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【摘 要】 近些年来，在港口节能减排建设力度的逐渐加大，港区逐渐大量使用较新的双向逆变技术，使得装卸设备在减速、制动负载重物之时产生再生制动能量而回馈电网，基于此，本文分析了港口装卸变频器用电特性评价技术。
【关键词】 港口装卸机械；变频器；用电特性
引言：
变频调速技术是随交流电机无级调速需求诞生的。20世纪60年代后半期开始，电力电子器件从SCR（晶闸管）、GTO（门极可关断晶闸管）、BJT（双极型功率晶体管）、MOSFET（金属氧化物半导体场效应管）、SIT（静电感应晶体管）、SITH（静电感应晶闸管），MCT（MOS控制晶体管）、MCT（MOS控制晶闸管）发展到今天的IGBT（绝缘栅双极型晶体管）、HVIGBT（耐高压绝缘栅双极型晶闸管），器件的更新促使电力变换技术不断发展。从2O世纪70年代开始，脉宽调制变压变频（PWM—VVVF）调速研究引起了人们的高度重视，到20世纪8O年代，作为变频技术核心的PWM模式优化问题引起了人们的浓厚兴趣，并得出诸多优化模式，其中以鞍形波PWM模式效果为最佳。自20世纪80年代后半期始，美、日、德、英等发达国家的VVVF变频器开始投入市场并得到广泛应用。港口起重机械应用大功率变频调速器对机械的有效利用率大大提高，但它随之产生的频繁变换的交变频率而产生电磁干扰却对港口通讯设备产生一定程度的电磁波干扰，有必要在大规模应用变频调速来改善港口机械的工作效率与节能的同时，研究屏蔽变频辐射对通讯质量的影响，让科学技术为人类服务，降低污染，保护我们的生活质量和工作质量。20世纪70年代后，大规模集成电路和计算機控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面可以与直流电力拖动媲美，在输出转距上远远优于直流电力拖动。在交流调速技术中，变频调速具有绝对优势，并且它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频调速节电效果十分明显，而且易于实现过程自动化。
1、变频调速对港口起重机械的影响问题分析研究
在港口起重机械调速方法中，变频调速的调速范围大，平滑高，变频时同时改变定子外加电压，可实现恒功率或恒转矩调速以适应不同负载的要求，低速时特性的静差率较高，调速的效率和功率因数高，是异步电动机调速方法中最有发展前途的一种。其缺点是必须有专用的变频电源（单机配备变频器），在恒转矩调速时，低速段电动机的过载倍数大为降低，甚至不能带动负载。交流电动机的变频调速系统具有调速范围宽，调速精度高等特点，并对起重机械的运行状态几乎没有影响。变频调速采用磁通矢量控制技术或大转矩提升技术，可解决港口起重机起动转矩大、低速时大力矩输出及负载变化巨烈的问题；加减速时间的设定，可解决港口起重机起制动的频繁冲击，使起重机的速度变化连续，运行平稳；利用频率到达信号或频率检测信号控制制动器开闭，只有在电机的输出转矩大于负载转矩时，制动才打开，解决了溜钩问题，利用电源回馈技术把电机在第四象限运行的再生能量变换成50Hz的交流电回馈电网，保护变频器不被击穿；主控制回路分开并可靠接地，避免强电对变频器弱信号的干挠。可使港口起重机械设备连续在大负载的状态下工作，节能效果也十分显著。
2、用电特性分析的意义
能量回馈装置改变了港口配电系统的功率潮流，且能量回馈装置以及变频器等是典型的谐波源，因此在装卸设备故障过程中，可能会对港口配电系统的安全稳定运行产生影响，主要有以下几个方面：（随着装卸设备体积及起吊重物能力的增加，装卸设备电机的功率也逐渐增大，虽然现在已经普遍使用变频调速技术来改善电机启动时的冲击电流，但是并不能完全消除这种影响，大电机启动时仍会产生较大的冲击电流，影响系统的安全稳定性。（港口的装卸设备使用能量回馈单元将电机再生制动的能量回馈至电网，虽然增加了能量的利用率，但是也改变了港口配电系统的功率潮流，可能会进一步加剧港口配电系统的功率冲击，对系统的安全稳定运行造成威胁。港口配电系统的功率冲击性较大会导致港口用电设备的平均利用率偏低，造成设备资产的浪费。（装卸设备的变频器及能量回馈装置均是典型的非线性用电负荷，工作过程中产生的谐波若超过电磁兼容标准不但会影响设备的使用寿命，还可能会影响设备的安全稳定运行。因此，有必要对装卸设备的用电特性进行研究，以了解港口各装卸设备在工作过程中对港口配电系统产生的影响。
3、港口装卸机械变频器用电特性评价技术应用
3.1、电解电容器的ESR
在变频器中，所有的纹波电流流过电解电容器，这个纹波电流在电解电容器的ESR产生功耗并变成焦耳热。以30kW变频器为例，并联在直流母线上的电解电容器总的ESR约为60-90 ，纹波电流超过80—90A，在两并两串的电解电容器上将产生40--70W的功耗每个电解电容器所产生的损耗约为10-20W。对于散热性能很差的电解电容器，这将产生比较高的温升，进一步缩短了电解电容器的寿命。
3.2、电解电容器的阻抗一频率特性
电解电容器的阻抗一频率特性的高频段主要表现电解电容器的感抗。关于电解电容器的寄生电感，很多电解电容器生产厂商没有给出这个参数。但是，在实际应用中电解电容器的寄生电感将直接影响逆变器的性能。如两只串联的电解电容器的寄生电感为200nH，在电流变化率为500A 时，将在直流母线上产生100V的感生电势，将增加逆变器的开关损耗和电磁干扰。
3.3、节电运行分析方法
电量功率因数的计算方法：用有功电量和无功电量求得视在电量，再用有功电量除以视在电量得到电量功率因数，求取无功电量时倒送无功电量正计。用电发电时长的计算方法：求取有功功率或有功电量大于的时间总和作为用电时长，求取有功功率或有功电量小于的时间总和作为发电时长。最大有功功率取分析时段内有功功率趋势的最大值；平均有功功率取分析时段内有功功率趋势的平均值最大无功功率取分析时段内无功功率趋势的最大值；平均无功功率取分析时段内无功功率趋势的平均值。
能量转换系数 ，《DB31/T541-2011电梯能量回馈装置技术要求和试验方法》标准中规定了回馈装置效率的要求：当回馈装置处于25%额定功率时，其效率应不低于85%；当回馈装置处于50%额定功率时，其效率应不低于90%，当回馈装置处于额定功率100%时，其效率应不低于95%。其效率计算公式为：
其中 Pac输出交流功率，Pdc 输入直流功率。
5#40t门机和39#龙门吊能量回馈装置从变频器出线侧到总进线侧有两级能量回馈，同时根据《DB31/T541-2011电梯能量回馈装置技术要求和试验方法》标准要求，取能量转换系数 ε≈0.95×0.95≈0.9，而41#16t门机和1#桥吊能量回馈装置测试时0.4kv总进线和支持电机开闭电机都在变频器进线侧测试所得，因此取能量转换系数ε=1 。
4、结语
随着电力电子技术，微电子技术和现代控制理论的快速发展，变频交流调速已逐渐取代了过去的滑差调速，变极调速，直流调速等调速系统，由于输出转距大、功率损失低、调速范围宽等优越性，越来越广泛的应用于工业生产和日常生活的许多领域。在广泛的使用领域中，电气传动关系到合理地使用电动机以节约电能和控制机械的运转状态（位置、速度、加速度等），交流变频调速技术实现电能-机械能的转换，达到优质、高效、低耗的目的。交流变频调速技术以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节间效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被公认为最有发展前途的调速方式，进而不断提升变频器的用电性能。
参考文献：
[1]王飞龙.港口电网电能质量评估及其负荷运行特性分析[D].安徽大学，2013.
[2]黄国庆，韦树宝.港口装卸机械节能评价体系研究[J].中国水运（下半月），2014，05：131-132+136.
[3]李兆进.港口装卸机械的作业流程系统研究与开发[D].大连理工大学，2010.
[4]汪亚非.港口装卸机械现代设计方法的应用与发展[J].物流技术，2001，06：5-7.
【关键词】 港口装卸机械；变频器；用电特性
引言：
变频调速技术是随交流电机无级调速需求诞生的。20世纪60年代后半期开始，电力电子器件从SCR（晶闸管）、GTO（门极可关断晶闸管）、BJT（双极型功率晶体管）、MOSFET（金属氧化物半导体场效应管）、SIT（静电感应晶体管）、SITH（静电感应晶闸管），MCT（MOS控制晶体管）、MCT（MOS控制晶闸管）发展到今天的IGBT（绝缘栅双极型晶体管）、HVIGBT（耐高压绝缘栅双极型晶闸管），器件的更新促使电力变换技术不断发展。从2O世纪70年代开始，脉宽调制变压变频（PWM—VVVF）调速研究引起了人们的高度重视，到20世纪8O年代，作为变频技术核心的PWM模式优化问题引起了人们的浓厚兴趣，并得出诸多优化模式，其中以鞍形波PWM模式效果为最佳。自20世纪80年代后半期始，美、日、德、英等发达国家的VVVF变频器开始投入市场并得到广泛应用。港口起重机械应用大功率变频调速器对机械的有效利用率大大提高，但它随之产生的频繁变换的交变频率而产生电磁干扰却对港口通讯设备产生一定程度的电磁波干扰，有必要在大规模应用变频调速来改善港口机械的工作效率与节能的同时，研究屏蔽变频辐射对通讯质量的影响，让科学技术为人类服务，降低污染，保护我们的生活质量和工作质量。20世纪70年代后，大规模集成电路和计算機控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面可以与直流电力拖动媲美，在输出转距上远远优于直流电力拖动。在交流调速技术中，变频调速具有绝对优势，并且它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频调速节电效果十分明显，而且易于实现过程自动化。
1、变频调速对港口起重机械的影响问题分析研究
在港口起重机械调速方法中，变频调速的调速范围大，平滑高，变频时同时改变定子外加电压，可实现恒功率或恒转矩调速以适应不同负载的要求，低速时特性的静差率较高，调速的效率和功率因数高，是异步电动机调速方法中最有发展前途的一种。其缺点是必须有专用的变频电源（单机配备变频器），在恒转矩调速时，低速段电动机的过载倍数大为降低，甚至不能带动负载。交流电动机的变频调速系统具有调速范围宽，调速精度高等特点，并对起重机械的运行状态几乎没有影响。变频调速采用磁通矢量控制技术或大转矩提升技术，可解决港口起重机起动转矩大、低速时大力矩输出及负载变化巨烈的问题；加减速时间的设定，可解决港口起重机起制动的频繁冲击，使起重机的速度变化连续，运行平稳；利用频率到达信号或频率检测信号控制制动器开闭，只有在电机的输出转矩大于负载转矩时，制动才打开，解决了溜钩问题，利用电源回馈技术把电机在第四象限运行的再生能量变换成50Hz的交流电回馈电网，保护变频器不被击穿；主控制回路分开并可靠接地，避免强电对变频器弱信号的干挠。可使港口起重机械设备连续在大负载的状态下工作，节能效果也十分显著。
2、用电特性分析的意义
能量回馈装置改变了港口配电系统的功率潮流，且能量回馈装置以及变频器等是典型的谐波源，因此在装卸设备故障过程中，可能会对港口配电系统的安全稳定运行产生影响，主要有以下几个方面：（随着装卸设备体积及起吊重物能力的增加，装卸设备电机的功率也逐渐增大，虽然现在已经普遍使用变频调速技术来改善电机启动时的冲击电流，但是并不能完全消除这种影响，大电机启动时仍会产生较大的冲击电流，影响系统的安全稳定性。（港口的装卸设备使用能量回馈单元将电机再生制动的能量回馈至电网，虽然增加了能量的利用率，但是也改变了港口配电系统的功率潮流，可能会进一步加剧港口配电系统的功率冲击，对系统的安全稳定运行造成威胁。港口配电系统的功率冲击性较大会导致港口用电设备的平均利用率偏低，造成设备资产的浪费。（装卸设备的变频器及能量回馈装置均是典型的非线性用电负荷，工作过程中产生的谐波若超过电磁兼容标准不但会影响设备的使用寿命，还可能会影响设备的安全稳定运行。因此，有必要对装卸设备的用电特性进行研究，以了解港口各装卸设备在工作过程中对港口配电系统产生的影响。
3、港口装卸机械变频器用电特性评价技术应用
3.1、电解电容器的ESR
在变频器中，所有的纹波电流流过电解电容器，这个纹波电流在电解电容器的ESR产生功耗并变成焦耳热。以30kW变频器为例，并联在直流母线上的电解电容器总的ESR约为60-90 ，纹波电流超过80—90A，在两并两串的电解电容器上将产生40--70W的功耗每个电解电容器所产生的损耗约为10-20W。对于散热性能很差的电解电容器，这将产生比较高的温升，进一步缩短了电解电容器的寿命。
3.2、电解电容器的阻抗一频率特性
电解电容器的阻抗一频率特性的高频段主要表现电解电容器的感抗。关于电解电容器的寄生电感，很多电解电容器生产厂商没有给出这个参数。但是，在实际应用中电解电容器的寄生电感将直接影响逆变器的性能。如两只串联的电解电容器的寄生电感为200nH，在电流变化率为500A 时，将在直流母线上产生100V的感生电势，将增加逆变器的开关损耗和电磁干扰。
3.3、节电运行分析方法
电量功率因数的计算方法：用有功电量和无功电量求得视在电量，再用有功电量除以视在电量得到电量功率因数，求取无功电量时倒送无功电量正计。用电发电时长的计算方法：求取有功功率或有功电量大于的时间总和作为用电时长，求取有功功率或有功电量小于的时间总和作为发电时长。最大有功功率取分析时段内有功功率趋势的最大值；平均有功功率取分析时段内有功功率趋势的平均值最大无功功率取分析时段内无功功率趋势的最大值；平均无功功率取分析时段内无功功率趋势的平均值。
能量转换系数 ，《DB31/T541-2011电梯能量回馈装置技术要求和试验方法》标准中规定了回馈装置效率的要求：当回馈装置处于25%额定功率时，其效率应不低于85%；当回馈装置处于50%额定功率时，其效率应不低于90%，当回馈装置处于额定功率100%时，其效率应不低于95%。其效率计算公式为：
其中 Pac输出交流功率，Pdc 输入直流功率。
5#40t门机和39#龙门吊能量回馈装置从变频器出线侧到总进线侧有两级能量回馈，同时根据《DB31/T541-2011电梯能量回馈装置技术要求和试验方法》标准要求，取能量转换系数 ε≈0.95×0.95≈0.9，而41#16t门机和1#桥吊能量回馈装置测试时0.4kv总进线和支持电机开闭电机都在变频器进线侧测试所得，因此取能量转换系数ε=1 。
4、结语
随着电力电子技术，微电子技术和现代控制理论的快速发展，变频交流调速已逐渐取代了过去的滑差调速，变极调速，直流调速等调速系统，由于输出转距大、功率损失低、调速范围宽等优越性，越来越广泛的应用于工业生产和日常生活的许多领域。在广泛的使用领域中，电气传动关系到合理地使用电动机以节约电能和控制机械的运转状态（位置、速度、加速度等），交流变频调速技术实现电能-机械能的转换，达到优质、高效、低耗的目的。交流变频调速技术以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节间效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被公认为最有发展前途的调速方式，进而不断提升变频器的用电性能。
参考文献：
[1]王飞龙.港口电网电能质量评估及其负荷运行特性分析[D].安徽大学，2013.
[2]黄国庆，韦树宝.港口装卸机械节能评价体系研究[J].中国水运（下半月），2014，05：131-132+136.
[3]李兆进.港口装卸机械的作业流程系统研究与开发[D].大连理工大学，2010.
[4]汪亚非.港口装卸机械现代设计方法的应用与发展[J].物流技术，2001，06：5-7.