國(guó)傳電氣技術(shù)交流

技術(shù)研究

2023年11月06日發(fā)布

導(dǎo)讀：2023年10月，《港口科技》雜志社第十期刊發(fā)了由連云港新東方國(guó)際貨柜碼頭有限公司王海潮、徐新雷及我司研發(fā)工程師潘雷共同撰寫(xiě)的《集裝箱場(chǎng)橋雙繞組起升電機(jī)冗余控制策略》研究文章。

      文章新鮮出爐，我們特意轉(zhuǎn)發(fā)此文，讓大家先睹為快。

摘要：為了解決集裝箱碼頭場(chǎng)橋起升系統(tǒng)的其中1臺(tái)變頻器出現(xiàn)問(wèn)題后無(wú)法繼續(xù)完成提升作業(yè)的問(wèn)題，根據(jù)雙繞組異步電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析場(chǎng)橋雙繞組提升機(jī)系統(tǒng)的3種工作模式，設(shè)計(jì)一種雙繞組異步電機(jī)冗余控制方案，通過(guò)使用接觸器合理的切換電機(jī)繞組，實(shí)現(xiàn)電機(jī)冗余控制。經(jīng)在連云港新東方國(guó)際貨柜碼頭有限公司場(chǎng)橋項(xiàng)目上試驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)此切換方法實(shí)現(xiàn)了起升冗余工作模式，使場(chǎng)橋起升系統(tǒng)在一臺(tái)變頻器出現(xiàn)問(wèn)題后仍能繼續(xù)運(yùn)行。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，在一定程度上提升場(chǎng)橋提升系統(tǒng)的作業(yè)效率，同時(shí)為場(chǎng)橋提升系統(tǒng)增加安全保障，減少由于變頻器故障而出現(xiàn)的長(zhǎng)時(shí)間高空掛箱問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：場(chǎng)橋；雙繞組電機(jī)；冗余控制；變頻器

連云港新東方國(guó)際貨柜碼頭有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“公司”）作為新亞歐大陸橋東橋頭堡起點(diǎn)，是溝通東西、連接南北的重要戰(zhàn)略樞紐，是中亞國(guó)家及中西部地區(qū)最經(jīng)濟(jì)、最便捷的出海碼頭。公司的港口運(yùn)輸業(yè)務(wù)十分繁忙，現(xiàn)擁有20余臺(tái)集裝箱場(chǎng)橋起升機(jī)。該設(shè)備是公司進(jìn)行集裝箱搬運(yùn)的主要運(yùn)輸工具，其電控系統(tǒng)均采用日本某知名企業(yè)產(chǎn)品，其核心設(shè)備小功率變頻器運(yùn)行已達(dá)10 a，部分場(chǎng)橋起升機(jī)已出現(xiàn)控制精度差，故障率高，操作難度大等問(wèn)題。

為改善和提升該批設(shè)備的性能，公司先后與日本原生產(chǎn)廠家進(jìn)行溝通，但由于目前無(wú)現(xiàn)成相關(guān)備件，若更換現(xiàn)有操作系統(tǒng)則價(jià)格高、周期長(zhǎng)且對(duì)原有設(shè)備改動(dòng)性大，此方案遂被否決。

為改變現(xiàn)有設(shè)備狀態(tài)，公司決定通過(guò)尋找國(guó)內(nèi)相關(guān)業(yè)務(wù)公司進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“國(guó)產(chǎn)化替代”。通過(guò)多方溝通與協(xié)調(diào)，公司與江蘇國(guó)傳電氣有限公司達(dá)成研發(fā)合作，商定先以1臺(tái)性能最差的場(chǎng)橋起升機(jī)進(jìn)行科研攻關(guān)，待整體驗(yàn)證完成后，再進(jìn)行批量性的系統(tǒng)改造工作。

在日常工作中，采用1臺(tái)雙繞組異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)鋼絲繩卷筒，電機(jī)每套繞組分別由1臺(tái)變頻器控制，場(chǎng)橋系統(tǒng)在進(jìn)行集裝箱提升作業(yè)時(shí)需要2臺(tái)變頻器同時(shí)運(yùn)行，如果其中1臺(tái)變頻器出現(xiàn)故障則無(wú)法進(jìn)行集裝箱起升工作，其所抓取的集裝箱將會(huì)懸停在半空中，此外起升變頻器很難在短時(shí)間內(nèi)修復(fù)，一旦起升變頻器發(fā)生故障，必將影響碼頭作業(yè)效率[1][2]，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)绊懙酱凇ａ槍?duì)場(chǎng)橋單臺(tái)起升變頻器出現(xiàn)故障影響集裝箱作業(yè)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種起升雙繞組異步電機(jī)的故障冗余控制方法，當(dāng)1臺(tái)起升變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，主控系統(tǒng)通過(guò)控制接觸器切換，將有故障的變頻器從主回路中脫開(kāi)，只用1臺(tái)變頻器就能使起升機(jī)構(gòu)保持運(yùn)行，從而將變頻器故障影響范圍縮小至最低程度。

雙繞組異步電機(jī)的定子上有2套獨(dú)立的線(xiàn)圈繞組，2套繞組共用1個(gè)轉(zhuǎn)子。2套定子繞組在空間上重合。雙繞組異步電機(jī)示意圖見(jiàn)圖1。為便于分析，做理想電機(jī)假設(shè)[3]，步驟如下：

（1）忽略空間諧波，設(shè)三相繞組對(duì)稱(chēng)，產(chǎn)生磁動(dòng)勢(shì)沿氣隙按正弦規(guī)律分布；

（2）忽略磁路飽和，各繞組的自感和互感保持恒定；

（3）忽略鐵心損耗；

（4）忽略定轉(zhuǎn)子齒槽影響；

（5）忽略頻率變化和溫度變化對(duì)繞組電阻的影響；

圖1 雙繞組異步電機(jī)簡(jiǎn)圖

基于上述假設(shè)，得到定子和轉(zhuǎn)子電壓計(jì)算公式為    

 式中：U、Ⅰ、R、Ψ分別為定、轉(zhuǎn)子繞組電壓矢量，V;電流矢量,A;電阻矩陣, Ω;磁鏈?zhǔn)噶?，wb。

磁鏈計(jì)算公式為           

式中：L為定轉(zhuǎn)子每相的電感,H；定轉(zhuǎn)子每相的電流Ⅰ，A。

電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為                     

式中：np為電機(jī)的極對(duì)數(shù)，大小為電機(jī)銘牌上的極對(duì)數(shù)數(shù)值；L為轉(zhuǎn)子繞組的電感，H。

運(yùn)動(dòng)計(jì)算公式為:

式中：J為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,  kg?m2；ω為轉(zhuǎn)子電角頻率，rad/s；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N?m。

圖2 雙繞組異步電機(jī)的冗余控制系統(tǒng)框圖

1 雙繞組并行運(yùn)行模式

雙繞組并行運(yùn)行模式下電機(jī)2個(gè)繞組的一端分別短接，另一端分別接各自的變頻器，場(chǎng)橋提升機(jī)正常運(yùn)行時(shí)就運(yùn)行于這種模式下。這種模式下一臺(tái)變頻器為主機(jī)，另一臺(tái)位為從機(jī)，主機(jī)根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況計(jì)算出提升過(guò)程中需要的力矩，然后將力矩分配給從機(jī)。當(dāng)K1a、K3a、K2b、K4b接通后，整套系統(tǒng)就運(yùn)行于雙繞組工作模式。雙繞組并行運(yùn)行模式示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 雙繞組并行運(yùn)行模式

由雙繞組異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型可知，該工況下，每套變頻器輸出的電壓電流均能夠達(dá)到電機(jī)繞組的額定電壓和額定電流，每套繞組均能工作在額定磁鏈下，因此能夠?qū)崿F(xiàn)額定轉(zhuǎn)速下輸出額定轉(zhuǎn)矩。

 2 雙繞組串聯(lián)運(yùn)行模式

雙繞組串聯(lián)運(yùn)行模式下電機(jī)的2個(gè)繞組串聯(lián)，繞組首端接一臺(tái)變頻器，尾端短接。當(dāng)K1a、K3b、K2a、K4b接通時(shí)，運(yùn)行于1號(hào)變頻器繞組串聯(lián)模式。當(dāng)K1b、K3a、K2b、K4a接通時(shí)，運(yùn)行于2號(hào)變頻器繞組串聯(lián)模式。雙繞組串聯(lián)運(yùn)行模式示意圖見(jiàn)圖4。

（b）運(yùn)行于2號(hào)變頻器繞組串聯(lián)模式

 圖4 雙繞組串聯(lián)運(yùn)行模式示意圖

該工況下，由于電機(jī)繞組串聯(lián)，單臺(tái)變頻器的輸出電壓僅能達(dá)到單套繞組額定的一半，因此電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速僅能達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的一半。另外，由于變頻器的輸出電流能夠達(dá)到電機(jī)繞組的額定電流，因此能夠?qū)崿F(xiàn)二分之一額定轉(zhuǎn)速下的全載運(yùn)行。

當(dāng)場(chǎng)橋起升部分的一臺(tái)變頻器出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可以切換到這種模式，雖然運(yùn)行速度降低了一半，但是輸出最大轉(zhuǎn)矩是沒(méi)有變化的，因此能保證整個(gè)系統(tǒng)能夠運(yùn)行。

3 單繞組運(yùn)行模式

單繞組運(yùn)行模式下由1臺(tái)變頻器帶動(dòng)1個(gè)繞組運(yùn)行。當(dāng)K1a、K3a接通時(shí)，運(yùn)行于1號(hào)變頻器單繞組運(yùn)行模式。當(dāng)K2b、K4b接通時(shí)，運(yùn)行于2號(hào)變頻器單繞組運(yùn)行模式。單繞組運(yùn)行模式示意圖見(jiàn)圖5

（a）運(yùn)行于1號(hào)變頻器單繞組運(yùn)行模式

（b）運(yùn)行于2號(hào)變頻器單繞組運(yùn)行模式

圖5  單繞組運(yùn)行模式示意圖

該工況下，單套繞組由單臺(tái)變頻器供電，因?yàn)閮H有1套繞組運(yùn)行，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和輸出功率均為額定的一半。該工況下電機(jī)工作于額定轉(zhuǎn)速且轉(zhuǎn)矩降額的工作模式。

當(dāng)場(chǎng)橋起升系統(tǒng)的1臺(tái)變頻器出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)也可以切換到這種模式，但是要保證這種模式下輸出的最大轉(zhuǎn)矩要大于提升貨物的重量。

通過(guò)對(duì)雙繞組起升電機(jī)引入冗余控制策略，改造后效果顯著；

1. 提高系統(tǒng)的可靠性：通過(guò)引入冗余控制策略，雙繞組起升電機(jī)可以在一個(gè)繞組出現(xiàn)故障時(shí)，仍然保持正常的運(yùn)行。這可以大大增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，減少因故障而導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間和生產(chǎn)損失。

2. 提高系統(tǒng)的安全性：雙繞組起升電機(jī)的冗余控制策略可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障診斷。一旦發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)繞組出現(xiàn)故障，可以及時(shí)切換到冗余的工作繞組，避免繞組故障導(dǎo)致的事故發(fā)生。

3. 提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性：通過(guò)冗余控制策略，可以在一個(gè)繞組發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)另一個(gè)正常繞組的電流和轉(zhuǎn)矩來(lái)保持正常的起升運(yùn)行。這可以減少由于設(shè)備故障引起的不平穩(wěn)和起升波動(dòng)。

4. 提高系統(tǒng)的效能：冗余控制策略由于可以在單套繞組出現(xiàn)故障的情況下，仍可以繼續(xù)運(yùn)行，提高了系統(tǒng)的效能，提高工作效率和生產(chǎn)能力，減少維護(hù)人員的工作壓力。

目前，國(guó)內(nèi)外并沒(méi)有針對(duì)場(chǎng)橋雙繞組提升冗余控制的優(yōu)化研究。此控制策略在連云港新東方國(guó)際貨柜碼頭場(chǎng)橋項(xiàng)目上得到成功驗(yàn)證，解決了集裝箱碼頭場(chǎng)橋起升系統(tǒng)中1臺(tái)變頻器出現(xiàn)問(wèn)題后無(wú)法完成起升作業(yè)的問(wèn)題。利用起升雙繞組異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用一種對(duì)電機(jī)繞組冗余切換的控制方法，當(dāng)一臺(tái)變頻器出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可以將故障變頻器從系統(tǒng)中脫開(kāi)，保證起升機(jī)構(gòu)能夠應(yīng)急運(yùn)行，提升了場(chǎng)橋的可靠性與安全性。

參考文獻(xiàn)

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[2]李義剛,龔國(guó)興,王國(guó).輪胎吊起升機(jī)構(gòu)電氣控制故障防范措施[J].集裝箱化,2014,25(9):34-37.

[3]吳軒欽.電勵(lì)磁同步電機(jī)雙三電平矢量控制系統(tǒng)研究及其應(yīng)用[D].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2011:56.

（本論文摘自2023年第10期《港口科技》雜志，原作者為：王海潮、徐新雷（連云港新東方國(guó)際貨柜碼頭有限公司） ， 潘  雷.（江蘇國(guó)傳電氣有限公司）。如有侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系編者刪除。）

  （本稿件由國(guó)傳電氣（原中礦傳動(dòng)）市場(chǎng)部整理編輯，經(jīng)國(guó)傳電氣技術(shù)支持團(tuán)隊(duì)審核授權(quán)發(fā)布?。?/span>

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