摘要：通過對整個系統的控制思路和電氣元件的選取來著重介紹交流變頻調速技術在門座起重機應用中的優點，并以安川G7系列變頻器為例，對2電平控制和3電平控制的優缺點進行了比較，進一步說明新型3電平變頻技術的應用對舊式門座起重機變頻改造的重要性。
關鍵詞：門座起重機；電控系統；變頻；改造
港口門座起重機(以下簡稱門機)是港口碼頭前沿裝卸一般散雜貨的通用港口裝卸起重機，在各海港、內河碼頭都廣泛使用。多數港口的舊門機多采用轉子串電阻方式進行有級調速，此方式調速范圍窄，速度切換不平穩，因此整機的沖擊大、尤其在停車與起動時震動較為厲害，加速了門機鋼結構磨損，也使維修量大大增加。近年來隨著港口自動化水平的提高，交流變頻調速技術在門機中的應用已經越來越普遍。據統計，近幾年各港口新配備的門機中已全部加入了變頻技術，明顯降低了故障率，提高了工作效率。在這種情況下，舊門機電控系統的變頻改造就顯得尤為迫切。本文以門機電控制系統變頻改造為題，探討分析變頻調速技術在門機應用中的優點。
1. 控制系統硬件配置
門機的變頻改造主要是對起升(包括支持、開閉)、變幅、旋轉、行走等機構的電控系統進行改造。由于各機構電機功率一般較大，進行改造一次性投資過高，所以實際改造中往往根據用戶要求進行選擇性改造，由于大車部分工藝要求相對簡單，改造后效果不是很明顯，所以目前國內的舊門機變頻改造多采用只改起升、變幅、旋轉等機構，也有只改造其中個別機構的。
門機變頻控制改造硬件配置主要包括司機室操縱臺、PLC、主令于柄、機器房PLC、變頻器以及電動機、編碼器等電氣單元的更換更新。
某公司門機變頻改造多采用美國GE Fanuc PLC與日本安川G7系列變頻器，取代了原有的電氣元件。如用PLC代替繼電器邏輯控制，提高電氣控制的可靠性，用變頻器調速替代電機轉子串聯電阻調速，很好地解決了起動電流大、電氣元件故障率高、調速范圍窄的問題。
2. PLC控制系統
2.1 PLC選擇
PLC是門機4個機構的控制中心，是通過采集限位、回饋等現場輸入信號，并提供用來控制各執行機構和聲光報警設備的輸出信號來進行工作的，根據原系統現場輸入，輸出信號的作用及數量，結合門機控制工藝的改造要求選擇PLC型號規格。以秦皇島港1臺10t/33m門機改造為例，通過對該機工況的了解，實際需要輸入點102個，輸出點56個，可選用GE Fanuc9030系列PLC。
但是考慮到輸入或輸出點壽命的問題及系統擴展的需要，故實際使用8個輸入模塊共128點，5個輸出模塊共64點，以便滿足日后升級要求。
2.2 PLC輸入，輸出模塊化(I/O圖)設計
該設計中，模塊按功能布置分組設計。第1S2、1S3、1S4、1S5組模塊作為各機構運行條件，限位保護，及機構保護檢測電路的信號輸入點，第lS6、1S7、1S8組作為起升、行走、變幅、回轉操縱手柄信號輸入點。第2S1、2S2組模塊作為起升、行走、變幅、回轉擋位信號輸出點。第2S3、2S4組模塊作為中繼及指示燈信號輸出點。
2.3 PLC軟件的使用
PLC程序采用GE Fanuc ME4.0軟件程序編寫，該軟件可分不同子程序項目名稱進行編程，其中子程序項目按電源、支持、開閉、變幅、旋轉、行走和報警等6部分編寫，這樣既瀏覽直觀，又便于用戶維修。
3. 變頻器調速系統
在選用變頻器調速時，應考慮電動機特性與實際各機構中的應用，起重機的4個運行機構所需的變頻器功率均不同。本例采用日本安川公司G7系列高性能變頻器，它是具有三電平控制電流矢量控制變頻器，是目前世界上唯一采用三電平控制的低壓變頻器。下面以10t/33m門機變頻改造為例，具體從起升機構敘述變頻控制原理，其他變幅、旋轉、行走機構與起升基本相同，只作簡單描述。
3.1 起升機構
起重機的核心是起升機構，裝卸散貨用門機的起升機構又包括支持和開閉2個機構，控制方式相同，它們均是位能變動性負載。因此，要求系統具有良好的動態性能，這樣才能使貨物裝卸平穩，安全可靠。如果利用原有繞線式電動機使用變頻調速控制是比較難滿足條件的，故電動機需要更換成更具有優越性，高性能的變頻專用電動機。但就目前港口門機的現狀，并根據用戶要求和從性價比角度考慮，常采用變頻調速改造時不更換原電機，僅把繞線電機轉子回路短接，去掉了逐級切除電阻調速用的接觸器部分，選用變頻器控制，也能實現調速的無級和元觸點控制。但其性能不如采用高性能變頻專用電動機的控制效果好，但能滿足用戶要求，而且改造成本比較低，投資回報快，在資金允許時再更換變頻專用電動機也很容易，只要對電機作一下停止性自學習即可使用。
根據原門機設計要求及用戶需求，本例中支持和開閉2個機構的電動機選用了90kW變頻專用電動機，選配日本光洋TRD-S600B編碼器，用作速度控制反饋信號，故變頻器選用132kW型號為CIMR-G7A4132安川變頻器，配帶PG-B2速度反饋卡進行閉環矢量控制，系統具有足夠的硬度和良好的低頻轉矩特性，即使變頻器輸出是0Hz電動機也能以150%的額定轉矩輸出，且速度控制精度達到1：1000，并采用PLC和變頻器來控制制動器的松閘和抱閘。采用PG-B2速度反饋卡進行閉環控制，檢測電動機的實際轉速，實現了實際的零速抱閘，可大大延長制動器閘瓦、減速箱、鋼絲繩的壽命，降低故障率，提高工作效率。
變頻器的無級調速很廣，可以根據需要自由設定加減速時間；良好的低速力矩特性使電機在起動和加速時可獲得足夠大的加速度；制動單元及制動電阻的接入使電機在減速和停車時能夠獲得足夠的制動力矩。變頻器的上述特性保證了門機變頻調速系統具有很好的速度響應性能。由于變頻器本身是高可靠性的通用標準設備，故障率極低，因而大大降低了設備的故障率，減少了維護人員的工作量，提高了作業效率。由于安川變頻器針對起重機行業的功能設計，通過PLC的邏輯判斷，真正保證了電機能夠在 零速 抱閘，實現了變頻器平穩的起、制動，從而減輕了各個機構在機械起動和制動時對門機機械部分造成的沖擊，延長了門機機械部分的壽命。因變頻器采用交-直-交控制方式，配有進線電抗器，可使重載作業時的平均功率因數達85%以上，大大超過工普通電控門機的60%，節能率達到30%。
3.2 變幅、旋轉、行走機構
變幅機構多為繞線式電機控制帶動齒條變幅，為常規控制有級調速，因此變幅機構運行時沖擊增大、尤其在停車與起動時震動較大，可造成減速器l密封不嚴，漏油加劇，加速機構磨損，增加了維修量。旋轉機構多為轉柱型、其回轉軸承的支撐重量較重，造成門機旋轉機構起制動過程中晃動較大，對鋼結構的壽命產生了一定的影響；且門機剎車腳踏力較大，從而造成司機的操作疲勞。通過對上述原因進行分析，變幅、旋轉機構所產生的撞擊是由于起動和制動時產生的動能無法很好的吸收造成的，通過引入變頻調速系統可解決上述問題。
(1)變幅機構 原變幅機構是1臺30kW繞線式電動機，根據用戶改造成本狀況，從技術和生產要求考慮，變幅機構改用一臺30kW變頻專用電動機驅動，變頻器選用安川的45kW變頻器CIMR-G7A4045，利用交流變頻調速的特性，選用開環矢量控制的模式。
開環矢量控制是不采用PG卡和編碼器，不需要速度反饋而實現的矢量控制模式，相對于閉環矢量控制精度低，但比V/F控制精度高很多，可實現0.3Hz時電動機能以150%的額定轉矩輸出，且速度控制精度達到1：200，速度響應10Hz。
(2)旋轉機構 原旋轉機構是2臺22kW繞線式電動機，考慮改造中既要節約成本開支，亦能滿足技術和生產要求的情況下，將原來電動機不更換，分別把2臺電動機的轉子繞組抽頭端子短接，去除原來的電阻，選用一臺55kW的型號為CIMR-G7A4055的安川變頻器，選用開環V/F控制的模式實現變頻調速的要求。
(3)行走機構 行走機構是非工作性機構且運行頻率低，故采用原有的標準電機。左腿與右腿共使用了4臺11kW標準電動機驅動。在本起重機工作中，防止事故的發生，旋轉與行走機構是不能同時運行的。經計算，行走總功率為：4臺11kW的電機總功率之和44kW，恰與旋轉機構總功率相當，鑒于以上因素，、采用共用一臺變頻器調速，使用CIMR-G7A4055變頻器，利用交流變頻調速的V/F開環控制模式實現變頻調速控制。
4. 3電平控制變頻器的優缺點及其應用前景
隨著變頻調速技術的不斷進步，安川公司已正式在中國市場推出了采用了3電平控制的真正電流矢量控制型G7系列變頻器，是目前世界上唯一采用三電平控制的400V級通用變頻器，使變頻器輸出電壓更接近正弦波。
傳統的 2電平控制 方式用6個IGBT控制電壓，新型的 3電平控制 方式采用12個IGBT控制電壓。3電平控制方式回路構成見圖4，通過母線間的電解電容將直流電壓一分為二，通過IGEBT的ON/OFF開關動作得到3個電平，使3電平控制時直流側電壓的變化是 2電平控制 方式的1/2，沖擊電壓由原來的1200V下降到770V，故沖擊電壓大大降低，因此不會發生絕緣劣化，可以在不需要外接沖擊濾波器的情況下使用通用電機。3電平控制的漏電流為采用2電平控制的漏電流的1/2，從而減少了接地故障檢測的誤動作，通過比較發現使用 3電平控制 較原來的 2電平控制 方式噪聲干擾下降20dB。低沖擊電壓、低干擾和低噪聲是3電平控制變頻器的主要優點。
采用2電平控制方：式的變頻器，原則上要求配用變頻專用電機，但實際上通常采用的多為普通繞線電機，這種電機不但啟動電流比同功率的變頻電機大，而且絕緣等級也比變頻電機低(變頻電機一般為F級，而普通繞線電機一般為B級)。采用2電平控制的變頻器有如下缺點：一是施加在電機軸的沖擊電壓對繞線電機軸承及電機線圈的損害；二是變頻器在矢量控制模式(如變幅和起升電機的控制)時要求進行旋轉型自學習，并且要求在自學習時脫開負載。
變幅和起升電機要脫開負載時，必須要求減速箱與電機軸脫開，給調試造成不便，如果不進行自學習則不能達到矢量控制的效果，即重載時容易造成 溜車 。
安川公司推出的G7系列變頻器則完全解決了上述問題。G7系列變頻器相對其他 2電平控制 變頻器有如下方面的改善：
(1)采用3電平控制模式，可驅動普通電機；
(2)可實現停止型自學習；
(3)低速力矩方面進一步改善，它實現了在無PG矢量控制時在0.3Hz可輸出150%以上的轉矩；
(4)可實現過載150%額定功率1min和200%額定功率0.5s的過載能力；
(5)采用無PG矢量2控制，即使在無PG時也可以實現力矩控制；
(6)能很好的抑制作用在電機上的沖擊電壓，無需電機的沖擊電壓對策。
綜上所述，新型3電平控制變頻器既繼承了2電平控制的優點，又解決了原2電平控制的缺點和不足；特別是安川G7系列變頻器秉承安川變頻器在起重機行業的一貫優勢，使門機在變頻改造后性能和可靠性進一步提升。經過一些港口的使用，系統投入運行以來，運行穩定可靠，受到用戶好評。
5. 結束語
門機自變頻改造以來，性能穩定良好，維護工作量明顯減小。與改造前比較有以下優點：
(1)制動器閘瓦損耗少，制動輪元磨擦發熱現象；
(2)減速器和傳動部件噪聲減少了；
(3)改造后比改造前節能約10%；
(4)鋼絲繩磨損大大減少；
(5)使用PLC、變頻器控制后，檢修方便快捷；
(6)整機運行平穩，工作效率提高。
