船用电动变频控制克令吊系统设计

曹大友，李国荣

(中外运长航集团南京金陵船厂,江苏 南京 210015)



船用电动变频控制克令吊系统设计

曹大友，李国荣

(中外运长航集团南京金陵船厂,江苏 南京 210015)

为提高船用克令吊运行效率,降低运营和维护保养成本,设计4台电动变频控制克令吊用于装卸某灵便型散货船货物。首先对每台克令吊系统进行配置并确定了工作参数,其次对电源系统、变频驱动系统、制动系统、功率限制系统和其他辅助安全系统的原理和特点详细进行了分析。从运用效果来看，电动变频控制克令吊提高了船舶装卸货物效率，缩短了船舶滞港时间，操作灵便，对船舶电网负荷冲击小。

变频驱动；公共直流母线；逆变器；功率限制

0 引言

船舶克令吊作为远洋船舶甲板机械之一，主要用于装卸船舶港口的货物。传统的克令吊采用电液式的即液压驱动方式。随着变频器控制技术的广泛应用和发展，电动变频控制克令吊以其绿色环保、装卸货物效率高、滞港时间短、操作灵便、对电网负荷冲击小等优点逐渐受到用户青睐。本文以某散货船为例主要介绍电动变频控制克令吊的系统设计。

1 配置和参数

某灵便型散货船配置4台电动变频控制克令吊。每台克令吊的控制系统主要包括：AC-DC整流单元、DC-AC逆变单元、滤波器、提升机构变频器和电动机、变幅机构变频器和电动机、旋转机构变频器和电动机以及PLC控制系统等。

克令吊控制系统工作参数如下：工作环境温度为-25°～45°，电制为AC440 V 60 Hz三相和AC220 V 60 Hz单相，额定安全载重为30.5 t，提升速度为25～45 m/min,额定负荷下变幅时间为62 s，额定负荷下旋转速度为0.7 r/min,吊臂工作半径为4～26 m，提升高度为40 m。

2 电源系统设计

2.1 主电源设计

主电源AC440 V供电单线图如图1所示。从图1看出，一路AC440 V主电源来自船舶主配电板，主要给吊机每个执行机构的电动机、冷却风机电动机以及控制回路的电源变压器和整流器等设备供电，每1个供电回路都设有1个断路器或熔断器作为线路保护。主电源经过克令吊筒体内的滑环到克令吊的主控制箱，吊机的接地线通过滑环与船上的接地连接，以确保整个供电回路的安全可靠。

图1 主电源AC440 V供电单线图

主电源AC220 V单线图如图2所示。4路AC220 V辅电源来自船上电力分电箱，第1路用于吊臂上的1盏1 000 W卤素投光灯和筒体上2盏1 000 W的卤素投光灯，第2路用于每个控制箱和转换器箱体内加热器，第3路用于吊机驾驶舱室的空调，第4路用于电动机防冷凝加热器、吊机驾驶舱和筒体内的照明灯具、插座等辅助用电设备。

辅电源的设计通常基于2个原则：一是大功耗的设备尽量分开，二是不同工况下使用的负载尽量分开。实船供电时，如果受到供电回路开关数量的限制，可以考虑合并成1路或者2路电源。

2.2 控制系统电源设计

控制电源单线图如图3所示。考虑到船舶AC220 V和DC24 V电源可能受到某些因素的影响会出现电源不稳定的情况，尤其是DC24 V直流电源，传输距离远且压降大，因此配置2个DC24 V 480 VA的直流电源以及1个AC400 V/AC230 V 600 VA的交流变压器用于所有控制电源供电回路，确保控制回路电源的稳定性和安全可靠性。

图2 主电源AC220 V单线图

图3 控制电源单线图

3 变频驱动系统设计

3.1 变频驱动基本原理

变频驱动基本原理图如图4所示。变频驱动是电动克令吊的核心和关键部分，这也是和常规电液吊的本质区别。变频驱动由整流单元、公共直流回路母线、逆变单元等组成。

(1)整流单元：将交流电源转换为电压稳定的直流电源，即使在逆变器能量回馈到电网时，该电压在规定范围内仍保持恒定。

(2)公共直流回路母线：提供稳定可靠的电源给所有传动机构。

(3)逆变单元：逆变单元把电压稳定的直流电源转化为电压、频率可调的交流电源，以满足电机平滑调速的目。

3.2 变频驱动系统设计

变频驱动系统基本图如图5所示。变频驱动系统主要由起升机构、变幅机构、旋转机构、整流器、滤波器、PLC控制系统等6个主要部分组成。

(1)起升机构：包括1台110 kW电动机、1个容量为182 kW的变频器。此处选择变频器来代替逆变器，变频器整流功能不用，最终功能是把直流母排上稳定的电源转化为电源和频率可调的交流电压。

(2)变幅机构：包括1台63 kW的电动机、1个容量为140 kW的变频器。

(3)旋转机构：包括2台21.3 kW的电动机、2个容量为42 kW的变频器。

(4)1个AC440 V变DC700 V的整流器。

(5)1个LCL型滤波器。

(6)1套西门子PLC控制系统CC3000。

图4 变频驱动基本原理

图5 变频驱动系统基本图

3.3 公共直流母线

本船电动克令吊采用了公共直流母线技术，此技术在多电机交流调速系统中采用单独的整流/回馈装置为系统提供一定功率的直流电源，调速用逆变器直接挂接在直流母线上。当挂网的传动机构工作在电动状态时，逆变器从母线上获取电能；当传动机构工作在发电状态时，能量通过母线及回馈装置直接回馈给电网。

公共直流母线的设计有以下优点：

(1)节能。公共直流母线系统是解决多电机传动技术的最优方案，很好地解决了多电机间电动状态和发电状态之间的矛盾。克令吊在实际操作中存在起升、变幅和旋转三联动的状态，而每个执行机构可能出于不同的工作状态中，这时整流回馈单元可以保证公共直流母线电压的稳定供给，又可将多余的能量回馈给电网，实现再生能源的合理利用。

(2)对船舶电网冲击小谐波低。共用直流母线平衡了变频器的直流母线电压，设备启动、停止时对电网的冲击也低。

(3)设备功率因素较高。因电机能够回馈能量，无功功率损失小，所以设备功率因素较高，通常可达到95%以上。

(4)节省空间，提高设备运行稳定性。公共直流母线系统设备结构紧凑，工作稳定，省去了制动单元、制动电阻等外围设备，节省了设备在克令吊筒体内占用的空间和设备维护量，减少了故障点，提高了克令吊整体控制水平。

4 制动系统设计

克令吊的制动系统是吊机在工作过程中确保安全的重要装置，目前使用比较多的制动装置是液压驱动的蝶式制动器。此制动器具有制动时间短、使用时间长、安装空间小等优点。

蝶式制动系统主要由液压泵站、电磁阀、滤器、蓄能器、蝶式制动器等设备组成。液压原理如图6所示。

图6 制动系统液压原理图

从图中可知，当克令吊运行时，液压电动机受4145和4146这2个压力开关控制，自动给蓄能器4161充能和停止充能，使得系统的工作压力维持在正常工作范围。当任意一个执行机构得到运行命令时，PLC控制系统同时也会给对应的电磁阀1个开阀信号(图6电磁阀1226和1227打开)，液压油将会推压蝶式制动器里的压力弹簧，将内外碟片分开(内碟片和电动机一起转动，外碟片固定不动，内外碟片交叉布置)，从而使得执行机构电动机可以正常运转。当运行命令消失时，电磁阀失电阀关闭，蝶式制动器里的压力弹簧回复常态，将内外碟片压紧，实现执行机构电动机制动的目的。

当克令吊失电或者故障等原因停机时，所有的压力弹簧失压释放恢复常态，所有电动机将被制动，这时可以通过使用应急手摇泵来把重物卸下。

5 功率限制系统设计

为了合理利用船舶发电机提供的功率，以及平衡每台克令吊功率的分配，让克令吊在运作过程中不会因为船舶电网供电不足而导致停机或者产生安全隐患，此散货船配置了1套功率限制系统。

4台克令吊和1个I/O模块组成1个CAN网回路，形成1个数据库，实现4台克令吊的数据共享。为了避免信号干扰，CAN网电缆敷设时应和动力电缆分开至少150 mm以上。船舶电站PMS送出1个实时的在网剩余功率信号给I/O模块。

当所有运行的克令吊消耗的总功率大于在网剩余功率时，功率限制系统将会自动激活，吊机起升和变幅机构电动机的速度会降低，消耗的总功率也将会随之减小，一直降到消耗的总功率比在网剩余功率小，但是旋转机构的速度和功率不会受到影响。

6 其他辅助安全系统设计

6.1 重载问询系统

由于吊机的功率比较大，为了确保吊机正常启动，并且启动时不会对船舶其他负载设备的电压造成影响，吊机配置了1个重载问询系统。重载问询电气原理图如图7所示。

图7 重载问询电气原理图

克令吊启动前，按下重载请求按钮，向船舶电站PMS发出1个脉冲的启动请求信号。PMS根据预设的吊机功率对电网剩余功率进行判断，如果剩余功率足够，那么PMS回馈给吊机1个允许启动信号，此时吊机可以启动。启动后的运行信号将送给PMS作为负荷维持信号。

重载请求信号和PMS反馈的允许信号建议用2根电缆敷设，避免信号干扰。

6.2 应急停系统

吊机上一般会配置许多限位开关用于保证正常操作时的安全，例如起升和下降限位、变幅的最大和最小角度限位、吊臂旋转限位等，这些都是为了在吊机能够安全运作而设置的限位。

吊机在操作过程中可能会遇到一些特殊情况，需要操作者或者监护者紧急停机，因此吊机的驾驶舱和吊柱体入口处通常会配置1个应急停按钮。

7 结语

随着航运市场的日趋低迷，船东越来越关注设备运营成本以及维护成本的控制，甲板克令吊作为港口装卸货物作业的主要设备，其运行工作效率直接关系到船舶滞港时间。常规的液压驱动克令吊技术发展至今已经比较成熟，在运营成本以及工作效率上已经没有较大的提升空间。而电动变频控制克令吊攻克了上述问题，以其操作过程平稳，设备维护费用低，对船舶电网冲击小，装卸货效率高，周期短等优点越来越受广大船东的喜爱。本文对其中一种电动变频控制克令吊的设计方案进行了阐述和分析，希望对业内人士有所帮助。

[1] 杨成宇.PLC和变频器在航标作业克令吊上的应用[J].工业技术, 2013，9(1)：93-95.

[2] 李方圆.通用变频器共用直流母线方案的设计与应用[J]. 电工技术，2004(6):32-34.

2016-05-13

曹大友(1982—)，男，工程师，从事船舶电气设计；李国荣(1975—)，男，高级工程师，从事船舶设计管理与电气设计。

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