集裝箱橋式起重機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)再生運(yùn)行及節(jié)能研究

郭明翔

（廣州港股份廣州港工程管理有限公司，廣東 廣州 510730）

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，由自關(guān)斷器件組成的變流裝置已廣泛應(yīng)用，特別是IGBT集GTR和MODFET的優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)成一種新型的電壓控制復(fù)合器件，具有高輸入阻抗，高開關(guān)頻率，小功率驅(qū)動(dòng)，電路簡單，容量大，耐壓高等一系列優(yōu)點(diǎn)。隨著自動(dòng)控制技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），特別是高性能16位數(shù)字信號(hào)處理器TMS320C240特別適合于三相異步電動(dòng)機(jī)的高性能控制，它集DSP的信號(hào)高速處理能力及適用于電機(jī)控制的優(yōu)化外圍電路于一體，價(jià)格便宜，大大減少了控制系統(tǒng)的體積，提高了系統(tǒng)的性價(jià)比。

本論文以集裝箱橋式起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)為對(duì)象，研究一種大容量新型節(jié)能變頻調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)在調(diào)速性能及節(jié)能上都有很大的改善，關(guān)鍵是它將再生制動(dòng)下電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電能回饋到電網(wǎng)。設(shè)計(jì)著重于研究新型調(diào)速系統(tǒng)的節(jié)能控制，結(jié)合大量實(shí)際運(yùn)行參數(shù)分析了新型節(jié)能型調(diào)速系統(tǒng)的性能。

1 變頻調(diào)速的原理及其特性

1.1 變頻調(diào)速原理

所謂變頻調(diào)速，就是通過改變電動(dòng)機(jī)定子供電頻率以改變同步轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)調(diào)速的，在調(diào)速過程中，從高速到低速可以保持有限的轉(zhuǎn)差功率，因而具有高效率、寬范圍和高精度的調(diào)速性能，變頻調(diào)速是異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速最有發(fā)展前途的一種控制方法。由轉(zhuǎn)速公式：

可知，改變定子電源頻率可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；又由異步電動(dòng)機(jī)的電勢公式可知，外加電源電壓近似與頻率和磁通的乘積成正比，即Ux∝E=CfΦ，由于C為常數(shù)，則Φ∝E/f≈Ux/f，因此若外加電壓不變，則磁通隨頻率改變而改變，亦即頻率降低，則磁通增加；頻率增加，磁通降低。顯而易見，前者有可能造成電動(dòng)機(jī)的磁路過飽和，從而導(dǎo)致勵(lì)磁電流的增加，而引起鐵芯過勢，為了解決這一問題，這就要求在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，降頻的同時(shí)最好降壓，即頻率與電壓協(xié)調(diào)控制，亦即Ux必須與f成比例變化。

1.2 異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)

異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制是一種新的控制思想和控制技術(shù)，其基本思想是把交流電動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)的模擬成直流電動(dòng)機(jī)，從而可以像控制直流電動(dòng)機(jī)那樣對(duì)交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，具體做法是把交流電機(jī)的三相變量瞬間的通過坐標(biāo)變換系統(tǒng)成旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)上的兩相垂直量，按照直流電機(jī)的控制規(guī)律來控制交流電機(jī)，使交流電機(jī)得到和直流電機(jī)一樣的調(diào)速特性。經(jīng)過在實(shí)踐中不斷改進(jìn)，現(xiàn)已形成了各種形勢的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)。

2 基于DSP 實(shí)現(xiàn)的能量回饋調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)基本構(gòu)成及工作原理

隨著電力電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)正逐步取代直流調(diào)速，同時(shí)，作為交流變頻調(diào)速裝置控制核心的微處理器，電機(jī)專用微處理器正逐步取代缺乏外圍電路的通用單片機(jī)，系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示，變頻器系統(tǒng)組成如圖2所示。

在三相變頻器應(yīng)用中，由于電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的要求，對(duì)高側(cè)和低側(cè)IGBT仍然需要提供多路隔離驅(qū)動(dòng)電源，各個(gè)IGBT驅(qū)動(dòng)電路參數(shù)的一致性受到限制，使得硬件非常復(fù)雜，降低了變頻器的可靠性。在本系統(tǒng)中，在IGBT變頻器中，采用IR2130六輸出高壓柵極驅(qū)動(dòng)器，該電路只需一路驅(qū)動(dòng)電源，并擁有各種保護(hù)功能。

在本系統(tǒng)中，主電路由變頻器和有源逆變裝置及電動(dòng)機(jī)構(gòu)成，并采用了電機(jī)專用的DSP處理芯片（TMS320C240）構(gòu)成有源逆變裝置的控制器，有源逆變裝置僅并聯(lián)在變頻器的整流側(cè)，采用絕緣柵雙極功率晶體管(IGBT)作為開關(guān)元件，而有源逆變裝置的控制是由TMS320C240來實(shí)現(xiàn)的。

圖1 系統(tǒng)原理圖

圖2 變頻器系統(tǒng)組成

工作原理：在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，由電網(wǎng)過來的直流電首先經(jīng)過變頻器的三相橋式整流器整流成直流電，向中間直流環(huán)節(jié)的濾波儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，將直流電逆變成可調(diào)壓調(diào)頻的三相交流電去驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，而當(dāng)變頻器降頻減速運(yùn)行或者下放重物時(shí)，交流電機(jī)由于負(fù)載慣性或重力作用就進(jìn)入了發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)。這時(shí)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的再生能量經(jīng)過逆變橋的續(xù)流二極管向中間直流環(huán)節(jié)Cd充電，如果Cd上的電壓不處理的話，將會(huì)造成泵升電壓，而Ud超過電網(wǎng)線電壓值后，二極管整流橋反壓被阻斷。當(dāng)Ud繼續(xù)上升大于能量回饋電壓Ufed時(shí)，TMS320C240就啟動(dòng)有源逆變裝置工作，這樣，再生能量經(jīng)有源逆變裝置就回饋到電網(wǎng)。

采用公共直流母線下的多逆變器驅(qū)動(dòng)方式，使系統(tǒng)電路形式簡潔、緊湊。再生制動(dòng)能量采用回饋到電網(wǎng)的方式，這是因?yàn)榭紤]到起升機(jī)構(gòu)重載下放時(shí)長時(shí)間的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩必須由大量的制動(dòng)電阻來吸收。另外，當(dāng)任意兩個(gè)以上的機(jī)構(gòu)同時(shí)運(yùn)行時(shí)，若某一機(jī)構(gòu)傳動(dòng)電機(jī)處于再生制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，其再生制動(dòng)能量可經(jīng)直流母線直接供給處于電動(dòng)狀態(tài)的電機(jī)，可大大提高能量的再生利用率。

2.2 基于DSP能量回饋系統(tǒng)的控制策略

用DSP來實(shí)現(xiàn)大功率系統(tǒng)的變頻調(diào)速及能量回饋控制，主要有以下幾個(gè)方面的控制問題。

（1）實(shí)現(xiàn)有源逆變裝置的投入和切除正確控制。

（2）遏制過高的泵升電壓。

（3）保證回饋電流與電網(wǎng)相位保持一致。

（4）系統(tǒng)要有完整可靠的保護(hù)。

3 運(yùn)行狀態(tài)分析

3.1 電動(dòng)機(jī)及負(fù)載參數(shù)

電動(dòng)機(jī)：功率500（kW）、額定電壓500（V）、額定電流600（A）、頻率90.8（Hz）、負(fù)載：60（t）。

3.2 運(yùn)行參數(shù)測試

（1）整流器運(yùn)行參數(shù)。

下行發(fā)電狀態(tài)情況：電網(wǎng)電壓440(V)，母線電壓710(V)，輸出電流898(A)。

波形如圖3、4、5所示。

（2）逆變壓器運(yùn)行參數(shù)。

下行滿載運(yùn)行情況：輸出電壓450(V)，輸出電流597(A)，主機(jī)轉(zhuǎn)矩1324（Nm），波形如圖6所示。

圖3 滿載下行整流器運(yùn)行情況

圖4 滿載下行電流最大時(shí)整流器運(yùn)行情況

圖5 滿載下行電流額定時(shí)整流器運(yùn)行情況

圖6 滿載下行逆變器主機(jī)運(yùn)行情況

3.3 運(yùn)行性能參數(shù)測量與分析

（1）交流變頻器在試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行帶載試驗(yàn)中，提升（上行）和下降（下行）運(yùn)行時(shí)，其工作電壓、電流和轉(zhuǎn)速值正常。

（2）交流變頻器、電動(dòng)機(jī)及負(fù)載組成的電控裝置，具有短路、過流、缺相、欠壓、過壓、過載、過溫、超速、失速等保護(hù)功能。

（3）通過交流變頻器在帶載實(shí)測結(jié)果表明：該變頻器電氣性能滿足港口起重機(jī)電控技術(shù)要求。

4 制動(dòng)時(shí)的波形與能量回饋分析

4.1 相電壓與相電流波形

相電壓與相電流波形如圖7所示，由圖可知，電源輸入電流波形正弦，其相位與電源正弦電壓基本一致，功率因數(shù)約為0.97。

圖7 電網(wǎng)電壓與輸入電流波形

圖8 直流輸出電壓Ud 的波形 (E=982V )

4.2 直流輸出電壓Ud波形

如圖8所示，經(jīng)過0.25S，Ud逐漸穩(wěn)定在823V左右，上下波動(dòng)不超過1.0V。

4.3 結(jié)果分析

能量回饋過程中，電網(wǎng)的線電壓是一定的，逆變器回饋能量的功率只和回饋的電流值有關(guān)。電網(wǎng)線電壓為380V，由電流波形圖可知，在反電動(dòng)勢E=982V時(shí)，電源線電流幅值為52A，則能量回饋功率為：

直流側(cè)流入能量的功率僅與反電動(dòng)勢E和負(fù)載電流Id1有關(guān)，在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，直流濾波元件Cd兩端的電壓穩(wěn)定，從而Id1等于Id。由式可知，Id=1.5Im，因此，輸入功率為：

據(jù)這兩步的結(jié)果不難估算出能量轉(zhuǎn)換率為：

應(yīng)該強(qiáng)調(diào)指出的是：能量轉(zhuǎn)換率和控制系統(tǒng)的節(jié)能效率是相關(guān)聯(lián)的，但是能量轉(zhuǎn)換率并不等于節(jié)能效率，節(jié)能效率是指一個(gè)完整工作周期中，回饋能量占應(yīng)消耗能量的百分比，能量轉(zhuǎn)換率僅僅反映本次負(fù)載下放運(yùn)行過程能量回饋的情況，同時(shí)由于估算中一些損耗因素均被忽略，誤差可能較大。

決定節(jié)能效率的因素較多，它不僅與控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制方式有關(guān)，而且與起重機(jī)運(yùn)行的工況相關(guān)，集裝箱負(fù)載量、船舶種類、作業(yè)方式、港口水位等對(duì)節(jié)能效率都有一定影響。通常情況下，節(jié)能效率一般在3%到7%左右，節(jié)能效果還是非常明顯的，采用DSP來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)速及能量回饋控制具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

5 結(jié)語

結(jié)合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成了變頻器及系統(tǒng)的調(diào)試和運(yùn)行波形的檢測，可以得到以下結(jié)論。

（1）生產(chǎn)機(jī)械，尤其是大型生產(chǎn)機(jī)械要求變速運(yùn)行時(shí)，采用現(xiàn)代交流調(diào)速控制完全可以滿足生產(chǎn)機(jī)械要求的靜態(tài)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)。

（2）通過對(duì)不同狀態(tài)下起重機(jī)實(shí)測電壓、電流、轉(zhuǎn)速等波形的分析，可以證明交流矢量控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)具有靜態(tài)運(yùn)行平穩(wěn)和動(dòng)態(tài)變換快速的特點(diǎn)，同時(shí)對(duì)于位勢性負(fù)載具有明顯的節(jié)能效果，整體性能比較理想。

（3）基于DSP的能量回饋調(diào)速系統(tǒng)不僅在節(jié)能上具有優(yōu)勢，與其他調(diào)速系統(tǒng)等相比在防震方面也具有其獨(dú)特之處，作業(yè)中起重機(jī)金屬構(gòu)件的振動(dòng)加速度明顯下降，提高了集裝箱起重機(jī)整機(jī)的使用壽命。

（4）隨著電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，在社會(huì)日益追求效率，節(jié)能及便利的今天，基于DSP的能量回饋調(diào)速系統(tǒng)擁有其他調(diào)速系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，它在今后一段時(shí)期內(nèi)，必將成為交流調(diào)速的主流。

因此，對(duì)基于DSP控制的國產(chǎn)大功率能量回饋調(diào)速系統(tǒng)的推廣應(yīng)用具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。