共直流母線能量回饋系統(tǒng)在起重機上的應用與分析

夏文艷

共直流母線能量回饋系統(tǒng)在起重機上的應用與分析

夏文艷

（山東豐匯設備技術有限公司，濟南 250200）

針對起重機機構的電動機所傳動的位能負載下放時，或電機處于再生發(fā)電狀態(tài)，所產生的再生能量通過外接制動電阻消耗掉，造成能量浪費的問題，本文提出了一種將公共直流母線能量回饋式變頻調速系統(tǒng)技術并將其應用于起重機，將各機構產生的再生能量通過有源逆變裝置回饋到電網，解決了能量的浪費問題，且對電網無污染，提高了調速系統(tǒng)的控制性能。

共直流母線；能量回饋；起重機

0 引言

采用變頻調速控制的起重機，當各機構電動機所傳動的負載處于下降或制動過程中（電動機處于再生發(fā)電狀態(tài)）時，會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)的方法是將其產生的再生電能通過外接制動電阻的形式消耗掉，這樣就導致了能量的浪費[1-3]。

針對上述電能浪費的問題，在調速控制系統(tǒng)設計時，采用共直流母線能量回饋系統(tǒng)技術，將各機構產生的再生能量通過有源回饋裝置回饋到電網，從而有效減少了能量的浪費，且對電網無污染，提高了調速系統(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速系統(tǒng)（以下簡稱共母線回饋系統(tǒng)）采用單獨的整流/回饋單元，為提供一定功率的直流電源，調速用逆變器直接掛接在直流母線上。當系統(tǒng)工作在電動狀態(tài)時，逆變器從母線上獲取電能；當系統(tǒng)工作在發(fā)電狀態(tài)時，能量通過母線及回饋單元直接回饋給電網，以達到節(jié)能、提高設備運行可靠性、減少設備維護量和設備占地面積等目的[8-10]。

共直流母線能量回饋變頻調速系統(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，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。

圖1 有源回饋整流單元

整流裝置的IGBT在自然換相點觸發(fā)導通，與電流流動方向無關。電流流動方向只取決于電源電壓和直流母線電壓。在電動運動狀態(tài)下運行時，有電流流動期間，直流母線電壓總是低于電源電壓，電源通過二極管從電源流向直流母線；在發(fā)電（回饋）狀態(tài)下運行時，有電流流動期間，直流母線電壓總是高于電源電壓，電流通過IGBT從直流母線流向電網。對于負載的變化，整流回饋裝置能夠快速做出反應，還可以隨時改變電流流動方向。

有源濾波裝置使實際產生的電流接近正弦波，有效抑制諧波。

1.2 逆變裝置

逆變裝置是一個采用IGBT技術的自換流逆變器。它將直流母線電壓轉變成頻率和電壓可調的電源，以滿足電機平滑調速的目的。逆變裝置為多傳動系統(tǒng)設計，由控制單元控制。逆變裝置之間通過公共直流母線相連，逆變裝置從中間的直流回路獲取能量并加以轉換輸出，從而驅動電動機運轉。

2 傳統(tǒng)變頻調速方案及硬件配置

傳統(tǒng)的變頻調速方案即是變頻器加制動電阻的形式，起重機的各機構分別配備相應規(guī)格的變頻器，變頻器配備制動單元及制動電阻，各機構的變頻器接到三相交流電網上，通過變頻器驅動各機構電動機。圖2所示為傳統(tǒng)變頻調速系統(tǒng)主回路單線圖。

在由變頻器、制動單元及制動電阻所組成的傳統(tǒng)變頻調速系統(tǒng)中，當電動機所傳動的位能負載下放時，或當電動機從高速到低速減速時，電機所發(fā)出的電能通過制動電阻消耗掉，同時維持直流母線上的電壓為一個正常值。

3 共直流母線回饋系統(tǒng)應用于起重機

下面以某公司大型平頭塔式起重機為例，詳細介紹該系統(tǒng)在起重機上的應用。該平頭塔機有四個驅動機構，分別為起升機構、變幅機構、回轉機構和行走機構。

圖2 傳統(tǒng)變頻調速系統(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所示為該平頭塔機的共直流母線能量回饋變頻調速系統(tǒng)主回路單線圖。

3.2 共母線回饋系統(tǒng)工作情況簡述

從圖3可以看出，塔機的電氣控制系統(tǒng)采用的是公共直流母線的變頻調速系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖從上到下分為四大部分：上位機部分、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、回轉和行走四大機構分別采用一套逆變裝置，共用一套回饋整流裝置，4個機構的逆變裝置連接到公共直流母線上，分別拖動電機運行。

三相交流電通過能量回饋裝置，輸出直流560V左右的直流母排電壓，再通過各個機構的逆變器變成頻率可調的交流電壓，調速驅動各機構的電動機運行。當塔機只有某一個機構電動機處于制動狀態(tài)時，所產生的電能通過整流回饋裝置回饋到電網，在此期間如果有另一個機構處于正常運行狀態(tài)，所回饋的能量優(yōu)先用于另一個機構的使用，多余的電量才回饋給電網，保證了母線電壓的穩(wěn)定供給，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

設定日期周期date，1≤date≤D，D為最大日期，計算日期周期內所有24小時工作強度{WorkDaydate}；計算Max{WorkDaydate}對應的datemax；Min{WorkDaydate}對應的datemin;將datemax的排班，門診，手術安排至datemin。

4 變頻調速共直流母線回饋系統(tǒng)能量分析

以某公司同一型號、同一規(guī)格的兩臺大型平頭塔式起重機為例，最大額定起重質量為100t，起升高度為100m，工作級別M5，一個工作循環(huán)時間約為24min，上升一次10min，下降10min，增幅90s，減幅90s，回轉60s，行走使用頻率極低，可忽略不計，各機構電動機功率見表1。

圖3 共直流母線能量回饋變頻調速系統(tǒng)主回路單線圖

表1 各電動機功率 單位: kW

按照變頻電動機和變頻器的選型手冊，通常電動機的效率1取0.89，變頻器效率2取0.98，機械傳動效率3取0.9，電動機傳輸的能量總效率

按電動機平均使用工況計算一個作業(yè)周期耗能量，上升耗能為

下降耗能為

變幅機構和旋轉機構在加減速時，機械摩擦力約為電動機功率的20%，變幅耗能為

回轉耗能為

表2 耗能對比 單位: kW

從表2中數據可知，塔式起重機采用共直流母線調速在上升、變幅和回轉時電動機耗能與采用變頻調速在忽略制動時相同，共直流母線變頻調速在下降時回饋能量，通過計算能量回饋率為24.5%，計算時忽略行走機構以及其他部件耗電量，實際回饋率要高于計算值。

5 共直流母線回饋系統(tǒng)的優(yōu)缺點分析及選型注意事項

1）系統(tǒng)優(yōu)點

共直流母線系統(tǒng)是解決多電機傳動技術的最優(yōu)方案，能很好地解決多電機間電動狀態(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，實現(xiàn)了再生能源的合理利用。

共直流母線系統(tǒng)設備結構緊湊，工作穩(wěn)定。在多電機傳動系統(tǒng)中省去了大量的制動單元、制動電阻等外圍設備，從而解決了制動單元和制動電阻無空間擺放的難題，減少了設備故障點，提高了設備的整體控制水平。

2）系統(tǒng)缺點

首先，由于系統(tǒng)需要獨立的能量回饋裝置，且能量回饋裝置的功率要考慮至少兩個機構運行/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雜，對主機廠電氣技術人員的專業(yè)技術水平要求較高。一旦系統(tǒng)出現(xiàn)問題，用戶的技術人員很難處理，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

現(xiàn)在市面上有很多品牌和規(guī)格的整流回饋裝置，硬件配備時一定要根據實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為主動型可調節(jié)性整流模塊，比SLM整流單元多了一個LC凈網濾波器和一個AFE電抗器，能有效保證母線電壓的穩(wěn)定，從而減小回饋過程中諧波對電網的沖擊，并確保變頻調速系統(tǒng)的正常運行。

6 結論

共直流母線能量回饋變頻調速系統(tǒng)，能夠有效避免再生能量的浪費，并將再生能量通過整流回饋裝置回饋到電網，對于大型起重機，尤其是起升高度高、工作級別高、起升機構功率大的起重機，節(jié)能效果更顯著，一般節(jié)電率可達25%左右，且瞬間停電不會跳脫停機，保證設備的安全，具有良好的社會效益。

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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，內蒙古包頭市人，碩士，工程師，主要從事起重機械電氣部分設計工作。