四卷筒卸船机电差动控制-2019年文档

1、四卷筒卸船机电差动控制Electrical differential control of four-drum ship unloaderZHANG Huiyan1, SHI Weifeng1, CHENG Xiangyang2(1. Logistics Engineering College, Shanghai Maritime Univ., Shanghai 200135,China;2. Shanghai Zhenhua Port Machinery Co.Ltd., Shanghai 200125,China): In view of the advantages of electri

2、cal differential driving technology applying in high-power crane, a control method of coodinated work and torque balance of four motors is proposed. PLC and transducer are used as main control devices, and synchronous control is realized through PROFIBUS.Vector control method combining the outside-l

3、oop speed feed-back with the inner-loop current feed-back is used to realize frequency-variable control. Actual operation shows that differential driving of the four motors is synchronous when the trolley moves from landside to seaside. The curve of torque, current and speed of four motors also show

4、s that the electrical differential control method is valid.0 引 言目前 , 在散货装卸起重设备中, 机械差动四卷筒钢丝绳牵引单小车和电控差动四卷筒钢丝绳牵引单小车的桥式卸船机均有 应用 . 随着电控技术的发展, 全数字交流变频调速系统在工作可靠性、功率因数、谐波及维护、价格等方面的优势逐渐显现, 电差动技术在起重机大功率电机驱动方面开始应用.1Konecranes VLC Corp 开发出 1 种新型四卷筒牵引式小车,使用 4 台变频调速电机, 分别驱动2 个起升卷筒和2 个开闭卷筒2, 可避免使用构造复杂且价格昂贵的差动减速箱,

5、降低制造成本. 四卷筒电差动卸船机采用PLC实现系统的数值计算和逻辑控制 . 电气传动部分采用交流矢量变频控制方式. 矢量变频调速控制技术能像控制直流电机一样实现异步电机良好的动静态调 速 , 且调速平滑.3 本文通过研究找到电差动卸船机4 根钢丝绳速度同步及受力平衡的1 种控制方法.1 四卷筒卸船机电差动工作原理电动机下置式四卷筒电差动卸船机基本结构见图1. 由图1(b) 可知 , 系统仅有4 根钢丝绳, 且绳系简单. 四卷筒将起升、开闭和小车的牵引合而为一. 抓斗的起升、开闭由起升、开闭2 组动作协同完成, 小车的牵引由4 只卷筒相向转动完成, 即由小车陆侧和海侧的钢丝绳收放完成.3 组动

6、作可单独执行, 也可组合执行 . 4(a) 电机、卷筒、制动器和齿轮箱实物1. 开闭卷筒2. 起升卷筒3. 小车 4. 抓斗 5. 导向滑轮6. 快速接头7. 起升电机8. 开闭电机(b) 绕绳示意图 1 四卷筒电差动卸船机基本结构由图 1 中的绕绳可知小车、抓斗的运动与卷筒转动之间的关系 , 以此推导出四卷筒电差动卸船机的工作规律5:(1) 只有抓斗上下运动( 无开闭、小车无运动),4 个卷筒以同一速度、同一转向运动(4 台电机均为电动或发电状态);(2) 只有抓斗开闭运动( 抓斗无上下运动、小车无运动),2 个开闭卷筒以同一速度、同一转向运行,2 个支持卷筒不动;(3) 对复合运动( 抓斗

7、同时上下、开闭, 小车进退), 每个卷筒的实际速度和转动方向由 PLC运算后送给变频器.(a) 上升过程允许闭斗, 此时开闭驱动器的上升速度大于支持驱动器的上升速度,2 者的差值为抓斗闭合的速度;(b) 下降过程允许开斗, 此时开闭驱动器的下降速度大于支持驱动器的下降速度 ,2 者的差值是抓斗打开的速度;(c) 下降过程允许闭斗, 此时开闭驱动器的下降速度小于支持驱动器的下降速度,2 者的差值是抓斗闭合的速度.另有上升时小车前进、后退和下降时小车前进、后退 4 种工况 , 分析同上.2 电差动卸船机控制系统的结构2.1 四卷筒卸船机电差动系统硬件构成交流电气传动控制在供电方式上有公共母线方式和

8、独立变频器方式可供选择. 前者可在公共直流母线上实现100%回馈能量的共享 , 节能效率高. 卸船机工作时通常能达到70%的载荷力矩,抓斗斜动时功率大, 易烧坏变频器, 用公共母线的方式能实现变频器功率均衡分配. 独立变频器方式, 由于 4 台电机的变频器备件相同 , 所需备件数量少, 但多个变频器在同一系统中回馈能量,造成谐波叠加, 电网质量降低.6电差动卸船机工作过程中同时存在电动状态和回馈发电状态 . 为实现回馈能量共享, 采用公共母线的方式.四卷筒电差动卸船机控制原理见图2.西门子S7400系列的CPU412乍控制器,配以一定数量的I/O模块，可完成数据采集、数值运算、逻辑运算及运算结

9、果输出, IM153 将 I/O 模块连接到PROFI-BU%线上.采用西门子公司的通用变频器作传动装置,各模块间通过PROFIBU或现数据交换,4台变频器共用同一直流母线实现回馈能量的共享.(a) 主回路框图(b) 控制回路框图图 2 四卷筒电差动卸船机控制原理2.2 电差动驱动部分矢量变频控制技术三相异步电机经过矢量坐标变换后得到两相的数学模型. 等效的两相模型可以建立在静止坐标系(a - B坐标系)或同步旋转坐标系 （d-q 坐标系 ） 上 . 后者有个突出优点, 即当三相变量为对称正弦波时, 变换后等效模型中的2 个变量为直流量. 如果再将两相旋转坐标系按转子全磁场定向，即将d-q坐标

10、系的d轴取在 转子全磁场方向上, q 轴取在其超前90方向上, 则在 d-q 坐标系中交流电机转矩方程的简化形式与直流电机的十分相似.异步电机转速控制原理见图3. 其中 , 矢量控制按转子全磁场定向在d 轴上 .4 台电机各自复合速度和其同轴上编码器反馈的速度构成外环反馈. 给定电流Iabc* 和反馈电流Iabc 进行比较构成电流内环, 运算产生的脉冲信号控制功率元件通断. 图 3中含有上标*的变量为给定量.图 3 异步电机转速控制原理 2.3 四卷筒卸船机电差动系统软件设计四卷筒卸船机电控系统框图见图4.本文以Hsea表示海侧支持电机M1, Hland表示陆侧支持电机 M2,Csea表示海侧

11、开闭电机 M3,Cland表示陆侧开闭电机M在控制台面板上主令手柄发出抓 斗起升、开闭指令, 小车前进后退主令手柄发出小车向海侧、陆侧运行指令, 其速度大小用与电机额定转速ne 的百分比表示. 抓斗起开、开闭，小车进退指令通过I/O模块输入到PLC,PLC预处 理判断其运行方向, 并对速度进行斜坡积分处理, 积分时间为每组动作各自起、停的加减速时间.4 台变频器速度为3组动作速度给定斜坡处理后的速度叠加. 抓斗起升、开闭及小车前进、后退时 4 台电机各自速度方向规定见表1. 设抓斗以速度vgc 开闭 ,vgh 升降 ; 小车以速度vt 前进、后退( 其中 g,c,h 和 t 分别为 grab,

12、close,hold 和 trolley 的缩略形式), 则稳态时4台电机各自复合速度的共同表达式为v=vgc+vgh+vt(1) 表 1 4 台电机转速方向规定HseaHlandCseaCland小车前进+-+- 小车后退-+-+ 抓斗上升+抓斗下降 抓斗打开 00- 抓斗闭合00+注 : “ +”和“- ”分别代表电机收、 放钢丝绳 ; “ 0”代表电机不转动由式 (1) 和表 1 可得 4台电机各自的复合速度. 如抓斗以速度20%ne打开，以速度30%ne下降，同时小车以速度20%ne后退，则稳态时 4 台电机各自复合速度见表2.表 2 4 台电机各自复合速度计算HseaHlandCse

13、aCland小车后退-20+20-20+20 抓斗下降-30-30-30-30 抓斗打开00-20-20 复合速度-50-10-70-30以上运算在PLC中进行,运算后的复合速度通过 PROFIBU睽输到变频器, 变频器将其作为各台电机的速度给定. 由图 4 可知 ,编码器的输出直接反馈到变频器，PLC通过PROFIBU机变频器获 取编码器的值. 变频器利用速度给定和编码器的反馈值构成速度外环 , 并采用矢量变频控制方式运行. 为实现良好的转矩控制效果 , 在矢量变频控制中引入电流反馈内环. 电流反馈量在变频器中获取 , 电流给定通过矢量控制算法计算得到( 原理见图3). 变频器计算后的最终输出直接驱动4 台电机同步协调差动工作. 卸船机电差动控制流程见图5. 图 5 卸船机电差动控制流程对于力矩平衡, 根据抓斗的工作要求, 开闭电机力矩比支持电机力矩大5%10%以保证抓斗在抓取物料时斗不会张开但又不 ,超