鋪管船錨機(jī)大功率變頻電機(jī)的控制原理及仿真

張 蓬,閆國(guó)帥,趙宏林,張 宏

(中國(guó)石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院,北京102249)

鋪管船錨機(jī)大功率變頻電機(jī)的控制原理及仿真

張 蓬,閆國(guó)帥,趙宏林,張 宏

(中國(guó)石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院,北京102249)

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

鋪管船;錨機(jī);動(dòng)力系統(tǒng);模擬

國(guó)內(nèi)外淺水鋪管船的動(dòng)力系統(tǒng)大多采用恒張力 錨機(jī)來實(shí)現(xiàn)對(duì)船身的平穩(wěn)控制。淺水鋪管船上一般設(shè)有8～12臺(tái)恒張力錨機(jī)。針對(duì)每一臺(tái)錨機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)和剎車系統(tǒng)進(jìn)行控制,可以達(dá)到對(duì)每一條錨纜的恒張力收放控制。通過對(duì)這些恒張力錨機(jī)的收放錨纜的集中控制,并配合鋪管工藝和鋪管進(jìn)度,可建立鋪管船的系泊控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)鋪管船在工作水域精確定位,使鋪管船沿著設(shè)計(jì)的軌跡前進(jìn)或后退,并通過錨機(jī)的變速制動(dòng)系統(tǒng)保證合適的行進(jìn)速度,完成鋪管作業(yè)。

與普通船舶上用的收放纜錨機(jī)相比,淺水鋪管船上錨機(jī)的載荷較大。例如,德國(guó)Hatapa錨機(jī),鋼絲繩直徑為40～114 mm,最大轉(zhuǎn)矩8 150 k N·m,最大拉力2 000 k N。挪威Aker Kvaerner公司生產(chǎn)的錨機(jī),其錨機(jī)控制系統(tǒng)可完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制,錨機(jī)負(fù)載能力從1 720 k N到8 120 k N。國(guó)內(nèi)708所為中海油設(shè)計(jì)的海洋石油2020號(hào)淺水鋪管船所用錨機(jī)負(fù)載能力為1 100 k N。

目前,國(guó)內(nèi)外采用高中壓大功率變頻電機(jī)為這些大轉(zhuǎn)矩錨機(jī)提供動(dòng)力。這類電機(jī)價(jià)格昂貴,在設(shè)計(jì)這些錨機(jī)的恒張力控制系統(tǒng)之前,有必要先對(duì)錨機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行分析及驅(qū)動(dòng)仿真建模,并通過對(duì)錨機(jī)電機(jī)的仿真調(diào)速控制,可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)錨機(jī)的恒張力仿真控制。

1 錨機(jī)控制基本參數(shù)

對(duì)錨機(jī)恒張力控制的實(shí)現(xiàn),是保障鋪管船動(dòng)力和定位的關(guān)鍵技術(shù)。錨機(jī)的恒張力控制主要是通過對(duì)主電機(jī)的正反轉(zhuǎn)變頻調(diào)速控制及錨機(jī)的剎車控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。本文以拉力為1 100 k N的恒張力錨機(jī)為例,基本控制指標(biāo)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(zhǎng)為7.665 m。當(dāng)?shù)?層繩速為0～42 m/min時(shí),卷筒轉(zhuǎn)速n1=0～5.5 r/min;當(dāng)?shù)?層繩速為0～186 m/min時(shí),卷筒轉(zhuǎn)速n2=0～24.2 r/min。

低速時(shí)繩的拉力為1 100 k N,卷筒的轉(zhuǎn)矩M1max=1 100×1.22=1 342 k N·m。

高速時(shí)繩的拉力為210 k N,卷筒的轉(zhuǎn)矩M2max=210×1.22=256.2 k N·m。

2 錨機(jī)電機(jī)工作狀態(tài)分析

1 100 k N錨機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的主電機(jī)為1臺(tái)大功率高壓變頻交流電機(jī),在鋪管船移動(dòng)過程中,錨機(jī)電機(jī)正轉(zhuǎn),其轉(zhuǎn)矩通過傳動(dòng)軸、變速箱、傳動(dòng)齒輪傳遞到滾筒上,使?jié)L筒轉(zhuǎn)動(dòng),并使得鋪管船進(jìn)行恒張力收纜移位。正常移位條件下,電機(jī)在設(shè)定速度下運(yùn)行,輸出轉(zhuǎn)矩在設(shè)定范圍內(nèi)。安裝在電機(jī)主軸上的編碼器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速。安裝在船甲板出繩口位置的張力傳感器則實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(jī)的正反轉(zhuǎn),從而做到鋼絲繩張力實(shí)時(shí)閉環(huán)控制以及恒張力控制。因風(fēng)浪等原因造成作用在鋼絲繩上的外力增大時(shí),若鋼絲繩張力超過設(shè)定的允許范圍,則交流電機(jī)高速收纜,減小鋼絲繩所受張力,使之保持在安全范圍內(nèi);當(dāng)鋼絲繩所受海況外力減小時(shí),其張力減小,若張力大小不在設(shè)定張力范圍內(nèi)時(shí),電機(jī)低速收纜,增大鋼絲繩所受張力,使之保持在安全范圍內(nèi)[2-3]。所以,在鋪管過程中電機(jī)通過速度的變化來調(diào)節(jié)鋼絲繩張力大小,保持鋼絲繩恒張力,即電機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩輸出。同理,在鋪管船拋錨放纜過程中,電機(jī)根據(jù)檢測(cè)到的鋼絲繩張力大小調(diào)頻變速正反轉(zhuǎn)。在錨機(jī)工作停車,即鋪管船位置保持時(shí),錨機(jī)電機(jī)又根據(jù)檢測(cè)到的鋼絲繩張力大小進(jìn)行小幅正反轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)。當(dāng)錨機(jī)駐車時(shí),電機(jī)斷電停轉(zhuǎn)。當(dāng)錨機(jī)遇特殊情況需緊急制動(dòng)時(shí),錨機(jī)電機(jī)在短時(shí)間內(nèi)仍處于正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)狀態(tài),但持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng),以防電機(jī)燒毀。

3 錨機(jī)電機(jī)控制方式

在工作過程中,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要克服風(fēng)浪對(duì)鋼絲繩的影響,通過調(diào)節(jié)收放纜速度使鋼絲繩所受張力在允許范圍內(nèi),使電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩輸出。控制電機(jī)速度的模式有多種,其中應(yīng)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(shí)現(xiàn)起來相對(duì)較為容易,而且在僅要求穩(wěn)態(tài)性能的場(chǎng)合能夠勝任大范圍內(nèi)的調(diào)速任務(wù),恒壓頻比控制(V/F控制)成為交流電機(jī)控制方法中應(yīng)用最廣泛的變頻調(diào)速技術(shù)。保證轉(zhuǎn)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(jī)的主磁通額定值不變,是異步電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制時(shí)的理想狀態(tài)。在相同轉(zhuǎn)子電流下,如果電機(jī)的負(fù)載能力過弱,就是電機(jī)磁場(chǎng)磁通太弱,造成電機(jī)鐵心利用不充分,使得磁場(chǎng)電磁轉(zhuǎn)矩過小,若磁通太強(qiáng),就會(huì)導(dǎo)致勵(lì)磁電流過大,電機(jī)鐵芯熱損將增大,導(dǎo)致輸出效率下降,最終造成繞組絕緣度降低,甚至燒毀電機(jī)。

定子繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是定子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁力線產(chǎn)生定子繞組電動(dòng)勢(shì)的本質(zhì)。由此可知,三相異步電機(jī)定子每相電動(dòng)勢(shì)的有效值為[5]:

式中:E1為定子每相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(duì)和進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?主磁通φM的額定值便可保持不變。

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

3.2 矢量控制

由電機(jī)學(xué)原理可知,電機(jī)轉(zhuǎn)速與氣隙磁通、轉(zhuǎn)子電流與功率因數(shù)都有著密不可分的關(guān)系,而這些量對(duì)拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩有著重要作用。為了對(duì)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁通進(jìn)行解耦控制,得到類似于直流電機(jī)的模型,可將異步電機(jī)的三相量變換到d-q坐標(biāo)系上,實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)從三相到二相的變換和旋轉(zhuǎn)變換,其中d-q坐標(biāo)系是同步旋轉(zhuǎn)并且定向到轉(zhuǎn)子磁通上的?？刂破髟O(shè)計(jì)和磁鏈觀測(cè)兩部分組成了異步電機(jī)典型的矢量控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)很大程度上取決于控制器的性能。在磁鏈和轉(zhuǎn)矩的解耦控制中起著至關(guān)重要作用的是磁鏈觀測(cè),這是矢量控制的關(guān)鍵所在。PI/PID調(diào)節(jié)、線性二次型最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、H∞控制等是應(yīng)用于異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的控制方式,這些控制方式各有自己的優(yōu)點(diǎn)和局限性[6]。

定、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)及其夾角共同影響著交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩,由此可知,檢測(cè)和控制定、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁鏈便可控制交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。為了將靜止坐標(biāo)系中的各交流量轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直流量,把d-q坐標(biāo)系放置于同步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)上,這就是應(yīng)用于磁場(chǎng)定向矢量控制系統(tǒng)中的同步旋轉(zhuǎn)的d-q變換,其中,d軸與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向重合,轉(zhuǎn)子磁鏈q軸分量ψrq=0。

基于異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型與三相到二相坐標(biāo)變換,可得轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子磁鏈在d、q軸上的投影;Ls為定子在d-q坐標(biāo)系上的自感;Lr為轉(zhuǎn)子在d-q坐標(biāo)上的自感;Lm為定子與轉(zhuǎn)子之間在d-q坐標(biāo)系上的互感;isd、isq為定子電流在d、q軸上的投影;ird、irq為轉(zhuǎn)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(cè)的轉(zhuǎn)子繞組電阻、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子電流;ωi、ωs為異步電機(jī)的同步角頻率和轉(zhuǎn)差角頻率。

轉(zhuǎn)矩方程為:

綜上分析,帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。本系統(tǒng)按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向,分為轉(zhuǎn)速控制子系統(tǒng)和磁鏈控制子系統(tǒng),其中轉(zhuǎn)速控制子系統(tǒng)與直流調(diào)速系統(tǒng)類似采用了串級(jí)控制結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)速控制子系統(tǒng)中設(shè)置了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(PI),轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)取自于電機(jī)軸上的測(cè)速傳感器。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出作為內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器(PI)的給定值,轉(zhuǎn)矩反饋信號(hào)取自轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器。在磁鏈控制子系統(tǒng)中,設(shè)置了磁鏈調(diào)節(jié)器(PI),其給定值由函數(shù)發(fā)生器給出,磁鏈反饋信號(hào)來自于磁鏈觀測(cè)器。

圖1 矢量控制系統(tǒng)框圖

4 錨機(jī)動(dòng)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(qū)動(dòng)電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩控制模型,電機(jī)采用V/F控制模式的變頻控制,外部信號(hào)模擬鋼絲繩在收放纜過程中受力變化情況。

圖2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩控制模型

錨機(jī)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(dòng)信號(hào)與錨機(jī)自身負(fù)載信號(hào)相綜合,故選取諧波信號(hào)來模擬外部負(fù)載。因?yàn)殄^機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩通過傳動(dòng)系統(tǒng)最終傳遞到滾筒,故在不影響最終仿真結(jié)果的前提下,將傳動(dòng)系統(tǒng)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,用軟件庫中的增益模塊代替?zhèn)鲃?dòng)比。由所選電機(jī)參數(shù)可知,錨機(jī)電機(jī)基頻工作點(diǎn)在50 Hz。根據(jù)外部負(fù)載情況,錨機(jī)電機(jī)可在基頻以下作恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行,在基頻以上作恒功率運(yùn)行。

4.2 矢量控制模型

根據(jù)矢量控制原理以及錨機(jī)電機(jī)負(fù)載情況,利用AMESim軟件元件庫中的信號(hào)控制庫和電機(jī)及驅(qū)動(dòng)庫中的相關(guān)元件,搭建的錨機(jī)驅(qū)動(dòng)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(zhuǎn)速雙閉環(huán)模型。模型中有兩輸入信號(hào)分別為磁鏈設(shè)定指令1和轉(zhuǎn)速設(shè)定指令9。在磁鏈控制環(huán)中,磁鏈設(shè)定指令1的設(shè)定值ψ*通過磁鏈雙閉環(huán)控制和磁鏈調(diào)節(jié)器2、電流PI調(diào)節(jié)器3,獲得旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的定子勵(lì)磁電壓分量u*d。在轉(zhuǎn)速控制環(huán)中,轉(zhuǎn)速指令9的設(shè)定轉(zhuǎn)速通過轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制和速度PI調(diào)節(jié)器10、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器11、電流PI調(diào)節(jié)器12,便可得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的定子轉(zhuǎn)矩電壓分量u*q。

將獲得的u*d和u*q坐標(biāo)變換模塊轉(zhuǎn)化為三相定子坐標(biāo)系中的電壓u*A、u*B和u*C,再經(jīng)過信號(hào)電流轉(zhuǎn)換模塊5轉(zhuǎn)化成三相交流電電流,電流經(jīng)電流測(cè)量模塊6送至電機(jī)模塊7,從而帶動(dòng)外部負(fù)載8運(yùn)轉(zhuǎn)。

5 錨機(jī)電機(jī)參數(shù)的選擇

由錨機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理可知,在收放纜過程中,驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過速度變化改變鋼絲繩張力值,在有風(fēng)浪的環(huán)境中作業(yè)時(shí),電機(jī)需不斷地調(diào)節(jié)運(yùn)行速度,保持鋼絲繩張力在允許范圍內(nèi)。采用變頻控制模式對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制,控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集張力信號(hào),通過變頻器控制電機(jī)的速度。以德國(guó)西門子公司生產(chǎn)的型號(hào)為1LA4500-6CV的變頻調(diào)速電機(jī)作為仿真對(duì)象,結(jié)構(gòu)型式IMB3。電機(jī)參數(shù)為:

電源 2.3～6.6 k V,50 Hz

功率 P′=1 080 k W

額定轉(zhuǎn)矩 M′e=10 365 N·m

額定轉(zhuǎn)速 n′e=995 r/min

最高轉(zhuǎn)速 n′max=2 100 r/min

帶編碼器及測(cè)溫元件,絕緣等級(jí)F,防護(hù)等級(jí)IP55,過載能力150%。電機(jī)具有調(diào)速范圍寬低速轉(zhuǎn)矩大,低速、高速都可以長(zhǎng)期運(yùn)行的特點(diǎn)[8]。

由錨機(jī)設(shè)計(jì)要求及減速器傳動(dòng)比可得:當(dāng)變速制動(dòng)器1剎車,變速制動(dòng)器2松開時(shí),i2=171.68 A;變速制動(dòng)器2剎車,變速制動(dòng)器1松開時(shí),i1=74.24 A。

1) 低速收繩時(shí)

傳遞到滾筒上的最大轉(zhuǎn)矩(不考慮效率損失)

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

此時(shí)滾筒的最高轉(zhuǎn)速ndmax為:

ndmax=n′e/i2=995/171.68=5.79 r/min

圖3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)矢量控制AMESim模型

2) 高速收繩時(shí)

當(dāng)滾筒高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),滾筒的轉(zhuǎn)速為n高=24.26 r/min,此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為:

電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩為:

傳遞到滾筒的轉(zhuǎn)矩為:

與錨機(jī)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(jī)可以滿足錨機(jī)的轉(zhuǎn)矩及速度要求。

6 錨機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

錨機(jī)電機(jī)在工作過程中,要實(shí)時(shí)根據(jù)風(fēng)浪狀況調(diào)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(jī)的恒轉(zhuǎn)矩輸出。同時(shí),錨機(jī)電機(jī)有處于低速堵轉(zhuǎn)運(yùn)行的工況,同樣為電機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩輸出。所謂的恒張力是使張力維持在允許的范圍內(nèi),當(dāng)鋼絲繩所受張力超過這個(gè)范圍,電機(jī)才通過速度變化對(duì)張力值進(jìn)行調(diào)節(jié),所以在對(duì)錨機(jī)電機(jī)控制過程中,采取較為簡(jiǎn)單的V/F控制模式對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié),進(jìn)而控制張力值。按照錨機(jī)設(shè)計(jì)要求,以鋼絲繩受力1 100 k N,外部負(fù)載力矩為1 342 k N·m,即錨機(jī)低速收繩工況做仿真分析。仿真參數(shù)設(shè)置如表1。

將相應(yīng)仿真參數(shù)帶入錨機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)V/F控制模式AMESim仿真模型,運(yùn)行后得出的仿真曲線如圖4～7所示。

1) 圖4為外負(fù)載變化模擬曲線信號(hào)(即外部負(fù)載總力矩變化模擬),為分析簡(jiǎn)便起見,外部負(fù)載變化模擬曲線采取正弦波為基波,設(shè)定正弦波周期為2 s,在每個(gè)周期加入干擾信號(hào)的形式來模擬錨機(jī)外部負(fù)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(fù)載原始狀態(tài)曲線,其波動(dòng)范圍在-1 360～1 360 k N·m。曲線2為經(jīng)過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞到錨機(jī)電機(jī)傳動(dòng)軸上的外負(fù)載,其波動(dòng)范圍在-7 791～7 790 N·m。符合錨機(jī)控制要求的外負(fù)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(jié)果可以看出,電機(jī)通過初始1.5 s的啟動(dòng)時(shí)間,其轉(zhuǎn)速進(jìn)入小幅波動(dòng)穩(wěn)定狀態(tài),其波動(dòng)范圍在998～1 010 r/min。由圖7可知,收繩速度波動(dòng)范圍在0.67～0.70 m/s。故可知,錨機(jī)電機(jī)通過調(diào)整其轉(zhuǎn)速,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)收繩速度不斷的變化。

圖5 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速曲線

3) 圖6為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩變化曲線。在初始啟動(dòng)的1.5 s內(nèi),電機(jī)剛通電還沒有轉(zhuǎn)起來,電流比正常工作的時(shí)候大,所以這時(shí)候轉(zhuǎn)矩也比較大,最大值達(dá)到11 300 N·m,即鋼絲繩所受張力有波動(dòng)。1.5 s過后,電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)矩輸出平穩(wěn),實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋼絲繩的恒張力控制,其轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩1 342 k N·m。

圖6 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)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(jī)電機(jī)仿真結(jié)果符合錨機(jī)控制要求,即采用V/F控制模式控制此錨機(jī)電機(jī),能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鋼絲繩的恒張力控制。

當(dāng)錨機(jī)拋錨放繩時(shí),電機(jī)脫開驅(qū)動(dòng)在額定工況下工作,此時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn),但其轉(zhuǎn)矩大小范圍不變,外負(fù)載轉(zhuǎn)矩范圍大小也不變。由比圖4與圖6可知,此時(shí)電機(jī)自身轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)小于外負(fù)載轉(zhuǎn)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(jī)的無效運(yùn)轉(zhuǎn)。

7 結(jié)語

本文在對(duì)淺水鋪管船錨機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上,利用AMESim仿真軟件建立了錨機(jī)電動(dòng)機(jī)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(duì)輸出拉力為1 100 k N恒張力錨機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。通過將實(shí)際的電機(jī)參數(shù)帶入仿真模型后的仿真結(jié)果表明,此分析方法為大功率變頻電機(jī)的選型及仿真調(diào)速控制并配合錨機(jī)剎車控制系統(tǒng)對(duì)錨機(jī)鋼絲繩的恒張力控制提供了一種有效的手段。

隨著我國(guó)海洋石油開采的發(fā)展,亟需研制適合我國(guó)海域的鋪管船錨絞車。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)是錨絞車的兩種驅(qū)動(dòng)方式。設(shè)備的大型化和自動(dòng)化程度的提高,將使得電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式優(yōu)勢(shì)突出,電動(dòng)驅(qū)動(dòng)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(jī)主要部件的設(shè)計(jì)分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2010,39(5):23-26.

[2] 趙宏林,何寧,徐祥娟,等.鋪管船用錨機(jī)剎車系統(tǒng)研究[J].機(jī)電工程技術(shù),2010,39(7):40-42.

[3] 胡鵬飛,劉玉君.工程作業(yè)船舶定位錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析[J].中國(guó)水運(yùn),2009,(12):26-27.

[4] 李家榮.異步電機(jī)兩種矢量控制方式的仿真[J].變頻器世界,2005(02):41-44.

[5] 李永東.交流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[6] 毛曉英,羅文廣.基于 MATLAB/SIMULINK的異步電動(dòng)機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)仿真[J].東北電力技術(shù),2004,25(1):14-17.

[7] 李鐵才,杜坤海.電機(jī)控制技術(shù)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2000.

[8] Jason I Gobat,Mark A Grosenbaugh.A simple model for heave-induced dynamic tension in catenary moorings[J].Applied Ocean Research,2001,23(3):159-174.

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(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)課題(2006AA09A105);國(guó)家自然科學(xué)基金“油氣管道受阻瞬態(tài)流時(shí)空演化規(guī)律及智能控制方法研究”(50905186)項(xiàng)目支持

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