多功能打捞支持船动力装置及其软启动

刘艳朝，梁 刚，张双成，姜旭龙，王大鹏，赵永玲，魏春光

（中国北车集团 （大连）柴油机有限公司技术部，辽宁大连116022）

多功能打捞工程支持船由上海打捞局投资建造，该船是一艘钢质、全焊接、适用于无限航区规定条件下作业的多功能打捞工程船。船舶总长132m、型宽35m、型深10m、最大吃水6m，配备有550t全回转起重机，前置机舱，艏部设有一台周遂式侧推装置，艉部设2台全回转Z型电力驱动螺旋桨推进器。

该船动力装置由4组CCFJ1600J－1柴油发电机组（8240ZD型柴油机机组）、1组康明斯600kW柴油发电机组（应急机组）两种不同类型的5台发电机组组成船舶电站系统，满足电力推进需要及海上无限航区打捞作业，每台机组均能实现自动并机和解列功能。

动力装置中，8240ZD型柴油机及电气控制系统中监控微机、机旁控制柜、软启动器等由我公司自主设计生产，其余由配套厂家按照要求提供，整体设计方案符合国家标准、船舶标准和中国船级社（CCS）的《钢质海船入级与建造规范》的相关规定。

1 CFJ1600J－1柴油发电机组总体设计结构

CCFJ 1 6 0 0J－1柴油发电机组主机采用我公司8240ZD型柴油机，配备湘潭电机厂的TFW1600－6同步发电机，采用高弹联轴器，公共底座和隔振器组成弹性安装系统，配以柴油机辅助系统、电气控制系统。CFJ1600J－1柴油发电机组外形图见图1。

8240ZD型柴油机的输出端与同步发电机通过RATO－R型高弹性橡胶联轴器相连，轴系经过扭振计算，符合船级社的相关规定。柴油机和发电机采用刚性支承，轴系经过找正对中后通过研配的斜垫安装在焊接结构的公共底座上。公共底座为钢板焊接结构，经过有限元强度计算和固有频率分析，满足支承机组和整体吊装的要求。公共底座下部有减振系统，采用10点支承的AV／C 2L55型隔振器，通过静变形计算、隔振系统的稳定性计算、固有频率分析以及隔振效果分析，确认该机组隔振系统具有良好的稳定性和隔振性能，有效地减缓由于部件的运转、振动对船体的冲击以及振感传播。

图1 CFJ1600J－1柴油发电机组外形图

2 CFJ1600J－1柴油发电机组主要技术参数

3 CFJ1600J－1柴油发电机组主机技术参数

4 CFJ1600J－1柴油发电机组主发电机主要技术参

5 交流异步电动机主要技术参数

6 电气控制系统功能概述（图2）

电气控制系统由柴油机监控微机、机旁控制柜、发电机组配电屏（内部装有AVR励磁箱）、软启动器等组成。

图2 发电机组控制系统框图

监控微机的作用是实时检测柴油机运行的重要参数，比如油、水、气的温度、压力，柴油机转速、增压器转速等。柴油机监控微机检测到的参数经由CAN总线送往柴油机的机旁控制柜。

机旁控制柜是在柴油机旁控制和监视柴油机运行状态，柴油机调速也位于机旁柜上，重要信号的保护动作指令也由机旁柜内的继电器来执行。

检测系统检测机旁控制柜及监控微机发出的报警等信号，并将此信号发送到集控室、驾控室等处，具有声光电报警装置，及时反应柴油发电机组状态。

发电机组配电屏主要是指690V配电屏，主发配电板用于控制全部柴油发电机组的并列、解列和负荷分配，并管理整个船用主发电站的工作和进行必要的保护。

AVR励磁箱负责对应柴油发电机组的发电励磁，它能接受来自柴油机电子调速器的起励和灭磁信号，并可在主发配电板处调节励磁大小。

7 软启动器

该船的主推进采用2台2 000kW交流异步电动机，1台1 100kW交流异步电动机作为侧推进，为使电动机无冲击、平滑启动，需要在启动过程中采用软启动器。工程上多采用Y／△转换，自耦降压，磁控降压等方式来实现电动机软启动，而且最高应用在电动机功率800kW以内。这些方法虽然可以起到一定的限流作用，但没有从根本上解决问题，而且启动功率范围较小。伴随着电力电子技术的快速发展，我们自行设计一款采用可控硅为主要器件、单片机为控制核心的智能型电动机启动设备－－软启动器，以实现在整个启动过程中无冲击而平滑的启动电动机，而且可根据电动机负载的特性来调节启动过程中的参数，如限流值、启动时间等。此外，它还具有多种对电动机保护功能，从根本上解决了传统的降压启动设备的诸多弊端。

软启动器根据异步电动机的定子电流公式可以得知，减小启动电流可以从改变定子电压、转差率、定子侧电阻或者电抗、转子侧电阻或者电抗考虑。通过分析可以发现，减小定子电压来减小启动电流是最容易实现的方法。有鉴于此，软启动器采用了交流调压调速的原理，它的主电路结构形式和晶闸管三相调压电路完全一致，利用晶闸管的可控导通特性，通过改变串接于电源与被控电机之间的三相反并联晶闸管的导通角来改变施加在电动机定子上的电流有效值，使电动机输入电压按照预先设定的函数关系逐渐上升到额定电压，从而减小电动机启动电流。在软启动过程中，电动机启动转矩逐渐增加，转速也逐渐增加。软启动控制柜控制框图如图3所示。

图3 软启动器控制框图

晶闸管交流调压电路在软启动器中作为执行机构，通过控制晶闸管的导通角大小起到总调节输出到异步电动机定子上的电压和电流的作用，是软启动器的主电路。与以往采用6只反并联晶闸管的主电路不同，我们采用10只反并联晶闸管，不但能够方便的实现电动机的正、反转和电磁制动，而且还能实现电动机的分级变频的控制方式，即让电动机工作于12.5、25Hz和50 Hz的频率下，与此同时，电动机运行于额定转速的1／4、1／2和全速，从而实现电动机的变速运行。主电路图如图4所示。

图4 软启动器主电路图

同时该软启动器还具有电源同步检测环节、触发脉冲驱动环节、反馈量检测环节、计算机控制系统，并具备显示功能。

同步检测环节是软启动器的基本环节。由于晶闸管必须在承受正向电压的同时给门极施加触发信号才能够导通，因此，电路中每只晶闸管的触发信号相位必须以其刚刚承受正向电压的相位点（即电源电压过零点）作为参照，这就必须对电压过零点进行检测，称为同步检测，并由此确定触发信号发出的时刻，以及主电路中10只晶闸管的触发顺序。

在电源同步检测环节中，使用同步变压器完成电源隔离和电平变换的作用。同步变压器既能完成电平变换，有可以滤除部分干扰，还可以使隔离电压提高。软启动器控制微机从同步变压器二次侧取得低电压信号，完成同步检测。取三相信号，不但能够完成同步检测，还能够检测相序错误和缺相错误。

反馈量需要检测电网电压和电动机电流，均是通过专用模块将相关物理量转变成4～20mA信号，再由软启动器控制微机检测。电压检测模块的作用是通过检测电网电压，在软启动过程中，使电压降保持在允许的范围内。电流检测模块的作用是使电动机的软启动过程不超过设定的限流值，并且当电流失控而超过晶闸管保护值后，迅速采取措施以保护晶闸管。

触发脉冲驱动环节根据软启动器控制微机发出的触发控制信号，通过脉冲整形、隔离、功率放大后，施加于晶闸管的门极，控制晶闸管导通。脉冲触发环节如图5所示。T1为脉冲隔离变压器，起电气隔离作用，可以减少主电路对触发电路以及控制电路的干扰，提高电路的可靠性，并防止由于晶闸管损坏而将高压电引入软启动器控制微机中。二极管D1和D2用于防止控制信号关断时在脉冲变压器的二次侧感应出的高压加在晶闸管的门级。C1和C2起到脉冲整形的作用，R1起到限制门极电流的作用。

图5 脉冲触发环节电路图

计算机控制系统是软启动器的核心环节，来自电源同步检测环节的同步信号和来自反馈量检测环节的信号都被送到计算机控制系统中，通过对信号进行处理和计算，最后输出晶闸管的触发信号，并完成相关的保护功能。计算机控制系统使用Microchip公司的dsPIC30F6010A为主控芯片，配合先进的数字控制技术，不仅实现在整个启动过程中无冲击而平滑的启动电机，而且可根据电动机负载的特性来调节启动过程中的参数，如限流值、启动时间等，消除电动机启动、停止过程中的电流冲击，减小电网容量，避免电机启动时机械冲击，保护电机和负载。此外，它还具有多种对电机保护功能，如可控硅短路保护、缺相保护、过热保护、欠压保护等，使之成为一种集软启动、软停车、轻载节能、电动机运行参数记录和多功能保护于一体的电动机控制装置。

软启动器在厂内进行了船级社的产品认证试验，电动机的相关参数为额定电压690V，额定电流1 918A，额定功率2 000kW。由于船上采用可调螺距的螺旋桨，在电动机启动时，调整螺距，可视为空载，所以在试验台上模拟电动机空载启动。当＂电动机启动＂指令下达后，电流表的指针快速上升，接近2 300A处，上升速度开始变慢，最终稳定在3 300A处，直到电动机克服启动转矩，转速迅速上升，电流回落至300A的空载电流，软启动过程结束，时间为45s。

8 试验

该套动力装置试验是出厂前的最后一道工序，是在厂内检验该装置是否符合设计要求，达到运用水平的真正考验。根据公司技术要求及船级社要求，首先完成8240ZD型柴油机的一系列试验，包括磨合调整检查试验、船检出厂试验、排放试验，然后完成CCFJ1600J－1柴油发电机组的组装并完成出厂试验，最后是整套动力装置并机联调试验。

首先8240ZD柴油机出厂试验根据船规要求，完成了启动试验、安全保护装置试验、调速性能试验、负荷特性试验及试验后的拆检，均达到了船级社的规定。

排放试验根据机组的用途，按照恒速船用主机E2循环完成试验，并取得NOx排放证书。

然后CCFJ1600J－1柴油发电机组按照安装技术条件进行组装，并完成单机组出厂试验。

机组出厂试验在柴油机出厂试验基础上增加了噪声、扭振测试、振动测试环节，更细致的反应机组及柴油机的状态，其噪声、扭振及振动值均在允许的范围内，符合相关规定。

由于单机组出厂试验后，要在厂内完成多机组并机联调试验，而多机组并联运行时应该满足下列4个条件：相序一致、频率相等、电压相等、相位一致。这就对单机组的调速特性提出了相当高的要求，要求单机组之间的调速率要尽可能的接近，才能保证顺利并机并使有功功率、无功功率分配均匀。

8240ZD型柴油机采用 Woodward的2301D＋UG调速器，为更好的达到并机要求，采用了有差调速模式，速度随负荷的增加而降低。如图6所示。

单机组处于全负荷时，有差调速表示为速度减小的百分比，在给定的有差调速率设定下，发电机组将一直产生同样的功率输出。有差调速率有时称为速度调整百分比，如果所有的机组处于相同掉速率设定的有差系统中，他们将按比例分配负荷，负荷变化系统的频率也变化。需要改变速度设定弥补反馈的改变，使系统恢复到原先的速度或频率。为了系统中每一台机组维持相同比例的负荷分配，每台机组需要改变相同的速度设定值。

图6 有差调速模式

单机组调速率设定合理后，多机组并机运行将会事半功倍。

机组的并机联调试验由于是5台机组共同参与，机组数量众多，试验前的准备工作显得尤为重要，仔细检查，查找隐患后，可避免在试验时出现不必要的事故。针对这种情况，我们编写了《柴油机组检查记录表》，对每台机组进行全面细致的检查。检查记录包括柴油机组的基本数据、基本配置、安装检查、油水管系及附件安装检查、油位、启动风压检查、电气的绝缘检查、电气连线检查、主要预供单元的动作检查。

并机联调试验整套动力系统的总功率达到7 000 kW，对于试验台的要求非常高，而且必须是交流测功，功率因数为0.8（滞后）。所以并机次序及方法非常重要，机组并机可以采取手动或自动两种方式进行。手动控制是手动调节待并机组转速，使待并机组稍快于在网发电机，观看同步表及同步指示灯，满足同步条件时，手动合上待并机组，通过调节发电机转速进行手动负载分配。自动控制是由PMS发出待并机组同步信号，PMS自动调节待并机组的转速，当待并机组满足并车条件时，PMS自动发出待并机组开关合闸信号，待并机组开关合闸后，PMS自动调节发电机的转速，进行自动负载分配。

如图7所示，首先全部柴油发电机组的负载断路器均须断开。先启动1号柴油机组，达到额定转速及额定电压后，合1号机组负载断路器QF1，调节负载使1号机组运行在40%额定负载，功率因数为0.8（滞后）。稳定后起动2号机组，到额定工况后，与1号机组并机，实现2＃发电机组与1＃发电机组的并联运行，调节负载为2台机组总和的40%，功率因数为0.8（滞后）。同理，分别起动3号、4号、5号发电机。并联机组运行稳定后，把总负载增加到40%额定负载作为基调点，调节并联机组的转速，使同一额定功率发电机组有功和无功功率的分配基本一致，保持总负载功率因数为0.8（滞后）。

图7 机组并机试验示意图

由于单机组的调速特性调试的合理，在并机联调过程中，不但并机顺利，而且有功功率和无功功率的分配差度的绝对值同样符合船规的规定。

9 结束语

此套动力装置系我公司首次针对多功能打捞支持船设计完成的，同时也是我公司8240ZD型柴油机首次作为电力推进主机，CCFJ1600J－1柴油发电机组及8240ZD型柴油机各项结构功能、性能参数均满足国家标准、船舶标准和中国船级社（CCS）的《钢质海船入级与建造规范》的相关规定，并机联调试验是我公司首次实现机组数量2组以上的并机联调。

目前该动力装置正在船厂进行安装调试，即将进行系泊试验及航行试验，此套动力装置设计及试验成功将对于我公司今后开拓柴油机市场，拓宽产品领域，做大做强柴油机产业具有深远的意义和影响。