LNG運輸船電力推進系統(tǒng)中變頻驅(qū)動裝置的操作和維護

文/上海海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 吳士華

石油資源的日益緊缺，加快了天然氣資源的開發(fā)和利用步伐。而在天然氣運輸方面，海上運輸是經(jīng)濟、安全、有效和靈活的運輸手段之一。近年來，LNG的海上運輸業(yè)務(wù)發(fā)展迅速，中海集團也正在籌劃建立LNG船隊。

圖1 單槳LNG運輸船的系統(tǒng)組成

LNG運輸船采用何種動力推進系統(tǒng)一直存在爭論，各大航運公司和ABB、MAN Diesel 、Wartsila、GE 等國際巨頭都在研發(fā)新一代船舶推進系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型。就現(xiàn)狀而言，雙燃料發(fā)電機與電力推進系統(tǒng)的結(jié)合，已成為新型LNG運輸船的首選。相比其他推進方式，采用電力推進系統(tǒng)對滿足環(huán)境保護及成本效益的要求有著明顯的優(yōu)勢。然而，當電力推進系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在LNG運輸船時，必需配備相當數(shù)量具有電力推進系統(tǒng)知識和管理技能的輪機管理和操作人員。就目前中海集團輪機管理人員的知識結(jié)構(gòu)和管理技能來講，對相關(guān)電力推進系統(tǒng)的專業(yè)知識和管理知識知之甚少，難以勝任LNG運輸船的輪機管理工作。所以，公司必須未雨綢繆，通過補差培訓(xùn)，加快LNG運輸船輪機管理人員的培養(yǎng)，加強電力推進系統(tǒng)理論和維護管理知識的學(xué)習(xí)，有效提高輪機管理人員電力推進系統(tǒng)的管理技能。

一、LNG運輸船電力推進系統(tǒng)概述

LNG運輸船電力推進系統(tǒng)的組成主要包括：中壓發(fā)電機、中壓電站、輸入電源斷路器、輸入（隔離）變壓器、船用變頻器、同步（或異步）電動機、推進器及控制系統(tǒng)組成。圖1所示為單槳LNG運輸船的典型系統(tǒng)構(gòu)造。

在電力推進系統(tǒng)中最為重要的設(shè)備是船用變頻器（也稱為可變速船用驅(qū)動裝置），它的作用是通過駕駛臺或機艙控制室操縱手柄改變控制系統(tǒng)的輸出觸發(fā)信號去改變變頻器的輸出電壓的脈寬，從而改變輸出三相正弦波的頻率，最終改變推進電動機的轉(zhuǎn)速，使推進器的轉(zhuǎn)速從低速到高速之間進行無級調(diào)速。所以，變頻器既是電力推進系統(tǒng)中最為重要的裝置，也是輪機管理人員最想了解的設(shè)備。以下圍繞船用變頻器的組成、功能、操作和維護進行闡述。

二、船用變頻器的系統(tǒng)組成和功能

在新型LNG運輸船的電力推進系統(tǒng)中，船用變頻器通常采用IEGT（注入增強柵晶體管）功率開關(guān)元件和三電平中性點箝位（NPC）拓撲結(jié)構(gòu)、PWM（脈寬調(diào)制）技術(shù)、水冷散熱冷卻系統(tǒng)的電壓源型變頻器，以科孚德公司生產(chǎn)的變頻器為例，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.整流單元柜

作用是將變壓器提供的交流電經(jīng)整流濾波形成直流電，其組成包括12脈波二極管整流單元、預(yù)充電或預(yù)勵磁系統(tǒng)。

整流單元由去離子水冷卻的多個二極管功率元件堆棧組成。電流互感器組裝在堆棧里，測量整流單元的輸入電流并提供保護。

預(yù)充電或預(yù)勵磁系統(tǒng)是在電源斷路器閉合前對直流母線電容進行充電或?qū)ψ儔浩鬟M行預(yù)勵磁，以減少電源斷路器閉合時產(chǎn)生的瞬間沖擊電流，其組成包括：電源斷路器、預(yù)勵磁變壓器和保險絲。只有當中壓電源和低壓電源的相序一致時，可使用預(yù)勵磁系統(tǒng)，否則只能用預(yù)充電系統(tǒng)。

2.直流母線柜

承載經(jīng)整流濾波產(chǎn)生的直流母線電壓，其組成包括：直流電容器和母線排、電壓測量裝置、電容放電系統(tǒng)、接地故障檢測系統(tǒng)。

直流電容器采用自愈型干式薄膜電容器，電容器的放電電阻接在直流母線的兩個極性上，當變頻器處于關(guān)閉狀態(tài)時，能夠在大約5分鐘左右把電容器上的電壓放電至<50V（10分鐘后閉合接地開關(guān)，可以對設(shè)備進行維護和保養(yǎng)）；接地故障檢測系統(tǒng)由電阻、電壓傳感器組成，直流母線的中性點通過這套電阻連接到大地，中性點和大地之間的電流隨時受到監(jiān)視，當電流大于設(shè)定值時，觸發(fā)接地故障信號傳送到控制器。

3.制動斬波器

制動斬波器安裝在直流母線的正極和負極間用于電機制動過程中消耗直流母線上的電能。它的組成結(jié)構(gòu)和相功率單元相同，由壓裝式IGBT和二極管組成。制動電阻裝在變頻器柜的外面。

圖2 變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.逆變單元柜

逆變單元使用壓裝式IGBT的三電平中性點鉗位（NPC）形式，每一個逆變器功率堆棧包括：壓裝式IGBT單元、門觸發(fā)驅(qū)動板和24V門觸發(fā)驅(qū)動電源板、續(xù)流二極管堆棧、OV箝位二極管堆棧、箝位電容器。逆變單元柜內(nèi)還裝有接地開關(guān)、輸出電流互感器。

門觸發(fā)驅(qū)動板通過光纜傳輸控制和監(jiān)視信號，同時還具有IGBT過流、IGBT 過壓、短路檢測、門觸發(fā)驅(qū)動電源檢測、脈波寬度檢測等保護功能，當IGBT發(fā)生故障時，將故障反饋信號送到控制器。24V直流門觸發(fā)驅(qū)動電源由變壓器、整流器和濾波電容組成。

5.交流輸出柜

將PWM調(diào)制輸出電壓轉(zhuǎn)變成正弦波，以獲得圓形磁場、減少諧波污染，其組成包括正弦濾波器和接地開關(guān)。

在控制柜門打開前，應(yīng)通過接地開關(guān)把直流母線的三個極性點接地，這是在維護保養(yǎng)工作時打開柜門前必須強制執(zhí)行的程序。

6.dV/dt濾波器

變頻器采用三電平中性點二極管箝位拓撲技術(shù)，所以輸出電壓是臺階式的（1/2的直流母線電壓）。輸出線電壓之間的總諧波失真（THD）是傳統(tǒng)兩電平變頻器的一半，通常情況下不需要正弦濾波器。如果需要也只是使用dv/dt 濾波器，用于限制dv/dt變化率和變頻器輸出電壓的過電壓。dv/dt濾波器為三相RLC濾波器，連接在變頻器的輸出端子。濾波器的星型中性點連接到直流母線的中性點。dv/dt 濾波器的截止頻率高于20kHz，能適應(yīng)動態(tài)性能要求比較高的應(yīng)用場合。

7.控制單元柜

柜內(nèi)的PEC控制器能進行高性能的矢量控制計算并確保變頻器的安全操作，其組成包括遙控I/O單元、低壓輔助控制單元、數(shù)據(jù)管理器(操作鍵盤)等?？刂破鞯幕救蝿?wù)是通過輸出信號觸發(fā)IGBT，改變其輸出脈寬，調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，并執(zhí)行邏輯控制和安全保護，附加的控制任務(wù)還包括：交流輸入電源斷路器的控制、電機和變頻器的保護、輔助控制和串行通信等。

遙控I/O單元通過以太網(wǎng)直接連接到控制器。

8.冷卻單元柜

提供整流和逆變單元的去離子冷卻水，把變頻器的熱量傳送到熱交換器。其組成包括：電動去離子冷卻水泵及流量控制、去離子系統(tǒng)及冷卻水傳導(dǎo)率控制、原水/去離子水熱交換器和膨脹槽等。

電動泵輸送去離子水冷卻功率單元，其流量受到檢測和控制，當流量不足時，觸發(fā)報警和故障信號并傳送到控制器。

去離子水的傳導(dǎo)率受到檢測，當傳導(dǎo)率高于上限定值時，打開三通閥使去離子水流過去離子水發(fā)生器，傳導(dǎo)率便下降；當下降到下限定值時，水閥被關(guān)閉，以此來控制去離子水的傳導(dǎo)性。如果去離子水的傳導(dǎo)率高于最大設(shè)定值，則觸發(fā)故障報警信號并傳送到控制器。

膨脹槽的作用是調(diào)整冷卻水回路的靜態(tài)壓力。

冷卻單元出水口的溫度受到監(jiān)測，溫度過高時觸發(fā)報警和故障信號并傳送到控制器。

9.外部電氣設(shè)備

（1）輸入電源斷路器

輸入電源斷路器在提供電源的同時，在系統(tǒng)的保護環(huán)節(jié)中，還起到關(guān)鍵的保護連鎖作用。當斷路器收到變頻器發(fā)出的跳閘信號后在100ms內(nèi)保護跳閘。如：與接地接觸器的連鎖，冷卻水電導(dǎo)率過高，冷卻原水溫度過高，水壓過低、冷卻單元漏水、去離子水流量過低、變頻器電源欠壓、輔助設(shè)備電源欠壓、控制器故障、時序失步、過電流、過電壓、直流母線電壓不平衡、接地故障、斷路器故障、緊急停止、IGBT門驅(qū)動板故障等。變頻器正常停止時，電源斷路器繼續(xù)保持閉合，其開閉狀態(tài)通過輔助繼電器反饋給控制器。

（2）輸入變壓器

在變頻器整流單元前端，一般使用12脈波變壓器來提高電源質(zhì)量，對諧波進行過濾并降低共模電壓，并阻隔諧波對電網(wǎng)的影響。變壓器的設(shè)計還考慮了諧波抑制和輸入電流限制，能在變頻器嚴重短路的情況下限制故障電流直到輸入斷路器跳閘斷開。

（3）變頻電動機

根據(jù)船舶設(shè)計需要配置專用同步或異步變頻電動機。

當變頻器工作時，首先將三相交流電通過變壓器移相輸出2組6脈波交流電，經(jīng)過2組三相橋式整流器和濾波變成平滑的直流電輸出到直流母線，再經(jīng)逆變器輸出脈寬可調(diào)的三電平三相階躍脈動方波，最后經(jīng)正弦濾波器輸出頻率可控的三相正弦波去驅(qū)動推進電機。逆變器輸出脈動方波的脈寬受到IEGT的開關(guān)脈沖信號的控制（這種控制方式稱為PWM頻寬調(diào)制模式），開關(guān)脈沖信號受到駕駛臺或機艙控制手柄的控制（通過PEC控制器）。

三、船用變頻器的日常操作

變頻器的操作主要包括：變頻器運行前檢查、變頻器參數(shù)的管理和設(shè)置、變頻器的預(yù)備運行等。

1.變頻器運行前檢查

（1）檢查確認所有連接到I/O控制板上的控制信號線是否正確連接。

（2）測量高、低壓電纜的絕緣電阻（必須大于 1MΩ）。測量絕緣時，連接于直流母線中點和大地之間的接地電阻和電壓傳感器必須斷開。

（3）檢查輔助電源、風(fēng)扇、冷卻系統(tǒng)、整流柜、逆變柜和直流母線柜加熱器是否正常。

（4）檢查控制柜輸入電壓，確認所有的門驅(qū)動板上只有(綠色)LED指示燈亮。

（5）檢查遙控I/O模塊、操作鍵盤、PEC的I/O接口和電源，通過鍵盤顯示檢查控制器的CPU以及PIB100G控制板的初始化完成狀態(tài)。

（6）檢查光纜傳輸是否正常，TIB控制板上的LED指示燈應(yīng)為綠色。

（7）在關(guān)閉變頻器柜門之前，檢查是否有遺留的工具、柜子內(nèi)是否干凈。關(guān)閉變頻器柜門后，把鑰匙放回互鎖保護位置。

（8）斷開接地開關(guān)和其他所有的接地裝置，把接地開關(guān)鑰匙放回互鎖保護位置。

（9）解開輸入電源斷路器和預(yù)充電斷路器的連鎖保護。

（10）按下鍵盤復(fù)位鍵或遙控復(fù)位鍵清除所有的報警和故障，若有報警或故障，予以排除，當所有的報警和故障清除后，變頻器便處于運行準備狀態(tài)，等待接收遙控啟動命令。

（11）通過鍵盤檢查是否在正常運行模式(參數(shù)P2.0，1=Running Mode，0=Normal)。檢查編碼器模式設(shè)置是否正確(參數(shù)P2.12，0=無編碼器；1=帶編碼器；2=編碼器只用于啟動)。

2.變頻器參數(shù)的管理和操作

1）操作模式和轉(zhuǎn)換

變頻器參數(shù)的管理和操作由鍵盤實現(xiàn)。有兩種操作模式，模式轉(zhuǎn)換方式是在整流單元柜面板上的操作鍵盤上進行的。

本地模式用于變頻器系統(tǒng)的測試、調(diào)試和應(yīng)急操作。可以通過鍵盤執(zhí)行：啟動/停止命令、簡單的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和控制方式選擇。在本地模式下，遙控命令和 I/O無效，操作鍵盤是唯一的操作設(shè)備。

正常運行模式用于系統(tǒng)的遙控，可以通過遙控指令執(zhí)行：啟動/停止命令、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)功能、轉(zhuǎn)速估計或轉(zhuǎn)速反饋的磁場或轉(zhuǎn)矩矢量控制、輔助管理功能等。除了測試、調(diào)試和應(yīng)急操作外，變頻器必須工作在正常運行模式。

變頻器可以在運行時從正常運行模式切換到本地模式，在停止時才能從本地模式切換到正常運行模式。

2）操作鍵盤和操作

操作鍵盤能夠提供本地的電機控制、系統(tǒng)設(shè)置、參數(shù)修改、輸入輸出的確認、數(shù)據(jù)測量、狀態(tài)顯示、故障診斷等功能。

根據(jù)不同的功能，所有的參數(shù)被分在不同的菜單組里。共有五組：“0”系統(tǒng)菜單，系統(tǒng)設(shè)置；“1”測量菜單，變頻器監(jiān)視；“2”本地模式，控制模式選擇和參數(shù)設(shè)定；“3”故障菜單，當前跳閘故障；“4”報警菜單，當前報警。

在菜單的不同組別中包含有具體的參數(shù)列表，它是根據(jù)菜單的不同功能定義的，通過參數(shù)的類型和功能方便地進行瀏覽。每一個參數(shù)都具有一個參數(shù)號碼，該號碼包括一個指定的前綴P+菜單號碼和參數(shù)號，中間用小數(shù)點隔離。如在菜單“1”中的電機電流參數(shù)號碼是P1.03。使用“ESC”、“RIGHT”、“LEFT”、“DOWN”、“UP”鍵可以方便地瀏覽任意參數(shù)，參數(shù)修改必須先輸入密碼。

鍵盤故障或者連接斷開會產(chǎn)生報警，在正常模式下該報警不中斷變頻器的運行，在本地模式下，驅(qū)動器會繼續(xù)運行在鍵盤轉(zhuǎn)速或者當前轉(zhuǎn)速下，經(jīng)過預(yù)置時間后，驅(qū)動器會自動停止運行。

3.變頻器的預(yù)運行操作

預(yù)運行程序用于確認變頻器的運行正確性以及控制方式、控制順序是否正常。當所有運行前的檢查工作結(jié)束后，通過鍵盤選擇正常運行模式 (參數(shù)P2.01)，控制器自動地切換到無編碼器矢量控制方式。在正常運行模式，控制器使用遙控的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、遙控啟動/停止命令和緊急停止命令。

對于正常模式下的預(yù)備啟動，必須做好以下檢驗程序：

（1）檢查輔助設(shè)備是否已按要求啟動；

（2）觸發(fā)一個遙控跳閘命令，檢查鍵盤上的故障顯示和跳閘動作是否對應(yīng)；

（3）檢查啟動運行允許條件是否滿足；

（4）發(fā)出遙控啟動指令并設(shè)定某個轉(zhuǎn)速，檢查電動機轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速是否和指令一致；

（5）改變轉(zhuǎn)速并檢查轉(zhuǎn)速是否和指令一致并觀察轉(zhuǎn)矩限制作用；

（6）檢驗其他的遙控指令是否有效，如快速停止或復(fù)位等。

四、安全防護措施和維護管理

船舶電力推進系統(tǒng)的變頻器使用6600V電壓，即使斷開主電源及輔助電源，系統(tǒng)仍舊會存在高電壓。因此在進行任何操作前，斷開所有外部電源，并確保所有電容器已被放電、變頻系統(tǒng)已經(jīng)接地。10分鐘后，才能打開柜門。變頻器在一天中的關(guān)斷次數(shù)不能超過10次，不能連續(xù)地關(guān)斷3次，2次時間間隔不能少于30秒。進行維護之前需要執(zhí)行必要的變頻器關(guān)斷操作流程，如果沒有進行這些操作，可能導(dǎo)致機損或人員傷亡。

1.工具配備和人員安全裝備

檢修工作時配備的工具除了常用電工工具外還需要：

（1）中壓電壓表（最高至8KV交流和13KV直流）；

（2）3套以上三相接地短路導(dǎo)線；

（3）用來連接/斷開接地引線的絕緣扳手；

操作人員的安全裝備除了常用電工安全裝備外還需要：

（1）防火防電弧的外套；

（2）中壓安全手套；

（3）配以完整面罩的安全帽；

（3）保護耳罩；

（4）安全高壓絕緣鞋。

2.鑰匙互鎖系統(tǒng)

變頻器必須通過鑰匙互鎖系統(tǒng)執(zhí)行柜門開啟流程，其鑰匙不可配制備用。以確保打開柜門前所有接地開關(guān)都已接地。柜門開啟流程如下：

（1）斷開主電源斷路器，閉合電源接地開關(guān)，從Box 1中拿出鑰匙X；

（2）斷開預(yù)充電電源（400V）斷路器開關(guān)，拿出鑰匙A；

（3）用鑰匙X和A打開Box 2，等待10分鐘直到電容器放電結(jié)束；

（4）從Box 2中拿出鑰匙B，閉合變頻器接地開關(guān)，拿出鑰匙C；

（5）用鑰匙C打開Box 3，拿出鑰匙D打開所有變頻器的中壓柜門。

表1 變頻器的周期性維護內(nèi)容時間表

3.日常檢查和定期維護

由于機艙環(huán)境的溫度、濕度、鹽霧、酸堿度、粉塵、振動等因素的影響，以及電器件的老化等原因，都可能導(dǎo)致變頻器存在故障隱患。因此，必須對變頻器進行日常運行檢查和定期維護。在對變頻器進行維護工作之前，應(yīng)先確保系統(tǒng)已經(jīng)安全接地。

1）變頻器的日常運行檢查

（1）觀察操作鍵盤顯示是否清楚，是否缺字少符，記錄各項顯示參數(shù)，發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)即時查找原因。

（2）觀察環(huán)境溫度、濕度、振動、灰塵、氣體、油霧、水滴、雜物、危險品等，并記錄環(huán)境溫度（應(yīng)不超過40℃）。保持環(huán)境整潔、通風(fēng)照明良好。

（3）檢查變頻器過濾網(wǎng)的臟堵情況，及時清潔。

（4）檢查逆變單元柜出風(fēng)口溫度（應(yīng)不超過80℃）。

（5）檢查并記錄變壓器溫度（應(yīng)不超過80℃），有無異常的鳴叫、異味。

（6）檢查主電路、控制電路輸入電壓是否正常。

（7）檢查整流單元和逆變單元有無異常聲音或振動。

（8）檢查冷卻單元有無異常聲音或振動。

（9）變頻器停機后再恢復(fù)運行，如果環(huán)境潮濕，先打開主電源、控制電源和輔助電源，使變頻器通風(fēng)半小時，以驅(qū)除變頻器內(nèi)部潮氣，然后再啟動。

2）變頻器的定期維護

為保證變頻器安全可靠運行，周期性維護是至關(guān)重要的，變頻器的周期性維護內(nèi)容時間見表1.

在日常管理維護保養(yǎng)時，要注意做好以下工作：

（1）負責(zé)人制度。明確設(shè)備責(zé)任人。

（2）技術(shù)檔案和保養(yǎng)記錄。包括：變頻器隨機技術(shù)資料、參數(shù)設(shè)置步驟表、運行參數(shù)記錄、巡檢和維護記錄、故障處理過程記錄、備件庫存動態(tài)記錄。

（3）安全管理操作規(guī)程。應(yīng)根據(jù)變頻器類型制訂各項操作規(guī)程，包括：現(xiàn)場手動操作規(guī)程、遙控自動操作規(guī)程，變頻器關(guān)斷操作規(guī)程、變頻器啟動操作規(guī)程、變頻器柜門開啟及接地操作規(guī)程、安全防護規(guī)范等。

（4）故障檢修操作規(guī)程。制訂故障應(yīng)急預(yù)案，當發(fā)生故障時采取有效的措施，迅速組織維修人員和防護人員，依據(jù)報警信息查明故障，消除故障原因。嚴禁在故障不明的情況下復(fù)位再開機，更不允許在原因不明的情況下將故障信號短接后開機。