用于起重设备势能回收再利用装置测试的试验台研制

2021-04-02梁亚军杜春雷

物流技术 2021年3期

刘进，刘洋，梁亚军，杜春雷

（1.青岛前湾集装箱码头有限责任公司，山东青岛 266555；2.中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东青岛 266031）

0 引言

港口起重设备是专业化集装箱码头堆场中的主要装卸设备，其起升机构在载运货物下降过程中再生制动产生大量的电能[1]，通常这部分电能是以热能的形式耗散或者将其返回至电网，未被有效利用。因此，如何充分回收并利用起重机下降所产生的能量，直接决定着港口企业的经济效益以及能源的循环利用模式。

势能回收再利用装置[2]是一种应用超级电容技术，能在物体重力势能释放过程中将其收集起来，以便再次利用的一种装置。它能够有效地解决起重设备再生能量的回收利用问题，但是，对于此种势能回收再利用装置的功能、性能以及节能率等参数的出厂验证，以及产品是否有优化设计的空间等工作未有效开展。

本文介绍一种势能回收再利用装置试验台，该试验台可以对势能回收再利用装置运行过程中的各种工况进行模拟，对势能回收再利用装置的功能、节能率、效率等各种参数进行理论和实际比对，从而起到优化产品设计的作用。

1 试验台工作原理及组成

1.1 工作原理

势能回收再利用装置试验台是利用变频电机输出恒定扭矩模仿负载物体对起升电机产生的重力牵引。起升电机在起升和下降两种工况下，分别为工作牵引和再生制动状态，以此模拟设备起升的真实工况，为势能回收设备提供试验环境。试验台组成原理如图1所示。

图1 试验台组成原理图

图1中1AC/DC整流器直流输出侧与2起升变频器、3 负荷变频器相连，同时连接6 制动电阻；2 起升变频器、3负荷变频器各自输出端分别与4起升电机和5负荷电机相连；被试验的势能回收再利用装置连接于1AC/DC整流器直流输出侧。

在势能回收再利用装置试验台中，1AC/DC 整流器将AC380V三相交流电经过转换，形成供给2起升变频器和3负荷变频器的直流电能。

试验台在模拟起重机起升机构下降时，5负荷电机产生再生能量给3 负荷变频器直流母线充电。此时，被试设备势能回收再利用装置能够吸收能量，试验台直流母线侧电压平稳，减小工作机构运行时给电力系统造成的冲击。

试验台在模拟港口起重机起升机构上升时，4起升电机消耗能量，此时2起升变频器直流母线电压降低，同时，被试设备势能回收再利用装置能够释放能量，试验台直流母线侧电压平稳。

当势能回收再利用装置的电量充满或故障报警时，6 制动电阻将再生能量转换成热量消耗，保证试验台的安全性。

系统的关键设计部分，就是把势能回收再利用装置与试验台的直流电源母线并联，根据势能回收再利用装置试验要求设置模拟工作状态和用电需要进行控制起升电机和负荷电机，进而测试被试设备的性能和功能。

1.2 系统组成

势能回收再利用装置试验台主要由机械系统、电气系统、上位机三部分构成。

1.2.1 机械部分。机械部分主要由底面平台、平台支架、负载电机、起升电机、联轴器、滚动排绳机构组成。总体结构如图2所示，两台卷扬机采用上下两层布置，钢丝绳垂直互相拖动。结构框架采用H 型钢焊接而成，二层带有护栏和钢化玻璃降噪房以供客人参观，并配有斜梯。一层采用隔音彩钢瓦围挡，使结构美观。操作台放于斜梯旁边，其上方二层护栏处悬挂液晶显示器，效果如图3所示。

1.2.2 电气部分。电气部分主要由主控单元、变频器、数据采集单元、传感器、人机交互设备、无线数据接收单元等构成，如图4所示。

图2 卷扬机布置图

图3 试验台效果图

图4 电气部分示意图

其中数据采集单元包含本地数据采集（采用通讯方式和硬接线方式）和远程数据采集（采用无线数据接收），数据采用LABVIEW进行处理，并将状态信息显示于人机交互设备；已投运的势能回收再利用装置通过GPRS 无线通讯模块将运行信息上传至远程数据采集单元，并将所采集的状态信息进行处理，进而实现远端智能化管理，并对设备运行进行故障预判。

（1）工作模式。势能回收再利用装置试验台有两种操作模式：手动模式、自动模式。可以通过试验台操作面板上的手动/自动旋钮选择工作模式。

在手动模式下，可以通过试验台控制面板上的“起升变频电源”按钮、“负荷变频电源”按钮控制起升变频器与负荷变频器的电源。通过主令控制器控制起升变频的启停状态、运行方向、速度调节等。通过试验台面板上的“负荷变频正转”按钮、“负荷变频反转”按钮控制负荷变频器的启停状态、运行方向。通过上位机的手动调节界面，可以调节负荷变频器的最大运行频率及输出转矩等参数。

在自动模式下，可以通过上位机的自动调节页面，设置负荷变频的输出转矩，点击“运行”按钮，试验台开始模拟势能回收能量存储状态，并实时显示。待试验台运行完毕后，点击“停止”按钮，系统结束运行，回归至初始状态。

（2）测量与保护。在势能回收再利用装置试验台中，使用用电力参数测量仪、接近开关、拉力传感器、PT100、柱状指示灯等对系统进行测量和保护。设置两块电力参数测量仪，一块测量仪用于测量试验台总耗电量，另一块测量起升变频器和起升电机（包括减速电机风机）的耗电量。柱状指示灯用来标示势能回收再利用装置中DC/DC变流器入端和出端的电压。起升变频器和起升电机的耗电量与势能回收再利用装置的存储能量相比较，能够判断装置的节能效果。

1.2.3 上位机。

（1）上位机功能。势能回收再利用装置试验台上位机系统能够模拟各种负载重量，并根据试验需要修改参数；起升电机的升降速度可以通过上位机系统自动调节，上位系统能够根据负载情况分析计算出最合适的提升速度；上位机系统能够实时显示起升电机与负荷电机的运行状态，并根据故障的类别与等级做出合适的保护动作；上位机系统具备足够的存储能力，能够实时存储系统工作状态，支持数据存储到上位平台的历史数据库和工业数据库，满足系统对存储容量和存储速度要求。

（2）显示单元。显示单元如图5 所示，能够将被试装置和试验台的所有运行参数显示出来，同时，采用动画模拟的方式将试验台的起升和下降过程展示出来，并可起到对外参观宣传的作用。