变频技术在直流起重船调速系统中的应用

徐沛

【摘要】我公司拥有多条直流起重船舶，但是由于设备老化，调速系统设计陈旧，，故障率较高，为了提高其调速系统性能，我们对其中一艘三航起6船舶改装，用改装的变频器代替原来磁场变阻器来改变发电机励磁磁场，从而达到调速目的并取得了良好的效果。

三航起6是一艘60吨旋转式直流起重船，主要通过两组柴油机直流发电机组渠道两组直流电动机，这两组直流电动机分别完成起重机的旋转、变幅和大小吊钩升降动作。可以看出，起重机的动作快慢完全取决于这两组直流电动机的转速大小。

直流电动机调速依据如下：

直流电动机的转速n和其他参量的关系可表示为

（式1）

（1）式中 Ua——电枢供电电压（V）；Ia——电枢电流（A）；Ф——励磁磁通（Wb）；Ra——电枢回路总电阻（Ω）；CE——电势系数，p为电磁对数，a为电枢并联支路数，N为导体数。

由式1可以看出，式中Ua、Ra、Ф三个参量都可以成为变量，只要改变其中一个参量，就可以改变电动机的转速，所以直流电动机有三种基本调速方法：（1）改变电枢回路总电阻Ra；（2）改变电枢供电电压Ua；（3）改变励磁磁通Ф。

起6船舶的电气调速系统是采用改变电源电压调速，即发电机-电动机调速系统，连续改变电枢供电电压，使直流电动机在很宽的范围内实现无级调速。未改装前，起6主要通过磁场变阻器控制发电机机励磁场，然而这种方式存在着很多缺陷。因为原系统是通过改变与励磁线圈串入电阻的大小来调节励磁电压的，所以磁场变阻器产生的功耗较大，发热量大，其故障率也较高，维修十分频繁。可以看出，这种调速系统既不节能，也没有效率。

考虑船舶线路铺设复杂，设备众多，环境多变，本次改造依然沿用改变电源电压核心思路，这样做只需改造局部线路和设备，既能减少改造成本，又能节省大量人力和时间。

随着变频技术的不断发展，性能日益完善，应用也越来越广泛，在船舶调速系统中引入变频技术，是一次巧妙的应用。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。由于发电机的励磁线圈输入就是220V直流电压，需将变频器稍加改造，去掉其整流部分，通过操作手柄电位器控制变频模块来调节励磁线圈电压。简单的来说就是用一个改装的变频系统来代替了原来系统中的磁场调节器的功能。这样的一个对控制线路的改造，可以使得调速系统的能耗大大降低，可靠性得到提高。

下面为两种控制方式原理图：

（1）磁场变阻器调速系统

如上图所示，Fz和Fy是两组直流发电机，以左发电机Fz为例，由配电板a＼b端输入电压Uab，通过Hkz滑环，使得左发电机Fzob和磁场变阻器Qz串联成回路。根据欧姆定律，Uab=UFzob+UQz. UFzob和UQz分别是Fzob和Qz两端的电压。因为Fzob的电阻值是不变的，所以Fzob的电压是随着Qz的电阻大小而变化，当Qz电阻变大，Fzob的电压就变小，反之则变大。当起重机动作时候，操作手柄给予磁场变阻器控制信号改变其串入回路的阻值大小，从而使得左发电机Fz的励磁电压变化，Fz的输出电压随即也发生变化，Fy右发电机回路与Fz左发电机结构相同，调速同理。因此原本的调速就是通过操作手柄控制磁场变阻器在电路中的有效电阻值就可以改变发电机的输出电压，从而达到调速目的。

（2）变频调速系统

如图，以左发电机组为例，虚线框内的电器元件表示是在起重机操作箱内，输入总电压依然来自配电板a＼b端，进入BPz内，通过操作手柄电位器控制变频模块，调节电压频率和大小，输出三相交流电到Dz三相高频桥堆，通过Dz整流后输入到换向继电器Jz1和Jz2，Jz1和Jz2是一对互锁的换向继电器，决定了起重机的正反转和起升方向，它们输出的电流方向正好相反，同一时间只能工作一个，通过手柄按钮操作控制Jz1和Jz2工作，通过换向继电器将电压输入到3-42和3-43端，3-42和3-43就是一图的滑环HK2，从而使得Fz发电机磁场线圈得电。

比较下来，就是用一个改装的变频系统来代替了原来的磁场调节器的功能。前者是利用串接电阻来分担磁场线圈电压，后者则是通过变频器调节磁场线圈电压。

对船舶调速控制系统进行变频控制后，极大的提高了船舶使用的可靠性。虽然两种调节方式都是无级调速，但是变频器调节比起磁场变阻器明显更胜一筹。

1、起重机的能耗和故障率降低。未改装前，每次磁场变阻器功率消耗8KW～20KW之间，两组使用功耗平均值将近达到30KW，这些消耗都体现在磁场变阻器的电阻发热上。磁场变阻器不仅做了很多无用功，给船舶电站增加负担，而且给操作人员带来不小的麻烦。因为调速系统安装在操作室，起重机司机每次工作就好像坐在一个火炉旁边，开空调也达不到制冷理想效果。不仅如此，这两组磁场变阻器因为发热大，电阻元件、触点和线路经常老化，故障率极高，最严重的时候达到一周故障一次的频率，这严重影响船舶的施工生产。使用变频控制后大大改善了上述状况。一台变频器BPz的额定功率才900W，工作消耗的功率很低。同时，采用变频控制后，调速系统电流大大降低，变频器的故障率远低于磁场变阻器。这样不仅减少了调速系统带来的能源消耗，节约柴油，机油等能源，而且提升了起重机调速系统的可靠性，改变了以往经常要检修调速系统的情况，使得日常检修的周期加长，减少了维护付出的劳动。

2、简化了轮机管理任务。原来的调速控制箱内电器元件线路众多，检修复杂，不方便修理，提高了管理的成本支出。而采用变频控制后，故障显示自动化，智能化，而且实际使用中表明，暂时也未发现出现故障。

3、提高了工作的效率。三航起6在作业时的工作效率明显的提高。良好的设备给了船舶可靠的保证，让船舶在施工任务中大放光彩，常常保质保量的完成工作安排，得到了施工方，业主方的一致好评。

这次改装依然采用改变电枢供电电压调速方式，并没有大动干戈重新设计改造整个系统方案和布局，而是巧妙的引用变频控制，精简控制系统结构，最大程度的节省改装成本，并解决了原本调速系统的弊病，大大提升了起重机的安全性和可靠性。

变频控制技术在直流调速控制中的使用，使得起重机运行的可靠性大为加强，减少了故障点，使得船舶管理变得更为先进，科学。在对需要频繁使用直流电机来工作的工程船舶而言，这样的变频技术应用大大的提升了工作的效率，使得设备的完好率也得到了提高。而且变频控制技术在调速控制系统中的实际应用也表明，这样的技术发展带给实际施工极大地福利，同时经济型也得到了很大的提升。

参考文献

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[2]岳庆来.变频器控制计术.电子工业出版时社，2006

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