新型双馈调速系统在船舶、港口吊机装备中的应用项目申报建议书.doc

项目的背景和意义 随着我国经济的高速发展，尤其是东南沿海经济的迅速发展，船舶货运量日益增加。浙江省是我国造船业大省，船舶工业的产值、销售收入和利润的增长率都在50%上下, 已跻身国内造船业四强之列，列上海、江苏、辽宁之后。浙江东部沿海地区是我国造船工业最发达的地区，拥有船舶生产企业600多家。起重机（吊机）是船舶、港口的关键设备，吊机的核心技术就是它的拖动技术。 目前，我国船舶吊机拖动仍然是以绕线式异步电动机转子回路串电阻的交流拖动形式为主，这种方案是靠改变电机转子回路串联的附加电阻来实现调速的。调速方法简单，曾被广泛使用。然而这种方案是有级调速，电气冲击和机械冲击都大，电器元件经常损坏，需经常更换钢丝绳，电机也常被烧毁。尤其对船舶这样的自备小电网，过大的冲击必将对船用其他设备造成影响，甚至引起其他设备不能正常工作。在加速阶段和低速运行时，大部分能量(转差能量)以热能的形式消耗掉了，运行效率很低。为在低同步状态下产生制动转矩，需采用直流能耗制动方案(即动力制动)，或采用低频制动。机械抱闸和电机力矩难于配合好，经常发生“溜钩”。另外，在调速过程中电机的同步转速保持不变，机械特性随着转子回路电阻的增大而变软，从而大大降低了稳态调速精度。除此，这种调速方式还需配备一个不小的电阻箱，占用船用空间。 虽然绕线异步电动机转子回路串电阻的调速方案，存在着调速性能差、运行效率低、维护工作量大、冲击大等缺点，但目前在我国的各种吊机中，大部分企业受投资成本的限制，继续选择采用这种拖动方式，使这种方案的使用还相当普遍。今后随着国家节能降耗政策的实施，能源的价格势必要上涨，这些系统面临着技术改造的问题。 在吊机系统中，另外一个调速方案是采用定子侧直接变频技术。变频器在中小功率、风机类负载的拖动系统中得到广泛的应用。但对于吊机这样的位势性负载，采用变频器调速，未必是最优的选择。对于恒转矩的位势性负载，变频器容量必须(1.3倍的电机额定容量，而且必须选用高性能的具有恒转矩特性的变频器，价格较高，一般用户难于承受。另外，采用变频器调速，虽然解决了在提升阶段调速与能耗的矛盾，但是，在下放阶段，由于位势性负载，电机必须提供制动力矩，而一般的变频器是通过能耗电阻来提供制动力矩的，这势必将大部分能量消耗掉了。而要进行回馈制动，变频器必须提供另一套逆变回路，变频器的成本又要增加1/3倍。基于以上原因，在吊机系统中采用双馈电机调速方案，不需更换电机，投资小(相对于变频调速来说价格仅为同容量变频器价格的2/3)，可以很好的满足吊机对电气传动系统的要求，为一般用户所能接受。 感应电机双馈调速 (Doubly Fed Motor)，属于转子转差功率调速方式。基本思想是，在绕线式感应电动机的转子回路串入附加电势，调节附加电势的大小、相位和相序，就可以调节感应电动机的转矩、转速和定子侧无功功率。附加电势的频率应当和转子电流的频率相同，这个频率和转差率成正比。转差能量变换是通过转子侧的变频器进行的。通过对转子回路转差功率（实质是对转子电流）的控制，可灵活地实现电磁转矩的控制，实现电机无级高效地调速，减小电气冲击和机械冲击。而且零转速力矩特性好，机械抱闸和电机力矩易于配合，不会发生“溜钩”。 因为可调功率为转差功率，系统成本低，投资少。如调速范围在30%左右时，转差功率仅为电机功率的15%-30%。另外，在中大型系统中，双馈电机定子绕组直接接3kV，6kV，1OkV的工频电网，而转子绕组可设计为低压，这样可采用低压变频装置，因而可大大降低变频装置成本，提高其运行可靠性，起到四两拨千斤的功效。据国外文献报道，如容量为100kW、同步转速为1500r/min,调速范围为30%的双馈电机调速系统的价格以100%计，则同容量、同转速和同调速范围的笼型感应电动机与变频器构成变频调速系统的价格为 300%。 双馈电动机在调速时，将转子的转差功率逆变回馈电网，对于船用的小电网来说，相当于一个并网发电机组，可显著减少柴油发电机的发电功率，降低耗油量，减小有害气体的排放。 三种调速方法的比较（系统结构见图1） 转子串电阻（图a） 定子变频（图b） 双馈（图c） 有级调速 无级调速 无级调速 冲击大 冲击小 冲击小 功耗大 功耗中 功耗小 无制动力矩（需外加） 有制动力矩 有制动力矩 动态特性慢 动态特性快 动态特性适中 故障率高（可靠性低） 故障率中（可靠性中） 故障率低（可靠性高） 投资成本低 投资成本高 投资成本中 维修成本大 维修成本中 维修成本小 配绕线式电机 可配绕线式或鼠笼式电机 配绕线式电机 双馈电机调速系统是伴随着现代电力电子技术和微电子技术的发展而发展成熟起来的。在过去，受电力电子技术和微电子技术的制约，双馈电机调速系统没有多大的进展。自上世纪90年代后，电力