岸桥的电气驱动和电气设备

第一节直流驱动和交流驱动一、岸桥的负载特点岸桥在选择一个电气驱动方案时，首先要考虑的是该驱动对象的负载特点。

岸桥的负载有以下特点：（1）起升机构是一个位能性负载，当箱重一定时，在任何转速下负载转矩总是保持恒定，而且负载转矩的方向也不随电机转速方向的改变而改变。

（2）集装箱起重机的载荷有效率是50%，即有一半时间是空吊具运行的。

即使是在带箱的时候，也不都是满箱起吊额定负荷。

为了提高生产效率，希望在轻载时能提高速度。

负载转矩与转速成反比，即形成恒功率控制。

负载的恒功率性质是就一定的速度范围而言的，当负载很低时，受机械强度和电气系统特殊性的限制，转速不可能无限增大，一般恒功率调速范围为额定速度的2～倍。

（3）起升机构和小车行走机构都是间隔短时重复连续工作制，即对箱、吊箱、运行、对箱，周期性的起停或加减速，间隔很短。

它要求具有良好的调速性能，除了要求有足够的热功率和起制动转矩外，还要考虑过载能力的迅速反应和电动机的良好通风散热。

（4）起升机构下放重物的过程是一个能量转换的过程，此时的电动机处于发电状态。

如何吸收这部分机械能量，是岸边集装箱起重机电气控制必须解决的问题。

二、直流驱动与交流驱动的分析比较针对岸桥负载的特点，过去选用直流驱动较多，这是因为：（1）直流驱动的调速性能好，很容易实现基速下的恒磁场改变电枢电压的调压调速，以及基速上的弱磁恒功率调速。

（2）启动转矩大，动态响应好，有很好的起制动特性。

这对于司机对箱有很好的帮助。

（3）重物下放时的机械能很容易转换成电能反馈给电网，系统效率高，节省了能源。

由于具有上述优点，直至本世纪80年代，岸桥中几乎都是采用直流驱动。

但是，直流驱动也存在着缺点：（1）与交流电动机相比，直流电机结构复杂，价格高，维护工作量大。

（2）为改善换向器的换向条件，要求直流电动机电枢漏感小，电机转子短粗，因而造成飞轮力矩大，限制了其速度响应时间和最高弱磁转速。

（3）谐波分量大，功率因数较低，在高要求场合要增加谐波吸收及功率因数补偿装置。

与直流电机相比，交流电机具有许多优点：（1）无炭刷，无整流子，维护保养性非常好。

（2）转子的转动惯量较小，因此电动机的速度响应好，最高速度比直流电机高。

（3）电机可制成全封闭型（外扇冷却型），耐恶劣环境性能好。

起升机构是位能性负载，重物在快速下放过程中，电动机处于发电状态，产生大量的电能，若能像直流驱动那样把这些能量反馈回电网，这是理想的方案。

用于岸桥的交流变频都采用交一直一交的方法。

要把交流电动机发的电反馈回电网，必须再用另一套逆变装置才能实现。

一个电动机要两套逆变器，造成交流变频装置的一次性投资大。

随着半导体技术的发展，大功率隔离门双极晶体管（IGBT）的产生，特别是计算机技术的发展与应用，变频矢量控制能够用微处理器来实现，这就使交流变频走向位势负载的应用领域。

全交流的岸边集装箱起重机已经越来越多地得到应用，且直流与交流驱动系统目前在价格水平上已相差不多。

与直流驱动相比，除了交流电动机本身的优势以外，交流驱动还有以下优点：（1）由于使用正弦波脉宽调制（PWM）控制方式，从进线电源处看，功率因数基本上接近 1。

（2）较小的谐波电流，在进线侧可以不增加谐波滤波装置。

三、直流驱动的基本型式1. G－M系统直流发电机一电动机系统，是第一代岸边集装箱起重机所采用的驱动型式。

从1956年集装箱运输创世开始一直到80年代前期，这种驱动系统被广泛采用。

图9－1－1所示为直流发电机一直流电动机组成的线路图。

直流发电机与一交流电动机同轴连接，直流电动机M由直流发电机G直接供电。

当交流电动机恒速运转时，只要改变发电机磁场电流的大小，就能改变发电机输出电压的大小，这就改变了直流电动机电枢电压的大小，由此就改变了直流电动机的转速。

这是一个典型的基速下的恒转矩调速线路。

改变发电机激磁电流的方向，也就同时改变了直流输出电压的方向，于是直流电动机反方向运转。

若在电动机达到了基速的条件下，减小电动机的磁场电流，那么电动机转速就会增高，这就实现了基速以上的恒功率调速。

直流发电机磁场电流的提供可以有多种方法，最常用的有以下两种：（1）磁放大器一交磁电机扩大机系统，图9－l－2所示为该系统线路图。

交磁电机扩大机具有很高的放大倍数，多控制绕组的高性能特殊构造的直流发电机有4个绕组。

其中1、11为给定绕组，由接成推挽式的磁放大器供电。

绕组Ⅲ为电流反馈绕组。

绕组IV为发电机励磁电流（相当于发电机电压）微分负反馈绕组。

磁放大器有4个控制绕组，1为给定绕组，2为发电机电压负反馈绕组，3为电流正反馈绕组，4为发电机电压微分负反馈绕组。

由于磁放大器的饱和特性，在起制动过程中，系统实际上是一种带有电流负反馈的电压截止系统。

有较好的起制动电流波形和稳定性。

在过载情况下，系统相当于带有电流截止负反馈和电流正反馈的电压负反馈系统，有较硬的静特性和较陡的堵转保护特性。

（2）可控硅励磁系统。

图9－1－3所示为采用可控硅整流的发电机磁场供电线路。

ZAB080是一个由模拟运算放大器集成的磁场整流模块。

采用双闭环控制方式，电压负反馈与给定信号组成外环，电流负反馈组成内环，控制发电机磁场电流。

磁场电流的方向由给定命令的方向来定，由此控制发电机的电压方向，从而改变电动机的转向。

MFC模块是一个电动机磁场2／3整流电流源控制器，具有电流负反馈的电流调节器使磁场电流稳定，同时具有弱磁控制功能。

2.三相可控硅整流供电系统三相可控硅整流供电系统是用可控硅整流把三相交流电转换成直流电后驱动直流电动机的调速方案，是一个替代庞大的交流电动机一直流发电机组的理想的调速方案，80年代以来在岸桥上得到广泛应用。

图9―1―4所示为可控硅整流功率元件单线图。

（1）系统单线图。

图中CB为空气开关，它是进线电源的分断开关。

FU13为交流侧熔断器，提供内部接线及可控硅SCR的保护。

CTI－3为电流变压器，提供交流进线侧的电流反馈信号用于环流保护的检测。

MA为交流接触器作为交流进线电源与SCR转换桥接通与断开的控制器件。

当选择到运行方式时，同时驱动器无故障条件时，MA接触器才会吸合。

在满足以下两个条件之一时，接触器就断开。

当“停止”命令发出，同时电动机速度慢到接近零速时；当任一个故障发生时。

L为铁氧体芯电抗器，是防止电动机再生情况下产生过大的瞬变电流。

SCR为可控硅整流器，是将交流转换成直流的三相可控硅整流桥。

SH为分流器，是提供直流侧电流反馈信号给控制器。

FU4为直流侧熔断器，是保护可控硅因电动机过流而引起损坏。

M为直流电动机。

CFU为磁场交流侧熔断器，提供对磁场回路SCR的短路保护。

SCRF为磁场整流元件，通过三分之二波整流提供电动机磁场直流电流。

SH2为磁场分流器，提供磁场电流的反馈信号。

FIELD为电动机磁场线圈。

（2）三相全控桥可逆线路。

三相全控桥可逆电路如图9－1－5所示，AIF－A6F为正向运转时的可控整流SCR；AIR－A6R为反向运转时的可控整流SCR。

并联在AIF与A4R上的RC 串联支路是抑制可控硅阳极与阴极间瞬变电压的阻容吸收器件。

并联在直流输出端上的若干个电阻是为直流电压反馈信号采样用的。

R7、C7组成的串联支路是直流输出瞬变电压的阻容吸收器件。

为了减少可控硅体积。

通常将两个可控硅组装在一起，如AIF与A4F的连接图（图9－1－6）。

这样从外表看，三相全控桥可逆线路只有6个可控硅器件，但实际上它是由12个可控硅组成的。

（3）双闭环控制柜图。

直流调速控制器一般采用双闭环控制方案。

其典型系统控制框图如图9－1－7所示。

80年代采用模拟运算放大器来实现控制；从90年代开始，随着微处理器的日趋完善，逐渐用全数字化方案来实现控制；现在几乎都采用全数字的控制技术。

从这个典型系统控制图中可看出，内环是电流环，外环则有两种选择，速度环或电压环（CEMF）。

这取决于对调速精度的要求。

在岸边集装箱起重机上，起升机构都采用带有测速发电机或测速编码器的速度反馈闭环线路。

俯仰、大车、小车机构一般均不采用测速反馈而采用电压反馈线路。

但现代集装箱起重机对自动定位的要求越来越高，现在俯仰与小车机构也越来越多地采用速度反馈来替代电压反馈。

图9－1－7所示的电动机磁场控制线路是一个能提供磁场恒流源的框图。

电动机不运转时处于经济磁场方式，即电机磁场电流只有额定磁场电流的70%。

当电动机运转时，控制线路向它提供额定磁场电流，并根据负载的轻重，从处理器上得到控制信号来实现弱磁的恒功率控制。

世界上各个电气拖动生产厂商都研制开发了各自系列的直流调速驱动器，从控制原理上看几乎完全一样，但在具体实施上各家都有其特点，现将几家著名厂家的直流驱动器的型号与性能列于表9－1－1。

四、交流驱动近年来，随着微处理器和半导体技术的发展，交流变频调速理论不断发展，大功率变频器的性能和可靠性的不断提高，岸桥控制上越来越多地使用了交流变频技术。

各大电气制造商相继推出了自己的交流控制系统，使这项控制技术日趋成熟。

实践证明这种交流控制系统具有许多优点：（1）交流电机无需整流子和调换电刷，减少了维护工作量、防护等级高，节省了大量维修费用和维护时间。

（2）变频器加装直流电抗器以后，整体装置的功率因素高干；如采用正弦波滤波器，功率因素接近于1。

（3）考虑到维护的费用，交流系统有一定的价格优势，且随大容量主电路元件的开发运用，变频驱动的价格尚有较大的下降空间。

1.驱动系统组成B. 异步电机C. 编码器（也可不用）2.交流驱动的原理交流驱动的执行机构是交流异步电机。

交流异步电机在设计制造完成以后，其基本特性已经确定，即其输出转矩只与滑差转速有关，空载时电机转速与同步转速相同，带载时随着负载大小的变化，电机转速较同步转速有一个相应的微小差异。

有以下关系式：电机实际转速＝同步转速－滑差转速式中滑差转速与负载有关，所以，只要改变同步转速，就能改变电机转子的实际转速。

而同步转速n o满足下式 :式中P为电机级数，为常数，所以，只要改变电机输入端的频率，就能改变电机的同步转速，进而改变电机转子的实际输出转速。

3.交流驱动的控制方式交流驱动的控制方式主要有以下几种：V／F控制、电压矢量控制、速度闭环矢量控制和直接转矩控制等。

起升及小车运行机构使用闭环矢量控制，大车运行及俯仰机构使用 V ／F控制。

（1）V／F控制方式。

又名VVVF控制。

早期变频器多采用V／F控制，逆变器控制输出交流频率，并同时保证输出电压的幅值与频率成一定的比例关系（为了保持电机磁场恒定），转子转速将随负载转矩变化而略有变化。

但由于异步电机特性较硬，额定负载时的滑差转速一般只有工频同步转速的4%，所以，这种控制方式适用于速度精度要求不十分严格的场合。

它的优点是开环控制，不需要速度传感器，稳定性好。