挖泥船电传动式动力装置的设计与应用

罗海全,徐宝库,赵永玲

(中国北车集团大连机车车辆有限公司,辽宁 大连 116022)

挖泥船电传动式动力装置的设计与应用

罗海全,徐宝库,赵永玲

(中国北车集团大连机车车辆有限公司,辽宁 大连 116022)

原有挖泥船动力装置在电气、机械方面有很多不足，为改善挖泥船工作质量，设计了挖泥船电传动式装置，由柴油机(包括辅助系统)、同步发电机、公共底座、高弹联轴器、隔振器、电气控制系统、交流异步电动机等大部件组成，通过调节柴油机转速来实现电动机的调速，整个系统故障点少，维护更方便，并且效率高、成本低、污染少，节电，符合我国节能、减排的发展战略。

挖泥船；动力装置；电传动；调压调速

0 引言

在世界各个繁忙的港口，航道中所含的大量泥沙沉积，常常给船舶的通行造成障碍。要清除航道上的泥沙，以便船舶顺利通过，挖泥船是目前在疏浚工程中运用较广泛的一种船舶。它是利用吸水管前端围绕吸水管装设旋转绞刀装置，将河底泥沙进行切割和搅动，再经吸泥管将绞起的泥沙物料，借助强大的泵力，输送到泥沙物料堆积场。它的挖泥、运泥、卸泥等工作过程，可以一次连续完成，它是一种效率高、成本较低的挖泥船，是良好的水下挖掘机械。

随着疏浚行业的不断发展，我国对挖泥船的需求量逐渐增大。为改变原有挖泥船动力装置的不足，本文介绍的挖泥船电传动式动力装置，其故障少，效率高，成本低，污染少，节电，符合我国节能、减排的发展战略。

1 原有挖泥船动力装置的工作原理与不足

泥沙物料的吸起是通过大功率电动机来完成的。由于在远离陆地的地方作业而导致没有工频电网可以使用，所以在挖泥船船上是通过柴油机带动同步发电机，发电机的输出电压传送至交流电动机，通过高弹-联轴器-长轴-变速箱，吸起泥沙物料。但是，异步电动机的不良起动方式造成多方面的损坏，其中包括：

(1)电气问题。在直接起动或星三角起动过程中，其起动电流往往为额定电流的数倍，产生电压和电流的突变，带来了大量的电气问题。这些突变现象可能使柴油机及发电机过载，并使电压波动。

(2)机械问题。从电动机到绞刀都会受到剧烈的应力。

(3)经济问题。出现每个技术问题和故障后，因需要维修及停产造成大量的损失。

解决这些问题的简单方法就是安装变频器。这种技术的特点是在发电机与电动机之间设置变频器，通过控制变频器来实现电动机的起动及调速。使用变频器具有起动电流小、电压波动小、损耗小以及可控的加速及停止方式等优点。

变频器带动电动机的方法以节能显著、保护完善、控制性能好、过载能力强、使用维护方便等特点，迅速在挖泥船上使用，已成为电动机调速的主潮流，其系统图如图1所示。这种方法的特点是采用柴油机发电机组作为动力，发出电压V和频率f都为固定值的电源，给变频器供电，然后通过对变频器的控制实现电动机软起动和速度调节。

图1 采用变频器的系统图

但是，在挖泥船上采用变频器的动力装置的缺点是不经济。国际知名品牌的变频器价格不菲，很大程度上增加了船舶制造的成本。

2 改进的电传动式动力装置的设计原理

改进的电传动式动力装置系统图如图2所示。改进系统利用挖泥船在港口作业时不使用工频电网，不需要考虑其他负载的使用状况的特点。发电机的发电频率由柴油机的转速决定的，并且电动机的电压与发电机的输出电压一致，电动机的转速与发电机转速变化都是由柴油机转速决定。柴油机转速高，发电机频率高，电动机转速就高；反之，柴油机转速低，发电机频率低，电动机转速就低。用这种方法来替代变频器的功能，同样可以实现系统的调频调压，从而实现大功率电动机的软起动及调速。

系统以V/f=C为基本依据，在一定的柴油机转速下，确认基准电压。基准电压信号与发电机输出电压反馈信号相比较，比较误差信号送至电压调节器。这个调节器同样也是自适应的PI调节器，即调节器的参数随着柴油机的转速的变化自动进行调整，以保证控制系统的瞬态和稳态性能。该调节器的输出信号为驱动器的输入控制信号，该控制信号经驱动器放大后控制发电机的励磁电流，从而调节其输出电压，使其V/f=C，实现系统的调频调压。调频调压原理图如图3所示。

图2 改进的电传动式动力装置的系统图

图3 调频调压原理图

在这个环节中，通过PWM脉宽调制电路调节发电机的励磁电流，从而调节其输出电压，实现系统的调频调压。

3 改进的电传动式动力装置的组成

本动力装置由柴油机(包括辅助系统)、同步发电机、公共底座、高弹联轴器、隔振器、电气控制系统、交流异步电动机等大部件组成。

3.1 柴油机主要技术参数

柴油机满足船舶倾斜摇摆的要求，即当船舶纵倾5°、横倾15°，纵摇7.5°、横摇22.5°时，柴油机能正常运转。柴油机及主要附件符合国家有关标准、行业标准和船舶入级规范的要求，并取得CCS(中国船级社)证书和NOx排放证书。

柴油机参数为V型4 冲程、中冷、定压增压，V形50°夹角, 16气缸，缸径240 mm, 冲程275 mm,标定转速 1 000 r/min,曲轴转向顺时针(面向起动齿轮端)，持续服务功率(CSR)2 350 kW，最大持续功率(MCR)2 600 kW(@1 000r/min)，最低惰转转速430 r/min，负载转速范围： 800～1 000 r/min。

3.2 同步发电机技术参数

同步发电机型号为TFW2300-6，额定功率因数0.85，额定功率2 300 kW，额定电压AC6 300 V，额定频率50 Hz，额定转速1 000 r/min，额定效率0.95，极数 6，相数3，星接 (带中性线)，同轴无刷励磁，额定励磁电流≤9 A，防护等级IP44，绝缘等级F / F。

3.3 交流异步电动机技术参数

交流异步电动机型号为YKS630-6，额定功率1 900 kW，额定电压AC6 000 V，额定频率50 Hz，同步转速1 000 r/min，额定功率因数 0.85，额定效率95.5%，最大力矩1.8倍，极数6，相数3，防护等级IP56，绝缘等级F级。

3.4 电气控制系统

电气控制系统由监控微机、机旁控制柜及发电机组控制柜组成。

3.4.1 监控微机

监控微机安装在柴油机上。其作用是负责接收与柴油机相关的压力、温度及转速等模拟量信号，并将接收到的柴油机相关参数信号转换成标准信号，以通讯的方式传送到上位机，实现信息共享；还可将与柴油机相关的开关量信号传送至机旁控制柜，以实现柴油机在故障情况下的报警及停机保护。

3.4.2 机旁控制柜

柴油机机旁控制柜就近安装在柴油机的旁边。控制柜内装有中间继电器、时间继电器、接触器、断路器及显示屏等，以实现柴油机的起动、调速、停机，柴油机参数显示及故障报警和停机等功能。

柴油机机旁控制柜上实现的安全保护措施包括：机油压力低报警保护、冷却水温高报警保护、机油温度高报警保护、燃油泄露报警保护、超速报警保护、盘车机构联锁保护、曲轴箱过压停机保护、机油压力低停机保护、超速停机保护。

当有上述的故障发生时，相应的信号灯亮，显示故障内容，机旁控制柜上报警器报警。

3.4.3 发电机组控制柜

发电机组控制柜安装在挖泥船的监控室内，其型号为2350CCDJ6,额定电压为AC6 000 V，额定电流为240 A，由高压柜、监控柜2个柜体组成。高压柜内装有真空断路器、变压器、电流互感器、绝缘监视耦合仪、高压限流熔断器、过电压吸收器等高压设备，监控柜内装有励磁微机及保护继电器等控制设备，用于控制发电机的输出电压以及机组的相关电气保护。

控制柜有如下继电器类保护：发电机过流、机组系统接地、差动保护。

发电机电动机漏水控制柜有如下微机软件保护：发电机欠压、发电机过压、电压测量回路故障、绕组、轴承温度高。

4 结语

改进的电传动式动力装置在围海造地工程施工中，一直稳定发挥，平均时间利用率近80%。

本设计改进的电传动式动力装置以我公司船用柴油机为动力，带动发电机旋转，以V/f=C为依据，进行调频调压，发出适合挖泥船工况的电压来完成大功率电动机的起动，并通过调节柴油机转速来实现电动机的调速，可以完全代替现在挖泥船上普遍使用的变频器。整个系统不仅能实现变频器所带来的起动电流小，电压波动小，损耗小以及可控的加速及停止方式等功能，更可降低成本，减少维护费用。

2013-10-15

罗海全(1979-)，男，工程师，主要从事销售工作；徐宝库(1974-)，男，工程师，主要从事销售工作；赵永玲(1978-)，男，高级工程师，主要从事电气设计工作。

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