劉 進(jìn)，劉 洋，梁亞軍，杜春雷

（1.青島前灣集裝箱碼頭有限責(zé)任公司，山東 青島 266555；2.中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031）

0 引言

港口起重設(shè)備是專業(yè)化集裝箱碼頭堆場(chǎng)中的主要裝卸設(shè)備，其起升機(jī)構(gòu)在載運(yùn)貨物下降過(guò)程中再生制動(dòng)產(chǎn)生大量的電能[1]，通常這部分電能是以熱能的形式耗散或者將其返回至電網(wǎng)，未被有效利用。因此，如何充分回收并利用起重機(jī)下降所產(chǎn)生的能量，直接決定著港口企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益以及能源的循環(huán)利用模式。

勢(shì)能回收再利用裝置[2]是一種應(yīng)用超級(jí)電容技術(shù)，能在物體重力勢(shì)能釋放過(guò)程中將其收集起來(lái)，以便再次利用的一種裝置。它能夠有效地解決起重設(shè)備再生能量的回收利用問(wèn)題，但是，對(duì)于此種勢(shì)能回收再利用裝置的功能、性能以及節(jié)能率等參數(shù)的出廠驗(yàn)證，以及產(chǎn)品是否有優(yōu)化設(shè)計(jì)的空間等工作未有效開展。

本文介紹一種勢(shì)能回收再利用裝置試驗(yàn)臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)可以對(duì)勢(shì)能回收再利用裝置運(yùn)行過(guò)程中的各種工況進(jìn)行模擬，對(duì)勢(shì)能回收再利用裝置的功能、節(jié)能率、效率等各種參數(shù)進(jìn)行理論和實(shí)際比對(duì)，從而起到優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的作用。

1 試驗(yàn)臺(tái)工作原理及組成

1.1 工作原理

勢(shì)能回收再利用裝置試驗(yàn)臺(tái)是利用變頻電機(jī)輸出恒定扭矩模仿負(fù)載物體對(duì)起升電機(jī)產(chǎn)生的重力牽引。起升電機(jī)在起升和下降兩種工況下，分別為工作牽引和再生制動(dòng)狀態(tài)，以此模擬設(shè)備起升的真實(shí)工況，為勢(shì)能回收設(shè)備提供試驗(yàn)環(huán)境。試驗(yàn)臺(tái)組成原理如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)組成原理圖

圖1中1AC/DC整流器直流輸出側(cè)與2起升變頻器、3 負(fù)荷變頻器相連，同時(shí)連接6 制動(dòng)電阻；2 起升變頻器、3負(fù)荷變頻器各自輸出端分別與4起升電機(jī)和5負(fù)荷電機(jī)相連；被試驗(yàn)的勢(shì)能回收再利用裝置連接于1AC/DC整流器直流輸出側(cè)。

在勢(shì)能回收再利用裝置試驗(yàn)臺(tái)中，1AC/DC 整流器將AC380V三相交流電經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換，形成供給2起升變頻器和3負(fù)荷變頻器的直流電能。

試驗(yàn)臺(tái)在模擬起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)下降時(shí)，5負(fù)荷電機(jī)產(chǎn)生再生能量給3 負(fù)荷變頻器直流母線充電。此時(shí)，被試設(shè)備勢(shì)能回收再利用裝置能夠吸收能量，試驗(yàn)臺(tái)直流母線側(cè)電壓平穩(wěn)，減小工作機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)給電力系統(tǒng)造成的沖擊。

試驗(yàn)臺(tái)在模擬港口起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)上升時(shí)，4起升電機(jī)消耗能量，此時(shí)2起升變頻器直流母線電壓降低，同時(shí)，被試設(shè)備勢(shì)能回收再利用裝置能夠釋放能量，試驗(yàn)臺(tái)直流母線側(cè)電壓平穩(wěn)。

當(dāng)勢(shì)能回收再利用裝置的電量充滿或故障報(bào)警時(shí)，6 制動(dòng)電阻將再生能量轉(zhuǎn)換成熱量消耗，保證試驗(yàn)臺(tái)的安全性。

系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)部分，就是把勢(shì)能回收再利用裝置與試驗(yàn)臺(tái)的直流電源母線并聯(lián)，根據(jù)勢(shì)能回收再利用裝置試驗(yàn)要求設(shè)置模擬工作狀態(tài)和用電需要進(jìn)行控制起升電機(jī)和負(fù)荷電機(jī)，進(jìn)而測(cè)試被試設(shè)備的性能和功能。

1.2 系統(tǒng)組成

勢(shì)能回收再利用裝置試驗(yàn)臺(tái)主要由機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、上位機(jī)三部分構(gòu)成。

1.2.1 機(jī)械部分。機(jī)械部分主要由底面平臺(tái)、平臺(tái)支架、負(fù)載電機(jī)、起升電機(jī)、聯(lián)軸器、滾動(dòng)排繩機(jī)構(gòu)組成?？傮w結(jié)構(gòu)如圖2所示，兩臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)采用上下兩層布置，鋼絲繩垂直互相拖動(dòng)。結(jié)構(gòu)框架采用H 型鋼焊接而成，二層帶有護(hù)欄和鋼化玻璃降噪房以供客人參觀，并配有斜梯。一層采用隔音彩鋼瓦圍擋，使結(jié)構(gòu)美觀。操作臺(tái)放于斜梯旁邊，其上方二層護(hù)欄處懸掛液晶顯示器，效果如圖3所示。

1.2.2 電氣部分。電氣部分主要由主控單元、變頻器、數(shù)據(jù)采集單元、傳感器、人機(jī)交互設(shè)備、無(wú)線數(shù)據(jù)接收單元等構(gòu)成，如圖4所示。

圖2 卷?yè)P(yáng)機(jī)布置圖

圖3 試驗(yàn)臺(tái)效果圖

圖4 電氣部分示意圖

其中數(shù)據(jù)采集單元包含本地?cái)?shù)據(jù)采集（采用通訊方式和硬接線方式）和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集（采用無(wú)線數(shù)據(jù)接收），數(shù)據(jù)采用LABVIEW進(jìn)行處理，并將狀態(tài)信息顯示于人機(jī)交互設(shè)備；已投運(yùn)的勢(shì)能回收再利用裝置通過(guò)GPRS 無(wú)線通訊模塊將運(yùn)行信息上傳至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集單元，并將所采集的狀態(tài)信息進(jìn)行處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端智能化管理，并對(duì)設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行故障預(yù)判。

（1）工作模式。勢(shì)能回收再利用裝置試驗(yàn)臺(tái)有兩種操作模式：手動(dòng)模式、自動(dòng)模式。可以通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)操作面板上的手動(dòng)/自動(dòng)旋鈕選擇工作模式。

在手動(dòng)模式下，可以通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)控制面板上的“起升變頻電源”按鈕、“負(fù)荷變頻電源”按鈕控制起升變頻器與負(fù)荷變頻器的電源。通過(guò)主令控制器控制起升變頻的啟停狀態(tài)、運(yùn)行方向、速度調(diào)節(jié)等。通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)面板上的“負(fù)荷變頻正轉(zhuǎn)”按鈕、“負(fù)荷變頻反轉(zhuǎn)”按鈕控制負(fù)荷變頻器的啟停狀態(tài)、運(yùn)行方向。通過(guò)上位機(jī)的手動(dòng)調(diào)節(jié)界面，可以調(diào)節(jié)負(fù)荷變頻器的最大運(yùn)行頻率及輸出轉(zhuǎn)矩等參數(shù)。

在自動(dòng)模式下，可以通過(guò)上位機(jī)的自動(dòng)調(diào)節(jié)頁(yè)面，設(shè)置負(fù)荷變頻的輸出轉(zhuǎn)矩，點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕，試驗(yàn)臺(tái)開始模擬勢(shì)能回收能量存儲(chǔ)狀態(tài)，并實(shí)時(shí)顯示。待試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行完畢后，點(diǎn)擊“停止”按鈕，系統(tǒng)結(jié)束運(yùn)行，回歸至初始狀態(tài)。

（2）測(cè)量與保護(hù)。在勢(shì)能回收再利用裝置試驗(yàn)臺(tái)中，使用用電力參數(shù)測(cè)量?jī)x、接近開關(guān)、拉力傳感器、PT100、柱狀指示燈等對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量和保護(hù)。設(shè)置兩塊電力參數(shù)測(cè)量?jī)x，一塊測(cè)量?jī)x用于測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)總耗電量，另一塊測(cè)量起升變頻器和起升電機(jī)（包括減速電機(jī)風(fēng)機(jī)）的耗電量。柱狀指示燈用來(lái)標(biāo)示勢(shì)能回收再利用裝置中DC/DC變流器入端和出端的電壓。起升變頻器和起升電機(jī)的耗電量與勢(shì)能回收再利用裝置的存儲(chǔ)能量相比較，能夠判斷裝置的節(jié)能效果。

1.2.3 上位機(jī)。

（1）上位機(jī)功能。勢(shì)能回收再利用裝置試驗(yàn)臺(tái)上位機(jī)系統(tǒng)能夠模擬各種負(fù)載重量，并根據(jù)試驗(yàn)需要修改參數(shù)；起升電機(jī)的升降速度可以通過(guò)上位機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)，上位系統(tǒng)能夠根據(jù)負(fù)載情況分析計(jì)算出最合適的提升速度；上位機(jī)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)顯示起升電機(jī)與負(fù)荷電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)故障的類別與等級(jí)做出合適的保護(hù)動(dòng)作；上位機(jī)系統(tǒng)具備足夠的存儲(chǔ)能力，能夠?qū)崟r(shí)存儲(chǔ)系統(tǒng)工作狀態(tài)，支持?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)到上位平臺(tái)的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)和工業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)，滿足系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)容量和存儲(chǔ)速度要求。

（2）顯示單元。顯示單元如圖5 所示，能夠?qū)⒈辉囇b置和試驗(yàn)臺(tái)的所有運(yùn)行參數(shù)顯示出來(lái)，同時(shí)，采用動(dòng)畫模擬的方式將試驗(yàn)臺(tái)的起升和下降過(guò)程展示出來(lái)，并可起到對(duì)外參觀宣傳的作用。

圖5 顯示界面

2 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種起重設(shè)備勢(shì)能回收再利用裝置的試驗(yàn)臺(tái)，利用該試驗(yàn)臺(tái)可以真實(shí)有效地模擬起重設(shè)備各種工況，進(jìn)而驗(yàn)證起重設(shè)備勢(shì)能回收儲(chǔ)能裝置的各項(xiàng)性能指標(biāo)，能夠?qū)?shì)能回收裝置的節(jié)能量與節(jié)能效率準(zhǔn)確的量化，從而將理論計(jì)算與實(shí)際應(yīng)用有效結(jié)合。同時(shí)，有助于勢(shì)能回收儲(chǔ)能裝置的應(yīng)用和推廣。