文/上海海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 吳士華

石油資源的日益緊缺，加快了天然氣資源的開發(fā)和利用步伐。而在天然氣運(yùn)輸方面，海上運(yùn)輸是經(jīng)濟(jì)、安全、有效和靈活的運(yùn)輸手段之一。近年來，LNG的海上運(yùn)輸業(yè)務(wù)發(fā)展迅速，中海集團(tuán)也正在籌劃建立LNG船隊(duì)。

圖1 單槳LNG運(yùn)輸船的系統(tǒng)組成

LNG運(yùn)輸船采用何種動力推進(jìn)系統(tǒng)一直存在爭論，各大航運(yùn)公司和ABB、MAN Diesel 、Wartsila、GE 等國際巨頭都在研發(fā)新一代船舶推進(jìn)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型。就現(xiàn)狀而言，雙燃料發(fā)電機(jī)與電力推進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)合，已成為新型LNG運(yùn)輸船的首選。相比其他推進(jìn)方式，采用電力推進(jìn)系統(tǒng)對滿足環(huán)境保護(hù)及成本效益的要求有著明顯的優(yōu)勢。然而，當(dāng)電力推進(jìn)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在LNG運(yùn)輸船時，必需配備相當(dāng)數(shù)量具有電力推進(jìn)系統(tǒng)知識和管理技能的輪機(jī)管理和操作人員。就目前中海集團(tuán)輪機(jī)管理人員的知識結(jié)構(gòu)和管理技能來講，對相關(guān)電力推進(jìn)系統(tǒng)的專業(yè)知識和管理知識知之甚少，難以勝任LNG運(yùn)輸船的輪機(jī)管理工作。所以，公司必須未雨綢繆，通過補(bǔ)差培訓(xùn)，加快LNG運(yùn)輸船輪機(jī)管理人員的培養(yǎng)，加強(qiáng)電力推進(jìn)系統(tǒng)理論和維護(hù)管理知識的學(xué)習(xí)，有效提高輪機(jī)管理人員電力推進(jìn)系統(tǒng)的管理技能。

一、LNG運(yùn)輸船電力推進(jìn)系統(tǒng)概述

LNG運(yùn)輸船電力推進(jìn)系統(tǒng)的組成主要包括：中壓發(fā)電機(jī)、中壓電站、輸入電源斷路器、輸入（隔離）變壓器、船用變頻器、同步（或異步）電動機(jī)、推進(jìn)器及控制系統(tǒng)組成。圖1所示為單槳LNG運(yùn)輸船的典型系統(tǒng)構(gòu)造。

在電力推進(jìn)系統(tǒng)中最為重要的設(shè)備是船用變頻器（也稱為可變速船用驅(qū)動裝置），它的作用是通過駕駛臺或機(jī)艙控制室操縱手柄改變控制系統(tǒng)的輸出觸發(fā)信號去改變變頻器的輸出電壓的脈寬，從而改變輸出三相正弦波的頻率，最終改變推進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，使推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速從低速到高速之間進(jìn)行無級調(diào)速。所以，變頻器既是電力推進(jìn)系統(tǒng)中最為重要的裝置，也是輪機(jī)管理人員最想了解的設(shè)備。以下圍繞船用變頻器的組成、功能、操作和維護(hù)進(jìn)行闡述。

二、船用變頻器的系統(tǒng)組成和功能

在新型LNG運(yùn)輸船的電力推進(jìn)系統(tǒng)中，船用變頻器通常采用IEGT（注入增強(qiáng)柵晶體管）功率開關(guān)元件和三電平中性點(diǎn)箝位（NPC）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、PWM（脈寬調(diào)制）技術(shù)、水冷散熱冷卻系統(tǒng)的電壓源型變頻器，以科孚德公司生產(chǎn)的變頻器為例，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.整流單元柜

作用是將變壓器提供的交流電經(jīng)整流濾波形成直流電，其組成包括12脈波二極管整流單元、預(yù)充電或預(yù)勵磁系統(tǒng)。

整流單元由去離子水冷卻的多個二極管功率元件堆棧組成。電流互感器組裝在堆棧里，測量整流單元的輸入電流并提供保護(hù)。

預(yù)充電或預(yù)勵磁系統(tǒng)是在電源斷路器閉合前對直流母線電容進(jìn)行充電或?qū)ψ儔浩鬟M(jìn)行預(yù)勵磁，以減少電源斷路器閉合時產(chǎn)生的瞬間沖擊電流，其組成包括：電源斷路器、預(yù)勵磁變壓器和保險絲。只有當(dāng)中壓電源和低壓電源的相序一致時，可使用預(yù)勵磁系統(tǒng)，否則只能用預(yù)充電系統(tǒng)。

2.直流母線柜

承載經(jīng)整流濾波產(chǎn)生的直流母線電壓，其組成包括：直流電容器和母線排、電壓測量裝置、電容放電系統(tǒng)、接地故障檢測系統(tǒng)。

直流電容器采用自愈型干式薄膜電容器，電容器的放電電阻接在直流母線的兩個極性上，當(dāng)變頻器處于關(guān)閉狀態(tài)時，能夠在大約5分鐘左右把電容器上的電壓放電至<50V（10分鐘后閉合接地開關(guān)，可以對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)）；接地故障檢測系統(tǒng)由電阻、電壓傳感器組成，直流母線的中性點(diǎn)通過這套電阻連接到大地，中性點(diǎn)和大地之間的電流隨時受到監(jiān)視，當(dāng)電流大于設(shè)定值時，觸發(fā)接地故障信號傳送到控制器。

3.制動斬波器

制動斬波器安裝在直流母線的正極和負(fù)極間用于電機(jī)制動過程中消耗直流母線上的電能。它的組成結(jié)構(gòu)和相功率單元相同，由壓裝式IGBT和二極管組成。制動電阻裝在變頻器柜的外面。

圖2 變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.逆變單元柜

逆變單元使用壓裝式IGBT的三電平中性點(diǎn)鉗位（NPC）形式，每一個逆變器功率堆棧包括：壓裝式IGBT單元、門觸發(fā)驅(qū)動板和24V門觸發(fā)驅(qū)動電源板、續(xù)流二極管堆棧、OV箝位二極管堆棧、箝位電容器。逆變單元柜內(nèi)還裝有接地開關(guān)、輸出電流互感器。

門觸發(fā)驅(qū)動板通過光纜傳輸控制和監(jiān)視信號，同時還具有IGBT過流、IGBT 過壓、短路檢測、門觸發(fā)驅(qū)動電源檢測、脈波寬度檢測等保護(hù)功能，當(dāng)IGBT發(fā)生故障時，將故障反饋信號送到控制器。24V直流門觸發(fā)驅(qū)動電源由變壓器、整流器和濾波電容組成。

5.交流輸出柜

將PWM調(diào)制輸出電壓轉(zhuǎn)變成正弦波，以獲得圓形磁場、減少諧波污染，其組成包括正弦濾波器和接地開關(guān)。

在控制柜門打開前，應(yīng)通過接地開關(guān)把直流母線的三個極性點(diǎn)接地，這是在維護(hù)保養(yǎng)工作時打開柜門前必須強(qiáng)制執(zhí)行的程序。

6.dV/dt濾波器

變頻器采用三電平中性點(diǎn)二極管箝位拓?fù)浼夹g(shù)，所以輸出電壓是臺階式的（1/2的直流母線電壓）。輸出線電壓之間的總諧波失真（THD）是傳統(tǒng)兩電平變頻器的一半，通常情況下不需要正弦濾波器。如果需要也只是使用dv/dt 濾波器，用于限制dv/dt變化率和變頻器輸出電壓的過電壓。dv/dt濾波器為三相RLC濾波器，連接在變頻器的輸出端子。濾波器的星型中性點(diǎn)連接到直流母線的中性點(diǎn)。dv/dt 濾波器的截止頻率高于20kHz，能適應(yīng)動態(tài)性能要求比較高的應(yīng)用場合。

7.控制單元柜

柜內(nèi)的PEC控制器能進(jìn)行高性能的矢量控制計(jì)算并確保變頻器的安全操作，其組成包括遙控I/O單元、低壓輔助控制單元、數(shù)據(jù)管理器(操作鍵盤)等?？刂破鞯幕救蝿?wù)是通過輸出信號觸發(fā)IGBT，改變其輸出脈寬，調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，并執(zhí)行邏輯控制和安全保護(hù)，附加的控制任務(wù)還包括：交流輸入電源斷路器的控制、電機(jī)和變頻器的保護(hù)、輔助控制和串行通信等。

遙控I/O單元通過以太網(wǎng)直接連接到控制器。

8.冷卻單元柜

提供整流和逆變單元的去離子冷卻水，把變頻器的熱量傳送到熱交換器。其組成包括：電動去離子冷卻水泵及流量控制、去離子系統(tǒng)及冷卻水傳導(dǎo)率控制、原水/去離子水熱交換器和膨脹槽等。

電動泵輸送去離子水冷卻功率單元，其流量受到檢測和控制，當(dāng)流量不足時，觸發(fā)報(bào)警和故障信號并傳送到控制器。

去離子水的傳導(dǎo)率受到檢測，當(dāng)傳導(dǎo)率高于上限定值時，打開三通閥使去離子水流過去離子水發(fā)生器，傳導(dǎo)率便下降；當(dāng)下降到下限定值時，水閥被關(guān)閉，以此來控制去離子水的傳導(dǎo)性。如果去離子水的傳導(dǎo)率高于最大設(shè)定值，則觸發(fā)故障報(bào)警信號并傳送到控制器。

膨脹槽的作用是調(diào)整冷卻水回路的靜態(tài)壓力。

冷卻單元出水口的溫度受到監(jiān)測，溫度過高時觸發(fā)報(bào)警和故障信號并傳送到控制器。

9.外部電氣設(shè)備

（1）輸入電源斷路器

輸入電源斷路器在提供電源的同時，在系統(tǒng)的保護(hù)環(huán)節(jié)中，還起到關(guān)鍵的保護(hù)連鎖作用。當(dāng)斷路器收到變頻器發(fā)出的跳閘信號后在100ms內(nèi)保護(hù)跳閘。如：與接地接觸器的連鎖，冷卻水電導(dǎo)率過高，冷卻原水溫度過高，水壓過低、冷卻單元漏水、去離子水流量過低、變頻器電源欠壓、輔助設(shè)備電源欠壓、控制器故障、時序失步、過電流、過電壓、直流母線電壓不平衡、接地故障、斷路器故障、緊急停止、IGBT門驅(qū)動板故障等。變頻器正常停止時，電源斷路器繼續(xù)保持閉合，其開閉狀態(tài)通過輔助繼電器反饋給控制器。

（2）輸入變壓器

在變頻器整流單元前端，一般使用12脈波變壓器來提高電源質(zhì)量，對諧波進(jìn)行過濾并降低共模電壓，并阻隔諧波對電網(wǎng)的影響。變壓器的設(shè)計(jì)還考慮了諧波抑制和輸入電流限制，能在變頻器嚴(yán)重短路的情況下限制故障電流直到輸入斷路器跳閘斷開。

（3）變頻電動機(jī)

根據(jù)船舶設(shè)計(jì)需要配置專用同步或異步變頻電動機(jī)。

當(dāng)變頻器工作時，首先將三相交流電通過變壓器移相輸出2組6脈波交流電，經(jīng)過2組三相橋式整流器和濾波變成平滑的直流電輸出到直流母線，再經(jīng)逆變器輸出脈寬可調(diào)的三電平三相階躍脈動方波，最后經(jīng)正弦濾波器輸出頻率可控的三相正弦波去驅(qū)動推進(jìn)電機(jī)。逆變器輸出脈動方波的脈寬受到IEGT的開關(guān)脈沖信號的控制（這種控制方式稱為PWM頻寬調(diào)制模式），開關(guān)脈沖信號受到駕駛臺或機(jī)艙控制手柄的控制（通過PEC控制器）。

三、船用變頻器的日常操作

變頻器的操作主要包括：變頻器運(yùn)行前檢查、變頻器參數(shù)的管理和設(shè)置、變頻器的預(yù)備運(yùn)行等。

1.變頻器運(yùn)行前檢查

（1）檢查確認(rèn)所有連接到I/O控制板上的控制信號線是否正確連接。

（2）測量高、低壓電纜的絕緣電阻（必須大于 1MΩ）。測量絕緣時，連接于直流母線中點(diǎn)和大地之間的接地電阻和電壓傳感器必須斷開。

（3）檢查輔助電源、風(fēng)扇、冷卻系統(tǒng)、整流柜、逆變柜和直流母線柜加熱器是否正常。

（4）檢查控制柜輸入電壓，確認(rèn)所有的門驅(qū)動板上只有(綠色)LED指示燈亮。

（5）檢查遙控I/O模塊、操作鍵盤、PEC的I/O接口和電源，通過鍵盤顯示檢查控制器的CPU以及PIB100G控制板的初始化完成狀態(tài)。

（6）檢查光纜傳輸是否正常，TIB控制板上的LED指示燈應(yīng)為綠色。

（7）在關(guān)閉變頻器柜門之前，檢查是否有遺留的工具、柜子內(nèi)是否干凈。關(guān)閉變頻器柜門后，把鑰匙放回互鎖保護(hù)位置。

（8）斷開接地開關(guān)和其他所有的接地裝置，把接地開關(guān)鑰匙放回互鎖保護(hù)位置。

（9）解開輸入電源斷路器和預(yù)充電斷路器的連鎖保護(hù)。

（10）按下鍵盤復(fù)位鍵或遙控復(fù)位鍵清除所有的報(bào)警和故障，若有報(bào)警或故障，予以排除，當(dāng)所有的報(bào)警和故障清除后，變頻器便處于運(yùn)行準(zhǔn)備狀態(tài)，等待接收遙控啟動命令。

（11）通過鍵盤檢查是否在正常運(yùn)行模式(參數(shù)P2.0，1=Running Mode，0=Normal)。檢查編碼器模式設(shè)置是否正確(參數(shù)P2.12，0=無編碼器；1=帶編碼器；2=編碼器只用于啟動)。

2.變頻器參數(shù)的管理和操作

1）操作模式和轉(zhuǎn)換

變頻器參數(shù)的管理和操作由鍵盤實(shí)現(xiàn)。有兩種操作模式，模式轉(zhuǎn)換方式是在整流單元柜面板上的操作鍵盤上進(jìn)行的。

本地模式用于變頻器系統(tǒng)的測試、調(diào)試和應(yīng)急操作?？梢酝ㄟ^鍵盤執(zhí)行：啟動/停止命令、簡單的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和控制方式選擇。在本地模式下，遙控命令和 I/O無效，操作鍵盤是唯一的操作設(shè)備。

正常運(yùn)行模式用于系統(tǒng)的遙控，可以通過遙控指令執(zhí)行：啟動/停止命令、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)功能、轉(zhuǎn)速估計(jì)或轉(zhuǎn)速反饋的磁場或轉(zhuǎn)矩矢量控制、輔助管理功能等。除了測試、調(diào)試和應(yīng)急操作外，變頻器必須工作在正常運(yùn)行模式。

變頻器可以在運(yùn)行時從正常運(yùn)行模式切換到本地模式，在停止時才能從本地模式切換到正常運(yùn)行模式。

2）操作鍵盤和操作

操作鍵盤能夠提供本地的電機(jī)控制、系統(tǒng)設(shè)置、參數(shù)修改、輸入輸出的確認(rèn)、數(shù)據(jù)測量、狀態(tài)顯示、故障診斷等功能。

根據(jù)不同的功能，所有的參數(shù)被分在不同的菜單組里。共有五組：“0”系統(tǒng)菜單，系統(tǒng)設(shè)置；“1”測量菜單，變頻器監(jiān)視；“2”本地模式，控制模式選擇和參數(shù)設(shè)定；“3”故障菜單，當(dāng)前跳閘故障；“4”報(bào)警菜單，當(dāng)前報(bào)警。

在菜單的不同組別中包含有具體的參數(shù)列表，它是根據(jù)菜單的不同功能定義的，通過參數(shù)的類型和功能方便地進(jìn)行瀏覽。每一個參數(shù)都具有一個參數(shù)號碼，該號碼包括一個指定的前綴P+菜單號碼和參數(shù)號，中間用小數(shù)點(diǎn)隔離。如在菜單“1”中的電機(jī)電流參數(shù)號碼是P1.03。使用“ESC”、“RIGHT”、“LEFT”、“DOWN”、“UP”鍵可以方便地瀏覽任意參數(shù)，參數(shù)修改必須先輸入密碼。

鍵盤故障或者連接斷開會產(chǎn)生報(bào)警，在正常模式下該報(bào)警不中斷變頻器的運(yùn)行，在本地模式下，驅(qū)動器會繼續(xù)運(yùn)行在鍵盤轉(zhuǎn)速或者當(dāng)前轉(zhuǎn)速下，經(jīng)過預(yù)置時間后，驅(qū)動器會自動停止運(yùn)行。

3.變頻器的預(yù)運(yùn)行操作

預(yù)運(yùn)行程序用于確認(rèn)變頻器的運(yùn)行正確性以及控制方式、控制順序是否正常。當(dāng)所有運(yùn)行前的檢查工作結(jié)束后，通過鍵盤選擇正常運(yùn)行模式 (參數(shù)P2.01)，控制器自動地切換到無編碼器矢量控制方式。在正常運(yùn)行模式，控制器使用遙控的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、遙控啟動/停止命令和緊急停止命令。

對于正常模式下的預(yù)備啟動，必須做好以下檢驗(yàn)程序：

（1）檢查輔助設(shè)備是否已按要求啟動；

（2）觸發(fā)一個遙控跳閘命令，檢查鍵盤上的故障顯示和跳閘動作是否對應(yīng)；

（3）檢查啟動運(yùn)行允許條件是否滿足；

（4）發(fā)出遙控啟動指令并設(shè)定某個轉(zhuǎn)速，檢查電動機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速是否和指令一致；

（5）改變轉(zhuǎn)速并檢查轉(zhuǎn)速是否和指令一致并觀察轉(zhuǎn)矩限制作用；

（6）檢驗(yàn)其他的遙控指令是否有效，如快速停止或復(fù)位等。

四、安全防護(hù)措施和維護(hù)管理

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的變頻器使用6600V電壓，即使斷開主電源及輔助電源，系統(tǒng)仍舊會存在高電壓。因此在進(jìn)行任何操作前，斷開所有外部電源，并確保所有電容器已被放電、變頻系統(tǒng)已經(jīng)接地。10分鐘后，才能打開柜門。變頻器在一天中的關(guān)斷次數(shù)不能超過10次，不能連續(xù)地關(guān)斷3次，2次時間間隔不能少于30秒。進(jìn)行維護(hù)之前需要執(zhí)行必要的變頻器關(guān)斷操作流程，如果沒有進(jìn)行這些操作，可能導(dǎo)致機(jī)損或人員傷亡。

1.工具配備和人員安全裝備

檢修工作時配備的工具除了常用電工工具外還需要：

（1）中壓電壓表（最高至8KV交流和13KV直流）；

（2）3套以上三相接地短路導(dǎo)線；

（3）用來連接/斷開接地引線的絕緣扳手；

操作人員的安全裝備除了常用電工安全裝備外還需要：

（1）防火防電弧的外套；

（2）中壓安全手套；

（3）配以完整面罩的安全帽；

（3）保護(hù)耳罩；

（4）安全高壓絕緣鞋。

2.鑰匙互鎖系統(tǒng)

變頻器必須通過鑰匙互鎖系統(tǒng)執(zhí)行柜門開啟流程，其鑰匙不可配制備用。以確保打開柜門前所有接地開關(guān)都已接地。柜門開啟流程如下：

（1）斷開主電源斷路器，閉合電源接地開關(guān)，從Box 1中拿出鑰匙X；

（2）斷開預(yù)充電電源（400V）斷路器開關(guān)，拿出鑰匙A；

（3）用鑰匙X和A打開Box 2，等待10分鐘直到電容器放電結(jié)束；

（4）從Box 2中拿出鑰匙B，閉合變頻器接地開關(guān)，拿出鑰匙C；

（5）用鑰匙C打開Box 3，拿出鑰匙D打開所有變頻器的中壓柜門。

表1 變頻器的周期性維護(hù)內(nèi)容時間表

3.日常檢查和定期維護(hù)

由于機(jī)艙環(huán)境的溫度、濕度、鹽霧、酸堿度、粉塵、振動等因素的影響，以及電器件的老化等原因，都可能導(dǎo)致變頻器存在故障隱患。因此，必須對變頻器進(jìn)行日常運(yùn)行檢查和定期維護(hù)。在對變頻器進(jìn)行維護(hù)工作之前，應(yīng)先確保系統(tǒng)已經(jīng)安全接地。

1）變頻器的日常運(yùn)行檢查

（1）觀察操作鍵盤顯示是否清楚，是否缺字少符，記錄各項(xiàng)顯示參數(shù)，發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)即時查找原因。

（2）觀察環(huán)境溫度、濕度、振動、灰塵、氣體、油霧、水滴、雜物、危險品等，并記錄環(huán)境溫度（應(yīng)不超過40℃）。保持環(huán)境整潔、通風(fēng)照明良好。

（3）檢查變頻器過濾網(wǎng)的臟堵情況，及時清潔。

（4）檢查逆變單元柜出風(fēng)口溫度（應(yīng)不超過80℃）。

（5）檢查并記錄變壓器溫度（應(yīng)不超過80℃），有無異常的鳴叫、異味。

（6）檢查主電路、控制電路輸入電壓是否正常。

（7）檢查整流單元和逆變單元有無異常聲音或振動。

（8）檢查冷卻單元有無異常聲音或振動。

（9）變頻器停機(jī)后再恢復(fù)運(yùn)行，如果環(huán)境潮濕，先打開主電源、控制電源和輔助電源，使變頻器通風(fēng)半小時，以驅(qū)除變頻器內(nèi)部潮氣，然后再啟動。

2）變頻器的定期維護(hù)

為保證變頻器安全可靠運(yùn)行，周期性維護(hù)是至關(guān)重要的，變頻器的周期性維護(hù)內(nèi)容時間見表1.

在日常管理維護(hù)保養(yǎng)時，要注意做好以下工作：

（1）負(fù)責(zé)人制度。明確設(shè)備責(zé)任人。

（2）技術(shù)檔案和保養(yǎng)記錄。包括：變頻器隨機(jī)技術(shù)資料、參數(shù)設(shè)置步驟表、運(yùn)行參數(shù)記錄、巡檢和維護(hù)記錄、故障處理過程記錄、備件庫存動態(tài)記錄。

（3）安全管理操作規(guī)程。應(yīng)根據(jù)變頻器類型制訂各項(xiàng)操作規(guī)程，包括：現(xiàn)場手動操作規(guī)程、遙控自動操作規(guī)程，變頻器關(guān)斷操作規(guī)程、變頻器啟動操作規(guī)程、變頻器柜門開啟及接地操作規(guī)程、安全防護(hù)規(guī)范等。

（4）故障檢修操作規(guī)程。制訂故障應(yīng)急預(yù)案，當(dāng)發(fā)生故障時采取有效的措施，迅速組織維修人員和防護(hù)人員，依據(jù)報(bào)警信息查明故障，消除故障原因。嚴(yán)禁在故障不明的情況下復(fù)位再開機(jī)，更不允許在原因不明的情況下將故障信號短接后開機(jī)。