集装箱场桥双绕组起升电机冗余控制策略

国传电气技术交流

技术研究

2023年11月06日发布

导读：2023年10月，《港口科技》杂志社第十期刊发了由连云港新东方国际货柜码头有限公司王海潮、徐新雷及我司研发工程师潘雷共同撰写的《集装箱场桥双绕组起升电机冗余控制策略》研究文章。

      文章新鲜出炉，我们特意转发此文，让大家先睹为快。

摘要：为了解决集装箱码头场桥起升系统的其中1台变频器出现问题后无法继续完成提升作业的问题，根据双绕组异步电机结构特点，分析场桥双绕组提升机系统的3种工作模式，设计一种双绕组异步电机冗余控制方案，通过使用接触器合理的切换电机绕组，实现电机冗余控制。经在连云港新东方国际货柜码头有限公司场桥项目上试验验证，通过此切换方法实现了起升冗余工作模式，使场桥起升系统在一台变频器出现问题后仍能继续运行。经过验证，在一定程度上提升场桥提升系统的作业效率，同时为场桥提升系统增加安全保障，减少由于变频器故障而出现的长时间高空挂箱问题。

关键词：场桥；双绕组电机；冗余控制；变频器

连云港新东方国际货柜码头有限公司（以下简称“公司”）作为新亚欧大陆桥东桥头堡起点，是沟通东西、连接南北的重要战略枢纽，是中亚国家及中西部地区最经济、最便捷的出海码头。公司的港口运输业务十分繁忙，现拥有20余台集装箱场桥起升机。该设备是公司进行集装箱搬运的主要运输工具，其电控系统均采用日本某知名企业产品，其核心设备小功率变频器运行已达10 a，部分场桥起升机已出现控制精度差，故障率高，操作难度大等问题。

为改善和提升该批设备的性能，公司先后与日本原生产厂家进行沟通，但由于目前无现成相关备件，若更换现有操作系统则价格高、周期长且对原有设备改动性大，此方案遂被否决。

为改变现有设备状态，公司决定通过寻找国内相关业务公司进行产品研发进而实现“国产化替代”。通过多方沟通与协调，公司与江苏国传电气有限公司达成研发合作，商定先以1台性能最差的场桥起升机进行科研攻关，待整体验证完成后，再进行批量性的系统改造工作。

在日常工作中，采用1台双绕组异步电机驱动钢丝绳卷筒，电机每套绕组分别由1台变频器控制，场桥系统在进行集装箱提升作业时需要2台变频器同时运行，如果其中1台变频器出现故障则无法进行集装箱起升工作，其所抓取的集装箱将会悬停在半空中，此外起升变频器很难在短时间内修复，一旦起升变频器发生故障，必将影响码头作业效率[1][2]，严重时甚至会影响到船期。针对场桥单台起升变频器出现故障影响集装箱作业的问题，设计一种起升双绕组异步电机的故障冗余控制方法，当1台起升变频器出现故障时，主控系统通过控制接触器切换，将有故障的变频器从主回路中脱开，只用1台变频器就能使起升机构保持运行，从而将变频器故障影响范围缩小至最低程度。

双绕组异步电机的定子上有2套独立的线圈绕组，2套绕组共用1个转子。2套定子绕组在空间上重合。双绕组异步电机示意图见图1。为便于分析，做理想电机假设[3]，步骤如下：

（1）忽略空间谐波，设三相绕组对称，产生磁动势沿气隙按正弦规律分布；

（2）忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感保持恒定；

（3）忽略铁心损耗；

（4）忽略定转子齿槽影响；

（5）忽略频率变化和温度变化对绕组电阻的影响；

图1 双绕组异步电机简图

基于上述假设，得到定子和转子电压计算公式为    

 式中：U、Ⅰ、R、Ψ分别为定、转子绕组电压矢量，V;电流矢量,A;电阻矩阵, Ω;磁链矢量，wb。

磁链计算公式为           

式中：L为定转子每相的电感,H；定转子每相的电流Ⅰ，A。

电磁转矩计算公式为                     

式中：np为电机的极对数，大小为电机铭牌上的极对数数值；L为转子绕组的电感，H。

运动计算公式为:

式中：J为电机的转动惯量,  kg•m²；ω为转子电角频率，rad/s；TL为负载转矩，N•m。

图2 双绕组异步电机的冗余控制系统框图

1 双绕组并行运行模式

双绕组并行运行模式下电机2个绕组的一端分别短接，另一端分别接各自的变频器，场桥提升机正常运行时就运行于这种模式下。这种模式下一台变频器为主机，另一台位为从机，主机根据实际运行情况计算出提升过程中需要的力矩，然后将力矩分配给从机。当K1a、K3a、K2b、K4b接通后，整套系统就运行于双绕组工作模式。双绕组并行运行模式示意图见图3。

图3 双绕组并行运行模式

由双绕组异步电机数学模型可知，该工况下，每套变频器输出的电压电流均能够达到电机绕组的额定电压和额定电流，每套绕组均能工作在额定磁链下，因此能够实现额定转速下输出额定转矩。

 2 双绕组串联运行模式

双绕组串联运行模式下电机的2个绕组串联，绕组首端接一台变频器，尾端短接。当K1a、K3b、K2a、K4b接通时，运行于1号变频器绕组串联模式。当K1b、K3a、K2b、K4a接通时，运行于2号变频器绕组串联模式。双绕组串联运行模式示意图见图4。

（b）运行于2号变频器绕组串联模式

 图4 双绕组串联运行模式示意图

该工况下，由于电机绕组串联，单台变频器的输出电压仅能达到单套绕组额定的一半，因此电机的最大转速仅能达到额定转速的一半。另外，由于变频器的输出电流能够达到电机绕组的额定电流，因此能够实现二分之一额定转速下的全载运行。

当场桥起升部分的一台变频器出现问题时，可以切换到这种模式，虽然运行速度降低了一半，但是输出最大转矩是没有变化的，因此能保证整个系统能够运行。

3 单绕组运行模式

单绕组运行模式下由1台变频器带动1个绕组运行。当K1a、K3a接通时，运行于1号变频器单绕组运行模式。当K2b、K4b接通时，运行于2号变频器单绕组运行模式。单绕组运行模式示意图见图5

（a）运行于1号变频器单绕组运行模式

（b）运行于2号变频器单绕组运行模式

图5  单绕组运行模式示意图

该工况下，单套绕组由单台变频器供电，因为仅有1套绕组运行，电机输出转矩和输出功率均为额定的一半。该工况下电机工作于额定转速且转矩降额的工作模式。

当场桥起升系统的1台变频器出现问题时也可以切换到这种模式，但是要保证这种模式下输出的最大转矩要大于提升货物的重量。

通过对双绕组起升电机引入冗余控制策略，改造后效果显著；

1. 提高系统的可靠性：通过引入冗余控制策略，双绕组起升电机可以在一个绕组出现故障时，仍然保持正常的运行。这可以大大增强系统的可靠性，减少因故障而导致的停机时间和生产损失。

2. 提高系统的安全性：双绕组起升电机的冗余控制策略可以实现对系统运行状态的实时监测和故障诊断。一旦发现其中一个绕组出现故障，可以及时切换到冗余的工作绕组，避免绕组故障导致的事故发生。

3. 提高系统的稳定性：通过冗余控制策略，可以在一个绕组发生故障时，通过调节另一个正常绕组的电流和转矩来保持正常的起升运行。这可以减少由于设备故障引起的不平稳和起升波动。

4. 提高系统的效能：冗余控制策略由于可以在单套绕组出现故障的情况下，仍可以继续运行，提高了系统的效能，提高工作效率和生产能力，减少维护人员的工作压力。

目前，国内外并没有针对场桥双绕组提升冗余控制的优化研究。此控制策略在连云港新东方国际货柜码头场桥项目上得到成功验证，解决了集装箱码头场桥起升系统中1台变频器出现问题后无法完成起升作业的问题。利用起升双绕组异步电机的结构特点，采用一种对电机绕组冗余切换的控制方法，当一台变频器出现问题时，可以将故障变频器从系统中脱开，保证起升机构能够应急运行，提升了场桥的可靠性与安全性。

参考文献

[1]潘元兵.浅叙ZPMC场桥PLC-变频器系统故障几个具体解决办法[J].中国水运:,2013(11):188-189.

[2]李义刚,龚国兴,王国.轮胎吊起升机构电气控制故障防范措施[J].集装箱化,2014,25(9):34-37.

[3]吴轩钦.电励磁同步电机双三电平矢量控制系统研究及其应用[D].徐州:中国矿业大学,2011:56.

（本论文摘自2023年第10期《港口科技》杂志，原作者为：王海潮、徐新雷（连云港新东方国际货柜码头有限公司） ， 潘  雷.（江苏国传电气有限公司）。如有侵权，请联系编者删除。）

  （本稿件由国传电气（原中矿传动）市场部整理编辑，经国传电气技术支持团队审核授权发布！）

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