岸边集装箱起重机驱动器电容放电装置设计

张采龙

盐田国际集装箱码头有限公司

1 引言

港口机械电力拖动系统普遍采用大功率交流变频调速系统,其中的大功率整流及逆变装置需要大量的电容组用于储能、稳压、滤波。某品牌驱动系统电容泄放回路的功率较小,电容组容量大,设备出现故障抢修时,断电后需要等待较长时间母线电压才能降至安全电压,影响维修效率。针对这一问题,设计制作一套快速放电装置。

2 驱动器电容组放电时间长的原因分析

2.1 驱动器电容组原理概述

以某双起升岸边集装箱起重机(以下简称岸桥)的主起升驱动系统为例。图1为双起升岸桥主起升驱动器原理图,其中每个整流功率单元功率为200 kW,4个功率单元并联后形成总功率为800 kW的整流器。每套整流单元内部桥式连接的功率半导体在主控板的控制下将460 V/50 Hz交流电整流成680 V直流电,供给直流母线,作为逆变器的电源[1]。4套逆变功率单元并联于直流母线,其通过内部桥式连接的功率半导体,将直流电斩波拼接形成各种频率的近似正弦波的交流电,驱动起升电机运转。交流电机的转速和转向取决于逆变器输出的频率和相序,逆变器输出频率和相序由司机通过控制手柄、PLC系统控制。当机构做起升动作时,驱动器将电网的电能转化成直流电后,再变频成各种频率的交流电驱动电机运转做功;在机构做下降动作时,吊具和集装箱的重力拖动起升电机运转发电,发出的交流电,经逆变器整流成直流电后反馈给直流母线,直流母线电压随之升高;整流功率单元此时又充当逆变器,将直流母线过多的电能调制成交流电,反向給电网供电[2]。

1.直流母线 2.整流功率单元 3.逆变功率单元图1 岸桥起升驱动器主回路

2.2 电容组总电容量

为了使直流母线的直流电压恒定,驱动器直流母线均连接数量较多的电容组(见图2)。每个电容器的容量为8 200 μF,额定工作电压400 V,一共12个。为承受680 V的母线电压,每2个电容器串联后接入母线。起升机构驱动系统共有4个整流单元和4个逆变单元,这8个功率单元内部的电容组和泄放回路都平行接入母线,呈并联关系。每个功率单元内部电容组的总电容为8 200 μF×6,故起升机构的8个功率单元并联后的总电容量为8 200 μF×6×8。

1.旁路接触器 2.限流电阻 3.电容器 4.泄放电阻 5.指示灯 6.电阻图2 驱动器功率单元电容组原理图

2.3 电容组泄放电阻计算及等效电路

图2中2个5.1 kΩ的电阻,串联形成10.2 kΩ的泄放电阻。泄放电阻的作用是当驱动器断电后逐渐消耗储存在电容组内部的电能。LED灯和与之串联的电阻,形成指示灯回路,也参与释放少量的电能。

根据电阻并联原理,相同阻值的8个功率单元泄放电阻并联后的总电阻为单个电阻的1/8,即1 275 Ω;同理,8个LED指示灯回路并联后的电阻为6 800 Ω(LED按400 Ω估算)。8个功率单元组成的电容组以及泄放回路的等效电路见图3。

图3 等效电路图

电路中2个电阻并联后阻值为1 073.7 Ω。故等效电路进一步简化为图4。

图4 等效电路2

2.4 阻容电路充放电规律及放电时间测算

根据阻容电路电容充放电时间常数公式

τ=RC

(1)

式中,τ为电容重放电时间常数,s;R为阻容电路的电阻值,Ω;C为阻容电路的电容量,F。得出τ=422.6 s。

每经过一个时间常数后,电容器电压泄放至原来的0.368。理论上,经过5个时间常数后可认为完全放电[3]。经计算,经过3个时间常数后,即1 267.8 s,约21 min后,母线电压才降至安全电压。根据以上计算,电容组放电时间长的原因为电容组总容量较大,而泄放电阻大导致泄放功率较小,无法快速放电。

3 解决方案

3.1 外接消耗元件

根据电容充放电时间常数公式可知,电容量C固定不变的情况下,要缩短放电时间,只能减少泄放电阻的阻值以增大泄放功率[4]。而减小泄放电阻最直接的办法是并联消耗元件,因直流母线工作电压为680 V,考虑取材便利性和成本,初步确定选择3个相同的220 V钨丝灯泡作为消耗元件串联接入母线。为了减小钨丝灯泡电阻值,需选取功率较大的灯泡,最终确定采用1 000 W的舞台灯光的灯泡作为消耗元件,有功率大体积小的特点。单个1 000 W钨丝灯泡电阻值为48.4 Ω,3个灯管串联后的电阻为145.2 Ω,接入母线后等效电路见图5。

图5 外接消耗元件等效电路

计算得出该电路总电阻为127.9 Ω,计算时间常数τ=50.3 s,3个时间常数为151 s,约2.5 min,电容放电时间缩短效果明显。

3.2 设置并联切换开关

外接消耗元件尽管效果明显,但对于码头设备抢修所要求的快捷高效而言,还不够迅速。为此,专门设置一个切换开关,当第一个时间常数后,母线电压降至250 V时,按下切换开关,把原来串联的3个射灯灯泡改为并联,进一步减小泄放电阻,增大泄放电流(见图6)。

1.射灯灯泡 2.切换开关 3.直流电压表 4.开关 5.鳄鱼钳 6.金属外壳图6 直流母线放电装置原理图

3个灯泡并联后,时间常数大幅减小到6.25 s。经过第一个时间常数50.3 s,母线电压降至250 V后,按下切换开关,再经过12.5 s,共计62.8 s后,可放电到安全电压,大幅缩短电容放电时间。

3.3 设计与制作

基于以上原理及计算,制作驱动器电容放电装置。为方便将装置接入直流母线,采用2个绝缘耐压为1 000 V的胶套鳄鱼钳。为直观显示直流母线的电压,设置一个直流电压表。为防止鳄鱼钳接入母线时起弧打火,设置一个总开关,在装置接入母线之前,通过此开关将放电装置回路切断。为防止触电以及射灯灯泡的强光对人体的伤害,采用金属外壳电箱将3个射灯灯泡及线路包裹隔离,并在电箱侧板开百叶窗进行散热。

4 结语

经现场测试,电容放电时间从约21 min缩短到约1 min。采用此装置作为辅助维修工具后,驱动器故障抢修效率得到显著提高。此装置制作成本低,制作难度小,操作简便,在同类型港口起重设备维修中具有一定的实用推广价值。