惠丰变频器在游船推进系统中的应用

摘  要   本文讨论了在游船推动系统中采用交流变频传动取代直流传动的可行性
并通过实际应用证明了该方案是完全可行的并取得了明显的经济效益。
关键词   船用推进  交流变频传动  直流传动   噪音污染   经济效益
引  言   
近几年是随着人们生活水平的日益提高和水上旅游业的发展，小型游艇在国内悄然升起。在传统的船用推进系统中，以往普遍采用柴油机（汽油机）直接推进，旅游业的发展首先带来的是环保的问题，各地方的水域管理对环境污染的控制要求越来越高。为满足环保的需要和提高游艇的舒适度（震动和噪音），因此直流电动机推进系统在小型游艇上得到大力的推广，该传动模式既有明显的优式，但也有明显的劣势。
随着近年交流变频调速技术的迅猛发展和稳定成熟，众多厂家纷纷尝试采用新技术取代原有的控制模式以改善原直流系统的缺点。珠海某船舶制造有限公司率先在其生产的游船中采用交流变频拖动技术，并取得了成功。
原游船系统介绍：
珠海某船舶制造有限公司是专业的玻璃钢游船和公务用艇制造公司，该公司原制造的电动船普遍采用直流推进系统（蓄电池+控制器+直流电动机）带动螺旋桨作为动力推进系统（见电气控制与结构图），采用工业电瓶作为系统的主动力电源。
原系统特点：
A、直流拖动系统技术成熟，该系统有近60年的应用经验，技术成熟。
B、该系统采用直流电机，拖动扭矩大，机械特性硬，带负载能力强。
C、该系统可以实现无级调速，调速范围宽而且灵活但该系统也有明显的缺点，表现如下：
D、系统体积庞大，结构复杂，占用空间体积大，价格高。
E、系统因结构复杂，故障点较多，维护困难。
F、该系统若发生故障，现场维修困难，周期长而且维修费用较高
G、该系统工作时振动和噪音较大，达不到低噪音环保要求，对旅游业来说影响了游客和操作人员的身体健康。
H、对高档游船来说，缺乏对VIP客户和高档消费群体的吸引力。
综合考虑以上因素，我们可以判断该系统是相对理想的动力推动系统，但其缺点也是造船厂和用户所头痛的。该船舶制造公司作为一个专业化的船舶制造公司一直注重新技术的开发应用和推广，该公司一直紧盯传动技术的最新发展：随着交流变频技术的发展和成熟 ，越来越多的领域采用了交流变频拖动技术：如在钢铁领域，风机泵类，军用雷达旋转系统，军舰舰炮旋转系统等。在以上领域，交流变频调速以其结构简单，体积小，价格低，故障率低等特点得到了广泛的应用。那在船用螺旋桨推动系统中是不是也可以采用呢，厂方在进行了深入的技术论证后，认为采用交流变频拖动取代直流拖动系统是完全可行的。
2005年4月份，该船舶制造有限公司决定在内河游船上采用交流变频调速作为船舶的主推进，相关技术参数和要求如下：
1、该船船长：16.0m，型宽：4.10m，型深：1.35m，吃水：0.65m,排水量：16t，乘员：32人，船速要求：12km/h。
2、电动机参数（2台）：型号YTSP180L—8 ，额定电压AC380V，额定频率50Hz，标称功率11KW，额定电流26A，恒转矩频率范围3—50Hz，恒功率频率范围50—100Hz。
3、 变频系统相关参数（2套）： 采用两路电源输入，一路采用进口三相交流柴油发电机组（27KW，AC380V，48.8A，50Hz）整流成DC560V；另一路为备用蓄电池组（12V，150Ah，47组串联成DC564V）
4、 交流变频调速可在驾驶台进行远程控制，驾驶台配备相关控制板，控制板具有工作显示和操纵控制功能。
·可行性分析
随后该船舶公司和相关变频器厂商进行了广泛的联系和技术应用交流，最终烟台惠丰电子有限公司以最佳解决方案胜出：
1 、根据我们采用的8级电机作为主推进电机，判定该系统需要低速大扭矩来驱动，通常变频器是按照4级电机来设计的，8级电机的额定扭矩约为140N.M ，综合考虑驱动力矩和电气容量的要求，建议我们采用15KW的变频系统，为达到快速灵敏减速和停船控制要求，建议外加制动单元和制动电阻。
2 、变频器的安装和防护问题：考虑到变频器的使用环境，针对湖面和水面的高潮湿环境进行特殊防潮处理，但对防水还是不能有效防护，建议我们在安装时要做好防水。
3 、电机的散热问题：8级电机本身转速低，当变频器在低速运行时，有可能导致电机温升变高，要考虑冷却通风问题（采用自带冷却风机）。
该方案综合考虑了电气传动方面的要求并结合现场的实际工况对潜在的安全隐患，惠丰公司提出了合理的问题解决方案。      
根据惠丰公司的建议结合我们原定的技术方案，我们采用了以下的电气控制方案（附电气控制与结构图）：


图1   游艇电气控制与结构图
采用柴油发电机组为整个系统提供电力，输出AC380/50Hz的交流电，蓄电池组作为备用电源当发电机组出现异常时对外提供应急电力，变频器和电机作为交流传动执行机构拖动螺旋桨旋转推动游船前进。
变频器在该系统中当发电机组正常工作时接受DC560V电源，柴油发电机组所发的AC380V/50Hz交流电通过一个特制的大功率充电器（经整流滤波提供DC560V直流电）向蓄电池组（47组）充电并对变频器提供电源，当柴油发电机组异常时，蓄电池组作为应急电源对变频器供电，以保证正常工作。
该系统在珠海江龙船舶制造有限公司制造的“16.0m杭州西湖游艇”上于2005年10月份一次性试车成功（见附图）。




试车时我们对该船作了相应测试：当船速在4km/h左右时，机械舱内噪音量在64dB左右，乘客舱内为55dB左右；12km/h速度时，机械舱内为68dB，乘客舱为58dB左右，相对原传动模式噪音量平均下降10dB左右。
综合对比前后两套传动控制系统，我们发现：变频系统在满足了游船技术性能指标的要求下相对直流调速具有以下特点：
1、系统安装、接线、操作简单，性能稳定。
2、有效节能，在船速达到12km/h的速度下，变频系统只运行在40HZ左右，相对于直流传动来说节能率在10%以上。
3、能有效降低机械传动噪音，有利于保护船员和游客的身体健康。
4、操作快捷灵敏，140NM的大扭矩保证了即使在游船低速运行时也能灵活进退。
5、该系统占用空间体积小，重量较轻，有效载荷利用率大。
目前该游船已交货并在杭州西湖投入商业运营。

总结  
总之相对于直流调速系统来说，交流变频传动的采购费用虽然较单独的直流电机要贵，但综合考虑以上因素并结合以后的维护保养，环保对噪音污染的要求以及以后游客对身体健康的越来越重视，我们认为整体费用较直流还要低，而且对旅游经营公司和游客来说更具有吸引力，在中小型船舶上交流变频传动将会有更广阔的市场。




作者简介：
蒙云强： 珠海江龙公司电气设计工程师，大学毕业后长期从事船舶行业电气与机械传动的设计与应用。
柳新春： 烟台惠丰电子有限公司产品应用工程师，1996年西安理工大学毕业后，长期从事变频器的销售，行业开发和应用。