垂直升船机电力拖动与控制设计研究

第４０卷第２期２００９年１月　　人　民　长　江Ｙａｎｇｔｚｅ　Ｒｉｖｅｒ　　Ｖｏｌ．４０，Ｎｏ．２Ｊａｎ．，２００９收稿日期：２００８－１０－２０作者简介：段　波，男，长江水利委员会设计院机电处，教授级高级工程师。　　文章编号：１００１－４１７９（２００９）０２－００８８－０３垂直升船机电力拖动与控制设计研究段　波　张生权（长江水利委员会设计院，湖北武汉４３００１０）摘要：随着我国水电建设事业的快速发展，在建和拟建的升船机项目也越来越多。作为载人设备，从安全角度出发，对升船机电力拖动与控制的调速精度和运行可靠性方面的要求很高。结合具体的工程设计，对几种典型升船机的电力拖动与控制系统方案的特点以及需要解决的问题进行了深入的分析、探讨，各方案均可为类似的升船机设计提供参考和借鉴。关　键　词：升船机；电力拖动与控制；交流变频调速；设计方案中图分类号：ＴＶ７３４　　　文献标识码：Ａ１　概述升船机是解决高坝水利枢纽船舶快速过坝的通航设施。近２０ａ来，我国升船机建设事业发展速度较快，在建的和已建成的大型升船机有１０余座。随着我国水电开发逐步向西南地区发展，高坝水电站建设项目将越来越多，升船机的建设也将随之得到更加蓬勃的发展。目前大、中型升船机主要有以下几种形式：（１）全平衡卷扬提升式垂直升船机：如高坝洲升船机、隔河岩两级升船机、彭水升船机、构皮滩第二级升船机、水口升船机等；（２）全平衡齿轮齿条爬升式垂直升船机：如三峡升船机、向家坝升船机；（３）部分平衡卷扬提升式（承船厢下水式）垂直升船机：如构皮滩第一级和第三级升船机、岩滩升船机；（４）全力卷扬提升式垂直升船机：如丹江口第一级升船机；（５）斜面升船机：如丹江口第二级升船机。垂直升船机一般由上闸首、主提升机、承船厢、下闸首等组成。垂直卷扬提升式升船机的主提升机安装在其塔柱顶部的主机房，而齿轮齿条爬升式升船机的主提升机，则安装在承船厢上。升船机的电力拖动与控制系统主要包括：主提升机的电力拖动系统（简称：主拖动系统）、辅助设备的电力拖动与控制系统、整体运行自动化监控系统及检测系统等。不同形式的升船机，其主拖动与控制系统的结构及功能也有所不同，有的差别较大。本文主要介绍垂直升船机主拖动与控制系统的设计方案。２　两种形式升船机主拖动系统的技术要求三峡水利枢纽升船机与高坝洲水利枢纽升船机是目前国内在建的两种典型的不同提升形式的垂直升船机，其电力拖动与控制系统方案具有较强的代表性。升船机的承船厢厢体庞大，通常采用多机分散驱动或多绳曳引。对于垂直卷扬提升式升船机，是在塔柱顶层平面布置４～８个卷扬驱动单元，并分置于左右两侧，每个单元由１台电动机驱动，且设置刚性同步轴将４～８个驱动单元刚性地连接起来，组成１套“机械同步”传动系统。对于垂直齿轮齿条爬升式升船机，则是在承船厢上布置４个齿轮驱动机构，并将其分置于左右两侧，每个齿轮驱动机构由１～２个驱动单元组成，每个单元由１台电动机驱动，并设置刚性同步轴将４个驱动单元刚性地连接起来，组成“机械同步”传动系统。上述两种形式的升船机的主拖动系统均有以下主要技术要求：（１）出力均衡。大型升船机的主提升机是一个多电机驱动机械轴同步传动系统。多台电动机在机械轴刚性连接下运行时，由于电动机制造等原因，会产生机械特性的差异，使负载在电动机之间不能得到平均分配，这样可能造成某台电动机过载，而另一些电动机负载不足或在制动状态下工作。升船机在正常工作情况下，一般要求电动机之间的出力相差较小。（２）四象限运行。升船机的负载是一种典型的位势性负载，由于承船厢停位误差引起的误载水深的差异，承船厢相对平衡重有轻载、重载、零载等，这些使升船机的运行有电动和制动等工况。因此要求主拖动系统能在其机械特性的４个象限内运行，并实现平滑过度，以适应升船机不同性质的负载工况。（３）运行速度。承船厢的实际运行速度曲线对船厢内水体的稳定性会有很大影响。为确保升船机运行安全平稳，一般要求主提升机按五阶段速度图或Ｓ形速度图运行，主拖动系统的调速范围比较宽。（４）准确停靠。为了减小调整船厢水深的概率、确保设计通航能力，主提升机应能自动跟随上、下游水位的变化，寻找合适的减速点和准确的停位点，实现安全、平稳、准确地停靠。（５）无扰动切换。为了避免乘客因升船机突然中断运行而受到惊吓，一般要求尽量使承船厢在升降过程中保持不中断地运行。对于多级驱动的主提升机，一般采用主—从控制运行，在　第２期　　　段　波等：垂直升船机电力拖动与控制设计研究运行过程中，当有一套交流变频传动装置损坏时，要求其余的交流变频传动装置仍能不间断地驱动船厢运行完全部行程。此时，主从交流变频传动装置之间应能实施无扰动的切换。３　齿轮齿条爬升式升船机主拖动系统３．１　设计方案三峡水利枢纽升船机为全平衡齿轮齿条爬升式升船机，由于承船厢需要的驱动力很大，故采用布置在承船厢四角的４个驱动机构进行分散式驱动。为确保承船厢能以水平状态平稳升降，由刚性连接的同步轴将４个驱动机构连接起来，进行“机械同步”驱动。同时，还要求承船厢的电力拖动系统应具有同步控制、平滑调速和稳速运行的功能，以保证湿运承船厢在运行过程中无速度的突变，船厢内水体波动很小，厢内船舶平稳安全。因此，选用调速性能优越的数字（微机）控制的交流变频调速系统。承船厢主拖动系统的４个驱动机构对称布置在船厢上、下厢头左／右两侧的驱动室内。每个驱动机构配置２个驱动单元（装置），共８个，每个驱动单元配置１台驱动电动机。船厢的４个驱动机构采用“工”形刚性机械同步轴连接，组成多电动机“机械同步”传动“齿轮－齿条”爬升系统。“工”形连接方式将保证同步轴在扭矩传递时具有相同的长度和条件。每个驱动单元由１个传动齿轮箱和１台驱动电动机组成，每个驱动机构的２台电动机通过传动齿轮上的一根较短的刚性轴相互连接。为了使“工”形同步轴几乎不承担扭矩负荷，设置了如下结构的“电气行程（位置／高度）同步”控制系统：（１）船厢４个驱动机构，各由２台交流变频调速电动机驱动，每台电动机由１套容量相当的交流变频调速装置（简称变频器）供电，变频器与电动机之间采用一对一配置方式，共计有８套“变频器—电动机”调速传动单元。８台交流变频调速电动机的“自然机械特性”的差异不超过０．５％。（２）变频器采用“交—直—交”变流结构，由整流／回馈单元、中间直流回路和逆变单元３部分组成。其中整流／回馈单元采用主动前端、自换向、脉冲式结构，它与逆变器的功率器件均为绝缘栅双极型晶闸管（ＩＧＢＴ）。在制动状态下运行时，通过整流／回馈单元，将负荷能量回馈至电网，不采用能耗制动。（３）８套“变频器－电动机”调速传动单元均带有各自的速度调节器，以及电流和磁通调节器，并与装于电动机轴上的增量型旋转测速编码器一起，组成８个带有速度反馈控制、双闭环、高稳速精度的自动调速系统，且具有“零速满转矩”功能。每个驱动机构的２套“变频器—电动机”调速传动单元作为一个“电气传动组”，对每套调速传动单元的调节，是采用独立方式进行控制。在每个“电气传动组”中，均设置转矩均衡控制环节，以使每个传动组中的２台电动机能自动地平均分担负荷；同时还应设置平均位置差的补偿控制环节，以实现每个驱动机构自身的精确位置（行程）控制。（４）在４个电气传动组（８个驱动单元）之间，采用光纤专用网络互通信息。（５）４个电气传动组由专门设置的一个“主拖动控制站”进行协调控制，并由此控制站通过网络与上级监控系统进行通信，实现升船机整体运行的集中监控。（６）８个驱动单元同时接受“主拖动控制站”输出的速度给定信号，并分别精确地按此给定的信号同步运行，由此实现“电气同步”。３．２　主要问题３．２．１　一个驱动装置内两台电动机的出力均衡承船厢的４个驱动机构中，每一个驱动机构均由２台交流笼型异步电动机经齿轮箱减速后，通过一根短轴刚性连接，从两侧共同驱动小齿轮旋转，使船厢沿垂直敷设在两侧混凝土塔柱表面的齿条作升降运行。在双电动机刚性同轴驱动中，各电动机被同步轴强制在相同的转速上，由于电动机具有的特性总会有一些差异，因此会引起较大的出力（输出转矩）差，以致必须对两台电动机的出力进行均衡调节。通过转矩调节器对每个驱动机构的２台电动机的输出转矩进行平均调节，使每台电动机的输出转矩基本相等。３．２．２　４套驱动机构间的“电气高度同步”控制三峡水利枢纽升船机除了设置“工”形机械同步轴连接４套驱动机构外，还配置有一套“电气高度同步”控制系统，以期达到位置同步运行的目的。如果使４个驱动点处在同一个水平面上，即可以避免同步轴在运行过程中承担扭矩荷载。“机械同步”的作用是利用同步轴传递转矩，来保持４个驱动机构同步运行。该机械同步系统只有在驱动装置之间出现高度差的情况下，才传递转矩。当驱动装置位于同一标高的情况下，同步轴是不承受扭力的。“电气同步”的作用是通过产生稳定的转矩来保持４个驱动机构的同步运转，使其处在同一个高度上。当某驱动点的阻力增加、速度降低时，其高度（行程）实际值将小于统一的给定值，该点驱动装置的“变频器－电动机”将增加输出转矩，速度回升，使该点的高度（行程）与其它３点保持一致，这样，同步轴才不会产生差异转矩。因此，“电气同步”能持续地对承船厢驱动点的水平高度进行精确地控制，且不受负荷变化的影响，而“机械同步”虽不能对承船厢驱动点的水平高度进行精确地控制，但可起到后备保护的作用。３．２．３　电力拖动系统能在４个象限内稳定工作由于承船厢在每次运行结束后，其停止位置不可避免地会有一定的停位误差，加上船舶进出承船厢期间上下游水位的变化，承船厢内的盛水量总会偏离标准值３．５ｍ（允许有±１０ｃｍ盛水水深误差）。这样，对电力拖动系统来说，其每次运行的负荷性质将是不同的，无论是上升运行，还是下降运行，都可能出现电动状态负荷或发电制动状态负荷。也就是说，要求电力拖动系统能适应４个象限内稳定运行。当处在发电制动状态运行时，应将荷载的动能全部转化为电能返回电网。采用带有整流／回馈单元的交流变频调速传动装置，电力拖动系统完全可以实现在４个象限内稳定地运行和能量反馈。３．２．４　主拖动系统方案分析“机械同步”加“电气高度同步控制”方案，目的是在驱动承船厢爬升的４套驱动机构之间采用“工”形同步轴刚性连接，即采用“机械同步”驱动机构，使承船厢保持水平状态运行。为使同步轴不传递扭矩，采用了以“电气高度同步控制”为主控制，并以“机械同步”作为后备保护。由于＂工＂形同步轴细长比很大，具有一定的柔度（弹性变形），且同步轴的各分段之间还存在连接间隙，其弹性变形和连接间隙给电气高度（行程）同步控制提供了足够的调节范围。同时，“工”形同步轴的各边长度在设计时也应尽可能地相同，当需要传递转矩时，有利于使各驱动点传递的转矩近似相等。在正常运行时，电气高度（行程）同步控制系统正常工作，４９８　　人　民　长　江２００９年　个驱动点的传动装置各自接收由主拖动控制站（ＰＬＣ）发出的统一运行给定信号（行程－速度），并精确地按照给定信号运行。由于采用数字控制技术，调速精度很高，在不作纠偏调节的情况下，可获得期望的同步效果。在有异常情况时，其状态为：（１）当任何一个驱动点有一台电机失效时，该点的另一台电机将增加出力，以达到自身的额定转矩，并保持不变，不足的部分转矩将由其它驱动点通过同步轴传来；（２）当任一驱动点的两台电机均失效时，该点所需的全部转矩均由其它驱动点通过同步轴传递过来。在上述两种情况下，同步轴都将承担转矩负荷，由于同步轴各边长度相同，通过同步轴传递的转矩也是基本相同的，４个驱动点的高程差约为毫米级，对承船厢的水平运行不会产生质的影响，也就是说同步轴起到了后备的保护作用。４　卷扬提升式升船机主拖动系统４．１　设计方案高坝洲水利枢纽升船机为卷扬提升式升船机，主提升机设有４个对称布置的驱动机构（单元），４个驱动机构之间是采用矩形封闭式机械轴进行刚性联接，以形成封闭矩形的“机械同步”驱动系统。每个驱动单元配置一台交流变频调速电动机，通过减速机驱动卷筒收放钢丝绳，曳引承船厢作垂直升降运动。主拖动系统的每台电动机均由一套交流变频调速装置供电，每套变频调速装置功率单元的结构形式为：交－直－交变频，