H2367船側(cè)推起動控制方案研究及應(yīng)用

李春明 駱觀軒 李朋

摘? ? 要：本文結(jié)合H2367船配置的側(cè)推技術(shù)需求特點(diǎn)，通過對四種常見的側(cè)推起動控制方案的研究分析，選用適合本船需要的推進(jìn)器起動控制方式。并通過實(shí)船應(yīng)用研究，為其它船舶產(chǎn)品側(cè)向推進(jìn)器起動控制方案的選用提供有益的參考。

關(guān)鍵詞：船舶側(cè)向推進(jìn)器;變頻控制;軟起動器

中圖分類號：U661.34 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Selection and Application of Thruster Starter Control

Scheme of H2367 Ship

LI Chunming， LUO Guanxuan， LI Peng

（ CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co.， Ltd.， Guangzhou 510715 ）

Abstract： The purpose of this paper is to combine the technical demand characteristics of the thruster equipped on the h2367 ship， through the research， analysis of four common thruster starter control schemes， select the? ?thruster starter control mode suitable for the needs of the ship， and provide useful technical reference for the selection of the thruster starter control schemes of other ships.

Key words： Ship thruster;? Frequency conversion control;? Soft starter

1? ? ?前言

隨著大功率晶閘管交流技術(shù)的發(fā)展、新型交流調(diào)速技術(shù)的突破、以及交流變頻器的使用，船舶電力推進(jìn)進(jìn)入了新的發(fā)展時(shí)期，并得到了廣泛的應(yīng)用。

我司建造的H2367船采用全電力驅(qū)動雙全回轉(zhuǎn)舵槳裝置，在船首部設(shè)有2臺管隧式680 kW側(cè)向推進(jìn)器（下述簡稱側(cè)推），在尾部設(shè)有兩臺2 000 kW全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)器，用于本船進(jìn)出港、靠離碼頭、動力定位、救助作業(yè)任務(wù)等使用。本船裝配的側(cè)推電機(jī)功率較大，且使用使命及作業(yè)具有一定的特殊性，對側(cè)推控制精度及反應(yīng)速度有較高的要求，必須選擇適用的側(cè)推起動控制方式，確保側(cè)推的控制精度及反應(yīng)速度滿足本船的要求。

目前，較常見的側(cè)推起動控制方式有四種：自耦變壓器起動;軟起動器起動;12脈沖變頻器起動;AFE變頻器起動。本船側(cè)推艙室空間有限，需結(jié)合本船特點(diǎn)選用起動控制方案。為此，我們從設(shè)備技術(shù)性能、安裝布置、重量、散熱、起動響應(yīng)速度、經(jīng)濟(jì)性等方面，進(jìn)行了詳細(xì)的對比分析和論證。

2? ? ?四種起動控制方式技術(shù)方案對比

2.1? ?技術(shù)性能對比

2.1.1 自耦變壓器起動控制方式

這是最早且最常用的一種起動較大功率電機(jī)的起動控制方式。自耦變壓器作為異步電動機(jī)的起動補(bǔ)償器對電動機(jī)進(jìn)行降壓起動，其結(jié)構(gòu)及原理較為簡單。在降壓起動過程中，電動機(jī)開始是連接自耦變壓器的二次側(cè)，比如65%的抽頭，到達(dá)整定時(shí)間后脫離自耦變壓器，電動機(jī)全壓運(yùn)行完成起動，屬傳統(tǒng)的控制型式。

2.1.2 軟起動器起動控制方式

這是國內(nèi)外比較成熟且應(yīng)用較廣的一種起動控制方式。軟起動器起動控制的原理是采用三相反并聯(lián)晶閘管作為調(diào)壓器，將其接入電源和電動機(jī)定子之間，起動起動電動機(jī)時(shí)晶閘管的輸出電壓逐漸增加，電動機(jī)逐漸加速，直到晶閘管全導(dǎo)通投入工作，實(shí)現(xiàn)平滑起動，降低起動電流，避免起動過流跳閘;待電動機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，起動過程結(jié)束，軟起動器自動用旁路接觸器取代已完成任務(wù)的晶閘管，為電動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供額定電壓，以降低晶閘管的熱損耗，延長軟起動器的使用壽命，提高其工作效率，又使電網(wǎng)避免了諧波污染。

2.1.3 變頻器起動控制方式

通過變頻器來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)槳葉的轉(zhuǎn)速從而改變推力。目前國內(nèi)外的變頻器，主要為12脈沖變頻器（6脈沖變頻器類同）和AFE變頻器：

（1） 12脈沖變頻器由兩組二極管整流串聯(lián)而成，分別由輸入變壓器的兩組二次繞組（星形和三角形互差30°電角度）供電，通常使用在電站容量相對較小的側(cè)推以及配合濾波器的小型電力推進(jìn)系統(tǒng)，諧波控制一般在10%以內(nèi)，需要配置移相變壓器和預(yù)充磁變壓器進(jìn)行工作;

（2） AFE變頻器整流回路采用有源可控IGBT整流元件，開通/關(guān)斷均可控;變頻器可四象限運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)電流雙向流通;具備主動控制功能，不僅能消除高次諧波，提高功率因數(shù)，而且不受電網(wǎng)波動的影響，諧波含量較低，主網(wǎng)諧波小于規(guī)范要求的5%。

上述軟起動器及變頻器的起動控制方式，屬于較常用的控制型式，其中AFE變頻器起動為目前最高技術(shù)要求的起動控制型式。

2.2? ?設(shè)備配置及可行性分析

2.2.1設(shè)備配置

（1）自耦變壓器起動方式，由1個(gè)850 kVA自耦變壓器和1個(gè)起動箱柜組成;

（2）軟起動器起動方式，由1個(gè)軟起動柜組成;

（3）12脈沖變頻器起動方式，由1個(gè)變頻柜、1個(gè)850 kVA移相變壓器、1個(gè)小容量同變比的40 kVA預(yù)充磁變壓器組成;

（4）AFE變頻器起動方式，由1個(gè)AFE變頻柜組成。

2.2.2 設(shè)備重量對比

從上述各種起動控制方案的設(shè)備配置情況來看，以單臺側(cè)推為例，各種方案的優(yōu)劣性如下;

（1）12脈沖變頻器起動方案與AFE變頻器起動方案設(shè)備大、重量大，不利于艙室設(shè)備布置。其中，12脈沖變頻器方案起動重量最大，比AFE變頻器起動方案需多配置1臺移相變壓器和1臺預(yù)充磁變壓器;

（2）自耦變壓器起動方案設(shè)備配置數(shù)量多，所需艙室尺寸更大，不利于艙室設(shè)備布置;

（3）軟起動器起動方案所需艙室布置尺寸及設(shè)備重量最小，有利于艙室設(shè)備布置。相對于軟起動器起動方案，如采用12脈沖變頻器起動方案，本船首部將增加約3 000 kg重量;如采用AFE變頻器起動方案，船首部將增加約1 000 kg重量。

2.2.3 裝船可行性分析

根據(jù)本船首側(cè)推艙/兼應(yīng)急消防泵艙室結(jié)構(gòu)及設(shè)備情況，采用上述4種起動控制方案的設(shè)備裝船布置示意圖，見圖1～圖4。

從圖1～圖4可以看出：若采用AFE變頻器與自耦變壓器的起動控制方案，因首側(cè)推艙/兼應(yīng)急消防泵艙室已布置有2臺日用變壓器，其艙室中間預(yù)留的電機(jī)散熱空間和人員通道較為緊湊，設(shè)備的控制、維修空間僅勉強(qiáng)夠用;而采用12脈沖變頻器起動方案，增加的4臺變壓器無法布置，需要占用旁邊的電工間進(jìn)行布置，如不加大首側(cè)推艙/兼應(yīng)急消防泵艙室面積，則設(shè)備基本無法進(jìn)行布置;而采用軟起動器起動方案，設(shè)備布置占用空間最小， 有利于總體設(shè)備的布置。

2.3? ?諧波影響對比

（1）采用自耦變壓器起動方案時(shí)，因原理及結(jié)構(gòu)方式不同，對諧波控制沒有影響，但起動瞬間對電網(wǎng)沖擊較大;

（2）采用單臺12脈沖變頻柜與移相變壓器設(shè)備與電網(wǎng)連接時(shí)，主電網(wǎng)中的諧波主要集中在11次諧波和13次諧波，電網(wǎng)的電流諧波總畸變率（THD）約為8.4%，電流總需量畸變系數(shù)（TDD）約為6.1%;

（3）采用AFE變頻器起動方案時(shí)，設(shè)備的電網(wǎng)諧波主要集中在頻率相對較低的5次諧波和7次諧波，電網(wǎng)的電流諧波總畸變率（THD）約為3.9%，電流總需量畸變系數(shù)（THD）約為2.9%;

（4）采用軟起動器方案時(shí)，其電網(wǎng)的電流諧波總畸變率（THD）約為2.9%，電流總需量畸變系數(shù)（TDD）約為2.3%。

由此可以得出：采用12脈沖變頻器起動方式產(chǎn)生的諧波是AFE變頻器起動方式、軟起動器起動方式諧波的2倍多，這三種諧波性能均滿足功能需求和規(guī)范要求;但軟起動器起動方式比12脈沖變頻器、AFE變頻器起動方式諧波失真小，對電網(wǎng)影響最小。

2.4? ?可靠性分析

因自耦變壓器起動方式及結(jié)構(gòu)與軟起動器、變頻器起動方式存在較大差異，故僅對國外知名品牌公司提供的12脈沖變頻器和AFE變頻器、軟起動器起動方式的元器件進(jìn)行比較：

（1）12脈沖變頻器起動方式的進(jìn)線環(huán)節(jié)為電抗器，整流橋?yàn)槎O管，直流回路主要元器件為電抗器、電容器，逆變器為IGBT，輸出環(huán)節(jié)主要為du/dt濾波器;

（2）AFE變頻器起動方式的進(jìn)線環(huán)節(jié)為LCL濾波器，整流橋?yàn)镮GBT，直流回路主要元器件為電抗器、電容器，逆變器為IGBT，輸出環(huán)節(jié)主要為du/dt濾波器，與12脈沖變頻器起動方式結(jié)構(gòu)相差不大;

（3）軟起動器起動方式的主要元器件為SCR整流橋，其它元器件幾乎沒有;

（4）12脈沖變頻器和AFE變頻器起動方式在進(jìn)線環(huán)節(jié)和整流環(huán)節(jié)存在差異，在直流環(huán)節(jié)和逆變輸出環(huán)節(jié)都是采用相同的器件，而軟起動器核心部件為SCR（晶閘管）;

（5）元器件的可靠性，從低到高排序?yàn)椋褐绷骰芈冯娙萜?IGBT模塊<二極管整流模塊<電抗器。

通過上述分析，可得出如下結(jié)論：

（1）12脈沖變頻器和AFE變頻器起動方式采用了相同的逆變環(huán)節(jié)和直流環(huán)節(jié)，故障機(jī)率一致;

（2）在整流部分，12脈變頻器起動方式使用二極管整流，性能略好，可靠性要比AFE變頻器略高;

（3）軟起動器起動方式原理比較簡單，可靠性相對稍高。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進(jìn)步，軟起動器、變頻器起動方式各種元器件的壽命和可靠性都在不斷提高，元器件自身出現(xiàn)故障的概率極低;

（4）12脈沖變頻器和AFE變頻器及軟起動器起動控制方案采用國外知名品牌公司的產(chǎn)品，其變頻器技術(shù)及軟起動器技術(shù)均較成熟，具有較高的可靠性。

2.5? ?側(cè)推艙空調(diào)通風(fēng)需求對比

本船側(cè)推一般在進(jìn)出港、靠離碼頭及動力定位時(shí)使用。在進(jìn)出港和靠離碼頭的工況下，尤其在靠離碼頭時(shí)，側(cè)推負(fù)荷相對較大，但因作業(yè)時(shí)間短（不超過30 min），一般不會出現(xiàn)散熱問題;動力定位工況主要出現(xiàn)在執(zhí)行海上搜救任務(wù)或特種作業(yè)時(shí)，由于側(cè)推是協(xié)同主推作業(yè)，此工況下側(cè)推的平均負(fù)荷不超過其額定功率的50%，空調(diào)通風(fēng)的散熱設(shè)計(jì)據(jù)此及按機(jī)械處所通風(fēng)量ISO計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

按照外界溫度35 ℃、設(shè)備降容起始溫度45 ℃、AFE/起動器設(shè)備停機(jī)50 ℃、12脈沖變頻設(shè)備停機(jī)55 ℃的艙內(nèi)最高溫度，計(jì)算得出的通風(fēng)量，如表1所示。

表1? 各種起動控制方案的空調(diào)通風(fēng)量

根據(jù)側(cè)推艙各設(shè)備發(fā)熱量，配置的通風(fēng)方案為：2臺風(fēng)機(jī)，每臺風(fēng)量為76 00 m3/h;采用軟起動器、自耦變壓器起動控制方案，能滿足首側(cè)推正常運(yùn)行;如采用AFE變頻器或12脈沖變頻器起動控制方案，則需要增加通風(fēng)量或風(fēng)機(jī)盤管才能滿足首側(cè)推正常運(yùn)行。

2.6? ? 維修性分析

（1）自耦變壓器起動方案采用傳統(tǒng)的電氣控制方式，維修簡單且工作量小;

（2）軟起動器起動控制原理也較簡單，與變頻器起動方案相比維修要求較低，與自耦變壓器起動方案相比維修要求稍高;

（3）12脈沖變頻器與AFE變頻器主柜體尺寸和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一致，維修空間要求也一致，模塊化程度及維修要求均較高。

2.7? ?成本比較

自耦變壓器、軟起動器是傳統(tǒng)產(chǎn)品，成本相對較低;12脈沖變頻器、AFE變頻器價(jià)格相對較昂貴，是制約變頻器起動方式推廣的主要原因之一。若將自耦變壓器起動方式的成本系數(shù)設(shè)為1，則軟起動器起動方式成本系數(shù)為1.3～1.5、12脈沖變頻器起動方式成本系數(shù)為1.6～1.8、AFE變頻器成本系數(shù)為1.8～2。

2.8? ?起動響應(yīng)速度

（1）自耦變壓器起動時(shí)間根據(jù)負(fù)載大小調(diào)整，電機(jī)功率大，起動電流也大。起動后會慢慢回落到正常，大約需12～20 s;

（2）軟起動器從起動到投入工作的時(shí)間，約為16～40 s。

（3）12脈沖變頻器與AFE變頻器可在一定范圍內(nèi)任意設(shè)定起動的時(shí)間，最短為0～120 s，最長可達(dá)0～6000 s;變頻器從靜止—起動—開始工作的時(shí)間約為60 s，其中瞬間起動時(shí)間為5～6 s。

2.9? ?使用業(yè)績

上述各種起動控制方案在船舶側(cè)推方面均有使用業(yè)績，但對大功率設(shè)備采用軟起動器及變頻器起動方案的市場占有率較高。

3? ? 各種控制方案比較及選用

通過上述各種方案的對比，可將其對比結(jié)果簡化為表2所示。

表2? 各種起動方案對比結(jié)果

經(jīng)過綜合考慮設(shè)備性能、裝船、成本、布置及維護(hù)等最優(yōu)化，本船側(cè)推起動控制采用軟起動器方案。

4? ? ?實(shí)船應(yīng)用

（1）本船配置的側(cè)推電機(jī)型號為：SIEMENS的1LA8407-4AB04-Z。主要參數(shù)如下：

額定功率682 kW;額定電壓AC690 V 50 Hz;額定電流676 A;額定轉(zhuǎn)速1 492 r/min;電機(jī)轉(zhuǎn)矩4545 Nm;額定轉(zhuǎn)矩4 363 Nm;起動電流IA/IN=7.10;起動額定轉(zhuǎn)矩2.0。

（2）根據(jù)電機(jī)參數(shù)配置的軟起動器型號為：以色列RVS-DN。主要參數(shù)如下：

額定電壓AC690 V 50 Hz;額定電流820 A;額定頻率50 Hz;服務(wù)電流680 A;額定工頻耐受電壓2.5 kV;母線額定短時(shí)耐受電流50 kA/1s;母線額定峰值耐受電流125 kA。

（3）實(shí)船調(diào)試參數(shù)

通過單臺測試，調(diào)整并設(shè)置軟起動器中的主要參數(shù)如下：

① 整體參數(shù)

軟起額定電流820 A;電機(jī)額定電流680 A;低電流跳閘延時(shí)10 s;過流 - 安全銷850%;過載跳閘115%;過載延遲4 s;低電壓跳閘AC520 V;低電壓延時(shí)5 s;過壓跳閘AC750 V;過壓延時(shí)2 s。

② 起動參數(shù)

軟起曲線0（標(biāo)準(zhǔn)）;脈沖時(shí)間0 s;初始電壓10%;電流限制250%;加速時(shí)間10 s;最長起動時(shí)間20 s;起動次數(shù)4次;起動周期30 min;起動禁止10min;旁路接觸器延時(shí)2 s。

③ 馬達(dá)過載繼電器參數(shù)

過流值95%;過流曲線E.1;時(shí)間倍增值1;低接地故障值20%;低接地故障跳閘時(shí)間5 s。

除上述主要參數(shù)，還需要設(shè)置故障參數(shù)、停止參數(shù)、雙調(diào)節(jié)參數(shù)、節(jié)能和低速參數(shù)、I/O 編程參數(shù)、通訊參數(shù)等。

（4）側(cè)推電機(jī)試驗(yàn)

通過上述逐項(xiàng)調(diào)整，試驗(yàn)時(shí)兩臺發(fā)電機(jī)在線，1#和2#主推變頻器同時(shí)運(yùn)行：主推每臺負(fù)載為12%、轉(zhuǎn)速為400 r/min;單臺側(cè)推軟起起動，起動最大電流為額定電流的60%，最小電壓為96%（AC662 V）;最大電壓為101%（AC697 V）;從起動到正常投入工作時(shí)間為22 s，起動響應(yīng)速度比理論值較短。起動電流波形見圖5。

圖5? 側(cè)推起動電流波形圖

（5）諧波值測量

① 在發(fā)電機(jī)單機(jī)空載運(yùn)行、主推變頻器/側(cè)推未運(yùn)行的電網(wǎng)狀態(tài)下，測得的總諧波為2.9、單次諧波為2.3;

② 在發(fā)電機(jī)單機(jī)空載運(yùn)行、主推變頻器/側(cè)推運(yùn)行的電網(wǎng)狀態(tài)下，測得的總諧波為2.6、單次諧波為2.4。

從上述測量數(shù)值來看，其側(cè)推運(yùn)行過程中對諧波的影響相對較低，滿足規(guī)范對諧波系數(shù)的要求。

綜上所述，從系泊及航行試驗(yàn)使用側(cè)推的情況來看，其側(cè)推起動時(shí)對電網(wǎng)沖擊平穩(wěn)，起動時(shí)間較短在30 s內(nèi)，操作及控制反饋及時(shí)，得到了業(yè)主的認(rèn)可及好評。

5? ? 結(jié)束語

根據(jù)設(shè)計(jì)前期對側(cè)推起動控制方案的分析對比，從設(shè)備布置及艙室散熱通風(fēng)需求、設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性、可維修性、可靠性、起動響應(yīng)速度等方面綜合考慮，選用了最優(yōu)的軟起動器起動方案，為后續(xù)或同類型船的側(cè)推起動控制方案選型作了有益的技術(shù)探討?；诖敖ㄔ熘芷谳^短，建議在方案設(shè)計(jì)前期就根據(jù)船舶的特點(diǎn)和需求對側(cè)推裝置的起動控制方案進(jìn)行分析并確定下來，以便于后期工作的開展。

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