能量回馈装置在港口起重机中的应用研究

姚保良

（厦门海沧新海达集装箱码头有限公司，福建厦门，361026）

1 港口起重机的工作特点及产生回馈能量的机理

1.1 港口起重机的工作特点

港口起重机是用于向上提升、水平移动（或回转）并下降释放货物的机电设备。是一种循环、重复、间歇运动的机械。起重机的工作过程是:起升机构抓取货物提升,运行或回转机构使货物产生水平位移,起升机构下放货物到指定地点，之后各个机构进行反方向运动回到取货地点。这一工作过程称为一个工作循环，一个工作循环完成后,再进行下一个工作循环。起重机就这样重复而周期性地动作,各个机构频繁处于启动、加速、减速、制动以及正向、反向等相互交替的运动状态中，货物的位能、动能也在不断地变化当中。

1.2 变频-异步电动机的转矩特性

根据图1变频-异步电动机的转矩特性，以岸桥作业过程中动作最为频繁的小车机构和起升机构为例简单分析机构电动机的运行状态。

图1 变频-异步电动机的转矩特性

1.2.1 小车机构电机运行状态

（1）正向（向前）运行时：加速（升频）及稳速过程电机工作于第一象限，处于电动状态；减速（降频）过程，进入第二象限，处于发电状态；减速稳定后重新工作于第一象限，处于电动状态。

（2）反向（向后）运行时：加速（升频）及稳速过程电机工作于第三象限，处于电动状态；减速（降频）过程，进入第四象限，处于发电状态；减速稳定后重新工作于第三象限，处于电动状态。

1.2.2 起升机构电机运行状态（位能负载）

（1）上升运行：与小车机构正向情况类似。加速（升频）过程电机工作于第一象限，处于电动状态；减速（降频）过程，进入第二象限，处于发电机状态；减速稳定及高空停止时重新工作于第一象限，处于电动状态。

（2）下降运行：轻载下降：当空载或轻载不足以克服机构传动阻力而加速或匀速下降时，电机工作于在第三象限，处于电动状态。减速过程，特性进入第四象限，电机处于发电制动状态。当频率降下来后，电机重又回到第三象限进入电动状态。

重载下降：重载具有很高的位能，靠自身的重量就能下降需电机进行制动，起升机构重载下降时电机始终工作于第四象限，处于发电再生制动状态。

由上分析，起重机工作过程中机构电机频繁工作于不同象限，即频繁在电动状态和发电状态变换。当电动机工作于第二、四象限，处于发电状态时，电动机产生的大量再生电能回馈至变频器直流母线会导致直流母线电压迅速升高（电压泵升），此时必须及时通过制动电阻消耗或能量回馈装置将再生能量回馈至电网以降低直流母线上的电压，否则易造成过电压而损坏变频器。

2 能量回馈装置的基本原理

能量回馈装置，即变频器专用型能量回馈装置，是变频器专用型制动单元的一种，主要用于帮助电机在其运行过程中将所产生的再生电能回馈到电网，同时协助系统实现快速制动功能[1]。如图1 所示，在变频调速系统中，电机处于减速制动或位能负载下降状态时，在转动惯量或负载自重作用下使电机转子转速n大于同步转速n0,电机转速n与转矩T不同向，电机进入再生发电状态，电机所发出的再生电能通过变频器逆变桥续流二极管储存在变频器的直流母线电容器中。大量的再生电能汇集于直流母线会使电压迅速升高，如果不把这部分能量及时消耗掉会影响变频器的正常工作。变频器的能量回馈单元采用可控的PWM整流取代不可控的二极管整流，实现电能双向流动。通过自动检测直流母线上的直流电压并将高出的直流电由PWM触发IGBT逆变成与电网电压同步的交流电回馈到交流电网，从而达到再生能量回馈电网的目的，回馈到电网的电能可达电动机再生发电能量的97%以上，有效节省电能。

2.1 二象限变流器

常见的通用型变频器多为交-直-交电压型变频器，采用二极管整流桥将交流电源整流成直流电，再由IGBT逆变桥在PWM脉冲控制下将直流电逆变成电压频率皆可调整的交流电供给电动机。由于其整流环节不可控，电流只能单向流动，只适合于工作在电动状态，所以称之为二象限变频器，且存在网侧功率因数低、电流谐波大缺点。由于二象限变频器采用二极管整流桥，变频器自身不能实现能量的双向流动，当应用于机构电机频繁工作于四个象限的港口起重机上时无法将电机产生的大量再生电能回馈至电网。为防止变频器直流母线电压泵升而损坏变频器，通常作法是在二象限变频器的直流母线上增加电阻制动单元，通过电阻发热方式将电动机产生的再生能量消耗掉。这种方式极不经济，且存在功率因数低、电流谐波大的缺点，在大型港口起重机如岸桥上已不准使用。二象限变流器如图2所示。

图2 二象限变流器：再生能量通过制动斩波器的外部电阻消耗

2.2 四象限变流器

四象限变流器是双PWM变频调速系统，在通用变频器基础上引进可控PWM整流取代不可控二极管整流，将变频器电网侧变流器（PWM整流）和电机侧变流器（逆变器）功能整合在一起，电网侧变流器和电机侧变流器都可以工作在整流状态和逆变状态，实现能量的双向流动，并且可以消除变频装置对电网的谐波污染，提高系统的功率因数，尤其适用于起重机应用场合。原理如图3所示[2]。

图3 四象限变流器：再生能量回馈至电网

四象限变流器电网侧整流单元与电机侧逆变单元的电路相同，均由VT1-VT6六个IGBT和六个续流二极管组成。

当电机工作在电动状态时，电网侧整流单元的6个续流二极管组成三相整流桥向电机侧逆变单元供电，同时VTIVT6六个IGBT在DSP产生的6路高频PWM脉冲控制下进行通断，并与输入电抗器共同作用产生与输入电压相位一致的正弦电流波形，消除二极管整流桥产生的谐波，提高功率因数接近于1，消除对电网的谐波污染。此时能量从电网经由整流回路和逆变回路流向电机，变频器工作在第一、第三象限[3]。

当电动机工作在发电状态时，电机产生的再生能量通过电机侧逆变单元的续流二极管向直流母线上的滤波电容器储能，直流母线上的电压升高。当直流母线上的电压超过设定的允许值时，电网侧变流器工作于逆变状态，由DSP产生高频PWM脉冲控制VT1-VT6按一定的时序交替通断，将直流母线上高出的直流电逆变成与电网电压同步的交流电回馈到电网再利用，达到节能的效果。此时电机产生的再生能量由电机通过逆变侧、整流侧流向电网，变频器工作在二、四象限[3]。

四象限变流器采用双PWM控制技术，使变频器不仅能够实现能量的双向流动，将电机处于发电状态时产生的电能回馈到电网，适用电机的四象限运行，同时还提高变频调速系统的功率因数，降低电网谐波污染。

3 安川能量回馈装置及能量回馈路径

笔者所在集装箱码头主要起重设备岸桥和场桥均采用安川电控系统，岸桥各机构驱动器采用由VS-656DC5、VS-676H5组成的四象限变流器；场桥各机构驱动器采用由CR5、A1000组成的共用直流母线二象限变流器加能量回馈装置（DC5变流器）的形式，用市电作业时各机构电机产生的再生能量经回馈装置（DC5变流器）回馈电网，当偶尔用小柴油机组转场时大车电机产生的回馈能量由制动单元消耗掉（目前部分场桥已改造为电池转场）。

3.1 安川能量回馈装置CONVERTER（VS-656DC5）的基本工作原理

以本司岸桥起升机构由VS-656DC5、VS-676H5和电机组成的驱动系统为例。DC5与H5组成典型的四象限变流系统，满足电机四象限运行。DC5采用双PWM调制技术既能对整流过程中的谐波进行调制又能对电机处于发电状态时产生的再生能量进行逆变回馈，达到节能和优化电能质量的目的。

当电机工作于一三象限，处于电动状态时，三相交流市电由 DC5（CONVERTER）整流，经 H5（INVERTER）逆变产生的一定频率和电压的电源驱动电动机运行，电流及电压同相位。此时，DC5（CONVERTER）驱动板产生的PWM脉冲控制IGBT对整流过程中产生的谐波进行调制，使电流、电压调制为相位角接近位0度的正弦波，以降低谐波分量（5%以下），提高功率因数（0.95以上）。

当电机工作于二四象限，处于发电状态时，电动机产生的再生能量经H5（INVERTER）的续流二极管整流至直流母线，DC5（CONVERTER）DSP单元产生PWM脉冲对直流母线上高出的直流电进行调制，逆变成与市电同步的交流电反馈至电网，电流及电压相位相反。此时，DC5（CONVERTER）利用 PWM脉冲控制IGBT将电流、电压调制为相位角接近位180度的正弦波，提高功率因数（0.95以上），降低谐波分量（5%以下）。

安川能量回馈装置CONVERTER（VS-656DC5）的工作原理就是利用带PWM整流单元的四象限变流器将输入、输出的电流及电压波形调制成标准正弦波。一方面可以降低电网的谐波分量（小于5%），提高功率因数（接近于1）。另一面在机构电机工作于发电状态时，将电机产生的再生能量回馈到电源侧，实现电能双向传输，并且有较快的动态控制响应，能很好地满足起重机电机的四象限运行特性，既能达到节能的目的，又能提高电源质量。

3.2 能量回馈再利用路径

在集装箱码头起重机变频调速系统中，场桥多采用共用直流母线方式，能量转化也是在直流母线上完成。以本司场桥电控系统为例，起升变频器CR5、大车/小车变频器A1000以及逆变单元（能量回馈装置）DC5共用直流母线。在起重机转场采用柴油发电机组供电时（较少转场），油电电源进入起升变频器CR5，由CR5整流单元的三相整流桥整流向共用母线供电，再由大车变频器A1000逆变成相应电压频率的电流驱动大车行进。大车电机行进过程中产生的过多再生能量在直流母线上由制动单元电阻器发热消耗掉以防损坏变频器。在起重机由市电供电正常作业时，市电电源由逆变单元（能量回馈装置）DC5采用PWM整流单元整流后为共用直流母线供电，起升变频器CR5逆变单元、大车/小车变频器A1000根据PLC指令分别逆变成所需电压频率的交流电驱动各自电机，组成四象限变流器系统。各机构电机处于发电机状态时所产生的再生能量均汇聚于共用直流母线上，当直流母线上的直流电压超过设定的允许值时，逆变单元（能量回馈装置）DC5就会工作于逆变状态，将直流母线上高出的直流电逆变成与电网电压同步的交流电回馈到电源侧。

在带能量回馈装置的起重机四象限变流系统中，各机构电机产生的再生回馈能量利用途径如下：①首先公用直流母线上存储的能量可以被同母线上的其他变频器作为电源消耗掉，如起升小车联动状态；②如消耗不完，则通过能量回馈装置，把直流母线上的能量，逆变为与电网同步的正弦交流电回馈到主变压器原边，在此被本机的其它机构消耗使用；③如还消耗不完，则在交流电网上被相邻起重机消耗，最终剩余能量才真正回馈到市电电网上（实际回馈到市电电网的能量已较少，大多被其它装置及相邻设备所利用）。这种能量回馈方式相对于发热消耗方式，最大的优点就是节能且不需要另行外加装功率补偿装置及谐波抑制装置，降低了对安装环境的要求。

4 港口起重机应用能量回馈装置节电效果及电源质量测试

安川能量回馈装置CONVERTER（VS-656DC5）进行过节能效果测试，测试选在某码头的几台配制相同的带能量回馈装置与不带能量回馈装置的门机上进行。JIB08不带能量回馈装置，再生电量通过电阻器发热消耗掉，并加装电容补偿柜提高功率因数。JIB05带能量回馈装置CONVERTER（VS-656DC5），不需加装电容补偿柜。

4.1 节能效果测试

测试时两台门机作业工况及作业环境相同，分别作业5个循环，测试数据如表1。

表1 带能量回馈装置vs不带能量回馈装置门机作业测试数据

从测试数据可以看出，带能量回馈系统门机节能34%，不带能量回馈系统的门机无节能效果；在不需增加电容补偿柜的情况下，功率因数比不带能量回馈系统的门机高且接近于1。

4.2 电能质量测试

作业过程中分别在各台门机主变压器二次侧进行电网总谐波畸变率测试，从测试数据可以看出，带能量回馈装置的门机电网总谐波率约2%，远小于5%的国家标准，而不带能量回馈的门机电网谐波率5.47%，高于国家标准，需增加谐波抑制装置。测试数据如表2：

表2 电能质量测试