船用電動(dòng)變頻控制克令吊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹大友，李國(guó)榮

(中外運(yùn)長(zhǎng)航集團(tuán)南京金陵船廠,江蘇 南京 210015)

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船用電動(dòng)變頻控制克令吊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹大友，李國(guó)榮

(中外運(yùn)長(zhǎng)航集團(tuán)南京金陵船廠,江蘇 南京 210015)

為提高船用克令吊運(yùn)行效率,降低運(yùn)營(yíng)和維護(hù)保養(yǎng)成本,設(shè)計(jì)4臺(tái)電動(dòng)變頻控制克令吊用于裝卸某靈便型散貨船貨物。首先對(duì)每臺(tái)克令吊系統(tǒng)進(jìn)行配置并確定了工作參數(shù),其次對(duì)電源系統(tǒng)、變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、功率限制系統(tǒng)和其他輔助安全系統(tǒng)的原理和特點(diǎn)詳細(xì)進(jìn)行了分析。從運(yùn)用效果來(lái)看，電動(dòng)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(shí)間，操作靈便，對(duì)船舶電網(wǎng)負(fù)荷沖擊小。

變頻驅(qū)動(dòng)；公共直流母線；逆變器；功率限制

0 引言

船舶克令吊作為遠(yuǎn)洋船舶甲板機(jī)械之一，主要用于裝卸船舶港口的貨物。傳統(tǒng)的克令吊采用電液式的即液壓驅(qū)動(dòng)方式。隨著變頻器控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，電動(dòng)變頻控制克令吊以其綠色環(huán)保、裝卸貨物效率高、滯港時(shí)間短、操作靈便、對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷沖擊小等優(yōu)點(diǎn)逐漸受到用戶青睞。本文以某散貨船為例主要介紹電動(dòng)變頻控制克令吊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 配置和參數(shù)

某靈便型散貨船配置4臺(tái)電動(dòng)變頻控制克令吊。每臺(tái)克令吊的控制系統(tǒng)主要包括：AC-DC整流單元、DC-AC逆變單元、濾波器、提升機(jī)構(gòu)變頻器和電動(dòng)機(jī)、變幅機(jī)構(gòu)變頻器和電動(dòng)機(jī)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)變頻器和電動(dòng)機(jī)以及PLC控制系統(tǒng)等。

克令吊控制系統(tǒng)工作參數(shù)如下：工作環(huán)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(fù)荷下變幅時(shí)間為62 s，額定負(fù)荷下旋轉(zhuǎn)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(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 主電源設(shè)計(jì)

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(lái)自船舶主配電板，主要給吊機(jī)每個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)、冷卻風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)以及控制回路的電源變壓器和整流器等設(shè)備供電，每1個(gè)供電回路都設(shè)有1個(gè)斷路器或熔斷器作為線路保護(hù)。主電源經(jīng)過(guò)克令吊筒體內(nèi)的滑環(huán)到克令吊的主控制箱，吊機(jī)的接地線通過(guò)滑環(huán)與船上的接地連接，以確保整個(gè)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(lái)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(gè)控制箱和轉(zhuǎn)換器箱體內(nèi)加熱器，第3路用于吊機(jī)駕駛艙室的空調(diào)，第4路用于電動(dòng)機(jī)防冷凝加熱器、吊機(jī)駕駛艙和筒體內(nèi)的照明燈具、插座等輔助用電設(shè)備。

輔電源的設(shè)計(jì)通?；?個(gè)原則：一是大功耗的設(shè)備盡量分開，二是不同工況下使用的負(fù)載盡量分開。實(shí)船供電時(shí)，如果受到供電回路開關(guān)數(shù)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(tǒng)電源設(shè)計(jì)

控制電源單線圖如圖3所示?？紤]到船舶AC220 V和DC24 V電源可能受到某些因素的影響會(huì)出現(xiàn)電源不穩(wěn)定的情況，尤其是DC24 V直流電源，傳輸距離遠(yuǎn)且壓降大，因此配置2個(gè)DC24 V 480 VA的直流電源以及1個(gè)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(wěn)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 變頻驅(qū)動(dòng)基本原理

變頻驅(qū)動(dòng)基本原理圖如圖4所示。變頻驅(qū)動(dòng)是電動(dòng)克令吊的核心和關(guān)鍵部分，這也是和常規(guī)電液吊的本質(zhì)區(qū)別。變頻驅(qū)動(dòng)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(zhuǎn)換為電壓穩(wěn)定的直流電源，即使在逆變器能量回饋到電網(wǎng)時(shí)，該電壓在規(guī)定范圍內(nèi)仍保持恒定。

(2)公共直流回路母線：提供穩(wěn)定可靠的電源給所有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

(3)逆變單元：逆變單元把電壓穩(wěn)定的直流電源轉(zhuǎn)化為電壓、頻率可調(diào)的交流電源，以滿足電機(jī)平滑調(diào)速的目。

3.2 變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)基本圖如圖5所示。變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、整流器、濾波器、PLC控制系統(tǒng)等6個(gè)主要部分組成。

(1)起升機(jī)構(gòu)：包括1臺(tái)110 kW電動(dòng)機(jī)、1個(gè)容量為182 kW的變頻器。此處選擇變頻器來(lái)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(wěn)定的電源轉(zhuǎn)化為電源和頻率可調(diào)的交流電壓。

(2)變幅機(jī)構(gòu)：包括1臺(tái)63 kW的電動(dòng)機(jī)、1個(gè)容量為140 kW的變頻器。

(3)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)：包括2臺(tái)21.3 kW的電動(dòng)機(jī)、2個(gè)容量為42 kW的變頻器。

(4)1個(gè)AC440 V變DC700 V的整流器。

(5)1個(gè)LCL型濾波器。

(6)1套西門子PLC控制系統(tǒng)CC3000。

圖4 變頻驅(qū)動(dòng)基本原理

圖5 變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)基本圖

3.3 公共直流母線

本船電動(dòng)克令吊采用了公共直流母線技術(shù)，此技術(shù)在多電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)中采用單獨(dú)的整流/回饋裝置為系統(tǒng)提供一定功率的直流電源，調(diào)速用逆變器直接掛接在直流母線上。當(dāng)掛網(wǎng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，逆變器從母線上獲取電能；當(dāng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作在發(fā)電狀態(tài)時(shí)，能量通過(guò)母線及回饋裝置直接回饋給電網(wǎng)。

公共直流母線的設(shè)計(jì)有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)節(jié)能。公共直流母線系統(tǒng)是解決多電機(jī)傳動(dòng)技術(shù)的最優(yōu)方案，很好地解決了多電機(jī)間電動(dòng)狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài)之間的矛盾?？肆畹踉趯?shí)際操作中存在起升、變幅和旋轉(zhuǎn)三聯(lián)動(dòng)的狀態(tài)，而每個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能出于不同的工作狀態(tài)中，這時(shí)整流回饋單元可以保證公共直流母線電壓的穩(wěn)定供給，又可將多余的能量回饋給電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)再生能源的合理利用。

(2)對(duì)船舶電網(wǎng)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(shè)備啟動(dòng)、停止時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊也低。

(3)設(shè)備功率因素較高。因電機(jī)能夠回饋能量，無(wú)功功率損失小，所以設(shè)備功率因素較高，通常可達(dá)到95%以上。

(4)節(jié)省空間，提高設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性。公共直流母線系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，工作穩(wěn)定，省去了制動(dòng)單元、制動(dòng)電阻等外圍設(shè)備，節(jié)省了設(shè)備在克令吊筒體內(nèi)占用的空間和設(shè)備維護(hù)量，減少了故障點(diǎn)，提高了克令吊整體控制水平。

4 制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

克令吊的制動(dòng)系統(tǒng)是吊機(jī)在工作過(guò)程中確保安全的重要裝置，目前使用比較多的制動(dòng)裝置是液壓驅(qū)動(dòng)的蝶式制動(dòng)器。此制動(dòng)器具有制動(dòng)時(shí)間短、使用時(shí)間長(zhǎng)、安裝空間小等優(yōu)點(diǎn)。

蝶式制動(dòng)系統(tǒng)主要由液壓泵站、電磁閥、濾器、蓄能器、蝶式制動(dòng)器等設(shè)備組成。液壓原理如圖6所示。

圖6 制動(dòng)系統(tǒng)液壓原理圖

從圖中可知，當(dāng)克令吊運(yùn)行時(shí)，液壓電動(dòng)機(jī)受4145和4146這2個(gè)壓力開關(guān)控制，自動(dòng)給蓄能器4161充能和停止充能，使得系統(tǒng)的工作壓力維持在正常工作范圍。當(dāng)任意一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)得到運(yùn)行命令時(shí)，PLC控制系統(tǒng)同時(shí)也會(huì)給對(duì)應(yīng)的電磁閥1個(gè)開閥信號(hào)(圖6電磁閥1226和1227打開)，液壓油將會(huì)推壓蝶式制動(dòng)器里的壓力彈簧，將內(nèi)外碟片分開(內(nèi)碟片和電動(dòng)機(jī)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，外碟片固定不動(dòng)，內(nèi)外碟片交叉布置)，從而使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)運(yùn)行命令消失時(shí)，電磁閥失電閥關(guān)閉，蝶式制動(dòng)器里的壓力彈簧回復(fù)常態(tài)，將內(nèi)外碟片壓緊，實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)制動(dòng)的目的。

當(dāng)克令吊失電或者故障等原因停機(jī)時(shí)，所有的壓力彈簧失壓釋放恢復(fù)常態(tài)，所有電動(dòng)機(jī)將被制動(dòng)，這時(shí)可以通過(guò)使用應(yīng)急手搖泵來(lái)把重物卸下。

5 功率限制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了合理利用船舶發(fā)電機(jī)提供的功率，以及平衡每臺(tái)克令吊功率的分配，讓克令吊在運(yùn)作過(guò)程中不會(huì)因?yàn)榇半娋W(wǎng)供電不足而導(dǎo)致停機(jī)或者產(chǎn)生安全隱患，此散貨船配置了1套功率限制系統(tǒng)。

4臺(tái)克令吊和1個(gè)I/O模塊組成1個(gè)CAN網(wǎng)回路，形成1個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)4臺(tái)克令吊的數(shù)據(jù)共享。為了避免信號(hào)干擾，CAN網(wǎng)電纜敷設(shè)時(shí)應(yīng)和動(dòng)力電纜分開至少150 mm以上。船舶電站PMS送出1個(gè)實(shí)時(shí)的在網(wǎng)剩余功率信號(hào)給I/O模塊。

當(dāng)所有運(yùn)行的克令吊消耗的總功率大于在網(wǎng)剩余功率時(shí)，功率限制系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)激活，吊機(jī)起升和變幅機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)的速度會(huì)降低，消耗的總功率也將會(huì)隨之減小，一直降到消耗的總功率比在網(wǎng)剩余功率小，但是旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的速度和功率不會(huì)受到影響。

6 其他輔助安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)

6.1 重載問(wèn)詢系統(tǒng)

由于吊機(jī)的功率比較大，為了確保吊機(jī)正常啟動(dòng)，并且啟動(dòng)時(shí)不會(huì)對(duì)船舶其他負(fù)載設(shè)備的電壓造成影響，吊機(jī)配置了1個(gè)重載問(wèn)詢系統(tǒng)。重載問(wèn)詢電氣原理圖如圖7所示。

圖7 重載問(wèn)詢電氣原理圖

克令吊啟動(dòng)前，按下重載請(qǐng)求按鈕，向船舶電站PMS發(fā)出1個(gè)脈沖的啟動(dòng)請(qǐng)求信號(hào)。PMS根據(jù)預(yù)設(shè)的吊機(jī)功率對(duì)電網(wǎng)剩余功率進(jìn)行判斷，如果剩余功率足夠，那么PMS回饋給吊機(jī)1個(gè)允許啟動(dòng)信號(hào)，此時(shí)吊機(jī)可以啟動(dòng)。啟動(dòng)后的運(yùn)行信號(hào)將送給PMS作為負(fù)荷維持信號(hào)。

重載請(qǐng)求信號(hào)和PMS反饋的允許信號(hào)建議用2根電纜敷設(shè)，避免信號(hào)干擾。

6.2 應(yīng)急停系統(tǒng)

吊機(jī)上一般會(huì)配置許多限位開關(guān)用于保證正常操作時(shí)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(zhuǎn)限位等，這些都是為了在吊機(jī)能夠安全運(yùn)作而設(shè)置的限位。

吊機(jī)在操作過(guò)程中可能會(huì)遇到一些特殊情況，需要操作者或者監(jiān)護(hù)者緊急停機(jī)，因此吊機(jī)的駕駛艙和吊柱體入口處通常會(huì)配置1個(gè)應(yīng)急停按鈕。

7 結(jié)語(yǔ)

隨著航運(yùn)市場(chǎng)的日趨低迷，船東越來(lái)越關(guān)注設(shè)備運(yùn)營(yíng)成本以及維護(hù)成本的控制，甲板克令吊作為港口裝卸貨物作業(yè)的主要設(shè)備，其運(yùn)行工作效率直接關(guān)系到船舶滯港時(shí)間。常規(guī)的液壓驅(qū)動(dòng)克令吊技術(shù)發(fā)展至今已經(jīng)比較成熟，在運(yùn)營(yíng)成本以及工作效率上已經(jīng)沒有較大的提升空間。而電動(dòng)變頻控制克令吊攻克了上述問(wèn)題，以其操作過(guò)程平穩(wěn)，設(shè)備維護(hù)費(fèi)用低，對(duì)船舶電網(wǎng)沖擊小，裝卸貨效率高，周期短等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受廣大船東的喜愛。本文對(duì)其中一種電動(dòng)變頻控制克令吊的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了闡述和分析，希望對(duì)業(yè)內(nèi)人士有所幫助。

[1] 楊成宇.PLC和變頻器在航標(biāo)作業(yè)克令吊上的應(yīng)用[J].工業(yè)技術(shù), 2013，9(1)：93-95.

[2] 李方圓.通用變頻器共用直流母線方案的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 電工技術(shù)，2004(6):32-34.

2016-05-13

曹大友(1982—)，男，工程師，從事船舶電氣設(shè)計(jì)；李國(guó)榮(1975—)，男，高級(jí)工程師，從事船舶設(shè)計(jì)管理與電氣設(shè)計(jì)。

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