船用電動變頻控制克令吊系統設計

曹大友，李國榮

(中外運長航集團南京金陵船廠,江蘇 南京 210015)

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船用電動變頻控制克令吊系統設計

曹大友，李國榮

(中外運長航集團南京金陵船廠,江蘇 南京 210015)

為提高船用克令吊運行效率,降低運營和維護保養成本,設計4臺電動變頻控制克令吊用于裝卸某靈便型散貨船貨物。首先對每臺克令吊系統進行配置并確定了工作參數,其次對電源系統、變頻驅動系統、制動系統、功率限制系統和其他輔助安全系統的原理和特點詳細進行了分析。從運用效果來看，電動變頻控制克令吊提高了船舶裝卸貨物效率，縮短了船舶滯港時間，操作靈便，對船舶電網負荷沖擊小。

變頻驅動；公共直流母線；逆變器；功率限制

0 引言

船舶克令吊作為遠洋船舶甲板機械之一，主要用于裝卸船舶港口的貨物。傳統的克令吊采用電液式的即液壓驅動方式。隨著變頻器控制技術的廣泛應用和發展，電動變頻控制克令吊以其綠色環保、裝卸貨物效率高、滯港時間短、操作靈便、對電網負荷沖擊小等優點逐漸受到用戶青睞。本文以某散貨船為例主要介紹電動變頻控制克令吊的系統設計。

1 配置和參數

某靈便型散貨船配置4臺電動變頻控制克令吊。每臺克令吊的控制系統主要包括：AC-DC整流單元、DC-AC逆變單元、濾波器、提升機構變頻器和電動機、變幅機構變頻器和電動機、旋轉機構變頻器和電動機以及PLC控制系統等。

克令吊控制系統工作參數如下：工作環境溫度為-25°～45°，電制為AC440 V 60 Hz三相和AC220 V 60 Hz單相，額定安全載重為30.5 t，提升速度為25～45 m/min,額定負荷下變幅時間為62 s，額定負荷下旋轉速度為0.7 r/min,吊臂工作半徑為4～26 m，提升高度為40 m。

2 電源系統設計

2.1 主電源設計

主電源AC440 V供電單線圖如圖1所示。從圖1看出，一路AC440 V主電源來自船舶主配電板，主要給吊機每個執行機構的電動機、冷卻風機電動機以及控制回路的電源變壓器和整流器等設備供電，每1個供電回路都設有1個斷路器或熔斷器作為線路保護。主電源經過克令吊筒體內的滑環到克令吊的主控制箱，吊機的接地線通過滑環與船上的接地連接，以確保整個供電回路的安全可靠。

圖1 主電源AC440 V供電單線圖

主電源AC220 V單線圖如圖2所示。4路AC220 V輔電源來自船上電力分電箱，第1路用于吊臂上的1盞1 000 W鹵素投光燈和筒體上2盞1 000 W的鹵素投光燈，第2路用于每個控制箱和轉換器箱體內加熱器，第3路用于吊機駕駛艙室的空調，第4路用于電動機防冷凝加熱器、吊機駕駛艙和筒體內的照明燈具、插座等輔助用電設備。

輔電源的設計通常基于2個原則：一是大功耗的設備盡量分開，二是不同工況下使用的負載盡量分開。實船供電時，如果受到供電回路開關數量的限制，可以考慮合并成1路或者2路電源。

2.2 控制系統電源設計

控制電源單線圖如圖3所示。考慮到船舶AC220 V和DC24 V電源可能受到某些因素的影響會出現電源不穩定的情況，尤其是DC24 V直流電源，傳輸距離遠且壓降大，因此配置2個DC24 V 480 VA的直流電源以及1個AC400 V/AC230 V 600 VA的交流變壓器用于所有控制電源供電回路，確保控制回路電源的穩定性和安全可靠性。

圖2 主電源AC220 V單線圖

圖3 控制電源單線圖

3 變頻驅動系統設計

3.1 變頻驅動基本原理

變頻驅動基本原理圖如圖4所示。變頻驅動是電動克令吊的核心和關鍵部分，這也是和常規電液吊的本質區別。變頻驅動由整流單元、公共直流回路母線、逆變單元等組成。

(1)整流單元：將交流電源轉換為電壓穩定的直流電源，即使在逆變器能量回饋到電網時，該電壓在規定范圍內仍保持恒定。

(2)公共直流回路母線：提供穩定可靠的電源給所有傳動機構。

(3)逆變單元：逆變單元把電壓穩定的直流電源轉化為電壓、頻率可調的交流電源，以滿足電機平滑調速的目。

3.2 變頻驅動系統設計

變頻驅動系統基本圖如圖5所示。變頻驅動系統主要由起升機構、變幅機構、旋轉機構、整流器、濾波器、PLC控制系統等6個主要部分組成。

(1)起升機構：包括1臺110 kW電動機、1個容量為182 kW的變頻器。此處選擇變頻器來代替逆變器，變頻器整流功能不用，最終功能是把直流母排上穩定的電源轉化為電源和頻率可調的交流電壓。

(2)變幅機構：包括1臺63 kW的電動機、1個容量為140 kW的變頻器。

(3)旋轉機構：包括2臺21.3 kW的電動機、2個容量為42 kW的變頻器。

(4)1個AC440 V變DC700 V的整流器。

(5)1個LCL型濾波器。

(6)1套西門子PLC控制系統CC3000。

圖4 變頻驅動基本原理

圖5 變頻驅動系統基本圖

3.3 公共直流母線

本船電動克令吊采用了公共直流母線技術，此技術在多電機交流調速系統中采用單獨的整流/回饋裝置為系統提供一定功率的直流電源，調速用逆變器直接掛接在直流母線上。當掛網的傳動機構工作在電動狀態時，逆變器從母線上獲取電能；當傳動機構工作在發電狀態時，能量通過母線及回饋裝置直接回饋給電網。

公共直流母線的設計有以下優點：

(1)節能。公共直流母線系統是解決多電機傳動技術的最優方案，很好地解決了多電機間電動狀態和發電狀態之間的矛盾。克令吊在實際操作中存在起升、變幅和旋轉三聯動的狀態，而每個執行機構可能出于不同的工作狀態中，這時整流回饋單元可以保證公共直流母線電壓的穩定供給，又可將多余的能量回饋給電網，實現再生能源的合理利用。

(2)對船舶電網沖擊小諧波低。共用直流母線平衡了變頻器的直流母線電壓，設備啟動、停止時對電網的沖擊也低。

(3)設備功率因素較高。因電機能夠回饋能量，無功功率損失小，所以設備功率因素較高，通常可達到95%以上。

(4)節省空間，提高設備運行穩定性。公共直流母線系統設備結構緊湊，工作穩定，省去了制動單元、制動電阻等外圍設備，節省了設備在克令吊筒體內占用的空間和設備維護量，減少了故障點，提高了克令吊整體控制水平。

4 制動系統設計

克令吊的制動系統是吊機在工作過程中確保安全的重要裝置，目前使用比較多的制動裝置是液壓驅動的蝶式制動器。此制動器具有制動時間短、使用時間長、安裝空間小等優點。

蝶式制動系統主要由液壓泵站、電磁閥、濾器、蓄能器、蝶式制動器等設備組成。液壓原理如圖6所示。

圖6 制動系統液壓原理圖

從圖中可知，當克令吊運行時，液壓電動機受4145和4146這2個壓力開關控制，自動給蓄能器4161充能和停止充能，使得系統的工作壓力維持在正常工作范圍。當任意一個執行機構得到運行命令時，PLC控制系統同時也會給對應的電磁閥1個開閥信號(圖6電磁閥1226和1227打開)，液壓油將會推壓蝶式制動器里的壓力彈簧，將內外碟片分開(內碟片和電動機一起轉動，外碟片固定不動，內外碟片交叉布置)，從而使得執行機構電動機可以正常運轉。當運行命令消失時，電磁閥失電閥關閉，蝶式制動器里的壓力彈簧回復常態，將內外碟片壓緊，實現執行機構電動機制動的目的。

當克令吊失電或者故障等原因停機時，所有的壓力彈簧失壓釋放恢復常態，所有電動機將被制動，這時可以通過使用應急手搖泵來把重物卸下。

5 功率限制系統設計

為了合理利用船舶發電機提供的功率，以及平衡每臺克令吊功率的分配，讓克令吊在運作過程中不會因為船舶電網供電不足而導致停機或者產生安全隱患，此散貨船配置了1套功率限制系統。

4臺克令吊和1個I/O模塊組成1個CAN網回路，形成1個數據庫，實現4臺克令吊的數據共享。為了避免信號干擾，CAN網電纜敷設時應和動力電纜分開至少150 mm以上。船舶電站PMS送出1個實時的在網剩余功率信號給I/O模塊。

當所有運行的克令吊消耗的總功率大于在網剩余功率時，功率限制系統將會自動激活，吊機起升和變幅機構電動機的速度會降低，消耗的總功率也將會隨之減小，一直降到消耗的總功率比在網剩余功率小，但是旋轉機構的速度和功率不會受到影響。

6 其他輔助安全系統設計

6.1 重載問詢系統

由于吊機的功率比較大，為了確保吊機正常啟動，并且啟動時不會對船舶其他負載設備的電壓造成影響，吊機配置了1個重載問詢系統。重載問詢電氣原理圖如圖7所示。

圖7 重載問詢電氣原理圖

克令吊啟動前，按下重載請求按鈕，向船舶電站PMS發出1個脈沖的啟動請求信號。PMS根據預設的吊機功率對電網剩余功率進行判斷，如果剩余功率足夠，那么PMS回饋給吊機1個允許啟動信號，此時吊機可以啟動。啟動后的運行信號將送給PMS作為負荷維持信號。

重載請求信號和PMS反饋的允許信號建議用2根電纜敷設，避免信號干擾。

6.2 應急停系統

吊機上一般會配置許多限位開關用于保證正常操作時的安全，例如起升和下降限位、變幅的最大和最小角度限位、吊臂旋轉限位等，這些都是為了在吊機能夠安全運作而設置的限位。

吊機在操作過程中可能會遇到一些特殊情況，需要操作者或者監護者緊急停機，因此吊機的駕駛艙和吊柱體入口處通常會配置1個應急停按鈕。

7 結語

隨著航運市場的日趨低迷，船東越來越關注設備運營成本以及維護成本的控制，甲板克令吊作為港口裝卸貨物作業的主要設備，其運行工作效率直接關系到船舶滯港時間。常規的液壓驅動克令吊技術發展至今已經比較成熟，在運營成本以及工作效率上已經沒有較大的提升空間。而電動變頻控制克令吊攻克了上述問題，以其操作過程平穩，設備維護費用低，對船舶電網沖擊小，裝卸貨效率高，周期短等優點越來越受廣大船東的喜愛。本文對其中一種電動變頻控制克令吊的設計方案進行了闡述和分析，希望對業內人士有所幫助。

[1] 楊成宇.PLC和變頻器在航標作業克令吊上的應用[J].工業技術, 2013，9(1)：93-95.

[2] 李方圓.通用變頻器共用直流母線方案的設計與應用[J]. 電工技術，2004(6):32-34.

2016-05-13

曹大友(1982—)，男，工程師，從事船舶電氣設計；李國榮(1975—)，男，高級工程師，從事船舶設計管理與電氣設計。

U662.1

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