能耗较低，柴油龙门吊作业节能效率达7.92%，电车型龙门吊作业节能效率达7.90%。
港吉码头有龙门吊60台，将龙门吊吊具电机改造为伺服电机，按每台龙门吊节能效率7.90%估算2012年和2013年港吉码头节约的能源成本（见表5）。
（1）港吉码头龙门吊吊具电机改造为伺服电机后，2012年节约能源成本总计元人民币，单箱节约能源成本0.20元人民币/TEU，单台龙门吊节约能源成本元人民币；2013年节约能源成本人民币，单箱节约能源成本0.21元人民币/TEU，单台龙门吊节约能源成本元人民币。
（2）实施龙门吊吊具电机节能技术改造后，2012年港吉码头电车型龙门吊作业节约电能成本元人民币，节约电能€I6h，节约标准煤，减排二氧化碳，减排碳；油车型（柴油）龙门吊作业节约柴油成本元人民币，节约柴油，节约标准煤，减排二氧化碳。
（3）2013年港吉码头电车型龙门吊作业节约电能成本元人民币，节约电能€I6h ，节约标准煤，减排二氧化碳，减排碳；油车型龙门吊作业节约柴油成本元人民币，节约柴油，节约标准煤，减排二氧化碳。
（4）以伺服电机作为吊具驱动系统的油车型龙门吊比电车型龙门吊在节能成本方面表现更佳：2012年港吉码头单台油车型龙门吊节约能源成本人民币，2013年单台节约能源成本人民币，而改造成本仅元人民币，使用不到1年便可收回投资成本；相比之下，2013年单台电车型龙门吊节约成本元人民币左右，使用2年后基本可收回投资成本。
（5）龙门吊吊具改为伺服电机驱动后，港吉码头每年可节约能源成本100多万元人民币。
5 结束语
龙门吊吊具改用伺服电机驱动系统的优点有：有利于减少空载能耗及节约码头运营成本；由于龙门吊作业时伺服电机不持续处于高速运转状态，噪声大大减小；伺服电机系统的吊具泵系统压力和流量采用双闭环控制方式，液压系统按照实际需要的流量和压力供油，解决了普通液压泵系统高溢流导致高能耗的问题。总之，龙门吊吊具伺服电机驱动系统在节约资源、降低成本、提升性能、改善工况等方面具有较大优势。随着伺服技术不断完善、伺服驱动系统价格下调以及业界对伺服驱动系统的深入了 解，采用吊具伺服电机驱动系统将成为龙门吊未来发展的必然趋势。
1 龙门吊吊具空载能耗情况
从港吉码头设备设施监控中心随机调取12台龙门吊作业数据如表1所示，由此可见：（1）龙门吊作业箱量与其通电时间、作业时间、空载时间基本呈同一变化趋势，说明吊箱越多，作业时间越长，通电时间越长，空载时间也越长；（2）龙门吊吊具空载时间占通电时间比例的平均值为70%左右，这表明龙门吊吊具电机空载运行时间占整个作业时间的比值较大，吊具空载能耗较高；（3）龙门吊平均单箱作业时间约为/TEU，其实际通电时间为4.07 min，这说明吊具电机空载运行时间为；（4）有必要优化吊具电机运行模式，以达到节能降耗的目的；（5）龙门吊吊具空载时间越短，其作业时间越接近通电时间。
2 龙门吊吊具电机节能技术改造
伺服电机又称执行电机，在自动控制系统中用作执行元件，把所收到的电信号转换成电机轴上的角位移或角速度输出，当信号电压为零时无自转现象，其转速随着转矩的增加而匀速下降。自20世纪80年代以来，交流伺服驱动技术迅猛发展，各国著名电气厂商相继推出各品牌交流伺服电机和伺服驱动器系列产品，并不断加以完善和更新；20世纪90年代，交流伺服驱动系统已成为当代高性能伺服驱动系统的主要发展方向。
伺服电机主要有以下优点：（1）无电刷和换向器，工作可靠性较高，对维护和保养的要求较低；（2）定子绕组散热比较方便；（3）惯性小，易于提高系统速度；（4）适应高速大力矩工作状态；（5）同功率下的体积和质量较小。相比之下，三相异步电机在待机时一直处于运转状态，且转速不易调整，导致其空载能耗较大。伺服驱动系统由BMZ2310- 20FR交流伺服电机（由宁波威骏电子科技有限公司制造）、IS300汇川伺服驱动器、易福门压力传感器、GR47-32CC SETTIMA螺纹泵等组成。
龙门吊吊具电机节能技术改造步骤如下：拆下龙门吊原吊具电机、液压泵及附属装置；安装伺服电机及螺纹泵，将驱动器安装在配电箱里，并铺设电缆。
吊具伺服电机节能工作原理如下：在吊具程序中增加一个“或”门，开闭锁或伸缩命令发出后，吊具程序输出信号，变频器接收信号，驱动吊具泵（即螺纹泵）工作。在无指令状态下，吊具驱动系统伺服电机低速运转（/min）；待开闭锁或伸缩指令发出后，伺服电机立即提升转速（达到～/min），使油泵输出油压。油泵的油量和油压可由驱动器程序设定，也可由驱动器外接信号控制。
单台吊具伺服电机系统的改造成本为元人民币。
3 龙门吊吊具电机节能技术改造后的能耗情况
3.1 R15龙门吊伺服电机与R18龙门吊异步电机能耗比较
将R15龙门吊异步电机改造为交流伺服电机，测定交流伺服电机驱动吊具电耗数据；同时，测定R18龙门吊异步电机驱动吊具电耗数据，并分析模拟和实际作业能耗数据。
R15和R18龙门吊模拟试车4 h，吊具从最高点放下→吊箱（包括闭锁）→升至最高点→放箱（包括开锁）→升至最高点，每小时完成15个以上完整动作，吊具伸缩5次。测得R15和R18龙门吊吊具模拟作业能耗数据如表2所示，由此可见：（1）在模拟作业情况下，由交流伺服电机驱动吊具的能耗大大降低，不到由异步电机驱动吊具能耗的1/3；（2）在模拟作业情况下，由交流伺服电机驱动吊具的节能效率达70%，伺服电机驱动系统有利于降低吊具空载能耗；（3）在模拟作业情况下，由交流伺服电机驱动的“油改电”龙门吊（以下简称电车型龙门吊）可节能约9%。
统计2013年3月R15和R18龙门吊作业箱量并测取其吊具电耗数据如表3所示，由此可见：（1）由交流伺服电机驱动吊具的实际作业能耗较低，约为由异步电机驱动吊具能耗的1/3；（2）由交流伺服电机驱动的吊具实际作业节能约66%；（3）由交流伺服电机驱动的电车龙门吊作业节能约8%。
3.2 电车型龙门吊与柴油龙门吊能耗比较
将R15、R17、R20、R21和R26龙门吊吊具电机改造为伺服电机后：测取2013年9月R15龙门吊在柴油发动机模式下的作业箱量和油耗数据，计算出作业单耗，并将之与吊具电机改造前（2012年9月）的作业单耗对比，计算柴油龙门吊的节能效率；测取R17、R20、R21和R26龙门吊在电动机模式下的作业箱量和电耗数据，计算出作业单耗，并将之与吊具电机改造前（上年同期）的作业单耗对比，计算电车型龙门吊的节能效率（见表4）。可见，吊具由伺服电机驱动的龙门吊作业能耗较低，柴油龙门吊作业节能效率达7.92%，电车型龙门吊作业节能效率达7.90%。
港吉码头有龙门吊60台，将龙门吊吊具电机改造为伺服电机，按每台龙门吊节能效率7.90%估算2012年和2013年港吉码头节约的能源成本（见表5）。
（1）港吉码头龙门吊吊具电机改造为伺服电机后，2012年节约能源成本总计元人民币，单箱节约能源成本0.20元人民币/TEU，单台龙门吊节约能源成本元人民币；2013年节约能源成本人民币，单箱节约能源成本0.21元人民币/TEU，单台龙门吊节约能源成本元人民币。
（2）实施龙门吊吊具电机节能技术改造后，2012年港吉码头电车型龙门吊作业节约电能成本元人民币，节约电能€I6h，节约标准煤，减排二氧化碳，减排碳；油车型（柴油）龙门吊作业节约柴油成本元人民币，节约柴油，节约标准煤，减排二氧化碳。
（3）2013年港吉码头电车型龙门吊作业节约电能成本元人民币，节约电能€I6h ，节约标准煤，减排二氧化碳，减排碳；油车型龙门吊作业节约柴油成本元人民币，节约柴油，节约标准煤，减排二氧化碳。
（4）以伺服电机作为吊具驱动系统的油车型龙门吊比电车型龙门吊在节能成本方面表现更佳：2012年港吉码头单台油车型龙门吊节约能源成本人民币，2013年单台节约能源成本人民币，而改造成本仅元人民币，使用不到1年便可收回投资成本；相比之下，2013年单台电车型龙门吊节约成本元人民币左右，使用2年后基本可收回投资成本。
（5）龙门吊吊具改为伺服电机驱动后，港吉码头每年可节约能源成本100多万元人民币。
5 结束语
龙门吊吊具改用伺服电机驱动系统的优点有：有利于减少空载能耗及节约码头运营成本；由于龙门吊作业时伺服电机不持续处于高速运转状态，噪声大大减小；伺服电机系统的吊具泵系统压力和流量采用双闭环控制方式，液压系统按照实际需要的流量和压力供油，解决了普通液压泵系统高溢流导致高能耗的问题。总之，龙门吊吊具伺服电机驱动系统在节约资源、降低成本、提升性能、改善工况等方面具有较大优势。随着伺服技术不断完善、伺服驱动系统价格下调以及业界对伺服驱动系统的深入了 解，采用吊具伺服电机驱动系统将成为龙门吊未来发展的必然趋势。