安川U1000系列變頻器在港口門座式起重機(jī)的應(yīng)用研究

李佳銘

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200124）

1 傳統(tǒng)變頻器的構(gòu)成與特點(diǎn)

目前適用于港口機(jī)械設(shè)備的傳統(tǒng)變頻器主要分為單傳動變頻器（帶制動單元）和多傳動能量回饋系統(tǒng)變頻器兩種類型，港口企業(yè)根據(jù)自身條件及需求選擇不同類型的變頻器來滿足碼頭實際生產(chǎn)要求。

1.1 單傳動變頻器（帶制動單元）的構(gòu)成與特點(diǎn)

單傳動變頻器主要由二極管（AC-DC）、電容、IGBT（DC-AC）、制動單元、電抗器組成，其在采購價格成本、使用維修等方面有較大優(yōu)勢。單傳動變頻器的主要問題是變頻器在進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換時（交—直—交）通過電容進(jìn)行平滑濾波，此時整流后電壓與電容電壓之間會有壓差，進(jìn)而在輸入回路側(cè)產(chǎn)生尖銳的畸變電流（高次諧波電流），諧波電流會引起輸入電流增高、功率因數(shù)惡化，還會和電源側(cè)的電容器產(chǎn)生共振，對港口供電局域網(wǎng)造成用電質(zhì)量的污染，需額外配置消諧補(bǔ)償裝置用于諧波消除，增加采購成本。另外起重機(jī)在位能負(fù)載下降、平移減速停止時由于能量守恒定律電動機(jī)會處于再生發(fā)電狀態(tài)，此時需要設(shè)置制動單元及制動電阻將電機(jī)發(fā)電狀態(tài)時產(chǎn)生的再生功率以熱能形式進(jìn)行消耗，由于熱能無法有效利用造成能源的無謂浪費(fèi)，與國家倡導(dǎo)的“綠色環(huán)保，節(jié)能低碳”政策相駁斥。

1.2 多傳動變頻器（能量回饋系統(tǒng)）的構(gòu)成與特點(diǎn)

多傳動能量回饋系統(tǒng)主要由整流回饋裝置、電抗器、濾波器、逆變器組成，其可以很好地解決電機(jī)間電動狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài)之間的矛盾，將電機(jī)發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的再生能量通過整理回饋單元回饋給電網(wǎng)，實現(xiàn)再生能源的合理利用。同時，濾波裝置產(chǎn)生的電流接近正鉉波，能夠有效抑制諧波電流（諧波＜3%）對供電網(wǎng)絡(luò)用電質(zhì)量造成的污染，為港口企業(yè)節(jié)能減排、綠色發(fā)展起到積極的作用。多傳動系統(tǒng)的缺點(diǎn)為由于各機(jī)構(gòu)電機(jī)發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的能量需通過直流母排反饋到整流裝置回饋到電網(wǎng)，考慮到起升、變幅、旋轉(zhuǎn)多機(jī)構(gòu)聯(lián)動工況，在計算功率時要至少考慮兩到三個機(jī)構(gòu)運(yùn)行/回饋的容量，這樣使得整流裝置的選型會很大，造成整套系統(tǒng)硬件配置成本投入較高，一般用戶較難接受。同時在實際使用過程中如整流裝置發(fā)生故障無法正常運(yùn)行，因共直流母排供電各機(jī)構(gòu)變頻器均無法工作，造成整機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)，對現(xiàn)場維修排故造成諸多不便與麻煩。

2 安川U1000變頻器的構(gòu)成與特點(diǎn)

隨著國家對于港口節(jié)能環(huán)保、生產(chǎn)安全要求的不斷提高，同時考慮用戶后續(xù)維修及成本投入，安川全新推出了U1000系列矩陣式變頻器以滿足用戶的不同需求。與傳統(tǒng)變頻器相比U1000系列具有一體化（單變頻器再生節(jié)能）、低諧波、高功率因數(shù)、低浪涌等優(yōu)點(diǎn)。

2.1 U1000變頻器的構(gòu)成

U1000系列變頻器采用了安川新近推出的矩陣技術(shù)，簡稱“矩陣式變頻器”。矩陣式變頻器是將三相交流輸入電源通過LC回路的輸入濾波器與9個雙方向開關(guān)進(jìn)行格子狀（矩陣）連接，從而直接產(chǎn)生任意頻率的三相交流輸出電壓與輸出設(shè)備相連接，是一種直接變換的AC/AC功率轉(zhuǎn)換裝置。U1000變頻器構(gòu)成見圖1。

圖1 U1000變頻器構(gòu)成

2.2 U1000變頻器的特點(diǎn)

2.2.1 低諧波、高功率因數(shù)

U1000系列變頻器可將交流輸入電源直接變換成需要的交流輸出電源，其沒有使用晶體管和電容的直流回路，故不會因電容充放電而產(chǎn)生高次諧波電流，電流畸變（諧波）＜5% iTHD，符合IEEE519諧波標(biāo)準(zhǔn)要求。同時U1000系列變頻器在額定電流負(fù)載時其功率因數(shù)可以達(dá)到0.98以上，能夠有效降低電源設(shè)備的功率容量，相比傳統(tǒng)單傳變頻器其無需額外配置功率消諧補(bǔ)償裝置即可滿足國家對諧波電壓、電流的規(guī)范要求。

2.2.2 小型再生節(jié)能

U1000系列變頻器通過9個雙向性IGBT電源組成格子狀（矩陣）連接，因為其IGBT是雙向的，故單臺變頻器即可實現(xiàn)電源再生回饋功能，無需另外配置整流回饋單元，同時由于其低諧波特點(diǎn)，應(yīng)對高次諧波的輸入用AC電抗器、濾波器、電容器也無需配置，變頻器所需安裝空間相比傳統(tǒng)變頻器大大減少。其一體化設(shè)計在實現(xiàn)再生節(jié)能的同時又有效節(jié)省了安裝空間、同時對價格成本、后續(xù)維修排故創(chuàng)造了有利條件。U1000變頻器再生能量處理方式見圖2。

圖2 U1000變頻器再生能量處理方式

2.2.3 低速高轉(zhuǎn)矩輸出

U1000系列變頻器在機(jī)構(gòu)低速運(yùn)行時，主回路IGBT可以根據(jù)交流電源的電壓變化始終保持均勻通斷，不會發(fā)生像傳統(tǒng)變頻器一樣特定某個IGBT發(fā)熱較大的情況。傳統(tǒng)變頻器所不適用的低速大電流工況其可以從容應(yīng)對，在帶PG閉環(huán)矢量控制時，可以做到零速±70%轉(zhuǎn)矩連續(xù)運(yùn)行、±150%（10～60s）過載運(yùn)行工況，適合用于港口門座式起重機(jī)這類存在反復(fù)加減速及低速運(yùn)行的機(jī)械設(shè)備。同時在閉環(huán)矢量控制時U1000系列變頻器的響應(yīng)速度可以達(dá)到250Hz，其能夠快速跟蹤變頻器的頻率指令，實現(xiàn)精密動作要求，并有效抑制起重機(jī)作業(yè)時倒溜、振動等安全問題。

3 U1000變頻器的實際應(yīng)用

2018年年底鎮(zhèn)江港務(wù)集團(tuán)旗下分公司訂購2臺40t多用途門座式起重機(jī)，該項目電控系統(tǒng)首次采用安川U1000系列變頻器，其具體配置方案如表1：

表1 電控系統(tǒng)（機(jī)構(gòu)電機(jī)+變頻器）配置表

該方案中起升支持機(jī)構(gòu)、開閉機(jī)構(gòu)及變幅機(jī)構(gòu)的負(fù)載為勢能性負(fù)載，起重機(jī)在起升下放負(fù)載及變幅減幅運(yùn)行時電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，考慮到起升、變幅機(jī)構(gòu)在使用過程中上述工況較為頻繁時間較長，電機(jī)發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的能量較多，故起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)采用U1000系列變頻器將這部分電能反饋回電網(wǎng)以達(dá)到顯著的節(jié)能效果。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由于電機(jī)發(fā)電狀態(tài)時間較短，考慮到前期投入成本及產(chǎn)生效益，采用傳統(tǒng)CH700系列變頻器進(jìn)行控制。行走機(jī)構(gòu)對門座式起重機(jī)而言屬于非工作機(jī)構(gòu)，其電機(jī)與起升支持或開閉電機(jī)共用變頻器進(jìn)行控制。由于U1000單臺變頻器即可實現(xiàn)電源再生回饋功能，無需額外配置整流器，故該電控方案中每個機(jī)構(gòu)的變頻器均是單獨(dú)控制，不會因為整流裝置或某一機(jī)構(gòu)變頻器故障而造成整個系統(tǒng)停機(jī)，為后續(xù)維修提供了便利。

2臺門機(jī)設(shè)備于2019年底交付用戶使用，通過幾個月的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集實際分析，相比傳統(tǒng)電控門座式起重機(jī)，U1000系統(tǒng)在節(jié)能減排、諧波特性等方面數(shù)據(jù)均有明顯提高。現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)采集如表2。

表2 實際數(shù)據(jù)采集及能耗時間

累計循環(huán)次數(shù)約7500次，累計消耗電能161881kW·h，累計再生電能53457kW·h。

起重機(jī)按每裝卸40t貨物計算，通過再生節(jié)能方式可節(jié)省電能13.1度，按每臺機(jī)年吞吐量300萬噸計算，單臺機(jī)通過節(jié)能再生可節(jié)省電能約63萬元。其節(jié)省的電量相當(dāng)于每年減少約150t的碳排放，等效于310t原煤，在節(jié)省電能為企業(yè)減少使用成本的同時也為環(huán)保事業(yè)做出了積極的貢獻(xiàn)。同時對起重機(jī)作業(yè)時變頻器電流諧波測試，結(jié)果表明即便是各次諧波的最大值，其諧波含量也滿足各項標(biāo)準(zhǔn)要求，對港口供電網(wǎng)絡(luò)影響較低。測試結(jié)果見表3。

表3 現(xiàn)場變頻器諧波測試結(jié)果

4 結(jié)語

本文以傳統(tǒng)變頻器為基礎(chǔ)，40t起重機(jī)應(yīng)用案例為依據(jù)，詳細(xì)介紹了安川U1000系列變頻器在再生節(jié)能、低諧波、高功率因數(shù)、高精度控制上的功能與特點(diǎn)。隨著近年來國家對于港口企業(yè)節(jié)能環(huán)保、安全生產(chǎn)要求的不斷提高，U1000系列作為安川推出的小型再生型節(jié)能變頻器，相信憑借其獨(dú)特的性能與優(yōu)點(diǎn)會越來越多的受到國內(nèi)港口企業(yè)的關(guān)注，為港口企業(yè)節(jié)能減排、綠色發(fā)展做出自己的貢獻(xiàn)。