基于Vacon变频器的变频电源在RTG油改电中的应用

李明星
伟肯（苏州）电气传动有限公司

摘要：本文介绍了基于Vacon变频器的变频电源的工作原理、系统构成和选型方法，并结合在RTG油改电中的应用阐述了其节能环保，噪音振动小，稳定可靠，效率高等特点，在能源日益紧缺的今天极具市场潜力和推广性。

１、引言 　　变频电源(AC Power Source)是将直流或交流电转变为频率和电压可调电能的一种精密电源。由于全球各国的电网标准不同，出口的产品和设备需要在模拟各国不同的电网标准下进行设计调试，而国外的产品和设备在国内使用也需要配备正确的电源。传统变频电源采用的是发电机二次变频，随着电子器件和控制技术的发展，以IGBT作为功率开关器件，通过SPWM正弦脉宽调制实现的变频电源，以噪音低、震动小、能耗低、效率高、精度和稳定度好、响应快、寿命长等优点，正逐步取代传统的变频电源。理想的变频电源要求频率和电压稳定、内阻为零、波形正弦无失真，因此很多发达国家将变频电源作为标准供电电源，并广泛应用于港口、船舶、航空、实验室等场合。

　　目前，世界各集装箱港口通用的起重机械(又称场桥)有两类，一类是轨道式集装箱龙门起重机Rail Mounted Gantry Crane，简称RMG，另一类是轮胎式集装箱龙门起重机Rubber Tyred Gantry Crane，简称RTG。RMG采用市电供电，具有节能、无噪音、无污染、稳定可靠及能量可再生等优点，但不能转场；RTG采用柴油发电机组供电，虽然可以灵活转场，但能耗大、效率低、污染严重、噪音和振动大、且不能实现能量再生。据统计，目前全球集装箱起重机中有95%均为RTG。

　　如果把变频电源应用在RTG上，一种使用市电的绿色RTG便应运而生。在能源紧缺和油价高涨的市场环境下，对现有的RTG进行油改电技术改造既能降低运行成本，又能减少污染。因此，这种绿色环保的RTG极具市场潜力和推广性。

2、RTG与油改电
　　柴油RTG采用柴油发电机组供电，虽能灵活转场，但是维护和运行成本大，效率低。 

为了响应节能减排，保护环境的号召，在油价高涨的趋势下可对RTG进行油改电技术改造，即大车、小车、提升机构和辅助电源等使用市电，节约柴油发电机的功率用于转场供电。在堆场作业时，由堆场供电系统供电，发电机停止工作。转场时， RTG将脱离市电电网，由发电机供电。转场完成后由另一堆场供电系统供电，同时，发电机停止工作。这样不但能够节约能耗而且又能灵活操作。电源接线有高空滑线、低空滑线和地面接线之分，地面接线时需考虑电缆卷盘控制。市电有直流和交流之分，如采用交流供电则不需要变频电源，但是控制电源易受电网波动影响，且线路成本较大，同时负载下降时产生的能量不能再生而是以能耗制动方式转化为热能，造成浪费。　如采用直流供电则由变频电源给控制设备供电，且线路成本较小，同时能量可以再生，即负载下降时产生的能量将反馈到直流母线上供其它设备利用。目前， RTG上使用的变频器大都是直流供电，因此采用直流市电改造成效较好。

　　以Vacon NXS变频器为核心的变频电源的结构原理如下图所示，其组成主要包括变频器、正弦滤波器、隔离变压器和电能分析仪。其中， Vacon NXS变频器内置交流电抗器，配有应用宏开发软件，具有模块化设计，结构紧凑，启动转矩高达200%等特点，不仅可以用来制造变频电源，而且还能应用在UPS、 EPS上。变频器把电网的交流或直流电经SPWM脉宽调制成所需的交流电，由于SPWM脉宽调制输出的波形为方波，为得到标准的正弦波，需要加装LC正弦滤波器。同时，为了增强其带载能力和稳定性，在正弦滤波器后加装Δ/Y型隔离变压器，如考虑电路的压降，隔离变压器要有一定的升压功能，设计时应根据电网的情况而选择合适的变压比。电能分析仪采集电压数据作为PID实际值以便PID处理，同时它还具有电流，功率等数据显示和多种保护功能。变频电源输出的电压和频率可分别独立控制，均由面板设定，运行过程中的输出频率是保持不变的，但输出电压会因负载的大小而发生波动，为了维持电压的稳定，我们采用了PID调节器。另外，此变频电源还具有失电自动重启功能。

3.1 变频电源选型原则
　　变频电源可以驱动多种负载，常见的有阻性负载、感性负载、容性负载、整流容性负载和混合型负载等。不同类型的负载其选型原则也不同，需予以重视。

4、应用实例
　　妈湾港区处于珠江口东岸，深圳南头半岛西岸，占地面积68万m2，泊位总长1150m，泊位最大水深达13.5m，拥有3个3.5万吨级以上泊位、 2个5千吨级泊位和1个2千吨级泊位，是一个吞吐量很大的集装箱码头，拥有各类港口机械300多套，门机20台，轮胎吊23台，集装箱正面吊3台，集装箱空箱堆高机10台，10t以上铲车23台，场地龙门吊5台，曲臂机2台。长期以来，龙门吊采用柴油发电机发电，不但运行和维护成本高，而且严重污染环境，同时噪音和振动较大。随着油价等成本大大提高，设备部决定对龙门吊进行油改电技术改造。由于RTG的提升及大小车变频器均使用直流进线，并且能量可再生，最后决定采用直流供电、高空滑线方案进行设备改造。改造后大小车和提升机构直接从直流电网取电，空调、照明、及控制等辅助电路采用变频电源供电，柴油发电机仅在转场时使用，一旦进入场区便停止发电机工作。自改造第一台RTG以来，到目前为止总共改造了5台。据反映，整体操控性良 好，故障率和维护量减少，同时浓黑的黑烟不见了，噪音和振动也大大减小了，深受操作人员称赞。
　　　同时运行成本也大大降低，每个集装箱的装卸成本可降低65%，估计一年半左右可回收设备投资成本。对长远的经济发展和环境保护意义深远。