岩滩升船机电气传动系统的应用与研究

1、岩滩升船机电气传动系统的应用与研究易春辉1 ,张新秋1 ,谢敏2(11 中国航天工业总公司 210 研究所 ,陕西 西安 710065 ;21 广西电力工业勘察设计研究院 ,广西 南宁 530023)摘 要 :介绍岩滩升船机电气传动系统 ,就主提升电气传动系统的组成 、配置与控制进行了应用分析与研究 。并对主提升电气传动系统总线控制方案进行了分析研究 。关键词 :升船机 ;电气传动 ;速度同步 ;力矩均衡 ;岩滩水电站中图分类号 : U642 ; TM921文献标识码 :B 文章编号 :1001 - 408 X(1999) 04 - 0036 - 06(5) 系统有完善 、可靠的保护和报警功能

2、 ,以及电气联锁功能 ,保证设备与人身安全 ;(6) 4 套传动装置能实现共用 1 个速度环控制 ; (7) 4 套传动装置出力均衡调节 ;(8) 3 套传动装置拖动时 ,也能保证 3 套装置出 力均衡 ;(9) 系统设计考虑系统的可维护性 ,直观简便 ,便于维护 ;(10) 系统 EMC 设计 ;(11) 系统设计留有扩充余地 ,方便系统扩充 ; (12) 设备布局合理 、美观 。213电气传动系统设计技术要求( 1) 系统必须具备高可靠性 ,M TB F 不小于 5 a , M T TR 不大于 1 h ;(2) 系统必须具备较高的抗干扰特性 ;(3) 系统能在速度 转矩特性曲线的 4 个

3、象 限里正常工作 ,能适应重载 、轻载 、零载 、变化负载等 负载状况运行 ,即当运行工况改变时能自动地适应 运行工况 ;(4) 4 套传动共用 1 个速度环 ,4 台电机输出转 矩应基本相同 ,在任一运行时刻保持其相互间转矩 差小于当时平均转矩的 10 % ;(5) 电气传动能使船厢下行时按 5 段速度曲线 ,上行时按 7 段速度曲线运行 ;(6) 系统有良好的静 、动态性能 ;岩滩升船机电气传动系统综述岩滩升船机电气传动系统采用 4 台直流电动机 拖动 ,4 台直流电动机分别由 4 套全数字直流调速 系统驱动 ,带动同步轴驱动卷筒垂直提升船厢 ,4 台 电机机械刚性同步闭环传动方式 。电气

4、传动系统中心任务就是完成升船机提升 、下降的动力拖动和速 度控制 ,是整个工程项目的关键之一 。1升船机电气传动系统总体性能要求升船机电气传动系统设计首先遵循“可靠 、先 进 、经济”这一原则 。由于岩滩升船机是国内外首台 不完全平衡船厢下水式升船机 ,设计中没有成熟的经验可借鉴 ,传动系统的设计只能遵循通用标准并 在实际应用中完善 。211设计依据(1) I EC 标准 ;(2) 国内相应 I EC 的国家标准 ; (3) 招标文件 。212升船机电气传动系统总体要求(1) 升船机的安全正常运行 ;(2) 按给定的升降速度图 、加速图运行 ; (3) 提升过程平稳 、主机冲击小 ;(4) 设

5、计范围内水位变化不影响船厢的准确停 靠 ;2收稿日期 :1999 - 10 - 11作者简介 :易春辉( 1964 - ) ,男 ,江西于都人 ,高级工程师 ,硕士 ;张新秋( 1941 - ) ,男 ,湖南衡阳人 ,高级工程师 ;谢 敏( 1967 - ) ,男 ,江西瑞金人 ,工程师。36易春辉 、张新秋 、谢 敏 :岩滩升船机电气传动系统的应用与研究(7) 当 4 套传动装置中有 1 套损坏 ,其余 3 套传动装置仍能驱动船厢做 1 次上升或下降运行 ,此时 负载将在这 3 套传动装置中自动重新分配 ,仍能保 持 3 台出力均衡 ;(8) 当有 2 套系统在运行中退出工作 ,应作为事 故

6、状态停机检查并报警 ;(9) 本电气传动系统具备下列保护和报警 :超速保护或堵转保护 ;晶闸管过温保护 ;停靠位置保护 ,过卷保护 ;失磁保护 ;主电源欠压 、过载保护 ,缺相保护 ,相序错误 报警 ;过电流保护 ;电机过温保护 ;测速故障保护 ;其它保护 。动 ,结构框图类似 。升船机电气传动系统参数和构成升船机电气传动系统包括 4 套全数字电气传动 装置和 4 套直流电机。411全数字电气传动装置参数型号 : ABB 电气传动 DCS500 系列 , DCS502 -1200 T - 41 - M ,全数字反并联连接可逆三相桥 , 4象限 ,框式结构 。 主要技术参数 :4主回 路 额 定

7、 输 入 电 压 : 三 相 AC10 %) ;电子 板 额 定 输 入 电 压 : 两 相 AC10 %) ;400 V ( ±400 V ( ±风扇额定输入电压 :三相 AC 400 V ( ±10 %) ;励磁额定输入电压 :两相 AC 400 V ( ±10 %) ; 额定效率 :自动适应 45 Hz65 Hz ; 额定直流电压 :500 V ;电气传动系统方案根据岩滩升船机工程的特点 ,以及主提 升机房内主机 、卷筒 、平衡重等设备的布置 , 升船机主提升装置采用 4 台电机驱动 ,通过4 台高速减速器 ,经封闭的刚性环形同步轴 , 驱动 8

8、台低速减速机 ,带动 16 个卷筒卷扬钢 丝绳提升船厢 。岩滩升船机电气传动系统是一个多电机 驱动的系统 ,区别于单台传动 ,是一个系统传 动 。各套传动不是独立的 ,而是相互关联构 成系统 。4 台电机通过机械刚性同步轴联 接 ,保持同步 。由于 4 台电机通过矩形轴联接 ,要同时保证 4 台电机的速度一致 ,4 台传 动都作为速度控制 , 4 台电机的出力均衡性 则调整困难 。要保证整个系统的速度受控 ,4 台电机的出力又保持均衡 , 传动系统采取 4 套传动共用 1 个速度外环 , 4 个独立电流内环 ,一主三从的主从传动方案 。 电气传动系统的结构框图见图 1 。在图 1 中 ,以 1

9、 号传动为主传动 ,2 号 、3 号 、4 号为从传动 ,4 套传动共用 1 号传动的 速度环 , 1 号传动采用速度控制方式 ( SpeedCo nt rol) ,2 号 、3 号 、4 号传动采用扭矩控制 ( To rqueCo nt rol) 方式 。通过传动程序设置可以任意变更 4台传动的主从关系 ,图 1 是 1 号传动为主传动的传 动系统结构图 , 对于 2 号 、3 号 、4 号传动作为主传3图 1 升船机电气传动系统结构框图额定直流电流 :1 200 A ;过载电流 :最大 115 倍额定电流 ( DC 工作制15 min 过载一次 ,持续时间 60 s) ;运行环境温度 :

10、+ 5 40 ;37红水河 1999 年第 4 期柜式防护等级 : IP 21 ;I/ O 标准配置 :8 路数字输入 ;8 路数字输出 ;5 路模拟输入 ;3 路模拟输出 。412直流电动机4 台直流电动机的主要参数为 :(1) Pn = 339 k W , V n = 420 V , I n = 877 A , N n= 750 r/ min ;( 2) 励磁方式为他励 , 励磁电流为 I F = 1112 A ; (3) 允许过载倍数 118210 倍 (15 s) ;(4) 电机在额定负载和工作温度下 ,各电机特性 差不大于 2 % 。根据项目要求 ,结合升船机工程特点 ,要求高可 靠

11、性 ,而使用环境潮湿 , 要使系统长期稳定可靠工作 ,电机的绝缘等级应尽可能高些 ,过载能力强些 ,寿命长的电机 ,设计采用 ABB 电机 ,型号为 DMA +315 M65 V ,此电机具有下列特点 :(1) ABB 公司专利 GEMODU R 绝缘技术 , H 级 绝缘 ;(2) 结构紧凑 ; (3) 效率高 ;(4) 允许每 5 min 过载 200 % 15 s ;(5) ISO 9001 认证 。 选用附件 :(1) 内冷设备 ,含风压开关 ;(2) 光电编码器每周脉冲值为 1 024 ,24V ; (3) 电机温度监测 P T100 ;(4) 防冷凝加热 。413电气传动的特点(1

12、) 宽容量范围 。DCS500 是全数字六脉冲 , 2或 4 象限运行的直流变流器 ,电流范围 25 A5 150A ,设计选用 1 200 A ;(2) 完善的控制结构 。电枢电流和磁场电流的 自动调节 , EM F 控制和功能块编程 , 通过 ABB 的 Co nt rol Panel 、PC 工具或上位 PL C 控制系统 , 可以 实现对 DCS500 的控制和监测 ;(3) 多种 I/ O 连接 。通过传动的 A I/ AO 、D I/ DO ,控制系统实现对 4 套传动共用 1 个速度环 ,及 出力均衡调节 ,构成复杂的系统传动 ;(4) 多种励磁方式 。弱磁 、磁场电流自动调谐

13、, 磁场换向等功能都可以选择 ,设计选用内装 16 A 励 磁模板 ;(5) 多种通讯选项 、方便与上位机连接 ;38(6) 功能块编程与监测 ;(7) 故障记录 。可实时记录 100 个故障信息 ,可 以在 Co nt rol Panel 或 CM T/ DCS500 软件上读取 ,易 于查找故障 。414电气传动速度和转矩控制DCS500 具备速度控制和转矩控制功能 , 正是 利用这一特性 ,得以实现多套传动的主从控制 ,4 套 传动共用 1 个速度环 ,也是借此实现的 。415电气传动系统的组成柜式结构 :DCS502 - 1200 T - 41 - M ,4 台 ;IOB 板 :SDC

14、S - IOB - 21 ,1 ×4 块 ;SDCS - IOB - 3 ,1 ×4 块 ;直流电机 :DMA + 315 M65V ,4 台 ;脉冲编码器 :每周脉冲值为 1 024 ,24 V (电机附 件) ,4 只 ;主变压器 :630 kVA 、10 kV/ 0 . 4 kV ,4 台 ;CM T - DCS500 :调试维护软件 ,1 套 ;其它辅助设备和备机 、备件 。电气传动系统控制方式4 套电气传动装置驱动 4 台电机共同驱动 1 个 封闭的刚性矩形同步轴 ,刚性同步 ,为实现 4 台电机 出力均衡 ,一套传动作为主传动 ,控制提升速度 ,其 它 3 套传

15、动作为从传动 ,只作为转矩控制 ,不参与速 度控制 。511 传动的速度和转矩给定升船机上升按 7 段速度曲线 ,下降 5 段速度曲 线图速度给定 ,通过 PL C 的模拟输出模块输出 ±10V 电压信号 ,给 ABB DCS500 的 IOB - 3 板的模拟输入口 A I1 。转矩给定 、预加力矩给定都是通过 PL C 模拟电压输出模块给到传动 IOB - 3 的模拟输 入 A I3 、A I4 。传动与控制系统给定参数接口见图2 。5图 2 传动与控制系统给定参数接口易春辉 、张新秋 、谢 敏 :岩滩升船机电气传动系统的应用与研究测速反馈采用电机端的增量编码器作为测速反馈 。传

16、动 I/ O 控制DCS500 有 8 点开关量输入 , 用于远程控制其启 、停等功能 , 8 点输出 ,用于输出传动内部的状态信息 , 控制系统得以知其状态 。PL C 与电气传动I/ O控制接口见图 3 。512513DCS500 传动图 3 PLC 与电气传动 I/ O 控制接口612 主要解决措施(1) 复杂的系统传动 。根据升船机工况特点设 计的主提升机械设备及设备布局 ,决定了传动系统 是一个多电机驱动的系统传动 ,区别于各传动独立运行的单台传动 。这里 ,系统传动的关键点在于解决多套传动共 用一个速度环和多传动出力均衡控制的问题 。解决方法 , 采用 Master/ Follow

17、 ( 主/ 从控制) 方 式 ,4 套传动装置设置 1 套为主传动 ,另 3 套为从传动 ,4 套传动装置共用主传动的速度外环 ,对整个系 统进行速度控制 ,完成指定的速度曲线运行 。而计 算机控制系统通过读取主传动速度调节器的输出 值 ,经过处理 、修正等一系列算法 ,动态分配给 3 套 从传动 ,从而实现 4 套传动的力矩均衡 ,保证各台电机的出力基本一致 。值得注意的是由于各传动参数电气传动系统主要技术问题及措施升船机电气传动系统的主要技术问题(1) 全数字电气传动系统程序设计 ;(2) 4 套传动共用 1 个速度环构成复杂的系统6611传动 ;(3) 4 套 (3 套) 传动出力均衡控

18、制 ; (4) 制动控制 (Brake Co nt rol) ;(5) 预加力矩与平稳性启停 ;(6) 系统运行过程中的平稳性控制 ; (7) 大的力矩变化与力矩过零控制 ; (8) 准确停位 ;(9) 信号检测及处理 ;(10) EMC 实施 ; (11) 网络通讯 。39X61D I 1AC K C FAN2D I 2Coast stop3D I 3AC K M CON T4D I 4备用5D I 5EM S TO P6D I 6R ESE T7D I 7ON/ O FF8D I 8S TAR T/ S TO PX71DO 1FAN ON2DO 2F I EL D ON3DO 3MA IN

19、 - CON T - ON4DO 4RD Y - RU NN IN G5DO 5RU NN IN G6DO 6FAUL T7DO 7AL ARM8DO 8MA IN - CON T - ONQuant umPL C 控制系统DDO 模块DD I 模块红水河 1999 年第 4 期不一致 ,各电机参数也不完全一致 ,主传动速度调节器的输出值不宜直接硬连接分配给其它 3 套从传 动 ,而应通过控制系统来修正 、调整 、分配 ,这样增强 了系统的灵活性 ,提高控制精度 。(2) 船厢升降平稳性控制 。船厢升/ 降过程的平 稳性控制 ,也是升船机工程的一个关键点 。平稳性分启 、停平稳性和升降过程中平

20、稳性 。升降过程的平稳性 ,通过传动系统程序整定 、调 整 、试运行 ,满足在不同速度下的平稳运行 ,避免出 现系统振荡和大的超调 。值得注意的是 ,在满足系 统正常运行要求的情况下 ,不宜追求过高的响应速 度 ,以免造成对主机的冲击和影响系统的平稳性 。 (3) 系统启动时平稳性 ,根据岩滩不完全平衡升 船机的经验 ,解决启动抖动问题 ,通过启动时预加力 矩 ( Holding To rque) 来实现 。传动保持力矩控制见图 4 。一些相应的其它方法 ,以使启 、停平稳 ,取得更好的效果 。(4) EMC 问题 , 首先保证所有设备都有 EMC 检测指标 ,现场着重从电缆屏蔽 、电源净化

21、、设备抗 干扰接地着手 ,特别是对传动到电机的电缆 ,从电缆 选型及走向专门考虑 。设备接地电阻不大于 4 , 贯彻一点接地原则 。升船机其它传动方式的分析与研究计算机技术和半导体功率器件的发展 ,也带动 电气传动技术的发展 ,全数字传动技术已相当成熟 。特别交流传动技术的发展 ,使交流传动呈现出主导优势 。本文根据岩滩升船机直流传动的特点 ,就直 流传动在升船机中的应用进行探讨 。采用矢量控制 或更先进的直接转矩控制的交流传动在控制方式与 直流传动类似 ,本文不再论述 。ABB 公司 、S I EM EN S 公司或者世界其它知名 厂家的直流传动产品 ,各有自己的特点 ,但在应用中 构成传动

22、系统方式不外乎两种方式 ,一是通过传动 的 I/ O 接口控制方式 ,一是通过产品支持的总线方 式 。传动接口控制方式在本文的电气传动方案中已 阐述了 ,下面就传动总线控制方式构成的电气传动 系统在升船机的应用进行分析对比 。7711电气传动系统的结构传动总线控制方式传动系统结构图见图 5 。图 4 传动保持力矩 (预加力矩) 控制当 D I 输入 RU N 运行时 ,B R R EL EA SE 输入产生启动命令后 ,预设转矩命令有效 ,实际转矩跟随预 设给 定 转 矩 , 并 达 到 预 加 的 转 矩 , 设 置 L IF T B RA KE 输出去控制机械制动器打开 。然后在延时 启动

23、时间 S TA R T D EL A Y 内 ,D EC EL CMND 被激 活以保持速度给定为零 。启动延时过后 ,速度调节 器和积分发生器被释放 ,系统运行 。反之 ,在制动命 令状态下 ,D EC EL CMND 复位积分发生器的输入 , 当实际速度低于设置的最小速度时 , 取消 L IF T B RA KE 指令 ,在停止延时 S TO P D EL A Y 间将保持 速度调节器以零速度给定运行 , 当 S TO P D EL A Y 过后 ,B RA KE RU N 指令被取消 , 这时机械制动器 制动 。除了此种传动常规预加力矩方法外 ,针对升船 机这一复杂的系统传动 ,预加力矩

24、的控制还要采取40图 5 总线控制方式传动系统结构图在此方案中 , 采用 ABB 直流传动 DCV700 , 通过高速串行总线 MA S T ER B U S90 ( MB90) 将 4 个应 用控制器 A PC 相互联接构成系统 ,以此来协调控制 各传动装置 。总线由 2 个 BA ( 总线管理器) 和 4 个易春辉 、张新秋 、谢 敏 :岩滩升船机电气传动系统的应用与研究A PC (应用控制器) 构成 ,BA 是 MB90 总线上的主机 ,对总线进行控制 , 而 A PC 为 MB90 上的从机 , A PC 之间的数据交换或 A PC 与上位机控制系统之 间通讯通过 MB90 来完成 。

25、DCV700 包括 1 个应用控制器 A PC 和 1 个数字传动控制器 DDC 。应用控制器 A PC 适用于交 、 直流传动 ,具备完整软 、硬件的控制器 ,用于处理特 殊应用功能 。数字传动控制器 DDC 不能编程 ,但可以通过设置参数来选择不同的工作方式和各种功能 ,电机应用传动控制程序存贮在 DDC 中 , 通过A PC 给出的速度或力矩给定进行控制电机 。712传动系统控制传动系统以主/ 从控制来实现升船机 4 台主电 机的负载分配 ,主传动速度控制对系统速度进行控制 ,从传动力矩控制对负荷进行控制 。主/ 从链接方式见图 6 。图 6 传动主/ 从关系链接原理图主机将力矩给定从

26、V6 传递到第 1 台从机的V5 ,而第 1 台从机的 V6 传递到第 2 台的 V5 , 第 2 台从机的 V6 传递到第 3 台从机的 V5 ,第 3 台的 V6 回传递到主机的 V5 ,传递关系是通过通讯板 SDCS- COM - 1 ,由光纤传输的 。A PC 通过分别设置 4 台传动的 DDC 中的程序 参数 ,来决定哪一台传动作为主传动用于速度控制 ,哪三台传动作为从传动用于转矩控制 ,A PC 还同时 控制 4 台主/ 从机之间的负载分配量值 。如果升船机传动系统在运行过程中 , 1 台从机传动装置出现 故障 , A PC 应用程序可以自动切除该从机的连接环 ,并按 3 台电机主

27、/ 从重新分配负载 。若传动系统 在运行过程中 , 主传动发生故障 , A PC 应用程序通 过重新设置主从关系更换环中的主机 。无论是主机 还是从机出现故障 , A PC 应用程序可自动判断 , 并在不停机的情况下 ,实施负载的重新分配 。713 传动系统的构成传动 :DCV702 - 1200 - 45 - M ,4 套 ;励磁 :DCF503 - 033 - 51 - C ,4 套 ;应用控制器 :A PC YP P110 ,4 套 ;A PC 电源单元 : CM125 - PS - 230AC/ 24DC , 4套 ;A PC 接口板 : SNA T602 TAC ,4 套 ;扩展 I

28、/ O 接口板 : YPQ110 ,4 套 ; MB90 总线通讯板 : YP K112 ,4 套 ; 总线管理器 :BA - C I626 ,2 套 ; SDCS - COM - 1 ,4 套 ;MODB U S 通讯板 : YP K117 ,4 套 ;控制盘 :A PC700 PAN + PO W ER ,4 套 ; SDCS - IOB - 21 ,4 套 ;SDCS - IOB - 3 ,4 套 ;直流电机 :DMA + 315M65V ,4 套 ;主变压器 :630 kVA ,10 kV/ 0 . 4 kV ,4 套 ;调试软件 :1 套 ;其它备机 、辅件 。714传动系统对比分析

29、至此本文针对升船机传动系统 ,已介绍了基于I/ O 控制和基于总线控制方式的两种系统传动方 案 。下面就两种方式作一简要对比 。(1) 功能 。两种方式传动系统在功能上均能满 足升船机运行工况要求 ,在功能上二者没有多少区 别 。(2) 性能 。采用基于总线控制方式的电气传动 系统在性能略优于基于 I/ O 控制的传动方式 ,总线方式可以动态改变传动参数 ,从而在运行过程中可 以动态改变主/ 从传动关系 ,改变速度调节器 、电流调节器的 P ID 参数 。(3) 系统复杂性 。采用总线方式传动比 I/ O 方 式传动系统构成要复杂 。(4) 系统维护性 。采用 I/ O 方式传动在系统维 护性

30、优于总线方式传动 ,系统更直观 。(5) 价格 。在升船机系统配置中 , 采用 I/ O 方式传动的价格约是总线方式传动价格的 65 %左右 。(6) 综合指标 。在满足升船机运 (下转第 50 页)41红水河 1999 年第 4 期小于 1 % 。上述测试结果表明 : 在空气中运行时电机电枢 电流值不大于所选主驱动电机的额定电枢电流 877A ;且在水中运行时电机电枢电流值的过载倍数不 大于 1 300 A/ 877 A = 115 。因此 ,实践证明所选的主驱动电机完全满足岩滩水电站升船机运行的要 求 。在承船厢进入水中达到下游最低通航水位 154150m 时 ,这时平衡重是起了增加静阻力

31、矩的作用 ,若减 轻平衡重就可以减小该最大不平衡力矩 ,从而减小 电机的容量 。如果单纯减小平衡重配置使得承船厢在水中的最大不平衡力矩减小 ,同时会使承船厢在空气中的 不平衡力矩会增大 ,由于承船厢在空气的运行时间 较长 ,对主提升机的发热会产生不利影响 ,要克服这 一影响又需提高主提升机的设计强度 ,这又带来一 个新的问题 :主提升机的设计强度最优的问题 。而 主提升机的设计强度优化又是一个涉及多项技术的 问题 ,需要进一步进行专题研究才能确定 。对于非 全平衡及承船厢下水式升船机主驱动电机的容量确 定原则 ,应当是全面考虑各方面因素后兼顾电机容 量最小和主提升机的设计强度最优两方面来确定 , 这一观点尚须实践加以检验 。因此 ,本人认为选择 平衡重的配置应使得承船厢在空气中与在水中的最 大不平衡载荷比为 1 116 ,再按电机容量最小原则 确定电机容量比较合理 。512 升船机主驱动电机的发展趋势随着技术的发展 ,交流电气传动无论从经济 、效 果等方面 ,均优于直流电气传动 。升船机的多电机 同轴电气传动系统的主驱动电机采用交流电机将是 必然的结果 ,加上交流电机的过载能力远大