變頻器在老式門機改造中的應用

劉東風

摘要：早期傳統的門座式起重機（簡稱門機）起升機構采用繼電器、接觸器進行控制，交流繞線式異步電動機，轉子回路串電阻的方法進行調速，這種控制可靠性差，故障率高，維修困難，將變頻器改造，應用于早期老式門機起升控制系統，通過變頻改造取得了良好效果。

關鍵詞：門機;變頻器;改造

一、概述

門機在港口碼頭有著廣泛的應用，它能否正常工作直接影響到碼頭裝卸效率，早期門機電氣動力控制系統，采用交流繞線式異步電動機，轉子回路串電阻的方法進行啟動和調速，這種調速方法，電動機的機械特性很軟，故障率較高，直接影響到港口的裝卸效率，而且設備維修、保養的費用昂貴，調速系統的綜合技術指標較差，已不能滿足港口生產的特殊要求，對此，我們對早期營口港16T/28T-33m/20m門機起升系統進行變頻改造，并引入改造變頻調速裝置。

二、營口港門座式起重機原來電氣控制系統的主要缺點

改造前營口港16T/28T-33m/20m門機，起升電氣控制系統的主要缺點有：

1、門機工作任務重，頻繁高速的大負荷制動沖擊造成門機金屬結構變形、開焊問題多次出現。

2、起升電機過載嚴重，頻繁的重載啟動，多次造成電動機滑環出現麻點、定子繞組燒毀。

3、接觸器銜鐵和線圈損壞嚴重，接觸器觸頭燒毀頻繁出現，主接觸器及加速接觸器太多，故障修理及維護費用昂貴。

4、高負荷的機械抱閘制動，造成起升機構減速箱、變速箱及起升制動裝置磨損嚴重。

5、電機轉子所串電阻器燒毀和斷裂時有發生，特別是夏季氣溫高，電阻散熱不好，存在火災安全隱患。

6、現場多臺門機同時裝卸時，同時的電機啟動造成電網電壓波動大，電壓供電不足。

7、電氣線路復雜，保護性差，頻繁的出現電氣線路故障，直接影響到碼頭的裝卸生產效率和經濟效益。

為了解決這些問題，我們將變頻器調速控制，改造應用于早期門機的起升機構，代替了原來調速方式。

三、交流調速常用的調速方案及其性能比較

由電機學知，交流異步電動機的轉速公式如下：

式中 n——電動機的轉速

Pn——電動機定子繞阻的磁極對數;

f1——電動機定子電壓供電頻率;

s ——電動機的轉差率。

從式（1-1）中可以看出，改變交流異步電動機的轉速有三種方案。

（1） 改變電動機的磁極對數（2）變轉差率調速（3）變頻調速

這三種調速方案，變頻調速是最理想的交流調速方案，門機起升系統須具備，零速時額定負載，能電制動保持數秒的功能，這非一般變頻器所能承擔，必須使用起重機專用變頻器。起重機專用變頻器必須具備以下最基本的功能：電源電壓波動可為+10%～-15%，電源三相平衡度小于5%，具有大于150%過載60s及瞬間過電流200%的能力，能承受電網小于5%的三相不平衡度要求。

四、變頻器的選擇

在門機起升機構變頻改造過程中利用原電動機，將繞線式異步電動機轉子滑環短接，在選取變頻器時驗證其驅動電流是否大于電動機額定電流即可，結合港口實際情況，經對變頻器產品質量、價格等因素綜合考慮，在我公司16T/28T-33m/20m門機的改造中，最終確定了YASKAWA（安川）高性能變頻器的驅動方案，以營口港改造門機型號為16T/28T-33m/20m為例，此門機最大起重量為28T，起升速度為30m/min，起升電動機功率為160KW，定子電流338 A，根據變頻器說明書，結合實際電機的最大負荷電流，我們選用日本YASKAWA（安川）CIMA-G74220變頻器，此變頻器保護功能完善，保養維護簡單，變頻器效率可達98%以上，功率因數可達0.95以上，頻率控制精度為+0.01Hz，該變頻器標稱輸出功率為220KW，額定輸出電流為450A則Icn =450A> Ie =338A，經查詢驗算通過。

變頻器應用在門機起升機構的關鍵點是，起升機構拖動位能性負載下放或急減速制動時，電動機將處于再生發電狀態，若不采取相應的措施，當直流回路電容電壓升到保護極限值后，變頻器將過電壓報警，解決變頻器過電壓有兩種方案，一種為加裝制動單元檢測直流母線電壓，由制動電阻消耗多余電能降低直流母線電壓，另一種為直流母線回饋電網，降低直流母線電壓。目前第二種方案一次性投資成本太高，后期維護投入成本較高，所以我們采用第一種方案，來降低直流母線電壓，我們結合《安川變頻器手冊》，推薦單臺160千瓦電機，選用YASKAWA（安川）CBDR 4220制動單元，匹配制動電阻器，將再生制動能量迅速釋放，在調速過程中出現的過電壓、溜鉤、零速制動這些關鍵技術，我們在改造調試過程中通過修改變頻器參數都迎刃而解。

五、變頻調速技術在門座式起重機上應用的優點：

經改造后的門機，減少了電氣維護的人力、物力消耗，改造后的門機5至10年內基本上不用投入更換配件，門機的設備完好率據統計能達到99.6%，徹底解決了以前故障率高的問題，多年來 ，采用變頻調速的起升電機幾乎沒有損壞 ，另外門機起升機構制動性能非常好 ，采用變頻調速，可以實現零速抱閘 ，減少抱閘閉合時的振動及磨損 ，從而使制動平穩 ，大大降低了對門機整體金屬結構的振動沖擊，徹底解決了門機因制動沖擊，使金屬結構出現開焊、開裂的現象，在制動器維護、保養、檢查方面也大大降低了維護成本。

六、總結

近年來，我們陸續對營口港20多臺16T/28T-33m/20m門機起升機構進行了變頻改造，變頻器在營口港老舊門座式起重機上改造應用，經過近幾年的作業實踐，也進一步證明改造費用物有所值，大大提高了生產收益率，老舊設備的連續無故障運行記錄也再創新高，通過設備改造，提高了營口港機械公司技術人員的技能，也深刻認識到新技術對現代工業的重要性，同時對港口老舊起重設備的新技術改造積累了寶貴經驗。

參考文獻：

[1]《變頻器使用說明書》，株式會社安川電機，2007年4月.

[2]黃柏辰《電機與拖動》，上海科學普及出版社， 1996年.

（作者單位：營口港務集團股份有限公司）