1 引言
變頻電源(ac power source)是將市面的直流或交流電轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率和電壓可調(diào)的一種精密電源。由于全球各國(guó)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(guó)不同的電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)試，或者國(guó)外的產(chǎn)品和設(shè)備在國(guó)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(jī)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(guò)spwm正弦脈寬調(diào)制實(shí)現(xiàn)的變頻電源，以噪音低、震動(dòng)小、能耗低、效率高、精度和穩(wěn)定度好、響應(yīng)快、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，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(wú)失真，而變頻電源十分接近理想的變頻電源，因此很多發(fā)達(dá)國(guó)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(shí)驗(yàn)室等場(chǎng)合。
目前，世界集裝箱港口通用起重機(jī)械(又稱場(chǎng)橋)有兩類，一類是軌道式集裝箱龍門起重機(jī)rail mounted gantry crane，簡(jiǎn)稱rmg，另一類是輪胎式集裝箱龍門起重機(jī)rubber tyred gantry crane，簡(jiǎn)稱rtg。rmg采用市電供電，具有節(jié)能、無(wú)噪音、無(wú)污染、穩(wěn)定可靠及能量再生等優(yōu)點(diǎn)，但不能轉(zhuǎn)場(chǎng)；rtg采用柴油發(fā)電機(jī)組供電，雖然可以靈活轉(zhuǎn)場(chǎng)但能耗大、效率低、污染嚴(yán)重、噪音和振動(dòng)大、且不能再生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全球集裝箱起重機(jī)中95%都是rtg。見(jiàn)圖1。

圖1 集裝箱龍門起重機(jī)

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(yùn)而生。在能源緊缺和油價(jià)高漲的環(huán)境下，對(duì)現(xiàn)有的rtg油改電技術(shù)改造即能降低運(yùn)行成本，又能減少污染。因此，這種綠色環(huán)保的rtg極具市場(chǎng)潛力和推廣性。

2 rtg與油改電
柴油rtg采用柴油發(fā)電機(jī)組供電雖能靈活轉(zhuǎn)場(chǎng)，但是維護(hù)和運(yùn)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(hào)召，在油價(jià)高漲的趨勢(shì)下可對(duì)rtg進(jìn)行油改電技術(shù)改造，取消rtg柴油發(fā)電機(jī)而采用市電供電，即大車、小車、提升機(jī)構(gòu)和輔助電源等使用市電，減小柴油發(fā)電機(jī)的功率給轉(zhuǎn)場(chǎng)供電。在堆場(chǎng)作業(yè)時(shí)，由堆場(chǎng)供電系統(tǒng)供電，發(fā)電機(jī)停止工作；轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)，rtg將脫離市電電網(wǎng)，由發(fā)電機(jī)供電；轉(zhuǎn)場(chǎng)完成后另一堆場(chǎng)供電系統(tǒng)供電同時(shí)發(fā)電機(jī)停止工作。不但節(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(shí)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(dòng)影響但線路成本較大，同時(shí)負(fù)載下降時(shí)產(chǎn)生的能量不能再生而是以能耗制動(dòng)轉(zhuǎn)化為熱能，造成浪費(fèi)；如采用直流供電則需要變頻電源給控制設(shè)備供電但線路成本較小，同時(shí)能量可以再生，即負(fù)載下降時(shí)產(chǎn)生的能量將反饋到直流母線上供其它設(shè)備利用。針對(duì)實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境來(lái)選擇合理的接線方式和電源類型。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(40噸)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(tái)每年可節(jié)省30萬(wàn)元油耗，按每臺(tái)設(shè)備改造費(fèi)50萬(wàn)算，兩年內(nèi)可回收投資成本，同時(shí)污染大大減小，振動(dòng)和噪音也降至最低。

3 變頻電源
當(dāng)采用直流供電rtg時(shí)，變頻電源負(fù)責(zé)給控制電路供電，為了保證整個(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行，它必須具備較高的性能。一般要求能抑制電網(wǎng)的波動(dòng)，波形失真小，響應(yīng)快，精度高，穩(wěn)定性好，過(guò)載能力強(qiáng)，ip防護(hù)等級(jí)高，保護(hù)功能多等。
深圳愛(ài)博科技有限公司生產(chǎn)的變頻電源以其優(yōu)質(zhì)的性能、可靠的質(zhì)量和優(yōu)越的性價(jià)比廣泛應(yīng)用于港口、碼頭、船舶、海上鉆井平臺(tái)等場(chǎng)合。其核心為vacon nxs標(biāo)準(zhǔn)型變頻器，其內(nèi)置交流電抗器，配有應(yīng)用宏開發(fā)軟件，具有模塊化的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩高達(dá)200%等特點(diǎn)，不僅可以用來(lái)制造變頻電源，而且還能應(yīng)用在ups、eps上。變頻電源的結(jié)構(gòu)原理如圖2，主要有變頻器、正弦濾波器、隔離變壓器和電能分析儀組成。變頻器把電網(wǎng)的交流或直流電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，如要得到標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，需要加裝lc正弦濾波器，同時(shí)為了增強(qiáng)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(jì)時(shí)應(yīng)以電網(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(shí)際值以便pid處理，同時(shí)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是分別獨(dú)立控制的，都在面板上設(shè)定，運(yùn)行過(guò)程中輸出頻率是保持不變的，但輸出電壓會(huì)因負(fù)載的大小而發(fā)生波動(dòng)，為了維持電壓的穩(wěn)定，采用了pid調(diào)節(jié)器。另外，此變頻電源還具有失電自動(dòng)重啟功能。

圖2 變頻電源的結(jié)構(gòu)原理

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：0～400h或更高，誤差值約0.1hz，穩(wěn)定精度約0.02% (100%負(fù)載下測(cè)試)；
●輸出電壓：可調(diào)，穩(wěn)定精度約 2.5% (100%負(fù)載下測(cè)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(jí)：f；
●變頻柜防護(hù)等級(jí)：ip65；
●emc等級(jí)：en61800-3 c2；
●冷卻方式：風(fēng)冷；
●海拔高度：<1000m無(wú)降容，>1000m每升高100m降容1%
●溫度：-10~50℃，內(nèi)置空調(diào)；
●濕度：<95%，內(nèi)置濕度控制器。
變頻電源選型原則如下：
變頻電源可以驅(qū)動(dòng)多種不同的負(fù)載，常見(jiàn)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。見(jiàn)圖3。

圖3 變頻電源的幾種負(fù)載

(1) 阻性負(fù)載：變頻電源容量=1.1x負(fù)載功率
(2) 感性負(fù)載：變頻器容量=1.1x視在功率
電機(jī)類負(fù)載啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流可達(dá)到5-8倍額定電流，時(shí)間約2秒，因此需考慮啟動(dòng)容量，一般為3-4倍額定容量，或者電機(jī)采用軟啟動(dòng)或星三角啟動(dòng)。如與其他對(duì)電壓波形要求更高的負(fù)載混用，還應(yīng)加大容量。
(3) 容性負(fù)載：變頻器容量=1.1x視在功率
(4) 整流容性負(fù)載：電路中含有整流橋或可控硅和電容，如無(wú)限流電路，在電路接通瞬間其沖擊電流很大，高達(dá)4-5倍額定電流，容易對(duì)變頻電源或整流電路造成損壞。電流波峰系數(shù)對(duì)變頻電源容量影響較大。變頻器容量=電流波峰系數(shù)/1.5x視在功率。如與其他對(duì)電壓波形要求更高的負(fù)載混用，還應(yīng)加大容量。
(5) 混合型負(fù)載按照不同負(fù)載的比例綜合計(jì)算。

4 應(yīng)用實(shí)例
媽灣港區(qū)處于珠江口東岸，深圳南頭半島西岸，占地面積68萬(wàn)平方m，泊位總長(zhǎng)1150m，泊位最大水深達(dá)13.5m，擁有3個(gè)3.5萬(wàn)噸級(jí)以上泊位、2個(gè)5千噸級(jí)泊位和1個(gè)2千噸級(jí)泊位，是一個(gè)吞吐量很大的集裝箱碼頭，擁有各類港口機(jī)械300多套，門機(jī)20臺(tái)，輪胎吊23臺(tái)，集裝箱正面吊3臺(tái)，集裝箱空箱堆高機(jī)10臺(tái)，10噸以上鏟車23臺(tái)，場(chǎng)地龍門吊5臺(tái)，曲臂機(jī)2臺(tái)。長(zhǎng)期以來(lái)，龍門吊采用柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電，不但運(yùn)行和維護(hù)成本高，而且嚴(yán)重污染環(huán)境，同時(shí)噪音和振動(dòng)較大。隨著油價(jià)等成本大大提高，設(shè)備部決定對(duì)龍門吊油改電技術(shù)改造。由于rtg的提升及大小車變頻器都是使用的直流進(jìn)線，并且能量還能再生，最后他們決定采用直流供電、高空滑線方案進(jìn)行設(shè)備改造。改造后大小車和提升直接從直流電網(wǎng)取電，空調(diào)、照明、及控制等輔助電路采用變頻器電源供電，轉(zhuǎn)場(chǎng)依舊采用柴油發(fā)電機(jī)，僅在轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)使用，一旦進(jìn)入場(chǎng)區(qū)便停止發(fā)電機(jī)工作。自5月份開始改造第一臺(tái)rtg以來(lái)，到目前為止總共改造了5臺(tái)。據(jù)反映，整體操控性良好，故障率和維護(hù)量減少，同時(shí)濃黑的黑煙不見(jiàn)了，噪音和振動(dòng)也大大減小了，深受操作人員稱贊。同時(shí)運(yùn)行成本也大大降低，每個(gè)集裝箱的成本可降低65%，估計(jì)一年半左右可回收設(shè)備投資成本。對(duì)長(zhǎng)遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)意義深遠(yuǎn)。

作者簡(jiǎn)介
李明星 (1979-) 男 2003年畢業(yè)于長(zhǎng)春工程學(xué)院電氣工程及自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)任偉肯(蘇州)電氣傳動(dòng)有限公司應(yīng)用工程師，從事vacon變頻器的技術(shù)應(yīng)用工作。
韋益春 (1981-) 男 2003年畢業(yè)于廣西水利電力學(xué)院電氣工程及自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)任深圳愛(ài)博科技公司技術(shù)經(jīng)理，從事變頻電源設(shè)計(jì)和應(yīng)用工作。