集装箱起重机的电气控制

集装箱起重机的电气控制上海振华港机(集团)股份有限公司电气办2集装箱起重机械3集装箱起重机械－岸桥STS（Ship-to-Shore）„起升„小车„大车„俯仰4集装箱起重机电气系统„机械结构是集装箱起重机的身体，„电气系统则是集装箱起重机的大脑．5集装箱起重机电气系统-典型桥吊系统6集装箱起重机电气系统-系统组成驱动系统供电系统辅助系统管理系统控制系统电气系统7一.驱动系统„驱动系统概述„集装箱起重机的驱动特性„直流驱动器„交流驱动器„交直流驱动系统的比较8驱动系统概述„驱动系统在集装箱重机上应用发展历程„电力拖动装置,经历了一个从直流拖动到交流拖动的发展过程.„集装箱运输从1956年由美国泛太平洋轮船公司首先采用开始，集装箱起重机也诞生了。当时采用的是柴油发电机组供电。„八十年代初开始采用三相可控硅供电，模拟量PID调节器的控制技术。„八十年代末开始采用全数字控制的可控硅供电和PLC逻辑可编程控制器。9驱动系统概述„以上三个不同阶段所控制的执行机构几乎都是直流电机。„直到1994年交流变频技术才在小型集装箱起重机上使用。„1996年岸边集装箱起重机才逐步采用全交流电动机的变频调速。„从2002年开始90％的码头都采用了全交流电动机的集装箱起重机。10驱动系统概述„对象与功能„驱动控制的对象是电动机．„驱动控制的功能是实现对电动机轴上的两个物理量－速度和转矩－的精确控制。11驱动系统概述„驱动系统分类„按电机类型分：„直流驱动„交流驱动„按控制方式分：„速度控制——电机轴以一定的速度运转，转矩由负载决定。„转矩控制——电机轴以一定的转矩输出，转速由负载决定。„按应用方式分：„恒转距应用——速度改变，转距不变，功率随速度变化。„恒功率应用——速度增大，转距减小，但功率保持不变。„按再生能力分：(再生是指驱动器在制动状态下将电机及其负载的机械能转化为电能返回电网的能力)„非再生驱动„再生驱动12驱动系统概述„典型的桥吊驱动方案13集装箱起重机的驱动特性„集装箱起重机最主要的机构是集装箱的垂直提升，因此位能负载是提升机构的典型特征。„上升时传动电动机作电动状态运转，下降时传动电动机作制动或发电状态运转。电力传动要求能在四个象限工作，并且能够有效地控制货物下降的速度。„基速以下恒转矩控制，基速以上恒功率控制。14集装箱起重机的驱动特性„四象限运行15集装箱起重机的驱动特性„非再生驱动„非再生驱动是最常规的驱动形式。„只能够控制电机速度和转矩在同一方向，如图所示的第一象限中运行„小功率场合通过加反向接触器或手动开关可改变驱动输出极性从而改变电机电枢的旋转方向，使电机在第三象限运行。„无论第一或第三象限运行，两种情况下转矩和速度都是同方向的。16集装箱起重机的驱动特性„再生驱动„再生驱动，也称为四象限驱动，不仅能够控制电机速度和旋转方向，而且能够控制电机转矩方向。„当驱动器在第一与第三象限运行时，电机转向与转矩同向，如同常规的非再生驱动器。再生驱动器的特性只有在第二与第四象限运行中体现出来，此时马达转矩与转向相反，产生制动力或阻力。高性能再生驱动器能够在控制电机转向的同时快速地将电机从电动状态切换至制动状态。„再生驱动器实际上是组合在一起的两个非再生驱动器。一个在第一与第三象限运行，另外一个在第二与第四象限运行。精密电子控制线路提供两驱动部分的相互连锁，确保电机转矩与转向的可靠控制。17集装箱起重机的驱动特性„恒转距／恒功率控制18直流驱动–概论„直流驱动，由于简单可靠，应用方便，成本低，长期以来一直在工业应用中广为使用。„典型直流驱动器采用可控硅SCR整流元件，将固定交流电压转变为可调直流电压供给直流电机电枢。19直流驱动–工作原理20直流驱动–工作原理„通过相角控制SCR实现可控电源输出。„如图所示，在半周期内触发早，输出电压高；触发晚，输出电压低。„小能量控制大功率，效率相当高。21直流驱动–工作原理„对于调速要求高的场合，则需要使用安装在电机非驱动轴端的测速仪器(Tachometer)作为速度反馈装置．22直流驱动–控制特性„直流电机的速度与电枢电压成正比。U=CeΦn„直流电机的转矩与电枢电流成正比。T=CeΦI„两者是互相独立的。23直流驱动–控制特性U=CeΦnT=CeΦI„保持Φ和I不变，则转矩T不变，只要调节电枢电压就可以实现调速，这就是直流电机在基速下的恒转矩调速控制。„保持电枢电压Ｕ不变，减小磁通Φ，则速度n提高，转矩T降低，根据公式P=Tω功率保持不变，就能实现恒定功率条件下的弱磁增速，这就是直流电机在基速以上的恒功率调速控制。24交流驱动–概论„交流驱动器要比直流驱动器复杂，因为它必须执行两段电源转换，即首先将交流电源整流为直流电，然后将直流电逆变为变频变压交流电供给交流电机。„变频驱动的优势主要是交流电机的简单可靠，它没有需要日常维护的电刷和换向器等器件，这大大补偿了交流驱动器复杂的不足。„交流电机结构牢固，成本低，因此广为使用。现存的普通交流马达，只要加一个交流变频器就能够实现调速，激发了对交流驱动器的需求。25交流驱动–交流电机特性„交流电机的同步速与施加的频率成正比。„速度=120X频率/马达极数„同步速是电机旋转电场的速度，并非电机实际速度。同步速与电机满载速度的差值称为滑差，通常以百分数表示。滑差的大小取决于电机的设计，主要是转子电阻。„为了使马达特性，包括滑差标准化，NEMA已经指定了字母代码(如A,B,C,D,etc.)最常用的NEMAB设计在额定状态下的滑差是3%。下图给出了NEMAB和D马达的典型速度/转矩曲线。26交流驱动–交流电机特性27交流驱动–VVVF调速„工作原理：V/F调速是用改变频率的同时改变电压的方法使电动机的磁通保持一定。由电机原理得到，三相异步电机每相电动势的有效值是Eg=4.44f1N1K1ΦmEg—气隙磁通在定子绕组的感应电势f1—定子频率N1—定子每相绕组串连匝数K1—绕组系数Φm—每极气隙磁通28交流驱动–VVVF调速从定子绕组一相等值电路来看U1=Eg+(r1+jx1)I1若忽略定子压降，则U1≈Eg可得到U1/f1≈4.44N1K1Φm因为控制电压（V)和频率（f）的比值就能保持磁通的恒定，所以称作V/f控制。29交流驱动–VVVF调速30交流驱动–VVVF调速„变频器使用全波整流器将交流电源整流为固定直流电压，经滤波器平滑后施加于采用大功率晶体管的脉宽调制逆变器．速度给定指令施加到微处理器，由其同时优化斩波频率和变频器输出频率确保在整个正常速度范围内保持适当的电压／频率比值和高效率.31交流驱动–VVVF调速32交流驱动–VVVF调速„脉宽调制器(PWM)施加于交流电机的电压实际上是一个正弦波的脉冲调制接近值．脉宽调制器通过改变斩波频率和脉冲宽度将直流输入电压逆变为幅值和频率可调的近似交流输出电压．电流波型非常接近正弦波，因而可以改善电机低速性能，提高效率，减少电机发热．33交流驱动–VVVF调速„特点：„控制变量是电压和频率„用调制器来模拟出交流正弦波输出到定子线圈„用恒V/F比率来提供恒定的磁通„优点：„成本低，不需要反馈装置„能对多台电机并联控制„缺点：„没有对磁通的定向控制„转矩和速度的控制精度不高„在低频段，V/f控制已难以达到恒定Φ，U1≈Eg的假设不成立，10Hz以下，转矩变小。34交流驱动–VVVF调速进一步改进的思路„如何能克服低频段V/f控制难以达到恒定Φ的缺点,使调速精度进一步提高?首先让我们比较一下交直流电机不同的工作原理。35交流驱动–VVVF调速进一步改进的思路„直流电动机的电枢电流通过在固定位置上的碳刷对整流子进行换向这个特殊功能，保证了磁通Φ和电枢电流成正交关系.„直流电机的磁场是单独的绕组，因此电枢电流（转矩）和磁场电流（磁通）可以独立控制．36交流驱动–VVVF调速进一步改进的思路„异步电机与直流电机转矩产生原理有很大区别．异步电机的励磁是由三相旋转磁场产生的，它不能象直流电动机一样固定Φ与I的夹角为90o。„影响Φ大小的励磁电流难于直接检测和控制，因为异步电机可供检测的定子电流由励磁电流和力矩电流组成，这两种电流混交在一起，因此难以分别控制．必须将二者分离，才能有效地进行转矩控制。37交流驱动–VVVF调速进一步改进的思路„磁通电流和力矩电流的独立控制可以优化调速性能，比如零速转矩，对负载变化的快速响应等．要使异步交流电机像直流电机一样分别控制磁场和转矩，就必须做到：„单单控制电流的幅值不能实现两者的独立控制．因此必须同时控制幅值和相位，即矢量．设法将定子电流i1按矢量变换分解为磁场分量im和力矩分量it．„转矩电流it与磁通Φ的夹角始终保持90o„Φ(或励磁电流im)应为恒值，或可以控制38交流驱动–VVVF调速进一步改进的思路„为了确保力矩电流与Φ正交使电机输出最大转矩，需要确切测得转子的位置．因此对于矢量控制，必须要使用编码器来告诉驱动器电机转子的位置．39交流驱动–磁通矢量控制的变频调速40交流驱动–磁通矢量控制的变频调速„用编码器测定转子的速度以及转子相对于定子磁通角度位置，来进行磁场定向控制，而不是用DC马达的机械炭刷和换向器的磁场定向的方法。„电机的电气特性的数学模型作为微处理器用来进行计算的数据。矢量控制的电子控制器产生电气量如电压、电流和频率，都作为控制变量通过调制器送到AC马达中，所以转矩直接控制的。41交流驱动–磁通矢量控制的变频调速„优点:„良好的转矩响应„高的速度控制精度„零转速下的满负荷转矩„性能于DC可比拟„缺点：„需要反馈信号„造价高„需要调制器42交直流驱动的比较„直流驱动的优点„直流驱动器只有从AC到DC的一次电源转换，因此系统简单，体积小，占地少，热耗低，价格便宜．„启动转矩大，动态响应好，有很好的起制动特性.直流电机能够提供超过400%额定值的启动和加速转矩，可以实现像如拉床，卷带机应用那样的4:1恒功率调速．„由于热耗低，对冷却的要求低．不像交流驱动那样需要大容量冷却风机和大功率制冷空调来确保其正常工作，因而产生很大的风噪．„几乎没有距离限制．交流由于反射波，距离受到限制。„使用电阻就能容易地实现动态制动.„没有交流变频电机运行时的电磁噪声。43交直流驱动的比较„交流驱动的优点„与直流电机相比，交流电机更小，更轻，更简单，更便宜，更容易得到，使用更广泛。„交流电机没有换向器和碳刷，实际上不需要维护，特别适用于安装位置不易维修或更换的场合。„交流电机没有换向器和碳刷，更适于高速运行(2500rpm以上)。„交流电机没有换向器和碳刷，且转子不需绕线式，因此转动慣量小，提高了动态响应．„交流驱动系统功率因数高，对电源的谐波干扰少，不像直流驱动系统那样由于采用可控硅整流，谐波分量大，在高要求的场合下需要加功率因数补偿和谐波抑制设备来改善电源质量。„万一驱动器有故障，交流电机仍可以不调速工频运行，适合要后备运行的场合．„现存的普通交流马达，只要加一个交流变频器就能够实现调速．„没有直流电机一旦失磁会飞车的危险．„直流电机受换向限制，最大功率只能到5,000-hp.44二.控制系统45控制系统–概述„基本功能„实现对工作流程的控制„安全连锁与保护„向驱动系统发布命令„向监控管理系统提供实时状态和数据46控制系统–概述„系统组成以PLC为基础，将面向底层的I/O输入输出模块、驱动器和起重机上的CMS通过不同的通讯网络联成一个整体。47控制系统–概述„典型的桥吊控制方案48安全联锁与保护„位置保护(起升)49安全联锁与保护„位置保护(小车)50安全联锁与保护„位置保护(俯仰)51安全联锁与保护„智能减速(SmartSlowdown)52安全联锁与保护„位置保护（位置编码器）53安全联锁与保护„位置保护（凸轮限位）54安全联锁与保护„位置保护（重锤限位）55安全联锁与保护„超速保护56安全联锁与保护„称重系统（重量传感器）„过载保护„偏载保护„松绳保护„重量指示57安全联锁与保护„风速系统（风速仪）„风速报警„大风保护„风速指示58安全联锁与保护„防撞保护（起重机前大梁与船之间）5