船載式AMP電纜卷筒轉矩控制方法

摘要：

為在船舶持續使用岸電的過程中對電纜張力進行有效的監測和控制，研究電纜重力變化和電纜卷筒轉矩變化的數學模型。基于中遠海運科技股份有限公司研制的船載式AMP電纜卷筒CSAMPJCH2，結合通用變頻原理，設計一套卷筒轉矩控制方案。該方案能實現對電纜張力的有效控制。

關鍵詞：

AMP電纜卷筒； 電纜張力分析； 卷筒轉矩控制

中圖分類號： U664.44； TP273

文獻標志碼： 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運行對港口造成大量的氣體排放污染。隨著全球環境的惡化以及人們環保意識的提升，各領域逐步開始采取節能減排措施，研發節能減排技術。船舶岸電技術是航運領域新興的關鍵技術，對船舶廢氣的減排、港口城市環境的改善和船員工作生活質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的重要接口。如果在使用電纜的過程中無法對電纜張力進行有效監控，有可能發生電纜毀損事件，從而導致嚴重的安全問題，因此必須對岸電持續使用過程中電纜張力的變化和電機的轉矩控制進行研究和設計。目前大部分有關電纜的研究是基于由磁滯離合器或轉矩電機組成的電纜卷筒驅動系統進行的，如：祝鵬輝[1]分析了岸橋供電電纜扭曲變形，認為磁滯式電纜卷筒纏繞方式導致了電纜受力不均，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致松纜的問題，將電機更換為帶電磁制動器的電機用于轉矩補償；武世鵬[3]用粗略的數學模型近似計算電纜轉矩，以確定轉矩電機的技術參數。隨著變頻技術的廣泛應用，針對變頻驅動電纜卷筒的研究也已經展開，如：徐秀桃等[4]在分析磁滯離合器、轉矩電機、液力耦合器等3種電纜驅動系統優劣的基礎上提出了使用變頻器驅動電纜卷筒，以保證更精確的轉矩輸出。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矩控制系統，以達到快速響應、輸出更精準的轉矩的目標，有效解決電纜扭曲、破皮、扯斷等問題。

1系統組成及控制模式

本文的研究基于中遠海運科技股份有限公司研制的船載式AMP電纜卷筒CSAMPJCH2，該系統主要由電纜卷筒鋼結構、集電環總成、高壓插頭及電纜、導纜架液壓驅動系統、電纜卷筒驅動系統等5個部分組成。本文主要研究岸電持續使用過程中電纜張力及所需轉矩的變化問題，并確定電纜卷筒電機的轉矩控制方法。

電纜卷筒驅動系統由鏈輪傳動系統、交直軸減速機、變頻電機、變頻器等組成。變頻器采用轉速控制模式和轉矩控制模式對電機進行調速控制；交直軸減速機與鏈輪傳動系統相互配合將電機輸出轉速降低、輸出轉矩放大[5]。整個傳動系統由一套PLC控制，各種控制器與限位開關的配合能夠有效地實現電纜卷筒手動收纜放纜、自動電纜控制、系統聯鎖和監測報警，見圖1。

船載式AMP電纜卷筒CSAMPJCH2的運行有手動和自動兩種模式，分別應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行收纜和放纜動作，電纜卷筒能夠根據確定的頻率恒轉速運行。此時變頻器運行在轉速控制模式，采用矢量控制方式對電機進行調速控制。矢量控制的基本原理是通過測量和控制異步電機定子電流矢量，根據磁場定向原理分別對電機的勵磁電流和轉矩電流兩個分量的幅值和相位進行控制，顯著改善交流傳動系統的動態特性[6]。當電纜插頭與岸電箱連接后，電纜卷筒運行模式可切換至自動模式。此時驅動系統能夠持續輸出轉矩，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損；電纜張力過小會導致電纜不規則形變，甚至造成掉纜的事故。船舶停靠港口過程中風浪、潮汐變化以及裝卸貨作業都會造成船舶吃水的變化，從而導致電纜的松緊變化，此時電纜張力控制器也會做出有效響應。船載式AMP電纜卷筒CSAMPJCH2創新性地以電機變頻驅動技術取代了傳統的液力耦合器來實現電纜張力的調節，解決了傳統的液力耦合器存在的制造和維護成本高、張力調節難度大、動態響應缺失等問題；變頻器運行在轉矩控制模式，采用直接轉矩控制方式，對電機轉矩進行調節控制。

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，應嚴格按照岸電系統使用規范和船用電纜卷筒操作手冊進行電纜連接作業和船舶并網作業。首先，將電纜卷筒的導纜架下放到位。導纜架的作用是將電纜引導出船舷并保證把電纜安全下放至泊位的岸電箱。導纜架上的輥軸能夠使電纜在導纜架上平滑移動，避免摩擦造成的電纜護套層磨損。然后，將手持式操作盒上的旋轉開關置于手動模式，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，導纜架最外側輥軸對電纜起到支撐和導向作用。由于導纜架輥軸可以靈活轉動，故可以將其類比為一個理想定滑輪。根據定滑輪系統理論可以得出，輥軸給予電纜一個支撐力N，方向沿著導纜架延長線方向。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

電纜卷筒驅動系統的轉矩控制以電纜內部張力的監測為基礎，輸出轉矩能夠實時隨電纜張力的變化而變化，保證電纜受力均勻。實際情況下電纜內部的張力難以監測，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行的。根據卷筒結構和卷纜工況，可以采用阿基米德螺旋線數學模型對卷筒工作時的運動狀態進行建模。阿基米德螺旋線也稱等速螺線，是一個點勻速離開一個固定點的同時以固定的角速度繞該固定點轉動而產生的軌跡。阿基米德螺旋線與電纜卷筒收纜和放纜時電纜的運動軌跡類似，因此用阿基米德螺旋線模型對電纜卷繞運動進行建模。

表1為電纜卷筒和高壓船用電纜的技術參數。將各參數與螺旋線弧長計算公式中的參數一一對應并代入公式，其中電纜直徑等效為電纜卷筒每旋轉一圈極徑增加的長度，則公式中的b=d/2π。電纜是沿卷筒內圈開始卷繞而并不是從極點開始的，因此可以認為卷纜是從第8圈開始的，經過計算可得船舷外電纜長度與卷筒旋轉角度的關系，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角度并不是嚴格的一次函數關系，其關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半徑正相關，即放出的電纜越多，卷筒上纏繞的電纜越少，卷筒上的電纜旋轉半徑越小，曲線的斜率相應變小。

以實際產品為例，采用的電纜規格為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取9.8 N/kg。電纜所受重力公式可進一步整理為

2.3自動模式下卷筒所需最小轉矩的計算

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

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，卷筒所需最小轉矩與旋轉角度之間不是一次函數關系，其關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上升形態不同的是，隨著電纜放出的長度越來越長，卷筒所需最小轉矩會先變大后變小。

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

3控制方法

3.1變頻器直接轉矩控制原理

隨著現代電力電子技術的迅猛發展和變頻控制理論的逐步完善，變頻器的性能越來越強而成本越來越低，越來越多的交流傳動系統采用變頻驅動控制。變頻器按照其主電路結構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）、轉差頻率控制、矢量控制和直接轉矩控制等[7]。

V/f控制是最簡單的異步電機（以下簡稱電機）變頻調速方式，變頻器只需對V/f特性、工作頻率、頻率升降時間等參數進行設置，就可以實現平滑的電機轉速調節。V/f控制可以滿足一般調速需要，但其動態、靜態性能還很有限。

轉速閉環控制的基本方法是在調速系統外環設置轉速調節器，以轉速調節器的輸出作為轉矩給定信號。如果保持氣隙磁通不變，電機的轉矩就近似與轉差頻率成正比，因而控制轉差頻率就能控制轉矩[6]。轉差頻率控制能夠在一定程度上控制電機轉矩，但它依據的是穩態模型，并不能真正控制動態過程中的轉矩，從而得不到很理想的動態控制性能。

矢量控制理論使交流電機控制理論獲得第一次質的飛躍，其基本原理為：以轉子磁鏈這一旋轉空間矢量為參考坐標，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，代表定子電流轉矩分量），然后分別進行獨立控制，獲得像直流電機一樣良好的動態特性[8]。理論上，矢量控制方法可以使電機傳動系統的動態特性得到顯著改善，但也存在坐標變換復雜、轉子磁鏈難以準確觀測等問題。

直接轉矩控制是繼矢量控制變頻調速技術發展起來的一種新型的高性能交流變頻調速技術。它相對于其他控制具有以下特點：

（1）直接轉矩控制是在定子坐標系下分析交流電機的數學模型的，控制電機的磁鏈和轉矩，因此省掉了矢量旋轉變化等復雜的變換與計算，信號處理簡單。

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

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

大部分變頻器采用交直交結構，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元件搭建而成，主要利用開關元件在不同條件下的導通和關斷特性將輸入的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，從而輸出平穩的直流電。直流電路還會加入直流監測電路、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導通，而在IGBT門極施加反向電壓可消除溝道，使IGBT關斷。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導通角，使每橋上、下橋臂交替導通。控制回路主要由控制器、A/D和D/A轉換電路、I/O接口電路、保護電路等組成，其主要作用有：采集主電路中必要的電流電壓信號；給IGBT提供必要的驅動電壓；為主電路提供必要的監測和保護功能。控制回路原理框圖見圖7。

3.2電纜卷筒轉矩控制方法設計

本文提出的電纜卷筒轉矩控制方法設計主要包含硬件和軟件兩個方面的設計，設計依據為第2節電纜卷筒所需最小轉矩與旋轉角度的函數關系，以及變頻器直接轉矩控制的工作原理。

轉矩控制的硬件部分主要由PLC、變頻器、卷筒電機、凸輪限位開關、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，進行轉矩控制邏輯運算，同時向變頻器輸出開關量信號和模擬量信號。

變頻器：根據PLC傳輸的信號，經過定制宏程序的算法計算，向電機輸出驅動信號。

凸輪限位開關：通過鏈輪傳動系統與電纜卷筒連接，凸輪限位開關與卷筒始終保持不變的速比，即卷筒旋轉12圈，凸輪旋轉一圈（依據船載式AMP電纜卷筒CSAMPJCH2的技術參數），則凸輪旋轉角度與第2節中的卷筒旋轉角度存在1∶12的比例關系。

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角度的大小，經過改裝可以將角度編碼器中軸與凸輪開關聯結，則角度編碼器中軸的旋轉角度與凸輪的旋轉角度保持同步變化，數值為卷筒旋轉角度的1/12。角度編碼器能夠將4～20 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控制系統能夠及時向驅動電機輸出驅動電流，實現有效的轉矩跟蹤。轉矩控制的軟件執行流程見圖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角度，對比每放纜一圈的角度劃分判斷當前位置。然后，使用電纜卷筒轉矩變化數學模型計算電纜卷筒的轉矩參數，根據工況，綜合考慮機械阻尼、電纜可承受最大拉力等因素對轉矩參數進行修正，作為最終轉矩輸出。修正后的轉矩輸出量會以一定比例超出計算值，以防止掉纜情況發生，但不會超過電纜可承受的最大拉力。這樣，如果電纜實際張力大于卷筒輸出轉矩，電纜會被緩慢拉出，從而避免了張力持續升高導致的電纜被扯斷情況的發生。最后，將輸出轉矩比例放樣成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海運科技股份有限公司專門為電纜卷筒研發的控制宏程序，變頻器配置了多個數字量和模擬量接口：當變頻器接收到PLC傳來的“運行”“自動”等信號時，變頻器運行在自動模式（即直接轉矩控制模式）；當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生響應轉矩需要輸出的驅動電流，驅動電機運行。在自動模式下，PLC每個工作周期均進行信號輸入、輸出和運算工作，這就保證了電纜卷筒驅動系統能夠實時監測和調控驅動電機的輸出轉矩，以達到轉矩控制的最終目標。

4結束語

通過對船載式AMP電纜卷筒CSAMPJCH2的組成和結構的分析，建立了電纜卷筒在自動模式下所需轉矩的計算模型，為變頻驅動系統的控制方法及參數設置提供了參考和指導。通過對變頻控制和直接轉矩控制原理的研究，同時結合電纜卷筒獨特的使用工況，對自動模式下電纜卷筒轉矩控制的方法進行了設計，使驅動系統轉矩輸出能夠隨工況和電纜長度的變化而快速、準確地響應。

參考文獻：

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[5]劉善斌， 吳天裕. 船載式AMP電纜卷車控制管理系統研究[J]. 船電技術， 2016， 36（11）： 6266.

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（編輯賈裙平）