變頻技術(shù)對直流起重船調速體系的應用論文

　　【摘要】我公司擁有多條直流起重船舶，但是由于設備老化，調速系統設計陳舊，，故障率較高，為了提高其調速系統性能，我們對其中一艘三航起6船舶改裝，用改裝的變頻器代替原來(lái)磁場(chǎng)變阻器來(lái)改變發(fā)電機勵磁磁場(chǎng)，從而達到調速目的并取得了良好的效果。

　　三航起6是一艘60噸旋轉式直流起重船，主要通過(guò)兩組柴油機直流發(fā)電機組渠道兩組直流電動(dòng)機，這兩組直流電動(dòng)機分別完成起重機的旋轉、變幅和大小吊鉤升降動(dòng)作�？梢钥闯�，起重機的動(dòng)作快慢完全取決于這兩組直流電動(dòng)機的轉速大小。直流電動(dòng)機調速依據如下：直流電動(dòng)機的轉速n和其他參量的關(guān)系可表示為(1)式中Ua——電樞供電電壓（V）；Ia——電樞電流（A）；Ф——勵磁磁通（Wb）；Ra——電樞回路總電阻（Ω）；CE——電勢系數，p為電磁對數，a為電樞并聯(lián)支路數，N為導體數。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)機的轉速，所以直流電動(dòng)機有三種基本調速方法：(1)改變電樞回路總電阻Ra；(2)改變電樞供電電壓Ua；(3)改變勵磁磁通Ф。起6船舶的電氣調速系統是采用改變電源電壓調速，即發(fā)電機-電動(dòng)機調速系統，連續改變電樞供電電壓，使直流電動(dòng)機在很寬的范圍內實(shí)現無(wú)級調速。未改裝前，起6主要通過(guò)磁場(chǎng)變阻器控制發(fā)電機機勵磁場(chǎng)，然而這種方式存在著(zhù)很多缺陷。因為原系統是通過(guò)改變與勵磁線(xiàn)圈串入電阻的大小來(lái)調節勵磁電壓的，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�，這種調速系統既不節能，也沒(méi)有效率�？紤]船舶線(xiàn)路鋪設復雜，設備眾多，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(xiàn)路和設備，既能減少改造成本，又能節省大量人力和時(shí)間。

　　隨著(zhù)變頻技術(shù)的不斷發(fā)展，性能日益完善，應用也越來(lái)越廣泛，在船舶調速系統中引入變頻技術(shù)，是一次巧妙的應用。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、驅動(dòng)單元、檢測單元微處理單元等組成。由于發(fā)電機的勵磁線(xiàn)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(guò)操作手柄電位器控制變頻模塊來(lái)調節勵磁線(xiàn)圈電壓。簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)就是用一個(gè)改裝的變頻系統來(lái)代替了原來(lái)系統中的磁場(chǎng)調節器的功能。這樣的一個(gè)對控制線(xiàn)路的改造，可以使得調速系統的能耗大大降低，可靠性得到提高。下面為兩種控制方式原理圖：（1）磁場(chǎng)變阻器調速系統如上圖所示，Fz和Fy是兩組直流發(fā)電機，以左發(fā)電機Fz為例，由配電板a端輸入電壓Uab，通過(guò)Hkz滑環(huán)，使得左發(fā)電機Fzob和磁場(chǎng)變阻器Qz串聯(lián)成回路。根據歐姆定律，Uab=UFzob+UQz.UFzob和UQz分別是Fzob和Qz兩端的電壓。因為Fzob的電阻值是不變的，所以Fzob的電壓是隨著(zhù)Qz的電阻大小而變化，當Qz電阻變大，Fzob的電壓就變小，反之則變大。當起重機動(dòng)作時(shí)候，操作手柄給予磁場(chǎng)變阻器控制信號改變其串入回路的阻值大小，從而使得左發(fā)電機Fz的勵磁電壓變化，Fz的輸出電壓隨即也發(fā)生變化，Fy右發(fā)電機回路與Fz左發(fā)電機結構相同，調速同理。因此原本的調速就是通過(guò)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)電機的輸出電壓，從而達到調速目的。(2)變頻調速系統如圖，以左發(fā)電機組為例，虛線(xiàn)框內的電器元件表示是在起重機操作箱內，輸入總電壓依然來(lái)自配電板a端，進(jìn)入BPz內，通過(guò)操作手柄電位器控制變頻模塊，調節電壓頻率和大小，輸出三相交流電到Dz三相高頻橋堆，通過(guò)Dz整流后輸入到換向繼電器Jz1和Jz2，Jz1和Jz2是一對互鎖的換向繼電器，決定了起重機的正反轉和起升方向，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(guò)手柄按鈕操作控制Jz1和Jz2工作，通過(guò)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)電機磁場(chǎng)線(xiàn)圈得電。比較下來(lái)，就是用一個(gè)改裝的變頻系統來(lái)代替了原來(lái)的磁場(chǎng)調節器的功能。

　　前者是利用串接電阻來(lái)分擔磁場(chǎng)線(xiàn)圈電壓，后者則是通過(guò)變頻器調節磁場(chǎng)線(xiàn)圈電壓。對船舶調速控制系統進(jìn)行變頻控制后，極大的提高了船舶使用的可靠性。雖然兩種調節方式都是無(wú)級調速，但是變頻器調節比起磁場(chǎng)變阻器明顯更勝一籌。1、起重機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到30KW，這些消耗都體現在磁場(chǎng)變阻器的電阻發(fā)熱上。磁場(chǎng)變阻器不僅做了很多無(wú)用功，給船舶電站增加負擔，而且給操作人員帶來(lái)不小的麻煩。因為調速系統安裝在操作室，起重機司機每次工作就好像坐在一個(gè)火爐旁邊，開(kāi)空調也達不到制冷理想效果。不僅如此，這兩組磁場(chǎng)變阻器因為發(fā)熱大，電阻元件、觸點(diǎn)和線(xiàn)路經(jīng)常老化，故障率極高，最嚴重的時(shí)候達到一周故障一次的頻率，這嚴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，調速系統電流大大降低，變頻器的故障率遠低于磁場(chǎng)變阻器。這樣不僅減少了調速系統帶來(lái)的能源消耗，節約柴油，機油等能源，而且提升了起重機調速系統的可靠性，改變了以往經(jīng)常要檢修調速系統的情況，使得日常檢修的周期加長(cháng)，減少了維護付出的勞動(dòng)。2、簡(jiǎn)化了輪機管理任務(wù)。原來(lái)的調速控制箱內電器元件線(xiàn)路眾多，檢修復雜，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)現出現故障。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。這次改裝依然采用改變電樞供電電壓調速方式，并沒(méi)有大動(dòng)干戈重新設計改造整個(gè)系統方案和布局，而是巧妙的引用變頻控制，精簡(jiǎn)控制系統結構，最大程度的節省改裝成本，并解決了原本調速系統的弊病，大大提升了起重機的安全性和可靠性。變頻控制技術(shù)在直流調速控制中的使用，使得起重機運行的可靠性大為加強，減少了故障點(diǎn)，使得船舶管理變得更為先進(jìn)，科學(xué)。在對需要頻繁使用直流電機來(lái)工作的工程船舶而言，這樣的變頻技術(shù)應用大大的提升了工作的效率，使得設備的完好率也得到了提高。而且變頻控制技術(shù)在調速控制系統中的實(shí)際應用也表明，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)濟型也得到了很大的提升。

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