直流发电机一电动机系统，是第一代 岸边集装箱起重机所采用的驱动型式。从 1956年集装箱运输创世开始一直到80年 代前期，这种驱动系统被广泛采用。图 9－1－1所示为直流发电机一直流电动机 组成的线路图。
直流发电机与一交流电动机同轴连接， 直流电动机M由直流发电机G直接供电。
当交流电动机恒速运转时，只要改变 发电机磁场电流的大小，就能改变发电机 输出电压的大小，这就改变了直流电动机 电枢电压的大小，由此就改变了直流电动 机的转速。这是一个典型的基速下的恒转 矩调速线路。改变发电机激磁电流的方向， 也就同时改变了直流输出电压的方向，于 是直流电动机反方向运转。若在电动机达 到了基速的条件下，减小电动机的磁场电 流，那么电动机转速就会增高，这就实现 了基速以上的恒功率调速。
直流发电机磁场电流的提供可以有多 种方法，最常用的有以下两种：
（1）磁放大器一交磁电机扩大机系 统，图9－l－2所示为该系统线路图。交 磁电机扩大机具有很高的放大倍数，多控 制绕组的高性能特殊构造的直流发电机有 4个绕组。其中1、11为给定绕组，由接 成推挽式的磁放大器供电。绕组Ⅲ为电流 反馈绕组。绕组IV为发电机励磁电流（相 当于发电机电压）微分负反馈绕组。磁放 大器有4个控制绕组，1为给定绕组，2为 发电机电压负反馈绕组，3为电流正反馈绕 组，4为发电机电压微分负反馈绕组。由于 磁放大器的饱和特性，在起制动过程中， 系统实际上是一种带有电流负反馈的电压
截止系统。有较好的起制动电流波形和稳定性。在过载情况下，系统相当于带有电流截止负反馈和电流正反馈的电压负反馈系统，有较硬的静特性和较陡的堵转保护特性。
（2）可控硅励磁系统。图9－1－3所示为采用可控硅整流的发电机磁场供电线路。ZAB080是一个由模拟运算放大器集成的磁场整流模块。采用双闭环控制方式，电压负反馈与给定信号组成外环，电流负反馈组成内环，控制发电机磁场电流。磁场电流的方向由给定命令的方向来定，由此控制发电机的电压方向，从而改变电动机的转向。MFC模块是一个电动机磁场2／3整流电流源控制器，具有电流负反馈的电流调节器使磁场电流稳定，同时具有弱磁控制功能。
2.三相可控硅整流供电系统
三相可控硅整流供电系统是用可控硅整流把 三相交流电转换成直流电后驱动直流电动机的调
速方案，是一个替代庞大的交流电动机一直流发 电机组的理想的调速方案，80年代以来在岸桥上 得到广泛应用。图9―1―4所示为可控硅整流功 率元件单线图。
（1）系统单线图。图中CB为空气开关，它 是进线电源的分断开关。FU13为交流侧熔断器， 提供内部接线及可控硅SCR的保护。CTI－3为电 流变压器，提供交流进线侧的电流反馈信号用于 环流保护的检测。MA为交流接触器作为交流进线 电源与SCR转换桥接通与断开的控制器件。当选 择到运行方式时，同时驱动器无故障条件时，MA 接触器才会吸合。在满足以下两个条件之一时， 接触器就断开。当“停止”命令发出，同时电动 机速度慢到接近零速时；当任一个故障发生时。
L为铁氧体芯电抗器，是防止电动机再生情 况下产生过大的瞬变电流。SCR为可控硅整流器， 是将交流转换成直流的三相可控硅整流桥。SH为
分流器，是提供直流侧电流反馈信号给控制器。FU4为直流侧熔断器，是保护可控硅因电动机过流而引起损坏。M为直流电动机。CFU为磁场交流侧熔断器，提供对磁场回路SCR的短路保护。SCRF为磁场整流元件，通过三分之二波整流提供电动机磁场直流电流。SH2为磁场分流器，提供磁场电流的反馈信号。FIELD为电动机磁场线圈。
（2）三相全控桥可逆线路。三相全控桥可逆电路如图9－1－5所示，AIF－A6F为正向运转时的可控整流SCR；AIR－A6R为反向运转时的可控整流SCR。并联在AIF与A4R上的RC串联支路是抑制可控硅阳极与阴极间瞬变电压的阻容吸收器件。并联在直流输出端上的若干个电阻是为直流电压反馈信号采样用的。R7、C7组成的串联支路是直流输出瞬变电压的阻容吸收器件。为了减少可控硅体积。通常将两个可控硅组装在一起，如AIF与A4F的连接图（图9－1－6）。这样从外表看，三相全控桥可逆线路只有6个可控硅器件，但实际上它是由12个可控硅组成的。
（3）双闭环控制柜图。直流调速控制器一般采用双闭环控制方案。其典型系统控制框图如图9－1－7所示。80年代采用模拟运算放大器来实现控制；从90年代开始，随着微处理器的日趋完善，逐渐用全数字化方案来实现控制；现在几乎都采用全数字的控制技术。从这个典型系统控制图中可看出，内环是电流环，外环则有两种选择，速度环或电压环（CEMF）。这取决于对调速精度的要求。在岸边集装箱起重机上，起升机构都采用带有测速发电机或测速编码器的速度反馈闭环线路。俯仰、大车、小车机构一般均不采用测速反馈而采用电压反馈线路。但现代集装箱起重机对自动定位的要求越来越高，现在俯仰与小车机构也越来越多地采用速度反馈来替代电压反馈。图9－1－7所示的电动机磁场控制线路是一个能提供磁场恒流源的框图。电动机不运转时处于经济磁场方式，即电机磁场电流只有额定磁场电流的70%。当电动机运转时，控制线路向它提供额定磁场电流，并根据负载的轻重，从处理器上得到控制信号来实现弱磁的恒功率控制。
世界上各个电气拖动生产厂商都研制开发了各自系列的直流调速驱动器，从控制原理上看几乎完全一样，但在具体实施上各家都有其特点，现将几家着名厂家的直流驱动器的型号与性能列于表9－1－1。 四、交流驱动
近年来，随着微处理器和半导体技术的发展，交流变频调速理论不断发展，大功率变频器的性能和可靠性的不断提高，岸桥控制上越来越多地使用了交流变频技术。各大电气制造商相继推出了自己的交流控制系统，使这项控制技术日趋成熟。实践证明这种交流控制系统具有许多优点：
（1）交流电机无需整流子和调换电刷，减少了维护工作量、防护等级高，节省了大量维修费用和维护时间。
（2）变频器加装直流电抗器以后，整体装置的功率因素高干；如采用正弦波滤波器，功率因素接近于1。
（3）考虑到维护的费用，交流系统有一定的价格优势，且随大容量主电路元件的开发运用，变频驱动的价格尚有较大的下降空间。
1.驱动系统组成 B. 异步电机
C. 编码器（也可不用） 2.交流驱动的原理
交流驱动的执行机构是交流异步电机。交流异步 电机在设计制造完成以后，其基本特性已经确定，即 其输出转矩只与滑差转速有关，空载时电机转速与同 步转速相同，带载时随着负载大小的变化，电机转速 较同步转速有一个相应的微小差异。有以下关系式：
电机实际转速＝同步转速－滑差转速式中滑差 转速与负载有关，所以，只要改变同步转速，就能改
变电机转子的实际转速。而同步转速no满足下式 :
式中P为电机级数，为常数，所以，只要改变电机输入端的频率，就能改变电机的同步转速，进而改变电机转子的实际输出转速。
3.交流驱动的控制方式
交流驱动的控制方式主要有以下几种：V／F控制、电压矢量控制、速度闭环矢量控制和直接转矩控制等。起升及小车运行机构使用闭环矢量控制，大车运行及俯仰机构使用 V／F控制。
（1）V／F控制方式。又名VVVF控制。早期变频器多采用V／F控制，逆变器控制输出交流频率，并同时保证输出电压的幅值与频率成一定的比例关系（为了保持电机磁场恒定），转子转速将随负载转矩变化而略有变化。但由于异步电机特性较硬，额定负载时的滑差转速一般只有工频同步转速的4%，所以，这种控制方式适用于速度精度要求不十分严格的场合。它的优点是开环控制，不需要速度传感器，稳定性好。缺点是低频时难以保证电机磁场恒定不变。岸桥的大车行走机构对调速精度的要求不是很高，所以常用这种控制方式，而且让一台变频器带几台电机并联使用，能将多台电机自动拉人同步。
（2）电压矢量控制。电压矢量控制基于变频器的拓扑结构，通过控制逆变器输出的电压量，在电机内部产生圆型旋转磁场。采用这种控制方式的电压利用率高。如果进行电压矢量控制时，以恒定的电机旋转磁场为控制目标，就成为磁通矢量控制。采用这种控制方式在计算中需要预先知道电机和布线的参数，所以要进行电机自动调整，以测得这些参数。现在的磁通矢量控制能在开环情况下达到1：10O的转速比。
（3）转速闭环矢量控制。对转矩要求高、响应快的控制系统而言，矢量控制方式是较好的选择。矢量控制方式是根据交流电动机的动态数学模型，利用坐标变换，将交流电动机的定子电流分解成磁场电流分量和转矩电流分量，并加以控制，以获得类似于直流调速系统的动态性
能。采用磁通矢量控制时，变频器必须很好地与电机配合，所以需要电机参数和来自电机的反馈信号，即速度传感器是必不可少的。变频器和各电机采用一对一的控制方式。
岸桥的起升及小车机构对可靠性的要求非常高，要求变频器在零速运行时有较大的转矩输出，所以，在起升机构和小车运行机构中必须使用矢量控制的方式。
不同型号的变频器所采用的控制方式是不同的，所以在确定不同机构所选用的变频器时，必须了解该变频器的控制方式及其适用范围。一台性能较全的变频器通常可以选择几种控制方式，在使用时必须加以合理的运用。
（4）直接转矩控制。直接转矩控制是转矩控制的另一种控制方式，它采用数字信号处理硬件，对于力矩和速度的控制，是直接基于电动机的电磁状态，首次采用对力矩磁通进行控制的传动技术，大大提高了传动装置对于要求力矩改变时做出响应的速度。这种控制方式的优点是有优越的动态性能，低频时对力矩的响应更好。
在岸桥的控制系统中，也采用这种控制方式的变频调速系统，但是一次性投资较大。 4.岸桥对交流驱动的特殊要求
对起升机构而言，恒功率控制是一个特殊的问题。即在额定负载时，电机转速为额定转速；当负载减小时，电机速度相应提高。适合起升专用的变频器能自动检测负载的转矩，并根据测得的负载转矩变化情况，保持恒功率输出。轻载时电机运转速度成倍提高，以提高工作效率。
起升及俯仰机构的另一个特殊要求，是当电机处于发电机运行状态时的能量处理。常规的处理方法是采用制动电阻将能量消耗掉，但这样会浪费宝贵的能源；较先进的方法是使用能量反馈单元，将能量直接送回电网。现在已有将整流桥和能量反馈单元整合在一起，能实现能量的双向流动；同时保证电流波形与电网电压波形同相的正弦波。
总之，随着技术的进一步发展，交流变频技术将会越来越多的被运用到岸桥的控制中去。
第二节 岸桥电气驱动和控制的基本特征
现代岸边集装箱起重机上电气驱动和控制具有以下基本特征：
一、起重机向重、高、大，速度更快的方向发展
起升重量越来越重。从基本的吊具下 t到可以吊双20 ft箱的64 t。 起升高度逐渐增高。轨下从12m增加到16m，轨上从35m增加到40m，总行程达56m。 小车行程越来越大。外伸距从55m增加到65m，后伸距增加到22m。总行程达117m。 起升速度越来越快。额定负载时90m／min，起动时间约为2s，空吊具时180m／m，起动时间为4s。
小车速度越来越快。额定负载时240m／min或300 m／min，加速到最高转速的时间为6s。
要达到以上的技术参数指标，就要求电气驱动系统有非常高的性能，即大功率和快速响应。例如，对应于起升速度90m／min，吊具下起重量是60t的岸桥，起升电机功率高达2 X 650kw，而小车运行机构电机功率高达600kw。
二、应该具有起升防下坠功能
传统的起重机当吊着重物从停止状态向上提升的启动瞬间，总可以看到重物是先朝下坠落一点，然后再向上提升运行。这是因为当主令控制器发出起升命令后，首先打开制动器，同时电动机输出向上转矩，这个输出的转矩若小于重物重量产生的转矩，那么重物就会因制动器的释放而下坠一点，随后因电动机输出转矩的逐渐加大，超过了重物产生的转矩后，重物才会被向上提升。在集装箱装卸中，这是必须绝对避免的，因为吊着重箱对集卡的情况是经常发生的，一不小心就会把集卡砸坏。现代集装箱起重机电控系统中都应具有起升防下坠功能。其基本的原理是在每次制动器抱闸时，记录下此时的电动机输出转矩，当下一次制动
器再打开时，电动机就会输出上一次记忆的转矩值。即若上一次是空吊具重量，则提供空吊具的输出转矩，若上一次是额定重量，则提供额定重量电动机转矩。这样就不会出现重箱下坠的现象了。
三、通讯网络的曾遍使用
现代岸桥的电控系统无一不采用PLC（可编程逻辑控制器）作为整机的控制中心。除了PLC以外，为了整机的故障显示、箱量管理和起重机维护保养的需要。又增加了CMS（起重机管理系统）。无论直流系统还是交流系统都有若干个调整控制器，我们称它作驱动器。PLC、CMS、驱动器之间都需要交流信息即通讯。整台起重机上有3个层次的不同的通讯方式。
第一层：各个输入／输出模块与PLC之间的通讯。 第二层：PLC与各个驱动器之间的通讯。
第三层：PLC、CMS之间的以太网（ETHERNET）通讯。 3层通讯网络的结构如图9－2－1所示。
这3个层次的通讯在同时进行着不同内容的信息交流，互不干扰，使得实时控制的响应时间在第一层次达到10ms，第二层次达到5～10ms。PLC与CMS之间的以太网通讯则是大批量的数据通讯。如果通过光缆线与地面计算机相连，那么，RCMS远程起重机管理系统也挂在第三层以太网上。
四、半自动、全自动操作的实现
所谓半自动，就是指除吊具最后接触集装箱闭锁动作及吊具离开集装箱时的开锁动作由司机操作控制按钮完成外，其余运行轨迹及过程都能自动完成。具体操作过程简述如下：
如果是卸船，司机把吊具开到船上要卸箱的位置上，对完箱闭锁，然后把操纵台上的选择开关放到“学习位置”，把陆侧通道数选择开关放到要卸箱的通道数l～7任一位置上。然后人工将集装箱吊起并转到陆侧所选定的通道上开锁，吊具上升离开集装箱后停止。此时可把选择开关放到“正常位置”上。如果司机继续开始上升并同时脚踏自动运行开关，那么起升和小车会同时运行（此时起升手柄可释放），吊具会按前一次人工运行时走过的轨迹，到达船上刚才卸过箱的位置上方很接近的地方停下，等待司机对箱闭锁。此时司机可放开脚踏开关，小车和起升又会同时运行（此时起升手柄可释放），按人工运行时走过的轨迹，回到陆侧指定通道上方相当低的位置停下，等待人工对位开锁。因为配备有电子防摇功能，所以在整个运行中，箱子的摇摆很少。整个过程中，司机只需在海陆侧两头参与操作，其它时间自动运行，大大减轻了司机的工作量。
全自动操作通常需要在两个固定点间吊箱或卸箱时才能采用。例如，德国汉堡港的双小车岸桥上，其第二小车安装在岸桥联系横梁海侧平台上。第一小车把箱子从船上卸下，放到桥吊上的海侧平台上，第二小车再把箱子从海侧平台吊起，放到陆侧或后伸距内的指定通道上。所以，主小车先由司机吊箱，采用半自动的工作方式，辅小车是在两个固定位置间的传送，采用的是无人驾驶的全自动操作方式。电子防摇系统及位置控制的精度可以达到50mm以内，然后利用定位传感器对位置进一步微调，再利用导板的定位、着箱，完成锁销动作，这样就完全取消了人工的干预。汉堡港双小车岸桥的工作效率，平均每小时可达到44箱。这完全建立在现代电气控制的高精确定位及良好的驱动性能的基础上的。
五、小车防摇系统的不断改进
随着起重机的起升高度越来越大，小车的速度越来越快，司机跟钩对箱操作越来越困难。对小车防摇系统的要求也越来越迫切。随着起升高度的增加，传统的分离小车防摇方式效果变得很差，大多数的电控供货商都研制了各自的电子防摇系统来克服吊具随小车运行时引起的摇摆。电子防摇的方法有两种：一种是在小车架下安装一个发射装置（有的用激光发射器，有的用一摄像头）和一个接收装置，在吊具上架安装一个反射器。当吊具前后摆动时，接收装置检测到
桥吊知识
