張 蓬,閆國帥,趙宏林,張 宏

(中國石油大學(北京)機械與儲運工程學院,北京102249)

鋪管船錨機大功率變頻電機的控制原理及仿真

張 蓬,閆國帥,趙宏林,張 宏

(中國石油大學(北京)機械與儲運工程學院,北京102249)

國內外淺水鋪管船大多采用恒張力錨機來實現(xiàn)對船身的平穩(wěn)控制,其核心控制技術之一是對非常規(guī)高中壓大功率變頻電機的控制。以拉力為1 100 k N恒張力錨機的動力系統(tǒng)為模型,分析該動力系統(tǒng)的工作狀態(tài),利用AMESim軟件對恒壓/頻比控制和矢量控制2種控制方式進行建模。以西門子1LA4500-6CV型電機為例,將相關電機參數(shù)帶入仿真模型,通過對該電機的恒壓/頻比的仿真調速控制,從而實現(xiàn)了對錨機鋼絲繩的恒張力仿真控制。為以后做類似大型工程機械分析提供了一種新的思路。

鋪管船;錨機;動力系統(tǒng);模擬

國內外淺水鋪管船的動力系統(tǒng)大多采用恒張力 錨機來實現(xiàn)對船身的平穩(wěn)控制。淺水鋪管船上一般設有8～12臺恒張力錨機。針對每一臺錨機的動力系統(tǒng)和剎車系統(tǒng)進行控制,可以達到對每一條錨纜的恒張力收放控制。通過對這些恒張力錨機的收放錨纜的集中控制,并配合鋪管工藝和鋪管進度,可建立鋪管船的系泊控制系統(tǒng),實現(xiàn)鋪管船在工作水域精確定位,使鋪管船沿著設計的軌跡前進或后退,并通過錨機的變速制動系統(tǒng)保證合適的行進速度,完成鋪管作業(yè)。

與普通船舶上用的收放纜錨機相比,淺水鋪管船上錨機的載荷較大。例如,德國Hatapa錨機,鋼絲繩直徑為40～114 mm,最大轉矩8 150 k N·m,最大拉力2 000 k N。挪威Aker Kvaerner公司生產的錨機,其錨機控制系統(tǒng)可完全實現(xiàn)自動化控制,錨機負載能力從1 720 k N到8 120 k N。國內708所為中海油設計的海洋石油2020號淺水鋪管船所用錨機負載能力為1 100 k N。

目前,國內外采用高中壓大功率變頻電機為這些大轉矩錨機提供動力。這類電機價格昂貴,在設計這些錨機的恒張力控制系統(tǒng)之前,有必要先對錨機的動力系統(tǒng)進行分析及驅動仿真建模,并通過對錨機電機的仿真調速控制,可進一步實現(xiàn)錨機的恒張力仿真控制。

1 錨機控制基本參數(shù)

對錨機恒張力控制的實現(xiàn),是保障鋪管船動力和定位的關鍵技術。錨機的恒張力控制主要是通過對主電機的正反轉變頻調速控制及錨機的剎車控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。本文以拉力為1 100 k N的恒張力錨機為例,基本控制指標是[1]:

張力 0～1 100 k N

卷筒收放繩速度

低速擋 1 100 k N,0～42 m/min

高速擋 210 k N,0～186 m/min(第8層)

鋼絲繩纏繞總層數(shù) 15層

第8層的半徑為R8=1 220 mm,周長為7.665 m。當?shù)?層繩速為0～42 m/min時,卷筒轉速n1=0～5.5 r/min;當?shù)?層繩速為0～186 m/min時,卷筒轉速n2=0～24.2 r/min。

低速時繩的拉力為1 100 k N,卷筒的轉矩M1max=1 100×1.22=1 342 k N·m。

高速時繩的拉力為210 k N,卷筒的轉矩M2max=210×1.22=256.2 k N·m。

2 錨機電機工作狀態(tài)分析

1 100 k N錨機動力系統(tǒng)的主電機為1臺大功率高壓變頻交流電機,在鋪管船移動過程中,錨機電機正轉,其轉矩通過傳動軸、變速箱、傳動齒輪傳遞到滾筒上,使?jié)L筒轉動,并使得鋪管船進行恒張力收纜移位。正常移位條件下,電機在設定速度下運行,輸出轉矩在設定范圍內。安裝在電機主軸上的編碼器實時監(jiān)測電機轉速。安裝在船甲板出繩口位置的張力傳感器則實時監(jiān)測鋼絲繩的拉力值,將鋼絲繩的張力值傳遞給控制箱,可以控制剎車力的輸出大小,以及控制主電機的正反轉,從而做到鋼絲繩張力實時閉環(huán)控制以及恒張力控制。因風浪等原因造成作用在鋼絲繩上的外力增大時,若鋼絲繩張力超過設定的允許范圍,則交流電機高速收纜,減小鋼絲繩所受張力,使之保持在安全范圍內;當鋼絲繩所受海況外力減小時,其張力減小,若張力大小不在設定張力范圍內時,電機低速收纜,增大鋼絲繩所受張力,使之保持在安全范圍內[2-3]。所以,在鋪管過程中電機通過速度的變化來調節(jié)鋼絲繩張力大小,保持鋼絲繩恒張力,即電機的恒轉矩輸出。同理,在鋪管船拋錨放纜過程中,電機根據(jù)檢測到的鋼絲繩張力大小調頻變速正反轉。在錨機工作停車,即鋪管船位置保持時,錨機電機又根據(jù)檢測到的鋼絲繩張力大小進行小幅正反轉調節(jié)。當錨機駐車時,電機斷電停轉。當錨機遇特殊情況需緊急制動時,錨機電機在短時間內仍處于正轉或反轉狀態(tài),但持續(xù)時間不長,以防電機燒毀。

3 錨機電機控制方式

在工作過程中,驅動系統(tǒng)需要克服風浪對鋼絲繩的影響,通過調節(jié)收放纜速度使鋼絲繩所受張力在允許范圍內,使電機恒轉矩輸出?？刂齐姍C速度的模式有多種,其中應用較多的是恒壓/頻比控制(V/F控制)和矢量控制。

3.1 恒壓/頻比控制

恒壓/頻比控制實現(xiàn)起來相對較為容易,而且在僅要求穩(wěn)態(tài)性能的場合能夠勝任大范圍內的調速任務,恒壓頻比控制(V/F控制)成為交流電機控制方法中應用最廣泛的變頻調速技術。保證轉子磁通的恒定以及保持V/F比值為常數(shù)是恒壓頻比控制過程的核心[4]。

保持電機的主磁通額定值不變,是異步電機進行調速控制時的理想狀態(tài)。在相同轉子電流下,如果電機的負載能力過弱,就是電機磁場磁通太弱,造成電機鐵心利用不充分,使得磁場電磁轉矩過小,若磁通太強,就會導致勵磁電流過大,電機鐵芯熱損將增大,導致輸出效率下降,最終造成繞組絕緣度降低,甚至燒毀電機。

定子繞組的感應電動勢是定子繞組切割旋轉磁力線產生定子繞組電動勢的本質。由此可知,三相異步電機定子每相電動勢的有效值為[5]:

式中:E1為定子每相感應電動勢有效值,V;K1為基波繞組系數(shù);f1為定子頻率,Hz;N1為定子每相繞組匝數(shù);φM為每極氣隙磁通,Wb。

由式(1)可知,E1和f1共同決定了φM的值,只要對和進行適當?shù)目刂?主磁通φM的額定值便可保持不變。

恒轉矩變頻調速和恒功率變頻調速是組成恒壓/頻比變頻調速控制的2種控制方式,其中,恒轉矩變頻調速控制適用于異步電機基頻以下的變頻控制方式,恒功率變頻調速控制適用于異步電機基頻以上的變頻控制方式。

3.2 矢量控制

由電機學原理可知,電機轉速與氣隙磁通、轉子電流與功率因數(shù)都有著密不可分的關系,而這些量對拖動轉矩有著重要作用。為了對異步電機的轉矩和磁通進行解耦控制,得到類似于直流電機的模型,可將異步電機的三相量變換到d-q坐標系上,實現(xiàn)異步電機從三相到二相的變換和旋轉變換,其中d-q坐標系是同步旋轉并且定向到轉子磁通上的?？刂破髟O計和磁鏈觀測兩部分組成了異步電機典型的矢量控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的動態(tài)響應很大程度上取決于控制器的性能。在磁鏈和轉矩的解耦控制中起著至關重要作用的是磁鏈觀測,這是矢量控制的關鍵所在。PI/PID調節(jié)、線性二次型最優(yōu)控制、自適應控制、滑模變結構控制、人工神經元網絡、模糊控制、H∞控制等是應用于異步電機調速系統(tǒng)的控制方式,這些控制方式各有自己的優(yōu)點和局限性[6]。

定、轉子旋轉磁場及其夾角共同影響著交流電機的轉矩,由此可知,檢測和控制定、轉子旋轉磁場的磁鏈便可控制交流電機的轉矩。為了將靜止坐標系中的各交流量轉化為旋轉坐標系中的直流量,把d-q坐標系放置于同步旋轉磁場上,這就是應用于磁場定向矢量控制系統(tǒng)中的同步旋轉的d-q變換,其中,d軸與轉子磁場方向重合,轉子磁鏈q軸分量ψrq=0。

基于異步電機的數(shù)學模型與三相到二相坐標變換,可得轉子磁鏈定向條件下的矢量控制方程[7]。

磁鏈方程為:

式中:ψsd、ψsq為定子磁鏈在d、q軸上的投影;ψrq、ψrd為轉子磁鏈在d、q軸上的投影;Ls為定子在d-q坐標系上的自感;Lr為轉子在d-q坐標上的自感;Lm為定子與轉子之間在d-q坐標系上的互感;isd、isq為定子電流在d、q軸上的投影;ird、irq為轉子電流在d、q軸上的投影。

電壓方程:

式中:usd、usq為變換到d-q軸上的定子電壓;Rs、Ls、Rr、Lr和Lm為d-q軸上的定子繞組電阻、自感、折算到定子側的轉子繞組電阻、轉子自感和互感;s為拉氏算子;isd、isq為變換到d-q軸上的定子電流;ird、irq為變換到d-q軸上的轉子電流;ωi、ωs為異步電機的同步角頻率和轉差角頻率。

轉矩方程為:

綜上分析,帶轉矩內環(huán)的轉速、磁鏈閉環(huán)異步電機矢量控制系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。本系統(tǒng)按轉子磁場定向,分為轉速控制子系統(tǒng)和磁鏈控制子系統(tǒng),其中轉速控制子系統(tǒng)與直流調速系統(tǒng)類似采用了串級控制結構。轉速控制子系統(tǒng)中設置了轉速調節(jié)器(PI),轉速反饋信號取自于電機軸上的測速傳感器。轉速調節(jié)器輸出作為內環(huán)轉矩調節(jié)器(PI)的給定值,轉矩反饋信號取自轉子磁鏈觀測器。在磁鏈控制子系統(tǒng)中,設置了磁鏈調節(jié)器(PI),其給定值由函數(shù)發(fā)生器給出,磁鏈反饋信號來自于磁鏈觀測器。

圖1 矢量控制系統(tǒng)框圖

4 錨機動力系統(tǒng)建模

4.1 恒壓頻比控制模型

根據(jù)恒壓頻比控制原理,利用AMESim仿真軟件建立如圖2所示的驅動電機恒轉矩控制模型,電機采用V/F控制模式的變頻控制,外部信號模擬鋼絲繩在收放纜過程中受力變化情況。

圖2 驅動電機恒轉矩控制模型

錨機面臨的工況環(huán)境是海洋,與陸地環(huán)境相比,其存在海、浪、涌等外部干擾。將外部擾動信號與錨機自身負載信號相綜合,故選取諧波信號來模擬外部負載。因為錨機電機的轉矩通過傳動系統(tǒng)最終傳遞到滾筒,故在不影響最終仿真結果的前提下,將傳動系統(tǒng)模型進行簡化,用軟件庫中的增益模塊代替?zhèn)鲃颖取Ｓ伤x電機參數(shù)可知,錨機電機基頻工作點在50 Hz。根據(jù)外部負載情況,錨機電機可在基頻以下作恒轉矩運行,在基頻以上作恒功率運行。

4.2 矢量控制模型

根據(jù)矢量控制原理以及錨機電機負載情況,利用AMESim軟件元件庫中的信號控制庫和電機及驅動庫中的相關元件,搭建的錨機驅動系統(tǒng)矢量控制模型如圖3所示。

在圖3中,該仿真模型為磁鏈轉速雙閉環(huán)模型。模型中有兩輸入信號分別為磁鏈設定指令1和轉速設定指令9。在磁鏈控制環(huán)中,磁鏈設定指令1的設定值ψ*通過磁鏈雙閉環(huán)控制和磁鏈調節(jié)器2、電流PI調節(jié)器3,獲得旋轉坐標系下的定子勵磁電壓分量u*d。在轉速控制環(huán)中,轉速指令9的設定轉速通過轉速雙閉環(huán)控制和速度PI調節(jié)器10、轉矩調節(jié)器11、電流PI調節(jié)器12,便可得到旋轉坐標系下的定子轉矩電壓分量u*q。

將獲得的u*d和u*q坐標變換模塊轉化為三相定子坐標系中的電壓u*A、u*B和u*C,再經過信號電流轉換模塊5轉化成三相交流電電流,電流經電流測量模塊6送至電機模塊7,從而帶動外部負載8運轉。

5 錨機電機參數(shù)的選擇

由錨機驅動系統(tǒng)原理可知,在收放纜過程中,驅動電機通過速度變化改變鋼絲繩張力值,在有風浪的環(huán)境中作業(yè)時,電機需不斷地調節(jié)運行速度,保持鋼絲繩張力在允許范圍內。采用變頻控制模式對電機進行控制,控制系統(tǒng)實時采集張力信號,通過變頻器控制電機的速度。以德國西門子公司生產的型號為1LA4500-6CV的變頻調速電機作為仿真對象,結構型式IMB3。電機參數(shù)為:

電源 2.3～6.6 k V,50 Hz

功率 P′=1 080 k W

額定轉矩 M′e=10 365 N·m

額定轉速 n′e=995 r/min

最高轉速 n′max=2 100 r/min

帶編碼器及測溫元件,絕緣等級F,防護等級IP55,過載能力150%。電機具有調速范圍寬低速轉矩大,低速、高速都可以長期運行的特點[8]。

由錨機設計要求及減速器傳動比可得:當變速制動器1剎車,變速制動器2松開時,i2=171.68 A;變速制動器2剎車,變速制動器1松開時,i1=74.24 A。

1) 低速收繩時

傳遞到滾筒上的最大轉矩(不考慮效率損失)

Mdmax=M′e·i2=1 0365×171.68=1 779 k N·m

此時滾筒的最高轉速ndmax為:

ndmax=n′e/i2=995/171.68=5.79 r/min

圖3 驅動電機矢量控制AMESim模型

2) 高速收繩時

當滾筒高速轉動時,滾筒的轉速為n高=24.26 r/min,此時電機的轉速為:

電機的輸出轉矩為:

傳遞到滾筒的轉矩為:

與錨機的工作要求相比,可以看出,Mdmax>M1max,ndmax>nd;在保證ng的情況下Mout>M2max,該電機可以滿足錨機的轉矩及速度要求。

6 錨機動力系統(tǒng)仿真結果分析

錨機電機在工作過程中,要實時根據(jù)風浪狀況調整收放纜速度,通過速度的變化,保證鋼絲繩的恒張力,即電機的恒轉矩輸出。同時,錨機電機有處于低速堵轉運行的工況,同樣為電機的恒轉矩輸出。所謂的恒張力是使張力維持在允許的范圍內,當鋼絲繩所受張力超過這個范圍,電機才通過速度變化對張力值進行調節(jié),所以在對錨機電機控制過程中,采取較為簡單的V/F控制模式對電機的轉速進行調節(jié),進而控制張力值。按照錨機設計要求,以鋼絲繩受力1 100 k N,外部負載力矩為1 342 k N·m,即錨機低速收繩工況做仿真分析。仿真參數(shù)設置如表1。

將相應仿真參數(shù)帶入錨機動力系統(tǒng)V/F控制模式AMESim仿真模型,運行后得出的仿真曲線如圖4～7所示。

1) 圖4為外負載變化模擬曲線信號(即外部負載總力矩變化模擬),為分析簡便起見,外部負載變化模擬曲線采取正弦波為基波,設定正弦波周期為2 s,在每個周期加入干擾信號的形式來模擬錨機外部負載(主要為滾筒和鋼絲繩)在受到海況影響的力矩變化。圖中曲線1為外負載原始狀態(tài)曲線,其波動范圍在-1 360～1 360 k N·m。曲線2為經過傳動機構傳遞到錨機電機傳動軸上的外負載,其波動范圍在-7 791～7 790 N·m。符合錨機控制要求的外負載值范圍。

表1 仿真數(shù)據(jù)

圖4 外載變化模擬曲線

2) 由圖5仿真結果可以看出,電機通過初始1.5 s的啟動時間,其轉速進入小幅波動穩(wěn)定狀態(tài),其波動范圍在998～1 010 r/min。由圖7可知,收繩速度波動范圍在0.67～0.70 m/s。故可知,錨機電機通過調整其轉速,進而驅動收繩速度不斷的變化。

圖5 電機輸出轉速曲線

3) 圖6為電機輸出轉矩變化曲線。在初始啟動的1.5 s內,電機剛通電還沒有轉起來,電流比正常工作的時候大,所以這時候轉矩也比較大,最大值達到11 300 N·m,即鋼絲繩所受張力有波動。1.5 s過后,電機正常運轉,轉矩輸出平穩(wěn),實現(xiàn)了對鋼絲繩的恒張力控制,其轉矩穩(wěn)定在10 400 N·m,故有:M·i2=10 400×171.68=1 785.472 k N·m,該值大于外載轉矩1 342 k N·m。

圖6 電機輸出轉矩曲線

4) 圖7為收纜繩速度變化曲線,基本為勻速收繩。

圖7 收繩速度變化曲線

由以上分析可知,錨機電機仿真結果符合錨機控制要求,即采用V/F控制模式控制此錨機電機,能夠實現(xiàn)對鋼絲繩的恒張力控制。

當錨機拋錨放繩時,電機脫開驅動在額定工況下工作,此時電機反轉,但其轉矩大小范圍不變,外負載轉矩范圍大小也不變。由比圖4與圖6可知,此時電機自身轉矩遠小于外負載轉矩,不能滿足恒張力控制,故需增加恒張力阻尼器控制錨纜張力,這既能保證鋼纜的出繩速度,又能避免變頻器和電機的無效運轉。

7 結語

本文在對淺水鋪管船錨機動力系統(tǒng)進行研究的基礎上,利用AMESim仿真軟件建立了錨機電動機矢量控制模型及恒壓頻比控制(V/F)模型。在V/F控制模式下對輸出拉力為1 100 k N恒張力錨機動力系統(tǒng)進行仿真分析。通過將實際的電機參數(shù)帶入仿真模型后的仿真結果表明,此分析方法為大功率變頻電機的選型及仿真調速控制并配合錨機剎車控制系統(tǒng)對錨機鋼絲繩的恒張力控制提供了一種有效的手段。

隨著我國海洋石油開采的發(fā)展,亟需研制適合我國海域的鋪管船錨絞車。電動驅動和液壓驅動是錨絞車的兩種驅動方式。設備的大型化和自動化程度的提高,將使得電動驅動方式優(yōu)勢突出,電動驅動方式的使用范圍將越來越廣泛。

[1] 王曉波,鐘朝廷,趙宏林,等.淺水鋪管船錨機主要部件的設計分析[J].石油礦場機械,2010,39(5):23-26.

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Control Principle and Simulation of High Power Variable Frequency Motor of the Windlass on Pipelaying Vessel

ZHANG Peng,YAN Guo-shuai,ZHAO Hong-lin,ZHANG Hong
(College of Mechanical and Trasportion Engineering,China University of Petroleum,Beijing 102249,China)

At present,most of the shallow water pipelaying ship power system take the constant tension anchor machine to achieve smooth control of the hull.One of the key control technology is unusual high-voltage and high-power variable frequency motor control.In this paper,according to pulling force as 1 100 k N of constant tension windlass Power system,by analyzing the working state of shallow water pipelaying vessel of the anchor machine power system,we established a modeled method by using AMESim software for constant voltage/frequency ratio control and vector control on both motors.We use the Siemens 1LA4500-6CV motor as an example,first to take the relevant motor parameters into the simulation model,then to control the motor constant voltage/frequency ratio of the speed simulation,in the last,we realized the simulation of constant tension control of windlass wire rope.A new method for doing similar mechanical analysis of largescale projects is given.

pipe-laying barge;anchor winch;power system;simulation

TE95

A

1001-3482(2014)02-0001-07

2013-08-15

國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)課題(2006AA09A105);國家自然科學基金“油氣管道受阻瞬態(tài)流時空演化規(guī)律及智能控制方法研究”(50905186)項目支持

張 蓬(1963-),女,北京人,副教授,主要研究方向:機械電子工程、機器人控制技術,E-mail:zp9815@aliyun.com。