下水式升船机传动系统快速适应变载技术的设计与实现

徐扬帆，李 彬，路明明，郑 超

下水式升船机传动系统快速适应变载技术的设计与实现

徐扬帆1，李 彬2，路明明1，郑 超1

（1.中国船舶重工集团武汉船舶工业有限公司，武汉 430022；2.武汉长海高新技术有限公司，武汉 430223）

下水式升船机在出入水过程中载荷变率大，为实现多机传动系统载荷均衡分配，快速适应变载技术对升船机传动系统尤为至关重要。本文对下水式升船机快速适应变载技术进行了研究。介绍了具体的控制方案，并对该方案的性能进行了测试。实验结果表明该控制方案扰动小、动态过程性能好，能实现快速载荷均衡分配的功能，具有良好的工程应用前景。

下水式升船机 载荷变率大 载荷均衡分配

0 引言

下水式升船机在运行过程中，会出现各种不稳定性的因素，主要表现在如下几个方面：

1）基于升船机承船厢出入水过程中涉及到的水动力特性规律，承船厢受到水体的吸附力、浮力等附加载荷，致使承船厢侧载荷发生变化，会出现不同的运行状态以及电机负载剧烈变化的现象；

2）由于机械同步轴的柔性和齿轮间隙对电气传动系统的影响，船厢在出入水过程中会造成同步轴的扭振，破坏主电气传动系统的稳定；

3）当电动机、电气传动装置、机械同步轴出现故障时，控制对象的特性会发生变化，易引起负载扰动造成系统不稳定。

因此，针对下水式升船机负载载荷变率大、不稳定等特点，通过开展电气传动系统快速适应变载控制系统的研究，具有重要的意义。

1 多机传动负载载荷均衡控制方案比较

下水式升船机的船厢驱动机构主电气传动系统的控制对象是一个典型的多机传动的机械系统，采用同步轴刚性连接形成一个封闭区域，通常可采用如下控制策略：

1）“共用速度环+转矩跟随”方案

一台传动装置运行在速度模式，其余传动装置运行在转矩模式，通过转矩跟随实现负载载荷的均衡控制。本方案的优点是：技术成熟易实现、动态性能好；缺点是运行在速度模式的传动装置出现故障后，系统无法继续运行。

2）“速度偏差+转矩限幅”方案

主、从传动装置都工作在速度模式。各传动装置的速度给定值相同，仅在从传动装置的速度给定值的基础上叠加±5%-±10%的速度偏差值，通过将主传动装置的实际转矩作为从传动装置的转矩限幅来实现载荷均衡分配。本方案的优点是：主从传动装置速度环都起作用，易实现主从传动装置的切换；缺点是叠加到从装置的附加速度给定值比较固定，易导致转矩分配效果较差。

2 快适应变载技术控制方案

针对下水式升船机多电机分散驱动工况下电机负载剧烈变化及机械同步轴出现扭震等现象，将采用基于“速度环+力矩均衡控制策略”的多电动机机械同轴下多点力矩均衡与扭振抑制控制方案。

在该控制方案中，每套传动装置中都设置有速度环和转矩环，并选取任意一套传动装置为主传动装置；选取任意另一套（除主传动装置外）为备用主传动装置，剩下的传动装置为从传动。除主传动装置之外的传动装置中设置有一个负荷均衡调节器，其输入为主传动的转矩给定与该从传动的转矩给定之差，其输出作为速度的附加给定信号，从而消除主、从传动间转矩给定的差值，实现了多轴多电机机械同轴出力均衡控制技术的目的。在电流闭环控制环节加入速度前馈、转矩补偿、预加力矩、平均速度阻尼等振荡抑制控制技术，实现同步轴系统轴扭振的抑制，提高系统的整体性能。

每套传动装置都设有速度环和转矩环，能对各驱动机构的扰动更快响应，不必等到扰动传递到主传动装置后才进行补偿，因而能达到更好的控制效果。尤其是扰动在离主传动装置远端的情况下作用更加明显，同时减小机械同步轴上的扰动传递，降低振荡的可能性。快适应变载技术控制方案原理图如图1所示。

2.1 冗余控制器速度曲线的生成

为实现附加速度给定叠加在主速度信号源上，本方案中不采用传动装置控制器内的斜坡函数发生模块的输出作为速度环速度的给定值；而是在冗余控制器中设计一套速度信号发生器作为变频传动装置的速度给定。另外，易于实现位置控制满足入水式升船机停位时跟随目标水位变化。

2.2 负荷均衡调节器的实现

传动装置可采用全数字矢量控制交流变频器，载荷分配的逻辑控制由各变频器控制单元完成。传动装置的负荷均衡调节器、速度环调节器均采用比例积分（PI）调节，主传动装置将速度环调节器的积分环节输出的转矩设定值通过现场总线的方式发送给各从传动装置；与从传动装置的速度控制的积分环节输出的转矩设定值经比例积分（PI）调节器的输出值叠加到各自的速度曲线上，从而改变从传动装置的输出转矩，实现负荷均衡分配。

2.3 载荷补偿来抑制系统扰动

由控制方案原理图一可知：变频传动装置的转矩给定由两部分组成，一部分是速度环产生的转矩给定，另一部分是附加转矩前馈给定：由摩擦转矩给定、抑制震荡阻力转矩给定及克服摩擦力转矩给定组成。

1）出入水变化载荷补偿

承船厢在出入水过程中涉及到的水动力特性规律，承船厢受到水体的吸附力、浮力等附加载荷，需变频传动系统运行在不同的工作状态。为保证运行平稳，需对出入水过程中变化载荷进行补偿。

根据承船厢与平衡重侧安装的载荷传感器可近似计算出重量偏差，可折算出电机对应的输出转矩；根据船厢入水深度计算出承船厢受到水体的浮力，从而折算出电机输出对应的转矩。利用转矩环响应比速度环快的特点，可预先将补偿转矩叠加到转矩环的转矩给定端，实现出入过程中的平稳运行。

2）震荡阻力载荷补偿

升船机机电系统中存在着许多非刚性的环节，如平衡重的长钢丝绳、齿轮间应力、长同步轴、承船厢及水体等，运行中可能的振荡源较多。这里采用了振荡抑制环节，其基本原理是采用各拖动装置间实时传递的转速值，根据各个拖动的速度和趋势，以此对速度控制以合适的补偿，抑制拖动装置的振荡和拖动装置间的扭振。

3）摩擦力载荷补偿

补偿实际上包括了系统的摩擦、形变等运行阻力，系统中是一个非线性的环节，这里采用一个速度函数来近似摩擦力补偿力矩。具体参数将来需要在现场通过大量的试验整定。

4）切换扰动抑制

主传动装置发生故障后的下一个扫描周期，从传动装置将接替主传动功能，实现主从切换。由于控制器的扫描周期的快慢对系统的扰动有一定的影响，可利用力矩（电流）环响应快的特点，来弥补切换时的扰动；即当任意一台传动装置退出时，可将传动装置对应电机输出的力矩均分叠加到其它传动装置的力矩环作为附加给定，能对主从切换过程中的扰动进行有效抑制。

图1 快适应变载技术控制方案原理

3 实验方法与结果

1）实验方法

本控制方案已在乌江构皮滩第一级入水式升船机中得到验证，电气控制系统主要由西门子S7-400H可编程逻辑控制器和八套SINAMIC系列S150交流变频传动装置及八台交流异步电机组成，各变频传动装置控制器选用CU320-2DP。

S7-400PLC中主要完成逻辑控制、速度曲线的生成、主从切换及位置控制；八台变频传动装置中的CU320-2DP之间的CBE20通过PROFINET实现数据交换，完成载荷分配控制。主传动将速度环PI调节器的转矩给定值传动给其余从站，各从站的转矩给定值与主站的转矩给定值经PI调节器控制输出后的补偿值作为速度给定的附加值，来实现载荷分配。

2）试验结果

利用Pro-ANALYZER软件实验记录波形如下图2、图3所示。从图中可以看出无论承船厢处于空气中还是出入水过中，八台交流异步电机无论是在电动工况还是发电工况输出的转矩波形变化规律呈现一致性，系统具有扰动小、动态过程性能好的特点，实现快速载荷均衡分配的功能。

图3 船厢出入水试验波形图

4 结论

本文对下水式升船机传动控制系统的快速适应变载技术方案进行了研究，控制方案通过构皮滩第一级下水式升船机的工程实际应用，证明该控制方案扰具有扰动小、动态过程性能好，能实现快速载荷均衡分配的功能，能够很好的克服下水式升船机出入水过程中负载快速变化对系统带来的扰动，具有良好的工程应用前景。

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[4] 马小亮, 蒋琪, 等. 升船机交流主拖动系统几个特殊问题的研究[J]. 电力电子技术, 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

国家重点研发计划“重大水利枢纽通航建筑物建设与提升技术”（课题编号：2016YFC0402002）

徐扬帆（1982-），男，工程师。研究方向：电力电子与电气传动。E-mail: libin1979121@163.com