能量回饋裝置在港口起重機中的應用研究

姚保良

（廈門海滄新海達集裝箱碼頭有限公司，福建廈門，361026）

1 港口起重機的工作特點及產生回饋能量的機理

1.1 港口起重機的工作特點

港口起重機是用于向上提升、水平移動（或回轉）并下降釋放貨物的機電設備。是一種循環、重復、間歇運動的機械。起重機的工作過程是:起升機構抓取貨物提升,運行或回轉機構使貨物產生水平位移,起升機構下放貨物到指定地點，之后各個機構進行反方向運動回到取貨地點。這一工作過程稱為一個工作循環，一個工作循環完成后,再進行下一個工作循環。起重機就這樣重復而周期性地動作,各個機構頻繁處于啟動、加速、減速、制動以及正向、反向等相互交替的運動狀態中，貨物的位能、動能也在不斷地變化當中。

1.2 變頻-異步電動機的轉矩特性

根據圖1變頻-異步電動機的轉矩特性，以岸橋作業過程中動作最為頻繁的小車機構和起升機構為例簡單分析機構電動機的運行狀態。

圖1 變頻-異步電動機的轉矩特性

1.2.1 小車機構電機運行狀態

（1）正向（向前）運行時：加速（升頻）及穩速過程電機工作于第一象限，處于電動狀態；減速（降頻）過程，進入第二象限，處于發電狀態；減速穩定后重新工作于第一象限，處于電動狀態。

（2）反向（向后）運行時：加速（升頻）及穩速過程電機工作于第三象限，處于電動狀態；減速（降頻）過程，進入第四象限，處于發電狀態；減速穩定后重新工作于第三象限，處于電動狀態。

1.2.2 起升機構電機運行狀態（位能負載）

（1）上升運行：與小車機構正向情況類似。加速（升頻）過程電機工作于第一象限，處于電動狀態；減速（降頻）過程，進入第二象限，處于發電機狀態；減速穩定及高空停止時重新工作于第一象限，處于電動狀態。

（2）下降運行：輕載下降：當空載或輕載不足以克服機構傳動阻力而加速或勻速下降時，電機工作于在第三象限，處于電動狀態。減速過程，特性進入第四象限，電機處于發電制動狀態。當頻率降下來后，電機重又回到第三象限進入電動狀態。

重載下降：重載具有很高的位能，靠自身的重量就能下降需電機進行制動，起升機構重載下降時電機始終工作于第四象限，處于發電再生制動狀態。

由上分析，起重機工作過程中機構電機頻繁工作于不同象限，即頻繁在電動狀態和發電狀態變換。當電動機工作于第二、四象限，處于發電狀態時，電動機產生的大量再生電能回饋至變頻器直流母線會導致直流母線電壓迅速升高（電壓泵升），此時必須及時通過制動電阻消耗或能量回饋裝置將再生能量回饋至電網以降低直流母線上的電壓，否則易造成過電壓而損壞變頻器。

2 能量回饋裝置的基本原理

能量回饋裝置，即變頻器專用型能量回饋裝置，是變頻器專用型制動單元的一種，主要用于幫助電機在其運行過程中將所產生的再生電能回饋到電網，同時協助系統實現快速制動功能[1]。如圖1 所示，在變頻調速系統中，電機處于減速制動或位能負載下降狀態時，在轉動慣量或負載自重作用下使電機轉子轉速n大于同步轉速n0,電機轉速n與轉矩T不同向，電機進入再生發電狀態，電機所發出的再生電能通過變頻器逆變橋續流二極管儲存在變頻器的直流母線電容器中。大量的再生電能匯集于直流母線會使電壓迅速升高，如果不把這部分能量及時消耗掉會影響變頻器的正常工作。變頻器的能量回饋單元采用可控的PWM整流取代不可控的二極管整流，實現電能雙向流動。通過自動檢測直流母線上的直流電壓并將高出的直流電由PWM觸發IGBT逆變成與電網電壓同步的交流電回饋到交流電網，從而達到再生能量回饋電網的目的，回饋到電網的電能可達電動機再生發電能量的97%以上，有效節省電能。

2.1 二象限變流器

常見的通用型變頻器多為交-直-交電壓型變頻器，采用二極管整流橋將交流電源整流成直流電，再由IGBT逆變橋在PWM脈沖控制下將直流電逆變成電壓頻率皆可調整的交流電供給電動機。由于其整流環節不可控，電流只能單向流動，只適合于工作在電動狀態，所以稱之為二象限變頻器，且存在網側功率因數低、電流諧波大缺點。由于二象限變頻器采用二極管整流橋，變頻器自身不能實現能量的雙向流動，當應用于機構電機頻繁工作于四個象限的港口起重機上時無法將電機產生的大量再生電能回饋至電網。為防止變頻器直流母線電壓泵升而損壞變頻器，通常作法是在二象限變頻器的直流母線上增加電阻制動單元，通過電阻發熱方式將電動機產生的再生能量消耗掉。這種方式極不經濟，且存在功率因數低、電流諧波大的缺點，在大型港口起重機如岸橋上已不準使用。二象限變流器如圖2所示。

圖2 二象限變流器：再生能量通過制動斬波器的外部電阻消耗

2.2 四象限變流器

四象限變流器是雙PWM變頻調速系統，在通用變頻器基礎上引進可控PWM整流取代不可控二極管整流，將變頻器電網側變流器（PWM整流）和電機側變流器（逆變器）功能整合在一起，電網側變流器和電機側變流器都可以工作在整流狀態和逆變狀態，實現能量的雙向流動，并且可以消除變頻裝置對電網的諧波污染，提高系統的功率因數，尤其適用于起重機應用場合。原理如圖3所示[2]。

圖3 四象限變流器：再生能量回饋至電網

四象限變流器電網側整流單元與電機側逆變單元的電路相同，均由VT1-VT6六個IGBT和六個續流二極管組成。

當電機工作在電動狀態時，電網側整流單元的6個續流二極管組成三相整流橋向電機側逆變單元供電，同時VTIVT6六個IGBT在DSP產生的6路高頻PWM脈沖控制下進行通斷，并與輸入電抗器共同作用產生與輸入電壓相位一致的正弦電流波形，消除二極管整流橋產生的諧波，提高功率因數接近于1，消除對電網的諧波污染。此時能量從電網經由整流回路和逆變回路流向電機，變頻器工作在第一、第三象限[3]。

當電動機工作在發電狀態時，電機產生的再生能量通過電機側逆變單元的續流二極管向直流母線上的濾波電容器儲能，直流母線上的電壓升高。當直流母線上的電壓超過設定的允許值時，電網側變流器工作于逆變狀態，由DSP產生高頻PWM脈沖控制VT1-VT6按一定的時序交替通斷，將直流母線上高出的直流電逆變成與電網電壓同步的交流電回饋到電網再利用，達到節能的效果。此時電機產生的再生能量由電機通過逆變側、整流側流向電網，變頻器工作在二、四象限[3]。

四象限變流器采用雙PWM控制技術，使變頻器不僅能夠實現能量的雙向流動，將電機處于發電狀態時產生的電能回饋到電網，適用電機的四象限運行，同時還提高變頻調速系統的功率因數，降低電網諧波污染。

3 安川能量回饋裝置及能量回饋路徑

筆者所在集裝箱碼頭主要起重設備岸橋和場橋均采用安川電控系統，岸橋各機構驅動器采用由VS-656DC5、VS-676H5組成的四象限變流器；場橋各機構驅動器采用由CR5、A1000組成的共用直流母線二象限變流器加能量回饋裝置（DC5變流器）的形式，用市電作業時各機構電機產生的再生能量經回饋裝置（DC5變流器）回饋電網，當偶爾用小柴油機組轉場時大車電機產生的回饋能量由制動單元消耗掉（目前部分場橋已改造為電池轉場）。

3.1 安川能量回饋裝置CONVERTER（VS-656DC5）的基本工作原理

以本司岸橋起升機構由VS-656DC5、VS-676H5和電機組成的驅動系統為例。DC5與H5組成典型的四象限變流系統，滿足電機四象限運行。DC5采用雙PWM調制技術既能對整流過程中的諧波進行調制又能對電機處于發電狀態時產生的再生能量進行逆變回饋，達到節能和優化電能質量的目的。

當電機工作于一三象限，處于電動狀態時，三相交流市電由 DC5（CONVERTER）整流，經 H5（INVERTER）逆變產生的一定頻率和電壓的電源驅動電動機運行，電流及電壓同相位。此時，DC5（CONVERTER）驅動板產生的PWM脈沖控制IGBT對整流過程中產生的諧波進行調制，使電流、電壓調制為相位角接近位0度的正弦波，以降低諧波分量（5%以下），提高功率因數（0.95以上）。

當電機工作于二四象限，處于發電狀態時，電動機產生的再生能量經H5（INVERTER）的續流二極管整流至直流母線，DC5（CONVERTER）DSP單元產生PWM脈沖對直流母線上高出的直流電進行調制，逆變成與市電同步的交流電反饋至電網，電流及電壓相位相反。此時，DC5（CONVERTER）利用 PWM脈沖控制IGBT將電流、電壓調制為相位角接近位180度的正弦波，提高功率因數（0.95以上），降低諧波分量（5%以下）。

安川能量回饋裝置CONVERTER（VS-656DC5）的工作原理就是利用帶PWM整流單元的四象限變流器將輸入、輸出的電流及電壓波形調制成標準正弦波。一方面可以降低電網的諧波分量（小于5%），提高功率因數（接近于1）。另一面在機構電機工作于發電狀態時，將電機產生的再生能量回饋到電源側，實現電能雙向傳輸，并且有較快的動態控制響應，能很好地滿足起重機電機的四象限運行特性，既能達到節能的目的，又能提高電源質量。

3.2 能量回饋再利用路徑

在集裝箱碼頭起重機變頻調速系統中，場橋多采用共用直流母線方式，能量轉化也是在直流母線上完成。以本司場橋電控系統為例，起升變頻器CR5、大車/小車變頻器A1000以及逆變單元（能量回饋裝置）DC5共用直流母線。在起重機轉場采用柴油發電機組供電時（較少轉場），油電電源進入起升變頻器CR5，由CR5整流單元的三相整流橋整流向共用母線供電，再由大車變頻器A1000逆變成相應電壓頻率的電流驅動大車行進。大車電機行進過程中產生的過多再生能量在直流母線上由制動單元電阻器發熱消耗掉以防損壞變頻器。在起重機由市電供電正常作業時，市電電源由逆變單元（能量回饋裝置）DC5采用PWM整流單元整流后為共用直流母線供電，起升變頻器CR5逆變單元、大車/小車變頻器A1000根據PLC指令分別逆變成所需電壓頻率的交流電驅動各自電機，組成四象限變流器系統。各機構電機處于發電機狀態時所產生的再生能量均匯聚于共用直流母線上，當直流母線上的直流電壓超過設定的允許值時，逆變單元（能量回饋裝置）DC5就會工作于逆變狀態，將直流母線上高出的直流電逆變成與電網電壓同步的交流電回饋到電源側。

在帶能量回饋裝置的起重機四象限變流系統中，各機構電機產生的再生回饋能量利用途徑如下：①首先公用直流母線上存儲的能量可以被同母線上的其他變頻器作為電源消耗掉，如起升小車聯動狀態；②如消耗不完，則通過能量回饋裝置，把直流母線上的能量，逆變為與電網同步的正弦交流電回饋到主變壓器原邊，在此被本機的其它機構消耗使用；③如還消耗不完，則在交流電網上被相鄰起重機消耗，最終剩余能量才真正回饋到市電電網上（實際回饋到市電電網的能量已較少，大多被其它裝置及相鄰設備所利用）。這種能量回饋方式相對于發熱消耗方式，最大的優點就是節能且不需要另行外加裝功率補償裝置及諧波抑制裝置，降低了對安裝環境的要求。

4 港口起重機應用能量回饋裝置節電效果及電源質量測試

安川能量回饋裝置CONVERTER（VS-656DC5）進行過節能效果測試，測試選在某碼頭的幾臺配制相同的帶能量回饋裝置與不帶能量回饋裝置的門機上進行。JIB08不帶能量回饋裝置，再生電量通過電阻器發熱消耗掉，并加裝電容補償柜提高功率因數。JIB05帶能量回饋裝置CONVERTER（VS-656DC5），不需加裝電容補償柜。

4.1 節能效果測試

測試時兩臺門機作業工況及作業環境相同，分別作業5個循環，測試數據如表1。

表1 帶能量回饋裝置vs不帶能量回饋裝置門機作業測試數據

從測試數據可以看出，帶能量回饋系統門機節能34%，不帶能量回饋系統的門機無節能效果；在不需增加電容補償柜的情況下，功率因數比不帶能量回饋系統的門機高且接近于1。

4.2 電能質量測試

作業過程中分別在各臺門機主變壓器二次側進行電網總諧波畸變率測試，從測試數據可以看出，帶能量回饋裝置的門機電網總諧波率約2%，遠小于5%的國家標準，而不帶能量回饋的門機電網諧波率5.47%，高于國家標準，需增加諧波抑制裝置。測試數據如表2：

表2 電能質量測試