◎于海波　 李小陽

門座式起重機(jī)變頻器國產(chǎn)化改造

◎于海波 李小陽

本文從門座式起重機(jī)ABB變頻器的基本原理入手，總結(jié)了變頻器常見的故障種類，為以后的設(shè)備維修提供借鑒參考。進(jìn)口變頻器的使用中，存在著維修備件周轉(zhuǎn)周期緩慢，造成維修周期延長，嚴(yán)重影響現(xiàn)場生產(chǎn)，為節(jié)約費(fèi)用，減少投資，門座式起重機(jī)變頻器國產(chǎn)化改造具有重要意義。

門座式起重機(jī)的概述

門座式起重機(jī)是目前貨用港口碼頭使用最為普遍的一種電動(dòng)裝卸轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械。它的工作原理是：通過起升、變幅、旋轉(zhuǎn)三種運(yùn)動(dòng)的組合，既可以在一個(gè)環(huán)形圓柱體空間實(shí)現(xiàn)物品的升降、移動(dòng)，又可以通過門架和運(yùn)行機(jī)構(gòu)的調(diào)整，來移動(dòng)整機(jī)的工作位置，故可以在較大的作業(yè)范圍內(nèi)滿足運(yùn)移物品的需要。其產(chǎn)品根據(jù)使用場合的不同和用戶要求的性能不同而產(chǎn)生了多種結(jié)構(gòu)形式，總體來說；其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、零部件較多、工作強(qiáng)度較大，對(duì)于控制運(yùn)行它的包含的電機(jī)和變頻器在內(nèi)的電氣系統(tǒng)有很高的要求，電氣系統(tǒng)性能的好壞直接影響了整個(gè)工序的順利進(jìn)行和工作效率。目前港口的很多門座式起重機(jī)大都采用變頻調(diào)速來控制相關(guān)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)，在一定程度上加快了工作的速度，提高了工作效率。

變頻調(diào)速的現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的門機(jī)一般采用的是繞線式異步電動(dòng)機(jī)，依靠轉(zhuǎn)子繞組上串聯(lián)電阻的方式來對(duì)門機(jī)進(jìn)行有級(jí)調(diào)速，這種調(diào)速方式的啟動(dòng)電流較大，電阻發(fā)熱損耗大，效率不高，調(diào)速范圍不大，機(jī)械特性較軟；而且較大的啟動(dòng)電流會(huì)對(duì)整個(gè)設(shè)備產(chǎn)生異常沖擊，進(jìn)而引起門機(jī)相關(guān)結(jié)構(gòu)件的振動(dòng)變形，損壞設(shè)備，嚴(yán)重的甚至造成門機(jī)的壽命大大減少。隨著微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和高性能電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，變頻調(diào)速依靠其優(yōu)異的啟動(dòng)，調(diào)速制動(dòng)性能，高功率因數(shù)，高效率優(yōu)勢，越來越多地應(yīng)用到門機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)中來。

變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)

調(diào)速效率高，屬于高效調(diào)速方式。這是由于在頻率變化后，電動(dòng)機(jī)仍在同步轉(zhuǎn)速附近運(yùn)行，基本保持額定轉(zhuǎn)差。只是在變頻裝置系統(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生變流損失，以及由于高次諧波的影響，電動(dòng)機(jī)的損耗增加，從而效率有所下降。

調(diào)速范圍寬，一般可達(dá)20:1，并在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)具有高的調(diào)速效率。所以變頻調(diào)速適用于調(diào)速范圍寬，且經(jīng)常處于低負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行的場合。

機(jī)械特性較硬，在無自動(dòng)控制時(shí)，轉(zhuǎn)速變化率在5%以下；當(dāng)采用自動(dòng)控制時(shí)，能做高精度運(yùn)行，把轉(zhuǎn)速波動(dòng)率控制在0.5～1%左右。

鑒于以上優(yōu)點(diǎn)才使得變頻調(diào)速系統(tǒng)能在大范圍內(nèi)進(jìn)行高效連續(xù)的調(diào)速控制，可快速完成正反轉(zhuǎn)切換，快速高效地實(shí)現(xiàn)高頻度的起升運(yùn)轉(zhuǎn)、電氣制動(dòng)，且占用的電源的容量不大，對(duì)電網(wǎng)沖擊小。

門座式起重機(jī)的變頻調(diào)速的控制方式主要有：

V/f協(xié)調(diào)控制。V/f控制是為了得到理想的轉(zhuǎn)矩-速度特性，基于在改變電源頻率進(jìn)行調(diào)速的同時(shí)，又要保證電動(dòng)機(jī)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(jié)構(gòu)非常簡單，但是這種變頻器采用開環(huán)控制方式，不能達(dá)到較高的控制性能，而且，在低頻時(shí)，必須進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，以改變低頻轉(zhuǎn)矩特性。

矢量控制。矢量控制是通過矢量坐標(biāo)電路控制電動(dòng)機(jī)定子電流的大小和相位，以達(dá)到對(duì)電動(dòng)機(jī)在d、q、0坐標(biāo)軸系中的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流分別進(jìn)行控制，進(jìn)而達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。通過控制各矢量的作用順序和時(shí)間以及零矢量的作用時(shí)間，又可以形成各種PWM波，達(dá)到各種不同的控制目的。例如形成開關(guān)次數(shù)最少的PWM波以減少開關(guān)損耗。目前在變頻器中實(shí)際應(yīng)用的矢量控制方式主要有基于轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩控制。直接轉(zhuǎn)矩控制是利用空間矢量坐標(biāo)的概念，在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，通過檢測定子電阻來達(dá)到觀測定子磁鏈的目的，因此省去了矢量控制等復(fù)雜的變換計(jì)算，系統(tǒng)直觀、簡潔，計(jì)算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。即使在開環(huán)的狀態(tài)下，也能輸出100%的額定轉(zhuǎn)矩。

變頻器的常見故障

門座式起重機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)中，變頻器是整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的核心部件，其性能好壞關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的效率高低。門座式起重機(jī)中用到ABB公司的ACS800變頻器，但是在變頻器的工作中，經(jīng)常發(fā)生故障，且隨著使用年限的延長，故障率越來越高，嚴(yán)重影響了整個(gè)裝卸工作的進(jìn)度，加大的企業(yè)的維修任務(wù)，增加了企業(yè)生產(chǎn)的成本。ACS800變頻器結(jié)構(gòu)復(fù)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(jià)格昂貴，同時(shí)維修周期較長，采購相應(yīng)的原件相對(duì)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(jīng)不能滿足當(dāng)前現(xiàn)場作業(yè)的使用要求。依照原來的維修模式，當(dāng)出現(xiàn)出現(xiàn)故障，尤其是多種故障時(shí)將造成設(shè)備長時(shí)間停車，嚴(yán)重影響了整個(gè)港口的生產(chǎn)進(jìn)度。本文從ABB變頻器ACS800的基本原理入手，總結(jié)了變頻器常見的故障種類，為以后的設(shè)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(fā)現(xiàn)在整個(gè)控制板中，其所有控制板都是靠一個(gè)電源板提供電能。電能通過直流母線再進(jìn)行變壓后提供給電源板。當(dāng)充電電阻燒毀后，直接導(dǎo)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(xiàn)為手操器屏幕黑屏沒有任何顯示反應(yīng)。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(gè)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(shè)備保養(yǎng)中，定期對(duì)能耗電阻進(jìn)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(qū)動(dòng)電路損壞致使1個(gè)橋臂上的2個(gè)開關(guān)器件同一時(shí)間導(dǎo)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(jié)能變頻器等其他變頻設(shè)備上常見到的故障，IGBT中流過的電流大，開關(guān)頻率高，開關(guān)損耗大，尤其是當(dāng)同一橋臂上的兩個(gè)IGBT同時(shí)開通形成短路，造成通過IGBT的電流過大，發(fā)熱量超過其散熱能力而燒毀，進(jìn)而燒毀整個(gè)斬波電路和逆變電路。總結(jié)原因發(fā)現(xiàn)以下幾點(diǎn)：

隨著使用時(shí)間的增長而發(fā)生的功能老化。濾波電容因日久老化，容量減少或內(nèi)部電感變大，對(duì)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(fù)載有嚴(yán)重過電流、不平衡造成的，由于門機(jī)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備為三相異步電動(dòng)機(jī)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)某相繞組對(duì)地短路，電機(jī)繞組內(nèi)部短路，負(fù)載機(jī)械卡住，相間擊穿，或者輸出電線有短路或?qū)Φ囟搪窌r(shí)都會(huì)發(fā)生過電流的情況，使得IGBT燒毀。

負(fù)載誤接電容，或者對(duì)地電容太大，造成有沖擊大電流流過IGBT，使其燒毀；用戶電網(wǎng)電壓太高，或有較強(qiáng)的瞬間過電壓，造成過電壓損壞；不適當(dāng)?shù)牟僮鳎蓴_和開機(jī)、關(guān)機(jī)等不穩(wěn)定情況下引起上下兩功率開關(guān)器件瞬間同時(shí)導(dǎo)通；由于港口環(huán)境中的水汽較大，容易有凝露或者水汽進(jìn)入到變頻器內(nèi)部而造成其短路發(fā)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(nèi)部保護(hù)電路（過電壓、過電流保護(hù)）的某元件損壞，失去保護(hù)功能；變頻器內(nèi)部某組電源，特別是IGBT驅(qū)動(dòng)級(jí)+、-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(dòng)斬波器故障和BR SHORT CIRCUIT故障。

制動(dòng)斬波器故障一般情況下為斬波器模塊IGBT損壞，或者是制動(dòng)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(chǎn)化改造

隨著門機(jī)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(chǎn)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(fèi)用高，一方面加大了維修任務(wù)量，制約了門機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)的工作進(jìn)度，影響企業(yè)的效率，另一方面頻繁多次的維修費(fèi)用，備件的成本也給企業(yè)額外地增加了生產(chǎn)成本，降低盈利的效益。因此門座式起重機(jī)起重機(jī)變頻器國產(chǎn)化改造意義重大。

（作者單位：神華黃驊港務(wù)公司）