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)備需要在模擬各國不同的電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行設(shè)計調(diào)試，或者國外的產(chǎn)品和設(shè)備在國內(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spwm正弦脈寬調(diào)制實現(xiàn)的變頻電源，以噪音低、震動小、能耗低、效率高、精度和穩(wěn)定度好、響應(yīng)快、壽命長等優(yōu)點，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(jié)能、無噪音、無污染、穩(wěn)定可靠及能量再生等優(yōu)點，但不能轉(zhuǎn)場；rtg采用柴油發(fā)電機組供電，雖然可以靈活轉(zhuǎn)場但能耗大、效率低、污染嚴(yán)重、噪音和振動大、且不能再生。據(jù)統(tǒng)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(yīng)用在rtg上，一種使用市電的綠色rtg便應(yīng)運而生。在能源緊缺和油價高漲的環(huán)境下，對現(xiàn)有的rtg油改電技術(shù)改造即能降低運行成本，又能減少污染。因此，這種綠色環(huán)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(fā)電機組供電雖能靈活轉(zhuǎn)場，但是維護(hù)和運行成本大，效率低。
為了響應(yīng)節(jié)能減排保護(hù)環(huán)境的號召，在油價高漲的趨勢下可對rtg進(jìn)行油改電技術(shù)改造，取消rtg柴油發(fā)電機而采用市電供電，即大車、小車、提升機構(gòu)和輔助電源等使用市電，減小柴油發(fā)電機的功率給轉(zhuǎn)場供電。在堆場作業(yè)時，由堆場供電系統(tǒng)供電，發(fā)電機停止工作；轉(zhuǎn)場時，rtg將脫離市電電網(wǎng)，由發(fā)電機供電；轉(zhuǎn)場完成后另一堆場供電系統(tǒng)供電同時發(fā)電機停止工作。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)波動影響但線路成本較大，同時負(fù)載下降時產(chǎn)生的能量不能再生而是以能耗制動轉(zhuǎn)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(shè)備供電但線路成本較小，同時能量可以再生，即負(fù)載下降時產(chǎn)生的能量將反饋到直流母線上供其它設(shè)備利用。針對實際的現(xiàn)場環(huán)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(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%，平均每臺每年可節(jié)省30萬元油耗，按每臺設(shè)備改造費50萬算，兩年內(nèi)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(dāng)采用直流供電rtg時，變頻電源負(fù)責(zé)給控制電路供電，為了保證整個系統(tǒng)可靠運行，它必須具備較高的性能。一般要求能抑制電網(wǎng)的波動，波形失真小，響應(yīng)快，精度高，穩(wěn)定性好，過載能力強，ip防護(hù)等級高，保護(hù)功能多等。
深圳愛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)越的性價比廣泛應(yīng)用于港口、碼頭、船舶、海上鉆井平臺等場合。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，結(jié)構(gòu)緊湊，啟動轉(zhuǎn)矩高達(dá)200%等特點，不僅可以用來制造變頻電源，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，同時為了增強其帶載能力和穩(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)計時應(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實際值以便pid處理，同時它還具有電流，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立控制的，都在面板上設(shè)定，運行過程中輸出頻率是保持不變的，但輸出電壓會因負(fù)載的大小而發(fā)生波動，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)載下測試)；
●輸出電壓：可調(diào)，穩(wěn)定精度約 2.5% (100%負(fù)載下測試)
●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：f；
●變頻柜防護(hù)等級：ip65；
●emc等級：en61800-3 c2；
●冷卻方式：風(fēng)冷；
●海拔高度：<1000m無降容，>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)動多種不同的負(fù)載，常見的有阻性負(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
電機類負(fù)載啟動時，啟動電流可達(dá)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(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，容易對變頻電源或整流電路造成損壞。電流波峰系數(shù)對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)載的比例綜合計算。

4 應(yīng)用實例
媽灣港區(qū)處于珠江口東岸，深圳南頭半島西岸，占地面積68萬平方m，泊位總長1150m，泊位最大水深達(dá)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(fā)電機發(fā)電，不但運行和維護(hù)成本高，而且嚴(yán)重污染環(huán)境，同時噪音和振動較大。隨著油價等成本大大提高，設(shè)備部決定對龍門吊油改電技術(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)場依舊采用柴油發(fā)電機，僅在轉(zhuǎn)場時使用，一旦進(jìn)入場區(qū)便停止發(fā)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(jù)反映，整體操控性良好，故障率和維護(hù)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(shè)備投資成本。對長遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)意義深遠(yuǎn)。

作者簡介
李明星 (1979-) 男 2003年畢業(yè)于長春工程學(xué)院電氣工程及自動化專業(yè)，現(xiàn)任偉肯(蘇州)電氣傳動有限公司應(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)院電氣工程及自動化專業(yè)，現(xiàn)任深圳愛博科技公司技術(shù)經(jīng)理，從事變頻電源設(shè)計和應(yīng)用工作。