一、 引言
港口門座式起重機(jī)（以下簡稱門機(jī)）是港口碼頭前沿裝卸一般散雜貨的通用港口裝卸起重機(jī)，在各海港、內(nèi)河碼頭都廣泛使用。多數(shù)港口的舊門機(jī)多采用轉(zhuǎn)子串電阻方式調(diào)速進(jìn)行有級調(diào)速，因此整機(jī)的沖擊大、尤其在停車與起動(dòng)時(shí)震動(dòng)較為厲害，加速了門機(jī)鋼結(jié)構(gòu)磨損，也使工人的維修量大大增加。近年來隨著港口自動(dòng)化水平的提高，交流變頻調(diào)速技術(shù)在門機(jī)中的應(yīng)用已經(jīng)越來越普遍。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近兩年各港口新配備的門機(jī)中已全部加入了變頻技術(shù)。在這種情況下舊門機(jī)電控系統(tǒng)的變頻改造就顯得尤其迫切。
二、 門機(jī)變頻控制的優(yōu)點(diǎn)
由于起升機(jī)構(gòu)電機(jī)功率一般較大，對起升機(jī)構(gòu)進(jìn)行改造一次性投資過高；大車部分工藝要求相對簡單，變頻改造后效果不是很明顯，所以目前國內(nèi)的舊門機(jī)變頻改造多采用只改變幅、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。
變幅機(jī)構(gòu)多為繞線式電機(jī)控制帶動(dòng)齒條的變幅，為常規(guī)控制的有級調(diào)速，因此變幅機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)沖擊增大、尤其在停車與起動(dòng)時(shí)震動(dòng)較為厲害，造成減速器密封不嚴(yán)，漏油加劇，加速機(jī)構(gòu)磨損，也增大了維修量。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)多為轉(zhuǎn)柱型、其回轉(zhuǎn)軸承的支撐重量較重，造成門機(jī)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)起制動(dòng)過程中晃動(dòng)較大，對鋼結(jié)構(gòu)的壽命產(chǎn)生了一定的影響；且門機(jī)剎車腳踏力較大，從而造成司機(jī)的操作疲勞。通過對上述原因進(jìn)行分析，我們認(rèn)為變幅、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的撞擊是由于起、制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能無法很好的吸收造成的，通過引入變頻調(diào)速系統(tǒng)我們解決了上述問題。
變頻器能在很寬范圍內(nèi)的無級調(diào)速，可以根據(jù)需要自由設(shè)定加減速時(shí)間；良好的低速力矩特性使電機(jī)在起動(dòng)和加速時(shí)可獲得足夠大且平滑的加速度；制動(dòng)單元及制動(dòng)電阻的接入使電機(jī)在減速和停車時(shí)能夠獲得足夠的制動(dòng)力矩。變頻器的上述特性保證了變頻調(diào)速系統(tǒng)具有很好的速度響應(yīng)性能。
根據(jù)港口門機(jī)的現(xiàn)狀，我們采用變頻調(diào)速時(shí)一般不更換原電機(jī)，僅把繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子回路短接。由于去掉了逐級切除電阻調(diào)速用的接觸器，實(shí)現(xiàn)了調(diào)速的無級和無觸點(diǎn)控制；又由于變頻器本身是高可靠性的通用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，故障率極低，因而大大降低了設(shè)備的故障率，減少了門機(jī)維護(hù)人員的工作量，間接提高了作業(yè)效率。由于安川變頻器針對起重機(jī)行業(yè)的功能設(shè)計(jì)，通過PLC部分的邏輯判斷，真正保證了電機(jī)能夠在“零速”抱閘，實(shí)現(xiàn)了變頻器的平穩(wěn)的起、制動(dòng)，從而減輕了各個(gè)機(jī)構(gòu)在機(jī)械起、制動(dòng)時(shí)對門機(jī)機(jī)械部分造成的沖擊，延長了門機(jī)機(jī)械部分的壽命。因變頻器采用交-直-交控制方式，配有進(jìn)線電抗器，可使重載作業(yè)時(shí)的平均功率因數(shù)達(dá)85%以上，大大超過了普通電控門機(jī)的60%，節(jié)能率達(dá)到30%。
三、 新型三電平控制變頻器的原理及在港口的應(yīng)用前景
安川變頻器由于其在起重機(jī)行業(yè)的專業(yè)優(yōu)勢和多年在港口應(yīng)用的成功案例，目前已成為門機(jī)變頻改造的首選。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全國范圍內(nèi)的變頻門機(jī)有90%以上采用的是安川變頻器。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的不斷進(jìn)步，安川公司已正式在中國市場推出了采用了三電平控制的真正電流矢量控制型G7系列變頻器，是目前世界上唯一采用三電平控制的低壓變頻器。
眾所周知，現(xiàn)在我們在變頻器市場上所見到的變頻器均采用 “2電平控制”方式（這其中包括安川的G5系列變頻器），這種變頻器原則上要求配用的電機(jī)應(yīng)為變頻電機(jī)。但實(shí)際上,幾乎所有需要改造的門機(jī)所采用的電機(jī)都為普通繞線電機(jī)，這種電機(jī)不但啟動(dòng)電流要比同功率的變頻電機(jī)大，而且絕緣等級也比變頻電機(jī)低（變頻電機(jī)一般為F級，而普通繞線電機(jī)一般為B級）。采用“2電平控制”的變頻器有如下缺點(diǎn)：（1）施加在電機(jī)軸的沖擊電壓對繞線電機(jī)軸承及電機(jī)線圈的損害；（2）變頻器在矢量控制模式（如變幅和起升電機(jī)的控制）時(shí)要求進(jìn)行旋轉(zhuǎn)型自學(xué)習(xí)，并且要求在自學(xué)習(xí)時(shí)脫開負(fù)載。正如我們所知，變幅和起升電機(jī)要脫開負(fù)載時(shí)，必須要求減速箱與電機(jī)軸脫開，這樣就給調(diào)試造成了不便，但是如果不進(jìn)行自學(xué)習(xí)則不能達(dá)到矢量控制的最佳效果（繞線電機(jī)與變頻電機(jī)不一樣，最顯著的一點(diǎn)是同功率繞線電機(jī)的空載電流要比變頻電機(jī)大，特性軟，故自學(xué)習(xí)非常必要），即重載時(shí)容易造成“溜車”。
安川公司最新推出的G7系列變頻器則完全解決了上述問題。G7系列變頻器首先相對于安川G5系列變頻器在如下方面有所改善：（1）采用三電平控制模式，可驅(qū)動(dòng)普通電機(jī)；（2）可實(shí)現(xiàn)停止型自學(xué)習(xí)；（3）低速力矩方面進(jìn)一步改善，它實(shí)現(xiàn)了在無PG矢量控制時(shí)在0.3HZ可輸出150%以上的轉(zhuǎn)矩；（4）可實(shí)現(xiàn)150% 1min和200% 0.5 sec的過載能力；（5）采用“無PG矢量2控制”，即使在無PG時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)力矩控制。下面我們著重對三電平控制和停止型自學(xué)習(xí)進(jìn)行介紹。
（一）三電平控制
（1） 三電平控制的原理
傳統(tǒng)的“2電平控制”方式用6個(gè)IGBT控制電壓（回路構(gòu)成圖如下），
新型的“3電平控制”方式采用12個(gè)IGBT控制電壓，
由上圖我們能夠看出，采用新型的“3電平控制”方式用電解電容將直流電壓一分為二，通過IGBT的ON/OFF開關(guān)動(dòng)作得到3個(gè)電平，使“三電平控制”時(shí)直流側(cè)電壓的變化是“2電平控制”方式的1/2。
（2）“3電平控制“的優(yōu)點(diǎn)
1.低沖擊電壓（效果對比如下圖所示）
通過上圖的對比我們發(fā)現(xiàn)使用新的“3電平控制”方式?jīng)_擊電壓由原來的1200V下降到770V，故沖擊電壓大大降低，因此不會(huì)發(fā)生絕緣劣化，使我們可以在不需要外接沖擊濾波器的情況下可以使用通用電機(jī)。
2. 降低發(fā)生的干擾，通過比較我們發(fā)現(xiàn)使用“3電平控制”較原來的“2電平控制”方式噪聲干擾下降20dB.
通過上圖我們可以看出，采用”3電平控制”的漏電流為采用”2電平控制”的漏電流的1/2，從而減少了接地故障檢測的誤動(dòng)作。
（二）停止型自學(xué)習(xí)
克服了G5變頻器的旋轉(zhuǎn)型自學(xué)習(xí)所帶來的弊端，可以不必脫開減速箱聯(lián)軸器等機(jī)械負(fù)載就能實(shí)現(xiàn)電機(jī)的矢量最佳控制。
四、結(jié)束語
綜上所述，新型“3電平控制”變頻器既繼承了“2電平控制”的優(yōu)點(diǎn)，又解決了原來“2電平控制”的缺點(diǎn)和不足；特別是安川G7系列變頻器秉承安川變頻器在起重機(jī)行業(yè)的一貫優(yōu)勢，使得門機(jī)在變頻改造后性能和可靠性進(jìn)一步提升。經(jīng)過一些港口的使用，系統(tǒng)投入運(yùn)行一年來，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，受到用戶好評。
：鞏經(jīng)理
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