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5台装配的台达变频器

船舶动力定位系统实验项目中的风机和潜水搅拌机均采用台达VFD-F系列变频器，其操作方便、简单，日常维护工作量小，控制精度高，模拟的风、流、浪接近真实的情况。台达变频器以其丰富的系统功能、可靠的产品性能、精确的控制系统得到实验员认可，船舶动力定位系统实验项目取得理想效果。

船舶动力定位(DP)系统是一种船舶位置闭环控制系统，在不借助锚泊系统的情况下，利用船舶自身的动力抵抗外界干扰(风、浪、流)，动态控制船舶停在某确定位置或沿着一定的预定航迹行驶的技术。随着人类向深海进军，动力定位系统越来越广泛地应用于海上作业船舶(海洋考察船、半潜船等)、海上平台(海洋钻井平台等)、水下潜器(ROV)和军用舰船(布雷舰、潜艇母船等)。它一般由位置测量系统，控制系统，推力系统三部分构成。位置测量系统(传感器)测量当前船位，控制器根据测量船位与期望值的偏差，计算出抗拒环境干扰力(风、流、浪)使船舶恢复到期望位置所需的推力，推力系统进行能量管理并对各推力器的推力进行分配，推力器产生的推力使船 (平台)在风、浪、流的干扰下保持设定的航向和船位。

变频器是在保证电动机原有性能的情况下，通过改变电动机的供电频率和电压的方式，实现电动机转速调节的现代电力电子设备。风、浪、流产生的扰动力对船舶动力定位影响最大。通过变频器控制风机和潜水搅拌机的转速，产生不同强度风、浪、流，实现对船模进行精确的定位实验。在本方案中，技改前，风机和潜水搅拌机无法实现精确的控制，严重影响实验效果。根据实验要求和对变频器的性价对比，选择了台达风机水泵专用型变频器VFD-F系列控制风机和潜水搅拌机。

变频调速、风机和潜水搅拌机工作原理

变频调速原理：应用变频调速对电动机调速来达到节约能源的目的，控制对象是在动力设备上实现电-机转换的电动机。这是由感应式异步电动机的性能和特征决定的，其次是所带的负载对电动机调速的负荷适应性所决定的。电动机的实际转速主要取决于电动机定子的旋转磁场，对一个绕制好的电动机，其旋转磁场转速完全取决于供电频率，转速与频率成正比。

风机工作原理：由流体力学可知，风量与转速的一次方成正比，风压与转速的平方成正比，轴功率P与转速的三次方成正比。由此可知，如果我们使用改变转速来实现改变风机的方法，就不至于把大量的风量白白放掉，从而节约了大量的电能。同时还增加了设备的使用寿命，提高电动机功率因数，改善了工人的操作条件，降低了环境噪声等。

潜水搅拌机工作原理：搅拌机主要有电动机、减速装置、搅拌轴和桨叶等组成。潜水搅拌机产生大小不等的水平推力，从而产生不同强度的水流。多台潜水搅拌机同时工作，产生池内的整体循环水流。潜水搅拌器可以在池壁边、池角等位置沿预制导轨安装，受周围安装条件的限制比较小，影响池壁等土建结构很小。轴功率、桨叶排液量、压头、桨叶直径及搅拌转速是描述一台搅拌机的五个基本参数。桨叶的排液量与桨叶本身的流量准数，桨叶转速的一次方及桨叶直径的三次方成正比。 而搅拌消耗的轴功率则与流体比重，桨叶本身的功率准数，转速的三次方及桨叶直径的五次方成正比。在一定功率及桨叶形式情况下，桨叶排液量以及压头可以通过改变桨叶的直径和转速的匹配来调节，即大直径桨叶配以低转速（保证轴功率不变）的搅拌机则产生较高的流动作用和较低的压头，而小直径桨叶配以高转速则产生较高的压头和较低的流动作用。

台达VFD-F系列变频器特性

台达VFD-F系列风机水泵专用型变频器针对风机水泵运行的负载性质而设计，一台主机最多可控制四台电动机（可变速一台、恒速三台）；此外，还拥有加泵/减泵延时以及自动节能功能，使系统运行更有效率。

台达VFD-F系列风机水泵专用型变频器可广泛应用于恒压供水、空调、风机、锅炉、水处理、城市建设等自动化控制领域，具有节能效果好、供电范围宽、内置DC-Reacter、 PID、多台水泵控制、睡眠/自动唤醒、被控量可设定、控制精度高等功能特点。其他主要特点包括：任意V/F，恒转矩/变转矩控制；内置PID及RS485通信控制功能，支持Modbus协议；压力，流量，温度等被控物理量的设定与显示功能；定量循环，定时循环（轮泵）功能；可控制四台泵；工频/变频自动切换；逻辑控制功能最多可控制7台电动机；睡眠及自动唤醒功能；三路模拟量输入信号信道(可做比例运算及加法运算)；二路模拟量输出(0～10Vdc/4～20mA信号)；16段速及自动程序运转；节能运转；电动机累计运行记时功能等。

变频工艺要求分析

本方案中系统共使用4台风机和4台潜水搅拌机，每台风机电机容量为0.75kW，每台潜水搅拌机电机容量为1.5kW，其中一台潜水搅拌机备用。具体要求包括：三台潜水搅拌机分别可以调速和定速运行，变频器只做每台电动机的变频电源，各台电动机的启动、停止相互独立；四台风机同时调速和定速运行，变频器做四台电动机的变频电源，各台电动机的启动、停止一致。

实验中一共选用了5台台达公司生产的VFD-F系列风机水泵专用型变频器（如图），一台VFD055F43A型变频器控制四台风机，四台VFD022F43A型变频器分别控制四台潜水搅拌机。

运行效果分析

技改后的船舶动力定位系统实验已开始，台达VFD-F系列变频器已投运。调试过程顺利，投运一次成功。风机和潜水搅拌机在台达VFD-F系列变频器的控制下，更真实的模拟出海面的情况，风机开启水平面出现很好的风浪；潜水搅拌机开启，水底出现很好的水流；风机和潜水搅拌机同时作用时，整个水池的风、浪、流效果非常理想。

通过在船舶动力定位实验中的实践，证明该变频技术成熟，性能良好，主要体现在以下几点：

(1)运行稳定，安全可靠。设备自投运以来，一直运行正常，没出现过故障，并具有免维护的特点。

(2)速度响应及时准确，起停平稳。对电网几乎无谐波干扰，大大减少了电动机的振动和噪声，完全满足船舶动力定位系统实验的需求。

(3)节能效果显著。电动机的电压、电流明显下降，电动机输入功率明显减少。

(4)运行工况点明显改善，风门可以全部打开，完全由转速调节流量，对实验操作极为方便，而且有利于风机的维护保养，延长使用寿命。

(5)变频器直接控制电动机，通过调速来驱动风机和潜水搅拌机工作，从而提高了传动效率。

(6)由于变频器加减速时间可以任意设定，避免了风机和潜水搅拌机全负荷启动时的大电流冲击，有利于延长设备使用寿命，并且风、流、浪的产生得到了很好的控制。

(7)操作方便，控制精度高，响应速度快，风、流、浪的产生很理想，使整个系统工作平稳。