三電平矢量控制型變頻器在門機改造上的應用

本文闡述變頻調速技術的優點及其在門機中的應用，并著重對兩電平控制、三電平控制的原理和優缺點進行了比較，對變頻器靜止型自學的新特點進行了描述，并對三電平控制技術在門機中的應用前景進行了分析和展望。

一、 引言

港口門座式起重機（以下簡稱門機）是港口碼頭前沿裝卸一般散雜貨的通用港口裝卸起重機，在各海港、內河碼頭都廣泛使用。多數港口的舊門機多采用轉子串電阻方式調速進行有級調速，因此整機的沖擊大、尤其在停車與起動時震動較為厲害，加速了門機鋼結構磨損，也使工人的維修量大大增加。近年來隨著港口自動化水平的提高，交流變頻調速技術在門機中的應用已經越來越普遍。據統計，近兩年各港口新配備的門機中已全部加入了變頻技術。在這種情況下舊門機電控系統的變頻改造就顯得尤其迫切。

二、 門機變頻控制的優點

由于起升機構電機功率一般較大，對起升機構進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，所以目前國內的舊門機變頻改造多采用只改變幅、旋轉機構。

變幅機構多為繞線式電機控制帶動齒條的變幅，為常規控制的有級調速，因此變幅機構運行時沖擊增大、尤其在停車與起動時震動較為厲害，造成減速器密封不嚴，漏油加劇，加速機構磨損，也增大了維修量。旋轉機構多為轉柱型、其回轉軸承的支撐重量較重，造成門機旋轉機構起制動過程中晃動較大，對鋼結構的壽命產生了一定的影響；且門機剎車腳踏力較大，從而造成司機的操作疲勞。通過對上述原因進行分析，我們認為變幅、旋轉機構所產生的撞擊是由于起、制動時產生的動能無法很好的吸收造成的，通過引入變頻調速系統我們解決了上述問題。

變頻器能在很寬范圍內的無級調速，可以根據需要自由設定加減速時間；良好的低速力矩特性使電機在起動和加速時可獲得足夠大且平滑的加速度；制動單元及制動電阻的接入使電機在減速和停車時能夠獲得足夠的制動力矩。變頻器的上述特性保證了變頻調速系統具有很好的速度響應性能。

根據港口門機的現狀，我們采用變頻調速時一般不更換原電機，僅把繞線電機轉子回路短接。由于去掉了逐級切除電阻調速用的接觸器，實現了調速的無級和無觸點控制；又由于變頻器本身是高可靠性的通用標準設備，故障率極低，因而大大降低了設備的故障率，減少了門機維護人員的工作量，間接提高了作業效率。由于安川變頻器針對起重機行業的功能設計，通過PLC部分的邏輯判斷，真正保證了電機能夠在“零速”抱閘，實現了變頻器的平穩的起、制動，從而減輕了各個機構在機械起、制動時對門機機械部分造成的沖擊，延長了門機機械部分的壽命。因變頻器采用交-直-交控制方式，配有進線電抗器，可使重載作業時的平均功率因數達85%以上，大大超過了普通電控門機的60%，節能率達到30%。

三、 新型三電平控制變頻器的原理及在港口的應用前景

安川變頻器由于其在起重機行業的專業優勢和多年在港口應用的成功案例，目前已成為門機變頻改造的首選。據統計，目前全國范圍內的變頻門機有90%以上采用的是安川變頻器。隨著變頻調速技術的不斷進步，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應為變頻電機。但實際上,幾乎所有需要改造的門機所采用的電機都為普通繞線電機，這種電機不但啟動電流要比同功率的變頻電機大，而且絕緣等級也比變頻電機低（變頻電機一般為F級，而普通繞線電機一般為B級）。采用“2電平控制”的變頻器有如下缺點：（1）施加在電機軸的沖擊電壓對繞線電機軸承及電機線圈的損害；（2）變頻器在矢量控制模式（如變幅和起升電機的控制）時要求進行旋轉型自學習，并且要求在自學習時脫開負載。正如我們所知，變幅和起升電機要脫開負載時，必須要求減速箱與電機軸脫開，這樣就給調試造成了不便，但是如果不進行自學習則不能達到矢量控制的最佳效果（繞線電機與變頻電機不一樣，最顯著的一點是同功率繞線電機的空載電流要比變頻電機大，特性軟，故自學習非常必要），即重載時容易造成“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，可驅動普通電機；（2）可實現停止型自學習；（3）低速力矩方面進一步改善，它實現了在無PG矢量控制時在0.3HZ可輸出150%以上的轉矩；（4）可實現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時也可以實現力矩控制。下面我們著重對三電平控制和停止型自學習進行介紹。

（一）三電平控制

（1） 三電平控制的原理

傳統的“2電平控制”方式用6個IGBT控制電壓（回路構成圖如下），

新型的“3電平控制”方式采用12個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開關動作得到3個電平，使“三電平控制”時直流側電壓的變化是“2電平控制”方式的1/2。

（2）“3電平控制“的優點

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現使用新的“3電平控制”方式沖擊電壓由原來的1200V下降到770V，故沖擊電壓大大降低，因此不會發生絕緣劣化，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。

2. 降低發生的干擾，通過比較我們發現使用“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作。

（二）停止型自學習

克服了G5變頻器的旋轉型自學習所帶來的弊端，可以不必脫開減速箱聯軸器等機械負載就能實現電機的矢量最佳控制。

四、結束語

綜上所述，新型“3電平控制”變頻器既繼承了“2電平控制”的優點，又解決了原來“2電平控制”的缺點和不足；特別是安川G7系列變頻器秉承安川變頻器在起重機行業的一貫優勢，使得門機在變頻改造后性能和可靠性進一步提升。經過一些港口的使用，系統投入運行一年來，運行穩定可靠，受到用戶好評。