俞曉豐，王偉（武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢430070）

基于變頻器的大型海工絞車電控設(shè)計(jì)

俞曉豐，王偉
（武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢430070）

介紹了一種大型電動(dòng)絞車變頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。絞車配備于SSCV船（半潛式平臺(tái)）上，為半潛式平臺(tái)進(jìn)行安全起拋錨和平臺(tái)移動(dòng)等工作而設(shè)計(jì)。針對絞車驅(qū)動(dòng)功率大，調(diào)速功能要求高的特點(diǎn)，控制系統(tǒng)介紹了變頻器加可編程運(yùn)動(dòng)控制卡的選型和參數(shù)設(shè)計(jì)，并給出編程實(shí)現(xiàn)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

變頻器；絞車；運(yùn)動(dòng)控制

0　概述

考慮到ABS規(guī)范要求，大型絞車對船體電站影響應(yīng)能滿足電壓諧波分量不超過5%的要求。如果超過5%，所有設(shè)備應(yīng)能在該諧波下正常工作。系統(tǒng)選用丹佛斯FC302變頻器加運(yùn)動(dòng)控制卡進(jìn)行電控設(shè)計(jì)以滿足功能要求。

大型電動(dòng)絞車自動(dòng)化程度高，無級(jí)調(diào)速范圍廣，控制策略靈活方便，大幅提高絞車的使用性能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造、現(xiàn)場裝船調(diào)試、后期維護(hù)過程中，衛(wèi)生方便，功能友好，是未來大型海工設(shè)備的重要發(fā)展方向。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能參數(shù)

1.1絞車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

設(shè)備為變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、分體式排纜裝置及垂直導(dǎo)纜器、液（氣）壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等部分構(gòu)成。鋼絲繩通過籬笆式卷筒進(jìn)行纏繞；分體式排纜裝置及垂直導(dǎo)纜器安裝在平臺(tái)下方。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)過程：由電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)減速器，減速器動(dòng)力傳遞到驅(qū)動(dòng)軸上的離合器，通過離合器驅(qū)動(dòng)小齒輪，通過齒輪副驅(qū)動(dòng)滾筒。減速器分二檔變速，通過電機(jī)變頻操作實(shí)現(xiàn)三速傳動(dòng)。驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.2主要性能參數(shù)

絞車電機(jī)配置及拖動(dòng)控制性能參數(shù)如表1所示。

2　電氣控制性能及關(guān)鍵技術(shù)分析計(jì)算

2.1主要電氣控制性能

本絞車采用變頻無極調(diào)速控制，通過變頻器改變輸入電動(dòng)機(jī)電源的頻率，能夠使變頻電動(dòng)機(jī)在2倍額定速度內(nèi)進(jìn)行無極調(diào)速。該絞車系統(tǒng)在運(yùn)行中所具有的性能如下：

（1）兩臺(tái)設(shè)備同時(shí)運(yùn)行時(shí)，所產(chǎn)生的電壓諧波在船上提供的供電系統(tǒng)中不超過5%；

表1　絞車配置參數(shù)

（2）絞車在0速到2倍速度運(yùn)行時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)，不會(huì)產(chǎn)生異常振動(dòng)和嘯叫；

（3）絞車能夠在額定負(fù)載下進(jìn)行上升和下降運(yùn)行。

2.2關(guān)鍵技術(shù)分析

ABS規(guī)范中，對諧波要求是針對船體電站提供的電源應(yīng)能滿足電壓諧波分量不超過5%，如超過5%，所有設(shè)備應(yīng)能滿足在該諧波下正常工作。現(xiàn)階段變頻系統(tǒng)諧波控制的方法主要有以下幾種[2]：

（1）在變頻器前端增加交流電抗器；

（2）在變頻器前端增加直流電抗器；

（3）在變頻器前端增加無源濾波器；

（4）在變頻器前端增加有源濾波器；

（5）使用12脈或18脈的變頻器進(jìn)行整流（低功率時(shí)一般沒有多脈沖變頻器）；

（6）直接使用低諧波變頻器。

以上所述方法在相同的條件下，性能逐漸增強(qiáng)，價(jià)格成倍上升?？紤]到其抑制諧波的效果互有優(yōu)劣，其成本相差極大。使用交流電抗器的成本最低，但其效果最差。低諧波變頻器效果最好，成本最高。

經(jīng)過綜合比較在設(shè)計(jì)時(shí)選擇了具有內(nèi)置直流電抗器，且能保證滿足ABS規(guī)范諧波電壓含量要求的DANFOSS變頻器。

2.3變頻器選型參數(shù)計(jì)算

本項(xiàng)目中變頻器應(yīng)用工況為提升工況，電機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)是連續(xù)恒定負(fù)載下的額定數(shù)據(jù)，但是在絞車工作周期中，在纜繩處于最外層時(shí)要求滿足規(guī)格書規(guī)定的負(fù)載與速度技術(shù)要求，則電機(jī)會(huì)有短時(shí)1.1倍的過載工況，因此變頻器的額定電流應(yīng)大于電機(jī)最大工作電流，變頻器的額定電流按照以下公式計(jì)算：

變頻器的輸出容量按照以下公式計(jì)算：

其中：PCN變頻器的輸出容量；

IN：變頻器的額定工作電流；

IMmax電動(dòng)機(jī)的最大工作電流；

K：電流波形的修正系數(shù)（PWM方式取1.1）；

K1：電機(jī)電流過載倍數(shù)（根據(jù)總體要求取1.1）；

I1：電機(jī)額定工作電流；

U1：電機(jī)額定工作電壓。

計(jì)算結(jié)果如下：

K=1.1；K1=1.1；U1=440；I1=577；

K=sqrt(3)；Pcn=k·U1·I1·K·K1·0.001；

Imax=698.2 A；Pcn=532 kVA。

選擇變頻器型號(hào)如表2。

表2　變頻器型號(hào)參數(shù)

3　絞車變頻控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及軟件實(shí)現(xiàn)

絞車操控模式為遠(yuǎn)程電、液、氣操控。電控系統(tǒng)采用PLC控制器，通過采集和分析壓力、速度、溫度、位移等傳感器的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對絞車的監(jiān)測、控制和保護(hù)功能。絞車變頻控制部分主要由FC302變頻器和MCO305運(yùn)動(dòng)控制卡組成。

變頻器使用MCT10設(shè)置軟件進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)置?？梢詫C連接到變頻器并執(zhí)行實(shí)時(shí)編程，而無需使用LCP。此外，也可以用離線方式執(zhí)行所有變頻器編程，然后只需將其下載到變頻器中即可?？梢杂肬SB連接器來連接變頻器[3]。

MCO305可以使用APOSS軟件進(jìn)行編程。當(dāng)MCT10建立起與變頻器的連接時(shí)，APOSS會(huì)使用MCT10已建立的變頻器連接。不論以聯(lián)機(jī)方式還是以脫機(jī)方式使用MCT10，APOSS都將以獨(dú)立模式工作。

3.1變頻控制電路設(shè)計(jì)

絞車變頻器部分硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包含以下功能：主電機(jī)使用編碼器進(jìn)行轉(zhuǎn)數(shù)讀取，熱敏保護(hù)（PTC）；絞車手柄通過端子53、55給定模擬量信號(hào)，控制絞車提升，下降速度。同時(shí)，使用繼電器開觸點(diǎn)K11、K12聯(lián)鎖控制絞車提升，下降運(yùn)動(dòng)；繼電器開觸點(diǎn)K4、K5控制點(diǎn)動(dòng)的上升與下降運(yùn)動(dòng)；絞車閘瓦的制動(dòng)控制通過MCB112端子排X44的1、2號(hào)端子實(shí)現(xiàn)；絞車的安全保護(hù)控制，涉及主電機(jī)的過載報(bào)警，錯(cuò)誤報(bào)警，安全停車。

其中由于變頻器基本點(diǎn)功能有限，點(diǎn)動(dòng)上升與下降通過MCO對端點(diǎn)2、3進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，MCO305端子排X57上1號(hào)端子同時(shí)給予安全停車信號(hào)。安全停車端子與緊急停止繼電器K7的常閉輔助觸點(diǎn)進(jìn)行串聯(lián)設(shè)計(jì)。

3.2系統(tǒng)參數(shù)編程

（1）變頻器控制算法參數(shù)設(shè)計(jì)

變頻器根據(jù)應(yīng)用配合變頻電機(jī)編碼器選擇使用高精度的速度與轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制。MCT10中設(shè)置軟件參數(shù)設(shè)置如表3所示。

變頻器中電機(jī)主要參數(shù)設(shè)置如表4所示。

圖2　變頻器配置及接線圖

絞車上升與下降運(yùn)動(dòng)過程主要是大慣性工作，根據(jù)本設(shè)備特點(diǎn)，絞車速度上升與下降過程使用線性變化過程，但是線性變化過程緩沖時(shí)間設(shè)置為5秒。運(yùn)動(dòng)過程具體參數(shù)如表5所示。

（2）MCO運(yùn)動(dòng)控制卡編程實(shí)現(xiàn)

MCO305控制點(diǎn)功能編程如表6所示。

APOSS軟件編程具體源代碼如下：

motoroff

main:

if(getvlt 1690)==0 then//參數(shù)16-90故障字，如果故障字為零的時(shí)候，沒有故障輸出，否則有故障輸出

表3　變頻器控制算法參數(shù)

表4　變頻電機(jī)相關(guān)參數(shù)設(shè)置

表5　運(yùn)動(dòng)過程控制參數(shù)設(shè)置

表6　接口功能表

out1 0

else

out1 1

endif

if in 1==0 then//如果端子37為低電平，有過熱輸出，否則沒有

out2 1

else

out2 0

endif

if in 2==1 and in 3==0 then outan 0x800

setvlt1300 1

endif

if in 2==1 and in 3==1 then

outan-0x800

setvlt1300 1

endif

if in 2==0 and in 3==0 then

outan 0x0

setvlt1300 0

endif

gotomain

4　結(jié)束語

電動(dòng)變頻絞車出廠前須進(jìn)行機(jī)、電、液、氣聯(lián)調(diào)試研，分別完成空載試驗(yàn)和180 t額定負(fù)載試驗(yàn)，并確認(rèn)設(shè)備的系統(tǒng)監(jiān)測功能、控制功能。

先用低速正反空載運(yùn)轉(zhuǎn)各5分鐘，確認(rèn)功能設(shè)計(jì)的完善性。以滾筒部分額定負(fù)載1 800 kN為最終加載標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)整加載重塊按額定負(fù)載的25%、50%、75%、100%為順序加載。

測量、檢查及記錄各部件運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常，有無異常發(fā)熱、異常振動(dòng)。滾筒負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)速度、壓力、溫度、軸承位溫升以及檢測監(jiān)測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)[4]。

試驗(yàn)過程中，當(dāng)負(fù)載力達(dá)到175 t時(shí)，變頻器顯示電流578 A，轉(zhuǎn)矩118℅。各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)及性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，滿足用戶的使用要求。

［1］李發(fā)海.電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)：第4版［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2012.

［2］阮毅，陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［3］劉志剛，楊伯軍.基于PLC的倉庫橋式起重機(jī)變頻控制系統(tǒng)［J］.機(jī)電工程，2013（06）：725-728.

［4］GB/T 11869-2007.遠(yuǎn)洋船用拖拽絞車［S］.

(編輯：阮毅)

VFD ControlDesign of LargeM arine EngineeringW inch

YUXiao-feng，WANGWei
（Wuhan Instituteof Shipbuilding Technology，Wuhan430070，China）

This paper introduces a largeelectric VFD control system of winch.Winch is equipped on SSCV ship(semisubmersible platform),for heaving anchor and movingwork platform in security.According to heavy load and high requirements of speed control function,the project introduced a kind of control system，which is consistsof VFD andmotion control card.Electric control structure and software program based on VFD are provided in the paper.

VFD；winch；motion control

TN77 TP27

A

1009－9492(2015)04－0026－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.04.007

2015－01－13

俞曉豐，男，1984年生，浙江金華人，碩士，工程師。研究領(lǐng)域：機(jī)電控制與自動(dòng)化技術(shù)。已發(fā)表論文2篇。