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5臺裝配的臺達變頻器

船舶動力定位系統實驗項目中的風機和潛水攪拌機均采用臺達VFD-F系列變頻器，其操作方便、簡單，日常維護工作量小，控制精度高，模擬的風、流、浪接近真實的情況。臺達變頻器以其豐富的系統功能、可靠的產品性能、精確的控制系統得到實驗員認可，船舶動力定位系統實驗項目取得理想效果。

船舶動力定位(DP)系統是一種船舶位置閉環控制系統，在不借助錨泊系統的情況下，利用船舶自身的動力抵抗外界干擾(風、浪、流)，動態控制船舶停在某確定位置或沿著一定的預定航跡行駛的技術。隨著人類向深海進軍，動力定位系統越來越廣泛地應用于海上作業船舶(海洋考察船、半潛船等)、海上平臺(海洋鉆井平臺等)、水下潛器(ROV)和軍用艦船(布雷艦、潛艇母船等)。它一般由位置測量系統，控制系統，推力系統三部分構成。位置測量系統(傳感器)測量當前船位，控制器根據測量船位與期望值的偏差，計算出抗拒環境干擾力(風、流、浪)使船舶恢復到期望位置所需的推力，推力系統進行能量管理并對各推力器的推力進行分配，推力器產生的推力使船 (平臺)在風、浪、流的干擾下保持設定的航向和船位。

變頻器是在保證電動機原有性能的情況下，通過改變電動機的供電頻率和電壓的方式，實現電動機轉速調節的現代電力電子設備。風、浪、流產生的擾動力對船舶動力定位影響最大。通過變頻器控制風機和潛水攪拌機的轉速，產生不同強度風、浪、流，實現對船模進行精確的定位實驗。在本方案中，技改前，風機和潛水攪拌機無法實現精確的控制，嚴重影響實驗效果。根據實驗要求和對變頻器的性價對比，選擇了臺達風機水泵專用型變頻器VFD-F系列控制風機和潛水攪拌機。

變頻調速、風機和潛水攪拌機工作原理

變頻調速原理：應用變頻調速對電動機調速來達到節約能源的目的，控制對象是在動力設備上實現電-機轉換的電動機。這是由感應式異步電動機的性能和特征決定的，其次是所帶的負載對電動機調速的負荷適應性所決定的。電動機的實際轉速主要取決于電動機定子的旋轉磁場，對一個繞制好的電動機，其旋轉磁場轉速完全取決于供電頻率，轉速與頻率成正比。

風機工作原理：由流體力學可知，風量與轉速的一次方成正比，風壓與轉速的平方成正比，軸功率P與轉速的三次方成正比。由此可知，如果我們使用改變轉速來實現改變風機的方法，就不至于把大量的風量白白放掉，從而節約了大量的電能。同時還增加了設備的使用壽命，提高電動機功率因數，改善了工人的操作條件，降低了環境噪聲等。

潛水攪拌機工作原理：攪拌機主要有電動機、減速裝置、攪拌軸和槳葉等組成。潛水攪拌機產生大小不等的水平推力，從而產生不同強度的水流。多臺潛水攪拌機同時工作，產生池內的整體循環水流。潛水攪拌器可以在池壁邊、池角等位置沿預制導軌安裝，受周圍安裝條件的限制比較小，影響池壁等土建結構很小。軸功率、槳葉排液量、壓頭、槳葉直徑及攪拌轉速是描述一臺攪拌機的五個基本參數。槳葉的排液量與槳葉本身的流量準數，槳葉轉速的一次方及槳葉直徑的三次方成正比。 而攪拌消耗的軸功率則與流體比重，槳葉本身的功率準數，轉速的三次方及槳葉直徑的五次方成正比。在一定功率及槳葉形式情況下，槳葉排液量以及壓頭可以通過改變槳葉的直徑和轉速的匹配來調節，即大直徑槳葉配以低轉速（保證軸功率不變）的攪拌機則產生較高的流動作用和較低的壓頭，而小直徑槳葉配以高轉速則產生較高的壓頭和較低的流動作用。

臺達VFD-F系列變頻器特性

臺達VFD-F系列風機水泵專用型變頻器針對風機水泵運行的負載性質而設計，一臺主機最多可控制四臺電動機（可變速一臺、恒速三臺）；此外，還擁有加泵/減泵延時以及自動節能功能，使系統運行更有效率。

臺達VFD-F系列風機水泵專用型變頻器可廣泛應用于恒壓供水、空調、風機、鍋爐、水處理、城市建設等自動化控制領域，具有節能效果好、供電范圍寬、內置DC-Reacter、 PID、多臺水泵控制、睡眠/自動喚醒、被控量可設定、控制精度高等功能特點。其他主要特點包括：任意V/F，恒轉矩/變轉矩控制；內置PID及RS485通信控制功能，支持Modbus協議；壓力，流量，溫度等被控物理量的設定與顯示功能；定量循環，定時循環（輪泵）功能；可控制四臺泵；工頻/變頻自動切換；邏輯控制功能最多可控制7臺電動機；睡眠及自動喚醒功能；三路模擬量輸入信號信道(可做比例運算及加法運算)；二路模擬量輸出(0～10Vdc/4～20mA信號)；16段速及自動程序運轉；節能運轉；電動機累計運行記時功能等。

變頻工藝要求分析

本方案中系統共使用4臺風機和4臺潛水攪拌機，每臺風機電機容量為0.75kW，每臺潛水攪拌機電機容量為1.5kW，其中一臺潛水攪拌機備用。具體要求包括：三臺潛水攪拌機分別可以調速和定速運行，變頻器只做每臺電動機的變頻電源，各臺電動機的啟動、停止相互獨立；四臺風機同時調速和定速運行，變頻器做四臺電動機的變頻電源，各臺電動機的啟動、停止一致。

實驗中一共選用了5臺臺達公司生產的VFD-F系列風機水泵專用型變頻器（如圖），一臺VFD055F43A型變頻器控制四臺風機，四臺VFD022F43A型變頻器分別控制四臺潛水攪拌機。

運行效果分析

技改后的船舶動力定位系統實驗已開始，臺達VFD-F系列變頻器已投運。調試過程順利，投運一次成功。風機和潛水攪拌機在臺達VFD-F系列變頻器的控制下，更真實的模擬出海面的情況，風機開啟水平面出現很好的風浪；潛水攪拌機開啟，水底出現很好的水流；風機和潛水攪拌機同時作用時，整個水池的風、浪、流效果非常理想。

通過在船舶動力定位實驗中的實踐，證明該變頻技術成熟，性能良好，主要體現在以下幾點：

(1)運行穩定，安全可靠。設備自投運以來，一直運行正常，沒出現過故障，并具有免維護的特點。

(2)速度響應及時準確，起停平穩。對電網幾乎無諧波干擾，大大減少了電動機的振動和噪聲，完全滿足船舶動力定位系統實驗的需求。

(3)節能效果顯著。電動機的電壓、電流明顯下降，電動機輸入功率明顯減少。

(4)運行工況點明顯改善，風門可以全部打開，完全由轉速調節流量，對實驗操作極為方便，而且有利于風機的維護保養，延長使用壽命。

(5)變頻器直接控制電動機，通過調速來驅動風機和潛水攪拌機工作，從而提高了傳動效率。

(6)由于變頻器加減速時間可以任意設定，避免了風機和潛水攪拌機全負荷啟動時的大電流沖擊，有利于延長設備使用壽命，并且風、流、浪的產生得到了很好的控制。

(7)操作方便，控制精度高，響應速度快，風、流、浪的產生很理想，使整個系統工作平穩。