[发明专利]一种港口桥式起重机能量回馈系统的设计方法

权利要求书

1.一种港口桥式起重机能量回馈系统的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)港口桥式起重机起升电机拖动测试系统设计

(1-1)港口桥式起重机起升机构模拟测试系统设计

模拟港口起重机械操作控制系统进行整体设计，是以PLC为控制核心的现场总线控制系统，主要包括PLC、负载控制器、变频器、能量回馈储能单元、上位监控单元、电机模拟装置平台，所述电机模拟装置平台包括通过联轴器连接的起升电机和负载电机，所述负载电机的力矩通过转矩控制器进行调节，起升电机上的光电编码器为测速单元，转矩传感器为扭矩测量单元，通过触摸屏显示转矩和转速，所述触摸屏通过信号转换电路为PLC提供反馈量，其中，

所述PLC为PROFIBUS-DP的主站，分别与上位监控单元、变频器和负载控制器通信连接，用于数据处理、向变频器和负载控制器发送指令；

所述变频器为PROFIBUS-DP的从站，与起升电机控制连接，通过PROFIBUS-DP总线接收PLC发送的指令，完成对起升电机的控制并将指令所需运行参数反馈至PLC；

所述负载控制器为PROFIBUS-DP的从站，与负载电机控制连接，通过PROFIBUS-DP总线接收PLC发送的指令，完成对负载电机的控制并将指令所需运行参数反馈至PLC；

所述能量回馈储能单元与变频器相连；

所述模拟测试系统的前侧安装联动操作台；

(1-2)基于转差频率的起升电机矢量变频控制策略分析

采用通过基于转差频率的矢量变频控制策略，建立基于转差频率的起升电机矢量变频控制框图，通过港口桥式起重机起升电机系统控制原理分析，通过给定转速、给定励磁电流进行闭环控制，并通过编码器检测电机转子速度来进行双闭环调节控制；

(2)仿真及实验测试分析

(2-1)起重机起升拖动系统转差频率控制仿真分析

在测试平台上选定港口桥式起重机起升电机拖动系统相关参数如下：

①电机基本参数为：额定电压U_N＝380V，工频频率为50Hz，P_N＝37kw，极对数为2，额定转矩T_N＝235N·m，定子电阻R_s＝0.435Ω，转子电阻R_r＝0.816Ω，定子电感和转子电感相等即有L_s＝L_r＝0.071H，互感为L_m＝0.069H，转动惯量系数为J_e＝0.19kg·m²；

②港口桥式起重机拖动系统参数：起升电机运行速度为v_L＝17m/min，起升电机卷筒直径D＝0.5m，j₁＝11，j₂＝10，j_r＝3，j_L＝2，η₁＝η₂＝η_r＝η_L＝0.95，忽略摩擦引起的损耗，其中吊钩的质量为m_dg＝500kg，起重机的最大起升负载重量为m＝50×10³kg，其中电机给定转子转速为n^*＝800r/min，给定励磁电流

在基于控制策略的基础上，建立仿真模型和基于转差频率控制的起升电机速度及电磁转矩曲线图，仿真显示了港口桥式起重机电机拖动系统电机转速及电磁转矩的动态响应情况，通过控制调节使得电磁转矩接近于负载转矩，该策略显示动态响应速度较快，超调量较小，达到起重机起升电机的控制要求；

(2-2)超重负载变化情况分析

通过测试平台模拟不同负载下的直接起动和变频起动所消耗的时间及消耗的能量得到测试数据，包括不同起动方式下起动时间对比分析和不同起动方式下能量消耗对比分析。

(3)结论

针对港口起重机位能性负载特性，通过分析电机的控制原理及状态方程，建立基于PLC和变频器的起升电机拖动测试系统，通过基于转差频率控制的控制策略，进行了模型的仿真与实验分析，从而验证了变频调速控制系统具有较大的节能空间，为港口起重机械的节能提供了理论和实验基础。

2.根据权利要求1所述的港口桥式起重机能量回馈系统的设计方法，其特征在于，步骤(1-1)中，港口起重机起升机构模拟测试系统的设计方法包括如下步骤：

(1-1-1)港口起重机起升机构工作状态分析

根据异步电机转差率的大小及起升机构特性将起重机起升机构的工作状态分为四个状态，建立港口起重机起升机构电机四象限工作示意图，设定：电机同步转速为n₀，电机实际转速为n：

(1-1-1-1)工作在第一象限时，异步电动机沿着上升的方向接通电源，这时n₀在四象限工作示意图中纵坐标n/n₀＝100％的位置，当沿着上升方向运行时，0＜n＜n₀，由转差率的表达式，可知0＜S≤1，即为起升电机的电动工作状态；

(1-1-1-2)工作在第二象限时，负载沿着上升方向运行，异步电动机沿着下降的方向接通电源，实际的电机转速n＜0，这时n₀在四象限工作示意图中(n/n₀)％＝100的位置，从运行的最高点和最低点来分析，此时电机转差率为1≤S＜2，工作在反接制动状态，但是电机在该象限运行时是不稳定的；

(1-1-1-3)工作在第三象限时，异步电动机沿着下降的方向接通电源，负载沿着下降方向运行，此时0＜n＜n₀，在最低点时S＝0，最高点时有S＝1，因此则有0＜S≤1，处于电动状态；

(1-1-1-4)工作在第四象限上方时，异步电动机沿着上升的方向接通电源，负载沿着下降方向运行，此时实际的电机转速n＜0，四象限工作示意图中可知在当n＝0时，有S＝1，当n＝-n₀时，S＝2，因此则有0≤S＜2，即电机处于相序改变的反接制动状态；

工作在第四象限下方时，异步电动机沿着下降的方向接通电源，负载沿着下降方向运行，此时有n＞0，在最低点时有S＝0，而在n＞n₀时，则S＜0，并且n＝2n₀时，S＝-1，综合分析有-∞＜S＜0，处于再生发电制动状态；

(1-1-2)港口起重机电机模拟负载能量回馈系统设计

(1-1-2-1)模拟测试系统的总体设计：模拟港口起重机的电气控制系统进行整体设计，是以PLC为控制核心的现场总线控制系统，包括PLC、负载控制器、变频器、能量回馈储能单元、上位监控单元和电机模拟装置平台，所述电机模拟装置平台包括通过联轴器连接的起升电机和负载电机，所述负载电机的力矩通过转矩控制器进行调节，起升电机上的光电编码器为测速单元，转矩传感器为扭矩测量单元，通过触摸屏显示转矩和转速，所述触摸屏通过信号转换电路为PLC提供反馈量，其中，

所述PLC为PROFIBUS-DP的主站，分别与上位监控单元、变频器和负载控制器通信连接，用于数据处理、向变频器和负载控制器发送指令；

所述变频器为PROFIBUS-DP的从站，与起升电机控制连接，通过PROFIBUS-DP总线接收PLC发送的指令，完成对起升电机的控制并将指令所需运行参数反馈至PLC；

所述负载控制器为PROFIBUS-DP的从站，与负载电机控制连接，通过PROFIBUS-DP总线接收PLC发送的指令，完成对负载电机的控制并将指令所需运行参数反馈至PLC；

所述能量回馈储能单元与变频器相连；

所述模拟测试系统的前侧安装联动操作台；

(1-1-2-2)电机负载模拟控制：模拟测试系统的负载电机加载采用PLC控制方式，通过软件编程实现，PLC控制的供电线路连接关系为：电源接线端子外接AC380/220V供电线路，AC380V供电线路经电源端子接入电抗器，从电抗器输出端接入变频驱动器三相交流电输入端和电磁抱闸制动器，变频器电源输出端接起升电机，AC220V供电线路经电源接线端子接入PLC电源模块、PROFIBUS从站单元电源模块和24V直流电源输入端，24V直流电源输出端接入可编程控制器单元各个功能模块电源端、PROFIBUS从站单元各个功能模块电源端、输入输出转接板电源端和联动操作台电源公共端；

通信连接关系为：变频器和PROFIBUS从站单元与可编程控制器单元使用PROFIBUS通信总线进行连接，PLC与触摸屏使用RS-485串行总线进行连接；PLC与上位监控单元通过MPI协议通信线连接；光电编码器与PROFIBUS从站单元数字量输入模块连接，输入输出转接板与可编程控制器单元功能模块和PROFIBUS从站单元功能模块连接，电磁抱闸制动器控制信号端与PROFIBUS从站单元输出功能模块连接；

(1-1-3)模拟测试系统的软件设计

(1-1-3-1)PLC控制程序设计

采用结构化编程方法，PLC完成启动后，将循环执行OB1。在OB1中可以调用其他功能和功能块；执行OB1后，操作系统发送全局数据，重新启动OB1之前，操作系统会将过程映像输出表写入输出模块中、更新过程映像输入表以及接收CPU的任何全局数据，完成用户程序设置的控制功能；

(1-1-3-2)通信控制程序设计

将从站调速器控制方式设计为采用端子和总线的方式分别进行控制，而总线控制方式，利用S7-300系列PLC系统功能块SFC14和SFC15，根据已经组态好的调速器的I/O地址，访问DP从站上连续的输入/输出数据区域；在STEP7中使用SFC14/SFC15完成从站的数据读写任务，其中定义数据块DB10、DB11分别作为变频器和直流调速器的专用数据块完成数据的读写调用；

(1-1-3-3)控制程序的设计

主要完成对港口起重机起升电机和负载电机的控制功能，包括电机的启停、正反转、给定信号切换、控制信号切换以及数据的处理工作；系统将电机运行所需的控制字及给定信号通过Profibus-DP总线发送至从站，从站执行设定指令控制电机运行，包括对起升机构的电机负载模拟加载调速。