三峽庫區(qū)1000噸應(yīng)急搶險(xiǎn)打撈起重船電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉文達(dá)，劉建設(shè)

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064；）

三峽庫區(qū)1000噸應(yīng)急搶險(xiǎn)打撈起重船電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉文達(dá)，劉建設(shè)

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064；）

本文介紹了三峽庫區(qū)1000噸應(yīng)急搶險(xiǎn)打撈起重船電力推進(jìn)系統(tǒng)的組成及功能，著重介紹了變頻控制原理及變頻器的設(shè)計(jì)，電推控制系統(tǒng)的系能分析及系統(tǒng)諧波計(jì)算結(jié)果，電力推進(jìn)作為一種新型的船舶推進(jìn)方式，在工程船的應(yīng)用中越來越凸顯其節(jié)能及易操控的優(yōu)勢(shì)。

電力推進(jìn) 變頻器 系統(tǒng)

0 引言

起重船是一種用于水上起重作業(yè)的工程船舶，又稱浮吊，浮式起重機(jī)。被廣泛應(yīng)用與海上大件吊裝，海上及內(nèi)河救助打撈，橋梁工程建設(shè)和港口碼頭施工等多個(gè)領(lǐng)域。工業(yè)發(fā)展帶來的大氣污染，使得現(xiàn)今人們對(duì)節(jié)能減排尤其重視，電推船的節(jié)能減排作用由此明顯體現(xiàn)出來。本文對(duì)三峽庫區(qū)1000噸應(yīng)急搶險(xiǎn)打撈起重船變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)做個(gè)概要介紹。

1 系統(tǒng)組成

本船設(shè)置四套獨(dú)立的電力推進(jìn)控制系統(tǒng)分別對(duì)兩條主推進(jìn)支路，兩條側(cè)推支路單獨(dú)進(jìn)行控制。本船設(shè)有2套1500 kW主推進(jìn)器， 2套600 kW，1500 r/min的定螺距管隧式推進(jìn)器。如圖1所示。每套推進(jìn)進(jìn)器由1臺(tái)推進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，推進(jìn)電動(dòng)機(jī)再由一個(gè)獨(dú)立的推進(jìn)變頻器供電和控制，每個(gè)推進(jìn)變頻器通過1臺(tái)推進(jìn)移相變壓器連接到船舶電網(wǎng)。

系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)電力推進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作，確保推進(jìn)系統(tǒng)的安全運(yùn)行，推進(jìn)遙控系統(tǒng)通過電力推進(jìn)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電力推進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)備（包括主推進(jìn)移相變壓器、主推進(jìn)變頻器、主推進(jìn)電機(jī)）的操控功能。

變頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心控制部件是變頻器，推進(jìn)控制系統(tǒng)。

1.1變頻器

變頻器由整流電路，逆變電路，制動(dòng)電阻電路及預(yù)充電電路等部分組成。

整流電路安裝于整流柜內(nèi)，主要由整流組件（整流橋主回路）、輸入交流熔斷器、輸入交流電抗器以及輸出直流側(cè)熔斷器組成。

輔助電路主要由核心的底層管理模塊、風(fēng)機(jī)、加熱器等組成。

其功能框圖如圖2：

逆變電路安裝于逆變柜中，逆變柜由主要由逆變組件、dv/dt濾波器和輔助電路組成組成。輔助電路主要由核心的底層管理模塊、風(fēng)機(jī)、加熱器等組成。其功能框圖如圖3所示。

制動(dòng)柜不含制動(dòng)電阻，制動(dòng)電阻獨(dú)立于變頻器外。制動(dòng)斬波器包含IGBT組件和驅(qū)動(dòng)板。

為防止主回路上電時(shí)產(chǎn)生浪涌電流，需設(shè)置預(yù)充電電路對(duì)變頻器直流電容進(jìn)行預(yù)先充電，其電氣原理圖如圖4所示：

1.2推進(jìn)控制系統(tǒng)

兩套電力推進(jìn)控制系統(tǒng)相互獨(dú)立，一套控制系統(tǒng)的故障不影響另一套控制系統(tǒng)的正常工作。電力推進(jìn)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

每套電力推進(jìn)控制系統(tǒng)采用冗余型PLC，包含兩套PLC。兩套PLC的CPU、電源和通訊模塊相互獨(dú)立，其中的一套PLC系統(tǒng)為主用控制站，另外一套PLC系統(tǒng)為備用控制站。如圖6所示。兩套控制站之間通過網(wǎng)絡(luò)通訊交換數(shù)據(jù)，并通過硬線進(jìn)行聯(lián)鎖切換。當(dāng)主用控制站發(fā)生故障時(shí)，備用控制站將被自動(dòng)激活。

2 電力推進(jìn)系統(tǒng)功能及軟件

2.1電力推進(jìn)系統(tǒng)功能

系統(tǒng)功能具體有如下：

1）推進(jìn)操作位置和方式

電力推進(jìn)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的操作地點(diǎn)有駕駛室和就地。就地操作優(yōu)先級(jí)高。系統(tǒng)具有互鎖，任一時(shí)刻只有一個(gè)操作部位有效。

2）控制模式

對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)采用兩種控制模式：轉(zhuǎn)速控制和功率控制。

在轉(zhuǎn)速控制模式下，通過推進(jìn)手柄或就地控制箱進(jìn)行轉(zhuǎn)速給定。在功率控制模式下，操作手柄給出的命令信號(hào)為功率參考值，變頻器根據(jù)此參考值控制推進(jìn)電機(jī)功率。

3）功率限制保護(hù)

為了不造成發(fā)電機(jī)的過載引起電站斷電。在功率控制模式下，推進(jìn)電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩只能在最大限定值范圍內(nèi)變化。

當(dāng)在網(wǎng)機(jī)組發(fā)生故障或由于其它原因造成電站可用功率降低時(shí)，推進(jìn)控制系統(tǒng)能夠在極短的時(shí)間內(nèi)將變頻器的輸出功率降低到一個(gè)很小的值，既避免推進(jìn)負(fù)載過大而造成的全船失電情況出現(xiàn)，又能保證船舶不失去推進(jìn)動(dòng)力保證船舶安全。

4）減速請(qǐng)求和越控

若出現(xiàn)變頻器設(shè)備某些重要報(bào)警或故障后，推進(jìn)系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出減速請(qǐng)求，系統(tǒng)自動(dòng)降速，若按下“越控”，則不執(zhí)行減速。

5）推進(jìn)系統(tǒng)聯(lián)鎖保護(hù)

在推進(jìn)操作面板上按下“推進(jìn)系統(tǒng)準(zhǔn)備”可進(jìn)入推進(jìn)準(zhǔn)備狀態(tài)，在電站準(zhǔn)備好、輔機(jī)準(zhǔn)備好、變頻器就緒的情況下可啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，否則系統(tǒng)不允許被啟動(dòng)。

6）推進(jìn)系統(tǒng)停車

推進(jìn)系統(tǒng)停車分為三種：正常停車、故障停車、緊急停車。

2.2 控制系統(tǒng)的PLC軟件

變頻控制系統(tǒng)的 PLC軟件設(shè)計(jì)按照如下的狀態(tài)圖跳轉(zhuǎn)作為控制方法編寫。

3 系統(tǒng)分析及諧波計(jì)算

交流變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械特性如下：

從交流變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械特性可以看出，交流變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)適合工程船低速運(yùn)行工況下大轉(zhuǎn)矩負(fù)荷要求。

單條推進(jìn)支路對(duì)690V電網(wǎng)來說為12脈動(dòng)整流，兩套推進(jìn)支路同時(shí)運(yùn)行時(shí)相當(dāng)于虛擬24脈動(dòng)整流。在當(dāng)前發(fā)電機(jī)參數(shù)前提下，可保證在不帶任何濾波器的情況下，配電板的總電壓諧波畸變（THD）滿足CCS規(guī)范的要求。

4 總結(jié)

采用變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，大大降低燃料消耗，提高船舶的可操作性及可維修性。各系統(tǒng)指標(biāo)達(dá)到并超越船東預(yù)期，受到船東好評(píng)，之前國內(nèi)電力推進(jìn)起重船市場(chǎng)為國外公司壟斷，此系統(tǒng)的成功研發(fā)，安裝及投入使用，加快此船型國產(chǎn)化速度，并可為我國其他采取電力推進(jìn)系統(tǒng)的工程船舶的設(shè)計(jì)建造提供一定的參考。

［1]鄭元璋，冀路明等. 船舶綜合電力推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)研究. 中國航海，2005，（4）：83-86.

［2]俞文勝. 船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)綜述. 世界海運(yùn)，2007，30（3）:43-45.

［3]鄭明. 自備電站智能控制及優(yōu)化的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn). 機(jī)電技術(shù)，2010，33（1）：1-3.

［4]文勇. 350T自航起重船電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì). 海洋工程裝備與技術(shù)，2014， 1（3）.

［5]陳建光. 深海鋪管起重船的電力推進(jìn)控制系統(tǒng).艦船科學(xué)技術(shù)， 2010， 32（11）:34-38.

［6]魏偉，付立軍. 全電力推進(jìn)艦船電力系統(tǒng)諧波仿真與實(shí)驗(yàn).船電技術(shù)， 2006.

Design of Electric Propulsion System for 1000 -Tons Rescue and Savage Floating Crane in Three Gorges Reservoir Region

Liu Wenda， Liu Jianshe
（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion， Wuhan 430064， China）

In this paper， the constitution of an electric propulsion system for 1000- tons rescue and savage floating crane is presented， the working principle for the converter is introduced， and the harmonic analysis is also mentioned. As a new type of marine propulsion system， it has more and more energy-saving and maneuverability advantages in vessels.

electric propulsion ； converter； system

TM921

A

1003-4862（2016）07-0053-03

2016-04-18

劉文達(dá)（1984-），男，工程師。研究方向：自動(dòng)控制。