多传动变频系统在7 800 DWT沥青船的应用

亢晓勇

摘    要：变频驱动技术，具有节能降耗、安全可靠、设计简单等优点，广泛用于电机的驱动控制中。为了确定7800DWT沥青船侧推和货泵变频控制系统的技术方案，通过对船舶空间、规格书、规范要求、船东要求的综合对比分析，最终确定合理的方案，为今后多传动变频系统在船舶上的应用提供一定的借鉴作用。

关键词：多传动;变频系统;变频驱动

中图分类号：U674                                   文献标识码：A

Application of Multi-drive Frequency Conversion System

for 7 800 DWT Asphalt Ship

KANG Xiaoyong

（ Jiangmen Hangtong Shipbuilding Co.， Ltd. of CCCC Fourth Harbor Engineering Co.， Ltd.， Jiangmen 529145 ）

Abstract： Frequency conversion drive has the advantages of energy saving， safety and reliability， simple design， and widely used in motor drive control. In order to determine the technical scheme of the frequency conversion control system of side push and cargo pump for the 7 800 DWT asphalt ship， through the comprehensive comparison and analysis of ship space， specification requirements and ship owner's requirements， the reasonable scheme is finally determined. It provides reference for the application of multi-drive frequency conversion system in ships in the future.

Key words： Multi-drive; Frequency conversion system; Frequency conversion drive

1     前言

如何合理利用能源、降低能耗已成為船舶行业最为关心的问题之一。变频技术作为一种节能高效的技术，已在各行各业得到了广泛应用。随着社会及市场对绿色环保船舶的需求增大，变频技术可以在船舶设备运行阶段极大地降低能耗，减少排放。多传动变频系统可以在常规变频技术基础上，提高设备资源的使用率，降低船舶建造成本，增加市场竞争力，将在船舶设备方面得到广泛的应用。

2    多传动变频系统的优点

多传动变频系统是相对于单传动变频系统而言的。单传动变频系统的特点是一套变频系统控制一台电机，而多传动变频系统则采用一套共用的整流器，在其直流侧挂接多个逆变器控制其对应的电机。多传动变频系统共用直流母线的技术，节省了单传动变频系统多套变频系统配置多台变频器所占用的空间，同时简化了系统的结构，提高了电能再生利用率，有效地降低了直流电压的波动，提高了电网运行的稳定性。

（1）多传动变频系统共用直流母线，减少了配电板到每台变频器的布线，只需要从配电板集中供电到多传动变频器，有效地降低了布线施工时间，减少了安装和维护成本;

（2）本船配备1台侧推和2台货泵，若采用单传动变频系统的配置，在与多传动变频器宽度和高度相同的情况下，3台单传动变频器长度总和超过7 m，而采用多传动变频系统，则长度总和可以减少约3 m左右，极大的节省了船舶有效空间;

（3）多传动变频系统减少了单传动变频器单独配置整流装置及相关器件的数量，降低了系统复杂性，一定程度上提高了系统的可靠性;

（4）多传动变频系统的在电机的制动过程中，由于机械惯性的原因会出现同步转速小于转子转速的情况，此时转子电流的相位改变了接近180 °，电机从电动运行状态变为发电状态，电机转矩转为制动转矩，使电机降速，电机再生的电能回到公共直流母线，其它电机和制动电机处于同一母线排可有效吸收该电机反馈到母线的电能，进而体现了多传动变频系统共用直流母线的安全可靠性。

3    多传动变频系统的选型

3.1  规格书要求及基本数据

本船侧推和货油泵变频控制系统，需满足侧推及货油泵的控制要求，其最大工况为两台货油泵同时运行，设备尺寸要求≤5200 mm（长）x900 mm（深）x2200 mm（高）。

电机参数如下：

侧推电机 330 kW、440 V、1 789 r/min、60 Hz;

1#货泵电机 300 kW、440 V、1 193 r/min、60 Hz;

2#货泵电机 300 kW、440 V、1 193 r/min、60 Hz。

3.2   选型的原则

（1）变频驱动系统需要精确的静态和动态的速度及转矩控制，能够全过程监控设备的运行状态，保障设备的安全稳定运行;

（2）采用先进的控制技术，高质量的元器件，确保设备长期、稳定、可靠地使用;

（3）采用经过市场检验、工艺成熟、运行可靠、节省能耗、减少排放的技术进行设计;

（4）控制系统采用工作稳定、可靠、标准、成熟且经过现场运行考验的控制技术和手段;

（5）充分考虑到设备安装和维护的需求;

（6）整套变频系统的安保系统充分完善，满足规范要求。

3.3    三种选型对比

见表1。

根据表1的比较分析，可以发现：方案1存在的缺点是侧推与货泵共用的逆变器发生故障时，两个设备会同时失效，即使该方案中两个逆变器可以互为备用，也将会导致一台货泵失效。而货船在码头卸货时，正常情况下都是两台货泵同时工作的，船东出于可靠性考虑否决了该方案;方案2采用两套独立的整流单元，共同为直流母线供电，两套AFE方式具有整流单元相对独立，模块损失时只需人工确认就可以降容使用;方案3采用 1套整流单元（含2个整流模块）、3个逆变单元。ABB单个整流模块由于其柜体尺寸有限，单体模块最大为 R8i 尺寸，需要通过并联2个整流模块来进行扩大容量，并联后的整流模块可当做一个大容量的整流单元使用，此时可将其看作一个整流单元，当单个模块损坏，需要人工抽出对称数量的模块，并手动修改参数后即可降容使用。

方案2、方案3与方案1的差别就是逆变器独立，任何一台逆变器出现故障都可以用另一个逆变器替换;方案3与方案2的差别主要有两点：一是方案3设备体积小、占用空间小;二是单个整流模块故障时，方案3需要有一定专业技能的人员去进行手动修改设置参数，方案2则只需人工确认进行降容使用即可。根据上述对比，看似方案2较佳，但方案2存在两点最重要的问题：一是空间占用大，与设计要求不一致;二是成本较高。方案3只需要对船员进行一定培训，也可以完成降容操作，故综合考虑可靠性、经济性、船东意见后，决定采用方案3较为合理。

4     AFE多传动变频系统的应用

4.1   系统组成

本船设置一套 AFE 多传动变频驱动柜，整个变频驱动柜由一个整流单元（两个整流模块）和三个逆变单元组成：公共直流母线上挂三台逆变器，分别控制驱动侧推电机、1#货油泵电机、2#货油泵电机。

整套变频驱动系统灵活多变，可根据船的工作状态自由配置变频器模块工作，具有良好的諧波特性和调速性能。正常工作时，系统根据船运行工况调节整流单元和逆变单元的并联数量，从而分区、分时地控制沥青泵、侧推电机等负载，保证船舶运行的经济性能;当其中一个有源前端整流模块出现故障时，整个公共直流母线可以提供一台电机额定功率启动，或者两台电机的降容同时启动;当其中任意一台逆变器出现故障时，通过逆变器柜的插拔，可以保证任意两台设备的正常使用，保证系统可靠的冗余备份的同时，极大地提高了设备利用率。本船AFE多传动变频系统图，如图1所示。

4.2   IGBT整流单元

本船配置的IGBT整流单元，输入电路总脉冲数为6脉的有源前端。AFE有源前端可以起到制动电阻的作用，能够将负载侧产生的再生电能回馈至电网;普通变频器采用固定式三相桥式二极管整流的方式，能量仅能从电网流向变频器直流母线，无法实现能量双向流动。它与变频器的输出逆变部分一样，也采用了IGBT组成三相桥式结构，实现了电网与变频器直流母线间能量的双向流动[2];AFE变频控制系统的整流单元，采用有源可控的IGBT整流原件，开通/关断均可以控制，实现了电流的双向流动，无需专门的制动单元，采用PWM控制，实现了完美无谐波;AFE整流回馈单元能够提供正弦电压输出，回馈的电压经过电抗器融入电网。典型的整流回馈装置示意图，如图2所示。

4.3  INU逆变单元

逆变单元把直流母线上的直流电能转为可以调频调压的交流电，驱动侧推和货泵电机，使电机在一定电压频率范围内进行调速，实现电机的变频控制;本船配置的3套逆变单元为相同型号，具备从变频柜中抽拉出的便捷性，当运行过程中任何一个逆变单元发生故障时，都可以用其它两个替换，提高了整个系统处理单点故障的能力，增加了系统的可靠性;本船采用的ACS880逆变器模块，兼容ACS800多传动的柜体，其量身定制的柜体尺寸比ACS800节省约1/3，R8i逆变器可以上下分开，安装接线方便;单个R8i模块功率更大，存储卡更换方便，方便参数和固件的配置;功率部分的部件安装在带防腐涂层的密封空间内，可以满足严酷的可靠性型式试验，经得起恶劣海洋环境的考验。

5    结束语

多传动变频系统在工业生产中的使用不但满足了生产现场多种工况控制要求，还在一定程度上起到提高生产工艺水平、提升产品质量、减轻人工劳动强度和提高生产效率的作用;多传动变频系统通过公共直流母线给三台逆变器供电，增加设备处理单点故障可靠性的同时也提高了设备利用率;先进可靠的船舶电气传动控制系统，能够保证设备可靠运转率，提高设备的生产率，改善船员劳动条件。多传动变频系统与单传动变频系统相比，在建造初期投资、可靠性、节能方面都有明显的优势。节能环保是当今船舶业发展的风向标，多传动变频技术作为一种行之有效的节能手段，其广泛使用能够更好地带动变频技术的快速发展，相信在未来船舶绿色发展的道路上，多传动变频技术能够得到越来越广泛的推广应用。

参考文献

[1]曹林，李彬彬. 高效节能绿色变频-变频技术在船舶领域的应用[J].船舶物资与市场，2015（3）：45-48.

[2]雷东方. LV7000变频传动装置在精轧机上的应用及研究[J].变频器世界，2019（11）：114-118.