港口橋式起重機起升電機拖動系統節能控制研究*

張智華, 李勝永, 朱永祥, 徐 勇

(南通航運職業技術學院 交通工程系，江蘇 南通 226010)

0 引 言

隨著智慧港口及物聯網信息技術的發展，自動化碼頭的自動化工程逐步得到推廣。在由變頻器、電動機和機械負載所組成的港口起重機變頻調速系統中，當電動機減速或所拖動的位能負載下放時，電機的轉速將大于其同步轉速，電動機將處于再生發電制動狀態。如何回收利用該能量是當前各大高校、科研院所研究的重點之一，也是交通運輸部港口十三五節能減排的規劃。通過解決起重機械起升機構負載運行特性和電機在負載運行過程中能量消耗利用模型，是實現能量回收利用及節能控制的關鍵所在，從而實現能量利用的監控與管理，達到港口節能環保的目的[1-2]。

1 港口橋式起重機起升電機系統控制原理分析

1. 1 起升電機拖動系統及動力學方程

通過對港口橋式起重機四大機構的分解研究，圖1所示為港口能量控制試驗系統中起升機構電機拖動系統原理圖[3]。

圖1 港口起重機起升機構電機拖動系統工作原理圖

圖1中，起升電機拖動系統由起升電動機、減速裝置、起升卷筒單元及吊重滑輪組4個環節組成，其中減速裝置中間聯動軸為(采用三級方式)。整個拖動系統的效率為三級傳遞效率η1、η2、ηr，再加上滑輪組的轉化效率ηL，則負載轉矩公式即可以推導為

(1)

式中：D——起升系統卷筒的直徑；

FL——鋼絲繩的張力。

圖1為多級電機拖動系統，而在實際計算時將其等效為單軸系統，忽略摩擦損失，則可折算拖動系統整體轉動慣量為

式中：vL——起重機吊具吊重運行速度；

mdg——吊鉤重量；

mL——負載質量；

J1、J2、Jr——減速傳動機構各級轉動慣量；

j1、j2、jr——傳動軸及卷筒的速度比。

由此，控制對象結構在試驗中可設計為由起升電機和通過連軸與負載電機組成，即有當起升電機作為驅動電機時，負載電機則作為加載模擬電機，則其動力學方程為

(3)

式中：ωr——起升電機轉子角速度。

1. 2 基于轉差頻率的起升電機坐標變換分析

由于需要通過轉差頻率進行控制，因此在電機等效電路的基礎上，需要進行兩相到三相電路的變換，即在旋轉磁場等效的基礎上，前提先進行旋轉到靜止兩相坐標系變換。圖2所示即為起升電機兩相靜止坐標系αβ和旋轉正交坐標系dq。

圖2 起升電機兩相靜止坐標系αβ和旋轉正交坐標系dq

由圖2可知，起升電機狀態方程可以表述為

(4)

通過按照起升電機dq坐標系定向轉子磁鏈的同步旋轉正交坐標系mt的變換，則起升電機的狀態方程為

(5)

由起升拖動電機電磁轉矩方程為

Te=kistψr(6)

轉子磁鏈為

(7)

(8)

其中，設ωs=ω1-ω，ωs為轉差頻率。

該起重機起升電機變頻拖動控制系統的設計則基于轉差頻率控制來進行不同負載下能量消耗的分析，為后續港口起重機能量回饋系統建立打下基礎。

2 港口橋式起重機起升電機拖動測試系統設計

2. 1 起重機起升機構模擬測試系統設計

該系統模擬港口起重機械操作控制系統進行整體設計的，主要由以西門子 S7-300 PLC為控制核心的現場總線控制系統[4-5]。其主要包括PLC、負載控制器、H1000變頻器、能量回收裝置、上位監控單元、電機模擬裝置平臺、制動單元、37 kW變頻電機、聯軸器、電磁抱閘制動器、旋轉編碼器、電抗器等，測試系統前側安裝聯動操作臺，可以進行起重機系統不同負載下的模擬操作。PLC是Profibus-DP的主站，主要負責與監控單元、變頻器、控制器通信，完成數據處理等工作。負載控制器、變頻器是Profibus-DP的從站，通過Profibus-DP總線接收主站發送過來的指令，完成對電機的控制并將主站指令所需運行參數反饋至主站。監控單元通過PC/MPI電纜與PLC進行連接，完成對系統運行的上位監控工作，系統總體設計如圖3所示。

電機模擬裝置平臺主要包含模擬四大機構的驅動電機和負載加載，之間通過聯軸器連接，通過轉矩控制器進行調節，光電編碼器作為測速單元，轉矩傳感作為扭矩測量單元，并通過顯示儀顯示，通過經過信號轉換電路為控制系統提供反饋量。

圖3 港口起重機起升機構電機拖動測試系統框圖

2. 2 基于轉差頻率的起升電機矢量變頻控制策略分析

為了更好地對起升電機拖動系統進行能耗測試及分析，采用通過基于轉差頻率的矢量變頻控制策略。起升電機控制為位能性負載類型。通過上述港口橋式起重機起升電機系統控制原理分析，通過給定轉速、給定勵磁電流進行閉環控制，并通過編碼器檢測電機轉子速度來進行雙閉環調節控制，其中系統中采用安川變頻器。其為起重專用的矢量變頻器，包含了二相至三相變換的環節及整流及逆變環節。因此為了更好地分析起升機構起動時間及能耗問題，通過基于圖4的控制策略與開環進行比較，使控制的動態性能及響應速度有了明顯提高，同時采用變頻調節，節能效果明顯[6-8]。

圖4 基于轉差頻率的起升電機矢量變頻控制框圖

3 仿真及試驗測試分析

3. 1 起重機起升拖動系統轉差頻率控制仿真研究

為了實現對橋式起重機操作模擬，在測試平臺上選定橋式起重機起升電機拖動系統相關參數如下。

(1) 電機基本參數：額定電壓UN=380 V、工頻頻率為50 Hz、PN=37 kW、極對數為2、額定轉矩TN=235 N·m、定子電阻Rs=0.435 Ω、轉子電阻Rr=0.816 Ω、定子電感和轉子電感相等即有Ls=Lr=0.071 H、互感為Lm=0.069 H、轉動慣量系數為Je=0.19 kg·m2。

在基于控制策略的基礎上，建立基于此控制策略的仿真模型，仿真結果如圖5所示。仿真顯示了橋式起重機電機拖動系統電機轉速及電磁轉矩的動態響應情況。通過圖5可知，起重機起升電機轉速在時間達到0.15 s左右接近給定參考速度n*=800 r/min，同時負載轉矩為80 N·m，通過控制調節使得電磁轉矩接近于負載轉矩。該策略顯示動態響應速度較快，超調量較小，達到起重機起升電機的控制要求。

圖5 基于轉差頻率控制的起升電機速度及電磁轉矩曲線圖

3. 2 起重負載變化情況分析

通過測試平臺模擬不同負載下的直接起動和變頻起動所消耗的時間及消耗的能量得到以下結果。

(1) 不同起動方式下起動時間對比分析。通過表1 不同負載轉矩下直接起動和變轉差頻率起動時間對比所示，直接起動在不同負載轉矩所消耗時間比變頻轉差起動時間要長，且隨著負載轉矩越來越大。接近最大轉矩時，直接起動所消耗的時間更為明顯，而變頻起動在不同負載下時間變化比較平穩，且時間變化幅度較小，能夠實現不同負載下平穩起動。

表1 不同負載轉矩下直接起動和變轉差頻率起動時間對比表

(2) 不同起動方式下能量消耗對比分析。同時為了驗證在不同轉矩下，消耗的電能情況，通過試驗數據測試，如表2不同負載轉矩下直接起動和變頻起動能耗對比所示。通過表2數據所示，橋式起重機起升電機拖動系統在安川矢量變頻器H1000的控制下，通過變轉差頻率控制方式，使得起升電機控制具有較好的動態特性。尤其在重載和滿載的情況下，能耗對比更為明顯。可見起升電機控制通過變轉差控制策略能夠有巨大的節能空間。通過變頻控制使得不同負載下具有更平滑的控制性能。不同負載下直接起動和變頻起動功率消耗如圖6所示。

綜上所述，通過圖5、表1、 表2及圖6可知：(1) 港口橋式起重機起升電機通過變轉差頻率控制可以使得速度在0.15 s短時間內達到給定速度，同時電機的電磁轉矩能夠接近負載轉矩，并在范圍內微小波動，達到較高的控制精度；(2) 通過不同負載變化下起動方式的對比分析，在重載及滿載的情況下，基于變轉差頻率的控制策略能夠使得電機比直接起動的起動時間短、控制精度高，動態響應快，同時能量消耗也較低，因此，在滿載重載及中載以上的情況下，起重機控制節能效果明顯，節能約達到30%。

表2 不同負載轉矩下直接起動和變轉差頻率起動能耗對比表

4 結 語

本文針對港口起重機械位能性負載特性，通過分析電機的控制原理及狀態方程，建立了基于PLC和安川變頻器的起升電機拖動測試系統。通過基于轉差頻率控制的控制策略，進行了模型的仿真與試驗分析，從而驗證了變頻調速控制系統具有較大的節能空間，為港口起重機械的節能提供了理論和試驗基礎。

圖6 不同負載下直接起動和變轉差頻率起動的功率消耗變化曲線圖

【參 考 文 獻】

[1] 陳偉華,李秀英,姚鵬.電機及其系統節能技術發展綜述[J].電器工業,2008 (9): 13-22.

[2] 張智華,李勝永,徐勇,等.港口橋式起重機吊重系統姿態的穩定性控制[J].廣東交通職業技術學院學報,2016,15(2): 52-55.

[3] 馬莉麗,程文明,鐘斌.起重機電機拖動系統負載跟蹤控制[J].西南交通大學學報,2013,48(3): 494-499.

[4] 傅德源.實用起重機電氣技術手冊[M].北京: 機械工業出版社,2011.

[5] 季本山.港口電氣設備[M].2版.北京: 人民交通出版社,2015.

[6] 三相異步電動機試驗方法: GB1032——2005[S].

[7] 陳伯時.電力拖動自動控制技術[M].北京: 機械工業出版社,2003.

[8] 張智華,李勝永,陳偉華,等.基于112B法的高效電機能效測試系統研究與設計[J].微特電機,2015,43(12): 49-54.