變頻技術(shù)在直流起重船調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用

徐沛

【摘要】我公司擁有多條直流起重船舶，但是由于設(shè)備老化，調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)陳舊，，故障率較高，為了提高其調(diào)速系統(tǒng)性能，我們對(duì)其中一艘三航起6船舶改裝，用改裝的變頻器代替原來磁場(chǎng)變阻器來改變發(fā)電機(jī)勵(lì)磁磁場(chǎng)，從而達(dá)到調(diào)速目的并取得了良好的效果。

三航起6是一艘60噸旋轉(zhuǎn)式直流起重船，主要通過兩組柴油機(jī)直流發(fā)電機(jī)組渠道兩組直流電動(dòng)機(jī)，這兩組直流電動(dòng)機(jī)分別完成起重機(jī)的旋轉(zhuǎn)、變幅和大小吊鉤升降動(dòng)作?？梢钥闯觯鹬貦C(jī)的動(dòng)作快慢完全取決于這兩組直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速大小。

直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速依據(jù)如下：

直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n和其他參量的關(guān)系可表示為

（式1）

（1）式中 Ua——電樞供電電壓（V）；Ia——電樞電流（A）；Ф——?jiǎng)?lì)磁磁通（Wb）；Ra——電樞回路總電阻（Ω）；CE——電勢(shì)系數(shù)，p為電磁對(duì)數(shù)，a為電樞并聯(lián)支路數(shù)，N為導(dǎo)體數(shù)。

由式1可以看出，式中Ua、Ra、Ф三個(gè)參量都可以成為變量，只要改變其中一個(gè)參量，就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，所以直流電動(dòng)機(jī)有三種基本調(diào)速方法：（1）改變電樞回路總電阻Ra；（2）改變電樞供電電壓Ua；（3）改變勵(lì)磁磁通Ф。

起6船舶的電氣調(diào)速系統(tǒng)是采用改變電源電壓調(diào)速，即發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，連續(xù)改變電樞供電電壓，使直流電動(dòng)機(jī)在很寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。未改裝前，起6主要通過磁場(chǎng)變阻器控制發(fā)電機(jī)機(jī)勵(lì)磁場(chǎng)，然而這種方式存在著很多缺陷。因?yàn)樵到y(tǒng)是通過改變與勵(lì)磁線圈串入電阻的大小來調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓的，所以磁場(chǎng)變阻器產(chǎn)生的功耗較大，發(fā)熱量大，其故障率也較高，維修十分頻繁?？梢钥闯?，這種調(diào)速系統(tǒng)既不節(jié)能，也沒有效率。

考慮船舶線路鋪設(shè)復(fù)雜，設(shè)備眾多，環(huán)境多變，本次改造依然沿用改變電源電壓核心思路，這樣做只需改造局部線路和設(shè)備，既能減少改造成本，又能節(jié)省大量人力和時(shí)間。

隨著變頻技術(shù)的不斷發(fā)展，性能日益完善，應(yīng)用也越來越廣泛，在船舶調(diào)速系統(tǒng)中引入變頻技術(shù)，是一次巧妙的應(yīng)用。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元微處理單元等組成。由于發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁線圈輸入就是220V直流電壓，需將變頻器稍加改造，去掉其整流部分，通過操作手柄電位器控制變頻模塊來調(diào)節(jié)勵(lì)磁線圈電壓。簡(jiǎn)單的來說就是用一個(gè)改裝的變頻系統(tǒng)來代替了原來系統(tǒng)中的磁場(chǎng)調(diào)節(jié)器的功能。這樣的一個(gè)對(duì)控制線路的改造，可以使得調(diào)速系統(tǒng)的能耗大大降低，可靠性得到提高。

下面為兩種控制方式原理圖：

（1）磁場(chǎng)變阻器調(diào)速系統(tǒng)

如上圖所示，F(xiàn)z和Fy是兩組直流發(fā)電機(jī)，以左發(fā)電機(jī)Fz為例，由配電板a＼b端輸入電壓Uab，通過Hkz滑環(huán)，使得左發(fā)電機(jī)Fzob和磁場(chǎng)變阻器Qz串聯(lián)成回路。根據(jù)歐姆定律，Uab=UFzob+UQz. UFzob和UQz分別是Fzob和Qz兩端的電壓。因?yàn)镕zob的電阻值是不變的，所以Fzob的電壓是隨著Qz的電阻大小而變化，當(dāng)Qz電阻變大，F(xiàn)zob的電壓就變小，反之則變大。當(dāng)起重機(jī)動(dòng)作時(shí)候，操作手柄給予磁場(chǎng)變阻器控制信號(hào)改變其串入回路的阻值大小，從而使得左發(fā)電機(jī)Fz的勵(lì)磁電壓變化，F(xiàn)z的輸出電壓隨即也發(fā)生變化，F(xiàn)y右發(fā)電機(jī)回路與Fz左發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)相同，調(diào)速同理。因此原本的調(diào)速就是通過操作手柄控制磁場(chǎng)變阻器在電路中的有效電阻值就可以改變發(fā)電機(jī)的輸出電壓，從而達(dá)到調(diào)速目的。

（2）變頻調(diào)速系統(tǒng)

如圖，以左發(fā)電機(jī)組為例，虛線框內(nèi)的電器元件表示是在起重機(jī)操作箱內(nèi)，輸入總電壓依然來自配電板a＼b端，進(jìn)入BPz內(nèi)，通過操作手柄電位器控制變頻模塊，調(diào)節(jié)電壓頻率和大小，輸出三相交流電到Dz三相高頻橋堆，通過Dz整流后輸入到換向繼電器Jz1和Jz2，Jz1和Jz2是一對(duì)互鎖的換向繼電器，決定了起重機(jī)的正反轉(zhuǎn)和起升方向，它們輸出的電流方向正好相反，同一時(shí)間只能工作一個(gè)，通過手柄按鈕操作控制Jz1和Jz2工作，通過換向繼電器將電壓輸入到3-42和3-43端，3-42和3-43就是一圖的滑環(huán)HK2，從而使得Fz發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)線圈得電。

比較下來，就是用一個(gè)改裝的變頻系統(tǒng)來代替了原來的磁場(chǎng)調(diào)節(jié)器的功能。前者是利用串接電阻來分擔(dān)磁場(chǎng)線圈電壓，后者則是通過變頻器調(diào)節(jié)磁場(chǎng)線圈電壓。

對(duì)船舶調(diào)速控制系統(tǒng)進(jìn)行變頻控制后，極大的提高了船舶使用的可靠性。雖然兩種調(diào)節(jié)方式都是無級(jí)調(diào)速，但是變頻器調(diào)節(jié)比起磁場(chǎng)變阻器明顯更勝一籌。

1、起重機(jī)的能耗和故障率降低。未改裝前，每次磁場(chǎng)變阻器功率消耗8KW～20KW之間，兩組使用功耗平均值將近達(dá)到30KW，這些消耗都體現(xiàn)在磁場(chǎng)變阻器的電阻發(fā)熱上。磁場(chǎng)變阻器不僅做了很多無用功，給船舶電站增加負(fù)擔(dān)，而且給操作人員帶來不小的麻煩。因?yàn)檎{(diào)速系統(tǒng)安裝在操作室，起重機(jī)司機(jī)每次工作就好像坐在一個(gè)火爐旁邊，開空調(diào)也達(dá)不到制冷理想效果。不僅如此，這兩組磁場(chǎng)變阻器因?yàn)榘l(fā)熱大，電阻元件、觸點(diǎn)和線路經(jīng)常老化，故障率極高，最嚴(yán)重的時(shí)候達(dá)到一周故障一次的頻率，這嚴(yán)重影響船舶的施工生產(chǎn)。使用變頻控制后大大改善了上述狀況。一臺(tái)變頻器BPz的額定功率才900W，工作消耗的功率很低。同時(shí)，采用變頻控制后，調(diào)速系統(tǒng)電流大大降低，變頻器的故障率遠(yuǎn)低于磁場(chǎng)變阻器。這樣不僅減少了調(diào)速系統(tǒng)帶來的能源消耗，節(jié)約柴油，機(jī)油等能源，而且提升了起重機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的可靠性，改變了以往經(jīng)常要檢修調(diào)速系統(tǒng)的情況，使得日常檢修的周期加長(zhǎng)，減少了維護(hù)付出的勞動(dòng)。

2、簡(jiǎn)化了輪機(jī)管理任務(wù)。原來的調(diào)速控制箱內(nèi)電器元件線路眾多，檢修復(fù)雜，不方便修理，提高了管理的成本支出。而采用變頻控制后，故障顯示自動(dòng)化，智能化，而且實(shí)際使用中表明，暫時(shí)也未發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)故障。

3、提高了工作的效率。三航起6在作業(yè)時(shí)的工作效率明顯的提高。良好的設(shè)備給了船舶可靠的保證，讓船舶在施工任務(wù)中大放光彩，常常保質(zhì)保量的完成工作安排，得到了施工方，業(yè)主方的一致好評(píng)。

這次改裝依然采用改變電樞供電電壓調(diào)速方式，并沒有大動(dòng)干戈重新設(shè)計(jì)改造整個(gè)系統(tǒng)方案和布局，而是巧妙的引用變頻控制，精簡(jiǎn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，最大程度的節(jié)省改裝成本，并解決了原本調(diào)速系統(tǒng)的弊病，大大提升了起重機(jī)的安全性和可靠性。

變頻控制技術(shù)在直流調(diào)速控制中的使用，使得起重機(jī)運(yùn)行的可靠性大為加強(qiáng)，減少了故障點(diǎn)，使得船舶管理變得更為先進(jìn)，科學(xué)。在對(duì)需要頻繁使用直流電機(jī)來工作的工程船舶而言，這樣的變頻技術(shù)應(yīng)用大大的提升了工作的效率，使得設(shè)備的完好率也得到了提高。而且變頻控制技術(shù)在調(diào)速控制系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用也表明，這樣的技術(shù)發(fā)展帶給實(shí)際施工極大地福利，同時(shí)經(jīng)濟(jì)型也得到了很大的提升。

參考文獻(xiàn)

[1]譽(yù)強(qiáng)A7系列矢量變頻器使用說明書.譽(yù)強(qiáng)機(jī)電有限公司

[2]岳慶來.變頻器控制計(jì)術(shù).電子工業(yè)出版時(shí)社，2006

[3]朱仁初，萬伯任.電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè).機(jī)械工業(yè)出版社，1992

[4]華彤天.直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn)的探索和實(shí)踐.大學(xué)時(shí)代，2006