1 引言
变频电源(ac power source)是将市面的直流或交流电转变为频率和电压可调的一种精密电源。由于全球各国的电网标准不同，出口的产品和设备需要在模拟各国不同的电网标准下进行设计调试，或者国外的产品和设备在国内使用也需要配备正确的电源。传统变频电源采用的是发电机二次变频，随着电子器件和控制技术的发展，以igbt作为功率开关器件通过spwm正弦脉宽调制实现的变频电源，以噪音低、震动小、能耗低、效率高、精度和稳定度好、响应快、寿命长等优点，正逐步取代传统的变频电源。理想的变频电源要求频率和电压稳定、内阻为零、波形正弦无失真，而变频电源十分接近理想的变频电源，因此很多发达国家将变频电源作为标准供电电源，并广泛应用于港口、船舶、航空、实验室等场合。
目前，世界集装箱港口通用起重机械(又称场桥)有两类，一类是轨道式集装箱龙门起重机rail mounted gantry crane，简称rmg，另一类是轮胎式集装箱龙门起重机rubber tyred gantry crane，简称rtg。rmg采用市电供电，具有节能、无噪音、无污染、稳定可靠及能量再生等优点，但不能转场；rtg采用柴油发电机组供电，虽然可以灵活转场但能耗大、效率低、污染严重、噪音和振动大、且不能再生。据统计，目前全球集装箱起重机中95%都是rtg。见图1。

图1 集装箱龙门起重机

如果把变频电源应用在rtg上，一种使用市电的绿色rtg便应运而生。在能源紧缺和油价高涨的环境下，对现有的rtg油改电技术改造即能降低运行成本，又能减少污染。因此，这种绿色环保的rtg极具市场潜力和推广性。

2 rtg与油改电
柴油rtg采用柴油发电机组供电虽能灵活转场，但是维护和运行成本大，效率低。
为了响应节能减排保护环境的号召，在油价高涨的趋势下可对rtg进行油改电技术改造，取消rtg柴油发电机而采用市电供电，即大车、小车、提升机构和辅助电源等使用市电，减小柴油发电机的功率给转场供电。在堆场作业时，由堆场供电系统供电，发电机停止工作；转场时，rtg将脱离市电电网，由发电机供电；转场完成后另一堆场供电系统供电同时发电机停止工作。不但节约能耗而且又能灵活操作。电源接线有高空滑线、低空滑线和地面接线之分，地面接线时需考虑电缆卷盘控制。市电有直流和交流之分，如采用交流供电则不需要变频电源但是控制电源易受电网波动影响但线路成本较大，同时负载下降时产生的能量不能再生而是以能耗制动转化为热能，造成浪费；如采用直流供电则需要变频电源给控制设备供电但线路成本较小，同时能量可以再生，即负载下降时产生的能量将反馈到直流母线上供其它设备利用。针对实际的现场环境来选择合理的接线方式和电源类型。目前，rtg上使用的变频器大都是直流供电，因此采用直流市电改造成效较好。
以常规rtg(40吨)为例，起吊单箱集装箱油耗为2-3升；油改电后，单箱电耗仅为2-3度，能耗成本可节约70%，噪音减少60%，平均每台每年可节省30万元油耗，按每台设备改造费50万算，两年内可回收投资成本，同时污染大大减小，振动和噪音也降至最低。

3 变频电源
当采用直流供电rtg时，变频电源负责给控制电路供电，为了保证整个系统可靠运行，它必须具备较高的性能。一般要求能抑制电网的波动，波形失真小，响应快，精度高，稳定性好，过载能力强，ip防护等级高，保护功能多等。
深圳爱博科技有限公司生产的变频电源以其优质的性能、可靠的质量和优越的性价比广泛应用于港口、码头、船舶、海上钻井平台等场合。其核心为vacon nxs标准型变频器，其内置交流电抗器，配有应用宏开发软件，具有模块化的设计，结构紧凑，启动转矩高达200%等特点，不仅可以用来制造变频电源，而且还能应用在ups、eps上。变频电源的结构原理如图2，主要有变频器、正弦滤波器、隔离变压器和电能分析仪组成。变频器把电网的交流或直流电spwm脉宽调制成所需的交流电，由于spwm脉宽调制输出的波形为方波，如要得到标准的正弦波，需要加装lc正弦滤波器，同时为了增强其带载能力和稳定性，在正弦滤波器后加装δ/y型隔离变压器，如考虑电路的压降，隔离变压器要有一定的升压功能，设计时应以电网的情况而选择合适的变压比。电能分析仪采集电压数据作为pid实际值以便pid处理，同时它还具有电流，功率等数据显示和多种保护功能。变频电源输出的电压和频率是分别独立控制的，都在面板上设定，运行过程中输出频率是保持不变的，但输出电压会因负载的大小而发生波动，为了维持电压的稳定，采用了pid调节器。另外，此变频电源还具有失电自动重启功能。

图2 变频电源的结构原理

变频电源技术数据如下：
●输入电压：3p，380-500vac，-15%～10%，45～66hz；513-675vdc，-15%～10%
3p，525-690vac，-15%～10%， 45～66hz；708-931vdc，-15%～10%
●输出频率：0～400h或更高，误差值约0.1hz，稳定精度约0.02% (100%负载下测试)；
●输出电压：可调，稳定精度约 2.5% (100%负载下测试)
●波形失真度: <3%；
●功率因数：>97%；
●整体效率：>90%；
●输出波峰系数cf：=1.4；
●变压器绝缘等级：f；
●变频柜防护等级：ip65；
●emc等级：en61800-3 c2；
●冷却方式：风冷；
●海拔高度：<1000m无降容，>1000m每升高100m降容1%
●温度：-10~50℃，内置空调；
●湿度：<95%，内置湿度控制器。
变频电源选型原则如下：
变频电源可以驱动多种不同的负载，常见的有阻性负载、感性负载、容性负载、整流容性负载和混合型负载等。不同类型的负载其选型原则也不同，需予以重视。见图3。

图3 变频电源的几种负载

(1) 阻性负载：变频电源容量=1.1x负载功率
(2) 感性负载：变频器容量=1.1x视在功率
电机类负载启动时，启动电流可达到5-8倍额定电流，时间约2秒，因此需考虑启动容量，一般为3-4倍额定容量，或者电机采用软启动或星三角启动。如与其他对电压波形要求更高的负载混用，还应加大容量。
(3) 容性负载：变频器容量=1.1x视在功率
(4) 整流容性负载：电路中含有整流桥或可控硅和电容，如无限流电路，在电路接通瞬间其冲击电流很大，高达4-5倍额定电流，容易对变频电源或整流电路造成损坏。电流波峰系数对变频电源容量影响较大。变频器容量=电流波峰系数/1.5x视在功率。如与其他对电压波形要求更高的负载混用，还应加大容量。
(5) 混合型负载按照不同负载的比例综合计算。

4 应用实例
妈湾港区处于珠江口东岸，深圳南头半岛西岸，占地面积68万平方m，泊位总长1150m，泊位最大水深达13.5m，拥有3个3.5万吨级以上泊位、2个5千吨级泊位和1个2千吨级泊位，是一个吞吐量很大的集装箱码头，拥有各类港口机械300多套，门机20台，轮胎吊23台，集装箱正面吊3台，集装箱空箱堆高机10台，10吨以上铲车23台，场地龙门吊5台，曲臂机2台。长期以来，龙门吊采用柴油发电机发电，不但运行和维护成本高，而且严重污染环境，同时噪音和振动较大。随着油价等成本大大提高，设备部决定对龙门吊油改电技术改造。由于rtg的提升及大小车变频器都是使用的直流进线，并且能量还能再生，最后他们决定采用直流供电、高空滑线方案进行设备改造。改造后大小车和提升直接从直流电网取电，空调、照明、及控制等辅助电路采用变频器电源供电，转场依旧采用柴油发电机，仅在转场时使用，一旦进入场区便停止发电机工作。自5月份开始改造第一台rtg以来，到目前为止总共改造了5台。据反映，整体操控性良好，故障率和维护量减少，同时浓黑的黑烟不见了，噪音和振动也大大减小了，深受操作人员称赞。同时运行成本也大大降低，每个集装箱的成本可降低65%，估计一年半左右可回收设备投资成本。对长远的经济发展和环境保护意义深远。

作者简介
李明星 (1979-) 男 2003年毕业于长春工程学院电气工程及自动化专业，现任伟肯(苏州)电气传动有限公司应用工程师，从事vacon变频器的技术应用工作。
韦益春 (1981-) 男 2003年毕业于广西水利电力学院电气工程及自动化专业，现任深圳爱博科技公司技术经理，从事变频电源设计和应用工作。