集裝箱橋式起重機變頻調速系統再生運行及節能研究

郭明翔

（廣州港股份廣州港工程管理有限公司，廣東 廣州 510730）

隨著電力電子技術的發展，由自關斷器件組成的變流裝置已廣泛應用，特別是IGBT集GTR和MODFET的優點，構成一種新型的電壓控制復合器件，具有高輸入阻抗，高開關頻率，小功率驅動，電路簡單，容量大，耐壓高等一系列優點。隨著自動控制技術和微型計算機控制技術發展，數字信號處理器（DSP），特別是高性能16位數字信號處理器TMS320C240特別適合于三相異步電動機的高性能控制，它集DSP的信號高速處理能力及適用于電機控制的優化外圍電路于一體，價格便宜，大大減少了控制系統的體積，提高了系統的性價比。

本論文以集裝箱橋式起重機的起升機構為對象，研究一種大容量新型節能變頻調速系統，該系統在調速性能及節能上都有很大的改善，關鍵是它將再生制動下電動機產生的電能回饋到電網。設計著重于研究新型調速系統的節能控制，結合大量實際運行參數分析了新型節能型調速系統的性能。

1 變頻調速的原理及其特性

1.1 變頻調速原理

所謂變頻調速，就是通過改變電動機定子供電頻率以改變同步轉速來實現調速的，在調速過程中，從高速到低速可以保持有限的轉差功率，因而具有高效率、寬范圍和高精度的調速性能，變頻調速是異步電動機調速最有發展前途的一種控制方法。由轉速公式：

可知，改變定子電源頻率可以改變電動機的轉速；又由異步電動機的電勢公式可知，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，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機的磁路過飽和，從而導致勵磁電流的增加，而引起鐵芯過勢，為了解決這一問題，這就要求在變頻調速系統中，降頻的同時最好降壓，即頻率與電壓協調控制，亦即Ux必須與f成比例變化。

1.2 異步電動機矢量控制系統

異步電動機的矢量控制是一種新的控制思想和控制技術，其基本思想是把交流電動機實時的模擬成直流電動機，從而可以像控制直流電動機那樣對交流電動機進行控制，具體做法是把交流電機的三相變量瞬間的通過坐標變換系統成旋轉坐標上的兩相垂直量，按照直流電機的控制規律來控制交流電機，使交流電機得到和直流電機一樣的調速特性。經過在實踐中不斷改進，現已形成了各種形勢的矢量控制變頻調速系統。

2 基于DSP 實現的能量回饋調速系統的設計

2.1 系統基本構成及工作原理

隨著電力電子技術和微型計算機控制技術的發展，交流調速系統正逐步取代直流調速，同時，作為交流變頻調速裝置控制核心的微處理器，電機專用微處理器正逐步取代缺乏外圍電路的通用單片機，系統的原理框圖如圖1所示，變頻器系統組成如圖2所示。

在三相變頻器應用中，由于電路拓撲結構的要求，對高側和低側IGBT仍然需要提供多路隔離驅動電源，各個IGBT驅動電路參數的一致性受到限制，使得硬件非常復雜，降低了變頻器的可靠性。在本系統中，在IGBT變頻器中，采用IR2130六輸出高壓柵極驅動器，該電路只需一路驅動電源，并擁有各種保護功能。

在本系統中，主電路由變頻器和有源逆變裝置及電動機構成，并采用了電機專用的DSP處理芯片（TMS320C240）構成有源逆變裝置的控制器，有源逆變裝置僅并聯在變頻器的整流側，采用絕緣柵雙極功率晶體管(IGBT)作為開關元件，而有源逆變裝置的控制是由TMS320C240來實現的。

圖1 系統原理圖

圖2 變頻器系統組成

工作原理：在電動狀態時，由電網過來的直流電首先經過變頻器的三相橋式整流器整流成直流電，向中間直流環節的濾波儲能環節，將直流電逆變成可調壓調頻的三相交流電去驅動電動機，而當變頻器降頻減速運行或者下放重物時，交流電機由于負載慣性或重力作用就進入了發電制動狀態。這時電動機產生的再生能量經過逆變橋的續流二極管向中間直流環節Cd充電，如果Cd上的電壓不處理的話，將會造成泵升電壓，而Ud超過電網線電壓值后，二極管整流橋反壓被阻斷。當Ud繼續上升大于能量回饋電壓Ufed時，TMS320C240就啟動有源逆變裝置工作，這樣，再生能量經有源逆變裝置就回饋到電網。

采用公共直流母線下的多逆變器驅動方式，使系統電路形式簡潔、緊湊。再生制動能量采用回饋到電網的方式，這是因為考慮到起升機構重載下放時長時間的制動轉矩必須由大量的制動電阻來吸收。另外，當任意兩個以上的機構同時運行時，若某一機構傳動電機處于再生制動狀態時，其再生制動能量可經直流母線直接供給處于電動狀態的電機，可大大提高能量的再生利用率。

2.2 基于DSP能量回饋系統的控制策略

用DSP來實現大功率系統的變頻調速及能量回饋控制，主要有以下幾個方面的控制問題。

（1）實現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相位保持一致。

（4）系統要有完整可靠的保護。

3 運行狀態分析

3.1 電動機及負載參數

電動機：功率500（kW）、額定電壓500（V）、額定電流600（A）、頻率90.8（Hz）、負載：60（t）。

3.2 運行參數測試

（1）整流器運行參數。

下行發電狀態情況：電網電壓440(V)，母線電壓710(V)，輸出電流898(A)。

波形如圖3、4、5所示。

（2）逆變壓器運行參數。

下行滿載運行情況：輸出電壓450(V)，輸出電流597(A)，主機轉矩1324（Nm），波形如圖6所示。

圖3 滿載下行整流器運行情況

圖4 滿載下行電流最大時整流器運行情況

圖5 滿載下行電流額定時整流器運行情況

圖6 滿載下行逆變器主機運行情況

3.3 運行性能參數測量與分析

（1）交流變頻器在試驗臺進行帶載試驗中，提升（上行）和下降（下行）運行時，其工作電壓、電流和轉速值正常。

（2）交流變頻器、電動機及負載組成的電控裝置，具有短路、過流、缺相、欠壓、過壓、過載、過溫、超速、失速等保護功能。

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

4 制動時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，功率因數約為0.97。

圖7 電網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，經過0.25S，Ud逐漸穩定在823V左右，上下波動不超過1.0V。

4.3 結果分析

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

直流側流入能量的功率僅與反電動勢E和負載電流Id1有關，在系統達到穩定時，直流濾波元件Cd兩端的電壓穩定，從而Id1等于Id。由式可知，Id=1.5Im，因此，輸入功率為：

據這兩步的結果不難估算出能量轉換率為：

應該強調指出的是：能量轉換率和控制系統的節能效率是相關聯的，但是能量轉換率并不等于節能效率，節能效率是指一個完整工作周期中，回饋能量占應消耗能量的百分比，能量轉換率僅僅反映本次負載下放運行過程能量回饋的情況，同時由于估算中一些損耗因素均被忽略，誤差可能較大。

決定節能效率的因素較多，它不僅與控制系統的結構和控制方式有關，而且與起重機運行的工況相關，集裝箱負載量、船舶種類、作業方式、港口水位等對節能效率都有一定影響。通常情況下，節能效率一般在3%到7%左右，節能效果還是非常明顯的，采用DSP來實現系統的調速及能量回饋控制具有良好的經濟效益和社會效益。

5 結語

結合控制系統設計完成了變頻器及系統的調試和運行波形的檢測，可以得到以下結論。

（1）生產機械，尤其是大型生產機械要求變速運行時，采用現代交流調速控制完全可以滿足生產機械要求的靜態指標和動態指標。

（2）通過對不同狀態下起重機實測電壓、電流、轉速等波形的分析，可以證明交流矢量控制的變頻調速系統具有靜態運行平穩和動態變換快速的特點，同時對于位勢性負載具有明顯的節能效果，整體性能比較理想。

（3）基于DSP的能量回饋調速系統不僅在節能上具有優勢，與其他調速系統等相比在防震方面也具有其獨特之處，作業中起重機金屬構件的振動加速度明顯下降，提高了集裝箱起重機整機的使用壽命。

（4）隨著電力電子技術、自動控制技術和計算機控制技術的不斷進步，在社會日益追求效率，節能及便利的今天，基于DSP的能量回饋調速系統擁有其他調速系統不可比擬的優點，它在今后一段時期內，必將成為交流調速的主流。

因此，對基于DSP控制的國產大功率能量回饋調速系統的推廣應用具有重大的現實意義。