安川U1000系列变频器在港口门座式起重机的应用研究

李佳铭

（上海振华重工（集团）股份有限公司，上海 200124）

1 传统变频器的构成与特点

目前适用于港口机械设备的传统变频器主要分为单传动变频器（带制动单元）和多传动能量回馈系统变频器两种类型，港口企业根据自身条件及需求选择不同类型的变频器来满足码头实际生产要求。

1.1 单传动变频器（带制动单元）的构成与特点

单传动变频器主要由二极管（AC-DC）、电容、IGBT（DC-AC）、制动单元、电抗器组成，其在采购价格成本、使用维修等方面有较大优势。单传动变频器的主要问题是变频器在进行电压转换时（交—直—交）通过电容进行平滑滤波，此时整流后电压与电容电压之间会有压差，进而在输入回路侧产生尖锐的畸变电流（高次谐波电流），谐波电流会引起输入电流增高、功率因数恶化，还会和电源侧的电容器产生共振，对港口供电局域网造成用电质量的污染，需额外配置消谐补偿装置用于谐波消除，增加采购成本。另外起重机在位能负载下降、平移减速停止时由于能量守恒定律电动机会处于再生发电状态，此时需要设置制动单元及制动电阻将电机发电状态时产生的再生功率以热能形式进行消耗，由于热能无法有效利用造成能源的无谓浪费，与国家倡导的“绿色环保，节能低碳”政策相驳斥。

1.2 多传动变频器（能量回馈系统）的构成与特点

多传动能量回馈系统主要由整流回馈装置、电抗器、滤波器、逆变器组成，其可以很好地解决电机间电动状态和发电状态之间的矛盾，将电机发电状态产生的再生能量通过整理回馈单元回馈给电网，实现再生能源的合理利用。同时，滤波装置产生的电流接近正铉波，能够有效抑制谐波电流（谐波＜3%）对供电网络用电质量造成的污染，为港口企业节能减排、绿色发展起到积极的作用。多传动系统的缺点为由于各机构电机发电状态产生的能量需通过直流母排反馈到整流装置回馈到电网，考虑到起升、变幅、旋转多机构联动工况，在计算功率时要至少考虑两到三个机构运行/回馈的容量，这样使得整流装置的选型会很大，造成整套系统硬件配置成本投入较高，一般用户较难接受。同时在实际使用过程中如整流装置发生故障无法正常运行，因共直流母排供电各机构变频器均无法工作，造成整机处于停机状态，对现场维修排故造成诸多不便与麻烦。

2 安川U1000变频器的构成与特点

随着国家对于港口节能环保、生产安全要求的不断提高，同时考虑用户后续维修及成本投入，安川全新推出了U1000系列矩阵式变频器以满足用户的不同需求。与传统变频器相比U1000系列具有一体化（单变频器再生节能）、低谐波、高功率因数、低浪涌等优点。

2.1 U1000变频器的构成

U1000系列变频器采用了安川新近推出的矩阵技术，简称“矩阵式变频器”。矩阵式变频器是将三相交流输入电源通过LC回路的输入滤波器与9个双方向开关进行格子状（矩阵）连接，从而直接产生任意频率的三相交流输出电压与输出设备相连接，是一种直接变换的AC/AC功率转换装置。U1000变频器构成见图1。

图1 U1000变频器构成

2.2 U1000变频器的特点

2.2.1 低谐波、高功率因数

U1000系列变频器可将交流输入电源直接变换成需要的交流输出电源，其没有使用晶体管和电容的直流回路，故不会因电容充放电而产生高次谐波电流，电流畸变（谐波）＜5% iTHD，符合IEEE519谐波标准要求。同时U1000系列变频器在额定电流负载时其功率因数可以达到0.98以上，能够有效降低电源设备的功率容量，相比传统单传变频器其无需额外配置功率消谐补偿装置即可满足国家对谐波电压、电流的规范要求。

2.2.2 小型再生节能

U1000系列变频器通过9个双向性IGBT电源组成格子状（矩阵）连接，因为其IGBT是双向的，故单台变频器即可实现电源再生回馈功能，无需另外配置整流回馈单元，同时由于其低谐波特点，应对高次谐波的输入用AC电抗器、滤波器、电容器也无需配置，变频器所需安装空间相比传统变频器大大减少。其一体化设计在实现再生节能的同时又有效节省了安装空间、同时对价格成本、后续维修排故创造了有利条件。U1000变频器再生能量处理方式见图2。

图2 U1000变频器再生能量处理方式

2.2.3 低速高转矩输出

U1000系列变频器在机构低速运行时，主回路IGBT可以根据交流电源的电压变化始终保持均匀通断，不会发生像传统变频器一样特定某个IGBT发热较大的情况。传统变频器所不适用的低速大电流工况其可以从容应对，在带PG闭环矢量控制时，可以做到零速±70%转矩连续运行、±150%（10～60s）过载运行工况，适合用于港口门座式起重机这类存在反复加减速及低速运行的机械设备。同时在闭环矢量控制时U1000系列变频器的响应速度可以达到250Hz，其能够快速跟踪变频器的频率指令，实现精密动作要求，并有效抑制起重机作业时倒溜、振动等安全问题。

3 U1000变频器的实际应用

2018年年底镇江港务集团旗下分公司订购2台40t多用途门座式起重机，该项目电控系统首次采用安川U1000系列变频器，其具体配置方案如表1：

表1 电控系统（机构电机+变频器）配置表

该方案中起升支持机构、开闭机构及变幅机构的负载为势能性负载，起重机在起升下放负载及变幅减幅运行时电机处于发电状态，考虑到起升、变幅机构在使用过程中上述工况较为频繁时间较长，电机发电状态产生的能量较多，故起升机构、变幅机构采用U1000系列变频器将这部分电能反馈回电网以达到显著的节能效果。旋转机构由于电机发电状态时间较短，考虑到前期投入成本及产生效益，采用传统CH700系列变频器进行控制。行走机构对门座式起重机而言属于非工作机构，其电机与起升支持或开闭电机共用变频器进行控制。由于U1000单台变频器即可实现电源再生回馈功能，无需额外配置整流器，故该电控方案中每个机构的变频器均是单独控制，不会因为整流装置或某一机构变频器故障而造成整个系统停机，为后续维修提供了便利。

2台门机设备于2019年底交付用户使用，通过几个月的现场数据采集实际分析，相比传统电控门座式起重机，U1000系统在节能减排、谐波特性等方面数据均有明显提高。现场实际数据采集如表2。

表2 实际数据采集及能耗时间

累计循环次数约7500次，累计消耗电能161881kW·h，累计再生电能53457kW·h。

起重机按每装卸40t货物计算，通过再生节能方式可节省电能13.1度，按每台机年吞吐量300万吨计算，单台机通过节能再生可节省电能约63万元。其节省的电量相当于每年减少约150t的碳排放，等效于310t原煤，在节省电能为企业减少使用成本的同时也为环保事业做出了积极的贡献。同时对起重机作业时变频器电流谐波测试，结果表明即便是各次谐波的最大值，其谐波含量也满足各项标准要求，对港口供电网络影响较低。测试结果见表3。

表3 现场变频器谐波测试结果

4 结语

本文以传统变频器为基础，40t起重机应用案例为依据，详细介绍了安川U1000系列变频器在再生节能、低谐波、高功率因数、高精度控制上的功能与特点。随着近年来国家对于港口企业节能环保、安全生产要求的不断提高，U1000系列作为安川推出的小型再生型节能变频器，相信凭借其独特的性能与优点会越来越多的受到国内港口企业的关注，为港口企业节能减排、绿色发展做出自己的贡献。