顧曉海

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）

岸橋電氣驅(qū)動和控制系統(tǒng)的基本方式及特點(diǎn)分析

顧曉海

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）

現(xiàn)代岸邊集裝箱起重機(jī)的電氣驅(qū)動以及控制系統(tǒng)是現(xiàn)階段的重點(diǎn)研究方向之一。我們通過岸橋的發(fā)展特點(diǎn)來進(jìn)行統(tǒng)計和研究，對岸橋的交流驅(qū)動及直流驅(qū)動這兩種方式分析比較其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，而后確定選擇哪一種岸橋驅(qū)動系統(tǒng)的方式最適合。同時對岸橋系統(tǒng)的基本驅(qū)動原理進(jìn)行詳細(xì)的探索和研究，并且找出一定的規(guī)律。

岸橋電氣驅(qū)動；控制系統(tǒng)；基本方式及特點(diǎn)

在岸橋的設(shè)計前期，我們首先需要確定電氣驅(qū)動方案。在進(jìn)行方案實(shí)施的過程中，要確定所驅(qū)動的對象負(fù)載有多大，并且確定負(fù)載的基本特點(diǎn)。在岸橋的一般運(yùn)行中，負(fù)載的基本特點(diǎn)可以確定為：起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)是一個位能性質(zhì)的負(fù)載量，在起重量不改變的情況下，無論多大的轉(zhuǎn)速，負(fù)載的轉(zhuǎn)矩保持不變，并且這一負(fù)載的方向也是與轉(zhuǎn)矩方向相似，它不隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的方向改變而改變。在集裝箱的起重機(jī)日常工作中，有一半的時間是空載運(yùn)行。根據(jù)這一特點(diǎn)，起重機(jī)即使是帶載運(yùn)行，也需要在一定的工作制（如S1）下按照循環(huán)功率運(yùn)行。因此，在日常工作時，為了可以有效的提高工作的效率，可以在空載的時候加快起重機(jī)的工作速度。

1 直流驅(qū)動與交流驅(qū)動的分析

1.1 直流驅(qū)動與交流驅(qū)動比較

針對于岸橋式的起重機(jī)我們需要對其驅(qū)動進(jìn)行分析和比較，也就是對直流驅(qū)動和交流驅(qū)動這兩種方式進(jìn)行系統(tǒng)、詳細(xì)以及全面的分析和研究。在上個世紀(jì)的八九十年代時，岸橋一般都是采用直流驅(qū)動的方式來運(yùn)行。這種直流驅(qū)動方式的優(yōu)點(diǎn)，可以分析為：第一，直流驅(qū)動調(diào)節(jié)速率的能力比較好，相對來說比較容易實(shí)現(xiàn)電壓的調(diào)節(jié)；第二，在啟動的時候轉(zhuǎn)矩比較大，在基本動態(tài)情況下響應(yīng)非常好，有非常好的啟停制動特性；第三，在起重機(jī)下降的時候，能夠更好的將轉(zhuǎn)變完成的電能及時反饋到電網(wǎng)之中，并且整體的系統(tǒng)效率高，在一定程度上可以節(jié)約資源。其缺點(diǎn)：第一點(diǎn)是最為重要的，即直流電機(jī)比交流電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格較高，不適合長期使用，并且其維護(hù)工作難度大、工作量大；第二點(diǎn)就是直流電機(jī)會直接或間接造成其力矩變大，使其功率不自然。

1.2 交流驅(qū)動系統(tǒng)

驅(qū)動系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 交流驅(qū)動系統(tǒng)示意圖

在岸橋運(yùn)行的時候，交流驅(qū)動裝置在啟動的時候最主要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是交流的電機(jī)，即交流異步電機(jī)。在運(yùn)行之前，交流異步電機(jī)在其制作完成之后的基本特性就已經(jīng)確定，其基本特征為：交流異步電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩在運(yùn)行的時候只跟滑差轉(zhuǎn)速這一項(xiàng)有關(guān)。在設(shè)備進(jìn)行空載運(yùn)行時，電機(jī)的轉(zhuǎn)速跟同步轉(zhuǎn)速有著直接的關(guān)系，并且兩者之間轉(zhuǎn)速完全相同，在帶載運(yùn)行時，電機(jī)的轉(zhuǎn)速會隨著負(fù)載的不同，在閉環(huán)控制情況下自動調(diào)節(jié)。

2 岸橋?qū)涣黩?qū)動系統(tǒng)要求

岸邊集裝箱起重機(jī)的結(jié)構(gòu)形式有很多，但主要有單箱梁形式、雙箱梁形式和桁架形式等。小車的驅(qū)動形式主要包括鋼絲繩牽引式和自行驅(qū)動式兩種常見形式。

在起重機(jī)中，對于重要的起升節(jié)點(diǎn)，恒功率控制是重要的環(huán)節(jié)。其實(shí)質(zhì)是：在起重機(jī)工作時，額定負(fù)載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速為其額定轉(zhuǎn)速；同時，在設(shè)備的負(fù)載逐漸減小的時候，電機(jī)的整體速度也在不斷地調(diào)整。在起重機(jī)工作時，變頻器能夠通過閉環(huán)控制自動檢測出其自身負(fù)載的轉(zhuǎn)矩，并且根據(jù)其自身轉(zhuǎn)矩的整體變化情況，使其保持恒功率輸出。在起重機(jī)空載時，可以提高設(shè)備的速度，以提高整體的工作效率。

在設(shè)備運(yùn)行的時候，無論是起升還是俯仰機(jī)構(gòu)，都需要對勢能和動能的轉(zhuǎn)化作出反饋處理。一般情況下都是可以通過使用制動電阻的方式來進(jìn)行能量的消耗，但是這一方法比較消耗資源，因此非理想的方法。另一種合理再利用的方式就是將能量直接反饋到電網(wǎng)之中?，F(xiàn)階段，可以將已存在的整流橋跟能量反饋組合起來，真正的實(shí)現(xiàn)能量的互通。

3 岸橋電氣驅(qū)動和控制的基本特征

在現(xiàn)代起重機(jī)中，岸邊集裝箱起重機(jī)的電氣驅(qū)動以及控制是重點(diǎn)研究技術(shù)，我們通過分析可以得知，其基本特征有很多，以下我們稍作介紹。

3.1 岸橋向更重、更高、更長、更快的方向發(fā)展

（1）岸橋的載荷要求（即起重量）越來越大，造成起重機(jī)的自身重量加大。但同時由于對碼頭基礎(chǔ)承受力以及輪壓等方面的要求，起重機(jī)的輕量化也是不可回避的要求。從設(shè)備或各機(jī)構(gòu)的速度、加速度等方面改善驅(qū)動效果，是提高效率的有效途徑。

（2）岸橋的起升高度會越來越高。軌上起升高度隨著集裝箱船舶的改進(jìn)和增大而不斷增加，而軌下起升高度也隨著各碼頭的基礎(chǔ)條件的改善和優(yōu)化而不斷增加。這樣，岸橋在運(yùn)行過程中能量的反饋顯得尤為重要。

（3）岸橋的小車行程越來越長。由于集裝箱運(yùn)輸船舶規(guī)模的增加，在起升機(jī)構(gòu)的起升高度不斷增加的同時，小車向海側(cè)行程所要求達(dá)到的物理位置越來越遠(yuǎn)，即造成小車的總行程加大，并且相應(yīng)的拖令或拖鏈系統(tǒng)的行程加大，對于電氣驅(qū)動即要求更高效和穩(wěn)定。

（4）岸橋的起升速度是相對比較穩(wěn)定的參數(shù)，空載運(yùn)行時一般達(dá)180米/分鐘，額載運(yùn)行時為90米/分鐘。不同的加速度要求可以決定起升機(jī)構(gòu)的加速功率，同時也是岸橋上驅(qū)動變壓器和起升驅(qū)動器選型計算的重要依據(jù)。

（5）岸橋的小車速度也是比較穩(wěn)定的參數(shù)，空載和額載運(yùn)行時一般達(dá)240米/分鐘即為較快的速度。而加速時間和加速度的要求，也是決定小車驅(qū)動器選型計算的重要因素。

一般要想達(dá)到以上的性能指標(biāo)，要求電氣驅(qū)動系統(tǒng)有著非常好的性能，其本質(zhì)意義就是需要快速響應(yīng)以及改善功率。

3.2 應(yīng)該具有起升防下墜功能

在傳統(tǒng)的起重機(jī)中，應(yīng)當(dāng)在正常運(yùn)行的時候使其具備一種起升防止下落的功能。在起重機(jī)拉起重物的瞬間會有一個短暫的下降，在下降結(jié)束之后才會慢慢的升起。根據(jù)這一現(xiàn)象我們可以感覺到這一機(jī)構(gòu)還是存在一定的弊端。在起重機(jī)提升重物的時候，我們可以適時的增加電動機(jī)的輸出功率，增加功率之后會在下降的瞬間增加上升的動力。

3.3 半自動、全自動操作的實(shí)現(xiàn)

半自動操作是指除了吊具著箱后的開鎖和閉鎖操作，需要通過操作人員通過手動操作實(shí)現(xiàn)外，其它動作均可借助防搖系統(tǒng)、船型掃描系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)的功能自動實(shí)現(xiàn)。而岸橋全自動化操作的實(shí)現(xiàn)更是現(xiàn)代化集裝箱碼頭的趨勢，借助輔助控制系統(tǒng)的協(xié)同工作，借助自動化系統(tǒng)的精確定位，實(shí)現(xiàn)無人干預(yù)的岸橋自動循環(huán)工作。這樣就可以大大的降低司機(jī)的工作強(qiáng)度，更合理的分配勞動資源，同時提高工作精度、提高生產(chǎn)效率。實(shí)現(xiàn)半自動化或全自動化的操作，是現(xiàn)階段起重機(jī)的重點(diǎn)研究方向之一。

4 結(jié)語

在進(jìn)行分析和研究之后，根據(jù)岸橋的負(fù)載以及直流驅(qū)動和交流驅(qū)動的優(yōu)缺點(diǎn)的比較，我們可以找到適合于現(xiàn)階段的岸橋驅(qū)動系統(tǒng)，這一系統(tǒng)就是交流驅(qū)動系統(tǒng)。另外，本文重點(diǎn)介紹了岸橋電氣驅(qū)動和控制的基本特征，通過分析和研究找到了適合于岸橋交流驅(qū)動控制方式的矢量控制，并且分析了今后的岸橋發(fā)展方向，為岸橋電氣的發(fā)展提供了參考和借鑒。

[1]王超,孫琳,陳慧,劉中祥.基于MATLAB的起重機(jī)械起升電機(jī)調(diào)速方式的仿真研究[J]. 能源技術(shù)與管理，2016(01).

[2]蔡峰.ZPMC CHA110-Z系列變頻器在岸邊集裝箱起重機(jī)中的應(yīng)用[J]. 起重運(yùn)輸機(jī)械，2011(06).

[3]潘超,左健民,汪木蘭. 基于前饋及反饋補(bǔ)償?shù)母咝阅苤本€伺服系統(tǒng)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2010(12).

[4]余鳳豪,呂飛,張松濤,吉哲.永磁同步直線電機(jī)的數(shù)學(xué)模型分析[J].艦船電子工程，2010(09).

[5]王國彪,賴一楠,范大鵬,楊華勇,王時龍.新型精密傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計與制造綜述[J].中國機(jī)械工程，2010(16) .

[6]張明超,尹文生,朱煜. 永磁同步直線電機(jī)推力波動建模與抑制[J].清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010(08).

[7]趙瑞芹,田小濤.減小永磁同步伺服直線電機(jī)磁阻力的研究[J].煤礦機(jī)電，2010(04).

[8]宋玉,陳國鼎,馬術(shù)文. 交流伺服進(jìn)給系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型研究及其仿真[J].機(jī)械， 2010(07).

TP273

：A

：1671-0711（2017）09（下）-0100-02