什么技术让轮胎吊节油率达到50%？

    为解决柴油机动力轮胎式集装箱起重机油耗高的问题，响应国家节能减排要求，采用新型智能调速技术对传统节能方式进行优化。利用逆变器连接柴油发电机为起重机供电，代替常规整流器供电方式。智能控制器实时检测起重机各机构电流、力矩等状态数据，结合柴油机特性曲线建立数学模型，计算出柴油机运行所需功率，通过速度控制器对可变速柴油机进行连续调速。在不配置额外储能装置的情况下，应用该智能调速技术的轮胎式起重机节油率可达50%，有效降低油耗，减小废气排放和噪声污染。

    引言

    近年来，为了响应国家节能减排的要求，以及应对受油价影响不断攀升的运营成本，寻求合理的节能方案对国内各港口都是亟待解决的问题。目前，国内很多港口对轮胎吊设备进行“油改电”改造，在电价相对较低时可以有效降低能耗和运营成本，但改造投入较大，而且在供电电网不稳定的地区，“油改电”受到很大约束。此外，也有的港口采用“双速柴油机”方案：负荷较小时，柴油机怠速运行以节省燃油；负荷较大时，柴油机全速运行。这种方案可以起到一定的节能效果，但与根据实际负荷对柴油机进行连续调速方案相比，还有差距。

本文基于西门子（中国）有限公司在国内设计调试的新型智能调速节能轮胎吊项目，采用西门子SIMOCRANE系统新型节能技术的智能连续调速方案，轮胎吊使用可调速柴油机拖动同步伺服发电机作为动力。SIMOTION D435控制器根据轮胎吊运行实际需要的功率，结合柴油机特性曲线计算出柴油机给定转速，控制柴油机在怠速与全速之间连续调节转速，连续调速期间逆变器侧直流母线电压可保持在正常工作范围内。根据实际负载调节柴油机转速，能够有效达到降低噪声、节约燃油的目的。

                节能型智能调速电控系统原理和组成

    系统采用可调速柴油机（康明斯QSX15-C560）拖动同步伺服发电机（斯坦福HCI534E）提供交流电源，经整流单元变换为直流电，通过直流母排供给各机构逆变器。在柴油机怠速时，发电机输出电压较低，约为AC 200 V，而一般的整流器工作输入电压范围在AC 380~480 V、输入电压为AC 200 V时无法正常工作。节能轮胎吊智能调速系统采用西门子S120装置型逆变器连接发电机，逆变器输入电压范围较宽（AC 140~500 V）可在此应用方案下作为整流单元使用，在柴油机怠速时发电机与装置型逆变器配合将直流母线抬升至DC 600 V。整机辅助400 V 50 Hz的交流电源通过书本型逆变器供电。为了降低逆变器PWM调制时的谐波影响，辅助电源逆变器输出侧配置正弦波滤波器和隔离变压器。

控制器采用西门子S7 300 PLC和SIMOTIOND435控制单元。SIMOTION D435根据柴油机特性曲线建立数学模型，并控制S120逆变器。采集逆变器驱动轮胎吊各机构电机运行时的实时电流、力矩等状态数据至控制器，控制器计算得出机构运行需要柴油机提供的功率，根据柴油机特性曲线得到柴油机设定速度，PLC通过CAN/DP转换器与柴油机控制器进行通信，实时调节柴油机转速。为了保证速度调节的实时性，CAN通信只传输给定速度和实际反馈速度，响应时间约为10 ms，柴油机方面的其他状态参数由Modbus/DP转换器传输。

智能调速轮胎吊电控系统组成见图1。电机和逆变器技术参数见表1。

    做整流用的逆变器容量选型取决于直流母线上连接的用电设备工况下的功率和电流需求，可按标准整流单元的选型原则进行计算。

    由于起升带重载下降时向直流母线回馈的能量不能反馈到柴油机侧，在不配置储能单元的情况下，需要在直流母线上并联2个额定制动功率为50 kW、峰值制动功率为250 kW的制动单元，反馈的能量靠制动电阻消耗。

                                            系统设计***

    智能调速轮胎吊在设计时需要考虑以下3个方面：发电机与整流用逆变器参数匹配、实际调速曲线与柴油机性能曲线优化拟合、辅助回路电源设计。

2.1　发电机与整流用逆变器参数匹配 

    发电机与整流用逆变器匹配是系统设计调试的首要环节，只有匹配得当，整流用逆变器才能正常工作，并使柴油机在怠速与全速运行之间均可维持直流母线电压稳定。智能调速要求发电机采用永磁同步伺服电机，原因在于永磁同步伺服电机不需要额外的励磁线圈，结构简化，效率高，运行可靠，力矩惯量比大，定子电流和定子电阻损耗降低，且转子参数可测，控制响应快速、精度高。本项目选用的斯坦福HCI534E同步伺服发电机有励磁线圈，励磁回路包含永磁铁，不用额外提供励磁电流，在设计时可以使HCI534E电机组态为永磁同步伺服发电机。由于轮胎吊是柴油发电机供电，所以对于连接逆变器的发电机不能像常规应用那样做电机辨识，需要从发电机厂家取得尽可能详细的电机参数，并在上电调试过程中对电机参数进行手动优化。

    HCI534E发电机不带伺服电机常用的正余弦编码器，没有速度反馈，所以需要解决闭环反馈控制问题。项目组在整流用逆变器进线侧配置电压检测模块VSM 10，用于检测发电机的实际转速并激活逆变器的“捕捉再启动”功能。由于柴油机拖动发电机供电，整流用逆变器控制方式设置为力矩控制。速度控制器输出力矩设定见图2。

    柴油机启动过程中转速由0 r/min上升到怠速800 r/min，柴油机怠速时发电机输出电压为AC 220 V，在此过程中整流用逆变器完成预充电和直流母线电压提升，原理类似于整流单元电压提升过程。直流母线电压提升见图3。

    电机可看作电感元件L，发电机输出电压由0V上升时通过续流二极管给直流母线电容预充电。当S1（IGBT）导通时L储能，S1关断时L中的能量向电容流动，直流母线侧电压Vdc=V+VL，通过控制IGBT导通、关断，可使直流母线电压维持在可正常工作的稳定值。从电压提升原理可以看出，电机的电感值L对电压提升效果有很大影响，必须与直流母线电容值匹配。设计时从发电机厂家获取的电机感抗参数，在上电调试过程中还需要根据实际直流母线电压、电流波形进行修正。如果设置不当可能会引起直流母线振荡。不同感抗值对应的电流波形对比见图4。

2.2　实际调速曲线与柴油机性能曲线优化拟合

    节能型轮胎吊调速基于正确的柴油机功率转速特性曲线，在设计阶段根据柴油机厂家提供的功率转速特性曲线初步建立调速控制模型，在调试过程中根据实际情况对模型参数进行调整。QSX15-C560型柴油机扭矩功率转速特性曲线见图5。

    柴油机运行在1 400 r/min可输出扭矩，在1 700 r/min输出功率。在实际测试时发现，由于摩擦、冷却等原因产生的损耗较大，发动机实际输出功率减小10%~15%。发动机怠速设置为800 r/min，怠速时输出功率需保证辅助设备正常运行，转速设为输出功率点1 700 r/min。调速曲线见图6，中间曲线是根据实际测试情况优化的柴油机转速功率特性曲线，供ECO调速使用，下面的曲线是实际负荷转速功率特性曲线，尽量与柴油机特性曲线拟合并保留一定余量。

    调速控制过程如下：当机构动作时，控制器D435实时检测总负荷功率，根据调速控制模型得出对应的柴油机设定转速。若在加速阶段实际转速与给定转速偏差较大，说明柴油机加速功率不够，这种情况下激活”柴油机支持”功能，根据转速偏差值延长对应机构的加速时间，以确保柴油机不会熄火；若柴油机响应速度不够快或超调比较大，重载加速阶段也可能会导致柴油机熄火，这时需要使用预控功能。在手柄操作时，给柴油机预控转速，等机构抱闸打开时，柴油机已经运行在预控转速下，超过设定的预控时间后预控转速将切换到根据调速控制模型计算得出的转速设定值。柴油机调速控制器PID参数的调整优化将直接影响轮胎吊整机调速性能。

2.3　辅助回路电源设计

    辅助回路正常工作供电电压为三相AC 400 V/ 50 Hz，而柴油机怠速时发电机输出三相电压只有AC 220 V/25 Hz，无法直接供辅助回路使用。整流用逆变器在柴油机怠速时能够将直流母线电压稳定在DC 600 V，可以采用辅助逆变器将直流母线电压转换为输出恒定的AC 400 V/50Hz供辅助回路使用。需要计算辅助回路所需功率，考虑轮胎吊辅助回路工况为大车转向、整机照明、空调同时使用。辅助机构功率参数见表2。辅助回路所需功率约为63 kW，考虑到辅助逆变器IGBT脉冲触发频率为4 kHz时降容系数为0.82，则实际所需逆变器容量约为76.8 kW。在节能型轮胎吊上应用辅助逆变器IGBT触发脉冲频率如果设置为2.0 kHz或2.5 kHz，输出电压波形谐波含量较大，会对辅助用电设备造成冲击，太高则降容比较大，推荐触发频率设置为4 kHz。

        辅助回路输出侧还需要配置正弦波滤波器以有效降低负载侧的电压上升率（dV/dt）和电压峰值（Vpp），正弦波滤波器是LC低通滤波器，实验数据表明，它可以将电压上升率及电压峰值约束在以下范围：

    较低的电压上升率也能够降低负载侧电磁干扰。为了进一步抑制高频谐波传入辅助供电回路，利用隔离变压器高频损耗大的特点，在正弦波滤波器的输出侧配置隔离变压器，在辅助回路侧得到高质量的电源。现场示波器测得的电压波形见图7。

辅助供电逆变器在设计过程中有4点需要注意的地方：

    ○逆变器须设置为空间矢量调制模式。

    ○控制电压设定值由带斜坡函数发生器的工艺控制器给定，使隔离变压器的励磁电流不会引起过流故障。

    ○辅助用电设备三相负载尽量平衡。

    ○正弦波滤波器不要空载运行。

 总结

    资源环境制约是当前经济社会发展面临的问题，加快发展节能环保产业对于推动产业升级和发展方式转变，促进节能减排和实现经济可持续发展具有重要意义。西门子节能智能调速技术在轮胎吊上的应用，在不配置超级电容或电池组的情况下，节油率约为35%~50%，如果配置储能装置将重载下降反馈的能量存储利用，节油率可达到50%~70%，可以有效降低油耗，减小废气排放和噪声污染，降低用户的维护成本。