挖泥船電傳動式動力裝置的設計與應用

羅海全,徐寶庫,趙永玲

(中國北車集團大連機車車輛有限公司,遼寧 大連 116022)

挖泥船電傳動式動力裝置的設計與應用

羅海全,徐寶庫,趙永玲

(中國北車集團大連機車車輛有限公司,遼寧 大連 116022)

原有挖泥船動力裝置在電氣、機械方面有很多不足，為改善挖泥船工作質量，設計了挖泥船電傳動式裝置，由柴油機(包括輔助系統)、同步發電機、公共底座、高彈聯軸器、隔振器、電氣控制系統、交流異步電動機等大部件組成，通過調節柴油機轉速來實現電動機的調速，整個系統故障點少，維護更方便，并且效率高、成本低、污染少，節電，符合我國節能、減排的發展戰略。

挖泥船；動力裝置；電傳動；調壓調速

0 引言

在世界各個繁忙的港口，航道中所含的大量泥沙沉積，常常給船舶的通行造成障礙。要清除航道上的泥沙，以便船舶順利通過，挖泥船是目前在疏浚工程中運用較廣泛的一種船舶。它是利用吸水管前端圍繞吸水管裝設旋轉絞刀裝置，將河底泥沙進行切割和攪動，再經吸泥管將絞起的泥沙物料，借助強大的泵力，輸送到泥沙物料堆積場。它的挖泥、運泥、卸泥等工作過程，可以一次連續完成，它是一種效率高、成本較低的挖泥船，是良好的水下挖掘機械。

隨著疏浚行業的不斷發展，我國對挖泥船的需求量逐漸增大。為改變原有挖泥船動力裝置的不足，本文介紹的挖泥船電傳動式動力裝置，其故障少，效率高，成本低，污染少，節電，符合我國節能、減排的發展戰略。

1 原有挖泥船動力裝置的工作原理與不足

泥沙物料的吸起是通過大功率電動機來完成的。由于在遠離陸地的地方作業而導致沒有工頻電網可以使用，所以在挖泥船船上是通過柴油機帶動同步發電機，發電機的輸出電壓傳送至交流電動機，通過高彈-聯軸器-長軸-變速箱，吸起泥沙物料。但是，異步電動機的不良起動方式造成多方面的損壞，其中包括：

(1)電氣問題。在直接起動或星三角起動過程中，其起動電流往往為額定電流的數倍，產生電壓和電流的突變，帶來了大量的電氣問題。這些突變現象可能使柴油機及發電機過載，并使電壓波動。

(2)機械問題。從電動機到絞刀都會受到劇烈的應力。

(3)經濟問題。出現每個技術問題和故障后，因需要維修及停產造成大量的損失。

解決這些問題的簡單方法就是安裝變頻器。這種技術的特點是在發電機與電動機之間設置變頻器，通過控制變頻器來實現電動機的起動及調速。使用變頻器具有起動電流小、電壓波動小、損耗小以及可控的加速及停止方式等優點。

變頻器帶動電動機的方法以節能顯著、保護完善、控制性能好、過載能力強、使用維護方便等特點，迅速在挖泥船上使用，已成為電動機調速的主潮流，其系統圖如圖1所示。這種方法的特點是采用柴油機發電機組作為動力，發出電壓V和頻率f都為固定值的電源，給變頻器供電，然后通過對變頻器的控制實現電動機軟起動和速度調節。

圖1 采用變頻器的系統圖

但是，在挖泥船上采用變頻器的動力裝置的缺點是不經濟。國際知名品牌的變頻器價格不菲，很大程度上增加了船舶制造的成本。

2 改進的電傳動式動力裝置的設計原理

改進的電傳動式動力裝置系統圖如圖2所示。改進系統利用挖泥船在港口作業時不使用工頻電網，不需要考慮其他負載的使用狀況的特點。發電機的發電頻率由柴油機的轉速決定的，并且電動機的電壓與發電機的輸出電壓一致，電動機的轉速與發電機轉速變化都是由柴油機轉速決定。柴油機轉速高，發電機頻率高，電動機轉速就高；反之，柴油機轉速低，發電機頻率低，電動機轉速就低。用這種方法來替代變頻器的功能，同樣可以實現系統的調頻調壓，從而實現大功率電動機的軟起動及調速。

系統以V/f=C為基本依據，在一定的柴油機轉速下，確認基準電壓。基準電壓信號與發電機輸出電壓反饋信號相比較，比較誤差信號送至電壓調節器。這個調節器同樣也是自適應的PI調節器，即調節器的參數隨著柴油機的轉速的變化自動進行調整，以保證控制系統的瞬態和穩態性能。該調節器的輸出信號為驅動器的輸入控制信號，該控制信號經驅動器放大后控制發電機的勵磁電流，從而調節其輸出電壓，使其V/f=C，實現系統的調頻調壓。調頻調壓原理圖如圖3所示。

圖2 改進的電傳動式動力裝置的系統圖

圖3 調頻調壓原理圖

在這個環節中，通過PWM脈寬調制電路調節發電機的勵磁電流，從而調節其輸出電壓，實現系統的調頻調壓。

3 改進的電傳動式動力裝置的組成

本動力裝置由柴油機(包括輔助系統)、同步發電機、公共底座、高彈聯軸器、隔振器、電氣控制系統、交流異步電動機等大部件組成。

3.1 柴油機主要技術參數

柴油機滿足船舶傾斜搖擺的要求，即當船舶縱傾5°、橫傾15°，縱搖7.5°、橫搖22.5°時，柴油機能正常運轉。柴油機及主要附件符合國家有關標準、行業標準和船舶入級規范的要求，并取得CCS(中國船級社)證書和NOx排放證書。

柴油機參數為V型4 沖程、中冷、定壓增壓，V形50°夾角, 16氣缸，缸徑240 mm, 沖程275 mm,標定轉速 1 000 r/min,曲軸轉向順時針(面向起動齒輪端)，持續服務功率(CSR)2 350 kW，最大持續功率(MCR)2 600 kW(@1 000r/min)，最低惰轉轉速430 r/min，負載轉速范圍： 800～1 000 r/min。

3.2 同步發電機技術參數

同步發電機型號為TFW2300-6，額定功率因數0.85，額定功率2 300 kW，額定電壓AC6 300 V，額定頻率50 Hz，額定轉速1 000 r/min，額定效率0.95，極數 6，相數3，星接 (帶中性線)，同軸無刷勵磁，額定勵磁電流≤9 A，防護等級IP44，絕緣等級F / F。

3.3 交流異步電動機技術參數

交流異步電動機型號為YKS630-6，額定功率1 900 kW，額定電壓AC6 000 V，額定頻率50 Hz，同步轉速1 000 r/min，額定功率因數 0.85，額定效率95.5%，最大力矩1.8倍，極數6，相數3，防護等級IP56，絕緣等級F級。

3.4 電氣控制系統

電氣控制系統由監控微機、機旁控制柜及發電機組控制柜組成。

3.4.1 監控微機

監控微機安裝在柴油機上。其作用是負責接收與柴油機相關的壓力、溫度及轉速等模擬量信號，并將接收到的柴油機相關參數信號轉換成標準信號，以通訊的方式傳送到上位機，實現信息共享；還可將與柴油機相關的開關量信號傳送至機旁控制柜，以實現柴油機在故障情況下的報警及停機保護。

3.4.2 機旁控制柜

柴油機機旁控制柜就近安裝在柴油機的旁邊。控制柜內裝有中間繼電器、時間繼電器、接觸器、斷路器及顯示屏等，以實現柴油機的起動、調速、停機，柴油機參數顯示及故障報警和停機等功能。

柴油機機旁控制柜上實現的安全保護措施包括：機油壓力低報警保護、冷卻水溫高報警保護、機油溫度高報警保護、燃油泄露報警保護、超速報警保護、盤車機構聯鎖保護、曲軸箱過壓停機保護、機油壓力低停機保護、超速停機保護。

當有上述的故障發生時，相應的信號燈亮，顯示故障內容，機旁控制柜上報警器報警。

3.4.3 發電機組控制柜

發電機組控制柜安裝在挖泥船的監控室內，其型號為2350CCDJ6,額定電壓為AC6 000 V，額定電流為240 A，由高壓柜、監控柜2個柜體組成。高壓柜內裝有真空斷路器、變壓器、電流互感器、絕緣監視耦合儀、高壓限流熔斷器、過電壓吸收器等高壓設備，監控柜內裝有勵磁微機及保護繼電器等控制設備，用于控制發電機的輸出電壓以及機組的相關電氣保護。

控制柜有如下繼電器類保護：發電機過流、機組系統接地、差動保護。

發電機電動機漏水控制柜有如下微機軟件保護：發電機欠壓、發電機過壓、電壓測量回路故障、繞組、軸承溫度高。

4 結語

改進的電傳動式動力裝置在圍海造地工程施工中，一直穩定發揮，平均時間利用率近80%。

本設計改進的電傳動式動力裝置以我公司船用柴油機為動力，帶動發電機旋轉，以V/f=C為依據，進行調頻調壓，發出適合挖泥船工況的電壓來完成大功率電動機的起動，并通過調節柴油機轉速來實現電動機的調速，可以完全代替現在挖泥船上普遍使用的變頻器。整個系統不僅能實現變頻器所帶來的起動電流小，電壓波動小，損耗小以及可控的加速及停止方式等功能，更可降低成本，減少維護費用。

2013-10-15

羅海全(1979-)，男，工程師，主要從事銷售工作；徐寶庫(1974-)，男，工程師，主要從事銷售工作；趙永玲(1978-)，男，高級工程師，主要從事電氣設計工作。

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