用于起重設備勢能回收再利用裝置測試的試驗臺研制

劉 進，劉 洋，梁亞軍，杜春雷

（1.青島前灣集裝箱碼頭有限責任公司，山東 青島 266555；2.中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031）

0 引言

港口起重設備是專業(yè)化集裝箱碼頭堆場中的主要裝卸設備，其起升機構(gòu)在載運貨物下降過程中再生制動產(chǎn)生大量的電能[1]，通常這部分電能是以熱能的形式耗散或者將其返回至電網(wǎng)，未被有效利用。因此，如何充分回收并利用起重機下降所產(chǎn)生的能量，直接決定著港口企業(yè)的經(jīng)濟效益以及能源的循環(huán)利用模式。

勢能回收再利用裝置[2]是一種應用超級電容技術，能在物體重力勢能釋放過程中將其收集起來，以便再次利用的一種裝置。它能夠有效地解決起重設備再生能量的回收利用問題，但是，對于此種勢能回收再利用裝置的功能、性能以及節(jié)能率等參數(shù)的出廠驗證，以及產(chǎn)品是否有優(yōu)化設計的空間等工作未有效開展。

本文介紹一種勢能回收再利用裝置試驗臺，該試驗臺可以對勢能回收再利用裝置運行過程中的各種工況進行模擬，對勢能回收再利用裝置的功能、節(jié)能率、效率等各種參數(shù)進行理論和實際比對，從而起到優(yōu)化產(chǎn)品設計的作用。

1 試驗臺工作原理及組成

1.1 工作原理

勢能回收再利用裝置試驗臺是利用變頻電機輸出恒定扭矩模仿負載物體對起升電機產(chǎn)生的重力牽引。起升電機在起升和下降兩種工況下，分別為工作牽引和再生制動狀態(tài)，以此模擬設備起升的真實工況，為勢能回收設備提供試驗環(huán)境。試驗臺組成原理如圖1所示。

圖1 試驗臺組成原理圖

圖1中1AC/DC整流器直流輸出側(cè)與2起升變頻器、3 負荷變頻器相連，同時連接6 制動電阻；2 起升變頻器、3負荷變頻器各自輸出端分別與4起升電機和5負荷電機相連；被試驗的勢能回收再利用裝置連接于1AC/DC整流器直流輸出側(cè)。

在勢能回收再利用裝置試驗臺中，1AC/DC 整流器將AC380V三相交流電經(jīng)過轉(zhuǎn)換，形成供給2起升變頻器和3負荷變頻器的直流電能。

試驗臺在模擬起重機起升機構(gòu)下降時，5負荷電機產(chǎn)生再生能量給3 負荷變頻器直流母線充電。此時，被試設備勢能回收再利用裝置能夠吸收能量，試驗臺直流母線側(cè)電壓平穩(wěn)，減小工作機構(gòu)運行時給電力系統(tǒng)造成的沖擊。

試驗臺在模擬港口起重機起升機構(gòu)上升時，4起升電機消耗能量，此時2起升變頻器直流母線電壓降低，同時，被試設備勢能回收再利用裝置能夠釋放能量，試驗臺直流母線側(cè)電壓平穩(wěn)。

當勢能回收再利用裝置的電量充滿或故障報警時，6 制動電阻將再生能量轉(zhuǎn)換成熱量消耗，保證試驗臺的安全性。

系統(tǒng)的關鍵設計部分，就是把勢能回收再利用裝置與試驗臺的直流電源母線并聯(lián)，根據(jù)勢能回收再利用裝置試驗要求設置模擬工作狀態(tài)和用電需要進行控制起升電機和負荷電機，進而測試被試設備的性能和功能。

1.2 系統(tǒng)組成

勢能回收再利用裝置試驗臺主要由機械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、上位機三部分構(gòu)成。

1.2.1 機械部分。機械部分主要由底面平臺、平臺支架、負載電機、起升電機、聯(lián)軸器、滾動排繩機構(gòu)組成。總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，兩臺卷揚機采用上下兩層布置，鋼絲繩垂直互相拖動。結(jié)構(gòu)框架采用H 型鋼焊接而成，二層帶有護欄和鋼化玻璃降噪房以供客人參觀，并配有斜梯。一層采用隔音彩鋼瓦圍擋，使結(jié)構(gòu)美觀。操作臺放于斜梯旁邊，其上方二層護欄處懸掛液晶顯示器，效果如圖3所示。

1.2.2 電氣部分。電氣部分主要由主控單元、變頻器、數(shù)據(jù)采集單元、傳感器、人機交互設備、無線數(shù)據(jù)接收單元等構(gòu)成，如圖4所示。

圖2 卷揚機布置圖

圖3 試驗臺效果圖

圖4 電氣部分示意圖

其中數(shù)據(jù)采集單元包含本地數(shù)據(jù)采集（采用通訊方式和硬接線方式）和遠程數(shù)據(jù)采集（采用無線數(shù)據(jù)接收），數(shù)據(jù)采用LABVIEW進行處理，并將狀態(tài)信息顯示于人機交互設備；已投運的勢能回收再利用裝置通過GPRS 無線通訊模塊將運行信息上傳至遠程數(shù)據(jù)采集單元，并將所采集的狀態(tài)信息進行處理，進而實現(xiàn)遠端智能化管理，并對設備運行進行故障預判。

（1）工作模式。勢能回收再利用裝置試驗臺有兩種操作模式：手動模式、自動模式。可以通過試驗臺操作面板上的手動/自動旋鈕選擇工作模式。

在手動模式下，可以通過試驗臺控制面板上的“起升變頻電源”按鈕、“負荷變頻電源”按鈕控制起升變頻器與負荷變頻器的電源。通過主令控制器控制起升變頻的啟停狀態(tài)、運行方向、速度調(diào)節(jié)等。通過試驗臺面板上的“負荷變頻正轉(zhuǎn)”按鈕、“負荷變頻反轉(zhuǎn)”按鈕控制負荷變頻器的啟停狀態(tài)、運行方向。通過上位機的手動調(diào)節(jié)界面，可以調(diào)節(jié)負荷變頻器的最大運行頻率及輸出轉(zhuǎn)矩等參數(shù)。

在自動模式下，可以通過上位機的自動調(diào)節(jié)頁面，設置負荷變頻的輸出轉(zhuǎn)矩，點擊“運行”按鈕，試驗臺開始模擬勢能回收能量存儲狀態(tài)，并實時顯示。待試驗臺運行完畢后，點擊“停止”按鈕，系統(tǒng)結(jié)束運行，回歸至初始狀態(tài)。

（2）測量與保護。在勢能回收再利用裝置試驗臺中，使用用電力參數(shù)測量儀、接近開關、拉力傳感器、PT100、柱狀指示燈等對系統(tǒng)進行測量和保護。設置兩塊電力參數(shù)測量儀，一塊測量儀用于測量試驗臺總耗電量，另一塊測量起升變頻器和起升電機（包括減速電機風機）的耗電量。柱狀指示燈用來標示勢能回收再利用裝置中DC/DC變流器入端和出端的電壓。起升變頻器和起升電機的耗電量與勢能回收再利用裝置的存儲能量相比較，能夠判斷裝置的節(jié)能效果。

1.2.3 上位機。

（1）上位機功能。勢能回收再利用裝置試驗臺上位機系統(tǒng)能夠模擬各種負載重量，并根據(jù)試驗需要修改參數(shù)；起升電機的升降速度可以通過上位機系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)，上位系統(tǒng)能夠根據(jù)負載情況分析計算出最合適的提升速度；上位機系統(tǒng)能夠?qū)崟r顯示起升電機與負荷電機的運行狀態(tài)，并根據(jù)故障的類別與等級做出合適的保護動作；上位機系統(tǒng)具備足夠的存儲能力，能夠?qū)崟r存儲系統(tǒng)工作狀態(tài)，支持數(shù)據(jù)存儲到上位平臺的歷史數(shù)據(jù)庫和工業(yè)數(shù)據(jù)庫，滿足系統(tǒng)對存儲容量和存儲速度要求。

（2）顯示單元。顯示單元如圖5 所示，能夠?qū)⒈辉囇b置和試驗臺的所有運行參數(shù)顯示出來，同時，采用動畫模擬的方式將試驗臺的起升和下降過程展示出來，并可起到對外參觀宣傳的作用。

圖5 顯示界面

2 結(jié)語

本文介紹了一種起重設備勢能回收再利用裝置的試驗臺，利用該試驗臺可以真實有效地模擬起重設備各種工況，進而驗證起重設備勢能回收儲能裝置的各項性能指標，能夠?qū)菽芑厥昭b置的節(jié)能量與節(jié)能效率準確的量化，從而將理論計算與實際應用有效結(jié)合。同時，有助于勢能回收儲能裝置的應用和推廣。