王國(guó)近，余 俊

基于公共直流母線的小型挖泥船絞車變頻控制器設(shè)計(jì)

王國(guó)近，余 俊

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430074）

本文對(duì)負(fù)載變化時(shí)變頻直流母線系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了分析。結(jié)合挖泥船實(shí)際絞車系統(tǒng)架構(gòu)，將變頻控制器設(shè)計(jì)成帶制動(dòng)單元的書本型多機(jī)傳動(dòng)形式，對(duì)控制器進(jìn)行了硬件選型和軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。絞車運(yùn)行時(shí)利用Starter對(duì)電機(jī)實(shí)時(shí)參數(shù)進(jìn)行跟蹤監(jiān)控，曲線分析表明，變頻控制器可實(shí)現(xiàn)“單手柄+雙橫移絞車”聯(lián)動(dòng)操作，且控制效果具備快速性和精確性。

挖泥船 變頻器 直流母線共軌 橫移絞車聯(lián)動(dòng)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，沿江沿海港口建設(shè)如火如荼，疏浚設(shè)備需求量巨大，同時(shí)對(duì)疏浚設(shè)備的研發(fā)工作提出新挑戰(zhàn)。本文主要針對(duì)小型非自航、全電動(dòng)、分體絞吸式挖泥船，主要用于江道河道的清淤疏浚，提高水道通行能力和河道灌溉能力等。挖泥船多絞車多工況施工操作，采用公共變頻直流母線技術(shù)實(shí)現(xiàn)多機(jī)傳動(dòng)，可有效縮小驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)安裝空間，節(jié)約硬件成本，實(shí)用方便。

本文主要研究挖泥船絞車控制系統(tǒng)，主要包括單橋架絞車、左/右橫移雙絞車和左/右雙定位樁絞車，均由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)。該控制器設(shè)計(jì)采用公共變頻直流母線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)同側(cè)橫移和定位樁絞車控制切換、橫移絞車單控和聯(lián)控模式切換等功能，既可縮小變頻柜整體尺寸，節(jié)約機(jī)艙空間，減小系統(tǒng)硬件成本。

1 公共直流母線技術(shù)概述

在多電機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)中，如果每臺(tái)電機(jī)單獨(dú)配置一個(gè)整流、逆變裝置，會(huì)造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，所以基于公共直流母線的多機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)因其節(jié)能、維護(hù)量小、故障率低等優(yōu)點(diǎn)收到設(shè)計(jì)者追捧。

圖1 直流母線共軌系統(tǒng)示意圖

公共直流母線設(shè)計(jì)采用一套共用的整流裝置，為負(fù)載提供一定功率的直流電源，全部驅(qū)動(dòng)電機(jī)的逆變器直接掛接在直流母線上，即多機(jī)共用一個(gè)整流器，該整流單元可以是不可逆變的，也可以是可逆變的[1]。前者多余能量通過(guò)外接制動(dòng)電阻消耗掉，而后者可以充分地將母線上多余能量反饋到電網(wǎng)中，具有更好的節(jié)能、環(huán)保意義。

2 公共直流母線系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

直流母線電壓是整流器作為局域負(fù)載電源裝置的直觀體現(xiàn)，而逆變器負(fù)載又通過(guò)直流母線向整流器獲取電能。因此，研究直流母線的動(dòng)態(tài)響應(yīng)首先要研究當(dāng)逆變器負(fù)載變化時(shí)，能量的動(dòng)態(tài)流向及整流器的響應(yīng)變化情況。對(duì)于三相異步電動(dòng)機(jī)而言，它的輸出功率與轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系如式一：

由式(1)可知，電機(jī)輸出功率與電機(jī)轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩成反比。對(duì)于恒轉(zhuǎn)速系統(tǒng)來(lái)講，最終的穩(wěn)定狀態(tài)是轉(zhuǎn)速維持恒定，且電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩T等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩T。

當(dāng)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩T增加時(shí)，系統(tǒng)要求電磁轉(zhuǎn)矩T增加以平衡負(fù)載轉(zhuǎn)矩。由于逆變器輸出功率不能突變，電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)會(huì)犧牲轉(zhuǎn)速以增加電磁轉(zhuǎn)矩T的輸出，因此電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩T突增瞬間會(huì)造成轉(zhuǎn)速的降低[2,3]。

經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)后，電機(jī)轉(zhuǎn)速維持恒定，輸出電磁轉(zhuǎn)矩T較負(fù)載增加前有所增大，可以看出逆變器必然從直流公共母線獲得更多有功功率。對(duì)于直流母線，母線電壓即為整流器輸出U。由于整流器輸出功率P不能突變且P=U×i，因此隨著輸出有功電流i的增加，母線電壓U會(huì)發(fā)生跌落。隨后控制電路會(huì)通過(guò)調(diào)節(jié)整流器開關(guān)量以增加有功電流i的輸出，外環(huán)直流電壓U也不斷增加，直流母線電壓U最后維持穩(wěn)態(tài)，整流器動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程完成。

電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩減小時(shí)與負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)恰好相反。

3 絞車變頻控制器設(shè)計(jì)

3.1 絞車控制系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 絞車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本文以200 m3/h（電動(dòng)）分體絞吸式挖泥船為原型，設(shè)計(jì)了一套基于 PLC現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)總線的電機(jī)及變頻控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。整個(gè)系統(tǒng)以 PLC1200為處理核心，通過(guò)PROFINET現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)總線實(shí)現(xiàn)了疏浚操縱臺(tái)對(duì)橫移絞車、橋架、定位樁的遙控操作及相關(guān)參數(shù)指示和報(bào)警功能。

對(duì)于絞車變頻控制系統(tǒng)，PLC控制站與變頻控制器通訊正常情況下，面板控制指令可以順利傳輸至CU320控制單元。對(duì)于SINAMIC傳動(dòng)系統(tǒng)，可以使用STARTER軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試。調(diào)試時(shí)變頻器控制程序中電機(jī)參數(shù)與實(shí)際所驅(qū)動(dòng)的電機(jī)一致，通過(guò)此軟件進(jìn)行靜態(tài)辨識(shí)、旋轉(zhuǎn)測(cè)量和控制器優(yōu)化等一系列整定后[4,5]，變頻控制器可以分別驅(qū)動(dòng)單個(gè)電機(jī)運(yùn)行。

對(duì)于挖泥船類工程船舶，單控電機(jī)是不能滿足施工需求的，橫移絞車系統(tǒng)必須具備聯(lián)動(dòng)控制模式，即通過(guò)同一轉(zhuǎn)速手柄指令實(shí)現(xiàn)同時(shí)控制左右橫移兩臺(tái)絞車運(yùn)行。聯(lián)動(dòng)模式下，橫移絞車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為左放右收或左收右放。

要實(shí)現(xiàn)橫移絞車聯(lián)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，橫移電機(jī)需安裝配套絕對(duì)值編碼器和增量編碼器。絕對(duì)值編碼器實(shí)時(shí)反饋絞車卷筒當(dāng)前絞纜直徑，用以計(jì)算卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)線速度。增量編碼器實(shí)時(shí)反饋絞車電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速，形成控制閉環(huán)。變頻控制器綜合手柄設(shè)定轉(zhuǎn)速、聯(lián)動(dòng)補(bǔ)償轉(zhuǎn)速和編碼器反饋轉(zhuǎn)速，通過(guò)PI控制器有效控制，輸出實(shí)際轉(zhuǎn)速指令至左右橫移電機(jī)，實(shí)現(xiàn)左右橫移電機(jī)達(dá)到聯(lián)動(dòng)理想狀態(tài)，即挖泥船在聯(lián)動(dòng)模式下呈扇形回轉(zhuǎn)，同時(shí)橫移纜繩始終處于繃緊狀態(tài)[6]。

3.2 變頻控制器硬件配置選型

絞車變頻控制器設(shè)計(jì)時(shí)，認(rèn)定橋架、橫移和定位樁絞車采用同型號(hào)拖動(dòng)電機(jī)，電機(jī)具體參數(shù)如表1所示：

表1 電機(jī)參數(shù)

絞車電機(jī)額定功率為30 kW，逆變模塊額定功率為32 kW，直流母線掛接三個(gè)逆變模塊，整流單元額定功率選定為100 kW。左右橫移兩臺(tái)電機(jī)分別反饋絕對(duì)值編碼器信號(hào)和增量編碼器信號(hào)，共需要四個(gè)編碼器信號(hào)接收模塊。

根據(jù)絞車電機(jī)配置，采用西門子SINAMIC S120系列變頻器，配套控制單元等硬件配置如表2所示。

制動(dòng)單元選型需要計(jì)算絞車變頻控制系統(tǒng)的制動(dòng)能量[7,8]，具體計(jì)算方法如下：

總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為40 kgm2的負(fù)載有740 rpm減速到靜止，計(jì)算其制動(dòng)額定功率。電機(jī)及驅(qū)動(dòng)：30 kW；電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩：382 N·m；重復(fù)周期時(shí)間：30 s；最大減速發(fā)生在電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的150%。

最大電機(jī)轉(zhuǎn)矩Mmax：

最快的減速時(shí)間T：

計(jì)算此時(shí)需要的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩M：

制動(dòng)功率P：

由于項(xiàng)目包含三個(gè)逆變單元，綜合考慮選取制動(dòng)單元功率選取100 kW。

表2 變頻控制系統(tǒng)基本硬件配置

3.3 變頻控制器軟件設(shè)計(jì)

橫移絞車聯(lián)動(dòng)控制中，最重要的部分是聯(lián)動(dòng)速度補(bǔ)償控制器和PI轉(zhuǎn)速控制器設(shè)計(jì)[9]。

聯(lián)動(dòng)速度補(bǔ)償控制器是通過(guò)采集張緊力完成信號(hào)、聯(lián)動(dòng)指令信號(hào)和電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩信號(hào)，通過(guò)PIC控制運(yùn)算，輸出速度補(bǔ)償，聯(lián)動(dòng)速度補(bǔ)償程序如圖3所示。速度補(bǔ)償是控制系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)矩進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的重要方式，是實(shí)現(xiàn)卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中纜繩保持一定張力的重要手段。其中，電機(jī)轉(zhuǎn)矩限制設(shè)置為額定轉(zhuǎn)矩382 N·m，橫移聯(lián)動(dòng)收纜側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩保持在230 N·m以下，放纜側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩在70 N·m上下波動(dòng)。

PI轉(zhuǎn)速控制器輸入端為轉(zhuǎn)速設(shè)定值和轉(zhuǎn)速反饋值的偏差，輸出為轉(zhuǎn)速控制量，通過(guò)不斷優(yōu)化控制參數(shù)“P gain”和“reset time”，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速有效調(diào)節(jié)，橫移聯(lián)動(dòng)才可達(dá)到左放右收或左收右放的默契配合，如圖4所示。

4 橫移絞車變頻系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)效果

為測(cè)試橫移電機(jī)聯(lián)動(dòng)控制效果，可利用Starter-trace進(jìn)行曲線跟蹤。曲線跟蹤分別選取左右橫移電機(jī)四個(gè)參數(shù)值[12]，包括電機(jī)轉(zhuǎn)矩值（r80）、電機(jī)速度設(shè)定值（r62）、電機(jī)編碼器反饋值（r61）和電機(jī)速度補(bǔ)償值（r21503）。

圖3 橫移絞車聯(lián)動(dòng)速度補(bǔ)償器

圖4 橫移絞車轉(zhuǎn)速PI控制器

圖5 橫移聯(lián)動(dòng)放纜側(cè)VECTOR4電機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線

橫移聯(lián)動(dòng)發(fā)生后，試驗(yàn)曲線圖顯示如圖5、6所示，駕控臺(tái)轉(zhuǎn)速手柄輸出轉(zhuǎn)速指令，收纜電機(jī)VECTOR5轉(zhuǎn)矩由75 N·m在10s內(nèi)快速上升至230 N·m，最后轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定在170~210 N·m之間輕微波動(dòng)起伏；放纜電機(jī)VECTOR4轉(zhuǎn)矩由46 N·m在10 s內(nèi)快速上升至100 N·m，隨后穩(wěn)定在70 N·m附近，整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程就是橫移聯(lián)動(dòng)收纜側(cè)和放纜側(cè)轉(zhuǎn)矩變化的過(guò)程。

圖6 橫移聯(lián)動(dòng)收纜側(cè)VECTOR5電機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線

由曲線圖7、8分析可知，左右橫移電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定值和相應(yīng)編碼器反饋值一致，說(shuō)明控制系統(tǒng)中編碼器反饋回路正常。橫移聯(lián)動(dòng)模式開始后，收纜側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá)設(shè)定值后是保持不變，但是由于放纜側(cè)電機(jī)VECTOR4存在轉(zhuǎn)速補(bǔ)償，其轉(zhuǎn)速設(shè)定值隨著電機(jī)轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)出現(xiàn)上下起伏。同時(shí)，曲線圖8顯示收纜側(cè)電機(jī)VECTOR5不存在轉(zhuǎn)速補(bǔ)償。

同時(shí)對(duì)比圖7和圖8，可以看出速度補(bǔ)償曲線和速度設(shè)定值曲線趨勢(shì)相同，且橫移聯(lián)動(dòng)時(shí)通過(guò)放纜側(cè)VECTOR4電機(jī)速度控制實(shí)現(xiàn)了左右電機(jī)聯(lián)動(dòng)，同時(shí)放纜側(cè)VECTOR4電機(jī)扭矩保持70 N·m左右。

圖7 電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定和反饋曲線圖

圖8 電機(jī)速度補(bǔ)償曲線圖

5 總結(jié)

本文針對(duì)挖泥船絞車實(shí)際操作工況，提出運(yùn)用共直流母線技術(shù)設(shè)計(jì)挖泥船絞車變頻控制系統(tǒng)，采用帶制動(dòng)單元的書本型多機(jī)傳動(dòng)形式，分別對(duì)變頻控制器進(jìn)行硬件選型和軟件程序編寫，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了橫移絞車“單手柄+雙橫移絞車”的聯(lián)動(dòng)操作功能。絞車變頻控制系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用后，對(duì)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，分析電機(jī)參數(shù)曲線結(jié)果表明，設(shè)計(jì)完成的控制器控制效果良好，手柄轉(zhuǎn)速指令、速度補(bǔ)償值和絞車實(shí)際轉(zhuǎn)速運(yùn)行軌跡能夠進(jìn)行有效匹配。文中關(guān)于挖泥船絞車變頻控制器的設(shè)計(jì)具有一定的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。

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Design of Controller for Inverter of Winches on Small Dredger Based on the Common DC Bus Technology

Wang Guojin, Yu Jun

(Wuhan Haiwang Mechanical and Electronic Engineering Company, Wuhan 430074, China)

U674.31; TM921

A

1003-4862（2019）12-0034-05

2019-06-04

王國(guó)近（1989-），男，工程師。主要研究方向：船舶系統(tǒng)控制。E-mail: frankok2008@163.com