思林升船机主提升控制及传动系统应用研究

罗晓鸿

（贵州乌江水电开发有限责任公司思林发电厂，贵州 铜仁565109）

1 概述

思林水电站位于贵州省东北部乌江干流中游河段，属于乌江干流梯级开发的第6级电站，电站装机1 050 MW（4×262.5 MW），多年平均发电量40.72亿kW·h。电站枢纽由碾压混凝土重力坝、坝身泄洪表孔、右岸引水系统和地下厂房、左岸垂直升船机等组成。升船机型式为全平衡钢丝绳卷扬式垂直升船机，按一次通过500 t级的机动船舶设计，由上游引航道、过坝渠道、升船机本体段及主体设备、下游引航道等组成，总长951.8 m，轴线方位垂直于坝轴线，上游最高通航水位440 m，下游最低通航水位363.3 m，最大提升高度76.7 m，设计标准船型尺寸为：55 m×10.8 m×1.6 m（总长×型宽×设计吃水深），升船机于2017年建成投入运行。

思林升船机主提升设备布置在本体段的主机房内，主要包括4套卷扬提升机（转矩卷筒、高低速减速器）、4套平衡滑轮组、8套安全平衡重卷筒组、1套安全制动系统、1套机械同步轴系统、4套稀油润滑系统及电气控制、传动、检测等设备。每套提升机构各由1台200 kW的交流电机驱动，4套提升机构间通过机械同步轴联接，组成封闭的同步轴系统。

2 主提升控制系统功能

升船机关键任务就是完成承船厢升降运行，实现船舶过坝通航，而主提升控制系统首要任务是驱动和控制主提升机房设备，完成对承船厢的升降动作控制，是升船机的关键系统。主提升控制系统控制设备如图1所示。

图1 思林升船机主提升设备布置图

思林升船机主提升控制系统主要控制对象为4套电气传动系统，4套工作制动器，96对安全制动器，4 套减速机构润滑站以及其他辅助设备。主提升机的额定提升力2 060 kN，正常运行速度为0.2 m/s。主提升控制系统主要有以下功能：

（1）主传动系统的监控、通信与参数设置。

（2）主提升制动器液压泵站的启、停控制。

（3）主提升各制动器的松闸、上闸逻辑控制。

（4）减速器稀油润滑站油泵启、停控制。

（5）承船厢找点停位检测。

（6）承船厢运行速度、行程与位置检测。

（7）承船厢及锁定装置上、下极限位置检测。

（8）同步轴扭矩值测量。

（9）接收并按照上位机的命令发运行指令到传动站等。

3 主提升控制系统结构组成

由于机电设备分散布置在承船厢、上下闸首、主机间，根据以上特点，思林升船机电气控制系统采用分布式双层结构总体设计，分为现地控制层和上位机主控层[1]。现地控制层与上位机主控管理层之间采用双100 M工业以太环网相连接，实现数据交换。4套电气传动系统通过Profibus总线接口单元与传动控制子站相联。主提升控制系统在上位机集中控制下或独立完成对主提升机房设备的在线监测和控制功能。主提升控制系统实际包括两大部分：主机房控制系统、电气传动系统，其构成如图2所示。

图2 主提升控制系统结构图

3.1 主机房控制系统

主机房控制系统主要由2面主机房配电柜、2面主提升主机房控制柜、1面主机房UPS柜组成。所有屏柜布置在主机房右岸控制室，控制系统采用双机热备冗余结构，电源模块、以太网模块均按双套配置，DI、DO、AI、AO、SSI等模块按单套配置。

3.1.1 主机房配电柜

给布置在高程452 m的稀油润滑站系统、制动器液压泵站以及主机房控制柜供电，并通过仪表指示各用电单元状态。

3.1.2 主机房控制柜

通过PLC接收并分析与升船机系统运行相关的状态，在满足运行条件下，接收并按照上位机的命令发运行指令到传动站。现地手动运行主提升系统、制动器液压站和稀油润滑系统。

3.1.3 主机房UPS柜

为主提升控制柜各设备提供不间断交流220 V电源，并配置一组96 V蓄电池组作为备用。

3.2 电气传动系统

传动系统由1面传动控制柜和4套低压交流变频驱动柜组成，电气传动系统结构图如图3所示。

图3 电气传动系统结构图

主提升系统布置4个驱动单元，每个驱动单元由1台交流电机驱动，分别配置1套交流变频传动装置。4个驱动单元之间采用矩形封闭式机械轴刚性联接，组成机械轴同步多电机传动系统。4套交流传动受主提升传动控制站控制，将4台传动联在一起，实现4套传动共用1个速度环、4套（3套、2套）传动出力均衡控制。

3.2.1 传动控制柜

接收来自主机房控制系统的升船机启动、停止命令。监控各驱动点的制动器状态、驱动电机运行速度、停机标志位和承船厢运行位置等数据。根据这些信息综合判断承船厢运行条件，以及在承船厢运行过程中对其位置、速度和力矩进行控制。

3.2.2 变频驱动柜

接收主传动控制柜命令并对主提升电机进行驱动和控制，对主提升电机电源进行供给和关断。

4 主提升控制系统运行模式、流程

4.1 主提升控制系统运行模式

控制系统运行模式主要分3种：远程模式、现地模式和检修模式，这3种模式之间的切换功能由主机房1号控制柜上的触摸屏实现。正常运行以远程模式（上位机主控）为主，其他操作方式为辅。当遇到紧急情况，控制柜上的急停按钮用来触发急停，旋转急停按钮可以解除急停状态，但仍需再按下触控屏上的复位按钮来复位系统状态。

4.2 主提升控制流程

主提升控制流程分为上行流程和下行流程，控制流程详见图4，流程启动方式根据运行模式的不同而不同，同时电气传动的启停，总是与制动器动作配合。

图4 主提升控制系统流程图

5 主提升控制系统性能特点

（1）主机房控制柜和传动控制柜PLC双机热备，实现无扰动切换，现地系统的容错功能较好。

（2）主提升控制系统使承船厢按5阶段速度实现加速、匀速、减速、爬行和到位停靠，正常运行升降加速度为0.01 m/s2，事故制动加速度为-0.04 m/s2。

（3）思林升船机4套交流变频传动装置具备电流转矩环、速度环、位置环3闭环全数字调速控制模式。构成主传动系统时，采用4套交流变频传动装置共用1个主速度环，形成1套由1个速度外环和4个电流转矩环组成的调速系统和采用4个独立速度外环加出力均衡调节2种方式[2]。为保证各个提升电机的速度、位置的同步性，均由一套传动控制站进行协调控制，各机构变频器采用同一个集成逻辑控制，变频器控制在1套PLC中执行。

（4）在制动器松闸之前，通过速度环建立转矩有一定时间，所以在承船厢负载转矩的作用下会出现速度突然上升或下降现象，为此在转矩给定中增加负载转矩测量值信号，当承船厢开始运行前，先预加电动机的电气轴转矩，保证电动机处于零速，承船厢保持平稳不动，然后控制系统命令电动机拖动承船厢，按给定速度图运行，解决承船厢启动平稳性问题。

（5）4电机同步传动控制中，1号或2号交流变频传动装置具备主/从热备无扰切换功能，1号为主交流变频传动装置运行时，若此时1号故障，2号自动切换为主用，当4套交流变频传动装置中有1套（或对角线2套）故障，其余3套（或剩余对角线2套）仍能驱动承船厢完成本次通航[3]。此时，负荷将自动地重新在2套完好的装置中均匀分配，2套装置的负载均不超过1.5倍的额定负载，系统仍能保持出力均衡，满足转矩差小于当时平均转矩3%的要求。

6 调试及应用

思林升船机建设过程中按主提升空载调试、首次提升、有水联合调试步骤进行。

（1）空载调试在钢丝绳未安装，主提升系统的其他机电设备已安装完毕的条件下进行，主要验证主提升电气控制系统如润滑油站、制动器泵站及传动系统运行的正确性和故障处理及保护功能。

（2）首次提升按升船机运行流程和设计功能要求，挂装56块平衡重（总计80块），承船厢载水高度为1 046 mm进行试验。通过现场试验获得包括承船厢的变形数据和电机几次提升的力矩变化值。发现并解决了主提升溜沟问题，原因为转矩卷筒上的安全制动器为40对，安全卷筒上的安全制动器为56对，数量较多，且安全卷筒及转矩卷筒制动器属于不同液压管路，导致两次松闸的间隔时间较长（现场记录约30 s，制动器采用碟簧上闸、液压松闸）。在该时间间隔中，电机的预加力矩完全被制动器所克服，由于电机自身的特性所允许该状态的持续时间仅不超过20 s，电机处在被迫停止的状态，因此，当安全卷筒上的制动器全部打开时，电机由于自身的保护设置，预加力矩己经消失，同时电机施加完整力矩的条件是所有制动器全部松闸（预加转矩是另外一个值），在松闸过程中，由于制动器松闸的时间差及不同步性，如再有几个制动器没有松闸，此时电机预加力矩又不足，导致溜钩现象发生。为了解决此问题，工程现场已对主提升制动器控制流程进行优化，即安全卷筒与转矩卷筒上的96对制动器分开控制，承船厢运行前，先将安全卷筒制动器打开，正常停靠只进行电机出口工作制动器、转矩卷筒制动器全压上闸制动，紧急工况下安全卷筒制动器和转矩卷筒制动器按照136 bar、108 bar、68 bar逐级进行3级调压上闸制动，通过现场试验验证能够保证主提升机构及承船厢平稳运行。

（3）有水联合调试对承船厢加额定2.5 m水深，承船厢与水体总重为3 300 t，平衡重总重也为3 300 t，主提升对承船厢的提升速度分别按额定速度0.2 m/s的25%、50%、100%进行，通过多次全行程不同速度下的试验，验证了平衡重系统与承船厢的平稳特性，100%速度下联调数据见表1。

表1 100%速度下有水联调主提升数据

7 结论

思林升船机主提升控制及电气传动系统结构和控制流程设计合理，各设备承担的控制功能完整，经过工程现场机-电-液联合调试的多次检验和过程优化调整，满足运行规范要求，思林升船机自2017年通航以来，多次完成船舶过坝任务，运行效果较好。