絞吸式挖泥船電力驅動系統建模與仿真研究*

胡 佳 高 嵐 范世東 司宇航 劉恩東

(武漢理工大學船舶動力工程技術交通行業重點實驗室 武漢 430063)

絞吸式挖泥船電力驅動系統建模與仿真研究*

胡 佳 高 嵐 范世東 司宇航 劉恩東

(武漢理工大學船舶動力工程技術交通行業重點實驗室 武漢 430063)

為了研究直接轉矩控制(DTC)調速策略在電力驅動絞吸式挖泥船上的適用性，基于飽和沙二維切削理論建立絞刀切削模型，基于泥泵特性及管道流體力學理論建立泥漿輸送系統模型，在此基礎上基于異步電動機數學模型和直接轉矩控制理論建立絞刀和泥泵電力驅動系統模型.根據施工實際建立仿真模型并基于典型工況對直接轉矩控制系統進行仿真實驗，分析絞吸式挖泥船在典型工況下驅動系統的調速性能和船舶電站的穩定性.仿真結果表明，直接轉矩控制系統具有良好的調速性能，同時能保持電力系統的穩定性，在絞吸式挖泥船疏浚設備驅動系統中有良好的適用性.

絞吸式挖泥船；電力驅動；絞刀和泥泵；直接轉矩控制

0 引 言

絞吸式挖泥船作為一種主要的疏浚設備在港口航道的改良以及各種吹填作業中發揮了巨大的作用.其主要施工設備為絞刀和泥泵，在施工作業過程中需要對絞刀和泥泵進行驅動控制，傳統的驅動方式包括液壓驅動、柴油機直驅和柴油發電機組電驅，而如今電力驅動已逐漸成為設計的主流方向[1].相較于傳統的驅動方式，采用全電力驅動既節省了挖泥船布置空間，又提高了能源利用效率，但是同時也帶來了絞刀和泥泵電機的控制問題.由于絞吸式挖泥船經常需要在不同水域施工作業，因而其施工工況不是一定的，為了保障挖泥船在各種工況下都能有良好的疏浚效率，需要絞刀和泥泵驅動系統具有較好的調速特性和轉矩跟隨性能[2].因而研究分析絞吸式挖泥船電力驅動系統驅動性能對保障其正常作業并提高疏浚效率有很大的意義.

為了研究基于直接轉矩控制(DTC)的異步電動機絞刀和泥泵驅動系統在絞吸式挖泥船上的驅動性能，本文基于飽和沙切削理論及流體力學相關理論分別搭建了絞刀與泥泵及泥漿輸送管道數學模型，基于異步電動機特性和直接轉矩控制理論建立了電力驅動系統模型.在Matlab/Simulink仿真平臺上搭建全電力驅動絞吸式挖泥船電力系統仿真模型，基于典型工況進行仿真實驗，分析該系統的驅動性能和控制效果.

1 絞刀模型

當絞刀切削速度在0.5～5 m/s之間時，此時膨脹現象為影響切削過程的主要因素[3]，可以建立此切削過程的平衡方程：

(1)

(2)

(3)

式中：km為平均滲透率,km≈0.5ki+0.5kmax,ki為初始滲透率,kmax為最大滲透率;Fh為切削力水平分量;Fv為切削力垂直分量;ρw為水密度;g為重力加速度;vc為切削速度;hi為初始切割層厚度;b為刀片寬度;e為體積應變系數.

系數c1，c2為切削系數，其表達式為

c1=

(4)

c2=

(5)

式中：φ為土壤的內摩擦角；δ為泥土表面摩擦角；α為刀片切削角；hb為刀片高度；h為土層厚度.

當切削速度大于5 m/s時，此時切削力取決于開挖水域水深，氣隙壓力和切削力始終保持相等，因此可以得到兩個切削方程：

Fh=d1ρwg(z+10)hib

(6)

Fv=d2ρwg(z+10)hib

(7)

式中：d1,d2為此時切削系數

為了應用二維切削理論對絞刀進行建模分析，需要進行一些假設[4]：①在整個計算過程中參數c1,c2,d1和d2為定值，即平均切削層厚度不變；②絞刀是頂角為ξ的冠狀型絞刀，刀片和絞刀軸之間夾角為ι.

切削層厚度可表示為

hi=himaxsinΩsinξ

(8)

(9)

式中：hi為初始切割層厚度;himax為最大切割層厚度;Ω為絞刀切削元件覆蓋角；vs為橫移速度；n0為絞刀轉速；p為絞刀刀片數.

絞刀頭的假定刀片寬度為

bpr=bcosιcosξ

(10)

式中：bpr為絞刀投影在軸上的刀片寬度.

絞刀切削速度為

vc=vciRcosι+vs

(11)

(12)

式中：vciR為絞刀圓周速度.

絞刀在各個方向的受力情況為

Fa=Fhsinιcosξ-Fvsinξ

(13)

橫移擺動方向的受力為

Fs=FhcosιcosΩ±

(-Fhsinιsinξ+Fvcosξ)sinΩ

(14)

與擺動方向和軸向垂直方向的受力為

Fv=±FhcosιcosΩ-

(-Fhsinιsinξ+Fvcosξ)sinΩ

(15)

對于半徑為R，刀片投影寬度為bpr的絞刀，其瞬時轉矩為

M=FhcosιR

(16)

平均切削力可以對切削范圍角Ω0內絞刀瞬時切削力進行積分再與刀片數相乘獲得[5]，即

(17)

由以上可以得出，當切削速度在0.5～5 m/s范圍內時，可得絞刀轉矩為

(18)

由于絞刀橫移速度vs較小，在計算切削速度vc時可將其忽略不計，此時

vc≈vciRcosι

(19)

(20)

2 泥漿管道疏浚系統模型

絞吸式挖泥船所使用的泥泵一般為離心泵，它靠葉輪帶動液體高速旋轉而將機械能傳給液體.具有結構緊湊、揚程范圍廣、運轉平穩、振動小等優點.

離心泵相似關系為

在進行輸排泥作業過程中，泥漿輸送管道的水頭損失包括四個部分[6]：

1) 吸排泥前后由排高會造成一部分的水頭損失：

H1=Zdβ m

(21)

式中：dβ m為泥漿相對密度；Z為排高.

2) 當泥漿輸送管道在輸送清水時，由水流與管壁相互作用形成的沿程阻力損失為

(22)

式中：λ為磨阻系數；L為管道長度；D為泥泵直徑；v為泥漿流速；g為重力加速度.

對于均勻流體來說，輸送泥漿時的沿程阻力損失H21可以在輸送清水的基礎上進行計算.

H21=H×dm

(23)

式中：H為泥泵的總揚程.

當管道中泥漿為非均勻流體時，單位長度管道的水頭阻力損失為

(24)

式中：vs為顆粒沉降速度；m為根據土質及泥漿濃度所得系數；ds為顆粒直徑；Kd為試驗系數.

3) 由管道鋪設情況引起的局部阻力水頭損失H3為

(25)

式中：ξj為局部阻力系數.

4) 由于管路出口流速大于入口流速，即泥漿在疏浚管道中動能增加，此部分水頭損失H4為

(26)

式中：v2為管道排泥管泥漿流速.

綜上，絞吸式挖泥船輸排泥管道滿足如下方程

∑Δpi=ρmgHt+Δpm+

(27)

由伯努利方程可得

(28)

式中：γ為重度;p1,p2為泥泵進、出口壓力，v1,v2為泥泵進、出口流速;Z1,Z2為泥泵進出口位置距水平面的高度.

通常絞吸式挖泥船泥漿輸送管道出口管徑大于入口管徑，因此泥漿進出口流速不同，但同一管道中流量相同[7]，即

v1A1=v2A2

(29)

式中：A1,A2為不同管段的橫截面積;v1,v2為泥漿流速.

由離心泵性能曲線可知,揚程和管道流量的平方成正比，即

H=kQ2

(30)

挖泥船瞬時產量為

(31)

式中：W為產量值;D1為輸泥管內徑;ρw為水的密度;ρ0為原狀土的密度.

3 異步電機直接轉矩控制

對基于三相靜止坐標系的異步電動機模型進行Clark變換后可得其電壓公式[8]

(32)

式中：α,β對應三相坐標系中空間矢量的α分量和β分量.

由式(32)可得定子磁鏈公式

(33)

電極電磁轉矩公式

Te=np(isβψsα-isαψsβ)

(34)

或：

(35)

式中：Te為電磁轉矩；np為電機極對數;θ為磁通角(rad).

運動公式：

(36)

式中：TL為負載轉矩；J為轉動慣量(kg·m2).

電磁轉矩的生成可看成是定子磁場和轉子磁場相互作用的結果，電磁轉矩可表達為

(37)

式中：ψs為定子磁鏈；θ為定子磁鏈和轉子磁鏈之間的夾角.轉子磁鏈ψr與負載有關，而為保證電機驅動性能，定子磁鏈幅值通常保持不變，則可以通過控制磁通角θ控制電磁轉矩的大小[9].

電機定子電壓方程為

(38)

忽略定子電阻的影響，則有

(39)

所以可以通過外加電壓us來控制定子磁鏈的幅值和轉速.在很短時間內依靠us的作用使定子磁鏈加速旋轉，而這期間轉子速度來不及變化，由此可加大磁通角θ，若保持定子磁鏈的幅值不變，就可以使電磁轉矩增大；若使定子磁鏈反向旋轉，可使電磁轉矩減小.

圖1 異步電動機直接轉矩控制原理圖

本文擬用異步電動機直接轉矩控制系統(DTC)，見圖1.系統組成為速度調節器、滯環比較器、電壓矢量開關表、Clark變換、磁鏈和轉矩觀測器，角度傳感器、電壓源逆變器和異步電動機(ASM).系統將檢測的定子三相電流iABC經過Clark變換后輸入磁鏈和轉矩觀測器，估算出定子磁鏈和轉矩的大小分別與磁鏈和轉矩給定值做比較，其差值分別經過滯環比較器得到磁鏈控制信號Dψ和轉矩控制信號DT，然后根據定子磁鏈位置、轉矩控制信號DT和磁鏈控制信號Dψ，利用電壓矢量開關表選擇響應的電壓矢量控制逆變器開關的通斷，驅動電機運行.其中磁鏈給定信號為常數，轉矩給定信號由實際轉速與給定轉速的差值經速度調節器得到的.該過程將轉矩和磁鏈作為反饋信號，省去復雜的矢量變換，直接控制電磁轉矩，從而達到調速的目的.

4 仿真分析

基于以上分析所得數學模型，在仿真平臺建立全電力驅動絞吸式挖泥船電力系統仿真模型見圖2.

圖2 全電力驅動絞吸式挖泥船電力系統仿真模型

本文以某3 500 m3/h絞吸式挖泥船為母型船，具體參數設置如下：船舶電站由兩臺功率為3 388 kVA的柴油發電機組組成，額定電壓6.6 kV，額定頻率50 Hz，功率因數0.8.絞刀和泥泵電機額定功率為1 500 kVA，額定電壓3.3 kV，額定頻率50 Hz，靜態負載功率為600 kW.疏浚作業系統參數：絞刀為冠狀型，絞刀半徑R=1.34 m，刀片寬度b=0.07 m，刀片與絞刀軸夾角ι=80°，切削系數c1=0.3，體積應變系數e=1，平均滲透率km=10.5×10-5m/s，吸排泥管徑D=900 mm，泥漿體積分數為20%.

4.1 理想工況

圖3 理想工況下挖泥船主要參數曲線圖

當疏浚條件較好且不需要大排距時，此時認為疏浚過程中絞刀的機械轉矩保持不變，吸排泥管中泥漿為均勻流移.仿真時間設為7 s，在1 s時投入靜態負載，在3 s時投入絞刀電機，在5 s時投入單臺水下泥泵電機.仿真結果見圖3.由圖3a)可知，在理想的施工條件下，t=3 s時絞刀電機啟動，絞刀轉速上升，在t=3.1 s時達到穩定值，此時絞刀轉速穩定在31 r/m.同時隨著絞刀轉速的增加，其機械轉矩在轉速穩定同時達到穩定值Tc=5 200 Nm.由圖3d)可知，電機電磁轉矩隨著絞刀機械轉矩的建立在短暫波動后保持在5 200 N·m附近波動.運行過程中電機定子磁鏈幅值穩定在設定值1.5 Wb左右.

由圖3e)可知，在t=3 s時水下泥泵電機啟動，在經0.6s后，在t=5.6 s時管道中泥漿流速達到穩定值vm=3.6 m/s，同時挖泥船的瞬時產量達到W=1 310 m3/h，由于挖泥船實際產量受到不同施工區域土質影響很大，以本文施工對象砂土為例，其孔隙率一般為0.3～0.8，即使是在輸送同樣密度的泥漿時，由于土層孔隙率的差異其產量也大不相同.因而本文仿真實驗中關于挖泥船瞬時產量值只能用來反映其驅動電機的驅動效果，不能精確表示此種工況下的產量值.

以上仿真實驗結果表明，在理想工況下，絞刀和泥泵電機的驅動效果良好，由于直接轉矩控制具有快速響應性能，電機啟動性能良好，在絞刀和泥泵機械轉矩建立時，電機電磁轉矩能快速響應.

4.2 實際工況

在實際施工過程中，疏浚條件往往比較惡劣并且需要大排距.此時疏浚作業過程中，由于開挖條件惡劣，使得絞刀機械轉矩波動，同時由于此時管道內泥漿為非均勻流移，因此在吸排泥過程中泥泵也受到擾動.1 s時投入靜態負載，3 s時投入絞刀電機，5 s同時投入水下泵和艙內泵電機，在絞刀和泥泵運行時對其施加隨機附加轉矩，仿真實驗結果見圖4.

圖4 實際工況下挖泥船主要參數曲線圖

由圖4a)可知，在t=3 s時絞刀電機啟動，同時在絞刀開始轉動時，其機械轉矩受到來自開挖土層的擾動，由于絞刀的機械轉矩受到擾動，而機械轉矩由切削力和切削力臂決定，較刀的切削力臂長度由絞刀的外徑和其形狀決定，在施工過程中可以看作定值，因此當絞刀機械力矩受到擾動時，土壤對其切削反作用力也受到擾動，從而引起絞刀轉速的變化.因此可以得出絞刀的轉速變化與其機械轉矩的變化相反，圖4a)和圖4c)反映出了這一變化關系.由圖4c)～d)可知，當絞刀機械轉矩受到隨機擾動在5 000 N·M附近波動時，電機電磁轉矩也隨著絞刀機械轉矩波動的方向在5 000 N·M附近波動，說明絞刀電力驅動系統跟隨性能良好.當t=5 s時泥泵電機起動，短時間內泥泵轉速上升到額定轉速附近，由于受到管道內非均勻流移對泥泵葉片產生的作用力持續改變的影響，管道內泥漿流速在6.5 m/s附近小幅波動，對應的疏浚系統瞬時產量在3 300 m3/h附近波動，如前所述，此產量值只能反映其驅動特性.圖5為實際工況下絞吸式挖泥船電站主要參數曲線.

圖5 船舶電站主要參數曲線圖

由圖5a)可知，隨著負載的依次投入，發電機組輸出功率依次增加.由圖5a～c)可知，在絞刀和泥泵投入時，電網頻率和發電機端電壓均發生短暫的突降，并快速回復穩定.在發電機端電壓降低的同時，勵磁控制系統提高發電機勵磁電壓以補償端電壓的壓降.當系統進入穩態時，由于負載的投入使得電網電流增大，從而使得電阻壓降增大，發電機端電壓出現穩態偏差.以上電網主要參數的變化情況均符合文獻[10]，可以得出異步電動機DTC系統在全電力驅動絞吸式挖泥船中作為絞刀和泥泵的驅動系統有一定的適用性.

5 結 論

1) 直接轉矩控制系統具有良好的快速響應性能，能較好的適應絞吸式挖泥船施工作業過程中工況的變化.

2) 采用直接轉矩控制策略能在保證船舶電網穩定性的前提下有效的提高疏浚效率，在全電力驅動絞吸式挖泥船上有較好的適用性.

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The Modeling and Simulation Research on the Electric Drive System of Cutter Suction Dredger

HUJiaGAOLanFANShidongSIYuhangLIUEndong

(KeyLaboratoryofMarinePowerEngineeringandTechnology,MinistryofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)

To study the applicability of direct torque control (DTC) strategy in electric drive cutter suction dredger, a cutting model of the cutter based on saturated sand two-dimensional cutting theory and a mud transporting model based on mud pump characteristic and pipeline fluid mechanics theory are established, respectively. Based on the mathematical model of asynchronous motor and direct torque control theory, the cutter and mud pump electric drive system model is established. According to the construction practice, the simulation model is built and simulation experiment is carried out on the DTC system based on typical conditions. The speed performance of electric-drive system and stability of the power station has also been analyzed. The results show that the DTC system has a good speed performance and can maintain the stability of the power system. It’s applicable on the driving system of the dredging equipment of the cutter suction dredger.

cutter suction dredger; electric drive; cutter and mud pump; direct torque control

U664

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.05.032

2017-08-15

胡佳(1991—)：男，碩士生，主要研究領域為輪機仿真及自動化

*國家自然科學基金項目資助(51179144)