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(tǒng)設(shè)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(yǎng)成本,設(shè)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(tǒng)進行配置并確定了工作參數(shù),其次對電源系統(tǒng)、變頻驅(qū)動系統(tǒng)、制動系統(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(wǎng)負荷沖擊小。

變頻驅(qū)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(tǒng)的克令吊采用電液式的即液壓驅(qū)動方式。隨著變頻器控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，電動變頻控制克令吊以其綠色環(huán)保、裝卸貨物效率高、滯港時間短、操作靈便、對電網(wǎng)負荷沖擊小等優(yōu)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(tǒng)設(shè)計。

1 配置和參數(shù)

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(tǒng)主要包括：AC-DC整流單元、DC-AC逆變單元、濾波器、提升機構(gòu)變頻器和電動機、變幅機構(gòu)變頻器和電動機、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)變頻器和電動機以及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,額定負荷下變幅時間為62 s，額定負荷下旋轉(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

2.1 主電源設(shè)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(zhí)行機構(gòu)的電動機、冷卻風(fēng)機電動機以及控制回路的電源變壓器和整流器等設(shè)備供電，每1個供電回路都設(shè)有1個斷路器或熔斷器作為線路保護。主電源經(jīng)過克令吊筒體內(nèi)的滑環(huán)到克令吊的主控制箱，吊機的接地線通過滑環(huán)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(zhuǎn)換器箱體內(nèi)加熱器，第3路用于吊機駕駛艙室的空調(diào)，第4路用于電動機防冷凝加熱器、吊機駕駛艙和筒體內(nèi)的照明燈具、插座等輔助用電設(shè)備。

輔電源的設(shè)計通常基于2個原則：一是大功耗的設(shè)備盡量分開，二是不同工況下使用的負載盡量分開。實船供電時，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

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(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)動系統(tǒng)設(shè)計

3.1 變頻驅(qū)動基本原理

變頻驅(qū)動基本原理圖如圖4所示。變頻驅(qū)動是電動克令吊的核心和關(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，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機構(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，以滿足電機平滑調(diào)速的目。

3.2 變頻驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

變頻驅(qū)動系統(tǒng)基本圖如圖5所示。變頻驅(qū)動系統(tǒng)主要由起升機構(gòu)、變幅機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、整流器、濾波器、PLC控制系統(tǒng)等6個主要部分組成。

(1)起升機構(gòu)：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(wěn)定的電源轉(zhuǎn)化為電源和頻率可調(diào)的交流電壓。

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

(3)旋轉(zhuǎn)機構(gòu)：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(tǒng)CC3000。

圖4 變頻驅(qū)動基本原理

圖5 變頻驅(qū)動系統(tǒng)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(shù)，此技術(shù)在多電機交流調(diào)速系統(tǒng)中采用單獨的整流/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)的傳動機構(gòu)工作在電動狀態(tài)時，逆變器從母線上獲取電能；當(dāng)傳動機構(gòu)工作在發(fā)電狀態(tài)時，能量通過母線及回饋裝置直接回饋給電網(wǎng)。

公共直流母線的設(shè)計有以下優(yōu)點：

(1)節(jié)能。公共直流母線系統(tǒng)是解決多電機傳動技術(shù)的最優(yōu)方案，很好地解決了多電機間電動狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài)之間的矛盾。克令吊在實際操作中存在起升、變幅和旋轉(zhuǎn)三聯(lián)動的狀態(tài)，而每個執(zhí)行機構(gòu)可能出于不同的工作狀態(tài)中，這時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)，實現(xiàn)再生能源的合理利用。

(2)對船舶電網(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、停止時對電網(wǎng)的沖擊也低。

(3)設(shè)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(shè)備功率因素較高，通?？蛇_到95%以上。

(4)節(jié)省空間，提高設(shè)備運行穩(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，省去了制動單元、制動電阻等外圍設(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)備維護量，減少了故障點，提高了克令吊整體控制水平。

4 制動系統(tǒng)設(shè)計

克令吊的制動系統(tǒng)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(qū)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(yōu)點。

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

圖6 制動系統(tǒng)液壓原理圖

從圖中可知，當(dāng)克令吊運行時，液壓電動機受4145和4146這2個壓力開關(guān)控制，自動給蓄能器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)任意一個執(zhí)行機構(gòu)得到運行命令時，PLC控制系統(tǒng)同時也會給對應(yīng)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(nèi)外碟片分開(內(nèi)碟片和電動機一起轉(zhuǎn)動，外碟片固定不動，內(nèi)外碟片交叉布置)，從而使得執(zhí)行機構(gòu)電動機可以正常運轉(zhuǎn)。當(dāng)運行命令消失時，電磁閥失電閥關(guān)閉，蝶式制動器里的壓力彈簧回復(fù)常態(tài)，將內(nèi)外碟片壓緊，實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)電動機制動的目的。

當(dāng)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(fù)常態(tài)，所有電動機將被制動，這時可以通過使用應(yīng)急手搖泵來把重物卸下。

5 功率限制系統(tǒng)設(shè)計

為了合理利用船舶發(fā)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(wǎng)供電不足而導(dǎo)致停機或者產(chǎn)生安全隱患，此散貨船配置了1套功率限制系統(tǒng)。

4臺克令吊和1個I/O模塊組成1個CAN網(wǎng)回路，形成1個數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)4臺克令吊的數(shù)據(jù)共享。為了避免信號干擾，CAN網(wǎng)電纜敷設(shè)時應(yīng)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(wǎng)剩余功率信號給I/O模塊。

當(dāng)所有運行的克令吊消耗的總功率大于在網(wǎng)剩余功率時，功率限制系統(tǒng)將會自動激活，吊機起升和變幅機構(gòu)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(wǎng)剩余功率小，但是旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的速度和功率不會受到影響。

6 其他輔助安全系統(tǒng)設(shè)計

6.1 重載問詢系統(tǒng)

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(shè)備的電壓造成影響，吊機配置了1個重載問詢系統(tǒng)。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(fā)出1個脈沖的啟動請求信號。PMS根據(jù)預(yù)設(shè)的吊機功率對電網(wǎng)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(shè)，避免信號干擾。

6.2 應(yīng)急停系統(tǒng)

吊機上一般會配置許多限位開關(guān)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(zhuǎn)限位等，這些都是為了在吊機能夠安全運作而設(shè)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(jiān)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(yīng)急停按鈕。

7 結(jié)語

隨著航運市場的日趨低迷，船東越來越關(guān)注設(shè)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(yè)的主要設(shè)備，其運行工作效率直接關(guān)系到船舶滯港時間。常規(guī)的液壓驅(qū)動克令吊技術(shù)發(fā)展至今已經(jīng)比較成熟，在運營成本以及工作效率上已經(jīng)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(wěn)，設(shè)備維護費用低，對船舶電網(wǎng)沖擊小，裝卸貨效率高，周期短等優(yōu)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(shè)計方案進行了闡述和分析，希望對業(yè)內(nèi)人士有所幫助。

[1] 楊成宇.PLC和變頻器在航標作業(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；李國榮(1975—)，男，高級工程師，從事船舶設(shè)計管理與電氣設(shè)計。

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