岸桥的电气驱动和电气设备

第一节直流驱动和交流驱动

一、岸桥的负载特点

岸桥在选择一个电气驱动方案时，首先要考虑的是该驱动对象的负载特点。岸桥的负载有以下特点：

（1）起升机构是一个位能性负载，当箱重一定时，在任何转速下负载转矩总是保持恒定，而且负载转矩的方向也不随电机转速方向的改变而改变。

（2）集装箱起重机的载荷有效率是50%，即有一半时间是空吊具运行的。即使是在带箱的时候，也不都是满箱起吊额定负荷。为了提高生产效率，希望在轻载时能提高速度。负载转矩与转速成反比，即形成恒功率控制。负载的恒功率性质是就一定的速度范围而言的，当负载很低时，受机械强度和电气系统特殊性的限制，转速不可能无限增大，一般恒功率调速范围为额定速度的2～倍。

（3）起升机构和小车行走机构都是间隔短时重复连续工作制，即对箱、吊箱、运行、对箱，周期性的起停或加减速，间隔很短。它要求具有良好的调速性能，除了要求有足够的热功率和起制动转矩外，还要考虑过载能力的迅速反应和电动机的良好通风散热。

（4）起升机构下放重物的过程是一个能量转换的过程，此时的电动机处于发电状态。如何吸收这部分机械能量，是岸边集装箱起重机电气控制必须解决的问题。

二、直流驱动与交流驱动的分析比较

针对岸桥负载的特点，过去选用直流驱动较多，这是因为：

（1）直流驱动的调速性能好，很容易实现基速下的恒磁场改变电枢电压的调压调速，以及基速上的弱磁恒功率调速。

（2）启动转矩大，动态响应好，有很好的起制动特性。这对于司机对箱有很好的帮助。

（3）重物下放时的机械能很容易转换成电能反馈给电网，系统效率高，节省了能源。

由于具有上述优点，直至本世纪80年代，岸桥中几乎都是采用直流驱动。但是，直流驱动也存在着缺点：

（1）与交流电动机相比，直流电机结构复杂，价格高，维护工作量大。

（2）为改善换向器的换向条件，要求直流电动机电枢漏感小，电机转子短粗，因而造成飞轮力矩大，限制了其速度响应时间和最高弱磁转速。

（3）谐波分量大，功率因数较低，在高要求场合要增加谐波吸收及功率因数补偿装置。

与直流电机相比，交流电机具有许多优点：

（1）无炭刷，无整流子，维护保养性非常好。

（2）转子的转动惯量较小，因此电动机的速度响应好，最高速度比直流电机高。

（3）电机可制成全封闭型（外扇冷却型），耐恶劣环境性能好。

起升机构是位能性负载，重物在快速下放过程中，电动机处于发电状态，产生大量的电能，若能像直流驱动那样把这些能量反馈回电网，这是理想的方案。用于岸桥的交流变频都采用交一直一交的方法。要把交流电动机发的电反馈回电网，必须再用另一套逆变装置才能实现。一个电动机要两套逆变器，造成交流变频装置的一次性投资大。

随着半导体技术的发展，大功率隔离门双极晶体管（IGBT）的产生，特别是计算机技术的发展与应用，变频矢量控制能够用微处理器来实现，这就使交流变频走向位势负载的应用领域。全交流的岸边集装箱起重机已经越来越多地得到应用，且直流与交流驱动系统目前在价格水平上已相差不多。

与直流驱动相比，除了交流电动机本身的优势以外，交流驱动还有以下优点：

（1）由于使用正弦波脉宽调制（PWM）控制方式，从进线电源处看，功率因数基本上接近 1。

（2）较小的谐波电流，在进线侧可以不增加谐波滤波装置。

三、直流驱动的基本型式

1. G－M系统

直流发电机一电动机系统，是第一代

岸边集装箱起重机所采用的驱动型式。从

1956年集装箱运输创世开始一直到80年

代前期，这种驱动系统被广泛采用。图

9－1－1所示为直流发电机一直流电动机

组成的线路图。

直流发电机与一交流电动机同轴连接，

直流电动机M由直流发电机G直接供电。

当交流电动机恒速运转时，只要改变

发电机磁场电流的大小，就能改变发电机

输出电压的大小，这就改变了直流电动机

电枢电压的大小，由此就改变了直流电动

机的转速。这是一个典型的基速下的恒转

矩调速线路。改变发电机激磁电流的方向，

也就同时改变了直流输出电压的方向，于

是直流电动机反方向运转。若在电动机达

到了基速的条件下，减小电动机的磁场电

流，那么电动机转速就会增高，这就实现

了基速以上的恒功率调速。

直流发电机磁场电流的提供可以有多

种方法，最常用的有以下两种：

（1）磁放大器一交磁电机扩大机系

统，图9－l－2所示为该系统线路图。交

磁电机扩大机具有很高的放大倍数，多控

制绕组的高性能特殊构造的直流发电机有

4个绕组。其中1、11为给定绕组，由接

成推挽式的磁放大器供电。绕组Ⅲ为电流

反馈绕组。绕组IV为发电机励磁电流（相

当于发电机电压）微分负反馈绕组。磁放

大器有4个控制绕组，1为给定绕组，2为

发电机电压负反馈绕组，3为电流正反馈绕

组，4为发电机电压微分负反馈绕组。由于

磁放大器的饱和特性，在起制动过程中，

系统实际上是一种带有电流负反馈的电压

截止系统。有较好的起制动电流波形和稳定性。在过载情况下，系统相当于带有电流截止负反馈和电流正反馈的电压负反馈系统，有较硬的静特性和较陡的堵转保护特性。

（2）可控硅励磁系统。图9－1－3所示为采用可控硅整流的发电机磁场供电线路。ZAB080是一个由模拟运算放大器集成的磁场整流模块。采用双闭环控制方式，电压负反馈与给定信号组成外环，电流负反馈组成内环，控制发电机磁场电流。磁场电流的方向由给定命令的方向来定，由此控制发电机的电压方向，从而改变电动机的转向。MFC模块是一个电动机磁场2／3整流电流源控制器，具有电流负反馈的电流调节器使磁场电流稳定，同时具有弱磁控制功能。

2.三相可控硅整流供电系统

三相可控硅整流供电系统是用可控硅整流把

三相交流电转换成直流电后驱动直流电动机的调

速方案，是一个替代庞大的交流电动机一直流发

电机组的理想的调速方案，80年代以来在岸桥上

得到广泛应用。图9―1―4所示为可控硅整流功

率元件单线图。

（1）系统单线图。图中CB为空气开关，它

是进线电源的分断开关。FU13为交流侧熔断器，

提供内部接线及可控硅SCR的保护。CTI－3为电

流变压器，提供交流进线侧的电流反馈信号用于

环流保护的检测。MA为交流接触器作为交流进线

电源与SCR转换桥接通与断开的控制器件。当选

择到运行方式时，同时驱动器无故障条件时，MA

接触器才会吸合。在满足以下两个条件之一时，

接触器就断开。当“停止”命令发出，同时电动

机速度慢到接近零速时；当任一个故障发生时。

L为铁氧体芯电抗器，是防止电动机再生情

况下产生过大的瞬变电流。SCR为可控硅整流器，

是将交流转换成直流的三相可控硅整流桥。SH为

分流器，是提供直流侧电流反馈信号给控制器。FU4为直流侧熔断器，是保护可控硅因电动机过流而引起损坏。M为直流电动机。CFU为磁场交流侧熔断器，提供对磁场回路SCR的短路保护。SCRF为磁场整流元件，通过三分之二波整流提供电动机磁场直流电流。SH2为磁场分流器，提供磁场电流的反馈信号。FIELD为电动机磁场线圈。

（2）三相全控桥可逆线路。三相全控桥可逆电路如图9－1－5所示，AIF－A6F为正向运转时的可控整流SCR；AIR－A6R为反向运转时的可控整流SCR。并联在AIF与A4R上的RC 串联支路是抑制可控硅阳极与阴极间瞬变电压的阻容吸收器件。并联在直流输出端上的若干个电阻是为直流电压反馈信号采样用的。R7、C7组成的串联支路是直流输出瞬变电压的阻容吸收器件。为了减少可控硅体积。通常将两个可控硅组装在一起，如AIF与A4F的连接图（图9－1－6）。这样从外表看，三相全控桥可逆线路只有6个可控硅器件，但实际上它是由12个可控硅组成的。

（3）双闭环控制柜图。直流调速控制器一般采用双闭环控制方案。其典型系统控制框图如图9－1－7所示。80年代采用模拟运算放大器来实现控制；从90年代开始，随着微处理器的日趋完善，逐渐用全数字化方案来实现控制；现在几乎都采用全数字的控制技术。从这个典型系统控制图中可看出，内环是电流环，外环则有两种选择，速度环或电压环（CEMF）。这取决于对调速精度的要求。在岸边集装箱起重机上，起升机构都采用带有测速发电机或测