Накатаев А.А., Зюзев А.М., Мудров М.В., Нестеров К.Е. Сравнительный анализ энергетических показателей комплекса электроприводов крана-штабелера при различных топологиях силовой части - Журнал «Электротехнические системы и комплексы»

Аннотация

В данной работе рассмотрена задача анализа энергетических процессов автоматизированных складских комплексов на базе кранов-штабелеров, электроприводы которых работают в режиме регулярной рекуперации энергии с целью оценки потенциала снижения пиковой мощности и баланса энергопотребления за рабочий цикл. Проведен сравнительный анализ топологий силовой части электроприводов: с рассеиванием энергии на тормозных резисторах, с общим звеном постоянного тока и с активным выпрямителем (AFE), с учетом существующих нормативных ограничений в РФ, не предусматривающих компенсацию рекупе-рированной энергии при её передаче во внешнюю сеть. Предложен формализованный подход к описанию энергетических про-цессов, основанный на разложении мощности приводов на двигательную и генераторную составляющие, установлении правил суммирования для трёх топологий силовой части и введении коэффициента внутреннего энергообмена ηобм, характеризующего долю генерируемой энергии, распределенной между приводами через общее звено постоянного тока. Выполнено параметрическое исследование (24000 расчётных точек) зависимости ηобм от координат ячейки стеллажа, массы груза и типа рабочего цикла. Результаты верифицированы сопоставлением с полной моделью в среде MATLAB/Simulink. Установлено, что для всех ис-следованных режимов ηобм<0,53 (среднее 0,18): около половины генерируемой энергии рассеивается на тормозном резисторе. Энергетические карты ηобм(x, z) для циклов размещения и снятия груза имеют качественно различную структуру. Показаны два физических режима энергообмена – обмен на этапе перемещения к ячейке и обмен на этапе возврата. Показано, что в условиях действующего в РФ законодательства возврат избыточной энергии в сеть через активный выпрямитель не компенсируется про-мышленному потребителю, что обосновывает переход к топологиям с общим звеном постоянного тока группы агрегатов без активного выпрямителя.

Ключевые слова

кран-штабелер, автоматизированный склад, топология силовой части, преобразователь частоты, неуправляемый выпрямитель, активный выпрямитель, общее звено постоянного тока, рекуперация энергии, генераторный режим, тормозной резистор, пиковая мощность, компьютерное моделирование, MATLAB/Simulink

Накатаев Антон Андреевич – аспирант, инженер, кафедра электропривода и автоматизации промышленных установок, Уральский энергетический институт, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина, Екатеринбург, Россия, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Зюзев Анатолий Михайлович – д-р техн. наук, профессор, кафедра электропривода и автоматизации промышленных установок, Уральский энергетический институт, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина, Екатеринбург, Россия, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Мудров Михаил Валентинович – канд. техн. наук, доцент, инженер, кафедра электропривода и автоматизации промышленных установок, Уральский энергетический институт, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина, Екатеринбург, Россия, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Нестеров Константин Евгеньевич – канд. техн. наук, доцент, ведущий инженер, кафедра электропривода и автоматизации промышленных установок, Уральский энергетический институт, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина, Екатеринбург, Россия, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

1. Ries J.M., Grosse E.H., Fichtinger J. Environmental impact of warehousing: a scenario analysis for the United States // International Journal of Production Research. 2017. Vol. 55 (21). Pp. 6485-6499. doi: 10.1080/00207543.2016.1211342

2. Rizqi Z.U., Chou S.-Y. Dynamic crane scheduling for green automated warehousing: learning-based simulation-optimization approach // Flexible Services and Manufacturing Journal. 2025. doi: 10.1007/s10696-025-09626-5

3. Lerher T., Edl M., Rosi B. Energy efficiency model for the mini-load automated storage and retrieval systems // The In-ternational Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2014. Vol. 70. Pp. 97–115. doi: 10.1007/s00170-013-5253-x.

4. Rucker A., Rief J., Fottner J. An investigation of mean energy demand, performance and reference cycles for stacker cranes // FME Transaction. 2020. Vol. 48. Pp. 307-312. doi: 10.5937/fme2002307R

5. Meneghetti A., Monti L. Sustainable storage assignment and dwell-point policies for automated storage and retrieval sys-tems. // Production Planning & Control. 2013. Vol. 24(6). Pp. 511-520. doi: 10.1080/09537287.2011.637525

6. A permutation-combination heuristics for crane-based auto-mated storage and retrieval systems considering order ful-fillment time and energy consumption / H. Zhou, G. Chen, Y. Lu, X. Cheng, H. Xin // Mathematical Biosciences and Engineering. 2024. Vol. 21(1). Pp. 116-143, doi: 10.3934/mbe.2024006

7. Джассим Х.М., Мудров М.В., Зюзев А.М. Гибридная система электроснабжения электроприводов крана-штабелера // Электротехнические системы и комплексы. 2024. № 2(63). С. 34-44. doi:10.18503/2311-8318-2024-2(63)-34-44

8. Rucker A., Rief J., Fottner J. Development of a method for the energy efficiency determination of stacker cranes in au-tomated high-bay warehouses // FME Transaction. 2020. Vol. 48(4). Pp. 753-760. doi: 10.5937/fme2004753R

9. A genetic algorithm approach to optimization of power peaks in an automated warehouse / J.J. Cardenas, A. Garcia, J.L. Romeral, F. Andrade // 35th Annual Conference of IEEE Industrial Electronics. IEEE, 2009. Pp. 3297-3302. doi: 10.1109/IECON.2009.5415200

10. DC Microgrids–Part II: A Review of Power Architectures, Applications, and Standardization Issues / T. Dragicevic, X. Lu, J.C. Vasquez, J.M. Guerrero // IEEE Transactions on Power Electronics. 2016. Vol. 31(5). Pp. 3528-3549. doi: 10.1109/TPEL.2015.2464277.

11. Hybrid Energy Storage System for Regenerative Braking Utilization and Peak Power Decrease in 3 kV DC Railway Electrification System / A. Szeląg, W. Jefimowski, T. Mac-iolek, A. Nikitenko, M. Wieczorek, M. Lewandowski // Electronics. 2025. Vol. 14(9). 1752. doi: 10.3390/electronics14091752

12. Voltage oriented control of three-phase PWM rectifier using space vector modulation and input output feedback lineariza-tion theory / M. Jamma, M. Barara, M. Akherraz, B.A. Enache // 8th International Conference on Electronics, Com-puters and Artificial Intelligence (ECAI). IEEE, 2016. doi: 10.1109/ECAI.2016.7861085

13. Malinowski M., Kazmierkowski M.P., Trzynadlowski A.M. A comparative study of control techniques for PWM rectifiers in AC adjustable speed drives // IEEE Transactions on Power Electronics. 2003. Vol. 18(6). Pp. 1390-1396. doi: 10.1109/TPEL.2003.818871

14. Rams H., Schoberl M., Schlacher K. Optimal Motion Plan-ning and Energy-Based Control of a Single Mast Stacker Crane // IEEE Transactions on Control Systems Technology. 2018. Vol. 26(4). Pp. 1449-1457. doi: 10.1109/tcst.2017.2710953

15. Predictive Decision Models for an Energy Efficient Operation of Stacker Cranes in a High-Bay Warehouse / R. Zollner, K. Handrich, F. Schulze, T. Schmidt // 2024 Winter Simulation Conference (WSC). IEEE, 2024. Pp. 1634-1644. doi: 10.1109/WSC63780.2024.10838997

16. Influence of an Electric Drive with Periodic Load on Voltage Quality / A. Ziuzev, A. Nakataev, S. Shelyug, V. Ippolitov // 28th International Workshop on Electric Drives: Improving Reliability of Electric Drives (IWED). IEEE, 2021. doi: 10.1109/IWED52055.2021.9376368

17. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB. SimPowerSystems и Simulink. Москва: ДМК Пресс, 2023. 290 с.

18. Пустохин П.Ю., Зюзев А.М., Крюков О.В. Совершен-ствование системы управления сетевыми инверторами в распределенных сетях электроснабжения газокомпрес-сорных станций // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2025. Т. 336. № 6. С. 46-58. doi: 10.18799/24131830/2025/6/4779

19. ASRS Stacker Cranes Are Reducing Warehouse Energy Costs, Swisslog Global. URL:https://www.swisslog.com/en-us/case-studies-and-resources/blog/blog-post---three-ways-asrs-stacker-cranes-are-reducing-energy-costs (дата обра-щения 21.04.2026)

20. Mecalux. AS/RS warehouse: safe loading and full autonomy. URL:https://www.mecalux.com/blog/asrs-warehouse (дата обращения 21.04.2026)

21. Regenerative drives save energy by turning braking energy into electricity | ABB, News. URL: https://new.abb.com/news/detail/4532/regenerative-drives-save-energy-by-turning-braking-energy-into-electricity (дата обращения 21.04.2026)

22. Nakataev A., Ziuzev A., Mudrov M. Optimization of Com-putational Complexity of Digital Model of Stacker Crane Electric Drive // 2025 International Ural Conference on Elec-trical Power Engineering (UralCon). IEEE, 2025. Pp. 699-706. doi: 10.1109/UralCon67204.2025.11206592

23. A Comparative Study of Energy Storage Systems and Active Front Ends for Networks of Two Electrified RTG Cranes / F. Alasali, A. Luque, R. Mayer, W. Holderbaum // Energies. 2019. Vol. 12(9). 1771. doi: 10.3390/en12091771

Сравнительный анализ энергетических показателей комплекса электроприводов крана-штабелера при различных топологиях силовой части / Накатаев А.А., Зюзев А.М., Мудров М.В., Нестеров К.Е. // Электро-технические системы и комплексы. 2026. № 2(71). С. 15-25. https://doi.org/10.18503/2311-8318-2026-2(71)-15-25

JATS XML

Подробности: Опубликовано: 09 июля 2026 г.; Обновлено: 16 июля 2026 г.; Просмотров: 17