基于变频器的大型海工绞车电控设计

俞晓丰，王伟（武汉船舶职业技术学院，湖北武汉430070）

基于变频器的大型海工绞车电控设计

俞晓丰，王伟
（武汉船舶职业技术学院，湖北武汉430070）

介绍了一种大型电动绞车变频驱动控制系统。绞车配备于SSCV船（半潜式平台）上，为半潜式平台进行安全起抛锚和平台移动等工作而设计。针对绞车驱动功率大，调速功能要求高的特点，控制系统介绍了变频器加可编程运动控制卡的选型和参数设计，并给出编程实现及试验数据。

变频器；绞车；运动控制

0　概述

考虑到ABS规范要求，大型绞车对船体电站影响应能满足电压谐波分量不超过5%的要求。如果超过5%，所有设备应能在该谐波下正常工作。系统选用丹佛斯FC302变频器加运动控制卡进行电控设计以满足功能要求。

大型电动绞车自动化程度高，无级调速范围广，控制策略灵活方便，大幅提高绞车的使用性能。系统设计、制造、现场装船调试、后期维护过程中，卫生方便，功能友好，是未来大型海工设备的重要发展方向。

1　系统结构及功能参数

1.1绞车驱动系统结构

设备为变频电机驱动，主要由执行机构、分体式排缆装置及垂直导缆器、液（气）压系统、电控系统等部分构成。钢丝绳通过篱笆式卷筒进行缠绕；分体式排缆装置及垂直导缆器安装在平台下方。

执行机构传动过程：由电动机通过联轴器带动减速器，减速器动力传递到驱动轴上的离合器，通过离合器驱动小齿轮，通过齿轮副驱动滚筒。减速器分二档变速，通过电机变频操作实现三速传动。驱动结构示意图如图1所示。

1.2主要性能参数

绞车电机配置及拖动控制性能参数如表1所示。

2　电气控制性能及关键技术分析计算

2.1主要电气控制性能

本绞车采用变频无极调速控制，通过变频器改变输入电动机电源的频率，能够使变频电动机在2倍额定速度内进行无极调速。该绞车系统在运行中所具有的性能如下：

（1）两台设备同时运行时，所产生的电压谐波在船上提供的供电系统中不超过5%；

表1　绞车配置参数

（2）绞车在0速到2倍速度运行时运行平稳，不会产生异常振动和啸叫；

（3）绞车能够在额定负载下进行上升和下降运行。

2.2关键技术分析

ABS规范中，对谐波要求是针对船体电站提供的电源应能满足电压谐波分量不超过5%，如超过5%，所有设备应能满足在该谐波下正常工作。现阶段变频系统谐波控制的方法主要有以下几种[2]：

（1）在变频器前端增加交流电抗器；

（2）在变频器前端增加直流电抗器；

（3）在变频器前端增加无源滤波器；

（4）在变频器前端增加有源滤波器；

（5）使用12脉或18脉的变频器进行整流（低功率时一般没有多脉冲变频器）；

（6）直接使用低谐波变频器。

以上所述方法在相同的条件下，性能逐渐增强，价格成倍上升。考虑到其抑制谐波的效果互有优劣，其成本相差极大。使用交流电抗器的成本最低，但其效果最差。低谐波变频器效果最好，成本最高。

经过综合比较在设计时选择了具有内置直流电抗器，且能保证满足ABS规范谐波电压含量要求的DANFOSS变频器。

2.3变频器选型参数计算

本项目中变频器应用工况为提升工况，电机的技术数据是连续恒定负载下的额定数据，但是在绞车工作周期中，在缆绳处于最外层时要求满足规格书规定的负载与速度技术要求，则电机会有短时1.1倍的过载工况，因此变频器的额定电流应大于电机最大工作电流，变频器的额定电流按照以下公式计算：

变频器的输出容量按照以下公式计算：

其中：PCN变频器的输出容量；

IN：变频器的额定工作电流；

IMmax电动机的最大工作电流；

K：电流波形的修正系数（PWM方式取1.1）；

K1：电机电流过载倍数（根据总体要求取1.1）；

I1：电机额定工作电流；

U1：电机额定工作电压。

计算结果如下：

K=1.1；K1=1.1；U1=440；I1=577；

K=sqrt(3)；Pcn=k·U1·I1·K·K1·0.001；

Imax=698.2 A；Pcn=532 kVA。

选择变频器型号如表2。

表2　变频器型号参数

3　绞车变频控制系统硬件设计及软件实现

绞车操控模式为远程电、液、气操控。电控系统采用PLC控制器，通过采集和分析压力、速度、温度、位移等传感器的信号，实现对绞车的监测、控制和保护功能。绞车变频控制部分主要由FC302变频器和MCO305运动控制卡组成。

变频器使用MCT10设置软件进行远程设置。可以将PC连接到变频器并执行实时编程，而无需使用LCP。此外，也可以用离线方式执行所有变频器编程，然后只需将其下载到变频器中即可。可以用USB连接器来连接变频器[3]。

MCO305可以使用APOSS软件进行编程。当MCT10建立起与变频器的连接时，APOSS会使用MCT10已建立的变频器连接。不论以联机方式还是以脱机方式使用MCT10，APOSS都将以独立模式工作。

3.1变频控制电路设计

绞车变频器部分硬件结构如图2所示，主要包含以下功能：主电机使用编码器进行转数读取，热敏保护（PTC）；绞车手柄通过端子53、55给定模拟量信号，控制绞车提升，下降速度。同时，使用继电器开触点K11、K12联锁控制绞车提升，下降运动；继电器开触点K4、K5控制点动的上升与下降运动；绞车闸瓦的制动控制通过MCB112端子排X44的1、2号端子实现；绞车的安全保护控制，涉及主电机的过载报警，错误报警，安全停车。

其中由于变频器基本点功能有限，点动上升与下降通过MCO对端点2、3进行编程实现。同时，MCO305端子排X57上1号端子同时给予安全停车信号。安全停车端子与紧急停止继电器K7的常闭辅助触点进行串联设计。

3.2系统参数编程

（1）变频器控制算法参数设计

变频器根据应用配合变频电机编码器选择使用高精度的速度与转矩闭环控制。MCT10中设置软件参数设置如表3所示。

变频器中电机主要参数设置如表4所示。

图2　变频器配置及接线图

绞车上升与下降运动过程主要是大惯性工作，根据本设备特点，绞车速度上升与下降过程使用线性变化过程，但是线性变化过程缓冲时间设置为5秒。运动过程具体参数如表5所示。

（2）MCO运动控制卡编程实现

MCO305控制点功能编程如表6所示。

APOSS软件编程具体源代码如下：

motoroff

main:

if(getvlt 1690)==0 then//参数16-90故障字，如果故障字为零的时候，没有故障输出，否则有故障输出

表3　变频器控制算法参数

表4　变频电机相关参数设置

表5　运动过程控制参数设置

表6　接口功能表

out1 0

else

out1 1

endif

if in 1==0 then//如果端子37为低电平，有过热输出，否则没有

out2 1

else

out2 0

endif

if in 2==1 and in 3==0 then outan 0x800

setvlt1300 1

endif

if in 2==1 and in 3==1 then

outan-0x800

setvlt1300 1

endif

if in 2==0 and in 3==0 then

outan 0x0

setvlt1300 0

endif

gotomain

4　结束语

电动变频绞车出厂前须进行机、电、液、气联调试研，分别完成空载试验和180 t额定负载试验，并确认设备的系统监测功能、控制功能。

先用低速正反空载运转各5分钟，确认功能设计的完善性。以滚筒部分额定负载1 800 kN为最终加载标准，调整加载重块按额定负载的25%、50%、75%、100%为顺序加载。

测量、检查及记录各部件运转是否正常，有无异常发热、异常振动。滚筒负载运转时速度、压力、温度、轴承位温升以及检测监测系统、控制系统的各种数据[4]。

试验过程中，当负载力达到175 t时，变频器显示电流578 A，转矩118℅。各项技术参数及性能指标达到设计要求，满足用户的使用要求。

［1］李发海.电机与拖动基础：第4版［M］.北京：清华大学出版社，2012.

［2］阮毅，陈伯时.电力拖动自动控制系统［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［3］刘志刚，杨伯军.基于PLC的仓库桥式起重机变频控制系统［J］.机电工程，2013（06）：725-728.

［4］GB/T 11869-2007.远洋船用拖拽绞车［S］.

(编辑：阮毅)

VFD ControlDesign of LargeM arine EngineeringW inch

YUXiao-feng，WANGWei
（Wuhan Instituteof Shipbuilding Technology，Wuhan430070，China）

This paper introduces a largeelectric VFD control system of winch.Winch is equipped on SSCV ship(semisubmersible platform),for heaving anchor and movingwork platform in security.According to heavy load and high requirements of speed control function,the project introduced a kind of control system，which is consistsof VFD andmotion control card.Electric control structure and software program based on VFD are provided in the paper.

VFD；winch；motion control

TN77 TP27

A

1009－9492(2015)04－0026－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.04.007

2015－01－13

俞晓丰，男，1984年生，浙江金华人，硕士，工程师。研究领域：机电控制与自动化技术。已发表论文2篇。