1 引言
變頻電源(ac power source)是將市面的直流或交流電轉變為頻率和電壓可調的一種精密電源。由于全球各國的電網標準不同，出口的產品和設備需要在模擬各國不同的電網標準下進行設計調試，或者國外的產品和設備在國內使用也需要配備正確的電源。傳統變頻電源采用的是發電機二次變頻，隨著電子器件和控制技術的發展，以igbt作為功率開關器件通過spwm正弦脈寬調制實現的變頻電源，以噪音低、震動小、能耗低、效率高、精度和穩定度好、響應快、壽命長等優點，正逐步取代傳統的變頻電源。理想的變頻電源要求頻率和電壓穩定、內阻為零、波形正弦無失真，而變頻電源十分接近理想的變頻電源，因此很多發達國家將變頻電源作為標準供電電源，并廣泛應用于港口、船舶、航空、實驗室等場合。
目前，世界集裝箱港口通用起重機械(又稱場橋)有兩類，一類是軌道式集裝箱龍門起重機rail mounted gantry crane，簡稱rmg，另一類是輪胎式集裝箱龍門起重機rubber tyred gantry crane，簡稱rtg。rmg采用市電供電，具有節能、無噪音、無污染、穩定可靠及能量再生等優點，但不能轉場；rtg采用柴油發電機組供電，雖然可以靈活轉場但能耗大、效率低、污染嚴重、噪音和振動大、且不能再生。據統計，目前全球集裝箱起重機中95%都是rtg。見圖1。

圖1 集裝箱龍門起重機

如果把變頻電源應用在rtg上，一種使用市電的綠色rtg便應運而生。在能源緊缺和油價高漲的環境下，對現有的rtg油改電技術改造即能降低運行成本，又能減少污染。因此，這種綠色環保的rtg極具市場潛力和推廣性。

2 rtg與油改電
柴油rtg采用柴油發電機組供電雖能靈活轉場，但是維護和運行成本大，效率低。
為了響應節能減排保護環境的號召，在油價高漲的趨勢下可對rtg進行油改電技術改造，取消rtg柴油發電機而采用市電供電，即大車、小車、提升機構和輔助電源等使用市電，減小柴油發電機的功率給轉場供電。在堆場作業時，由堆場供電系統供電，發電機停止工作；轉場時，rtg將脫離市電電網，由發電機供電；轉場完成后另一堆場供電系統供電同時發電機停止工作。不但節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波動影響但線路成本較大，同時負載下降時產生的能量不能再生而是以能耗制動轉化為熱能，造成浪費；如采用直流供電則需要變頻電源給控制設備供電但線路成本較小，同時能量可以再生，即負載下降時產生的能量將反饋到直流母線上供其它設備利用。針對實際的現場環境來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，能耗成本可節約70%，噪音減少60%，平均每臺每年可節省30萬元油耗，按每臺設備改造費50萬算，兩年內可回收投資成本，同時污染大大減小，振動和噪音也降至最低。

3 變頻電源
當采用直流供電rtg時，變頻電源負責給控制電路供電，為了保證整個系統可靠運行，它必須具備較高的性能。一般要求能抑制電網的波動，波形失真小，響應快，精度高，穩定性好，過載能力強，ip防護等級高，保護功能多等。
深圳愛博科技有限公司生產的變頻電源以其優質的性能、可靠的質量和優越的性價比廣泛應用于港口、碼頭、船舶、海上鉆井平臺等場合。其核心為vacon nxs標準型變頻器，其內置交流電抗器，配有應用宏開發軟件，具有模塊化的設計，結構緊湊，啟動轉矩高達200%等特點，不僅可以用來制造變頻電源，而且還能應用在ups、eps上。變頻電源的結構原理如圖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。變頻器把電網的交流或直流電spwm脈寬調制成所需的交流電，由于spwm脈寬調制輸出的波形為方波，如要得到標準的正弦波，需要加裝lc正弦濾波器，同時為了增強其帶載能力和穩定性，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，設計時應以電網的情況而選擇合適的變壓比。電能分析儀采集電壓數據作為pid實際值以便pid處理，同時它還具有電流，功率等數據顯示和多種保護功能。變頻電源輸出的電壓和頻率是分別獨立控制的，都在面板上設定，運行過程中輸出頻率是保持不變的，但輸出電壓會因負載的大小而發生波動，為了維持電壓的穩定，采用了pid調節器。另外，此變頻電源還具有失電自動重啟功能。

圖2 變頻電源的結構原理

變頻電源技術數據如下：
●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，穩定精度約0.02% (100%負載下測試)；
●輸出電壓：可調，穩定精度約 2.5% (100%負載下測試)
●波形失真度: <3%；
●功率因數：>97%；
●整體效率：>90%；
●輸出波峰系數cf：=1.4；
●變壓器絕緣等級：f；
●變頻柜防護等級：ip65；
●emc等級：en61800-3 c2；
●冷卻方式：風冷；
●海拔高度：<1000m無降容，>1000m每升高100m降容1%
●溫度：-10~50℃，內置空調；
●濕度：<95%，內置濕度控制器。
變頻電源選型原則如下：
變頻電源可以驅動多種不同的負載，常見的有阻性負載、感性負載、容性負載、整流容性負載和混合型負載等。不同類型的負載其選型原則也不同，需予以重視。見圖3。

圖3 變頻電源的幾種負載

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

4 應用實例
媽灣港區處于珠江口東岸，深圳南頭半島西岸，占地面積68萬平方m，泊位總長1150m，泊位最大水深達13.5m，擁有3個3.5萬噸級以上泊位、2個5千噸級泊位和1個2千噸級泊位，是一個吞吐量很大的集裝箱碼頭，擁有各類港口機械300多套，門機20臺，輪胎吊23臺，集裝箱正面吊3臺，集裝箱空箱堆高機10臺，10噸以上鏟車23臺，場地龍門吊5臺，曲臂機2臺。長期以來，龍門吊采用柴油發電機發電，不但運行和維護成本高，而且嚴重污染環境，同時噪音和振動較大。隨著油價等成本大大提高，設備部決定對龍門吊油改電技術改造。由于rtg的提升及大小車變頻器都是使用的直流進線，并且能量還能再生，最后他們決定采用直流供電、高空滑線方案進行設備改造。改造后大小車和提升直接從直流電網取電，空調、照明、及控制等輔助電路采用變頻器電源供電，轉場依舊采用柴油發電機，僅在轉場時使用，一旦進入場區便停止發電機工作。自5月份開始改造第一臺rtg以來，到目前為止總共改造了5臺。據反映，整體操控性良好，故障率和維護量減少，同時濃黑的黑煙不見了，噪音和振動也大大減小了，深受操作人員稱贊。同時運行成本也大大降低，每個集裝箱的成本可降低65%，估計一年半左右可回收設備投資成本。對長遠的經濟發展和環境保護意義深遠。

作者簡介
李明星 (1979-) 男 2003年畢業于長春工程學院電氣工程及自動化專業，現任偉肯(蘇州)電氣傳動有限公司應用工程師，從事vacon變頻器的技術應用工作。
韋益春 (1981-) 男 2003年畢業于廣西水利電力學院電氣工程及自動化專業，現任深圳愛博科技公司技術經理，從事變頻電源設計和應用工作。