船用起重机电气改造

2011-06-05金惠峰陈方亮于海宁

船电技术 2011年10期

金惠峰陈方亮于海宁

（1. 武汉第二船舶设计研究所，武汉 430064；2. 中国船舶重工集团公司第七一二研究所，武汉 430064）

1 引言

在上世纪的大部分年代里，由于直流传动系统具有优越的调速性能，高性能的可调速传动都采用直流电动机。然而，直流电动机结构上存在机械换向器和电刷，使它具有一些难以克服的固有缺点，如维修工作量大，事故率高，容量受换向条件的制约，使用环境受限。交流电动机固有的优点是：结构简单，造价低，坚固耐用，事故率低，容易维护；但它的最大缺点在于调速困难，简单调速方案的性能指标不佳，然而随着交流调速理论的突破和调速装置的完善，目前交流传动已经上升为电气调速传动的主流，直流传动系统受到强烈的冲击，在不久的将来，交流电气传动将会完全取代直流电气传动。

2 设备现状

2.1 设备现状

船用起重机采用 DC发电机-电动机传动系统，主钩单独采用一套AC电动机-DC发电机变流机组；变幅和旋转合用一套变流机组。两套变流机组分别配备一套 Y-△启动柜。船用起重机不需要 360°旋转，由船舱至船用起重机的软电缆直接供电，未采用中心集电器。船用起重机采用3台直流驱动电动机分别完成主钩起升、吊臂旋转、变幅等机构的运动功能。运动机构由两套控制柜及2套主令开关控制，其中一套完成对主钩的控制，另一套完成对旋转/变幅的控制，旋转和变幅功能的切换通过转换开关选择，旋转和变幅运动不能同时进行。

船用起重机运动机构采用直流调速拖动和继电器、接触器的控制方式，这种控制方式的技术水平在当时是先进的。但是直流调速和继电器、接触器控制方式存在一些固有的缺陷，随着计算机控制技术和交流变频调速技术的发展，采用PLC控制器、变频器和异步交流变频电机的全数字交流变频调速控制技术的成熟，本船的船用起重机运动机构直流调速和继电器、接触器控制方式已逐渐被交流变频调试控制技术所取代。

随着使用年限的增加，直流调速和继电器、接触器控制方式的缺陷逐步暴露，主要表现在如下方面：

（1）直流电机固有的问题难以解决

由于采用直流拖动方案，直流电机固有的问题难以解决。由于直流电机换向器必须采用电刷引流，随着电刷磨损，刷灰随风路到达电机各部件表面，引起碳粉污染，导致绝缘降低，致使电机运行条件恶化，起重能力降低。电刷和滑环故障率高，需经常打磨维护或更新，维护保养工作量大，维修成本高。

（2）继电器-接触器控制系统的缺陷逐渐显现

现有船用起重机控制采用继电器-接触器控制系统，采用的继电器多，接线复杂，由于机械触点的寿命有限，系统经常因船舶振动而发生接线松动或接触不良,引起误操作，继电器故障率高，维修工作量大，成本高。而且由于继电器-接触器控制系统的自动化程度和控制精度低，运动机构控制难以满足工程作业的要求；制动器动作时序难以同电机配合，导致机械振动大，刹车片磨损严重，安全性降低。而且器件发生故障后，难以定位故障点，造成维修困难。

2.2 船用起重机主要性能指标

自重：～25 t

额定起吊重量： 9 t

最大起吊重量： 12 t

最大起重量时迴转半径： 10.6 m

最小迴转半径： 4.6 m

最大迴转时有效高度： 11.3 m

起升速度： 10.5 m/min

全程变幅时间： 60 s

最大迴转速度： 1 r/min

工作范围：左 170°～右 170°

3 改造后船用起重机的性能预计

3.1 改造后船用起重机的技术性能

交流传动系统的发展和一些关键性技术的突破性进展有关，它们是功率半导体器件的制造技术、基于电力电子电路的电力变换技术、交流电动机控制技术以及计算机和大规模集成电路为基础的全数字化控制技术。综合上述先进技术的交流调速系统可以使船用起重机技术性能达到原有水平，并且具有超出原系统的新的技术性能，主要如下：自动化程度高，调速平稳可靠，操控性能好；过载能力强，体积小，重量轻，维护简单；转动惯量小，动态响应好，调速范围大，精度高；功率因数高，损耗小，节约能源。

3.2 改造后综合性能预估

当前交流调速系统的综合性能已经超出直流调速系统，而且交流调速系统功率密度大，体积小，设备模块化程度高，有利于原船用起重机的交流化改造。改造后船舶的综合性能基本预估如下：

(1）本船经设备改造，其船舶性能能保持改造前船舶的技术性能指标。如适航性、耐波性、操纵性及船员舒适性等不发生变化或提高。

(2)改造后船舶航行时的浮态及稳性保持不变，工程作业性能不变或提高。

(3)改造后的船用起重机可靠性、安全性和操作性能比原来提高，维修成本降低；效率提高，耗能减少，工程作业成本较低。

(4）针对工程作业初始起升力矩大的特点，改造后的船用起重机电气部分具有 150%以上的短时过载能力，满足作业的需求。

(5）本船建成投产时间不长，船上未改造设备状况良好，改造后的船舶将能在较长时间内更好地完成工程作业任务，船舶的经济性和社会效益显著提高。

4 船用起重机电气改造技术方案

4.1 概述

船上现有船用起重机采用直流电力拖动系统，使用的变流设备及控制开关较多，运行可靠性及操纵自动化程度已不能适应工程作业需要，需要更新改造船舶起重驱动设备及自动控制系统，以满足作业需求。

4.2 船用起重机电气单线图

船用起重机电气单线图如图1所示。

图1 电力系统单线图

4.3 起升机构

船用起重机所有机构均选用足够功率的交流起重变频电动机驱动，采用全数字式交流变频调速系统。交流电机体积小，运行可靠，调速系统起制动平稳，反应灵敏，调速范围广，低速性能好，可实现无级调速，调速比不小于 1:10，并可对各参数进行数字设定。

原船用起重机起升机构采用1台直流电动机完成主钩起升驱动，改造后起升机构采用变频器和变频电机驱动，系统具有足够的调速硬度和良好的低频转矩特性,起升机构的调速,通过联动台主令控制器控制，变频器与 PLC之间采用通讯方式，并通过输入给 PLC的主令控制器信号控制变频器的频率及电机的转速。电动机配脉冲编码器，电机的转速送到变频器作实时闭环控制，确保调速精度。

起升机构停车通过电动液压制动器实现，在变频控制下可实现低速抱闸，减少抱闸闭合时的震动及抱闸磨损，使停车更平稳。

起升机构电气保护有短路及过流保护、超重保护、失压、缺相、零位、超速、起重力矩及起升位置限位保护。起重力矩限制器、变幅角度传感器及重量传感器根据实船情况确定是否更换。

4.4 旋转/变幅机构

原船用起重机变幅/旋转机构各采用 1台直流电动机驱动，变幅和旋转共用变流机组，改造后旋转和变幅机构共用一台变频器，各配置1台变频电机驱动，变幅机构停车通过电动液压制动器实现，旋转机构停车采用气动制动器实现，在司机室设置有旋转脚踏制动板，旋转机构现地设有手动制动机构。

电气保护有短路及过流保护、旋转/变幅互锁保护、力矩保护、旋转手刹/脚刹锁定保护、失压、缺相、零位及旋转、变幅位置限位保护。

4.5 电控系统

改造后的船用起重机电控系统功能基本维持原系统不变，采用 PLC控制替代原继电器、接触器控制方式；采用变频器和交流异步电机代替原变流机组和直流驱动电机。控制原理框图如图2所示。

改造后的船用起重机整机采用 PLC可编程序控制器控制。PLC控制系统采用逻辑程序代替控制继电器，节约了安装空间，配合功能齐全的内部指令，可使设备的各种运行状态得以完全的控制和监视。通过程序的内部联锁和外部的硬件联锁保护，可以防止人为的误操作事故，确保设备和人身的安全。PLC采用模块式结构，配以脉冲编码器及一次性传感元件和二次隔离技术，使控制系统具有抗干扰能力强、通讯方便、可靠性高、定位准确、维护简便等特点。配合性能优良的变频器，可确保各运动机构起停平稳，作业效率高，维护工作量小。

图2 电控系统原理框图

各机构的运转指令来自联动台主令控制器和开关按钮。指令信号经 PLC处理后控制各机构控制柜内的开关和变频器驱动电机运行。起升和变幅的松刹控制时序由 PLC和变频器共同时实现，PLC通过PROFIBUS-DP通信总线向变频器给出转速给定后，变频器会先在零转速下建立制动转矩，转矩建立后，变频器向 PLC给出转矩建立信号，PLC收到制动转矩建立信号后会控制接触器松电机刹车，刹车松开后，刹车位置开关将刹车已松开的状态信号上传到 PLC，PLC再将该信号传给变频器，变频器收到信号后驱动电机旋转。这个控制时序可确保不发生溜钩和刹车磨损。与此类似，当司机手柄回零时，变频器首先将机构的转速降至额定转速的 10%左右，再进行机械制动，以避免刹车磨损和制动冲击。但在紧停或电源故障时，立即制动。起升、变幅、旋转机构变频器均设有合适的加减速时间，使得操作无冲击效应[1]。

旋转机构的刹车控制由操作人员通过脚踏液压制动器人工实现。各机构零位保护通过主令控制器的零位自锁功能实现。

5 主要设备参数及选型

5.1 起升控制柜及变频器选型

目前我国已有进口、国产变频器厂家近 200家，高端场合、大型传动、多传动，对传动要求较高的场合，SIEMENS、ABB占主流，变频器的标准和最先进的控制模式，比如矢量控制、DTC也是SIEMENS和 ABB设计和制定的，共直流母线逆变器，AFE等技术 SIEMENS和ABB的产品也已成熟。

起重设备起升机构起动、制动、调速和反转频繁，冲击大，提升起动时需要有大的起动力矩，下降时有能量反馈。起重设备的利用率和效率要求越来越高，除了提高起升机构的速度来提高效率外，对加减速时间也提出了严格的要求，同时也要求实现恒功率控制来提高效率。起升机构在速度控制过程中，一般在基频以下采用恒转矩控制，基频以上采用恒功率控制。起重设备必须选择满足恒转矩负载提升要求的变频器。由于恒转矩负载类设备都存在一定的摩擦力，有时负载的惯性很大，在起动时要求有足够的起动转矩。这就要求变频器有足够的低频转矩提升能力和短时过流能力，必要时应将变频器的容量提高一档，或采用具有矢量控制或直接转矩控制的变频器。系统设计时应适当增大异步电动机的容量或增大变频器的容量。变频器的容量一般取为1.1～1.5倍异步电动机容量。总之，具有高起动性能、力矩响应快、低速力矩特性好，是起重设备对变频器的主要要求。

国内起重变频器高端 ABB、SIEMENS使用较多，中低端 Schneider、安川应用较多。ABB公司的 ACS800 系列是采用 DTC技术设计的变频器，DTC控制技术也就是直接转矩控制，它是目前最先进的控制交流异步电机的方式之一。直接转矩控制以测量电机电流和直流电压作为自适应电机模型的输入，该模型每隔25 μs产生一组精确的转矩和磁通实际值，转矩比较器和磁通比较器将转矩和磁通的实际值与转矩和磁通的给定值进行比较，给出其最佳开关位置。通过对转矩和磁通的测量，实时调整逆变电路的通断状态，进而调整电机的转矩和磁通，以达到精确控制的目的。直接转矩控制能够在开环方式下对转速和转矩进行准确控制，在零速附近区域达到1.5 倍额定力矩[2]。如果再配上提升机专用软件，就使得提升机构有了最佳的运行安全性和杰出的提升性能，因此本项目选用ABB变频器。

5.2 旋转/变幅控制柜

旋转机构和变幅机构共用控制柜。旋转/变幅控制柜的配置同起升控制柜基本一致，但需增加两台用于切换驱动电机的接触器。

5.3 控制柜及PLC选型

目前世界上大约有200多家PLC厂商，400多品种的 PLC。产品大体可以按地域分成三个流派：一个流派是美国产品，一个流派是欧洲产品，还有一个流派是日本产品。

目前国内起重机械电气控制用 PLC主要以SIEMENS、OMRON 和 Schneider为主，SIEMENS主要用在大型高端起重设备上，如龙门吊等，Schneider在小型低端设备使用较多，OMRON在中低端都有应用。

SIEMENS PLC可靠性高，抗干扰能力强，配套齐全，功能完善，适用性强，SIEMENS PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。SIEMENS PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用 SIEMENS PLC组成的控制系统自动化程度高，人机界面友好，便于船用起重机操作、维护人员的使用[3-4]。

SIEMENS PLC体积小，重量轻，能耗低，特别适合船舶控制柜内的安装。由于SIEMENS PLC的这些特点，本船用起重机控制系统采用SIEMENS PLC控制器。

5.4 电动机参数及选型

船用起重机采用变频调速时，由于变频器输出波形中高次谐波的影响以及电机转速范围的扩大产生了一些与在工频电源下传动时不同的特征，需要对电机的输出力矩、冷却方式、噪声、振动及绝缘耐压等方面进行专门的设计。

目前变频电机厂家比较多，国外高端产品以ABB、SIEMENS为主流，国内变频电机厂家也比较多。总体来说，国内起重变频电机性能质量已经能够满足使用要求，但考虑到工程船使用的特殊性，综合可靠性、安装和维修成本以及价格等因素，从长远考虑，选用国外高端电机的综合性能应比较好。

ABB电机公司是全球领先的低压交流电机制造商，拥有超过 100年的电机制造经验。ABB电机产品涵盖了几乎所有工业领域所能使用的电机。ABB电机以高效率、耐用性、可靠性而著称，在全球市场拥有很高的市场占有率。ABB船用起重变频调速电机采用鼠笼型结构，过载能力大，运行可靠，维护方便。电机单独装有轴流风机，保证电机在不同转速下均有较好的冷却效果。电机绝缘采用国际上广为使用的 F级绝缘结构，提高了电机的可靠性。电机通过ABS、BV、DNV、GL、IEC、KR、LR、NK、CCS等国际标准和有关船级社的规范要求，适用于船用泵、风机、起重机械、液压机械等各种设备。电机外壳材料采用高强度铸铁，具有良好的耐冲击性能，针对各种恶劣的海洋环境进行表面处理，具有卓越的防潮、防霉及防盐雾性能，适应各国船用设备对电源和频率的要求。

由于ABB电机的这些特点，改造选用ABB公司的船用起重变频电机。