CN109826260A - 一种挖泥船电力系统稳压控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种挖泥船电力系统稳压控制装置，柴油机及其调速装置通过柴油机驱动同步电机转子转动，将转速信号传递至同步发电机及其励磁控制装置，同步发电机及其励磁控制装置中产生励磁电流，并将其通入同步发电机转子中，在定子绕组中形成感应电压，感应电压再通过配电装置传入异步电动机控制装置，绞刀异步电动机、泥泵异步电动机接受感应电压信号。绞刀异步电动机、泥泵异步电动机通过绞刀联轴器、泥泵联轴器与绞刀减速齿轮箱、泥泵减速齿轮箱相连，输出转矩通过绞刀传动轴、泥泵传动轴传递至绞刀和泥泵，进而驱动绞刀和泥泵的运转。减少了挖泥船电力系统对电网的扰动，提高了电网的稳定性。

Description

一种挖泥船电力系统稳压控制装置

技术领域

本发明属于自动控制技术，特别是涉及一种挖泥船电力系统稳压控制装置。

背景技术

挖泥船广泛应用于港口、航道疏浚及吹填工程，船上主要设施包括：绞刀、泥泵、绞车、桥架和定位桩等，其中绞刀和泥泵是疏浚作业过程中最重要的施工设备。由于经常需要进行疏浚作业的水域包括硬质土层，并且泥浆需要经排泥管输送到6公里左右或者更远的区域，因此在作业过程中需要大功率的驱动设备来驱动绞刀和泥泵。传统的挖泥船采用液压马达、柴油机电驱和柴油机直驱等驱动方式来驱动绞刀和泥泵，相比之下占用船舱空间更小、效率更高的全电力驱动挖泥船正成为挖泥船设计与建造的主流方向。

相较于传统的驱动方式，绞刀和泥泵均采用变频电力驱动具有很多优点，然而，挖泥船施工器械采用全电力驱动也带来了一系列的问题。挖泥船的施工作业环境往往比较恶劣，其绞刀和泥泵的功率都比较大，往往占到电网容量的70％或以上，因此在作业过程中由于负载的投入会对电网造成较大的扰动，如何降低挖泥船大功率负载的启动对电网稳定性的影响是不可忽略的问题，这关系着采用电力驱动的挖泥船能否正常的施工作业。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在绞刀和泥泵负载的投入对电网较大的扰动，提供一种挖泥船电力系统稳压控制装置，能够减少挖泥船电力系统对电网的扰动，提高电网的稳定性。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：包括柴油机及其调速装置、同步发电机及其励磁控制装置、配电装置、异步电动机控制装置。柴油机及其调速装置通过柴油机驱动同步电机转子转动，将转速信号传递至同步发电机及其励磁控制装置，同步发电机及其励磁控制装置中产生励磁电流，并将其通入同步发电机转子中，在定子绕组中形成感应电压，感应电压再通过配电装置传入异步电动机控制装置，绞刀异步电动机、泥泵异步电动机接受感应电压信号。绞刀异步电动机、泥泵异步电动机通过绞刀联轴器、泥泵联轴器与绞刀减速齿轮箱、泥泵减速齿轮箱相连，再通过绞刀减速齿轮箱、泥泵减速齿轮箱输出转矩通过绞刀传动轴、泥泵传动轴传递至绞刀和泥泵，进而驱动绞刀和泥泵的运转。

按上述技术方案，所述的柴油机及其调速装置通过电子调速器以设置的给定转速以及由转速传感器测得的柴油机实际转速为输入量，以设定值和实际值的差值作为输出信号的逻辑依据，电子调速器输出控制信号到燃油喷油泵，通过控制油门开度的大小来对柴油机转速进行调节。在电子调速器中，给定转速信号转化为转速调整电位器的电压信号，转速传感器测得柴油机的实际转速后也输出一个电压信号，这两个电压信号输入到转速控制器中经过运算后输出转速控制信号给执行机构，对喷油泵齿条刻度进行控制，从而改变喷油量大小，对柴油机转速进行调节。

按上述技术方案，所述的同步发电机及其励磁控制装置包括同步发电机及其励磁控制装置；励磁控制装置包括DSP励磁控制器、检测装置、励磁功率单元、励磁机。同步发电机的运行状态信息传送给励磁控制装置，励磁控制装置对送来的信息进行综合分析，按照控制要求发出控制指令到励磁机，从而实现励磁控制装置的控制目标。DSP励磁控制器包括主控核心单元和外设接口单元。主控核心单元包括DSP芯片、电源电路、时钟电路、联合测试工作组、复位电路。DSP芯片是数字计算处理器，电源电路为DSP芯片供电。时钟电路用以启动DSP芯片工作。联合测试工作组是边界扫描测试，为芯片内部的测试和系统的调试提供环境。外设接口单元包括同步信号捕获单元、模拟电量采集单元、移相脉冲触发单元，开入开出量接口电路。同步信号捕获单元是将正弦量信号转换为脉冲量信号，作为外设电路为DSP励磁控制器提供同步信号。同步信号是一系列序列方波，用来反映被测交流电量频率变化，同步信号捕获被测量的过零时刻，提供给DSP芯片。模拟电量采集单元是将电流、电压等模拟信号转换为脉动直流信号的调理电路。需要采样的模拟电量有同步发电机端电压和同步发电机励磁电流、励磁电压。开入开出接口单元是DSP励磁控制器外部节点与DSP芯片的I/O口进行信号交互，实现对励磁控制装置状态控制的外设电路。开入开出接口单元的作用是获取并网、起励、灭磁等节点数字量状态的外部指令；根据励磁控制装置状态输出开关信号，进而提供励磁控制装置状态参数。移相脉冲触发单元是转换DSP励磁控制器的输出控制电压，得到能够驱动励磁功率单元触发脉冲的外设电路。为实现脉冲触发通常包括信号同步、脉冲形成和驱动放大环节。

按上述技术方案，所述的配电装置接受同步发电机传递的端电压，将电能传递至异步电动机控制装置，用于控制绞刀运转的绞刀异步电动机，控制泥泵运转的泥泵异步电动机和其他负载，对全部负载起保护、监控与控制功能。

按上述技术方案，所述的异步电动机控制装置包括绞刀异步电动机、泥泵异步电动机的控制装置和绞刀、泥泵的传动装置。绞刀异步电动机、泥泵异步电动机的位置和速度的控制，是通过上位机和PLC经过绞刀变频器、泥泵变频器来完成的。由绞刀旋转编码器、泥泵旋转编码器中所产生的脉冲计数值，来获取绞刀异步电动机、泥泵异步电动机的位置与速度信息。PLC与上位机通过脉冲计数来进行两者之间的通讯。PLC完成了脉冲计数后，将计数值连续不断的传给上位机。然后，上位机通过对于脉冲计数值的计算和分析来得到绞刀异步电动机、泥泵异步电动机的位置和速度的信息。上位机通过控制策略来得到输出量速度给定值，然后通过通讯将这个信息传给PLC。PLC转换信息后，将速度给定值的模拟量送到绞刀变频器、泥泵变频器的模拟控制端进行控制，然后，绞刀变频器、泥泵变频器实现对绞刀异步电动机、泥泵异步电动机的变频控制，最后，绞刀旋转编码器、泥泵旋转编码器通过脉冲计数获得绞刀异步电动机、泥泵异步电动机的位置和速度信号，实现对绞刀异步电动机、泥泵异步电动机的闭环控制。上位机通过控制策略来得到输出量速度给定值，然后通过通讯将这个信息传给PLC。PLC转换信息后，将速度给定值的模拟量送到绞刀变频器、泥泵变频器的模拟控制端进行控制，形成闭环控制。绞刀异步电动机、泥泵异步电动机通过绞刀联轴器、泥泵联轴器将扭矩传递给绞刀减速齿轮箱、泥泵减速齿轮箱，再传递给绞刀传动轴、泥泵传动轴，带动绞刀和泥泵的运转。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：基于PLC的异步电动机控制装置，能够实现异步电动机调速与定位一体化以及对绞刀和泥泵控制的精确化，以DSP芯片为核心的励磁控制器，提高了同步发电机及其励磁控制装置的稳定性，提高了大功率负载绞刀和泥泵运行鲁棒性，减少了挖泥船电力系统对电网的扰动，提高了电网的稳定性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中：1.柴油机及其调速装置，2.给定转速，3.电子调速器，4.执行机构，5.柴油机，6.转速传感器，7.同步发电机，8.检测装置，9.DSP励磁控制器，10.同步信号捕获单元，11.模拟电量采集单元，12.电源电路，13.复位电路，14.DSP芯片，15.时钟电路，16.联合测试工作组，17.开入开出量接口电路，18.主控核心单元，19.移相脉冲触发单元，20.同步发电机及其励磁控制装置，21.励磁功率单元，22.励磁机，23.配电装置，24.其他负载，25.上位机，26.PLC，27.泥泵旋转编码器，28.泥泵变频器，29.泥泵异步电动机，30.泥泵联轴器，31.泥泵减速齿轮箱，32.泥泵传动轴，33.泥泵，34.异步电动机控制装置，35.绞刀变频器，36.绞刀旋转编码器，37.绞刀异步电动机，38.绞刀联轴器，39.绞刀减速齿轮箱，40.绞刀传动轴，41.绞刀。

具体实施方式

本发明其结构如图1所示，包括柴油机及其调速装置1、同步发电机及其励磁控制装置20、配电装置23、异步电动机控制装置34。柴油机及其调速装置1通过柴油机5驱动同步电机转子转动，将转速信号传递至同步发电机及其励磁控制装置20，同步发电机及其励磁控制装置20中产生励磁电流，并将其通入同步发电机7转子中，在定子绕组中形成感应电压，感应电压再通过配电装置24传入异步电动机控制装置34，绞刀异步电动机37和泥泵异步电动机29接受感应电压信号。绞刀异步电动机37和泥泵异步电动机29分别通过绞刀联轴器38、泥泵联轴器30与绞刀减速齿轮箱39、泥泵减速齿轮箱31相连，绞刀减速齿轮箱39、泥泵减速齿轮箱31输出转矩通过绞刀传动轴40、泥泵传动轴32传递至绞刀41和泥泵33，进而驱动绞刀41和泥泵33的运转。

柴油机及其调速装置1通过电子调速器3以设置的给定转速2(实际运行中一般为额定转速)和由转速传感器6测得的柴油机实际转速为输入量，以设定值和实际值的差值作为输出信号的逻辑依据，电子调速器3输出控制信号到燃油喷油泵，通过控制油门开度的大小来对柴油机5转速进行调节。在电子调速器3中，给定转速2信号转化为转速调整电位器的电压信号，转速传感器6测得柴油机5的实际转速后也输出一个电压信号，这两个电压信号输入到电子调速器3中经过运算后输出转速控制信号给执行机构4，对喷油泵齿条刻度进行控制，从而改变喷油量大小，对柴油机5转速进行调节。

同步发电机及其励磁控制装置20，包括同步发电机7、DSP励磁控制器9、检测装置8、励磁功率单元21、励磁机22。柴油机5将转速传递至同步发电机7，同步发电机7将产生励磁信号经过检测装置8传输到DSP励磁控制器9，进而得到发电机输出端电压，输出端电压经过励磁功率单元21的调节处理，输出发电机转子励磁电流到励磁机22，实现对同步发电机7端电压的控制，形成闭环反馈。发同步电机7端电压传递至配电装置23。DSP励磁控制器9包括主控核心单元18和外设接口单元。主控核心单元18包括DSP芯片14、电源电路12、时钟电路15、联合测试工作组16、复位电路13。外设接口单元包括同步信号捕获单元10、模拟电量采集单元11、移相脉冲触发单元19，开入开出量接口电路17。

配电装置23接受同步发电机7传递的端电压，将电能传递至异步电动机控制装置34，电能用于控制绞刀运转的绞刀异步电动机37，控制泥泵运转的泥泵异步电动机29和其他负载24。

异步电动机控制装置34包括绞刀异步电动机37、泥泵异步电动机29的控制装置和绞刀41、泥泵33的传动装置。经由绞刀旋转编码器36和泥泵旋转编码器27，产生脉冲计数值，PLC26与上位机25通过此脉冲计数来进行两者之间的通信。上位机25通过分析计算得到绞刀异步电动机37与泥泵异步电动机29的位置和速度信息，上位机25通过通讯将控制输出的速度给定值传给PLC26，PLC26将转换信息后的速度给定值的模拟量传递至绞刀变频器35、泥泵变频器28进控制，然后，绞刀变频器35和泥泵变频器28分别实现对绞刀异步电动机37和泥泵异步电动机29的变频控制，最后，绞刀旋转编码器36和泥泵旋转编码器27通过脉冲计数来获取绞刀异步电动机37和泥泵异步电动机29的位置和速度信息，实现对绞刀异步电动机37和泥泵异步电动机29的闭环控制。绞刀41、泥泵33传动装置分别将绞刀异步电动机37、泥泵异步电动机29通过相应的绞刀联轴器38、泥泵联轴器30将扭矩传递给绞刀减速齿轮箱39、泥泵减速齿轮箱31，通过齿轮系将传动系统的功率和扭矩传递给绞刀传动轴40、泥泵传动轴32，再通过相应传动轴带动绞刀41和泥泵33的运转。

Claims (5)

1.一种挖泥船电力系统稳压控制装置，其特征在于：包括柴油机及其调速装置(1)、同步发电机及其励磁控制装置(20)、配电装置(23)、异步电动机控制装置(34)；柴油机及其调速装置(1)通过柴油机(5)驱动同步发电机(7)转子转动，将转速信号传递至同步发电机及其励磁控制装置(20)，同步发电机及其励磁控制装置(20)中产生励磁电流，并将其通入同步发电机(7)转子中，在定子绕组中形成感应电压，感应电压再通过配电装置(23)传入异步电动机控制装置(34)，绞刀异步电动机(37)、泥泵异步电动机(29)接受感应电压信号；绞刀异步电动机(37)、泥泵异步电动机(29)通过绞刀联轴器(38)、泥泵联轴器(30)与绞刀减速齿轮箱(39)、泥泵减速齿轮箱(31)相连，再通过绞刀减速齿轮箱(39)、泥泵减速齿轮箱(31)输出转矩通过绞刀传动轴(40)、泥泵传动轴(32)传递至绞刀(41)和泥泵(33)，进而驱动绞刀(41)和泥泵(33)的运转。

2.根据权利要求1所述的挖泥船电力系统稳压控制装置，其特征在于：所述的柴油机及其调速装置(1)通过电子调速器(3)以设置的给定转速以及由转速传感器(6)测得的柴油机(5)实际转速为输入量，以设定值和实际值的差值作为输出信号的逻辑依据，电子调速器(3)输出控制信号到燃油喷油泵，通过控制油门开度的大小来对柴油机(5)转速进行调节；在电子调速器(3)中，给定转速(2)信号转化为转速调整电位器的电压信号，转速传感器(6)测得柴油机(5)的实际转速后也输出一个电压信号，这两个电压信号输入到转速控制器中经过运算后输出转速控制信号给执行机构，对喷油泵齿条刻度进行控制，从而改变喷油量大小，对柴油机(5)转速进行调节。

3.根据权利要求1或2所述的挖泥船电力系统稳压控制装置，其特征在于：所述的同步发电机及其励磁控制装置(20)包括同步发电机(7)和励磁控制装置；励磁控制装置包括DSP励磁控制器(9)、检测装置(8)、励磁功率单元(21)、励磁机(22)；同步发电机(7)的运行状态信息传送给励磁控制装置，励磁控制装置对送来的信息进行综合分析，按照控制要求发出控制指令到励磁机(22)，实现励磁控制装置的控制目标；DSP励磁控制器(9)包括主控核心单元(18)和外设接口单元；主控核心单元包括DSP芯片(14)、电源电路(12)、时钟电路(15)、联合测试工作组(16)、复位电路(13)；DSP芯片(14)是数字计算处理器，电源电路(12)为DSP芯片(14)供电；时钟电路(15)用以启动DSP芯片(14)工作；联合测试工作组(16)是边界扫描测试，为芯片内部的测试和系统的调试提供环境；外设接口单元包括同步信号捕获单元(10)、模拟电量采集单元(11)、移相脉冲触发单元(19)，开入开出量接口电路(17)；同步信号捕获单元(10)是将正弦量信号转换为脉冲量信号，作为外设电路为DSP励磁控制器(9)提供同步信号；同步信号是一系列序列方波，用来反映被测交流电量频率变化，同步信号捕获被测量的过零时刻，提供给DSP芯片(14)；模拟电量采集单元(11)是将电流、电压等模拟信号转换为脉动直流信号的调理电路；需要采样的模拟电量有同步发电机(7)端电压和同步发电机(7)励磁电流、励磁电压；开入开出接口单元(17)是DSP励磁控制器(9)外部节点与DSP芯片(14)的I/O口进行信号交互实现对励磁控制装置状态控制的外设电路；开入开出接口单元(17)的作用是获取并网、起励、灭磁等节点数字量状态的外部指令；根据励磁控制装置状态输出开关信号，进而提供励磁控制装置状态参数；移相脉冲触发单元(19)是转换DSP励磁控制器(9)的输出控制电压，得到能够驱动励磁功率单元(21)触发脉冲的外设电路；为实现脉冲触发通常包括信号同步、脉冲形成和驱动放大环节。

4.根据权利要求3所述的挖泥船电力系统稳压控制装置，其特征在于：所述的配电装置(23)接受同步发电机(7)传递的端电压，将电能传递至异步电动机控制装置(34)，用于控制绞刀(41)运转的绞刀异步电动机(37)，控制泥泵(33)运转的泥泵异步电动机(29)和其他负载(24)，对全部负载起保护、监控与控制功能。

5.根据权利要求4所述的挖泥船电力系统稳压控制装置，其特征在于：所述的异步电动机控制装置(34)包括绞刀异步电动机(37)、泥泵异步电动机(29)的控制装置和绞刀(41)、泥泵(33)的传动装置；绞刀异步电动机(37)、泥泵异步电动机(29)的位置和速度的控制，是通过上位机(25)和PLC(26)经过绞刀变频器(35)、泥泵变频器(28)来完成的；由绞刀旋转编码器(36)、泥泵旋转编码器(27)中所产生的脉冲计数值，来获取绞刀异步电动机(37)、泥泵异步电动机(29)的位置与速度信息；PLC(26)与上位机(25)通过脉冲计数来进行两者之间的通讯；PLC(26)完成了脉冲计数后，将计数值连续不断的传给上位机(25)；然后，上位机(25)通过对于脉冲计数值的计算和分析来得到绞刀异步电动机(37)、泥泵异步电动机(29)的位置和速度的信息；上位机(25)通过控制策略来得到输出量速度给定值，然后通过通讯将这个信息传给PLC(26)；PLC(26)转换信息后，将速度给定值的模拟量送到绞刀变频器(35)、泥泵变频器(28)的模拟控制端进行控制，然后，绞刀变频器(35)、泥泵变频器(28)实现对绞刀异步电动机(37)、泥泵异步电动机(29)的变频控制，最后，绞刀旋转编码器(36)、泥泵旋转编码器(27)通过脉冲计数获得绞刀异步电动机(37)、泥泵异步电动机(29)的位置和速度信号，实现对绞刀异步电动机(37)、泥泵异步电动机(29)的闭环控制；绞刀异步电动机(37)、泥泵异步电动机(29)通过绞刀联轴器(38)、泥泵联轴器(30)将扭矩传递给绞刀减速齿轮箱(39)、泥泵减速齿轮箱(31)，再传递给绞刀传动轴(40)、泥泵传动轴(32)，带动绞刀(41)和泥泵(33)的运转。