摘要：

為在船舶持續(xù)使用岸電的過程中對電纜張力進(jìn)行有效的監(jiān)測和控制，研究電纜重力變化和電纜卷筒轉(zhuǎn)矩變化的數(shù)學(xué)模型。基于中遠(yuǎn)海運(yùn)科技股份有限公司研制的船載式AMP電纜卷筒CSAMPJCH2，結(jié)合通用變頻原理，設(shè)計一套卷筒轉(zhuǎn)矩控制方案。該方案能實(shí)現(xiàn)對電纜張力的有效控制。

關(guān)鍵詞：

AMP電纜卷筒； 電纜張力分析； 卷筒轉(zhuǎn)矩控制

中圖分類號： U664.44； TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Abstract：

In order to monitor and control cable tension effectively in the process of ships using shore power continuously， the mathematical models of cable gravity variation and cable reel torque variation are studied. For CSAMPJCH2 cable reels developed by COSCO Shipping Technology Co.， Ltd.， a reel torque control scheme is designed with the combination of the general frequency conversion principle. The effective control of cable tension can be realized by the scheme.

Key words：

AMP cable reel； cable tension analysis； reel torque control

0引言

船舶在靠港期間用船電會因副機(jī)運(yùn)行對港口造成大量的氣體排放污染。隨著全球環(huán)境的惡化以及人們環(huán)保意識的提升，各領(lǐng)域逐步開始采取節(jié)能減排措施，研發(fā)節(jié)能減排技術(shù)。船舶岸電技術(shù)是航運(yùn)領(lǐng)域新興的關(guān)鍵技術(shù)，對船舶廢氣的減排、港口城市環(huán)境的改善和船員工作生活質(zhì)量的提升起到了舉足輕重作用。

船用電纜卷筒是船舶岸電系統(tǒng)的重要接口。如果在使用電纜的過程中無法對電纜張力進(jìn)行有效監(jiān)控，有可能發(fā)生電纜毀損事件，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的安全問題，因此必須對岸電持續(xù)使用過程中電纜張力的變化和電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制進(jìn)行研究和設(shè)計。目前大部分有關(guān)電纜的研究是基于由磁滯離合器或轉(zhuǎn)矩電機(jī)組成的電纜卷筒驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行的，如：祝鵬輝[1]分析了岸橋供電電纜扭曲變形，認(rèn)為磁滯式電纜卷筒纏繞方式導(dǎo)致了電纜受力不均，造成電纜扭曲損毀；代弘君[2]為解決磁滯離合器力矩變小導(dǎo)致松纜的問題，將電機(jī)更換為帶電磁制動器的電機(jī)用于轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償；武世鵬[3]用粗略的數(shù)學(xué)模型近似計算電纜轉(zhuǎn)矩，以確定轉(zhuǎn)矩電機(jī)的技術(shù)參數(shù)。隨著變頻技術(shù)的廣泛應(yīng)用，針對變頻驅(qū)動電纜卷筒的研究也已經(jīng)展開，如：徐秀桃等[4]在分析磁滯離合器、轉(zhuǎn)矩電機(jī)、液力耦合器等3種電纜驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)劣的基礎(chǔ)上提出了使用變頻器驅(qū)動電纜卷筒，以保證更精確的轉(zhuǎn)矩輸出。本文研究以可編程邏輯控制器（programmable logic controller， PLC）和變頻器為核心的電纜卷筒轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，以達(dá)到快速響應(yīng)、輸出更精準(zhǔn)的轉(zhuǎn)矩的目標(biāo)，有效解決電纜扭曲、破皮、扯斷等問題。

1系統(tǒng)組成及控制模式

本文的研究基于中遠(yuǎn)海運(yùn)科技股份有限公司研制的船載式AMP電纜卷筒CSAMPJCH2，該系統(tǒng)主要由電纜卷筒鋼結(jié)構(gòu)、集電環(huán)總成、高壓插頭及電纜、導(dǎo)纜架液壓驅(qū)動系統(tǒng)、電纜卷筒驅(qū)動系統(tǒng)等5個部分組成。本文主要研究岸電持續(xù)使用過程中電纜張力及所需轉(zhuǎn)矩的變化問題，并確定電纜卷筒電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制方法。

電纜卷筒驅(qū)動系統(tǒng)由鏈輪傳動系統(tǒng)、交直軸減速機(jī)、變頻電機(jī)、變頻器等組成。變頻器采用轉(zhuǎn)速控制模式和轉(zhuǎn)矩控制模式對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制；交直軸減速機(jī)與鏈輪傳動系統(tǒng)相互配合將電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速降低、輸出轉(zhuǎn)矩放大[5]。整個傳動系統(tǒng)由一套PLC控制，各種控制器與限位開關(guān)的配合能夠有效地實(shí)現(xiàn)電纜卷筒手動收纜放纜、自動電纜控制、系統(tǒng)聯(lián)鎖和監(jiān)測報警，見圖1。

船載式AMP電纜卷筒CSAMPJCH2的運(yùn)行有手動和自動兩種模式，分別應(yīng)用于兩種不同的工況。手動模式一般用于船舶到港和離港時的放纜和收纜工況。操作人員通過手持式操作盒上的按鈕控制卷筒進(jìn)行收纜和放纜動作，電纜卷筒能夠根據(jù)確定的頻率恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行。此時變頻器運(yùn)行在轉(zhuǎn)速控制模式，采用矢量控制方式對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。矢量控制的基本原理是通過測量和控制異步電機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對電機(jī)的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流兩個分量的幅值和相位進(jìn)行控制，顯著改善交流傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性[6]。當(dāng)電纜插頭與岸電箱連接后，電纜卷筒運(yùn)行模式可切換至自動模式。此時驅(qū)動系統(tǒng)能夠持續(xù)輸出轉(zhuǎn)矩，使垂懸在船舷外的電纜能夠保持合適的張力。電纜張力過大會增加電纜內(nèi)損；電纜張力過小會導(dǎo)致電纜不規(guī)則形變，甚至造成掉纜的事故。船舶停靠港口過程中風(fēng)浪、潮汐變化以及裝卸貨作業(yè)都會造成船舶吃水的變化，從而導(dǎo)致電纜的松緊變化，此時電纜張力控制器也會做出有效響應(yīng)。船載式AMP電纜卷筒CSAMPJCH2創(chuàng)新性地以電機(jī)變頻驅(qū)動技術(shù)取代了傳統(tǒng)的液力耦合器來實(shí)現(xiàn)電纜張力的調(diào)節(jié)，解決了傳統(tǒng)的液力耦合器存在的制造和維護(hù)成本高、張力調(diào)節(jié)難度大、動態(tài)響應(yīng)缺失等問題；變頻器運(yùn)行在轉(zhuǎn)矩控制模式，采用直接轉(zhuǎn)矩控制方式，對電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。

2電纜張力計算

2.1電纜卷筒受力分析

船舶靠泊后使用岸電，應(yīng)嚴(yán)格按照岸電系統(tǒng)使用規(guī)范和船用電纜卷筒操作手冊進(jìn)行電纜連接作業(yè)和船舶并網(wǎng)作業(yè)。首先，將電纜卷筒的導(dǎo)纜架下放到位。導(dǎo)纜架的作用是將電纜引導(dǎo)出船舷并保證把電纜安全下放至泊位的岸電箱。導(dǎo)纜架上的輥軸能夠使電纜在導(dǎo)纜架上平滑移動，避免摩擦造成的電纜護(hù)套層磨損。然后，將手持式操作盒上的旋轉(zhuǎn)開關(guān)置于手動模式，按住“放纜”按鈕，直至高壓電纜被送至地面。此時，電纜和電纜卷筒受力示意圖見圖2。

由圖2可知，導(dǎo)纜架最外側(cè)輥軸對電纜起到支撐和導(dǎo)向作用。由于導(dǎo)纜架輥軸可以靈活轉(zhuǎn)動，故可以將其類比為一個理想定滑輪。根據(jù)定滑輪系統(tǒng)理論可以得出，輥軸給予電纜一個支撐力N，方向沿著導(dǎo)纜架延長線方向。放至船舷外的電纜則可類比為理想繩模型，即電纜每一點(diǎn)受力都相同。電纜本身受重力G作用，方向豎直向下；電纜受到卷筒提供的拉力F作用，方向沿卷筒切線方向向上。根據(jù)牛頓第一定律可得

2.2自動模式下電纜所受重力的計算

電纜卷筒驅(qū)動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制以電纜內(nèi)部張力的監(jiān)測為基礎(chǔ)，輸出轉(zhuǎn)矩能夠?qū)崟r隨電纜張力的變化而變化，保證電纜受力均勻。實(shí)際情況下電纜內(nèi)部的張力難以監(jiān)測，本文采用的方法是通過對電纜卷筒的受力分析，將電纜張力的采集問題轉(zhuǎn)化為對電纜所受重力的采集和計算問題。

對電纜所受重力的采集和計算是基于對垂懸于船舷外電纜長度的采集和計算進(jìn)行的。根據(jù)卷筒結(jié)構(gòu)和卷纜工況，可以采用阿基米德螺旋線數(shù)學(xué)模型對卷筒工作時的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行建模。阿基米德螺旋線也稱等速螺線，是一個點(diǎn)勻速離開一個固定點(diǎn)的同時以固定的角速度繞該固定點(diǎn)轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的軌跡。阿基米德螺旋線與電纜卷筒收纜和放纜時電纜的運(yùn)動軌跡類似，因此用阿基米德螺旋線模型對電纜卷繞運(yùn)動進(jìn)行建模。

表1為電纜卷筒和高壓船用電纜的技術(shù)參數(shù)。將各參數(shù)與螺旋線弧長計算公式中的參數(shù)一一對應(yīng)并代入公式，其中電纜直徑等效為電纜卷筒每旋轉(zhuǎn)一圈極徑增加的長度，則公式中的b=d/2π。電纜是沿卷筒內(nèi)圈開始卷繞而并不是從極點(diǎn)開始的，因此可以認(rèn)為卷纜是從第8圈開始的，經(jīng)過計算可得船舷外電纜長度與卷筒旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系，見圖3。

由圖3和表2可知：

（1）卷筒放出的電纜長度與卷筒旋轉(zhuǎn)角度并不是嚴(yán)格的一次函數(shù)關(guān)系，其關(guān)系曲線類似于拋物線；

（2）曲線的斜率與變化的電纜卷筒旋轉(zhuǎn)半徑正相關(guān)，即放出的電纜越多，卷筒上纏繞的電纜越少，卷筒上的電纜旋轉(zhuǎn)半徑越小，曲線的斜率相應(yīng)變小。

以實(shí)際產(chǎn)品為例，采用的電纜規(guī)格為CRCEF 6/10 kV，電纜密度為10 kg/m，則電纜所受重力大小可通過G（θ）=mgl（θ）計算，其中g(shù)取9.8 N/kg。電纜所受重力公式可進(jìn)一步整理為

2.3自動模式下卷筒所需最小轉(zhuǎn)矩的計算

根據(jù)力矩公式（力矩為力與力臂的乘積）M=FL，即可以得出卷筒旋轉(zhuǎn)至任意位置時所需要的最小轉(zhuǎn)矩。力臂與阿基米德螺旋線的極徑等效，則最小轉(zhuǎn)矩計算公式為

由圖5和表3可知：

（1）與船舷外電纜所受重力變化曲線類似，卷筒所需最小轉(zhuǎn)矩與旋轉(zhuǎn)角度之間不是一次函數(shù)關(guān)系，其關(guān)系曲線類似于拋物線；

（2）與船舷外電纜所受重力變化曲線一直呈現(xiàn)上升形態(tài)不同的是，隨著電纜放出的長度越來越長，卷筒所需最小轉(zhuǎn)矩會先變大后變小。

通過對船舷外電纜所受重力和卷筒所需最小轉(zhuǎn)矩的研究，獲得了它們與卷筒旋轉(zhuǎn)角度的函數(shù)關(guān)系及變化情況，這為卷筒轉(zhuǎn)矩控制方法的設(shè)計提供了指導(dǎo)。

3控制方法

3.1變頻器直接轉(zhuǎn)矩控制原理

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展和變頻控制理論的逐步完善，變頻器的性能越來越強(qiáng)而成本越來越低，越來越多的交流傳動系統(tǒng)采用變頻驅(qū)動控制。變頻器按照其主電路結(jié)構(gòu)可分為交交變頻器和交直交變頻器，按照逆變器控制方式又可分為恒壓頻比控制（V/f控制）、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等[7]。

V/f控制是最簡單的異步電機(jī)（以下簡稱電機(jī)）變頻調(diào)速方式，變頻器只需對V/f特性、工作頻率、頻率升降時間等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，就可以實(shí)現(xiàn)平滑的電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。V/f控制可以滿足一般調(diào)速需要，但其動態(tài)、靜態(tài)性能還很有限。

轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的基本方法是在調(diào)速系統(tǒng)外環(huán)設(shè)置轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為轉(zhuǎn)矩給定信號。如果保持氣隙磁通不變，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩就近似與轉(zhuǎn)差頻率成正比，因而控制轉(zhuǎn)差頻率就能控制轉(zhuǎn)矩[6]。轉(zhuǎn)差頻率控制能夠在一定程度上控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩，但它依據(jù)的是穩(wěn)態(tài)模型，并不能真正控制動態(tài)過程中的轉(zhuǎn)矩，從而得不到很理想的動態(tài)控制性能。

矢量控制理論使交流電機(jī)控制理論獲得第一次質(zhì)的飛躍，其基本原理為：以轉(zhuǎn)子磁鏈這一旋轉(zhuǎn)空間矢量為參考坐標(biāo)，將定子電流分解為兩個分量（一個與磁鏈同方向，代表定子電流勵磁分量；另一個與磁鏈方向正交，代表定子電流轉(zhuǎn)矩分量），然后分別進(jìn)行獨(dú)立控制，獲得像直流電機(jī)一樣良好的動態(tài)特性[8]。理論上，矢量控制方法可以使電機(jī)傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性得到顯著改善，但也存在坐標(biāo)變換復(fù)雜、轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測等問題。

直接轉(zhuǎn)矩控制是繼矢量控制變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展起來的一種新型的高性能交流變頻調(diào)速技術(shù)。它相對于其他控制具有以下特點(diǎn)：

（1）直接轉(zhuǎn)矩控制是在定子坐標(biāo)系下分析交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型的，控制電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，因此省掉了矢量旋轉(zhuǎn)變化等復(fù)雜的變換與計算，信號處理簡單。

（2）直接轉(zhuǎn)矩控制控制的是定子磁鏈，定子磁鏈的觀測模型比轉(zhuǎn)子磁鏈的觀測模型簡單得多，而且受電機(jī)參數(shù)變化的影響較小。

（3）直接轉(zhuǎn)矩控制強(qiáng)調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的直接控制和效果，把轉(zhuǎn)矩檢測值與轉(zhuǎn)矩給定值做滯環(huán)比較，把轉(zhuǎn)矩波動限制在一定容差范圍內(nèi)。

大部分變頻器采用交直交結(jié)構(gòu)，主要由主電路和控制回路組成。主電路包含整流部分、直流母線部分和逆變部分。圖6為交直交變頻器主電路，其中：U1、V1和W1為變頻器輸入的3相電源；U2、V2和W2為變頻器輸出的3相電源；D表示電力二極管；C為濾波電容。整流電路由各種電力電子開關(guān)元件搭建而成，主要利用開關(guān)元件在不同條件下的導(dǎo)通和關(guān)斷特性將輸入的3相交流電整流成為直流電。直流電路主要由限流單元和濾波器組成，用于過濾整流電路輸出的含有大量交流成分的脈動電流，從而輸出平穩(wěn)的直流電。直流電路還會加入直流監(jiān)測電路、制動電路等。逆變電路主要由全控電力電子器件IGBT（Q1～Q6）與電力二極管（D11～D16）組合搭建而成，在IGBT的門極施加正向電壓可形成溝道，使IGBT導(dǎo)通，而在IGBT門極施加反向電壓可消除溝道，使IGBT關(guān)斷。IGBT門極電位由控制回路控制，控制回路使用特定的算法能夠分別控制各個IGBT導(dǎo)通角，使每橋上、下橋臂交替導(dǎo)通?？刂苹芈分饕煽刂破?、A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路、I/O接口電路、保護(hù)電路等組成，其主要作用有：采集主電路中必要的電流電壓信號；給IGBT提供必要的驅(qū)動電壓；為主電路提供必要的監(jiān)測和保護(hù)功能。控制回路原理框圖見圖7。

3.2電纜卷筒轉(zhuǎn)矩控制方法設(shè)計

本文提出的電纜卷筒轉(zhuǎn)矩控制方法設(shè)計主要包含硬件和軟件兩個方面的設(shè)計，設(shè)計依據(jù)為第2節(jié)電纜卷筒所需最小轉(zhuǎn)矩與旋轉(zhuǎn)角度的函數(shù)關(guān)系，以及變頻器直接轉(zhuǎn)矩控制的工作原理。

轉(zhuǎn)矩控制的硬件部分主要由PLC、變頻器、卷筒電機(jī)、凸輪限位開關(guān)、角度編碼器等組成（見圖8），其中部分硬件功能具體描述如下：

PLC：采集角度編碼器的電流模擬量信號，進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制邏輯運(yùn)算，同時向變頻器輸出開關(guān)量信號和模擬量信號。

變頻器：根據(jù)PLC傳輸?shù)男盘?，?jīng)過定制宏程序的算法計算，向電機(jī)輸出驅(qū)動信號。

凸輪限位開關(guān)：通過鏈輪傳動系統(tǒng)與電纜卷筒連接，凸輪限位開關(guān)與卷筒始終保持不變的速比，即卷筒旋轉(zhuǎn)12圈，凸輪旋轉(zhuǎn)一圈（依據(jù)船載式AMP電纜卷筒CSAMPJCH2的技術(shù)參數(shù)），則凸輪旋轉(zhuǎn)角度與第2節(jié)中的卷筒旋轉(zhuǎn)角度存在1∶12的比例關(guān)系。

角度編碼器：一種采集角度信號的傳感器，以4～20 mA的電流模擬量信號來表示旋轉(zhuǎn)角度的大小，經(jīng)過改裝可以將角度編碼器中軸與凸輪開關(guān)聯(lián)結(jié)，則角度編碼器中軸的旋轉(zhuǎn)角度與凸輪的旋轉(zhuǎn)角度保持同步變化，數(shù)值為卷筒旋轉(zhuǎn)角度的1/12。角度編碼器能夠?qū)?～20 mA的電流模擬量信號傳輸至PLC模擬量輸入口。通過PLC、變頻器、角度編碼器組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)能夠及時向驅(qū)動電機(jī)輸出驅(qū)動電流，實(shí)現(xiàn)有效的轉(zhuǎn)矩跟蹤。轉(zhuǎn)矩控制的軟件執(zhí)行流程見圖9。首先，PLC通過模擬量輸入口從角度編碼器采集4～20 mA的電流模擬量信號，通過比例放樣將其換算成卷筒的旋轉(zhuǎn)角度，對比每放纜一圈的角度劃分判斷當(dāng)前位置。然后，使用電纜卷筒轉(zhuǎn)矩變化數(shù)學(xué)模型計算電纜卷筒的轉(zhuǎn)矩參數(shù)，根據(jù)工況，綜合考慮機(jī)械阻尼、電纜可承受最大拉力等因素對轉(zhuǎn)矩參數(shù)進(jìn)行修正，作為最終轉(zhuǎn)矩輸出。修正后的轉(zhuǎn)矩輸出量會以一定比例超出計算值，以防止掉纜情況發(fā)生，但不會超過電纜可承受的最大拉力。這樣，如果電纜實(shí)際張力大于卷筒輸出轉(zhuǎn)矩，電纜會被緩慢拉出，從而避免了張力持續(xù)升高導(dǎo)致的電纜被扯斷情況的發(fā)生。最后，將輸出轉(zhuǎn)矩比例放樣成4～20 mA的電流模擬量信號輸出至變頻器。變頻器中裝載了由中遠(yuǎn)海運(yùn)科技股份有限公司專門為電纜卷筒研發(fā)的控制宏程序，變頻器配置了多個數(shù)字量和模擬量接口：當(dāng)變頻器接收到PLC傳來的“運(yùn)行”“自動”等信號時，變頻器運(yùn)行在自動模式（即直接轉(zhuǎn)矩控制模式）；當(dāng)變頻器特定的模擬量輸入口接收到PLC傳來的模擬量信號后，立即通過宏程序計算出產(chǎn)生響應(yīng)轉(zhuǎn)矩需要輸出的驅(qū)動電流，驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行。在自動模式下，PLC每個工作周期均進(jìn)行信號輸入、輸出和運(yùn)算工作，這就保證了電纜卷筒驅(qū)動系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測和調(diào)控驅(qū)動電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，以達(dá)到轉(zhuǎn)矩控制的最終目標(biāo)。

4結(jié)束語

通過對船載式AMP電纜卷筒CSAMPJCH2的組成和結(jié)構(gòu)的分析，建立了電纜卷筒在自動模式下所需轉(zhuǎn)矩的計算模型，為變頻驅(qū)動系統(tǒng)的控制方法及參數(shù)設(shè)置提供了參考和指導(dǎo)。通過對變頻控制和直接轉(zhuǎn)矩控制原理的研究，同時結(jié)合電纜卷筒獨(dú)特的使用工況，對自動模式下電纜卷筒轉(zhuǎn)矩控制的方法進(jìn)行了設(shè)計，使驅(qū)動系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩輸出能夠隨工況和電纜長度的變化而快速、準(zhǔn)確地響應(yīng)。

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（編輯賈裙平）