港口机电控制实验设备的研究和开发

岸边集装箱起重机（简称岸桥）是在码头前沿进行集装箱装卸作业的大型港口装卸设备，是现代化集装箱码头必备的装卸设备。岸边集装箱起重机由前后两片门框和拉杆构成的门架和支承在门架上的桥梁组成。行走小车沿桥架上的轨道运行，门架可沿着与岸线平行的轨道行走。桥架伸出码头部分可俯仰，以方便船舶靠离码头作业。岸边集装箱起重机的工作机构主要包括：起升机构、俯仰机构、大车运行机构和小车运行机构等。驱动装置主要包括电力驱动装置，主要为电动机及其装置、调节元件组成的控制系统。岸边集装箱起重机可采用PLC控制系统和CMS监测系统，具有自动监测和诊断功能，工作安全可靠。 我国集装箱装卸机械电控调速技术的发展历程主要经理三个阶段。 第一阶段采用发电机――电动机调速系统，由发电机发电驱动各机构的电动机，采用晶闸管励磁装置调节发电机的电压，以实现调速。 第二阶段采用晶闸管供电――直流电动机调速系统。交流电源直接经过晶闸管整流供电装置驱动各机构的直流电动机。其特点是去掉了庞大的发电机组，减少了旋转机械，提高了系统可靠性。 第三阶段为全交流变频调速系统。交流电源经过交流变频装置来驱动各机构的交流鼠笼式变频电动机。交流变频调速开始用于平移机构，如：小车机构和大车机构；后逐渐发展到用于位势负载机构，如：俯仰机构和起升机构。特别值得提出的是，随着近几年微电子技术和功率电子技术的飞速发展，交流变频调速技术也得到了迅速发展；尤其是近年来全数字矢量控制的交流变频器的研制成功，使变频调速技术应用进入了崭新的阶段。过去，繁杂的控制数学模型由分离电子元器件组合而成，如今采用微处理器控制技术，应用软件程序即可简单方便实现。这样，系统的元器件不但高度集成化，数量减少，而且可靠性极大提高，功能更为丰富。 交流变频调速技术应用于起重机后，与市场上大量使用的传统的绕线异步电动机转子串电阻调速系统相比，可带来以下显著效益： (1)交流鼠笼式电动机不但坚固、耐用、制造方便，而且成本低廉。采用结构简单、可靠性高的鼠笼异步电动机，避免了因集电环、电刷磨损或腐蚀引起接触不良而造成电动机损坏或不能起动的故障。 (2)由于交流变频器采用交--直--交流控制方式，即先将交流电源整流变为直流，再通过SPWM控制技术转为交流变频电源，其中直流回路的滤波电容起到很好的功率因素补偿作用。交流变频系统的功率因数多在0.9以上，高于现代电网管理规定中要求的功率因数0.85。因此交流调速系统无需增设功率因数自动补偿装置。 (3)由于控制技术及功率元器件制造技术的发展，使交流变频调速装置的造价大大降低，小功率的变频器价格与直流调速装置相当，大功率的稍贵些。但从系统综合考虑，交流变频调速装置不需要谐波吸收装置，功率因数自动补偿装置。因此总的说来交流电动机的价格更为低廉， (4)由于交流变频器的IGBT大功率管采用基极保护瞬时封锁，在电网波动较大的场合不会损坏元器件。 (5)采用交流变频调速技术的起重机由于变频器驱动的电动机机械特性硬，具有精确定位的优点，不会出现传统起重机负载变化时电动机转速也随之变化的现象，可以提高装卸作业的生产率。 (6)变频岸桥运行平稳，起、制动平缓，运行中加、减速时整机振动和冲击明显减小，安全性提高，并且延长了桥吊机械部分的寿命。交流接触器大量减少，电动机主回路实现了无触点化控制，避免了因接触器触头频繁动作而烧损以及由于接触器触头烧损而引起的电动机损坏故障。 (7)交流变频调速系统可以根据现场情况，灵活调整各档速度和加、减速时间，使得变频门吊操作灵活、现场适应性好。交流变频调速系统属高效率调速系统，运行效率高，发热损耗小，因此比老式调速系统更能省电。变频器具有完善的保护、监测及自诊断功能，如再结合PLC控制，可大幅度提高变频门吊电控系统的可靠性。 因此让起重机主要运行机构全部采用交流变频调速，一直是机械电气制造厂商的多年追求。从八十年代起，世界各大公司均着手开发全变频岸边集装箱起重机。因为岸边集装箱起重机采用柴油机发电机组，不能吸收系统反馈的能量，不需考虑变频技术中最困难的能量反馈电网的问题，所反馈的能量通过制动单元消耗在制动电阻上，相对技术难度低些。因此，试验首先在岸边集装箱起重机上进行，并于九十年代初获得成功，并投入批量生产。 从九十年代中期开始，变频装置能量反馈电网的问题得到解决，全变频的岸边集装箱起重机开始投入生产运行。据统计，1994-1995年岸边集装箱起重机规格书中提出全变频电控要求的用户占20%，可见市场之需求。各公司生产的全变频岸边集装箱起重机的数量也逐年增加，生产规模越来越大。 上海港口机械制造厂（简称上海港机厂）为外高桥一期码头生产的50t-50m集装箱岸边起重机是第五代超巴拿马型大型集装箱装卸机械，其电控系统为全变频交流调速系统。从1998年至今，上海港机厂己为国内外用户提供了数十台全变频集装箱起重机。大型集装箱岸边起重机的全变频调速系统的成功推出，极大地提高了我国电气传动的技术水平。随着变频技术的日益发展和推广应用，全变频集装箱岸边起重机必将在港口装卸中创造出更大的效益。