李明星
偉肯（蘇州）電氣傳動(dòng)有限公司

摘要：本文介紹了基于Vacon變頻器的變頻電源的工作原理、系統(tǒng)構(gòu)成和選型方法，并結(jié)合在RTG油改電中的應(yīng)用闡述了其節(jié)能環(huán)保，噪音振動(dòng)小，穩(wěn)定可靠，效率高等特點(diǎn)，在能源日益緊缺的今天極具市場(chǎng)潛力和推廣性。

１、引言 　　變頻電源(AC Power Source)是將直流或交流電轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率和電壓可調(diào)電能的一種精密電源。由于全球各國的電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)不同，出口的產(chǎn)品和設(shè)備需要在模擬各國不同的電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)試，而國外的產(chǎn)品和設(shè)備在國內(nèi)使用也需要配備正確的電源。傳統(tǒng)變頻電源采用的是發(fā)電機(jī)二次變頻，隨著電子器件和控制技術(shù)的發(fā)展，以IGBT作為功率開關(guān)器件，通過SPWM正弦脈寬調(diào)制實(shí)現(xiàn)的變頻電源，以噪音低、震動(dòng)小、能耗低、效率高、精度和穩(wěn)定度好、響應(yīng)快、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，正逐步取代傳統(tǒng)的變頻電源。理想的變頻電源要求頻率和電壓穩(wěn)定、內(nèi)阻為零、波形正弦無失真，因此很多發(fā)達(dá)國家將變頻電源作為標(biāo)準(zhǔn)供電電源，并廣泛應(yīng)用于港口、船舶、航空、實(shí)驗(yàn)室等場(chǎng)合。

　　目前，世界各集裝箱港口通用的起重機(jī)械(又稱場(chǎng)橋)有兩類，一類是軌道式集裝箱龍門起重機(jī)Rail Mounted Gantry Crane，簡稱RMG，另一類是輪胎式集裝箱龍門起重機(jī)Rubber Tyred Gantry Crane，簡稱RTG。RMG采用市電供電，具有節(jié)能、無噪音、無污染、穩(wěn)定可靠及能量可再生等優(yōu)點(diǎn)，但不能轉(zhuǎn)場(chǎng)；RTG采用柴油發(fā)電機(jī)組供電，雖然可以靈活轉(zhuǎn)場(chǎng)，但能耗大、效率低、污染嚴(yán)重、噪音和振動(dòng)大、且不能實(shí)現(xiàn)能量再生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全球集裝箱起重機(jī)中有95%均為RTG。

　　如果把變頻電源應(yīng)用在RTG上，一種使用市電的綠色RTG便應(yīng)運(yùn)而生。在能源緊缺和油價(jià)高漲的市場(chǎng)環(huán)境下，對(duì)現(xiàn)有的RTG進(jìn)行油改電技術(shù)改造既能降低運(yùn)行成本，又能減少污染。因此，這種綠色環(huán)保的RTG極具市場(chǎng)潛力和推廣性。

2、RTG與油改電
　　柴油RTG采用柴油發(fā)電機(jī)組供電，雖能靈活轉(zhuǎn)場(chǎng)，但是維護(hù)和運(yùn)行成本大，效率低。 

為了響應(yīng)節(jié)能減排，保護(hù)環(huán)境的號(hào)召，在油價(jià)高漲的趨勢(shì)下可對(duì)RTG進(jìn)行油改電技術(shù)改造，即大車、小車、提升機(jī)構(gòu)和輔助電源等使用市電，節(jié)約柴油發(fā)電機(jī)的功率用于轉(zhuǎn)場(chǎng)供電。在堆場(chǎng)作業(yè)時(shí)，由堆場(chǎng)供電系統(tǒng)供電，發(fā)電機(jī)停止工作。轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)， RTG將脫離市電電網(wǎng)，由發(fā)電機(jī)供電。轉(zhuǎn)場(chǎng)完成后由另一堆場(chǎng)供電系統(tǒng)供電，同時(shí)，發(fā)電機(jī)停止工作。這樣不但能夠節(jié)約能耗而且又能靈活操作。電源接線有高空滑線、低空滑線和地面接線之分，地面接線時(shí)需考慮電纜卷盤控制。市電有直流和交流之分，如采用交流供電則不需要變頻電源，但是控制電源易受電網(wǎng)波動(dòng)影響，且線路成本較大，同時(shí)負(fù)載下降時(shí)產(chǎn)生的能量不能再生而是以能耗制動(dòng)方式轉(zhuǎn)化為熱能，造成浪費(fèi)?！∪绮捎弥绷鞴╇妱t由變頻電源給控制設(shè)備供電，且線路成本較小，同時(shí)能量可以再生，即負(fù)載下降時(shí)產(chǎn)生的能量將反饋到直流母線上供其它設(shè)備利用。目前， RTG上使用的變頻器大都是直流供電，因此采用直流市電改造成效較好。

　　以Vacon NXS變頻器為核心的變頻電源的結(jié)構(gòu)原理如下圖所示，其組成主要包括變頻器、正弦濾波器、隔離變壓器和電能分析儀。其中， Vacon NXS變頻器內(nèi)置交流電抗器，配有應(yīng)用宏開發(fā)軟件，具有模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩高達(dá)200%等特點(diǎn)，不僅可以用來制造變頻電源，而且還能應(yīng)用在UPS、 EPS上。變頻器把電網(wǎng)的交流或直流電經(jīng)SPWM脈寬調(diào)制成所需的交流電，由于SPWM脈寬調(diào)制輸出的波形為方波，為得到標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，需要加裝LC正弦濾波器。同時(shí)，為了增強(qiáng)其帶載能力和穩(wěn)定性，在正弦濾波器后加裝Δ/Y型隔離變壓器，如考慮電路的壓降，隔離變壓器要有一定的升壓功能，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)的情況而選擇合適的變壓比。電能分析儀采集電壓數(shù)據(jù)作為PID實(shí)際值以便PID處理，同時(shí)它還具有電流，功率等數(shù)據(jù)顯示和多種保護(hù)功能。變頻電源輸出的電壓和頻率可分別獨(dú)立控制，均由面板設(shè)定，運(yùn)行過程中的輸出頻率是保持不變的，但輸出電壓會(huì)因負(fù)載的大小而發(fā)生波動(dòng)，為了維持電壓的穩(wěn)定，我們采用了PID調(diào)節(jié)器。另外，此變頻電源還具有失電自動(dòng)重啟功能。

3.1 變頻電源選型原則
　　變頻電源可以驅(qū)動(dòng)多種負(fù)載，常見的有阻性負(fù)載、感性負(fù)載、容性負(fù)載、整流容性負(fù)載和混合型負(fù)載等。不同類型的負(fù)載其選型原則也不同，需予以重視。

(1) 阻性負(fù)載：變頻器容量=1.1×負(fù)載功率。 　　(2) 感性負(fù)載：變頻器容量=1.1×視在功率。 　　電機(jī)類負(fù)載啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流可達(dá)到5-8倍額定電流，時(shí)間約2秒，因此需考慮啟動(dòng)容量，一般為3-4倍額定容量，或者電機(jī)采用軟啟動(dòng)或星三角啟動(dòng)。如與其他對(duì)電壓波形要求更高的負(fù)載混用，還應(yīng)加大容量。

4、應(yīng)用實(shí)例
　　媽灣港區(qū)處于珠江口東岸，深圳南頭半島西岸，占地面積68萬m2，泊位總長1150m，泊位最大水深達(dá)13.5m，擁有3個(gè)3.5萬噸級(jí)以上泊位、 2個(gè)5千噸級(jí)泊位和1個(gè)2千噸級(jí)泊位，是一個(gè)吞吐量很大的集裝箱碼頭，擁有各類港口機(jī)械300多套，門機(jī)20臺(tái)，輪胎吊23臺(tái)，集裝箱正面吊3臺(tái)，集裝箱空箱堆高機(jī)10臺(tái)，10t以上鏟車23臺(tái)，場(chǎng)地龍門吊5臺(tái)，曲臂機(jī)2臺(tái)。長期以來，龍門吊采用柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電，不但運(yùn)行和維護(hù)成本高，而且嚴(yán)重污染環(huán)境，同時(shí)噪音和振動(dòng)較大。隨著油價(jià)等成本大大提高，設(shè)備部決定對(duì)龍門吊進(jìn)行油改電技術(shù)改造。由于RTG的提升及大小車變頻器均使用直流進(jìn)線，并且能量可再生，最后決定采用直流供電、高空滑線方案進(jìn)行設(shè)備改造。改造后大小車和提升機(jī)構(gòu)直接從直流電網(wǎng)取電，空調(diào)、照明、及控制等輔助電路采用變頻電源供電，柴油發(fā)電機(jī)僅在轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)使用，一旦進(jìn)入場(chǎng)區(qū)便停止發(fā)電機(jī)工作。自改造第一臺(tái)RTG以來，到目前為止總共改造了5臺(tái)。據(jù)反映，整體操控性良 好，故障率和維護(hù)量減少，同時(shí)濃黑的黑煙不見了，噪音和振動(dòng)也大大減小了，深受操作人員稱贊。
　　　同時(shí)運(yùn)行成本也大大降低，每個(gè)集裝箱的裝卸成本可降低65%，估計(jì)一年半左右可回收設(shè)備投資成本。對(duì)長遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)意義深遠(yuǎn)。