能量回饋裝置在港口起重機(jī)中的應(yīng)用研究

姚保良

（廈門海滄新海達(dá)集裝箱碼頭有限公司，福建廈門，361026）

1 港口起重機(jī)的工作特點(diǎn)及產(chǎn)生回饋能量的機(jī)理

1.1 港口起重機(jī)的工作特點(diǎn)

港口起重機(jī)是用于向上提升、水平移動(dòng)（或回轉(zhuǎn)）并下降釋放貨物的機(jī)電設(shè)備。是一種循環(huán)、重復(fù)、間歇運(yùn)動(dòng)的機(jī)械。起重機(jī)的工作過程是:起升機(jī)構(gòu)抓取貨物提升,運(yùn)行或回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)使貨物產(chǎn)生水平位移,起升機(jī)構(gòu)下放貨物到指定地點(diǎn)，之后各個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行反方向運(yùn)動(dòng)回到取貨地點(diǎn)。這一工作過程稱為一個(gè)工作循環(huán)，一個(gè)工作循環(huán)完成后,再進(jìn)行下一個(gè)工作循環(huán)。起重機(jī)就這樣重復(fù)而周期性地動(dòng)作,各個(gè)機(jī)構(gòu)頻繁處于啟動(dòng)、加速、減速、制動(dòng)以及正向、反向等相互交替的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中，貨物的位能、動(dòng)能也在不斷地變化當(dāng)中。

1.2 變頻-異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性

根據(jù)圖1變頻-異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性，以岸橋作業(yè)過程中動(dòng)作最為頻繁的小車機(jī)構(gòu)和起升機(jī)構(gòu)為例簡單分析機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

圖1 變頻-異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性

1.2.1 小車機(jī)構(gòu)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)

（1）正向（向前）運(yùn)行時(shí)：加速（升頻）及穩(wěn)速過程電機(jī)工作于第一象限，處于電動(dòng)狀態(tài)；減速（降頻）過程，進(jìn)入第二象限，處于發(fā)電狀態(tài)；減速穩(wěn)定后重新工作于第一象限，處于電動(dòng)狀態(tài)。

（2）反向（向后）運(yùn)行時(shí)：加速（升頻）及穩(wěn)速過程電機(jī)工作于第三象限，處于電動(dòng)狀態(tài)；減速（降頻）過程，進(jìn)入第四象限，處于發(fā)電狀態(tài)；減速穩(wěn)定后重新工作于第三象限，處于電動(dòng)狀態(tài)。

1.2.2 起升機(jī)構(gòu)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)（位能負(fù)載）

（1）上升運(yùn)行：與小車機(jī)構(gòu)正向情況類似。加速（升頻）過程電機(jī)工作于第一象限，處于電動(dòng)狀態(tài)；減速（降頻）過程，進(jìn)入第二象限，處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)；減速穩(wěn)定及高空停止時(shí)重新工作于第一象限，處于電動(dòng)狀態(tài)。

（2）下降運(yùn)行：輕載下降：當(dāng)空載或輕載不足以克服機(jī)構(gòu)傳動(dòng)阻力而加速或勻速下降時(shí)，電機(jī)工作于在第三象限，處于電動(dòng)狀態(tài)。減速過程，特性進(jìn)入第四象限，電機(jī)處于發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)頻率降下來后，電機(jī)重又回到第三象限進(jìn)入電動(dòng)狀態(tài)。

重載下降：重載具有很高的位能，靠自身的重量就能下降需電機(jī)進(jìn)行制動(dòng)，起升機(jī)構(gòu)重載下降時(shí)電機(jī)始終工作于第四象限，處于發(fā)電再生制動(dòng)狀態(tài)。

由上分析，起重機(jī)工作過程中機(jī)構(gòu)電機(jī)頻繁工作于不同象限，即頻繁在電動(dòng)狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài)變換。當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作于第二、四象限，處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的大量再生電能回饋至變頻器直流母線會(huì)導(dǎo)致直流母線電壓迅速升高（電壓泵升），此時(shí)必須及時(shí)通過制動(dòng)電阻消耗或能量回饋裝置將再生能量回饋至電網(wǎng)以降低直流母線上的電壓，否則易造成過電壓而損壞變頻器。

2 能量回饋裝置的基本原理

能量回饋裝置，即變頻器專用型能量回饋裝置，是變頻器專用型制動(dòng)單元的一種，主要用于幫助電機(jī)在其運(yùn)行過程中將所產(chǎn)生的再生電能回饋到電網(wǎng)，同時(shí)協(xié)助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)功能[1]。如圖1 所示，在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，電機(jī)處于減速制動(dòng)或位能負(fù)載下降狀態(tài)時(shí)，在轉(zhuǎn)動(dòng)慣量或負(fù)載自重作用下使電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n大于同步轉(zhuǎn)速n0,電機(jī)轉(zhuǎn)速n與轉(zhuǎn)矩T不同向，電機(jī)進(jìn)入再生發(fā)電狀態(tài)，電機(jī)所發(fā)出的再生電能通過變頻器逆變橋續(xù)流二極管儲(chǔ)存在變頻器的直流母線電容器中。大量的再生電能匯集于直流母線會(huì)使電壓迅速升高，如果不把這部分能量及時(shí)消耗掉會(huì)影響變頻器的正常工作。變頻器的能量回饋單元采用可控的PWM整流取代不可控的二極管整流，實(shí)現(xiàn)電能雙向流動(dòng)。通過自動(dòng)檢測直流母線上的直流電壓并將高出的直流電由PWM觸發(fā)IGBT逆變成與電網(wǎng)電壓同步的交流電回饋到交流電網(wǎng)，從而達(dá)到再生能量回饋電網(wǎng)的目的，回饋到電網(wǎng)的電能可達(dá)電動(dòng)機(jī)再生發(fā)電能量的97%以上，有效節(jié)省電能。

2.1 二象限變流器

常見的通用型變頻器多為交-直-交電壓型變頻器，采用二極管整流橋?qū)⒔涣麟娫凑鞒芍绷麟?，再由IGBT逆變橋在PWM脈沖控制下將直流電逆變成電壓頻率皆可調(diào)整的交流電供給電動(dòng)機(jī)。由于其整流環(huán)節(jié)不可控，電流只能單向流動(dòng)，只適合于工作在電動(dòng)狀態(tài)，所以稱之為二象限變頻器，且存在網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低、電流諧波大缺點(diǎn)。由于二象限變頻器采用二極管整流橋，變頻器自身不能實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，當(dāng)應(yīng)用于機(jī)構(gòu)電機(jī)頻繁工作于四個(gè)象限的港口起重機(jī)上時(shí)無法將電機(jī)產(chǎn)生的大量再生電能回饋至電網(wǎng)。為防止變頻器直流母線電壓泵升而損壞變頻器，通常作法是在二象限變頻器的直流母線上增加電阻制動(dòng)單元，通過電阻發(fā)熱方式將電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的再生能量消耗掉。這種方式極不經(jīng)濟(jì)，且存在功率因數(shù)低、電流諧波大的缺點(diǎn)，在大型港口起重機(jī)如岸橋上已不準(zhǔn)使用。二象限變流器如圖2所示。

圖2 二象限變流器：再生能量通過制動(dòng)斬波器的外部電阻消耗

2.2 四象限變流器

四象限變流器是雙PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)，在通用變頻器基礎(chǔ)上引進(jìn)可控PWM整流取代不可控二極管整流，將變頻器電網(wǎng)側(cè)變流器（PWM整流）和電機(jī)側(cè)變流器（逆變器）功能整合在一起，電網(wǎng)側(cè)變流器和電機(jī)側(cè)變流器都可以工作在整流狀態(tài)和逆變狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，并且可以消除變頻裝置對電網(wǎng)的諧波污染，提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，尤其適用于起重機(jī)應(yīng)用場合。原理如圖3所示[2]。

圖3 四象限變流器：再生能量回饋至電網(wǎng)

四象限變流器電網(wǎng)側(cè)整流單元與電機(jī)側(cè)逆變單元的電路相同，均由VT1-VT6六個(gè)IGBT和六個(gè)續(xù)流二極管組成。

當(dāng)電機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，電網(wǎng)側(cè)整流單元的6個(gè)續(xù)流二極管組成三相整流橋向電機(jī)側(cè)逆變單元供電，同時(shí)VTIVT6六個(gè)IGBT在DSP產(chǎn)生的6路高頻PWM脈沖控制下進(jìn)行通斷，并與輸入電抗器共同作用產(chǎn)生與輸入電壓相位一致的正弦電流波形，消除二極管整流橋產(chǎn)生的諧波，提高功率因數(shù)接近于1，消除對電網(wǎng)的諧波污染。此時(shí)能量從電網(wǎng)經(jīng)由整流回路和逆變回路流向電機(jī)，變頻器工作在第一、第三象限[3]。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)時(shí)，電機(jī)產(chǎn)生的再生能量通過電機(jī)側(cè)逆變單元的續(xù)流二極管向直流母線上的濾波電容器儲(chǔ)能，直流母線上的電壓升高。當(dāng)直流母線上的電壓超過設(shè)定的允許值時(shí)，電網(wǎng)側(cè)變流器工作于逆變狀態(tài)，由DSP產(chǎn)生高頻PWM脈沖控制VT1-VT6按一定的時(shí)序交替通斷，將直流母線上高出的直流電逆變成與電網(wǎng)電壓同步的交流電回饋到電網(wǎng)再利用，達(dá)到節(jié)能的效果。此時(shí)電機(jī)產(chǎn)生的再生能量由電機(jī)通過逆變側(cè)、整流側(cè)流向電網(wǎng)，變頻器工作在二、四象限[3]。

四象限變流器采用雙PWM控制技術(shù)，使變頻器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，將電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的電能回饋到電網(wǎng)，適用電機(jī)的四象限運(yùn)行，同時(shí)還提高變頻調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)，降低電網(wǎng)諧波污染。

3 安川能量回饋裝置及能量回饋路徑

筆者所在集裝箱碼頭主要起重設(shè)備岸橋和場橋均采用安川電控系統(tǒng)，岸橋各機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器采用由VS-656DC5、VS-676H5組成的四象限變流器；場橋各機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器采用由CR5、A1000組成的共用直流母線二象限變流器加能量回饋裝置（DC5變流器）的形式，用市電作業(yè)時(shí)各機(jī)構(gòu)電機(jī)產(chǎn)生的再生能量經(jīng)回饋裝置（DC5變流器）回饋電網(wǎng)，當(dāng)偶爾用小柴油機(jī)組轉(zhuǎn)場時(shí)大車電機(jī)產(chǎn)生的回饋能量由制動(dòng)單元消耗掉（目前部分場橋已改造為電池轉(zhuǎn)場）。

3.1 安川能量回饋裝置CONVERTER（VS-656DC5）的基本工作原理

以本司岸橋起升機(jī)構(gòu)由VS-656DC5、VS-676H5和電機(jī)組成的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為例。DC5與H5組成典型的四象限變流系統(tǒng)，滿足電機(jī)四象限運(yùn)行。DC5采用雙PWM調(diào)制技術(shù)既能對整流過程中的諧波進(jìn)行調(diào)制又能對電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的再生能量進(jìn)行逆變回饋，達(dá)到節(jié)能和優(yōu)化電能質(zhì)量的目的。

當(dāng)電機(jī)工作于一三象限，處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，三相交流市電由 DC5（CONVERTER）整流，經(jīng) H5（INVERTER）逆變產(chǎn)生的一定頻率和電壓的電源驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，電流及電壓同相位。此時(shí)，DC5（CONVERTER）驅(qū)動(dòng)板產(chǎn)生的PWM脈沖控制IGBT對整流過程中產(chǎn)生的諧波進(jìn)行調(diào)制，使電流、電壓調(diào)制為相位角接近位0度的正弦波，以降低諧波分量（5%以下），提高功率因數(shù)（0.95以上）。

當(dāng)電機(jī)工作于二四象限，處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的再生能量經(jīng)H5（INVERTER）的續(xù)流二極管整流至直流母線，DC5（CONVERTER）DSP單元產(chǎn)生PWM脈沖對直流母線上高出的直流電進(jìn)行調(diào)制，逆變成與市電同步的交流電反饋至電網(wǎng)，電流及電壓相位相反。此時(shí)，DC5（CONVERTER）利用 PWM脈沖控制IGBT將電流、電壓調(diào)制為相位角接近位180度的正弦波，提高功率因數(shù)（0.95以上），降低諧波分量（5%以下）。

安川能量回饋裝置CONVERTER（VS-656DC5）的工作原理就是利用帶PWM整流單元的四象限變流器將輸入、輸出的電流及電壓波形調(diào)制成標(biāo)準(zhǔn)正弦波。一方面可以降低電網(wǎng)的諧波分量（小于5%），提高功率因數(shù)（接近于1）。另一面在機(jī)構(gòu)電機(jī)工作于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，將電機(jī)產(chǎn)生的再生能量回饋到電源側(cè)，實(shí)現(xiàn)電能雙向傳輸，并且有較快的動(dòng)態(tài)控制響應(yīng)，能很好地滿足起重機(jī)電機(jī)的四象限運(yùn)行特性，既能達(dá)到節(jié)能的目的，又能提高電源質(zhì)量。

3.2 能量回饋再利用路徑

在集裝箱碼頭起重機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中，場橋多采用共用直流母線方式，能量轉(zhuǎn)化也是在直流母線上完成。以本司場橋電控系統(tǒng)為例，起升變頻器CR5、大車/小車變頻器A1000以及逆變單元（能量回饋裝置）DC5共用直流母線。在起重機(jī)轉(zhuǎn)場采用柴油發(fā)電機(jī)組供電時(shí)（較少轉(zhuǎn)場），油電電源進(jìn)入起升變頻器CR5，由CR5整流單元的三相整流橋整流向共用母線供電，再由大車變頻器A1000逆變成相應(yīng)電壓頻率的電流驅(qū)動(dòng)大車行進(jìn)。大車電機(jī)行進(jìn)過程中產(chǎn)生的過多再生能量在直流母線上由制動(dòng)單元電阻器發(fā)熱消耗掉以防損壞變頻器。在起重機(jī)由市電供電正常作業(yè)時(shí)，市電電源由逆變單元（能量回饋裝置）DC5采用PWM整流單元整流后為共用直流母線供電，起升變頻器CR5逆變單元、大車/小車變頻器A1000根據(jù)PLC指令分別逆變成所需電壓頻率的交流電驅(qū)動(dòng)各自電機(jī)，組成四象限變流器系統(tǒng)。各機(jī)構(gòu)電機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)時(shí)所產(chǎn)生的再生能量均匯聚于共用直流母線上，當(dāng)直流母線上的直流電壓超過設(shè)定的允許值時(shí)，逆變單元（能量回饋裝置）DC5就會(huì)工作于逆變狀態(tài)，將直流母線上高出的直流電逆變成與電網(wǎng)電壓同步的交流電回饋到電源側(cè)。

在帶能量回饋裝置的起重機(jī)四象限變流系統(tǒng)中，各機(jī)構(gòu)電機(jī)產(chǎn)生的再生回饋能量利用途徑如下：①首先公用直流母線上存儲(chǔ)的能量可以被同母線上的其他變頻器作為電源消耗掉，如起升小車聯(lián)動(dòng)狀態(tài)；②如消耗不完，則通過能量回饋裝置，把直流母線上的能量，逆變?yōu)榕c電網(wǎng)同步的正弦交流電回饋到主變壓器原邊，在此被本機(jī)的其它機(jī)構(gòu)消耗使用；③如還消耗不完，則在交流電網(wǎng)上被相鄰起重機(jī)消耗，最終剩余能量才真正回饋到市電電網(wǎng)上（實(shí)際回饋到市電電網(wǎng)的能量已較少，大多被其它裝置及相鄰設(shè)備所利用）。這種能量回饋方式相對于發(fā)熱消耗方式，最大的優(yōu)點(diǎn)就是節(jié)能且不需要另行外加裝功率補(bǔ)償裝置及諧波抑制裝置，降低了對安裝環(huán)境的要求。

4 港口起重機(jī)應(yīng)用能量回饋裝置節(jié)電效果及電源質(zhì)量測試

安川能量回饋裝置CONVERTER（VS-656DC5）進(jìn)行過節(jié)能效果測試，測試選在某碼頭的幾臺(tái)配制相同的帶能量回饋裝置與不帶能量回饋裝置的門機(jī)上進(jìn)行。JIB08不帶能量回饋裝置，再生電量通過電阻器發(fā)熱消耗掉，并加裝電容補(bǔ)償柜提高功率因數(shù)。JIB05帶能量回饋裝置CONVERTER（VS-656DC5），不需加裝電容補(bǔ)償柜。

4.1 節(jié)能效果測試

測試時(shí)兩臺(tái)門機(jī)作業(yè)工況及作業(yè)環(huán)境相同，分別作業(yè)5個(gè)循環(huán)，測試數(shù)據(jù)如表1。

表1 帶能量回饋裝置vs不帶能量回饋裝置門機(jī)作業(yè)測試數(shù)據(jù)

從測試數(shù)據(jù)可以看出，帶能量回饋系統(tǒng)門機(jī)節(jié)能34%，不帶能量回饋系統(tǒng)的門機(jī)無節(jié)能效果；在不需增加電容補(bǔ)償柜的情況下，功率因數(shù)比不帶能量回饋系統(tǒng)的門機(jī)高且接近于1。

4.2 電能質(zhì)量測試

作業(yè)過程中分別在各臺(tái)門機(jī)主變壓器二次側(cè)進(jìn)行電網(wǎng)總諧波畸變率測試，從測試數(shù)據(jù)可以看出，帶能量回饋裝置的門機(jī)電網(wǎng)總諧波率約2%，遠(yuǎn)小于5%的國家標(biāo)準(zhǔn)，而不帶能量回饋的門機(jī)電網(wǎng)諧波率5.47%，高于國家標(biāo)準(zhǔn)，需增加諧波抑制裝置。測試數(shù)據(jù)如表2：

表2 電能質(zhì)量測試