（机械电子工程专业论文）抓斗卸船机能量回馈型调速系统研究.pdf

武汉科技大学 硕士学位论文第l 页 摘要 抓斗卸船机可适应不同散货品种的卸船作业，是我国各大散货港口的主要运输设备之 一。随着物流行业迅速发展，港口企业对重型运输设备的依赖性越来越大，于是国内外众 多港口企业急需一批自动化程度高的节能重型运输设备，以提升行业竞争力。本文以武钢 港务公司桥式抓斗卸船机改造项目为背景，对抓斗卸船机的能量回馈型调速系统进行了详 细研究。 本文针对抓斗卸船机装卸时采用能耗制动方式造成了大量能量浪费，在新系统总体设 计方案中采用了能量回馈制动方式，有利于能量回收。主要研究了抓斗卸船机工作时产生 再生制动的几种方式，并结合卸船机工艺找到了其实现能量回馈的主要环节，确定了针对 抓斗卸船机的能量回馈型调速系统组合方案通用矢量交频器加三相p w m 逆变器，矢 量变频器负责卸船机电气驱动系统的电动运行，三相p w m 逆变器负责将电动机再生制动 产生的能量回馈到电网；考虑到回馈电网的电能质量，还专门对三相p w m 逆变器的控制 策略进行研究，通过建立电压型有源逆变电路的数学模型，研究了电压型逆变器的双闭环 控制系统电流内环与电压外环控制，并在此控制系统上提出了两项改进逆变器输 出侧采用t 型滤波器代替单电感滤波电路以提高系统对高次谐波的滤波能力，以及采用硬 件锁相环自动追踪输入信号频率和相位：最后运用高性能仿真工具m a t l a b 对能量回馈型调 速系统建模，通过仿真结果验证了抓斗卸船机能量回馈型调速系统优越的动态响应和电网 跟随能力。 本文研究成果已成功应用于武钢港务公司桥式抓斗卸船机改造并取得良好效果，对我 国大型卸船机改造提供了成功经验，特别是对提高卸船机的节能水平具有一定的理论指导 意义和实际推广价值。 关键词：卸船机：变频调速；能量回馈：仿真 第1 i 页武汉科技大学 硕士学位论文 a b s t r a c t g r a bs h i pu n l o a d e ri so n eo ft h em a i nt r a n s p o r te q u i p m e n ti no u rc o u n t r y i th a sb e e nu s e di n l o t so fh a b o u ri nr e c e n ty e a r s ，b e c a u s ei ti sa p p l i c a b l ef o rd i s c h a r g i n gd i f f e r e n tb u l kc a r g o w i t h t h ed e v e l o p m e n to fe a r r i n gt r a d e ，d e m a n d m e n to fs t r o n g e rt r a n s p o r te q u i p m e n tb e c o m em o r ea n d m o r e t h eh a b o u rc o r p o r a t i o n so v e rt h ew o r l dd e m a n dm o r ea u t o m a t i cl a r g es c a l et r a n s p o r t e q u i p m e n tw h i c hc a l ls a v ee n e r g y ，s ot h e yc a ne n h a n c ec a p a b i l i t yo fc o m p e t i t i o n t h i sp a p e ri s b a s e do np r o j e c tw h i c hi sa i m e do nm o d i f i c a t i n gb r i d g e t y p e 黟a bs h i pu n l o a d e ri nw i s e o i tp a y m o r ea t t e n t i o nt or e s e a r c ho ne n e r g yr e c y c l i n gc o n t r o ls y s t e m f o ro l du n l o a d e ra d o p td y n a m i cb r a k i n gm o d ew h e nl o a d i n ga n dd i s c h a r g i n g ，w h i c hw a s t e b i gp o w e r ，w ea p p e a lt oa d o p te n e r g yf e e d b a c km o d ew h i c hc a nr e c y c l ee n e r g y s ow em a i n l y d or e s e a r c ho nr e g e n e r a t i v eb r a k i n gm o d eo fb r i d g e - t y p eg r a bs h i pu n l o a d e r ；a c c o r d i n gt oi t s o p e r a t i n gm o d e ，w ep r o b a b l ye s t i m a t ei t s r e t r i e v a b l ee n e r g y ，f i n dt h ek e yl i n kf o rr e c y c l i n g p o w e r ，d e t e r m i n et h es c h e m eo fc o m p o s i t i o na b o u te n e r g yf e e d b a c ks y s t e mi nb r i d g e t y p eg r a b s h i pu n l o a d e r 一- n o r m a lf r e q u e n c yc o n v e r t e rp l u s 、d c t o a c i n v e r t e r i nt h i ss c h e m e ，f r e q u e n c y c o n v e r t e ri si nc h a r g eo fe l e c t r i c a lm o t o ro p e r a t i o n ，a n dd e t o a ci n v e r t e rp r e s i d er e c y c l i n g r e g e n e r a t i v ee n e r g yf r o me l e c t r i c a lm o t o rt op o w e rl i n e t h i n k i n ga b o u te l e c t r i c a le n e r g y q u a l i t y ，w ea l s or e s e a r c ho nc o n t r o ls t r a t e g ya b o u tt h r e ep h r a s ep w m i n v e r t e r t h r o u g hb u i l d i n g u pm a t h e m a t i cm o d e lo fv o l t a g em o d ei n v e r t e rc i r c u i t ，w ed e s i g ni t sd o u b l ec l o s e dl o o pc o n t r o l s y s t e m 一- c u r r e n ti n n e rl o o pa n dv o l t a g ee x t e r n a ll o o pc o n t r 0 1 f i n a l l y ，w ea p p l y m a t l a bt ob u i l d e m u l a t i o nm o d e lo fb r i d g e t y p e 芦a bs h i pu n l o a d e re n e r g yf e e d b a c ks y s t e m ；t h r o u g ht h e e m u l a t i o nr e s u l t ，s u p e r i o rd y n a m i cr e s p o n s ea n ds y n c h r o n i z i n ga b i l i t yw i t he l e c t r i c a ll i n eh a v e b e e nc e r t i f i c a t e d t h er e s e a r c hp r o d u c t i o nh a ss u c c e s s f u l l yb e e nu s e di nt h ep r o j e c tn a m e d “b r i d g e t y p eg r a b s h i pu n l o a d e rm o d i f i c a t i o nw o r k s ”，a n da c q u i r e9 0 0 de f f e c t i v e n e s s i tc a ns u p p l ys u c c e s s f u l e x p e r i e n c et ol a r g e s c a l eu n l o a d e rm o d i f i c a t i o nw o r k s i np a r t i c u l a r ，i t c a np r o v i d ec e r t a i n t h e o r e t i c a lg u i d a n c ea n da c t u a lv a l u eo fp r o m o t i o nt oe n h a n c i n ge n e r g ys a v i n ga b i l i t ya b o u t b r i d g e t y p e 伊a bs h i pu n l o a d e r k e y w o r d s ：g r a bs h i pu n l o a d e r ；f r e q u e n c yc o n t r o l ；e n e r g yr e c y c l e r ；s i m u l a t i o n 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名强期： 塑生笪月圣旦 论文作者签名：垡：蜘期：型：生垒月圣旦 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查 阅和借阅，同意学校将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。 论文作者签名：二笛：薛 菩导教师签耋! 一 日 期：兰堕丝自圣旦 武汉科技大学 硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 课题来源及研究的目的和意义 武钢港务公司被誉为武钢的“粮仓”，承担着武钢生产所需原材料的进厂任务。公司 有7 座原料码头，武钢的生产原料主要是从原料码头进厂，因此，原料码头是武钢生产的 咽喉。码头卸船设备主要分为浮吊、链斗船和桥式抓斗卸船机。一、二码头的桥式抓斗卸 船机承担着整个港口4 0 的卸载量，这些卸船机都是8 0 年代初期的设备，动力系统采用 交流供电方式，即交流电动机分别拖动起升、丌闭、小车行走、大车行走、俯仰五个系统； 电机调速系统全部采用串电阻调速方式；电机制动方式采用能耗制动及反接制动。经历了 二十年的高负荷作业，卸船机已从币常工作期进入故障频发期，尤其是电气设备故障频发， 有时甚至严重影响正常生产l lj 。 为了保证原料码头卸船机的接卸原料进厂能力，如何处理一、二码头的两台桥式抓斗 卸船机，己经提到同程上来。对原有设备的处理有两条途径，一是报废更新；二是技术改 造，延长使用寿命。经市场调研，一台新的桥式抓斗卸船机价值约4 千万元人民币，如果 通过改造能够节约资会、延长使用寿命，提高卸船机的利用价值，具有非常巨大的经济意 义【撕】。因此，2 0 0 5 年武钢港务公司立项对一、二码头的两台桥式抓斗卸船机进行技术改 造，对直接影响卸船机作业效率和作业成本的电气控制系统进行了技术攻关。 据不完全统计，我国港口卸船机有将近3 5 0 0 台，约5 5 的卸船机电气系统都陈旧落 后，也都面临报废更新或技术改造问题。于是作者以“桥式抓斗卸船机技术改造”项目为 背景，选择了“抓斗卸船机能量回馈型调速系统研究”作为本文的研究课题。该课题的完 成，可以为大型卸船机提高可靠性和节能提供样板，将为我国港口生产过程的节能降耗作 出重要贡献。 1 2 卸船机电气驱动技术发展简史 在沿江、沿海码头上，很多卸船机承担集装箱、散货等作业工作。对于散货装卸的卸 船机有桥式抓斗卸船机，也有螺旋式、链斗式、斗轮式的连续卸船机。近些年，连续式卸 船机有了很大发展，显示出有利于环保、平均生产率高、自重轻等许多优点，但由于桥式 抓斗卸船机具有很好的适应性、可靠性高等特点，仍在卸船领域占主导地位【7 】。 抓斗卸船机的发展史是一部电气控制技术的发展史，伴随电气控制技术的进步而发 展。 代表7 0 年代后期世界先进技术水平的卸船机采用的m g 机组由一台原动机，多台直流 发电机构成。卸船机上的m g 机组，电机数量多，体积大；运转时间长；噪音大；维护量 大，维护成本高，单台卸船机的电刷、滑触块一年消耗二十万元以上；能耗高，一台1 2 0 0 f f h 的卸船机耗电量约为0 5 3 度t ，一台1 8 0 0 t h 耗电量约为0 5 7 度t 。而且，发电机整流子由于 磨损易变得很薄，对设备、生产都是一个隐患。 8 0 年代未，s c r ( 全数字可控硅控制技术) 系统在欧美国家港口装卸机械的应用就占了 第2 页武汉科技大学 硕士学位论文 7 0 。全数字s c r 技术发展至今己到成熟阶段，s c r 整流装置对比m g 机组，优点俯拾皆是， 具有在线检测、监控、保护、自诊断、动态显示报警和上网集中管理功能。我国丌始大量 引进欧美闺家港口装卸机械【8 】【9 】，如表1 1 所示： 表1 1 我国较早引进的卸船机 川户制造商机型物料生产率( t h )交货期 上海港 p w h 链斗煤炭 1 2 0 01 9 8 7 沙角电厂住友链斗煤炭 1 5 0 01 9 8 6 祸州电厂三菱 链斗煤炭8 0 01 9 8 9 人连港两蒙 压带 粮食 6 0 01 9 9 0 大津港 科尼斗轮粮食 7 5 01 9 9 3 秦皇岛港布勒链斗粮食 1 2 5 01 9 8 7 北伦港两沃尔特螺旋化肥 1 0 0 01 9 9 4 一卜海港 二菱波状挡边带式粮食 6 0 01 9 9 5 福州电厂两蒙斗轮煤炭 1 2 5 01 9 9 4 投入使用的散货卸船机，其主机构( 提升、丌闭、小车行走) 多数采用全数字s c r 直流 供电形式，拖动直流电动机，而辅助机构( 包括大车行走、驾驶室行走、给料器等) 大多采 用交流变频控制形式。 随着变频技术的发展，全数字控制的交流变频系统在工作可靠性、功率因数、谐波问 题、使用维护和价格等方面的优势渐显，近年来已在集装箱岸桥、轮胎吊的主机构上得到 广泛采用，如芬兰k o n e s c r a n ev l c 公司的a g d 系列、a l s t o m 公司的a l s p ac 8 0 l p c 系列 以及a b b 公司、a b 公司、s i e m e n s 公司等都采用了全交流变频，我国武汉港迪公司和上海 振华公司改造的抓斗卸船机也采用全交流变频技术，而相较之下全数字s c r 直流供电调速 系统在上述机型上的运用要少得多。由于全数字控制的全交流变频系统是近几年才在起重 机大功率电机驱动方面成熟起来的新技术，它代表了将来的发展方向【i m b 】。 1 3 能量回馈控制技术研究现状 逆变器足把直流电转换为所要求的不同频率和电压的交流电的变流装置，直流电经过 逆变把能量供给负载使用时称为无源逆变；直流电经过逆变向交流电源供电时称为有源逆 变。能量回馈制动将制动产生的能量由逆变器输出，返回电网，因此属有源逆变。国外从 2 0 世纪8 0 年代丌始对p w m 逆变器的技术进行研究，经过2 0 多年的发展，这项技术已经同趋 成熟。 近十几年来，国内外学者对逆变电源控制器进行了广泛研究并取得了可喜成果，具有 代表性的有s i e m e n s 公司的a f e 变频器，采用一块具有p w m 控制方式的电网电压识别板， 能量回馈制动逆变电源并网运行同步性能高，但是它将回馈单元和逆变单元集中在一块模 块上，故障j x l 险集中，不利于维护和传统变频器改造：目前独立回馈单元逆变器相对比较 成熟，世界上各大变频器生产厂家都有自己的产品，如安川公司的v s 2 6 5 6 r c 5 、同本富士 公司的r h r 系列和f r e n i c 系列电源再生单元，它把有源逆变单元从变频器中分离出来， 直接作为变频器的一个外围装置，可并联到变频器的直流侧，将再生能量回馈到电网中， 这种产品故障危险分散、维护方便【l b 2 1j 。 武汉科技大学 硕士学位论文第3 页 从逆变器的主回路拓扑结构上可将逆变器分为电压型和电流型，电压型p w m 逆变器可 任意调节功率因数，实现能量的双向流动，逆变器网侧电流接近正弦，谐波含量少，只含 幅值很小的高次谐波，动念响应好，适于负荷变化频繁的场合；直流侧电压稳定，输出电 压谐波含量少。 随着全控型器件功率m o s f e t 、i g b t 及p w m 丌关主回路拓扑的发展和成熟，目前的 有源逆变产品大都采用电压型p w m ，以满足电流波形的正弦和功率因数最大的要求。电机 调速的应用方面主要是结合变频器产品的使用，解决电动机处于再生发电状态产生的再生 能量问题。 同其它电力电子装置一样，p w m 逆变器发展的基础是电力电子器件的制造和应用技术。 最初的p 1 】l m 逆变器采用带有强迫换流电路的晶闸管主电路，使用s p w m 控制，系统的丌关频 率较低、动态响应不理想。二十世纪八十年代出现了采用自关断型器件g t o 作为主回路的 现代意义上的p w m 逆变器，这种p w m 逆变器采用移相式s p w m 控制，输入电流是f 弦， 功率因数接近为1 ，输出直流电压可控。i g b t 的使用促使p w m 逆变器朝着高频化方向发展， 因为在较高丌关频率下可以大大提高交流侧波形的正弦度，减小直流侧纹波以及减轻滤波 器的重量，增加系统的整体性能同时可以将更新更先进的控制技术应用于p w m 逆变器之 中。 从p w m 逆变器的控制策略角度来讲，可分为间接电流控制和直接电流控制两大类。间 接电流控制又称为相位幅值控制，以控制p w m 逆变器前端输入点电压的幅值和相位达到控 制输入电流的目的，该控制方法为单环结构，实现简单，但是响应速度慢，在暂态过程中， 交流侧电流会产生偏移，网侧电阻越小，偏移量越大，暂念过程持续时间也越长，严重时 甚至会影响到系统的稳定性，这个直流偏移量还会影响直流侧输出电流和暂态时输出电压 的波形。直接电流控制是指在控制电路引入交流输入电流的反馈信号，对电流进行直接控 制。直接电流控制可分为p i 调节控制、滞环控制以及预测电流控制等【2 2 - 2 5 】。 1 3 1 直接电流控制 直接电流控制是一种通过对交流电流直接控制的控制方法，使其跟踪给定电流信号。 具有电流控制环，直接对电流进行调节，能够使电流快速地跟踪给定值，因此具有很好的 动态性能而且对电流给定值限幅就可以很好地限制输出电流【2 6 。3 们。目f j 直接电流控制主要 有以下几种形式： 1 双闭坏控制 在双闭环控制系统中，电压外环给电流内环输出指令有功电流，控制三相逆变器直流 侧电压：电流内环根据指令电流进行电流跟踪控制，利用电流内环快速、及时的抗扰性来 有效地抑制电源扰动的影响。我国山东大学张承慧等人对其进行了广泛研究，使双闭环控 制同时具备优异的动、静态性能，是一种高性能的波形控制方案。但是，对于电网存在谐 波分量，使得双闭环控制的逆变器并网同步性较差，有待进一步完善。 2 滞环电流控制 滞坏电流控制是一种电流瞬时值反馈控制，常用于对电压型p w m 整流逆变器的控制。 笫4 页武汉科技大学 硕士学位论文 在此方式中，把给定电流信号与交流电流实际输入信号进行比较，两者的偏差作为滞环比 较器的输入，通过滞环比较器产生控制主电路中丌关管通断的p w m 信号，该p w m 信号经 驱动电路去控制主电路开关管的通断，从而控制交流电流信号的变化。 m a n j u s h as d a w a n d e 、h e n z ec p m o h a nn 等人进行了研究，发现采用滞坏比较的电流 控制系统优点是结构简单，电流响应速度快，控制运算中未使用电路参数，系统鲁棒性好， 应用较广。缺点是丌关频率在一个工频周期内不固定，谐波电流频谱随机分布，因而给滤 波器的设计带来困难。目前，滞环电流控制方式研究的主要问题是改进频率不恒定的缺点， 如将滞环控制与恒频控制相结合，但这又增加了控制的复杂程度。 3 预测电流直接控制 预测电流控制的思想是从丌关的在线优化出发，采用实时优化算法，在每一个采样周 期根据给定电流矢量变化率和负载情况计算出一个使电流误差趋于零的电压矢量去控制 变换器中开关的通断。k e y u em sm e d l e y ，l a iz h e r e n 、燕山大学的郑颖楠、傅诚，电流预 测控制具有固定的丌关频率、良好的动态性能、优化的丌关方式、便于计算机实现等特点。 但足由于电流预测控制没有积分环节，系统参数的波动和模型的不确定性会严重影响系统 的控制精度【3 卜”j 。 1 3 2 间接电流控制 问接电流控制也称为相位幅值控制，其依据是系统的低频稳态数学模型，是一种基于 工频稳态的控制方法。它通过控制逆变器输入电压的幅值和相位来间接控制输入电流。j u a n w d i x o n 、b o o n t e c ko o i 、浙江大学张仲超、李玉玲等人进行了深入研究，发现间接电流 控制最显著的优点是不需要电流传感器，控制结构简单、成本低、静态特性良好；但是这 种控制方式的稳定性很差，系统动态响应慢，在暂态过程中交流电流可能会出现直流偏移 问题和很大的电流过冲【3 6 1 ，该偏移量的大小和衰减速度同交流侧电阻有关，当交流侧电阻 很小时，偏移问题就变得格外严重。所以尽管幅相控制提出了有十多年时间，但在实际系 统和装置中很少被采用。 综上所述，进行双闭环控制能量回馈系统的进一步研究，对于变频节能技术的应用具 有十分重要的意义。 1 4 本文主要研究内容 、 本文的研究内容主要围绕抓斗卸船机能量回馈控制系统，具体研究内容如下： 1 针对卸船机动力系统四象限运行的特性，研究空问矢量变频技术； 2 通过分析抓斗卸船机的再生发电制动产生方式，结合变频器制动方式确定卸船机能 量回馈型调速系统的总体设计方案； 3 建立有源逆变单元的数学模型，并以数学模型为基础研究三相电压型p w m 逆变器 的控制策略双闭环控制策略； 4 在双闭环控制策略的基础上，完成卸船机能量回馈单元控制电路的设计。 5 运用m a t l a b 对能量回馈型调速系统建模仿真。 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 第二章适用于抓斗卸船机的能量回馈型调速系统设计方案 2 1 抓斗卸船机调速方式 为了提高生产率以及适应各种工作的要求，卸船机的工作速度应该足可控制的，尤其 是起升机构，当轻载和空斗下降时，如大起升高度升降抓斗为节省时问，需较高的工作速 度，而当重载时，为了安全可靠和准确定位，则要求较低的工作速度甚至微速。因此，卸 船机一般设有速度调节装置，且要求其工作平稳可靠、结构简单、操作方便、调速范围大 等。 2 1 1 传统调速方式 三相异步电动机转速公式为：刀2 6 ( j s 1 ，可见，改变供电频率厂、电动机的极 对数p 及转差率s 均可达到改变转速的目的。从调速的本质来看，不同的调速方式无非是 改变交流电动机的同步转速或不改变同步转速两种。总的来看，卸船机的传统调速方式有 以下几种：串级调速、绕线电动机转子串电阻调速、定子调压调速【2 】【3 】【4 1 。 1 串级调速 异步电机串级调速的工作原理是在异步电机的转子回路中串入一个频率和转子回路 频率相同的电动势，通过改变串入电动势的大小和幅值来改变电动机的机械特性，从而达 到电机调速的目的。传统串级调速主回路如图2 1 所示，电机转子转差输出功率经二极管 整流、平波电抗器l 滤波、晶闸管逆变后回馈电网；通过控制品闸导通角来改变直流电压 ( 等效的串入电动势) 以调节电机转差进行调速。该调速方式存在以下缺陷： a 逆变变压器本身体积较大，成本偏高，在向电网馈送有功功率的同时还要从电网吸 取无功功率( 建立内部磁场) ，造成整个调速系统功率因数偏低，如高速满载运行时， 其功率因数只有o 6 ；。 b 逆变装置将直流逆变成交流时，将附带产生较多谐波分量，会对电网造成污染； c 串级调速只能用于绕线式异步电动机。 图2 1 串级调速原理图 2 定子调压调速 当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不同转速。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，其调速范围较小，使一般 电动机难以应用，为了扩大调速范围，调压调速需采用转子电阻值大的笼型电动机，如专 供调压调速用的力矩电动机，或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。异步电动机调压调速 不改变电动机同步转速，在电机转子中消耗的转差功率变为热量损耗在转子电阻中，效率 较低。 豫d 1 糟2 挎3 0 图2 2 改变定子电压时的机械特性 3 绕线式电动机转予串电阻调速 绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速 下运行。串入的电阻越大，电动机的转速越低。此方法设备简单，控制方便，但转差功率 以发热的形式消耗在电阻上，属有级调速，机械特性较软。其主要缺点如下： a 电机转子串电阻调速属能耗型转差调速，机械特性软，调速范围小： b 控制网路操作频繁，冲击电流大，接触器触头易烧损，滑环炭刷易磨损，致使电器 元件的使用寿命大大缩短； c 有级调速，平滑性差，对机械的冲击大，影响整机使用寿命； d 低速运行时能耗大，转子回路能量消耗严重，不利于节能生产。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 2 1 2 变频调速 随着电力电子器件、大规模集成电路和计算机控制技术的迅速发展，以及现代控制理 论向交流电气传动领域的渗透，交流变频调速技术的应用得到了广泛推广，其基本控制原 理是通过改变电机供电频率可以改变其同步转速，达到调速目的。变频调速在抓斗 卸船机上的应用具有以下特点【4 】【3 6 】【3 7 】： a 与直流调速系统相比，可以不用制造复杂、价格昂贵、维护麻烦的直流电动机而选 用方便、节能、经济的交流电动机，而且节省了滤波器和电抗器等附件成本； b 变频系统与常规电气控制系统相比省去了电动机转子侧的大功率电阻加速接触器 和电动机正、反转交流接触器： c 电机加减速时间可调整，可实现系统的软启动和软停止，速度变化平滑运行平稳低 速性能稳定： d 能满足起升机构对调速硬度低频转矩特性及四象限运行的要求，可以长时l 日j 低速运 行，能有效防止重载空中溜钩现象； e 采用矢量闭坏控制方式，零速时起升电机也能以满转矩输出实现零速抱闸，可以全 速受控，减少抱闸闭合时的振动和抱闸磨损； f 无需采用变速装置利用变频调速5 0 h z 以上恒功率调速方式即可将空钩及轻载工况 的起升速度提高一倍类似于直流电机的弱磁升速方式：变频调速系统具备宽的调速 范围、较高的调速精度、快速的动态响应等良好的技术性能。 通过以上比较，变频调速具有明显的优势，并且，变频技术也是一项很成熟的技术， 采用变频调速技术将极大改善抓斗卸船机的调速性能。 2 2 变频控制原理 c ，l + 0 ，l p h u 串行 接口 电动机 h堙们：蝴蜊嗽 谨= ； 悲 电阿 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 电动机将出现磁饱和或者欠励磁，对电动机一般都是不利的。通过p w m 控制方式对异步 电动机调速系统的主电路进行控制，是进行能量控制并实现v v v f 控制思想的有效手段， 一般变频器的原理框图见图2 4 所示。 。 根据电动机学原理，交流异步电动机的同步转速是由电源的频率f ：g l 电动机极对数p 决定的，在改变供电频率时，电动机的同步转速也是相应的改变。当电动机在负载条件 下运行时，电动机的转速低于电动机的同步转速，转差的大小与电动机的负载有关。 交流异步电动机定子每相感应电动势的有效值为： e s = 4 4 4 f s ns kn s 母m q u 式2 1 中，e 。为气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值( v ) ；f 为定子频率( h z ) ： m 为定子每相绕组串联的匝数；k 腑为基波绕组系数；咖。为每极气隙磁通，异步电动机端 电压与感应电动势的关系公式为： 虬= e + r l ( 2 2 ) 在电动机控制过程中，使每极磁通。保持额定值不变是关键的一环。在交流异步电动 机中，磁通是定子和转子磁动势合成产生的，因此由式2 1 可知，只要同时协调控制e ，和 f ，就可以达到控制九并使之恒定的f | 的。对此，需要考虑额定频率以下和额定频率以上 2 种情况。 1 额定频率以下的调速在电动机额定运行情况下，电动机感应电动势较高，电 动机定子电阻和漏电抗上的压降所占的比例较小，由式2 2 知，电动机端电压和电动机的 感应电动势近似相等。当电动机的频率变化时，若继续保持电动机端电压不变，那么电动 机的磁通就会出现饱和或欠励磁的情况。例如，当电动机的定子频率降低时，若继续保持 电动机的端电压不变，既保持电动机的感应电动势不变，那么由式2 1 可知，电动机的磁 通通常处于接近饱和值，磁通的进一步增大将导致出现饱和，磁通出现饱和后将会造成电 动机中的励磁电流过大，增加电动机的铜耗和铁耗，使电动机温升过高，严重时会烧毁电 动机。而在另外的一种情况下，当电动机出现欠励磁时候，不能充分的利用铁心，将会影 响电动机的输出转矩，使电动机的带载能力下降，因此，在改变电动机频率的时候，应对 电动机的感应电动势进行控制，以保持c 为恒定值，即可以保持磁通不变。 l 。 然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当定子频率厂较高的时候，感应电动 势的值也较大，因此可以忽略定子阻抗压降，认为定子相电压u 。= e s ，则磁通可以用公 式2 3 表示，并保持为恒定值。 九瑙删 3 ， 这是恒压频比u f 控制方式，而低频时候u 。和e 。都较小，定子阻抗所占的比重增大， 电动机端电压和电动机的感应电动势近似的相等的条件已经不能满足，如果仍然按u f 控 制，就不能保持电动机磁通恒定，电动机磁通的减小势必造成电动机电磁转矩的减小。如 武汉科技大学 硕士学位论文第9 页 果对走子电阻压降进行补偿，在低频时候可适当的提高逆变器的输出电压，使勺常量， 如图2 5 所示，这样电动机磁通大体可以保持恒定。 图2 s 额定频率下的恒压频控制特性 2 额定频率以上调速在额定频率以上调速的时候，频率可以从f 。往上提高，但 是端电压虮不能继续上升，只能维持在额定值【，s 。，这将迫使磁通与频率成反比地下降， 相当于直流电动机的弱磁升速的情况。 在整个电动机调速范围内，异步电动机的控制特性如图2 6 所示。 0 k js 图2 6 异步电动机变压变频调速控制特性 如果电动机在不同转速下都具有额定电流，则电动机都能在温升允许的条件下长期运 行。这时电动机转矩基本上随磁通变化，因此，在额定转速以下为恒转矩调速，在额定转 速以上为恒功率调速。 2 3 抓斗卸船机变频器的选用 卸船机各机构为恒转矩负载，而矢量控制方式能实现转矩控制，因此对于卸船机调速 系统是最为适合的。 2 3 1 起升机构容量 起升机构平均起动转矩一般来说可为额定力矩值的1 3 1 6 倍。考虑到电源电压波动 因素及需通过1 2 5 超载试验要求等因素，其最大转矩必须有1 8 2 倍的负载力矩值，以确 保其安全使用的要求。通常对普通鼠笼电机来讲，等额变频器仅能提供小于1 5 0 超载力矩 第lo 页武汉科技大学硕士学位论文 值，为此可通过提高变频器容量或同时提高变频器和电机容量来获得2 0 0 力矩值。此时变 频器容量为 1 5 而k 罂= 丽k 1 0 0 0 r p( 2 4 ) 刁 ，c o s 妒刁 ，c o s 妒 式中：c o s # 一电机的功率因数，c o s q t = 0 8 5 p 一起升额定负载所需功率，k w r m 一电机效率t 刁 ，d 酊 一变频器容量，k v a k 一系数，k = 2 起升机构变频器容量依据负载功率计算，并考虑2 倍的安全力矩。若用在电机额定功 率选定的基础上提高一挡的方法选择变频器的容量，则可能会造成不必要的放容损失。在 变频器功率选定的基础上再作电流验证，公式如下： i c n ， ( 2 5 ) 式中 ，c 一变频器额定电流，a l 一电机额定电流，a 2 3 2 运行机构容量 当运行电机在3 0 0 s 内有小于6 0 s 的加速时间，并且起动电流不超过变频器额定值的1 5 倍时，变频器容量可按下式计算 土r uc o s # f ，i , 型9 7 3 + 去筹) = 石k 瞄p + ) 式中k 一电流波形补偿系数，p w m 方式k = 0 5 j j z 一负载转矩，n m z g d 2 一总转动惯量对电机轴的折算值，k g m t a 一加速时间，s 一电机额定转速，r m i n 当运行电机在3 0 0 s g j 电机有大于6 0 s 力h 速时间t 。时，变频器容量按下式取值 珏k 面( e + ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 2 4 异步电动机再生发电制动机理 为了满足生产工艺要求，有时需要三相异步电动机拖动系统运行于制动状态，即要求 电动机产生的电磁转矩和转子的旋转方向相反。异步电动机也可工作于反接制动、再牛发 电制动和能耗制动三种运行状态，但反接制动与能耗制动对电能损耗比较大，而再生发电 制动可将能量反馈回电网实现节能生产。 图2 7 异步电机再生发电的物理模型 如图2 7 所示电机拖动系统，假设原来处于电动运行状念，电动机拖动生产机械以稳 定的转速旋转。现在给系统施加一个外力矩m 且m 外 m 仨，其作用方向与电动机电磁 转矩m 出方向相同。于是系统加速，随着转速的升高，电磁转矩m 出下降，一直：t _ f - n ，l = n ， 时，电磁转矩m 出= 0 。但系统在m 外( m 仆 m 仨) 的作用下仍然升速，使系统的实际转速 以 门，所以转子导体切割旋转磁场的方向与电动状态时的方向相反，转子感应电势和转 子电流的有功分量与电动状态时方向相反，即桐位上相差1 8 0 。；这时电动机所产生的电 磁转矩反向，与转子的实际转向相反，已成为制动转矩，电机进入制动运行状态。此制动 运行状态的主要特点是以 ，l ，因而s = 业 0 ，使得异步电动机等效电路中，与输出功 以， 率等效的那部分电阻! ! 一变为负值，于是电动机轴上输出的机械功率为【2 】： s 昱= 聊。口生巧= 1 彳肄五 j i s l ( 2 8 ) 上式表明，电动机轴上的机械功率不是输出而是输入。 电动机的电磁功率应为： 讫= m 。f 垒= 一j m i 彳垒l s i s ( 2 9 ) 第12 页武汉科技大学 硕士学位论文 一。 二 八| | 一 图2 8 再生发电制动状态的机械特性曲线 在再生发电制动状态时，破为负值，电磁转矩改变了符号。该式表明，电磁功率不 是山定子传到转子，而是由转子传到定子，再由定子送回电网，即电动机已成为一台与电 网= j f ：联的发r t j l ，电动机的这种运行状态称为再生发电制动状念。除此之外，电动机机械 特性方程式的形式和其它参数与电动状态下相同，因而机械特性方程式在形式上与电动状 念完全一致。所以说，再生发电制动状态下的机械特性曲线，是电动状念下的机械特性曲 线向第二象限的延伸，如上图2 8 所示。 在工程实践中，可能出现两种再生发电制动运行状态。一种是出现在位能性负载的下 放重物时，另一种是出现在电动机改变极对数或改变电网电源频率运行时。 2 5 抓斗卸船机再生制动的产生方式及主要影响因素 2 5 1 抓斗卸船机再生制动的产生方式 在抓斗卸船机作业过程中，起升机构反复拖动重物上升、下降，电动机经常处于电动 运行状态和制动状念，而再生发电制动状态是卸船机能量回馈工作的必要条件。具体来说， 卸船机在以下两种情况下处于再生发电制动状态： a 卸船机放下抓斗时，由于重力加速度的原因，电动机轴上的转速会超过同步转速而 处于再生发电制动状态。这时，制动转矩的功能是阻止抓斗无限制的加速；当制动转矩与 重力形成的转矩相等时，抓斗将匀速下降。 b 降频时，变频调速系统的降速是通过降低频率来实现的。在频率刚降低的瞬间，同 步转速也同时下降，而拖动系统的转速则由于惯性而尚未下降，于是出现了转子转速超过 同步转速的状态。 2 5 2 影响卸船机再生制动能量回收的主要因素 在制动过程中，除去机械摩擦和电机效率消耗掉的能量，一般希望能最大限度的回收 所有能量，但并不是所有的制动能量都可以回收。在卸船机上，只有电机处于再生发电状 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 态下的制动能量可以回馈到电网，另一部分的制动能量将由传动系统的摩擦制动以热的形 式散失掉。同时，在制动能量回收过程中，能量转换环节和能量存储系统的各部件也会造 成能量损失。另外一个影响制动能量回收的因素是，在再生制动时，制动能量通过电动机 转化为电能，而电动机吸收制动能量的能力依赖于电动机的速度，在其额定转速范围内制 动时，可再生的能量与抓斗下降速度基本上成诈比。 院镌逐宝授递减 图2 9 再生制动能量传输过程中的损失 上图2 9 所示为再生制动能量传递过程中的功率流程图，如图所示，在电机轴端处可 以获得的可再生制动功率沿着传递路线逐级递减，部分能量被摩擦制动、机械摩擦和克服 转动惯量所消耗，传递到电机定子上的再生制动能量为制动能量的2 3 左右：同时，能量 传输系统消耗部分能量，只有不到一半的能量回馈电网中。 从总体上看，影响卸船机再生制动的因素主要包括以下两个方面： ( 1 ) 电动机系统 卸船机的电动机系统是影响再生制动的主要因素之一，电动机的制动能力越强，在分 配再生制动和机械制动之间的比例关系时，可以使再生制动的比例增大，从而增加回收的 再生制动能量；其次电动机的发电能力直接制约再生能量的多少，电动机的发电功率越大， 可以回馈电网的功率也越大，回收的能量也就越多。 ( 2 ) 控制方案 、 当电机按照使用要求和设计意图选定之后，控制方案就决定了卸船机能量回馈装置回 收电能的效率与品质。控制策略的制定，规定了再生制动和机械制动的比例关系、中问储 能装置的状态以及再生制动过程中能量回收的质量。 2 6 变频器的制动方式 目自i 市场上出售的通用变频器均采用如图2 4 所示的电压型变频器结构。在通用变频 器驱动的传动系统中，当卸船机走行机构减速运行或者位能性负载下降时，异步电动机将 定数据有以下2 项： 一一一一一一一一执一一一 武汉科技大学 硕士学位论文第1 5 页 的制动电机，而大于实际时间，将使电机定子绕组白白耗费电能。 在停车状态有可能自由旋转的机械，如风机等，可利用直流制动功能，在变频器起动 前将负载制动到停止状态，以保证变频器从零速起动。直流制动，虽然设置方便，不需外 围硬件配置，可以使生产机械准确停车等优点，但其制动力弱，不适宜用于要求频繁制动 或大制动转矩的应用场合。 2 6 2 动力制动 如下图所示，动力制动由制动单元和制动电阻构成。这是一种处理再生能量的最直接 的办法，处于制动状态的电机再生发电的能量送回中间直流回路后，其能量由并联在储能 电容两端的制动电阻通过制动单元以电阻发热方式消耗掉，因此又被称为“电阻制动”。 动力制动的过程如下： a 当电动机在外力作用下减速、反转时( 包括被拖动) ，电动机即以发电状态运行， 能量反馈回直流回路，使母线电压升高； b 当直流电压到达制动单元开的状态时，制动单元的功率管导通，电流流过制动电阻： c 制动电阻消耗电能，电动机的转速降低，母线电压也降低： d 母线电压降至制动单元要关断的值，制动单元的功率管截止，制动电阳无电流流过： e 采样母线电压值，制动单元重复o n o f f 过程，平衡母线电压，使系统正常运行。 a c 3 8 0 、 图2 1 1 动力制动原理图 ( 1 ) 制动单元 制动单元的功能是当直流回路的电压u d 超过规定的限值时，接通耗能电路，使直流回 路通过制动电阻后以热能方式释放能量。制动单元可分内置式和外置式二种，前者是适用 于小功率的通用变频器，后者则是适用于大功率变频器或是对制动有特殊要求的工况中。 从原理上讲，二者并无区别，都是作为接通制动电阻的“丌关”，它包括功率管、电压采样 比较电路和驱动电路。 ( 2 ) 制动电阻 制动电阻是用于将电动机的再生能量以热能方式消耗的载体，它包括电阻阻值和功率 容量两个重要的参划3 9 1 。通常在工程上选用较多的是波纹电阻和铝合金电阻两种：前者采 用表面立式波纹有利于散热减低寄生电感量，并选用高阻燃无机涂层，有效保护电阻丝不 第1 6 页武汉科技大学硕士学位论文 被老化，延长使用寿命；后者电阻器耐气候性、耐震动性，优于传统瓷