船用起重機電氣改造

金惠峰 陳方亮 于海寧

（1. 武漢第二船舶設計研究所，武漢 430064；2. 中國船舶重工集團公司第七一二研究所，武漢 430064）

1 引言

在上世紀的大部分年代里，由于直流傳動系統具有優越的調速性能，高性能的可調速傳動都采用直流電動機。然而，直流電動機結構上存在機械換向器和電刷，使它具有一些難以克服的固有缺點，如維修工作量大，事故率高，容量受換向條件的制約，使用環境受限。交流電動機固有的優點是：結構簡單，造價低，堅固耐用，事故率低，容易維護；但它的最大缺點在于調速困難，簡單調速方案的性能指標不佳，然而隨著交流調速理論的突破和調速裝置的完善，目前交流傳動已經上升為電氣調速傳動的主流，直流傳動系統受到強烈的沖擊，在不久的將來，交流電氣傳動將會完全取代直流電氣傳動。

2 設備現狀

2.1 設備現狀

船用起重機采用 DC發電機-電動機傳動系統，主鉤單獨采用一套AC電動機-DC發電機變流機組；變幅和旋轉合用一套變流機組。兩套變流機組分別配備一套 Y-△啟動柜。船用起重機不需要 360°旋轉，由船艙至船用起重機的軟電纜直接供電，未采用中心集電器。船用起重機采用3臺直流驅動電動機分別完成主鉤起升、吊臂旋轉、變幅等機構的運動功能。運動機構由兩套控制柜及2套主令開關控制，其中一套完成對主鉤的控制，另一套完成對旋轉/變幅的控制，旋轉和變幅功能的切換通過轉換開關選擇，旋轉和變幅運動不能同時進行。

船用起重機運動機構采用直流調速拖動和繼電器、接觸器的控制方式，這種控制方式的技術水平在當時是先進的。但是直流調速和繼電器、接觸器控制方式存在一些固有的缺陷，隨著計算機控制技術和交流變頻調速技術的發展，采用PLC控制器、變頻器和異步交流變頻電機的全數字交流變頻調速控制技術的成熟，本船的船用起重機運動機構直流調速和繼電器、接觸器控制方式已逐漸被交流變頻調試控制技術所取代。

隨著使用年限的增加，直流調速和繼電器、接觸器控制方式的缺陷逐步暴露，主要表現在如下方面：

（1）直流電機固有的問題難以解決

由于采用直流拖動方案，直流電機固有的問題難以解決。由于直流電機換向器必須采用電刷引流，隨著電刷磨損，刷灰隨風路到達電機各部件表面，引起碳粉污染，導致絕緣降低，致使電機運行條件惡化，起重能力降低。電刷和滑環故障率高，需經常打磨維護或更新，維護保養工作量大，維修成本高。

（2）繼電器-接觸器控制系統的缺陷逐漸顯現

現有船用起重機控制采用繼電器-接觸器控制系統，采用的繼電器多，接線復雜，由于機械觸點的壽命有限，系統經常因船舶振動而發生接線松動或接觸不良,引起誤操作，繼電器故障率高，維修工作量大，成本高。而且由于繼電器-接觸器控制系統的自動化程度和控制精度低，運動機構控制難以滿足工程作業的要求；制動器動作時序難以同電機配合，導致機械振動大，剎車片磨損嚴重，安全性降低。而且器件發生故障后，難以定位故障點，造成維修困難。

2.2 船用起重機主要性能指標

自重： ～25 t

額定起吊重量： 9 t

最大起吊重量： 12 t

最大起重量時迴轉半徑： 10.6 m

最小迴轉半徑： 4.6 m

最大迴轉時有效高度： 11.3 m

起升速度： 10.5 m/min

全程變幅時間： 60 s

最大迴轉速度： 1 r/min

工作范圍： 左 170°～右 170°

3 改造后船用起重機的性能預計

3.1 改造后船用起重機的技術性能

交流傳動系統的發展和一些關鍵性技術的突破性進展有關，它們是功率半導體器件的制造技術、基于電力電子電路的電力變換技術、交流電動機控制技術以及計算機和大規模集成電路為基礎的全數字化控制技術。綜合上述先進技術的交流調速系統可以使船用起重機技術性能達到原有水平，并且具有超出原系統的新的技術性能，主要如下：自動化程度高，調速平穩可靠，操控性能好； 過載能力強，體積小，重量輕，維護簡單；轉動慣量小，動態響應好，調速范圍大，精度高；功率因數高，損耗小，節約能源。

3.2 改造后綜合性能預估

當前交流調速系統的綜合性能已經超出直流調速系統，而且交流調速系統功率密度大，體積小，設備模塊化程度高，有利于原船用起重機的交流化改造。改造后船舶的綜合性能基本預估如下：

(1）本船經設備改造，其船舶性能能保持改造前船舶的技術性能指標。如適航性、耐波性、操縱性及船員舒適性等不發生變化或提高。

(2)改造后船舶航行時的浮態及穩性保持不變，工程作業性能不變或提高。

(3)改造后的船用起重機可靠性、安全性和操作性能比原來提高，維修成本降低；效率提高，耗能減少，工程作業成本較低。

(4）針對工程作業初始起升力矩大的特點，改造后的船用起重機電氣部分具有 150%以上的短時過載能力，滿足作業的需求。

(5）本船建成投產時間不長，船上未改造設備狀況良好，改造后的船舶將能在較長時間內更好地完成工程作業任務，船舶的經濟性和社會效益顯著提高。

4 船用起重機電氣改造技術方案

4.1 概述

船上現有船用起重機采用直流電力拖動系統，使用的變流設備及控制開關較多，運行可靠性及操縱自動化程度已不能適應工程作業需要，需要更新改造船舶起重驅動設備及自動控制系統，以滿足作業需求。

4.2 船用起重機電氣單線圖

船用起重機電氣單線圖如圖1所示。

圖1 電力系統單線圖

4.3 起升機構

船用起重機所有機構均選用足夠功率的交流起重變頻電動機驅動，采用全數字式交流變頻調速系統。交流電機體積小，運行可靠，調速系統起制動平穩，反應靈敏，調速范圍廣，低速性能好，可實現無級調速，調速比不小于 1:10，并可對各參數進行數字設定。

原船用起重機起升機構采用1臺直流電動機完成主鉤起升驅動，改造后起升機構采用變頻器和變頻電機驅動，系統具有足夠的調速硬度和良好的低頻轉矩特性,起升機構的調速,通過聯動臺主令控制器控制，變頻器與 PLC之間采用通訊方式，并通過輸入給 PLC的主令控制器信號控制變頻器的頻率及電機的轉速。電動機配脈沖編碼器，電機的轉速送到變頻器作實時閉環控制，確保調速精度。

起升機構停車通過電動液壓制動器實現，在變頻控制下可實現低速抱閘，減少抱閘閉合時的震動及抱閘磨損，使停車更平穩。

起升機構電氣保護有短路及過流保護、超重保護、失壓、缺相、零位、超速、起重力矩及起升位置限位保護。起重力矩限制器、變幅角度傳感器及重量傳感器根據實船情況確定是否更換。

4.4 旋轉/變幅機構

原船用起重機變幅/旋轉機構各采用 1臺直流電動機驅動，變幅和旋轉共用變流機組，改造后旋轉和變幅機構共用一臺變頻器，各配置1臺變頻電機驅動，變幅機構停車通過電動液壓制動器實現，旋轉機構停車采用氣動制動器實現，在司機室設置有旋轉腳踏制動板，旋轉機構現地設有手動制動機構。

電氣保護有短路及過流保護、旋轉/變幅互鎖保護、力矩保護、旋轉手剎/腳剎鎖定保護、失壓、缺相、零位及旋轉、變幅位置限位保護。

4.5 電控系統

改造后的船用起重機電控系統功能基本維持原系統不變，采用 PLC控制替代原繼電器、接觸器控制方式；采用變頻器和交流異步電機代替原變流機組和直流驅動電機。控制原理框圖如圖2所示。

改造后的船用起重機整機采用 PLC可編程序控制器控制。PLC控制系統采用邏輯程序代替控制繼電器，節約了安裝空間，配合功能齊全的內部指令，可使設備的各種運行狀態得以完全的控制和監視。通過程序的內部聯鎖和外部的硬件聯鎖保護，可以防止人為的誤操作事故，確保設備和人身的安全。PLC采用模塊式結構，配以脈沖編碼器及一次性傳感元件和二次隔離技術，使控制系統具有抗干擾能力強、通訊方便、可靠性高、定位準確、維護簡便等特點。配合性能優良的變頻器，可確保各運動機構起停平穩，作業效率高，維護工作量小。

圖2 電控系統原理框圖

各機構的運轉指令來自聯動臺主令控制器和開關按鈕。指令信號經 PLC處理后控制各機構控制柜內的開關和變頻器驅動電機運行。起升和變幅的松剎控制時序由 PLC和變頻器共同時實現，PLC通過PROFIBUS-DP通信總線向變頻器給出轉速給定后，變頻器會先在零轉速下建立制動轉矩，轉矩建立后，變頻器向 PLC給出轉矩建立信號，PLC收到制動轉矩建立信號后會控制接觸器松電機剎車，剎車松開后，剎車位置開關將剎車已松開的狀態信號上傳到 PLC，PLC再將該信號傳給變頻器，變頻器收到信號后驅動電機旋轉。這個控制時序可確保不發生溜鉤和剎車磨損。與此類似，當司機手柄回零時，變頻器首先將機構的轉速降至額定轉速的 10%左右，再進行機械制動，以避免剎車磨損和制動沖擊。但在緊停或電源故障時，立即制動。起升、變幅、旋轉機構變頻器均設有合適的加減速時間，使得操作無沖擊效應[1]。

旋轉機構的剎車控制由操作人員通過腳踏液壓制動器人工實現。各機構零位保護通過主令控制器的零位自鎖功能實現。

5 主要設備參數及選型

5.1 起升控制柜及變頻器選型

目前我國已有進口、國產變頻器廠家近 200家，高端場合、大型傳動、多傳動，對傳動要求較高的場合，SIEMENS、ABB占主流，變頻器的標準和最先進的控制模式，比如矢量控制、DTC也是SIEMENS和 ABB設計和制定的，共直流母線逆變器，AFE等技術 SIEMENS和ABB的產品也已成熟。

起重設備起升機構起動、制動、調速和反轉頻繁，沖擊大，提升起動時需要有大的起動力矩，下降時有能量反饋。起重設備的利用率和效率要求越來越高，除了提高起升機構的速度來提高效率外，對加減速時間也提出了嚴格的要求，同時也要求實現恒功率控制來提高效率。起升機構在速度控制過程中，一般在基頻以下采用恒轉矩控制，基頻以上采用恒功率控制。起重設備必須選擇滿足恒轉矩負載提升要求的變頻器。 由于恒轉矩負載類設備都存在一定的摩擦力，有時負載的慣性很大，在起動時要求有足夠的起動轉矩。這就要求變頻器有足夠的低頻轉矩提升能力和短時過流能力，必要時應將變頻器的容量提高一檔，或采用具有矢量控制或直接轉矩控制的變頻器。系統設計時應適當增大異步電動機的容量或增大變頻器的容量。變頻器的容量一般取為1.1～1.5倍異步電動機容量。總之，具有高起動性能、力矩響應快、低速力矩特性好，是起重設備對變頻器的主要要求。

國內起重變頻器高端 ABB、SIEMENS使用較多，中低端 Schneider、安川應用較多。ABB公司的 ACS800 系列是采用 DTC技術設計的變頻器，DTC控制技術也就是直接轉矩控制，它是目前最先進的控制交流異步電機的方式之一。直接轉矩控制以測量電機電流和直流電壓作為自適應電機模型的輸入，該模型每隔25 μs產生一組精確的轉矩和磁通實際值，轉矩比較器和磁通比較器將轉矩和磁通的實際值與轉矩和磁通的給定值進行比較，給出其最佳開關位置。通過對轉矩和磁通的測量，實時調整逆變電路的通斷狀態，進而調整電機的轉矩和磁通，以達到精確控制的目的。直接轉矩控制能夠在開環方式下對轉速和轉矩進行準確控制，在零速附近區域達到1.5 倍額定力矩[2]。如果再配上提升機專用軟件，就使得提升機構有了最佳的運行安全性和杰出的提升性能，因此本項目選用ABB變頻器。

5.2 旋轉/變幅控制柜

旋轉機構和變幅機構共用控制柜。旋轉/變幅控制柜的配置同起升控制柜基本一致，但需增加兩臺用于切換驅動電機的接觸器。

5.3 控制柜及PLC選型

目前世界上大約有200多家PLC廠商，400多品種的 PLC。產品大體可以按地域分成三個流派：一個流派是美國產品，一個流派是歐洲產品，還有一個流派是日本產品。

目前國內起重機械電氣控制用 PLC主要以SIEMENS、OMRON 和 Schneider為主，SIEMENS主要用在大型高端起重設備上，如龍門吊等，Schneider在小型低端設備使用較多，OMRON在中低端都有應用。

SIEMENS PLC可靠性高，抗干擾能力強，配套齊全，功能完善，適用性強，SIEMENS PLC發展到今天，已經形成了大、中、小各種規模的系列化產品。可以用于各種規模的工業控制場合。SIEMENS PLC通信能力的增強及人機界面技術的發展，使用 SIEMENS PLC組成的控制系統自動化程度高，人機界面友好，便于船用起重機操作、維護人員的使用[3-4]。

SIEMENS PLC體積小，重量輕，能耗低，特別適合船舶控制柜內的安裝。 由于SIEMENS PLC的這些特點， 本船用起重機控制系統采用SIEMENS PLC控制器。

5.4 電動機參數及選型

船用起重機采用變頻調速時，由于變頻器輸出波形中高次諧波的影響以及電機轉速范圍的擴大產生了一些與在工頻電源下傳動時不同的特征，需要對電機的輸出力矩、冷卻方式、噪聲、振動及絕緣耐壓等方面進行專門的設計。

目前變頻電機廠家比較多，國外高端產品以ABB、SIEMENS為主流，國內變頻電機廠家也比較多。總體來說，國內起重變頻電機性能質量已經能夠滿足使用要求，但考慮到工程船使用的特殊性，綜合可靠性、安裝和維修成本以及價格等因素，從長遠考慮，選用國外高端電機的綜合性能應比較好。

ABB電機公司是全球領先的低壓交流電機制造商，擁有超過 100年的電機制造經驗。ABB電機產品涵蓋了幾乎所有工業領域所能使用的電機。ABB電機以高效率、耐用性、可靠性而著稱，在全球市場擁有很高的市場占有率。ABB船用起重變頻調速電機采用鼠籠型結構，過載能力大，運行可靠，維護方便。電機單獨裝有軸流風機，保證電機在不同轉速下均有較好的冷卻效果。電機絕緣采用國際上廣為使用的 F級絕緣結構，提高了電機的可靠性。電機通過ABS、BV、DNV、GL、IEC、KR、LR、NK、CCS等國際標準和有關船級社的規范要求，適用于船用泵、風機、起重機械、液壓機械等各種設備。電機外殼材料采用高強度鑄鐵，具有良好的耐沖擊性能，針對各種惡劣的海洋環境進行表面處理，具有卓越的防潮、防霉及防鹽霧性能，適應各國船用設備對電源和頻率的要求。

由于ABB電機的這些特點，改造選用ABB公司的船用起重變頻電機。

6 結束語

通過設備改造，提升了系統的操控性、可用性和可靠性。

[1]劉清, 何禹崇. 全變頻調速技術在門式起重機中的應用[J]. 起重運輸機械，2010，2：51-53

[2]ACS800單傳動, 0.55 至 2800 kW產品樣本[Z]. 北京ABB電氣傳動系統有限公司, 2007.

[3]廖常初. S7-300/400 PLC應用技術[M]. 北京:機械工業出版社, 2004.

[4]SIEMENS Ltd. SIMATIC S7-300可編程序控制器系統手冊[Z]. SIEMENS Ltd, 2000.