高架油改电轮胎吊有源前端能量回馈系统应用及推广

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1、高架“油改电”轮胎吊有源前端能量回馈系统应用及推广朱琳杰宁波港集团北仑第三集装箱有限公司收稿日期：2017-10-30Received：2017-10-30利用变频控制技术的集装箱轮胎式龙门吊（以下简称“轮胎吊”）早期由柴油发电机组供电，排量大且能耗高。宁波港吉（意宁）码头经营有限公司响应国家节能减排的号召，对传统用油的轮胎吊实施高架“油改电”改造，以清洁、高效的市电代替柴油发电机组供电，从而大幅降低其能耗。轮胎吊“油改电”并不是码头节能减排的终点，研究发现，“油改电”轮胎吊还有进一步节能降耗的潜力可挖。传统变频控制系统下

2、的轮胎吊在下放集装箱以及大车、小车制动过程中，电动机处于再牛发电状态，势能转换的电能无法回馈到变频器供电电网，只能通过变频器直流侧制动单元中的制动电阻变成热能消耗掉，以免因直流侧母线过压而损坏电气元件，从而造成巨大的电能浪费。采用有源前端（activefrontend,AFE）可控整流技术的能量回馈装置可以使这部分再生能量返回至电网，进一步降低能耗。宁波港吉（意宁）码头经营有限公司经过技术改造将AFE能量回馈系统安装到高架“油改电”轮胎吊上，节能降耗的效果显著，具有广阔的推广前景。1AFE能量回馈系统原理为使变频器能在发电

3、状态下将制动的能量回馈至电网，降低能耗，实现四象限运行，通常有两种做法。第一种做法是采用普通的能量回馈方式，即给变频器配1个或多个能量冋馈单元，能量冋馈单元并联，可将能量冋馈至电网，其工作原理见图1。能量回馈单元没有数字信号处理器，所有控制功能由硬件完成，逆变功率部分采用绝缘栅双极型晶体管，实际应用时的电气连接见图2。能量回馈单元将电机制动时产牛并输入到变频器母线的能量逆变牛成与电网同步、同相位的交流正弦波，将电能回馈至电网，具体特点如下：(1)能量只能从变频器直流母线流向电网，单向不可逆；(2)所有控制功能由硬件完成，无

4、数字信号处理器，功能单一，除回馈能量外无其他功能；(3)与变频器主回路分开，除将变频器母线多余能量回馈至电网外，对变频器运行无其他优化功能；(4)能量回馈单元可并联，各自独立工作(见图3)o图3变频器能量回馈单元并联工作下载原图第二种做法是给变频器配置AFEo主电路采用绝缘栅双极型晶体管全控式开关元件，AFE处理器为高速数字信号处理器芯片，系统的“交-直”环节与“直-交”环节的结构完全相同;采用正弦脉宽调制模式，可控制交流电流的大小和相位，并通过前端的滤波、储能环节使交流输入电流接近正弦波；当屯机侧的制动能量通过逆变器返回

5、而使直流母线电压升高时，可以使交流输入电流的相位与电源电压相位相反，实现再生发电运行，并将再生功率回馈到交流电网，使系统处于有源逆变工作状态°AFE既可作为整流器工作，也可作为逆变器工作，实现电源侧的四象限运行，从而实现可控整流及能量冋馈。变频器AFE能量冋馈系统电气原理如图4所示。变频器AFE能量冋馈系统工作原理如下。(1)不控整流三相电源R,S,T经无源滤波电路、PFC电感器、上电缓冲电路，经反向并联二极管(绝缘栅双极型晶体管)D1〜D6整流后对母线电容器进行充电，此时绝缘栅双极型晶体管不工作，只充当普通整流桥的角色。

6、(2)可控整流三相电源R,S,T经无源滤波电路、PFC电感器、上电缓冲电路，通过控制绝缘栅双极型晶体管QPQ6的通断，配合二极管D1~D6,可实现对PFC电感器的充放能及母线电容的充放电。(3)逆变通过控制绝缘栅双极型晶体管Q1〜Q6按一定规律通断，可将直流母线电压逆变成相位和幅值与电源电压相同的交流电并回馈至电网，即常说的能量回馈。逆变的原理与驱动电机类似，只是绝缘栅双极型晶体管T的开关方式略有不同。逆变时，因最终能量送回电网，PFC电感器中的能量同样也送回电网。PFC电感器起滤波的作用，可有效降低谐波。对比两种能量回馈

7、方式，AFE能量回馈系统具有以下优点。仃)AFE整流和逆变器前端的电压与电流波形均己滤波成正弦波形，电压与电流正弦波形间的相位差角可以在一定范围内按需要设定；因此，功率因数能以1为屮点而正负可调，甚至可以对供电系统进行有源的功率因数补偿。(2)因可控整流，回路中又有无源滤波电路和PFC电感器，谐波可降至很低，通常小于5%0(3)直流母线电压可在一定范围内设定，设定值即为稳压值;因此，一定范围内的电网电压波动，或者瞬间电压跌落或过电压，均不会影响母线电压，特别适合在供电电压长期偏低的情况下使用，能提高变频器的控制性能及可靠性

8、。(4)采用高速数字信号处理芯片，数字控制的能量回馈可最大限度地将多余能量回馈至电网，节能降耗效果十分明显。(5)可自动检测进线电流、电源电压和电源频率等。(6)过热、过流、过压、欠压、输入缺相等各种保护功能齐全。2高架“油改电”轮胎吊能量回馈系统改造宁波港吉(意宁)码头经营有限公司采用上海海得控制系统