下水式升船機傳動系統快速適應變載技術的設計與實現

徐揚帆，李 彬，路明明，鄭 超

下水式升船機傳動系統快速適應變載技術的設計與實現

徐揚帆1，李 彬2，路明明1，鄭 超1

（1.中國船舶重工集團武漢船舶工業有限公司，武漢 430022；2.武漢長海高新技術有限公司，武漢 430223）

下水式升船機在出入水過程中載荷變率大，為實現多機傳動系統載荷均衡分配，快速適應變載技術對升船機傳動系統尤為至關重要。本文對下水式升船機快速適應變載技術進行了研究。介紹了具體的控制方案，并對該方案的性能進行了測試。實驗結果表明該控制方案擾動小、動態過程性能好，能實現快速載荷均衡分配的功能，具有良好的工程應用前景。

下水式升船機 載荷變率大 載荷均衡分配

0 引言

下水式升船機在運行過程中，會出現各種不穩定性的因素，主要表現在如下幾個方面：

1）基于升船機承船廂出入水過程中涉及到的水動力特性規律，承船廂受到水體的吸附力、浮力等附加載荷，致使承船廂側載荷發生變化，會出現不同的運行狀態以及電機負載劇烈變化的現象；

2）由于機械同步軸的柔性和齒輪間隙對電氣傳動系統的影響，船廂在出入水過程中會造成同步軸的扭振，破壞主電氣傳動系統的穩定；

3）當電動機、電氣傳動裝置、機械同步軸出現故障時，控制對象的特性會發生變化，易引起負載擾動造成系統不穩定。

因此，針對下水式升船機負載載荷變率大、不穩定等特點，通過開展電氣傳動系統快速適應變載控制系統的研究，具有重要的意義。

1 多機傳動負載載荷均衡控制方案比較

下水式升船機的船廂驅動機構主電氣傳動系統的控制對象是一個典型的多機傳動的機械系統，采用同步軸剛性連接形成一個封閉區域，通常可采用如下控制策略：

1）“共用速度環+轉矩跟隨”方案

一臺傳動裝置運行在速度模式，其余傳動裝置運行在轉矩模式，通過轉矩跟隨實現負載載荷的均衡控制。本方案的優點是：技術成熟易實現、動態性能好；缺點是運行在速度模式的傳動裝置出現故障后，系統無法繼續運行。

2）“速度偏差+轉矩限幅”方案

主、從傳動裝置都工作在速度模式。各傳動裝置的速度給定值相同，僅在從傳動裝置的速度給定值的基礎上疊加±5%-±10%的速度偏差值，通過將主傳動裝置的實際轉矩作為從傳動裝置的轉矩限幅來實現載荷均衡分配。本方案的優點是：主從傳動裝置速度環都起作用，易實現主從傳動裝置的切換；缺點是疊加到從裝置的附加速度給定值比較固定，易導致轉矩分配效果較差。

2 快適應變載技術控制方案

針對下水式升船機多電機分散驅動工況下電機負載劇烈變化及機械同步軸出現扭震等現象，將采用基于“速度環+力矩均衡控制策略”的多電動機機械同軸下多點力矩均衡與扭振抑制控制方案。

在該控制方案中，每套傳動裝置中都設置有速度環和轉矩環，并選取任意一套傳動裝置為主傳動裝置；選取任意另一套（除主傳動裝置外）為備用主傳動裝置，剩下的傳動裝置為從傳動。除主傳動裝置之外的傳動裝置中設置有一個負荷均衡調節器，其輸入為主傳動的轉矩給定與該從傳動的轉矩給定之差，其輸出作為速度的附加給定信號，從而消除主、從傳動間轉矩給定的差值，實現了多軸多電機機械同軸出力均衡控制技術的目的。在電流閉環控制環節加入速度前饋、轉矩補償、預加力矩、平均速度阻尼等振蕩抑制控制技術，實現同步軸系統軸扭振的抑制，提高系統的整體性能。

每套傳動裝置都設有速度環和轉矩環，能對各驅動機構的擾動更快響應，不必等到擾動傳遞到主傳動裝置后才進行補償，因而能達到更好的控制效果。尤其是擾動在離主傳動裝置遠端的情況下作用更加明顯，同時減小機械同步軸上的擾動傳遞，降低振蕩的可能性。快適應變載技術控制方案原理圖如圖1所示。

2.1 冗余控制器速度曲線的生成

為實現附加速度給定疊加在主速度信號源上，本方案中不采用傳動裝置控制器內的斜坡函數發生模塊的輸出作為速度環速度的給定值；而是在冗余控制器中設計一套速度信號發生器作為變頻傳動裝置的速度給定。另外，易于實現位置控制滿足入水式升船機停位時跟隨目標水位變化。

2.2 負荷均衡調節器的實現

傳動裝置可采用全數字矢量控制交流變頻器，載荷分配的邏輯控制由各變頻器控制單元完成。傳動裝置的負荷均衡調節器、速度環調節器均采用比例積分（PI）調節，主傳動裝置將速度環調節器的積分環節輸出的轉矩設定值通過現場總線的方式發送給各從傳動裝置；與從傳動裝置的速度控制的積分環節輸出的轉矩設定值經比例積分（PI）調節器的輸出值疊加到各自的速度曲線上，從而改變從傳動裝置的輸出轉矩，實現負荷均衡分配。

2.3 載荷補償來抑制系統擾動

由控制方案原理圖一可知：變頻傳動裝置的轉矩給定由兩部分組成，一部分是速度環產生的轉矩給定，另一部分是附加轉矩前饋給定：由摩擦轉矩給定、抑制震蕩阻力轉矩給定及克服摩擦力轉矩給定組成。

1）出入水變化載荷補償

承船廂在出入水過程中涉及到的水動力特性規律，承船廂受到水體的吸附力、浮力等附加載荷，需變頻傳動系統運行在不同的工作狀態。為保證運行平穩，需對出入水過程中變化載荷進行補償。

根據承船廂與平衡重側安裝的載荷傳感器可近似計算出重量偏差，可折算出電機對應的輸出轉矩；根據船廂入水深度計算出承船廂受到水體的浮力，從而折算出電機輸出對應的轉矩。利用轉矩環響應比速度環快的特點，可預先將補償轉矩疊加到轉矩環的轉矩給定端，實現出入過程中的平穩運行。

2）震蕩阻力載荷補償

升船機機電系統中存在著許多非剛性的環節，如平衡重的長鋼絲繩、齒輪間應力、長同步軸、承船廂及水體等，運行中可能的振蕩源較多。這里采用了振蕩抑制環節，其基本原理是采用各拖動裝置間實時傳遞的轉速值，根據各個拖動的速度和趨勢，以此對速度控制以合適的補償，抑制拖動裝置的振蕩和拖動裝置間的扭振。

3）摩擦力載荷補償

補償實際上包括了系統的摩擦、形變等運行阻力，系統中是一個非線性的環節，這里采用一個速度函數來近似摩擦力補償力矩。具體參數將來需要在現場通過大量的試驗整定。

4）切換擾動抑制

主傳動裝置發生故障后的下一個掃描周期，從傳動裝置將接替主傳動功能，實現主從切換。由于控制器的掃描周期的快慢對系統的擾動有一定的影響，可利用力矩（電流）環響應快的特點，來彌補切換時的擾動；即當任意一臺傳動裝置退出時，可將傳動裝置對應電機輸出的力矩均分疊加到其它傳動裝置的力矩環作為附加給定，能對主從切換過程中的擾動進行有效抑制。

圖1 快適應變載技術控制方案原理

3 實驗方法與結果

1）實驗方法

本控制方案已在烏江構皮灘第一級入水式升船機中得到驗證，電氣控制系統主要由西門子S7-400H可編程邏輯控制器和八套SINAMIC系列S150交流變頻傳動裝置及八臺交流異步電機組成，各變頻傳動裝置控制器選用CU320-2DP。

S7-400PLC中主要完成邏輯控制、速度曲線的生成、主從切換及位置控制；八臺變頻傳動裝置中的CU320-2DP之間的CBE20通過PROFINET實現數據交換，完成載荷分配控制。主傳動將速度環PI調節器的轉矩給定值傳動給其余從站，各從站的轉矩給定值與主站的轉矩給定值經PI調節器控制輸出后的補償值作為速度給定的附加值，來實現載荷分配。

2）試驗結果

利用Pro-ANALYZER軟件實驗記錄波形如下圖2、圖3所示。從圖中可以看出無論承船廂處于空氣中還是出入水過中，八臺交流異步電機無論是在電動工況還是發電工況輸出的轉矩波形變化規律呈現一致性，系統具有擾動小、動態過程性能好的特點，實現快速載荷均衡分配的功能。

圖3 船廂出入水試驗波形圖

4 結論

本文對下水式升船機傳動控制系統的快速適應變載技術方案進行了研究，控制方案通過構皮灘第一級下水式升船機的工程實際應用，證明該控制方案擾具有擾動小、動態過程性能好，能實現快速載荷均衡分配的功能，能夠很好的克服下水式升船機出入水過程中負載快速變化對系統帶來的擾動，具有良好的工程應用前景。

[1] 李彬，譚明波，翁晨雷. 三峽升船機傳動控制系統電氣行程同步性能測試[J]. 船電技術, 2014(7): 27-29.

[2] 劉紅兵, 升船機主拖動系統性能研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2003.

[3] 秦雅嵐, 唐勇, 王偉. 垂直升船機多軸多電機機械同步力矩均衡控制技術的研究與應用[J]. 中國水運, 2011, 11(1): 106-108.

[4] 馬小亮, 蔣琪, 等. 升船機交流主拖動系統幾個特殊問題的研究[J]. 電力電子技術, 2000, 5.

Design and Realization of Variable Load Swift Response Technology for Driving Submerge Chamber Ship Lift

Xu Yangfan1, Li Bin2, Lu Mingming1, Zheng Chao1

(1. China Shipbuilding Industry Group Wuhan Shipbuilding Industry Co., Ltd, Wuhan, 430022, China；2. Wuhan Great Sea Hi Tech Co., Ltd, Wuhan, 430223, China)

U642

A

1003-4862（2021）08-0030-03

2020-12-16

國家重點研發計劃“重大水利樞紐通航建筑物建設與提升技術”（課題編號：2016YFC0402002）

徐揚帆（1982-），男，工程師。研究方向：電力電子與電氣傳動。E-mail: libin1979121@163.com