门座式起重机变频器国产化改造

◎于海波　 李小阳

门座式起重机变频器国产化改造

◎于海波 李小阳

本文从门座式起重机ABB变频器的基本原理入手，总结了变频器常见的故障种类，为以后的设备维修提供借鉴参考。进口变频器的使用中，存在着维修备件周转周期缓慢，造成维修周期延长，严重影响现场生产，为节约费用，减少投资，门座式起重机变频器国产化改造具有重要意义。

门座式起重机的概述

门座式起重机是目前货用港口码头使用最为普遍的一种电动装卸转运机械。它的工作原理是：通过起升、变幅、旋转三种运动的组合，既可以在一个环形圆柱体空间实现物品的升降、移动，又可以通过门架和运行机构的调整，来移动整机的工作位置，故可以在较大的作业范围内满足运移物品的需要。其产品根据使用场合的不同和用户要求的性能不同而产生了多种结构形式，总体来说；其结构较为复杂、零部件较多、工作强度较大，对于控制运行它的包含的电机和变频器在内的电气系统有很高的要求，电气系统性能的好坏直接影响了整个工序的顺利进行和工作效率。目前港口的很多门座式起重机大都采用变频调速来控制相关构件的运动，在一定程度上加快了工作的速度，提高了工作效率。

变频调速的现状

传统的门机一般采用的是绕线式异步电动机，依靠转子绕组上串联电阻的方式来对门机进行有级调速，这种调速方式的启动电流较大，电阻发热损耗大，效率不高，调速范围不大，机械特性较软；而且较大的启动电流会对整个设备产生异常冲击，进而引起门机相关结构件的振动变形，损坏设备，严重的甚至造成门机的寿命大大减少。随着微型计算机控制技术和高性能电力电子技术的快速发展，变频调速依靠其优异的启动，调速制动性能，高功率因数，高效率优势，越来越多地应用到门机的调速系统中来。

变频调速的优点

调速效率高，属于高效调速方式。这是由于在频率变化后，电动机仍在同步转速附近运行，基本保持额定转差。只是在变频装置系统中会产生变流损失，以及由于高次谐波的影响，电动机的损耗增加，从而效率有所下降。

调速范围宽，一般可达20:1，并在整个调速范围内具有高的调速效率。所以变频调速适用于调速范围宽，且经常处于低负荷状态下运行的场合。

机械特性较硬，在无自动控制时，转速变化率在5%以下；当采用自动控制时，能做高精度运行，把转速波动率控制在0.5～1%左右。

鉴于以上优点才使得变频调速系统能在大范围内进行高效连续的调速控制，可快速完成正反转切换，快速高效地实现高频度的起升运转、电气制动，且占用的电源的容量不大，对电网冲击小。

门座式起重机的变频调速的控制方式主要有：

V/f协调控制。V/f控制是为了得到理想的转矩-速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器基本上都采用这种控制方式。V/f控制变频器结构非常简单，但是这种变频器采用开环控制方式，不能达到较高的控制性能，而且，在低频时，必须进行转矩补偿，以改变低频转矩特性。

矢量控制。矢量控制是通过矢量坐标电路控制电动机定子电流的大小和相位，以达到对电动机在d、q、0坐标轴系中的励磁电流和转矩电流分别进行控制，进而达到控制电动机转矩的目的。通过控制各矢量的作用顺序和时间以及零矢量的作用时间，又可以形成各种PWM波，达到各种不同的控制目的。例如形成开关次数最少的PWM波以减少开关损耗。目前在变频器中实际应用的矢量控制方式主要有基于转差频率控制的矢量控制方式和无速度传感器的矢量控制方式两种。

直接转矩控制。直接转矩控制是利用空间矢量坐标的概念，在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩，通过检测定子电阻来达到观测定子磁链的目的，因此省去了矢量控制等复杂的变换计算，系统直观、简洁，计算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。即使在开环的状态下，也能输出100%的额定转矩。

变频器的常见故障

门座式起重机的变频调速系统中，变频器是整个调速系统的核心部件，其性能好坏关系到整个系统的效率高低。门座式起重机中用到ABB公司的ACS800变频器，但是在变频器的工作中，经常发生故障，且随着使用年限的延长，故障率越来越高，严重影响了整个装卸工作的进度，加大的企业的维修任务，增加了企业生产的成本。ACS800变频器结构复杂，电路部分硬件分布紧密，间隔空间小，体积大，重量大，硬件维修成本高价格昂贵，同时维修周期较长，采购相应的原件相对来说比较麻烦，为元件的更换工作增加了难度。虽然以前都是提前购买变频器留作备份，但是随着故障率的不断增加，仅仅依靠备件和等待维修已经不能满足当前现场作业的使用要求。依照原来的维修模式，当出现出现故障，尤其是多种故障时将造成设备长时间停车，严重影响了整个港口的生产进度。本文从ABB变频器ACS800的基本原理入手，总结了变频器常见的故障种类，为以后的设备维修提供借鉴参考。

ACS800变频器充电电阻烧坏。查看ACS800变频器硬件部分可以发现在整个控制板中，其所有控制板都是靠一个电源板提供电能。电能通过直流母线再进行变压后提供给电源板。当充电电阻烧毁后，直接导致充电电容不能充电，直流母线无电压，最终造成变频器所有的电路板将没有电源，其直观表现为手操器屏幕黑屏没有任何显示反应。通过分析原因可知：在使用过程中能耗电阻接地、短路；斩波器IGBT短路；逆变单元短路。鉴于以上三个原因逐一判断逐一排除，直到找到真正原因。因此有必要在日常的设备保养中，定期对能耗电阻进行除尘清洁。

ACS800变频器的IGBT管损坏。变频器逆变模块损坏多半是由于驱动电路损坏致使1个桥臂上的2个开关器件同一时间导通所造成的。变频器逆变功率模块损坏是不管在矢量变频器还是节能变频器等其他变频设备上常见到的故障，IGBT中流过的电流大，开关频率高，开关损耗大，尤其是当同一桥臂上的两个IGBT同时开通形成短路，造成通过IGBT的电流过大，发热量超过其散热能力而烧毁，进而烧毁整个斩波电路和逆变电路。总结原因发现以下几点：

随着使用时间的增长而发生的功能老化。滤波电容因日久老化，容量减少或内部电感变大，对母线的过压吸收能力下降，造成母线上过电压太高而损坏IGBT。

由于外部负载有严重过电流、不平衡造成的，由于门机的驱动设备为三相异步电动机，当电动机某相绕组对地短路，电机绕组内部短路，负载机械卡住，相间击穿，或者输出电线有短路或对地短路时都会发生过电流的情况，使得IGBT烧毁。

负载误接电容，或者对地电容太大，造成有冲击大电流流过IGBT，使其烧毁；用户电网电压太高，或有较强的瞬间过电压，造成过电压损坏；不适当的操作，干扰和开机、关机等不稳定情况下引起上下两功率开关器件瞬间同时导通；由于港口环境中的水汽较大，容易有凝露或者水汽进入到变频器内部而造成其短路发热；或者煤炭粉尘土屑覆盖在其表面使得其散热能力降低而造成烧毁；变频器内部保护电路（过电压、过电流保护）的某元件损坏，失去保护功能；变频器内部某组电源，特别是IGBT驱动级+、-电源损坏，改变了输出值或两组电源间绝缘被击穿；BC SHORT CIR(7113)制动斩波器故障和BR SHORT CIRCUIT故障。

制动斩波器故障一般情况下为斩波器模块IGBT损坏，或者是制动电阻接触不良，电阻阻值异常造成。斩波器控制板ABRC的损耗容易造成BR SHORT CIRCUIT故障。

变频器的国产化改造

随着门机变频器的使用年限的增长，故障率也越来越高，其相较于国产变频器的返厂维修周期较长，且备件的购买替换也比普通的备件成本费用高，一方面加大了维修任务量，制约了门机转运的工作进度，影响企业的效率，另一方面频繁多次的维修费用，备件的成本也给企业额外地增加了生产成本，降低盈利的效益。因此门座式起重机起重机变频器国产化改造意义重大。

（作者单位：神华黄骅港务公司）