羅海全,徐寶庫,趙永玲

(中國北車集團(tuán)大連機(jī)車車輛有限公司,遼寧 大連 116022)

挖泥船電傳動(dòng)式動(dòng)力裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

羅海全,徐寶庫,趙永玲

(中國北車集團(tuán)大連機(jī)車車輛有限公司,遼寧 大連 116022)

原有挖泥船動(dòng)力裝置在電氣、機(jī)械方面有很多不足，為改善挖泥船工作質(zhì)量，設(shè)計(jì)了挖泥船電傳動(dòng)式裝置，由柴油機(jī)(包括輔助系統(tǒng))、同步發(fā)電機(jī)、公共底座、高彈聯(lián)軸器、隔振器、電氣控制系統(tǒng)、交流異步電動(dòng)機(jī)等大部件組成，通過調(diào)節(jié)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，整個(gè)系統(tǒng)故障點(diǎn)少，維護(hù)更方便，并且效率高、成本低、污染少，節(jié)電，符合我國節(jié)能、減排的發(fā)展戰(zhàn)略。

挖泥船；動(dòng)力裝置；電傳動(dòng)；調(diào)壓調(diào)速

0 引言

在世界各個(gè)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(yùn)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(shè)旋轉(zhuǎn)絞刀裝置，將河底泥沙進(jìn)行切割和攪動(dòng)，再經(jīng)吸泥管將絞起的泥沙物料，借助強(qiáng)大的泵力，輸送到泥沙物料堆積場(chǎng)。它的挖泥、運(yùn)泥、卸泥等工作過程，可以一次連續(xù)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(jī)械。

隨著疏浚行業(yè)的不斷發(fā)展，我國對(duì)挖泥船的需求量逐漸增大。為改變?cè)型谀啻瑒?dòng)力裝置的不足，本文介紹的挖泥船電傳動(dòng)式動(dòng)力裝置，其故障少，效率高，成本低，污染少，節(jié)電，符合我國節(jié)能、減排的發(fā)展戰(zhàn)略。

1 原有挖泥船動(dòng)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(dòng)機(jī)來完成的。由于在遠(yuǎn)離陸地的地方作業(yè)而導(dǎo)致沒有工頻電網(wǎng)可以使用，所以在挖泥船船上是通過柴油機(jī)帶動(dòng)同步發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)的輸出電壓傳送至交流電動(dòng)機(jī)，通過高彈-聯(lián)軸器-長(zhǎng)軸-變速箱，吸起泥沙物料。但是，異步電動(dòng)機(jī)的不良起動(dòng)方式造成多方面的損壞，其中包括：

(1)電氣問題。在直接起動(dòng)或星三角起動(dòng)過程中，其起動(dòng)電流往往為額定電流的數(shù)倍，產(chǎn)生電壓和電流的突變，帶來了大量的電氣問題。這些突變現(xiàn)象可能使柴油機(jī)及發(fā)電機(jī)過載，并使電壓波動(dòng)。

(2)機(jī)械問題。從電動(dòng)機(jī)到絞刀都會(huì)受到劇烈的應(yīng)力。

(3)經(jīng)濟(jì)問題。出現(xiàn)每個(gè)技術(shù)問題和故障后，因需要維修及停產(chǎn)造成大量的損失。

解決這些問題的簡(jiǎn)單方法就是安裝變頻器。這種技術(shù)的特點(diǎn)是在發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)之間設(shè)置變頻器，通過控制變頻器來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)及調(diào)速。使用變頻器具有起動(dòng)電流小、電壓波動(dòng)小、損耗小以及可控的加速及停止方式等優(yōu)點(diǎn)。

變頻器帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)的方法以節(jié)能顯著、保護(hù)完善、控制性能好、過載能力強(qiáng)、使用維護(hù)方便等特點(diǎn)，迅速在挖泥船上使用，已成為電動(dòng)機(jī)調(diào)速的主潮流，其系統(tǒng)圖如圖1所示。這種方法的特點(diǎn)是采用柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組作為動(dòng)力，發(fā)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(duì)變頻器的控制實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)和速度調(diào)節(jié)。

圖1 采用變頻器的系統(tǒng)圖

但是，在挖泥船上采用變頻器的動(dòng)力裝置的缺點(diǎn)是不經(jīng)濟(jì)。國際知名品牌的變頻器價(jià)格不菲，很大程度上增加了船舶制造的成本。

2 改進(jìn)的電傳動(dòng)式動(dòng)力裝置的設(shè)計(jì)原理

改進(jìn)的電傳動(dòng)式動(dòng)力裝置系統(tǒng)圖如圖2所示。改進(jìn)系統(tǒng)利用挖泥船在港口作業(yè)時(shí)不使用工頻電網(wǎng)，不需要考慮其他負(fù)載的使用狀況的特點(diǎn)。發(fā)電機(jī)的發(fā)電頻率由柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定的，并且電動(dòng)機(jī)的電壓與發(fā)電機(jī)的輸出電壓一致，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化都是由柴油機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定。柴油機(jī)轉(zhuǎn)速高，發(fā)電機(jī)頻率高，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速就高；反之，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速低，發(fā)電機(jī)頻率低，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速就低。用這種方法來替代變頻器的功能，同樣可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)頻調(diào)壓，從而實(shí)現(xiàn)大功率電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)及調(diào)速。

系統(tǒng)以V/f=C為基本依據(jù)，在一定的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速下，確認(rèn)基準(zhǔn)電壓。基準(zhǔn)電壓信號(hào)與發(fā)電機(jī)輸出電壓反饋信號(hào)相比較，比較誤差信號(hào)送至電壓調(diào)節(jié)器。這個(gè)調(diào)節(jié)器同樣也是自適應(yīng)的PI調(diào)節(jié)器，即調(diào)節(jié)器的參數(shù)隨著柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速的變化自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，以保證控制系統(tǒng)的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。該調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)為驅(qū)動(dòng)器的輸入控制信號(hào)，該控制信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)器放大后控制發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，從而調(diào)節(jié)其輸出電壓，使其V/f=C，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)頻調(diào)壓。調(diào)頻調(diào)壓原理圖如圖3所示。

圖2 改進(jìn)的電傳動(dòng)式動(dòng)力裝置的系統(tǒng)圖

圖3 調(diào)頻調(diào)壓原理圖

在這個(gè)環(huán)節(jié)中，通過PWM脈寬調(diào)制電路調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，從而調(diào)節(jié)其輸出電壓，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)頻調(diào)壓。

3 改進(jìn)的電傳動(dòng)式動(dòng)力裝置的組成

本動(dòng)力裝置由柴油機(jī)(包括輔助系統(tǒng))、同步發(fā)電機(jī)、公共底座、高彈聯(lián)軸器、隔振器、電氣控制系統(tǒng)、交流異步電動(dòng)機(jī)等大部件組成。

3.1 柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

柴油機(jī)滿足船舶傾斜搖擺的要求，即當(dāng)船舶縱傾5°、橫傾15°，縱搖7.5°、橫搖22.5°時(shí)，柴油機(jī)能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。柴油機(jī)及主要附件符合國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和船舶入級(jí)規(guī)范的要求，并取得CCS(中國船級(jí)社)證書和NOx排放證書。

柴油機(jī)參數(shù)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(biāo)定轉(zhuǎn)速 1 000 r/min,曲軸轉(zhuǎn)向順時(shí)針(面向起動(dòng)齒輪端)，持續(xù)服務(wù)功率(CSR)2 350 kW，最大持續(xù)功率(MCR)2 600 kW(@1 000r/min)，最低惰轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速430 r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)速范圍： 800～1 000 r/min。

3.2 同步發(fā)電機(jī)技術(shù)參數(shù)

同步發(fā)電機(jī)型號(hào)為TFW2300-6，額定功率因數(shù)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(zhuǎn)速1 000 r/min，額定效率0.95，極數(shù) 6，相數(shù)3，星接 (帶中性線)，同軸無刷勵(lì)磁，額定勵(lì)磁電流≤9 A，防護(hù)等級(jí)IP44，絕緣等級(jí)F / F。

3.3 交流異步電動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

交流異步電動(dòng)機(jī)型號(hào)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(zhuǎn)速1 000 r/min，額定功率因數(shù) 0.85，額定效率95.5%，最大力矩1.8倍，極數(shù)6，相數(shù)3，防護(hù)等級(jí)IP56，絕緣等級(jí)F級(jí)。

3.4 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)由監(jiān)控微機(jī)、機(jī)旁控制柜及發(fā)電機(jī)組控制柜組成。

3.4.1 監(jiān)控微機(jī)

監(jiān)控微機(jī)安裝在柴油機(jī)上。其作用是負(fù)責(zé)接收與柴油機(jī)相關(guān)的壓力、溫度及轉(zhuǎn)速等模擬量信號(hào)，并將接收到的柴油機(jī)相關(guān)參數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，以通訊的方式傳送到上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)信息共享；還可將與柴油機(jī)相關(guān)的開關(guān)量信號(hào)傳送至機(jī)旁控制柜，以實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)在故障情況下的報(bào)警及停機(jī)保護(hù)。

3.4.2 機(jī)旁控制柜

柴油機(jī)機(jī)旁控制柜就近安裝在柴油機(jī)的旁邊?？刂乒駜?nèi)裝有中間繼電器、時(shí)間繼電器、接觸器、斷路器及顯示屏等，以實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速、停機(jī)，柴油機(jī)參數(shù)顯示及故障報(bào)警和停機(jī)等功能。

柴油機(jī)機(jī)旁控制柜上實(shí)現(xiàn)的安全保護(hù)措施包括：機(jī)油壓力低報(bào)警保護(hù)、冷卻水溫高報(bào)警保護(hù)、機(jī)油溫度高報(bào)警保護(hù)、燃油泄露報(bào)警保護(hù)、超速報(bào)警保護(hù)、盤車機(jī)構(gòu)聯(lián)鎖保護(hù)、曲軸箱過壓停機(jī)保護(hù)、機(jī)油壓力低停機(jī)保護(hù)、超速停機(jī)保護(hù)。

當(dāng)有上述的故障發(fā)生時(shí)，相應(yīng)的信號(hào)燈亮，顯示故障內(nèi)容，機(jī)旁控制柜上報(bào)警器報(bào)警。

3.4.3 發(fā)電機(jī)組控制柜

發(fā)電機(jī)組控制柜安裝在挖泥船的監(jiān)控室內(nèi)，其型號(hào)為2350CCDJ6,額定電壓為AC6 000 V，額定電流為240 A，由高壓柜、監(jiān)控柜2個(gè)柜體組成。高壓柜內(nèi)裝有真空斷路器、變壓器、電流互感器、絕緣監(jiān)視耦合儀、高壓限流熔斷器、過電壓吸收器等高壓設(shè)備，監(jiān)控柜內(nèi)裝有勵(lì)磁微機(jī)及保護(hù)繼電器等控制設(shè)備，用于控制發(fā)電機(jī)的輸出電壓以及機(jī)組的相關(guān)電氣保護(hù)。

控制柜有如下繼電器類保護(hù)：發(fā)電機(jī)過流、機(jī)組系統(tǒng)接地、差動(dòng)保護(hù)。

發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)漏水控制柜有如下微機(jī)軟件保護(hù)：發(fā)電機(jī)欠壓、發(fā)電機(jī)過壓、電壓測(cè)量回路故障、繞組、軸承溫度高。

4 結(jié)語

改進(jìn)的電傳動(dòng)式動(dòng)力裝置在圍海造地工程施工中，一直穩(wěn)定發(fā)揮，平均時(shí)間利用率近80%。

本設(shè)計(jì)改進(jìn)的電傳動(dòng)式動(dòng)力裝置以我公司船用柴油機(jī)為動(dòng)力，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，以V/f=C為依據(jù)，進(jìn)行調(diào)頻調(diào)壓，發(fā)出適合挖泥船工況的電壓來完成大功率電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)，并通過調(diào)節(jié)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，可以完全代替現(xiàn)在挖泥船上普遍使用的變頻器。整個(gè)系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)變頻器所帶來的起動(dòng)電流小，電壓波動(dòng)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(hù)費(fèi)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(jí)工程師，主要從事電氣設(shè)計(jì)工作。

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