王國近，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

王國近，余 俊

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430074）

本文對負載變化時變頻直流母線系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)進行了分析。結(jié)合挖泥船實際絞車系統(tǒng)架構(gòu)，將變頻控制器設(shè)計成帶制動單元的書本型多機傳動形式，對控制器進行了硬件選型和軟件設(shè)計實現(xiàn)。絞車運行時利用Starter對電機實時參數(shù)進行跟蹤監(jiān)控，曲線分析表明，變頻控制器可實現(xiàn)“單手柄+雙橫移絞車”聯(lián)動操作，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

0 引言

隨著我國經(jīng)濟高速發(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，同時對疏浚設(shè)備的研發(fā)工作提出新挑戰(zhàn)。本文主要針對小型非自航、全電動、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)實現(xiàn)多機傳動，可有效縮小驅(qū)動系統(tǒng)安裝空間，節(jié)約硬件成本，實用方便。

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，均由變頻電機驅(qū)動。該控制器設(shè)計采用公共變頻直流母線技術(shù)，實現(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

在多電機的傳動系統(tǒng)中，如果每臺電機單獨配置一個整流、逆變裝置，會造成資源的嚴重浪費，所以基于公共直流母線的多機傳動系統(tǒng)因其節(jié)能、維護量小、故障率低等優(yōu)點收到設(shè)計者追捧。

圖1 直流母線共軌系統(tǒng)示意圖

公共直流母線設(shè)計采用一套共用的整流裝置，為負載提供一定功率的直流電源，全部驅(qū)動電機的逆變器直接掛接在直流母線上，即多機共用一個整流器，該整流單元可以是不可逆變的，也可以是可逆變的[1]。前者多余能量通過外接制動電阻消耗掉，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)的動態(tài)響應(yīng)分析

直流母線電壓是整流器作為局域負載電源裝置的直觀體現(xiàn)，而逆變器負載又通過直流母線向整流器獲取電能。因此，研究直流母線的動態(tài)響應(yīng)首先要研究當逆變器負載變化時，能量的動態(tài)流向及整流器的響應(yīng)變化情況。對于三相異步電動機而言，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，電機輸出功率與電機轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩成反比。對于恒轉(zhuǎn)速系統(tǒng)來講，最終的穩(wěn)定狀態(tài)是轉(zhuǎn)速維持恒定，且電機電磁轉(zhuǎn)矩T等于負載轉(zhuǎn)矩T。

當電機負載轉(zhuǎn)矩T增加時，系統(tǒng)要求電磁轉(zhuǎn)矩T增加以平衡負載轉(zhuǎn)矩。由于逆變器輸出功率不能突變，電機調(diào)速系統(tǒng)會犧牲轉(zhuǎn)速以增加電磁轉(zhuǎn)矩T的輸出，因此電機負載轉(zhuǎn)矩T突增瞬間會造成轉(zhuǎn)速的降低[2,3]。

經(jīng)過調(diào)節(jié)后，電機轉(zhuǎn)速維持恒定，輸出電磁轉(zhuǎn)矩T較負載增加前有所增大，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會發(fā)生跌落。隨后控制電路會通過調(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)，整流器動態(tài)響應(yīng)過程完成。

電機負載轉(zhuǎn)矩減小時與負載轉(zhuǎn)矩增加時的動態(tài)響應(yīng)恰好相反。

3 絞車變頻控制器設(shè)計

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）分體絞吸式挖泥船為原型，設(shè)計了一套基于 PLC現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)總線的電機及變頻控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。整個系統(tǒng)以 PLC1200為處理核心，通過PROFINET現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)總線實現(xiàn)了疏浚操縱臺對橫移絞車、橋架、定位樁的遙控操作及相關(guān)參數(shù)指示和報警功能。

對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。對于SINAMIC傳動系統(tǒng)，可以使用STARTER軟件進行設(shè)計和調(diào)試。調(diào)試時變頻器控制程序中電機參數(shù)與實際所驅(qū)動的電機一致，通過此軟件進行靜態(tài)辨識、旋轉(zhuǎn)測量和控制器優(yōu)化等一系列整定后[4,5]，變頻控制器可以分別驅(qū)動單個電機運行。

對于挖泥船類工程船舶，單控電機是不能滿足施工需求的，橫移絞車系統(tǒng)必須具備聯(lián)動控制模式，即通過同一轉(zhuǎn)速手柄指令實現(xiàn)同時控制左右橫移兩臺絞車運行。聯(lián)動模式下，橫移絞車運動狀態(tài)為左放右收或左收右放。

要實現(xiàn)橫移絞車聯(lián)動運轉(zhuǎn)，橫移電機需安裝配套絕對值編碼器和增量編碼器。絕對值編碼器實時反饋絞車卷筒當前絞纜直徑，用以計算卷筒轉(zhuǎn)動線速度。增量編碼器實時反饋絞車電機當前轉(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)動補償轉(zhuǎn)速和編碼器反饋轉(zhuǎn)速，通過PI控制器有效控制，輸出實際轉(zhuǎn)速指令至左右橫移電機，實現(xiàn)左右橫移電機達到聯(lián)動理想狀態(tài)，即挖泥船在聯(lián)動模式下呈扇形回轉(zhuǎn)，同時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)計時，認定橋架、橫移和定位樁絞車采用同型號拖動電機，電機具體參數(shù)如表1所示：

表1 電機參數(shù)

絞車電機額定功率為30 kW，逆變模塊額定功率為32 kW，直流母線掛接三個逆變模塊，整流單元額定功率選定為100 kW。左右橫移兩臺電機分別反饋絕對值編碼器信號和增量編碼器信號，共需要四個編碼器信號接收模塊。

根據(jù)絞車電機配置，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。

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

總轉(zhuǎn)動慣量為40 kgm2的負載有740 rpm減速到靜止，計算其制動額定功率。電機及驅(qū)動：30 kW；電動機額定轉(zhuǎn)矩：382 N·m；重復(fù)周期時間：30 s；最大減速發(fā)生在電動機額定轉(zhuǎn)矩的150%。

最大電機轉(zhuǎn)矩Mmax：

最快的減速時間T：

計算此時需要的制動轉(zhuǎn)矩M：

制動功率P：

由于項目包含三個逆變單元，綜合考慮選取制動單元功率選取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

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

聯(lián)動速度補償控制器是通過采集張緊力完成信號、聯(lián)動指令信號和電機實時轉(zhuǎn)矩信號，通過PIC控制運算，輸出速度補償，聯(lián)動速度補償程序如圖3所示。速度補償是控制系統(tǒng)根據(jù)電機當前轉(zhuǎn)矩進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的重要方式，是實現(xiàn)卷筒轉(zhuǎn)動過程中纜繩保持一定張力的重要手段。其中，電機轉(zhuǎn)矩限制設(shè)置為額定轉(zhuǎn)矩382 N·m，橫移聯(lián)動收纜側(cè)電機轉(zhuǎn)矩保持在230 N·m以下，放纜側(cè)電機轉(zhuǎn)矩在70 N·m上下波動。

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，通過不斷優(yōu)化控制參數(shù)“P gain”和“reset time”，從而實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速有效調(diào)節(jié)，橫移聯(lián)動才可達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)動效果

為測試橫移電機聯(lián)動控制效果，可利用Starter-trace進行曲線跟蹤。曲線跟蹤分別選取左右橫移電機四個參數(shù)值[12]，包括電機轉(zhuǎn)矩值（r80）、電機速度設(shè)定值（r62）、電機編碼器反饋值（r61）和電機速度補償值（r21503）。

圖3 橫移絞車聯(lián)動速度補償器

圖4 橫移絞車轉(zhuǎn)速PI控制器

圖5 橫移聯(lián)動放纜側(cè)VECTOR4電機轉(zhuǎn)矩曲線

橫移聯(lián)動發(fā)生后，試驗曲線圖顯示如圖5、6所示，駕控臺轉(zhuǎn)速手柄輸出轉(zhuǎn)速指令，收纜電機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之間輕微波動起伏；放纜電機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，整個調(diào)節(jié)過程就是橫移聯(lián)動收纜側(cè)和放纜側(cè)轉(zhuǎn)矩變化的過程。

圖6 橫移聯(lián)動收纜側(cè)VECTOR5電機轉(zhuǎn)矩曲線

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

同時對比圖7和圖8，可以看出速度補償曲線和速度設(shè)定值曲線趨勢相同，且橫移聯(lián)動時通過放纜側(cè)VECTOR4電機速度控制實現(xiàn)了左右電機聯(lián)動，同時放纜側(cè)VECTOR4電機扭矩保持70 N·m左右。

圖7 電機轉(zhuǎn)速設(shè)定和反饋曲線圖

圖8 電機速度補償曲線圖

5 總結(jié)

本文針對挖泥船絞車實際操作工況，提出運用共直流母線技術(shù)設(shè)計挖泥船絞車變頻控制系統(tǒng)，采用帶制動單元的書本型多機傳動形式，分別對變頻控制器進行硬件選型和軟件程序編寫，重點實現(xiàn)了橫移絞車“單手柄+雙橫移絞車”的聯(lián)動操作功能。絞車變頻控制系統(tǒng)實際應(yīng)用后，對電機參數(shù)進行實時監(jiān)控，分析電機參數(shù)曲線結(jié)果表明，設(shè)計完成的控制器控制效果良好，手柄轉(zhuǎn)速指令、速度補償值和絞車實際轉(zhuǎn)速運行軌跡能夠進行有效匹配。文中關(guān)于挖泥船絞車變頻控制器的設(shè)計具有一定的研究意義和應(yīng)用價值。

[1] 陳丹. 直流母線下多逆變器負載局域電力系統(tǒng)的研究[D]. 大連: 大連海事大學,電力電子與電力傳動, 2010, 6.

[2] 李生軍. 能力回饋型異步電動機加載測試系統(tǒng)的研究[D]. 大連: 大連交通大學, 電機及其驅(qū)動控制, 2013,6.

[3] 谷孝利. 基于變頻技術(shù)的大型絞吸式挖泥船電力驅(qū)動控制系統(tǒng)研究[D]. 上海: 上海交通大學, 電氣工程, 2011, 12.

[4] 韓龍. 全電力驅(qū)動挖泥船電機系統(tǒng)設(shè)計研究[D]. 上海: 上海交通大學, 電氣工程, 2013. 1.

[5] 吳磊. 錨絞機智能控制系統(tǒng)設(shè)計研究[D]. 南京: 江蘇科技大學, 控制工程, 2013. 6.

[6] 谷孝利, 楊啟, 張國安. “長獅9”自航絞吸挖泥船電力系統(tǒng)設(shè)計[J]. 造船技術(shù), 2015(1): 9-12.

[7] 陳夢. 大型絞吸挖泥船電力驅(qū)動系統(tǒng)研究[D]. 上海: 上海交通大學, 電氣工程, 2013. 2.

[8] A. A. Shavelkin. Analysis of feasibility of asymmetrical cascade multilevel frequency converters [J]. Russian Electrical Engineering. 2018.9: 502-507.

[9] D. V. Krasnow. Control of asynchronous geared motors by means of frequency converters [J]. Metallurgist. 2018.9: 502-507.

[10] 范嘯萍. 現(xiàn)代電力推進船舶電網(wǎng)諧波分析及抑制方法研究[D]. 上海: 上海交通大學, 電氣工程, 2011.

[11] Hodge C G, Mattick D J, Flower J O. Novel Converters for Electric Ship Propulsion System and Shipboard Power Distribution [J]. IEEE Conference Record of Power Modulator Symposium, 2016: 89-96.

[12] 陳大卓. 礦井提升機雙PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)研究[D]. 上海: 上海交通大學, 控制工程, 2009.

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

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