變頻技術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磁場變阻器來改變發電機勵磁磁場，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，主要通過兩組柴油機直流發電機組渠道兩組直流電動機，這兩組直流電動機分別完成起重機的旋轉、變幅和大小吊鉤升降動作�？梢钥闯�，起重機的動作快慢完全取決于這兩組直流電動機的轉速大小。直流電動機調速依據如下：直流電動機的轉速n和其他參量的關系可表示為(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為電樞并聯支路數，N為導體數。由式1可以看出，式中Ua、Ra、Ф三個參量都可以成為變量，只要改變其中一個參量，就可以改變電動機的轉速，所以直流電動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，即發電機-電動機調速系統，連續改變電樞供電電壓，使直流電動機在很寬的范圍內實現無級調速。未改裝前，起6主要通過磁場變阻器控制發電機機勵磁場，然而這種方式存在著很多缺陷。因為原系統是通過改變與勵磁線圈串入電阻的大小來調節勵磁電壓的，所以磁場變阻器產生的功耗較大，發熱量大，其故障率也較高，維修十分頻繁�？梢钥闯觯@種調速系統既不節能，也沒有效率�？紤]船舶線路鋪設復雜，設備眾多，環境多變，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備，既能減少改造成本，又能節省大量人力和時間。
隨著變頻技術的不斷發展，性能日益完善，應用也越來越廣泛，在船舶調速系統中引入變頻技術，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）、制動單元、驅動單元、檢測單元微處理單元等組成。由于發電機的勵磁線圈輸入就是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節勵磁線圈電壓。簡單的來說就是用一個改裝的變頻系統來代替了原來系統中的磁場調節器的功能。這樣的一個對控制線路的改造，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）磁場變阻器調速系統如上圖所示，Fz和Fy是兩組直流發電機，以左發電機Fz為例，由配電板a端輸入電壓Uab，通過Hkz滑環，使得左發電機Fzob和磁場變阻器Qz串聯成回路。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。當起重機動作時候，操作手柄給予磁場變阻器控制信號改變其串入回路的阻值大小，從而使得左發電機Fz的勵磁電壓變化，Fz的輸出電壓隨即也發生變化，Fy右發電機回路與Fz左發電機結構相同，調速同理。因此原本的調速就是通過操作手柄控制磁場變阻器在電路中的有效電阻值就可以改變發電機的輸出電壓，從而達到調速目的。(2)變頻調速系統如圖，以左發電機組為例，虛線框內的電器元件表示是在起重機操作箱內，輸入總電壓依然來自配電板a端，進入BPz內，通過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，同一時間只能工作一個，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HK2,從而使得Fz發電機磁場線圈得電。比較下來，就是用一個改裝的變頻系統來代替了原來的磁場調節器的功能。
前者是利用串接電阻來分擔磁場線圈電壓，后者則是通過變頻器調節磁場線圈電壓。對船舶調速控制系統進行變頻控制后，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級調速，但是變頻器調節比起磁場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變阻器的電阻發熱上。磁場變阻器不僅做了很多無用功，給船舶電站增加負擔，而且給操作人員帶來不小的麻煩。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火爐旁邊，開空調也達不到制冷理想效果。不僅如此，這兩組磁場變阻器因為發熱大，電阻元件、觸點和線路經常老化，故障率極高，最嚴重的時候達到一周故障一次的頻率，這嚴重影響船舶的施工生產。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，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變阻器。這樣不僅減少了調速系統帶來的能源消耗，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，改變了以往經常要檢修調速系統的情況，使得日常檢修的周期加長，減少了維護付出的勞動。2、簡化了輪機管理任務。原來的調速控制箱內電器元件線路眾多，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，故障顯示自動化，智能化，而且實際使用中表明，暫時也未發現出現故障。3、提高了工作的效率。三航起6在作業時的工作效率明顯的提高。良好的設備給了船舶可靠的保證，讓船舶在施工任務中大放光彩，常常保質保量的完成工作安排，得到了施工方，業主方的一致好評。這次改裝依然采用改變電樞供電電壓調速方式，并沒有大動干戈重新設計改造整個系統方案和布局，而是巧妙的引用變頻控制，精簡控制系統結構，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，使得船舶管理變得更為先進，科學。在對需要頻繁使用直流電機來工作的工程船舶而言，這樣的變頻技術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。而且變頻控制技術在調速控制系統中的實際應用也表明，這樣的技術發展帶給實際施工極大地福利，同時經濟型也得到了很大的提升。
參考文獻
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