变频节流调速半主动式升沉补偿系统设计

刘善超 曹旭阳 何 宁 李立涛

升沉补偿技术在国外已发展得较为成熟。美国Varco 公司从1968 年开始研究一种双液压缸的被动式升沉补偿装置，该装置通过补偿液压缸将吊钩与船体分隔开，能够有效地保持井底钻压稳定，但系统能量损失较大[3]。1992 年，荷兰Aker Kvaerner 公司研发的天车式升沉补偿系统利用液压缸作为执行元件补偿钻井船的升沉运动，其最大负载达3 400 kN，最大补偿位移达5 m，
由于补偿器体积庞大，维护不便[4]。20 世纪90 年代，国外已有文献提出将半主动式升沉补偿系统应用于浮动式海洋钻井平台[5]。力士乐公司基于液压二次调控技术研发的升沉补偿系统，升沉补偿率达95%，且可以将负载重力势能的65% 回收再利用[6]。近年来，国内的相关研究已取得一些成果，大部分文献都是将重点放在了如何提高升沉补偿系统的补偿性能，如张大兵等人通过在主动- 被动升沉补偿仿真模型中加入死区补偿将系统的补偿误差从16% 减小到6%[7]。全伟才等人主要分析了升沉频率对系统补偿性能的影响，发现半主动升沉补偿效率随升沉频率的增加而有所降低，被动升沉补偿效率变化则相反[8]。但是，由于升沉补系统上升下降补偿动作频繁，当负载重量较大时，系统能耗尤其巨大。因此，针对现有升沉补偿系统作进一步节能研究具有重要的理论意义和实用价值。

1 系统原理设计
1.1 船舶、补偿运动分析
海浪运动是一种非线性随机曲线，可以看作是由多个不同周期、不同振幅及不同相位的正弦波叠加而成[11]，可近似为

式中：T 为海浪周期，H 为海浪波高，θ 为初始相位角，μ 为船的升沉位移与海浪波高之比。

1.2 变频液压调速原理
变频液压调速技术是将变频技术与液压传动相结合形成的一种全局型节能传动方式，即用交流变频电动机驱动液压定量泵实现流量按需输出，电动机始终处在高效率的工作状态，液压泵的输出流量可表示为

式中： P V 为液压泵排量， n 为液压泵输入转速，v η为液压泵容积效率， f 为电动机电源频率，s 为异步电动机转差率，p 为电动机定子绕组磁极对数。只要改变电动机电源频率f ，就可按要求调节液压泵的输出流量V Q 。

变频液压调速系统没有溢流损失和节流损失，功率效率较高，相对于传统的变排量容积调速方式，还具有结构简单、噪声小、调速范围大、方便控制、节能效果更好等优点。同时，变频液压调速系统也存在动态响应慢、低速特性差、调速精度不易保证等问题。为解决这些问题，常采用带矢量控制的变频器以提高调速精度。矢量控制是将异步电动机模拟成直流电动机模型，通过坐标变换将定子电流分解为产生磁场的励磁分量和产生转矩的转矩分量，然后分别对2 个分量的幅值和相位进行控制，以获得与直流调速系统相近的静、动态性能。

1.3 系统原理设计
变频节流调速半主动式升沉补偿系统原理如图1 所示。执行元件复合液压缸前端通过法兰固定在船体甲板上，以提高活塞杆的压弯稳定性。复合缸被动腔C 与蓄能器相连构成被动补偿部分，相当于液压弹簧，起承担负载重量的作用。环腔D和杆腔E 分别与伺服阀的A口、B 口相连，与变频器、电动机、定量泵等元件组成主动补偿部分，主要用于克服负载惯性和各处摩擦。传感器检测得到的船体升沉位移信号x 1 和复合缸活塞杆补偿位移信号x 2 作为控制器的输入，经控制器运算处理得到电磁换向阀、伺服阀和变频器的控制信号，驱动复合缸活塞杆伸缩完成补偿动作。

本系统既保留了阀控系统控制精度高、响应迅速的优势，又能充分发挥变频液压调速系统调速范围大、节能效果显著的特点。一方面，电磁换向阀与压力补偿阀配合工作保证泵出口压力与复合缸工作腔压力之差，即伺服阀8P 口与高压油口压差保持恒定，这样，进入执行件的流量只和伺服阀阀芯开度大小有关，方便由控制器驱动伺服阀实现复合缸的精确快速控制。另一方面，为实现系统的节能、高效，采取了多种措施：被动补偿部分承载可以大大减小主动补偿部分的能量消耗；电磁换向阀和压力补偿阀可以实现系统压力匹配；控制器根据阀控信号判断系统所需流量，进而对变频电机输出转速进行调节，达到系统流量匹配的目的。

1. 油箱 2. 过滤器 3. 变频器 4. 电动机 5. 液压定量泵6. 压力补偿阀 7. 安全阀 8. 伺服阀 9. 复合液压缸 10. 负载11. 控制器 12. 电磁换向阀 13. 蓄能器 14. 绞车 15. 动滑轮
图1 液压系统原理图

当船舶随波浪上升、下沉时，复合缸向相反方向缩回、伸出，钢丝绳相应地释放、回收即可使负载保持静止。系统工作过程分为上升补偿和下降补偿：当控制器收到船舶上升（下降）动作信号时，驱动电磁换向阀上（下）位工作，环（杆）腔油液经阻尼孔、换向阀与压力补偿阀有弹簧腔相连，在压力补偿阀的作用下，泵输出压力高于环（杆）腔压力一个调定值。同时，控制器通过分析处理船体升沉位移x 1 与活塞杆补偿位移x 2，发出控制信号，使伺服阀右（左）位工作并控制阀芯开度大小，变频器—电动机—定量泵为系统提供足够流量，高压油液经伺服阀进入环（杆）腔推动活塞杆缩回（伸出），钢丝绳释放（回收）实现负载位移补偿。

图2 系统控制原理方块图

2.1 AMESim 液压系统建模
根据液压系统原理图建立液压系统AMESim 仿真模型，建模过程中不考虑油液、粘度和弹性模型随压力的变化；忽略了钢丝绳的弹性影响；不计泵、复合缸等元件的机械和容积效率；控制器的信号采用信号库的元件代替。

2.2 Simulink 矢量变频电机建模
矢量变频电机仿真模型由电机模块AsychronousMachine SI Units、逆变器Universal Bridge、直流电源DC Voltage、电动机测量单元Machines MeasurementDemux、滞环脉冲发生器、磁链观测、坐标转换、磁链调节器、转矩调节器、转速调节器等子模块组成[14]。坐标转换模块可以根据数学模型建立，也可以直接采用软件模块库中的abc_dq0 Transformation 和dq0_abcTransformation 模块。磁链调节器、转矩调节器和转速调节器均采用PI 调节器，然后进行封装。

3.1 谐波输入结果分析
为模拟船舶在随机波作用下产生的升沉运动，采用由多个正弦信号（幅值范围0.05~0.25 m、周期范围5~15 s）叠加而成的谐波信号作为系统输入，从船体及负载的位移曲线可以看出，船体升沉位移在-0.4~0.4m 之间，补偿后负载实际位移幅度为2.5 mm，系统对于谐波的补偿效果非常好，负载位移补偿精度可达99.7%。

由蓄能器充气体积及压力变化曲线可以看出，随着船体的升沉，蓄能器充气压力以初始工作压力175×105Pa 为中心上下波动，蓄能器充气体积随之反向变化。当船体上升时，复合缸活塞下移，被动腔油液被压入蓄能器，蓄能器充气压力增大、体积减小；当船体下降时，复合缸活塞上移，蓄能器油液进入被动腔，蓄能器充气压力减小，体积增大。

从伺服阀各口压力变化曲线可知，伺服阀P 口压力始终比高压油口压力大30×105 Pa，系统能够很好地实现泵输出压力与负载压力相匹配。由于泵输出的高压油液只需做功克服系统惯性及摩擦完成主动补偿动作，且复合缸环腔与杆腔的工作面积相同，故系统压力较低，波动较小，伺服阀P 口最高压力为9 MPa，压力变化范围约为3 MPa，这对液压系统稳定运行十分有利。

从图3 所示矢量电动机转速控制曲线和系统流量跟随曲线可以看出，矢量控制异步电动机输出转速与理想转速虽然存在少许滞后，但已可满足系统对转速控制的要求，驱动泵按照系统所需输出流量。经计算，本次仿真过程中泵输出流量平均约为56.6 L/min，溢流阀溢流流量平均约为11.9 L/min，溢流损失较少保证了系统的高效。产生这部分溢流损失的原因是为保证泵能够始终向系统提供足够流量，故使泵的输出流量稍大于系统所需。另外，电动机的转速不应低于泵正常工作的最低转速p min v ，本系统中设定pmin v =300 r/min，当执行件低流量需求时，电动机以最低转速驱动泵工作，系统处于阀控节流状态。

3.2 系统能耗分析
为比较上述系统与现有主动式、半主动式升沉补偿系统在能量消耗上的不同，分别建立了其他3 个系统的仿真模型：由定量泵供油、伺服阀控制普通液压缸实现升沉补偿的普通阀控主动式系统；由变频电机驱动定量泵配合伺服阀协同控制普通液压缸实现升沉补偿的变频节流调速主动式系统和由定量泵供油、伺服阀控制复合液压缸并采用蓄能器的阀控半主动式系统。仿真时采用幅值为0.45 m、周期为5 s 的正弦波信号作为统一输入模拟船舶升沉运动，仿真时间设为30 s。系统能耗为

由表2 可知，变频节流调速半主动式升沉补偿系统能耗仅为阀控半主动式系统的53.1%、变频节流调速主动式系统的45%、普通阀控系统的25.6%，节能优势明显。

4 结论
将已有的升沉补偿系统与变频液压调速技术相结合，设计了一种变频节流调速半主动式升沉补偿系统，在保证较高补偿精度的前提下大大减小了系统能耗。根据液压原理图及矢量变频控制原理建立了AMESim 液压系统模型和Simulink 矢量异步电动机模型。通过控制器- 伺服阀的精确控制，系统能够很好地对谐波模拟的船体升沉运动进行补偿，负载位移补偿精度达99.7%。在蓄能器与复合缸被动腔组成的“液压弹簧”承担负载重量的基础上，主动控制部分同时实现了压力、流量匹配，提高了包括电动机在内的整个系统的效率。通过对比4 种升沉补偿系统的能量消耗验证了该系统具有较大的节能优势。