多傳動變頻系統(tǒng)在7 800 DWT瀝青船的應用

亢曉勇

摘? ? 要：變頻驅(qū)動技術(shù)，具有節(jié)能降耗、安全可靠、設計簡單等優(yōu)點，廣泛用于電機的驅(qū)動控制中。為了確定7800DWT瀝青船側(cè)推和貨泵變頻控制系統(tǒng)的技術(shù)方案，通過對船舶空間、規(guī)格書、規(guī)范要求、船東要求的綜合對比分析，最終確定合理的方案，為今后多傳動變頻系統(tǒng)在船舶上的應用提供一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：多傳動;變頻系統(tǒng);變頻驅(qū)動

中圖分類號：U674? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Application of Multi-drive Frequency Conversion System

for 7 800 DWT Asphalt Ship

KANG Xiaoyong

（ Jiangmen Hangtong Shipbuilding Co.， Ltd. of CCCC Fourth Harbor Engineering Co.， Ltd.， Jiangmen 529145 ）

Abstract： Frequency conversion drive has the advantages of energy saving， safety and reliability， simple design， and widely used in motor drive control. In order to determine the technical scheme of the frequency conversion control system of side push and cargo pump for the 7 800 DWT asphalt ship， through the comprehensive comparison and analysis of ship space， specification requirements and ship owner's requirements， the reasonable scheme is finally determined. It provides reference for the application of multi-drive frequency conversion system in ships in the future.

Key words： Multi-drive; Frequency conversion system; Frequency conversion drive

1? ? ?前言

如何合理利用能源、降低能耗已成為船舶行業(yè)最為關(guān)心的問題之一。變頻技術(shù)作為一種節(jié)能高效的技術(shù)，已在各行各業(yè)得到了廣泛應用。隨著社會及市場對綠色環(huán)保船舶的需求增大，變頻技術(shù)可以在船舶設備運行階段極大地降低能耗，減少排放。多傳動變頻系統(tǒng)可以在常規(guī)變頻技術(shù)基礎上，提高設備資源的使用率，降低船舶建造成本，增加市場競爭力，將在船舶設備方面得到廣泛的應用。

2? ? 多傳動變頻系統(tǒng)的優(yōu)點

多傳動變頻系統(tǒng)是相對于單傳動變頻系統(tǒng)而言的。單傳動變頻系統(tǒng)的特點是一套變頻系統(tǒng)控制一臺電機，而多傳動變頻系統(tǒng)則采用一套共用的整流器，在其直流側(cè)掛接多個逆變器控制其對應的電機。多傳動變頻系統(tǒng)共用直流母線的技術(shù)，節(jié)省了單傳動變頻系統(tǒng)多套變頻系統(tǒng)配置多臺變頻器所占用的空間，同時簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高了電能再生利用率，有效地降低了直流電壓的波動，提高了電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。

（1）多傳動變頻系統(tǒng)共用直流母線，減少了配電板到每臺變頻器的布線，只需要從配電板集中供電到多傳動變頻器，有效地降低了布線施工時間，減少了安裝和維護成本;

（2）本船配備1臺側(cè)推和2臺貨泵，若采用單傳動變頻系統(tǒng)的配置，在與多傳動變頻器寬度和高度相同的情況下，3臺單傳動變頻器長度總和超過7 m，而采用多傳動變頻系統(tǒng)，則長度總和可以減少約3 m左右，極大的節(jié)省了船舶有效空間;

（3）多傳動變頻系統(tǒng)減少了單傳動變頻器單獨配置整流裝置及相關(guān)器件的數(shù)量，降低了系統(tǒng)復雜性，一定程度上提高了系統(tǒng)的可靠性;

（4）多傳動變頻系統(tǒng)的在電機的制動過程中，由于機械慣性的原因會出現(xiàn)同步轉(zhuǎn)速小于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的情況，此時轉(zhuǎn)子電流的相位改變了接近180 °，電機從電動運行狀態(tài)變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)，電機轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)為制動轉(zhuǎn)矩，使電機降速，電機再生的電能回到公共直流母線，其它電機和制動電機處于同一母線排可有效吸收該電機反饋到母線的電能，進而體現(xiàn)了多傳動變頻系統(tǒng)共用直流母線的安全可靠性。

3? ? 多傳動變頻系統(tǒng)的選型

3.1? 規(guī)格書要求及基本數(shù)據(jù)

本船側(cè)推和貨油泵變頻控制系統(tǒng)，需滿足側(cè)推及貨油泵的控制要求，其最大工況為兩臺貨油泵同時運行，設備尺寸要求≤5200 mm（長）x900 mm（深）x2200 mm（高）。

電機參數(shù)如下：

側(cè)推電機 330 kW、440 V、1 789 r/min、60 Hz;

1#貨泵電機 300 kW、440 V、1 193 r/min、60 Hz;

2#貨泵電機 300 kW、440 V、1 193 r/min、60 Hz。

3.2? ?選型的原則

（1）變頻驅(qū)動系統(tǒng)需要精確的靜態(tài)和動態(tài)的速度及轉(zhuǎn)矩控制，能夠全過程監(jiān)控設備的運行狀態(tài)，保障設備的安全穩(wěn)定運行;

（2）采用先進的控制技術(shù)，高質(zhì)量的元器件，確保設備長期、穩(wěn)定、可靠地使用;

（3）采用經(jīng)過市場檢驗、工藝成熟、運行可靠、節(jié)省能耗、減少排放的技術(shù)進行設計;

（4）控制系統(tǒng)采用工作穩(wěn)定、可靠、標準、成熟且經(jīng)過現(xiàn)場運行考驗的控制技術(shù)和手段;

（5）充分考慮到設備安裝和維護的需求;

（6）整套變頻系統(tǒng)的安保系統(tǒng)充分完善，滿足規(guī)范要求。

3.3? ? 三種選型對比

見表1。

根據(jù)表1的比較分析，可以發(fā)現(xiàn)：方案1存在的缺點是側(cè)推與貨泵共用的逆變器發(fā)生故障時，兩個設備會同時失效，即使該方案中兩個逆變器可以互為備用，也將會導致一臺貨泵失效。而貨船在碼頭卸貨時，正常情況下都是兩臺貨泵同時工作的，船東出于可靠性考慮否決了該方案;方案2采用兩套獨立的整流單元，共同為直流母線供電，兩套AFE方式具有整流單元相對獨立，模塊損失時只需人工確認就可以降容使用;方案3采用 1套整流單元（含2個整流模塊）、3個逆變單元。ABB單個整流模塊由于其柜體尺寸有限，單體模塊最大為 R8i 尺寸，需要通過并聯(lián)2個整流模塊來進行擴大容量，并聯(lián)后的整流模塊可當做一個大容量的整流單元使用，此時可將其看作一個整流單元，當單個模塊損壞，需要人工抽出對稱數(shù)量的模塊，并手動修改參數(shù)后即可降容使用。

方案2、方案3與方案1的差別就是逆變器獨立，任何一臺逆變器出現(xiàn)故障都可以用另一個逆變器替換;方案3與方案2的差別主要有兩點：一是方案3設備體積小、占用空間小;二是單個整流模塊故障時，方案3需要有一定專業(yè)技能的人員去進行手動修改設置參數(shù)，方案2則只需人工確認進行降容使用即可。根據(jù)上述對比，看似方案2較佳，但方案2存在兩點最重要的問題：一是空間占用大，與設計要求不一致;二是成本較高。方案3只需要對船員進行一定培訓，也可以完成降容操作，故綜合考慮可靠性、經(jīng)濟性、船東意見后，決定采用方案3較為合理。

4? ? ?AFE多傳動變頻系統(tǒng)的應用

4.1? ?系統(tǒng)組成

本船設置一套 AFE 多傳動變頻驅(qū)動柜，整個變頻驅(qū)動柜由一個整流單元（兩個整流模塊）和三個逆變單元組成：公共直流母線上掛三臺逆變器，分別控制驅(qū)動側(cè)推電機、1#貨油泵電機、2#貨油泵電機。

整套變頻驅(qū)動系統(tǒng)靈活多變，可根據(jù)船的工作狀態(tài)自由配置變頻器模塊工作，具有良好的諧波特性和調(diào)速性能。正常工作時，系統(tǒng)根據(jù)船運行工況調(diào)節(jié)整流單元和逆變單元的并聯(lián)數(shù)量，從而分區(qū)、分時地控制瀝青泵、側(cè)推電機等負載，保證船舶運行的經(jīng)濟性能;當其中一個有源前端整流模塊出現(xiàn)故障時，整個公共直流母線可以提供一臺電機額定功率啟動，或者兩臺電機的降容同時啟動;當其中任意一臺逆變器出現(xiàn)故障時，通過逆變器柜的插拔，可以保證任意兩臺設備的正常使用，保證系統(tǒng)可靠的冗余備份的同時，極大地提高了設備利用率。本船AFE多傳動變頻系統(tǒng)圖，如圖1所示。

4.2? ?IGBT整流單元

本船配置的IGBT整流單元，輸入電路總脈沖數(shù)為6脈的有源前端。AFE有源前端可以起到制動電阻的作用，能夠?qū)⒇撦d側(cè)產(chǎn)生的再生電能回饋至電網(wǎng);普通變頻器采用固定式三相橋式二極管整流的方式，能量僅能從電網(wǎng)流向變頻器直流母線，無法實現(xiàn)能量雙向流動。它與變頻器的輸出逆變部分一樣，也采用了IGBT組成三相橋式結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了電網(wǎng)與變頻器直流母線間能量的雙向流動[2];AFE變頻控制系統(tǒng)的整流單元，采用有源可控的IGBT整流原件，開通/關(guān)斷均可以控制，實現(xiàn)了電流的雙向流動，無需專門的制動單元，采用PWM控制，實現(xiàn)了完美無諧波;AFE整流回饋單元能夠提供正弦電壓輸出，回饋的電壓經(jīng)過電抗器融入電網(wǎng)。典型的整流回饋裝置示意圖，如圖2所示。

4.3? INU逆變單元

逆變單元把直流母線上的直流電能轉(zhuǎn)為可以調(diào)頻調(diào)壓的交流電，驅(qū)動側(cè)推和貨泵電機，使電機在一定電壓頻率范圍內(nèi)進行調(diào)速，實現(xiàn)電機的變頻控制;本船配置的3套逆變單元為相同型號，具備從變頻柜中抽拉出的便捷性，當運行過程中任何一個逆變單元發(fā)生故障時，都可以用其它兩個替換，提高了整個系統(tǒng)處理單點故障的能力，增加了系統(tǒng)的可靠性;本船采用的ACS880逆變器模塊，兼容ACS800多傳動的柜體，其量身定制的柜體尺寸比ACS800節(jié)省約1/3，R8i逆變器可以上下分開，安裝接線方便;單個R8i模塊功率更大，存儲卡更換方便，方便參數(shù)和固件的配置;功率部分的部件安裝在帶防腐涂層的密封空間內(nèi)，可以滿足嚴酷的可靠性型式試驗，經(jīng)得起惡劣海洋環(huán)境的考驗。

5? ? 結(jié)束語

多傳動變頻系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的使用不但滿足了生產(chǎn)現(xiàn)場多種工況控制要求，還在一定程度上起到提高生產(chǎn)工藝水平、提升產(chǎn)品質(zhì)量、減輕人工勞動強度和提高生產(chǎn)效率的作用;多傳動變頻系統(tǒng)通過公共直流母線給三臺逆變器供電，增加設備處理單點故障可靠性的同時也提高了設備利用率;先進可靠的船舶電氣傳動控制系統(tǒng)，能夠保證設備可靠運轉(zhuǎn)率，提高設備的生產(chǎn)率，改善船員勞動條件。多傳動變頻系統(tǒng)與單傳動變頻系統(tǒng)相比，在建造初期投資、可靠性、節(jié)能方面都有明顯的優(yōu)勢。節(jié)能環(huán)保是當今船舶業(yè)發(fā)展的風向標，多傳動變頻技術(shù)作為一種行之有效的節(jié)能手段，其廣泛使用能夠更好地帶動變頻技術(shù)的快速發(fā)展，相信在未來船舶綠色發(fā)展的道路上，多傳動變頻技術(shù)能夠得到越來越廣泛的推廣應用。

參考文獻

[1]曹林，李彬彬. 高效節(jié)能綠色變頻-變頻技術(shù)在船舶領(lǐng)域的應用[J].船舶物資與市場，2015（3）：45-48.

[2]雷東方. LV7000變頻傳動裝置在精軋機上的應用及研究[J].變頻器世界，2019（11）：114-118.