門座式起重機變頻器國產化改造

◎于海波　 李小陽

門座式起重機變頻器國產化改造

◎于海波 李小陽

本文從門座式起重機ABB變頻器的基本原理入手，總結了變頻器常見的故障種類，為以后的設備維修提供借鑒參考。進口變頻器的使用中，存在著維修備件周轉周期緩慢，造成維修周期延長，嚴重影響現場生產，為節約費用，減少投資，門座式起重機變頻器國產化改造具有重要意義。

門座式起重機的概述

門座式起重機是目前貨用港口碼頭使用最為普遍的一種電動裝卸轉運機械。它的工作原理是：通過起升、變幅、旋轉三種運動的組合，既可以在一個環形圓柱體空間實現物品的升降、移動，又可以通過門架和運行機構的調整，來移動整機的工作位置，故可以在較大的作業范圍內滿足運移物品的需要。其產品根據使用場合的不同和用戶要求的性能不同而產生了多種結構形式，總體來說；其結構較為復雜、零部件較多、工作強度較大，對于控制運行它的包含的電機和變頻器在內的電氣系統有很高的要求，電氣系統性能的好壞直接影響了整個工序的順利進行和工作效率。目前港口的很多門座式起重機大都采用變頻調速來控制相關構件的運動，在一定程度上加快了工作的速度，提高了工作效率。

變頻調速的現狀

傳統的門機一般采用的是繞線式異步電動機，依靠轉子繞組上串聯電阻的方式來對門機進行有級調速，這種調速方式的啟動電流較大，電阻發熱損耗大，效率不高，調速范圍不大，機械特性較軟；而且較大的啟動電流會對整個設備產生異常沖擊，進而引起門機相關結構件的振動變形，損壞設備，嚴重的甚至造成門機的壽命大大減少。隨著微型計算機控制技術和高性能電力電子技術的快速發展，變頻調速依靠其優異的啟動，調速制動性能，高功率因數，高效率優勢，越來越多地應用到門機的調速系統中來。

變頻調速的優點

調速效率高，屬于高效調速方式。這是由于在頻率變化后，電動機仍在同步轉速附近運行，基本保持額定轉差。只是在變頻裝置系統中會產生變流損失，以及由于高次諧波的影響，電動機的損耗增加，從而效率有所下降。

調速范圍寬，一般可達20:1，并在整個調速范圍內具有高的調速效率。所以變頻調速適用于調速范圍寬，且經常處于低負荷狀態下運行的場合。

機械特性較硬，在無自動控制時，轉速變化率在5%以下；當采用自動控制時，能做高精度運行，把轉速波動率控制在0.5～1%左右。

鑒于以上優點才使得變頻調速系統能在大范圍內進行高效連續的調速控制，可快速完成正反轉切換，快速高效地實現高頻度的起升運轉、電氣制動，且占用的電源的容量不大，對電網沖擊小。

門座式起重機的變頻調速的控制方式主要有：

V/f協調控制。V/f控制是為了得到理想的轉矩-速度特性，基于在改變電源頻率進行調速的同時，又要保證電動機的磁通不變的思想而提出的，通用型變頻器基本上都采用這種控制方式。V/f控制變頻器結構非常簡單，但是這種變頻器采用開環控制方式，不能達到較高的控制性能，而且，在低頻時，必須進行轉矩補償，以改變低頻轉矩特性。

矢量控制。矢量控制是通過矢量坐標電路控制電動機定子電流的大小和相位，以達到對電動機在d、q、0坐標軸系中的勵磁電流和轉矩電流分別進行控制，進而達到控制電動機轉矩的目的。通過控制各矢量的作用順序和時間以及零矢量的作用時間，又可以形成各種PWM波，達到各種不同的控制目的。例如形成開關次數最少的PWM波以減少開關損耗。目前在變頻器中實際應用的矢量控制方式主要有基于轉差頻率控制的矢量控制方式和無速度傳感器的矢量控制方式兩種。

直接轉矩控制。直接轉矩控制是利用空間矢量坐標的概念，在定子坐標系下分析交流電動機的數學模型，控制電動機的磁鏈和轉矩，通過檢測定子電阻來達到觀測定子磁鏈的目的，因此省去了矢量控制等復雜的變換計算，系統直觀、簡潔，計算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。即使在開環的狀態下，也能輸出100%的額定轉矩。

變頻器的常見故障

門座式起重機的變頻調速系統中，變頻器是整個調速系統的核心部件，其性能好壞關系到整個系統的效率高低。門座式起重機中用到ABB公司的ACS800變頻器，但是在變頻器的工作中，經常發生故障，且隨著使用年限的延長，故障率越來越高，嚴重影響了整個裝卸工作的進度，加大的企業的維修任務，增加了企業生產的成本。ACS800變頻器結構復雜，電路部分硬件分布緊密，間隔空間小，體積大，重量大，硬件維修成本高價格昂貴，同時維修周期較長，采購相應的原件相對來說比較麻煩，為元件的更換工作增加了難度。雖然以前都是提前購買變頻器留作備份，但是隨著故障率的不斷增加，僅僅依靠備件和等待維修已經不能滿足當前現場作業的使用要求。依照原來的維修模式，當出現出現故障，尤其是多種故障時將造成設備長時間停車，嚴重影響了整個港口的生產進度。本文從ABB變頻器ACS800的基本原理入手，總結了變頻器常見的故障種類，為以后的設備維修提供借鑒參考。

ACS800變頻器充電電阻燒壞。查看ACS800變頻器硬件部分可以發現在整個控制板中，其所有控制板都是靠一個電源板提供電能。電能通過直流母線再進行變壓后提供給電源板。當充電電阻燒毀后，直接導致充電電容不能充電，直流母線無電壓，最終造成變頻器所有的電路板將沒有電源，其直觀表現為手操器屏幕黑屏沒有任何顯示反應。通過分析原因可知：在使用過程中能耗電阻接地、短路；斬波器IGBT短路；逆變單元短路。鑒于以上三個原因逐一判斷逐一排除，直到找到真正原因。因此有必要在日常的設備保養中，定期對能耗電阻進行除塵清潔。

ACS800變頻器的IGBT管損壞。變頻器逆變模塊損壞多半是由于驅動電路損壞致使1個橋臂上的2個開關器件同一時間導通所造成的。變頻器逆變功率模塊損壞是不管在矢量變頻器還是節能變頻器等其他變頻設備上常見到的故障，IGBT中流過的電流大，開關頻率高，開關損耗大，尤其是當同一橋臂上的兩個IGBT同時開通形成短路，造成通過IGBT的電流過大，發熱量超過其散熱能力而燒毀，進而燒毀整個斬波電路和逆變電路。總結原因發現以下幾點：

隨著使用時間的增長而發生的功能老化。濾波電容因日久老化，容量減少或內部電感變大，對母線的過壓吸收能力下降，造成母線上過電壓太高而損壞IGBT。

由于外部負載有嚴重過電流、不平衡造成的，由于門機的驅動設備為三相異步電動機，當電動機某相繞組對地短路，電機繞組內部短路，負載機械卡住，相間擊穿，或者輸出電線有短路或對地短路時都會發生過電流的情況，使得IGBT燒毀。

負載誤接電容，或者對地電容太大，造成有沖擊大電流流過IGBT，使其燒毀；用戶電網電壓太高，或有較強的瞬間過電壓，造成過電壓損壞；不適當的操作，干擾和開機、關機等不穩定情況下引起上下兩功率開關器件瞬間同時導通；由于港口環境中的水汽較大，容易有凝露或者水汽進入到變頻器內部而造成其短路發熱；或者煤炭粉塵土屑覆蓋在其表面使得其散熱能力降低而造成燒毀；變頻器內部保護電路（過電壓、過電流保護）的某元件損壞，失去保護功能；變頻器內部某組電源，特別是IGBT驅動級+、-電源損壞，改變了輸出值或兩組電源間絕緣被擊穿；BC SHORT CIR(7113)制動斬波器故障和BR SHORT CIRCUIT故障。

制動斬波器故障一般情況下為斬波器模塊IGBT損壞，或者是制動電阻接觸不良，電阻阻值異常造成。斬波器控制板ABRC的損耗容易造成BR SHORT CIRCUIT故障。

變頻器的國產化改造

隨著門機變頻器的使用年限的增長，故障率也越來越高，其相較于國產變頻器的返廠維修周期較長，且備件的購買替換也比普通的備件成本費用高，一方面加大了維修任務量，制約了門機轉運的工作進度，影響企業的效率，另一方面頻繁多次的維修費用，備件的成本也給企業額外地增加了生產成本，降低盈利的效益。因此門座式起重機起重機變頻器國產化改造意義重大。

（作者單位：神華黃驊港務公司）