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1、岩滩升船机主驱动电机容量的计算分析 摘要：根据岩滩升船机的特点，归结出主驱动电机容量计算的工况与条件，在此基础上进行计算与全面分析，确定主驱动电机容量，并结合试运行测试结果进行验证。最后提出尚须探讨的问题。关键词：升船机；电机容量；计算分析；调速；岩滩水电站中图分类号：U642；TM330.2文献标识码：B文章编号：1001-408X(1999)04-0046-051问题的提出升船机是实现高坝通航的重要手段之一。岩滩水电站升船机的主提升机由4台卷扬机和4组导向滑轮组组成，每台卷扬机由1台直流电动机驱动，通过高速减速器将功率传递给布置于高速减速器两侧的低速减速器，每台低速减速器的两侧各设置1套卷
2、筒装置。4台卷扬机通过中间轴等装置连成一环形封闭的多电机同轴传动系统。由于岩滩升船机是采用非全平衡及承船厢下水式方案，特别是承船厢出入水的过程中，主提升机的负载变化是由正零负或由负零正的过程，且变化的幅值较大，这给升船机主驱动电机容量的确定带来一定的困难。因此，如何根据岩滩水电站升船机的特点确定多电机同轴传动系统主驱动电机的容量，是升船机必须解决的重要问题。2计算分析2.1计算分析的条件(1)主提升机卷筒的直径为3200 mm，承船厢在空气中的升降速度为0.19 m/s，出入水的速度为0.03 m/s，卷筒至高速减速器高速轴(高速减速器输入轴)的总传动比为10.02566.2292=663.9
3、4773，传动总效率为0.849，4台高速减速器高速轴处(含带工作制动器制动轮，不含电机的GD2)总的转动惯量为1 761.784 N.m2，电机的额定转速为750 r/min。(2)力矩平衡重和静力平衡重共1100 t；承船厢结构及设备重量465 t；承船厢水深 1.8 m时，水重965 t，误差10 cm水重52.78 t；承船厢侧钢丝绳共64根，平衡重侧钢丝绳共48根，每根绳每米重0.012 t。(3)主机运行工况：正常工况1。承船厢厢中水深h=1.7 m(厢中清水)，自上游水位223.00 m处下降运行至入水深度1.8 m、下游水位154.50 m处进行对接(船厢池中清水)，对接时间1
4、72.5 s，然后，上升运行(h=1.8m)至上游水位223.00 m处进行对接，对接时间290 s，此后，反复循环运行。正常工况2。承船厢厢中水深h=1.8 m(厢中泥沙水，底部淤沙厚10 cm)，自上游水位223.00 m处下降运行至入水深度1.9 m、下游水位154.50 m处进行对接(船厢池中泥沙水)，对接时间172.5 s，然后，上升运行(h=1.9 m)至上游水位223.00 m处进行对接，对接时间290 s，此后，反复循环运行。事故工况1。承船厢厢中水深h=1.7 m(厢中清水)，自上游水位223.00 m处下降运行至入水深度1.8 m、下游水位154.50 m处(船厢池中清水)
5、，发现1台电机损坏并进行检验，检验时间180 s，然后，上升运行(h=1.7 m)至上游水位223.00 m处，主机长时间停止运行以维修或更换电机。事故工况2。承船厢厢中水深h=1.8 m(厢中泥沙水，底部淤沙厚10 cm)，自上游水位223.00 m处下降运行至入水深度1.9 m、下游水位154.50 m处(船厢池中泥沙水)，发现1台电机损坏并进行检验，检验时间180 s，然后，上升运行(h=1.8 m)至上游水位223.00 m处，主机长时间停止运行以维修或更换电机。上述4种工况均为单向过坝工况。(4)主驱动电机静阻力矩计算数值汇总见表1。表1主驱动电机静阻力矩计算数值汇总表kN.m 工况
6、下降上升 223 m158.3 m156.3 m154.5 m154.5 m156.3 m158.3 m223 m 正常1-5.371-7.248-5.42322.730-15.3049.05311.5798.980 正常2-7.538-9.415-7.57721.517-14.41912.04714.59111.993 事故1-5.371-7.248-5.42322.730-16.4227.50610.0327.433 事故2-7.538-9.415-7.57721.517-15.54610.48813.03110.433 注：1、平衡重为1100 t；2、表中负值为反向力矩；3、事故工况1
7、与事故工况2，上升运行时为3台电机驱动。(5)上述各项计算的直流电动机型式分别按下列两种进行容量计算：Z4系列直流电动机；进口直流电动机(ABB公司或SIEMENS公司的产品)。2.2环境条件(1)气候环境。环境温度：045；最大相对湿度：不大于95%(无凝结)。(2)海拔高度不大于1000 m。(3)地震烈度：6度。2.3计算方法2.3.1基本公式(1)电机容量：P=M.或P=M.n/9.55；(2)加速及减速力矩：Ma=J(d/dt)或Ma=(GD2/375)(dn/dt)；(3)加减速时间：ta=(GD2/375)dn/Ma；(4)电机力矩：Ma=M负载+Ma；(5)等效电流的计算公式等
8、。2.3.2校验方法(1)过载能力1.6校验(满足国标要求)；(2)温升校验。2.4计算过程首先计算各工况都要用到的基本数据，如加(减)速时间、行程、电动机转速及加(减)转速等，然后分别对正常工况1、正常工况2、事故工况1、事故工况2的速度、行程、静力矩等进行计算，从而建立了选择和校验升船机主驱动电机的基础。在此基础上，分别按恒转矩调速方式(电机恒磁)和恒转矩、恒功率混合调速(基速以下恒磁，基速以上弱磁)方式选择升船机主驱动电机，并对电机在各种工况下的过载能力和容量(温升)进行全面的校验。2.5计算结果(1)在恒转矩调速方式时选择：DMA+315M，339 kW,749 r/min,420 V
9、直流他激电动机(ABB电机)。(2)在恒转矩恒功率混合调速方式时选择：Z4-355-11，280 kW,600/1 500 r/min,440 V直流他激电动机(国产电机)。(3)在升船机的各种工况下，上述电动机的温升与过载能力均能通过。(4)从计算中可知，电机的温升均有较大的储备，电机的容量(转矩)主要是受过载能力限制，即负载要求的最大力矩的限制。3恒转矩调速方式与恒转矩恒功率混合调速方式的比较分析根据上述计算结论，对于主驱动电机，如果仅从电机的容量大小的观点出发，无疑选择混合调速方式为好。对用于岩滩升船机主驱动装置，在选择电机调速方式时要考虑何种调速方式能更好地满足升船机的各种工况要求，何
10、种调速方式的性能和可靠性更好，需做全面的分析比较。3.1满足升船机工艺要求岩滩水电站升船机主驱动是由4台电机，通过中间轴等装置连成一环形封闭的多电机同轴传动系统。因此，很重要的一个工艺要求就是希望在调速过程中4台电机的力矩要尽量一致。这样，把4台电机联接成一体的中间轴的齿轮就不会产生“打磨”现象。电动机的力矩MD=CMDID，其中CM是由电机制造所决定的一个常数，D是电动机的磁通，ID是电动机的电枢电流，因此要保证在调速过程中4台电机的力矩一致，就要保证在调速过程中DID一致。采用恒转矩调速方式，调速时D始终是不变的，保持恒值。因此，只要保证4台电动机的电枢电流ID在调速过程中始终保持相等，才
11、能使4台电机的力矩相等。这样对于恒转矩调速方式，其调节的原则就是：4台电机的励磁电流应维持恒定不变，需要一个励磁电流的恒流控制系统。4台电机的电枢电流应保证彼此相等，需要一个电枢电流的跟随控制系统。采用恒转矩、恒功率混合调速方式，在基速以下调速时D不变且保持恒值，在基速以上调速时D就要随着转速的升高或降低而减弱或增强，即D是随转速而变的。因此，对于恒转矩、恒功率混合调速方式其调节的原则是：4台电机的电枢电流应保证彼此相等，需要一个电枢电流的跟随控制系统。在基速以下时励磁电流应维持恒定不变，与恒转矩调速方式时一样，需要一个励磁电流的恒流控制系统。但在基速以上调磁时，要保证4台电机的励磁电流彼此相
12、等。为满足这一要求，需要把4台电机的励磁串联起来或需要一个励磁电流的跟随控制系统。从上面的分析可以看出，在恒转矩调速方式时，为了保证4台电机的力矩彼此相等，只有电枢电流需要跟随控制。电枢回路的时间常数小，即使在动态过程中亦能有较高的跟随精度。而在恒转矩、恒功率混合调速方式时在基速以上时，为了保证4台电机的转矩一样，除电枢电流需要跟随控制外，励磁电流亦需要跟随控制。而励磁回路的时间常数大，因此在动态过程中其跟随精度就差一些。因此，从更好地满足在调速过程中升船机4台电机输出力矩要彼此相等的要求出发，恒转矩调速方式更为有利。此外，由于电机制造上的误差，例如CM常数的差别或者4台电机在同样的励磁电流下
13、电机的力矩不一定相等。在恒转矩调速方式时，可以用微调4台电机恒定励磁电流值的方法来加以补偿。而在恒转矩、恒功率混合调速方式时就无法做到这一点。3.2考虑控制系统的复杂性及可靠性对电流内环、转速外环的双环速度调节系统，其电枢调节回路的结构如图1所示。图1电枢调节回路结构图ng转速给定Ig电流给定nf转速反馈ID电机电枢电流nD电机转速Ki电流环等值放大系数MD电机转矩i电流环等值时间系数MC负载转矩TM电机积分时间常数nR速度调节器Kfn转速反馈系统D电机磁通CM电机转矩常数当采用恒转矩调节时，D是不变的常量，因而对速度调节器nR而言，调节对象的放大系数在调速过程中是固定不变的，因而nR就比较简
14、单，也容易整定。当采用恒转矩、恒功率混合调速时，在基速以上D是变化的，因而对nR而言，调节对象的放大系数是随D的减小成正比减少，因而nR就必须具有对D变化的适应能力，即通常所说的磁通自适应。例如其放大系数随D的减小而成反比的增加，或者在nR的输入通道加入一个函数为1/D的乘法器等。这当然会增加系统的复杂性。另外，混合调速方式都是采用先升压后弱磁的方式，而且大都采用非独立的励磁控制方式。在基速以上时，其电势调节的结构如图2所示：图2电势调节结构图Eg电势给定g磁通给定Ef电势反馈D电机磁通ED电机电势K磁通环等值放大系数ER电势调节器磁通环等值时间系数Ce电机电势常数nD电机转速KfE电势反馈系
15、数由图可见，对电势调节器ER而言，其调节对象的放大系数是随nD的增加成正比的增加。因此，与nR类似，ER也必须具有对nD变化的适应能力，即通常所说的转速自适应。这也会增加系统的复杂性。当然，采用数字控制方法，要实现这些自适应还是比较容易的，实际运行效果也不错。但无论如何，简单的系统总比复杂的系统要可靠安全些。所以，从力求系统简单可靠出发，也是采用恒转矩调整方式较好。3.3满足事故工况的要求岩滩升船机有一个特殊要求，即当升船机承船厢到下游水位后发现4台电机中某台电机发生事故(电机本身、电机供电装置或者调节控制系统故障)时，剩余3台电机亦能把升船机由下游水位升到上游停靠点。在电机容量选择时，也考虑
16、到了这一点，即电机的容量和过载能力允许只用3台电机把升船机承船厢从下游水位提升到上游水位后，再进行检修。如果采用恒转矩、恒功率混合调速方式时，为了保证在基速以上使4台电机励磁电流(即磁通)尽量一样，通常这种系统的几台电机励磁绕组是串起来，由1台励磁供电装置来供电。这样就能保证4台电机的励磁电流即使在动态变化过程中也都一样。但是如果这样做，对岩滩水电站升船机的具体情况就存在一个问题。如果某台电机出故障是出在励磁回路上(例如：励磁绕组短路、断路、接地、或者励磁装置出故障等)，由于4台电机的励磁绕组是串联的，那么其他3台电机即使没有问题，也不能运行(因为没有励磁)，这样对满足事故工况运行的要求就要大
17、打折扣。为了避免这一缺点，也可以把4台电机的励磁装置分开，即每台电机各有各的单独的励磁装置，这样可以克服上述缺点，但又带来另一个问题，由于各有各的励磁装置，再加上励磁回路的时间常数较大，因此很难保证在励磁电流变化的动态过程中，4台电机的励磁电流变化的特性完全一样。这样就增加了4台电机力矩的不平衡度，这当然是我们不希望的。3.4分析比较对于岩滩水电站升船机的主驱动而言，保证运行过程中4台电机的力矩均衡性是最重要的，均衡性越好，升船机承船厢运行的平稳性和可靠性就越高，机械寿命也就越长。因此，在选择电机的调速方式时必须充分注意这一点。从上述分析可知，无论是从满足升船机的工艺要求，4台电机力矩的均衡性
18、、系统的可靠性等方面来考虑，恒转矩调速方式都比恒转矩恒功率混合调速方式优越。虽然恒转矩调速方式电机的容量比混合调速方式电机的容量要大20%，但是仅此就选择各方面的性能都不如恒转矩调速方式的恒转矩恒功率混合调速方式显然是得不偿失的。另外，还需指出一点：同样类型的电机，容量相差20%，其尺寸基本相同，价格也基本相等。因此，经综合分析后，岩滩水电站升船机的主驱动电机应该采用恒转矩调速方式。则主驱动电机应选择：DMA+315M，339 kW,749 r/min,420 V直流他激电动机(ABB电机)。4试运行测试结果分析岩滩水电站升船机多电机同轴传动系统最终的调速装置采用4套ABB公司的电气传动柜，采
19、用恒转矩调速方式，其结构为4个电流环共用1个速度环的形式。试运行的测试结果如下：(1)4台电机运行，在空气中运行时电机电枢电流值不大于600 A；在水中运行时电机电枢电流值不大于1000 A。(2)3台电机运行，在空气中运行时电机电枢电流值不大于800 A；在水中运行时电机电枢电流值不大于1300 A；(3)各种运行工况下，各台电机的电枢电流偏差小于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877 A；且在水中运行时电机电枢电流值的过载倍数不大于1300 A/877 A=1.5。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。5值得
20、探讨的问题5.1电机容量确定的原则问题岩滩升船机采用非全平衡及承船厢下水式方案，其负载特性就决定其主驱动电机容量要大于全平衡及承船厢不下水式升船机的主驱动电机容量，主要是由于全平衡及承船厢不下水式升船机的卷筒两端的负载始终是平衡的，只需要主驱动电机提供一个不平衡负载使升船机运行，因此其电机容量的选择相对简单且容量较小。由此看出平衡重总重量的选择与配置对主驱动电机容量的确有一定的影响。那么非全平衡及承船厢下水式升船机的平衡重究竟如何配置?这是一个非常关键而棘手的问题，我们知道岩滩升船机的1 100 t平衡重是在升船机模型试验的基础上，经过测算得出的，其大致等于承船厢入水所受的浮托力。从计算过程中
21、(平衡重为1 100 t)发现，电机的温升均有较大的储备，电机的容量(转矩)主要是受过载能力，即负载要求的最大不平衡力矩的限制，因而减小负载的最大不平衡力矩还可进一步减小电机的容量(或可增加电机容量的储备)。从静力矩计算数值表中可知，最大不平衡力矩都发生在承船厢进入水中达到下游最低通航水位154.50 m时，这时平衡重是起了增加静阻力矩的作用，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
22、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11.6，再按电机容量最小原则确定电机容量比较合理。5.2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于直流电机，且转动惯量小于直流电机等，这无疑会使同等规模的升船机主驱动电机的容量减少。由于没有实际运行的经验，因此，还需在这一方面尽快开展必要的研究工作。
