[发明专利]一种港口桥式起重机能量回馈系统的设计方法

说明书

本发明提供一种港口桥式起重机能量回馈系统的设计方法，包括：港口桥式起重机起升电机拖动测试系统设计、仿真及实验测试分析以及结论。本发明针对港口起重机械位能性负载特性，通过分析电机的控制原理及状态方程，建立了基于PLC和安川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。

技术领域

本发明涉及港口机械节能环保的研究，具体涉及一种港口桥式起重机能量回馈系统的设计方法。

背景技术

随着智慧港口及物联网信息技术的发展，自动化码头的自动化工程逐步得到推广，在由变频器、电动机和机械负载所组成的港口起重机变频调速系统中，当电动机减速或所拖动的位能负载下放时，电机的转速将大于其不同转速，电动机将处于再生发电制动状态。如何回收利用该能量是当前各大高校、科研院所研究的重点，也是交通运输部港口节能减排的规划。通过解决起重机械起升机构负载运行特性和电机在负载运行过程中能量消耗利用模型，是实现能量回收利用及节能控制的关键所在，从而实现能量利用的监控与管理，达到港口节能环保的目的。

港口桥式起重机起升电机系统控制原理分析包括起升电机拖动系统及动力学方程的建立、基于转差频率的起升电机坐标变换分析。

(1)起升电机拖动系统及动力学方程的建立

通过对港口桥式起重机四大机构的分解研究，图1所示为港口能量控制实验系统中起升机构电机拖动系统原理图。如图1中，起升电机拖动系统包括起升电动机、减速装置、起升卷筒单元及吊重滑轮组四大环节组成，其中减速装置中间联动轴为采用三级方式。整个拖动系统的功率为三级传递效率η₁、η₂、η_r，再加上滑轮组的转化效率η_L，则负载转矩公式即可以推导为：

其中，D为起升系统卷筒的直径，F_L为钢丝绳的张力。

图1为多级电机拖动系统，而在实际计算时将其等效为单轴系统，其中忽略摩擦损失，则可以折算得到拖动系统整体转动惯量为：

其中，v_L为起重机吊具吊重运行速度；m_dg为吊钩重量；m_L为负载质量；J₁、J₂、J_r为减速传动机构各级转动惯量，j₁、j₂、j_r为传动轴及卷筒的速度比。

则由此控制对象结构，在实验中可设计为由起升电机和通过联轴器与负载电机组成，即有：当起升电机作为驱动电机时，负载电机则作为加载模拟电机，则其动力学方程为：

其中，ω_r为起升电机转子角速度。

(2)基于转差频率的起升电机坐标变换分析

由于需要通过转差频率进行控制，因此电机等效电路的基础上，需要进行两相到三相电路的变换，即在旋转磁场等效的基础上，前提进行旋转到静止两相坐标系变换，图2所示即为起升电机两相静止坐标系αβ和旋转正交坐标系dq。

由图2可知，起升电机状态方程可以表述为：

通过按照起升电机dq坐标系定向转子磁链的同步旋转正交坐标系mt的变换，则有起升电机的状态方程为：

由起升拖动电机电磁转矩方程为：T_e＝ki_stψ_r (6)