共直流母線能量回饋系統(tǒng)在起重機(jī)上的應(yīng)用與分析

夏文艷

共直流母線能量回饋系統(tǒng)在起重機(jī)上的應(yīng)用與分析

夏文艷

（山東豐匯設(shè)備技術(shù)有限公司，濟(jì)南 250200）

針對(duì)起重機(jī)機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)所傳動(dòng)的位能負(fù)載下放時(shí)，或電機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)，所產(chǎn)生的再生能量通過(guò)外接制動(dòng)電阻消耗掉，造成能量浪費(fèi)的問(wèn)題，本文提出了一種將公共直流母線能量回饋式變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)并將其應(yīng)用于起重機(jī)，將各機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的再生能量通過(guò)有源逆變裝置回饋到電網(wǎng)，解決了能量的浪費(fèi)問(wèn)題，且對(duì)電網(wǎng)無(wú)污染，提高了調(diào)速系統(tǒng)的控制性能。

共直流母線；能量回饋；起重機(jī)

0 引言

采用變頻調(diào)速控制的起重機(jī)，當(dāng)各機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)所傳動(dòng)的負(fù)載處于下降或制動(dòng)過(guò)程中（電動(dòng)機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)）時(shí)，會(huì)使變頻器的直流母線電壓升高。為了限制變頻器直流母線端的電壓，常規(guī)的方法是將其產(chǎn)生的再生電能通過(guò)外接制動(dòng)電阻的形式消耗掉，這樣就導(dǎo)致了能量的浪費(fèi)[1-3]。

針對(duì)上述電能浪費(fèi)的問(wèn)題，在調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，采用共直流母線能量回饋系統(tǒng)技術(shù)，將各機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的再生能量通過(guò)有源回饋裝置回饋到電網(wǎng)，從而有效減少了能量的浪費(fèi)，且對(duì)電網(wǎng)無(wú)污染，提高了調(diào)速系統(tǒng)的控制性能[4-7]。

1 共直流母線能量回饋系統(tǒng)介紹

共直流母線能量回饋調(diào)速系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱共母線回饋系統(tǒng)）采用單獨(dú)的整流/回饋單元，為提供一定功率的直流電源，調(diào)速用逆變器直接掛接在直流母線上。當(dāng)系統(tǒng)工作在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，逆變器從母線上獲取電能；當(dāng)系統(tǒng)工作在發(fā)電狀態(tài)時(shí)，能量通過(guò)母線及回饋單元直接回饋給電網(wǎng)，以達(dá)到節(jié)能、提高設(shè)備運(yùn)行可靠性、減少設(shè)備維護(hù)量和設(shè)備占地面積等目的[8-10]。

共直流母線能量回饋?zhàn)冾l調(diào)速系統(tǒng)主要硬件部分包括有源整流/回饋單元、逆變裝置。

1.1 有源整流/回饋單元

圖1所示為有源回饋整流單元，其中有源回饋整流裝置由自由換向絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor, IGBT）逆變器組成，該逆變器工作于電源側(cè)，既可以把電源電壓整流為恒定可控的直流電源，也能將能量回饋給電網(wǎng)。

圖1 有源回饋整流單元

整流裝置的IGBT在自然換相點(diǎn)觸發(fā)導(dǎo)通，與電流流動(dòng)方向無(wú)關(guān)。電流流動(dòng)方向只取決于電源電壓和直流母線電壓。在電動(dòng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，有電流流動(dòng)期間，直流母線電壓總是低于電源電壓，電源通過(guò)二極管從電源流向直流母線；在發(fā)電（回饋）狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，有電流流動(dòng)期間，直流母線電壓總是高于電源電壓，電流通過(guò)IGBT從直流母線流向電網(wǎng)。對(duì)于負(fù)載的變化，整流回饋裝置能夠快速做出反應(yīng)，還可以隨時(shí)改變電流流動(dòng)方向。

有源濾波裝置使實(shí)際產(chǎn)生的電流接近正弦波，有效抑制諧波。

1.2 逆變裝置

逆變裝置是一個(gè)采用IGBT技術(shù)的自換流逆變器。它將直流母線電壓轉(zhuǎn)變成頻率和電壓可調(diào)的電源，以滿足電機(jī)平滑調(diào)速的目的。逆變裝置為多傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，由控制單元控制。逆變裝置之間通過(guò)公共直流母線相連，逆變裝置從中間的直流回路獲取能量并加以轉(zhuǎn)換輸出，從而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 傳統(tǒng)變頻調(diào)速方案及硬件配置

傳統(tǒng)的變頻調(diào)速方案即是變頻器加制動(dòng)電阻的形式，起重機(jī)的各機(jī)構(gòu)分別配備相應(yīng)規(guī)格的變頻器，變頻器配備制動(dòng)單元及制動(dòng)電阻，各機(jī)構(gòu)的變頻器接到三相交流電網(wǎng)上，通過(guò)變頻器驅(qū)動(dòng)各機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)。圖2所示為傳統(tǒng)變頻調(diào)速系統(tǒng)主回路單線圖。

在由變頻器、制動(dòng)單元及制動(dòng)電阻所組成的傳統(tǒng)變頻調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)電動(dòng)機(jī)所傳動(dòng)的位能負(fù)載下放時(shí)，或當(dāng)電動(dòng)機(jī)從高速到低速減速時(shí)，電機(jī)所發(fā)出的電能通過(guò)制動(dòng)電阻消耗掉，同時(shí)維持直流母線上的電壓為一個(gè)正常值。

3 共直流母線回饋系統(tǒng)應(yīng)用于起重機(jī)

下面以某公司大型平頭塔式起重機(jī)為例，詳細(xì)介紹該系統(tǒng)在起重機(jī)上的應(yīng)用。該平頭塔機(jī)有四個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，分別為起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)。

圖2 傳統(tǒng)變頻調(diào)速系統(tǒng)主回路單線圖

3.1 共直流母線回饋系統(tǒng)方案及硬件配置

圖3所示為該平頭塔機(jī)的共直流母線能量回饋?zhàn)冾l調(diào)速系統(tǒng)主回路單線圖。

3.2 共母線回饋系統(tǒng)工作情況簡(jiǎn)述

從圖3可以看出，塔機(jī)的電氣控制系統(tǒng)采用的是公共直流母線的變頻調(diào)速系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖從上到下分為四大部分：上位機(jī)部分、通信及控制單元部分、共直流母線整流回饋部分、逆變部分。起升、變幅、回轉(zhuǎn)和行走四大機(jī)構(gòu)分別采用一套逆變裝置，共用一套回饋整流裝置，4個(gè)機(jī)構(gòu)的逆變裝置連接到公共直流母線上，分別拖動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。

三相交流電通過(guò)能量回饋裝置，輸出直流560V左右的直流母排電壓，再通過(guò)各個(gè)機(jī)構(gòu)的逆變器變成頻率可調(diào)的交流電壓，調(diào)速驅(qū)動(dòng)各機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。當(dāng)塔機(jī)只有某一個(gè)機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，所產(chǎn)生的電能通過(guò)整流回饋裝置回饋到電網(wǎng)，在此期間如果有另一個(gè)機(jī)構(gòu)處于正常運(yùn)行狀態(tài)，所回饋的能量?jī)?yōu)先用于另一個(gè)機(jī)構(gòu)的使用，多余的電量才回饋給電網(wǎng)，保證了母線電壓的穩(wěn)定供給，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

設(shè)定日期周期date，1≤date≤D，D為最大日期，計(jì)算日期周期內(nèi)所有24小時(shí)工作強(qiáng)度{WorkDaydate}；計(jì)算Max{WorkDaydate}對(duì)應(yīng)的datemax；Min{WorkDaydate}對(duì)應(yīng)的datemin;將datemax的排班，門診，手術(shù)安排至datemin。

4 變頻調(diào)速共直流母線回饋系統(tǒng)能量分析

以某公司同一型號(hào)、同一規(guī)格的兩臺(tái)大型平頭塔式起重機(jī)為例，最大額定起重質(zhì)量為100t，起升高度為100m，工作級(jí)別M5，一個(gè)工作循環(huán)時(shí)間約為24min，上升一次10min，下降10min，增幅90s，減幅90s，回轉(zhuǎn)60s，行走使用頻率極低，可忽略不計(jì)，各機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)功率見(jiàn)表1。

圖3 共直流母線能量回饋?zhàn)冾l調(diào)速系統(tǒng)主回路單線圖

表1 各電動(dòng)機(jī)功率 單位: kW

按照變頻電動(dòng)機(jī)和變頻器的選型手冊(cè)，通常電動(dòng)機(jī)的效率1取0.89，變頻器效率2取0.98，機(jī)械傳動(dòng)效率3取0.9，電動(dòng)機(jī)傳輸?shù)哪芰靠傂?/p>

按電動(dòng)機(jī)平均使用工況計(jì)算一個(gè)作業(yè)周期耗能量，上升耗能為

下降耗能為

變幅機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在加減速時(shí)，機(jī)械摩擦力約為電動(dòng)機(jī)功率的20%，變幅耗能為

回轉(zhuǎn)耗能為

表2 耗能對(duì)比 單位: kW

從表2中數(shù)據(jù)可知，塔式起重機(jī)采用共直流母線調(diào)速在上升、變幅和回轉(zhuǎn)時(shí)電動(dòng)機(jī)耗能與采用變頻調(diào)速在忽略制動(dòng)時(shí)相同，共直流母線變頻調(diào)速在下降時(shí)回饋能量，通過(guò)計(jì)算能量回饋率為24.5%，計(jì)算時(shí)忽略行走機(jī)構(gòu)以及其他部件耗電量，實(shí)際回饋率要高于計(jì)算值。

5 共直流母線回饋系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)分析及選型注意事項(xiàng)

1）系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

共直流母線系統(tǒng)是解決多電機(jī)傳動(dòng)技術(shù)的最優(yōu)方案，能很好地解決多電機(jī)間電動(dòng)狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài)之間的矛盾。在同一系統(tǒng)中，同一時(shí)刻不同裝置可工作在不同的狀態(tài)，整流回饋單元保證了公共直流母線電壓的穩(wěn)定供給，又將多余的能量回饋給電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了再生能源的合理利用。

共直流母線系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，工作穩(wěn)定。在多電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中省去了大量的制動(dòng)單元、制動(dòng)電阻等外圍設(shè)備，從而解決了制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻無(wú)空間擺放的難題，減少了設(shè)備故障點(diǎn)，提高了設(shè)備的整體控制水平。

2）系統(tǒng)缺點(diǎn)

首先，由于系統(tǒng)需要獨(dú)立的能量回饋裝置，且能量回饋裝置的功率要考慮至少兩個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)行/回饋的容量，所以系統(tǒng)硬件配置成本投入較高，一般用戶難以接受。

其次，系統(tǒng)硬件及軟件配置較復(fù)雜，對(duì)主機(jī)廠電氣技術(shù)人員的專業(yè)技術(shù)水平要求較高。一旦系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題，用戶的技術(shù)人員很難處理，給用戶后期維修也增加了難度。

3）整流回饋裝置選型注意事項(xiàng)

現(xiàn)在市面上有很多品牌和規(guī)格的整流回饋裝置，硬件配備時(shí)一定要根據(jù)實(shí)際需要選擇不同的整流回饋裝置。以Siemens品牌為例，帶回饋功能的整流單元有ALM型和SLM型，ALM為主動(dòng)型可調(diào)節(jié)性整流模塊，比SLM整流單元多了一個(gè)LC凈網(wǎng)濾波器和一個(gè)AFE電抗器，能有效保證母線電壓的穩(wěn)定，從而減小回饋過(guò)程中諧波對(duì)電網(wǎng)的沖擊，并確保變頻調(diào)速系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

6 結(jié)論

共直流母線能量回饋?zhàn)冾l調(diào)速系統(tǒng)，能夠有效避免再生能量的浪費(fèi)，并將再生能量通過(guò)整流回饋裝置回饋到電網(wǎng)，對(duì)于大型起重機(jī)，尤其是起升高度高、工作級(jí)別高、起升機(jī)構(gòu)功率大的起重機(jī)，節(jié)能效果更顯著，一般節(jié)電率可達(dá)25%左右，且瞬間停電不會(huì)跳脫停機(jī)，保證設(shè)備的安全，具有良好的社會(huì)效益。

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Application and analysis of common DC-bus energy feedback system in crane

XIA Wenyan

(Shandong Fenghui Equipment Technology Co., Ltd, Ji’nan 250200)

When the potential energy load driven by the motor of the crane mechanism is lowered, or the motor is in the state of regenerative power generation, the generated regenerative energy is consumed through an external braking resistor.Forthe problem ofenergywaste, a technique of applying public DC bus energy feedback variable frequency speed regulation system to the crane is proposed, and the regenerative energy generated by each mechanism is fed back to the power grid through the active inverter device, which solves the waste of energy, has no pollution to the power grid, and improves the control performance of the speed control system.

common DC bus; energy feedback; crane

2020-06-08

2020-07-13

夏文艷（1984—），女，內(nèi)蒙古包頭市人，碩士，工程師，主要從事起重機(jī)械電氣部分設(shè)計(jì)工作。