安川变频器在港机上的应用
关键词：三电平 矢量控制 静止型自学习 门机控制 港机
本文阐述变频调速技术的优点及其在门机中的应用，并着重对两电平控制、三电平控制的原理和优缺点进行了比较，对变频器静止型自学的新特点进行了描述，并对三电平控制技术在门机中的应用前景进行了分析和展望。
一、 引言
港口门座式起重机（以下简称门机）是港口码头前沿装卸一般散杂货的通用港口装卸起重机，在各海港、内河码头都广泛使用。多数港口的旧门机多采用转子串电阻方式调速进行有级调速，因此整机的冲击大、尤其在停车与起动时震动较为厉害，加速了门机钢结构磨损，也使工人的维修量大大增加。近年来随着港口自动化水平的提高，交流变频调速技术在门机中的应用已经越来越普遍。据统计，近两年各港口新配备的门机中已全部加入了变频技术。在这种情况下旧门机电控系统的变频改造就显得尤其迫切。
二、 门机变频控制的优点
由于起升机构电机功率一般较大，对起升机构进行改造一次性投资过高；大车部分工艺要求相对简单，变频改造后效果不是很明显，所以目前国内的旧门机变频改造多采用只改变幅、旋转机构。
变幅机构多为绕线式电机控制带动齿条的变幅，为常规控制的有级调速，因此变幅机构运行时冲击增大、尤其在停车与起动时震动较为厉害，造成减速器密封不严，漏油加剧，加速机构磨损，也增大了维修量。旋转机构多为转柱型、其回转轴承的支撑重量较重，造成门机旋转机构起制动过程中晃动较大，对钢结构的寿命产生了一定的影响；且门机刹车脚踏力较大，从而造成司机的操作疲劳。通过对上述原因进行分析，我们认为变幅、旋转机构所产生的撞击是由于起、制动时产生的动能无法很好的吸收造成的，通过引入变频调速系统我们解决了上述问题。
变频器能在很宽范围内的无级调速，可以根据需要自由设定加减速时间；良好的低速力矩特性使电机在起动和加速时可获得足够大且平滑的加速度；制动单元及制动电阻的接入使电机在减速和停车时能够获得足够的制动力矩。变频器的上述特性保证了变频调速系统具有很好的速度响应性能。
根据港口门机的现状，我们采用变频调速时一般不更换原电机，仅把绕线电机转子回路短接。由于去掉了逐级切除电阻调速用的接触器，实现了调速的无级和无触点控制；又由于变频器本身是高可靠性的通用标准设备，故障率极低，因而大大降低了设备的故障率，减少了门机维护人员的工作量，间接提高了作业效率。由于安川变频器针对起重机行业的功能设计，通过PLC部分的逻辑判断，真正保证了电机能够在“零速”抱闸，实现了变频器的平稳的起、制动，从而减轻了各个机构在机械起、制动时对门机机械部分造成的冲击，延长了门机机械部分的寿命。因变频器采用交-直-交控制方式，配有进线电抗器，可使重载作业时的平均功率因数达85%以上，大大超过了普通电控门机的60%，节能率达到30%。
三、 新型三电平控制变频器的原理及在港口的应用前景
安川变频器由于其在起重机行业的专业优势和多年在港口应用的成功案例，目前已成为门机变频改造的首选。据统计，目前全国范围内的变频门机有90%以上采用的是安川变频器。随着变频调速技术的不断进步，安川公司已正式在中国市场推出了采用了三电平控制的真正电流矢量控制型G7系列变频器，是目前世界上唯一采用三电平控制的低压变频器。
众所周知，现在我们在变频器市场上所见到的变频器均采用 “2电平控制”方式（这其中包括安川的G5系列变频器），这种变频器原则上要求配用的电机应为变频电机。但实际上,几乎所有需要改造的门机所采用的电机都为普通绕线电机，这种电机不但启动电流要比同功率的变频电机大，而且绝缘等级也比变频电机低（变频电机一般为F级，而普通绕线电机一般为B级）。采用“2电平控制”的变频器有如下缺点：（1）施加在电机轴的冲击电压对绕线电机轴承及电机线圈的损害；（2）变频器在矢量控制模式（如变幅和起升电机的控制）时要求进行旋转型自学习，并且要求在自学习时脱开负载。正如我们所知，变幅和起升电机要脱开负载时，必须要求减速箱与电机轴脱开，这样就给调试造成了不便，但是如果不进行自学习则不能达到矢量控制的最佳效果（绕线电机与变频电机不一样，最显著的一点是同功率绕线电机的空载电流要比变频电机大，特性软，故自学习非常必要），即重载时容易造成“溜车”。
安川公司最新推出的G7系列变频器则完全解决了上述问题。G7系列变频器首先相对于安川G5系列变频器在如下方面有所改善：（1）采用三电平控制模式，可驱动普通电机；（2）可实现停止型自学习；（3）低速力矩方面进一步改善，它实现了在无PG矢量控制时在0.3HZ可输出150%以上的转矩；（4）可实现150% 1min和200% 0.5 sec的过载能力；（5）采用“无PG矢量2控制”，即使在无PG时也可以实现力矩控制。下面我们着重对三电平控制和停止型自学习进行介绍。
（一）三电平控制
（1） 三电平控制的原理
传统的“2电平控制”方式用6个IGBT控制电压（回路构成图如下），
“2电平控制”回路原理图 “2电平控制”相电压


新型的“3电平控制”方式采用12个IGBT控制电压，
“3电平控制”回路原理图 “3电平控制”相电压


“3电平控制”的原理分析


由上图我们能够看出，采用新型的“3电平控制”方式用电解电容将直流电压一分为二，通过IGBT的ON/OFF开关动作得到3个电平，使“三电平控制”时直流侧电压的变化是“2电平控制”方式的1/2。
（2）“3电平控制“的优点
<1>低冲击电压(效果对比如下图所示)

通过上图的对比我们发现使用新的“3电平控制”方式冲击电压由原来的1200V下降到770V，故冲击电压大大降低，因此不会发生绝缘劣化，使我们可以在不需要外接冲击滤波器的情况下可以使用通用电机。
<2>降低发生的干扰，通过比较我们发现使用“3电平控制”较原来的“2电平控制”方式噪声干扰下降20dB.
传统的“2电平控制” G7“3电平控制”


通过上图我们可以看出，采用”3电平控制”的漏电流为采用”2电平控制”的漏电流的1/2，从而减少了接地故障检测的误动作。
（二）停止型自学习
克服了G5变频器的旋转型自学习所带来的弊端，可以不必脱开减速箱联轴器等机械负载就能实现电机的矢量最佳控制。
四、结束语
综上所述，新型“3电平控制”变频器既继承了“2电平控制”的优点，又解决了原来“2电平控制”的缺点和不足；特别是安川G7系列变频器秉承安川变频器在起重机行业的一贯优势，使得门机在变频改造后性能和可靠性进一步提升。经过一些港口的使用，系统投入运行一年来，运行稳定可靠，受到用户好评。