李明星
偉肯（蘇州）電氣傳動有限公司

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，噪音振動小，穩(wěn)定可靠，效率高等特點，在能源日益緊缺的今天極具市場潛力和推廣性。

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)制實現(xiàn)的變頻電源，以噪音低、震動小、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，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、實驗室等場合。

　　目前，世界各集裝箱港口通用的起重機械(又稱場橋)有兩類，一類是軌道式集裝箱龍門起重機Rail Mounted Gantry Crane，簡稱RMG，另一類是輪胎式集裝箱龍門起重機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，但不能轉(zhuǎn)場；RTG采用柴油發(fā)電機組供電，雖然可以靈活轉(zhuǎn)場，但能耗大、效率低、污染嚴(yán)重、噪音和振動大、且不能實現(xiàn)能量再生。據(jù)統(tǒng)計，目前全球集裝箱起重機中有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)運而生。在能源緊缺和油價高漲的市場環(huán)境下，對現(xiàn)有的RTG進(jìn)行油改電技術(shù)改造既能降低運行成本，又能減少污染。因此，這種綠色環(huán)保的RTG極具市場潛力和推廣性。

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

為了響應(yīng)節(jié)能減排，保護(hù)環(huán)境的號召，在油價高漲的趨勢下可對RTG進(jìn)行油改電技術(shù)改造，即大車、小車、提升機構(gòu)和輔助電源等使用市電，節(jié)約柴油發(fā)電機的功率用于轉(zhuǎn)場供電。在堆場作業(yè)時，由堆場供電系統(tǒng)供電，發(fā)電機停止工作。轉(zhuǎn)場時， RTG將脫離市電電網(wǎng)，由發(fā)電機供電。轉(zhuǎn)場完成后由另一堆場供電系統(tǒng)供電，同時，發(fā)電機停止工作。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)波動影響，且線路成本較大，同時負(fù)載下降時產(chǎn)生的能量不能再生而是以能耗制動方式轉(zhuǎn)化為熱能，造成浪費。　如采用直流供電則由變頻電源給控制設(shè)備供電，且線路成本較小，同時能量可以再生，即負(fù)載下降時產(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。

　　以常規(guī)RTG(40t)為例，起吊單箱集裝箱油耗為2-3升。油改電后，單箱電耗僅為2-3度，能耗成本可節(jié)約70%，噪音減少60%，平均每臺每年可節(jié)省30萬元油耗，按每臺設(shè)備改造費50萬算，兩年內(nèi)可收回投資成本，同時污染大大減小，振動和噪音也降至最低。   3、變頻電源
　　當(dāng)采用直流供電RTG時，變頻電源負(fù)責(zé)給控制電路供電，為了保證整個系統(tǒng)可靠運行，它必須具備較高的性能。一般要求能抑制電網(wǎng)的波動，波形失真小，響應(yīng)快，精度高，穩(wěn)定性好，過載能力強，防護(hù)等級高，保護(hù)功能完善等。

　　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，結(jié)構(gòu)緊湊，啟動轉(zhuǎn)矩高達(dá)200%等特點，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，為了增強其帶載能力和穩(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)計時應(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實際值以便PID處理，同時它還具有電流，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立控制，均由面板設(shè)定，運行過程中的輸出頻率是保持不變的，但輸出電壓會因負(fù)載的大小而發(fā)生波動，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重啟功能。

　　變頻電源技術(shù)數(shù)據(jù)如下，
　　-輸入電壓；3P, 380-500VAC,  -15%...10%, 45…66Hz; 513-675VDC, -15%...10%;
　　　　　　　3P, 525-690VAC, -15%...10%, 45…66Hz; 708-931VDC, -15%...10%。
　　-輸出頻率；0…400Hz或更高，誤差值約0.1Hz，穩(wěn)定精度約0.02% (100%負(fù)載下測試)。
　　-輸出電壓：可調(diào)，穩(wěn)定精度約2.5% (100%負(fù)載下測試)。
　　-波形失真度：<3%
　　-功率因數(shù)：>97%
　　-整體效率：>90%
　　-輸出波峰系數(shù)CF=1.4
　　-變壓器絕緣等級：F
　　-變頻柜防護(hù)等級：IP65
　　-EMC等級：EN61800-3 C2
　　-冷卻方式：風(fēng)冷
　　-海拔高度： 1000米無降容， 1000米以上每升高100米降容1%
　　-運行環(huán)境溫度：-110…50℃，內(nèi)置空調(diào)
　　-濕度：<95%，內(nèi)置濕度控制器

3.1 變頻電源選型原則
　　變頻電源可以驅(qū)動多種負(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。 　　電機類負(fù)載啟動時，啟動電流可達(dá)到5-8倍額定電流，時間約2秒，因此需考慮啟動容量，一般為3-4倍額定容量，或者電機采用軟啟動或星三角啟動。如與其他對電壓波形要求更高的負(fù)載混用，還應(yīng)加大容量。