CN1293289A - 用于下水式垂直升船机的多电机同轴驱动电气控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于下水式升船机中多电机同轴驱动的电气控制系统,它具有共同驱动一根转轴的一台主动直流电机和多台从动直流电机。各主、从动电机共用一个包括转速调节器在内的速度反馈外环,并各自有一个独立的包括转矩调节器在内的转矩反馈内环。主动电机的转速由计算机给定,其转速调节器输出的转矩又作为从动电机的转矩给定基准,从而保证各电机的速度同步,且出力均衡。

Description

用于下水式垂直升船机的多电机同轴驱动电气控制系统

本发明涉及一种下水式不完全平衡垂直升船机的电气控制系统，具体地说，它是一种用于下水式不完全平衡垂直升船机中的多电机同轴驱动电气控制系统。

在已有技术中，水电站公知公用的垂直升船机是一种非下水式的全平衡垂直升船机，主要包括承船厢、平衡重组、悬吊钢丝、卷扬机构、卷扬提升控制系统等。其中平衡重组与承船厢的重量相等，故被称为全平衡式。卷扬提升控制系统控制卷扬机构工作，使卷筒正转或反转，通过钢丝的牵引，使承船厢上、下运行当承船厢运行到上游水面或下游水面时，通过设在水电站上闸首或设在下游河床内下闸首处的对接设备，使承船厢中的水与上游水面或下游水面对接，对接后船只开进或开出，实现水电站的通航。承船厢在与下游水面对接时，是在空气中操作的，承船厢没有直接下水，所以被称为非下水式。该升船机的优点是拖动功率小，易于制造，易于实现；其不足是不适用于下游水位变化较快的水电站，因为在下游对接时，下闸首的工作门要根据下游水位的变化进行上下调整，如果下游水位变化较快，就得频繁调整工作门，影响了通航速度。再者，由于下游对接在空气中进行，故使下游河床的土建工程和金属结构的启闭设备都较为庞大和复杂，增加了建造的困难。还有为保证承船厢与平衡重组重力平衡，承船厢必须保证不漏水，如果漏水，就会失去系统平衡，造成重大事故。这些都是非下水式垂直升船机不尽人意之处，特别是不适应下游水位变化快，影响通航速度的问题尤为突出。为了解决上述问题，有人提出下水式不完全平衡垂直升船机的方案，它与非下水式全平衡垂直升船机的主要区别在于平衡重组与承船厢的重量不平衡，平衡重组轻于承船厢，通过这种重力的不平衡和卷扬机动力拖动的配合，使承船厢到下游水面时直接入水。这种可直接下水的升船机最能适应下游水位变化较快的水电站，同时，还可省去下游河床土建和闸门设备。但是，由于卷扬提升机构在运行时，要克服一部分承船厢的重力，所以它要求的拖动功率大，比全平衡式的大得多，这就使得在机械传动、电机拖动和电气控制上增加了很大的实现难度。其中主要的难题之一是：用一台电机难以达到动力拖动的功率要求，所以必须用多台电机来完成，那么怎样使多台电机保持转速和转矩一致，就是下水式不完全平衡垂直升船机方案要攻克的难关之一，因为只有保证多台电机的转速和转矩一致，才能使它们的运转和出力一致，达到共同完成拖动承船厢的任务。

本发明的目的是针对已有技术中的问题，提供一种用于下水式升船机多电机同轴拖动的电气控制系统，用以解决多台拖动电机转速和转矩一致的问题。

为实现本发明的目的，本发明的解决方案如下：所提供的用于下水式升船机中多电机同轴驱动的电气控制系统包括：

A、具有共同驱动一根转轴的一台主动直流电机和多台从动直流电机，

B、对应于所述的主动直流电机设有一个主传动控制装置，该主传动控制装置是一个具有转速调节器和转矩调节器的直流调速系统，该系统带有一个转速反馈误差调节外环和一个转矩反馈误差调节内环；

D、对应于所述的各台从动直流电机各设有一个从传动控制装置，所述的从传动控制装置是一个具有转矩调节器的直流调速系统，并带有一个转矩反馈误差调节环；

E、所述的主动直流电机接在主传动控制装置的输出回路中，所述的各从动直流电机接在各从动传动控制装置的输出回路中，并在各直流电机的输入回路中串接一个用于各直流电机实际转矩检测的转矩检测器；

F、在所述的主传动控制装置中还设有一个由转速调节器输出端接出的主传动转矩给定值的采集支路，该转矩值作为从传动转矩给定的基准；

G、具有对所述的主传动控制装置和各从传动控制装置进行总控的计算机控制系统，该计算机控制系统具有：

G．1、根据所设定的运动速度曲线对主传动的转速进行给定的主传动转速给定模块，

G．2、根据采集到的主传动转矩给定值对从传动的转矩进行给定的从传动转矩给定模块，

G．3、各从传动转矩与主传动转矩的误差动态修正软件模块，该模块以主传动输出回路中的转矩检测器所实测到的主传动转矩值为基准，将各从传动输出回路中电流传感器所实测到的各从传动转矩值与基准进行比较，并根据比较的差值结合系统误差对从传动转矩的给定进行动态修正。

通过上述解决方案可以看出，本发明将多台驱动电机中一台设为主动电机，其它的均设为从动电机，并采用一个具有转速和转矩调节的双闭环直流调速系统作为主传动控制装置，采用具有转矩调节的单闭环直流调速系统作为从传动控制装置，从而形成了主、从传动控制装置共用一个速度反馈调节环和各用一个转矩反馈调节环的同步控制系统。所述的计算机控制系统根据承船厢的运动速度曲线对主传动控制装置进行转速给定，同时，计算机又将在主传动控制装置中采集到的转矩值作为从传动转矩给定的基准，再结合各从动电机的实际输出转矩与基数的误差和系统误差对各从动控制装置进行向主动控制装置看齐的转矩给定和实时的动态修正，从而保证了各从动电机与主动电机转矩一致。由于主动电机和从动电机共同驱动一根轴，它们的转轴机械连接在一起，在各台电机出力一致的情况下，各从动电机与主动电机的转速保持一致，并跟随主动电机的转速进行变化，从而达到共同驱动承船厢运动的目的。本发明解决了多台电机同轴驱动的一致性问题，从而冲破了上述下水式不完全平稳升船机技术上的一个瓶胫难关，使其要求拖动功率大的问题迎刃而解，可通过增加电机的台数满足其拖动功率的要求。另外，本发明还采用了一种智能全数字传动控制柜来实现直流电机的调速控制，这不仅使控制精度高，同时还便于维修。本发明还设有多台电机一致性的监视报警系统，使本技术的可靠性大大提高。

下面根据实施例详细说明本发明的结构和工作原理。

图1、下水式垂直升船机的升降机构示意图。

图2、本发明涉及的多电机同轴驱动系统的机械传动示意图。

图3、本发明的原理方框图。

图4、本发明主传动控制装置的电路原理图。

图5、本发明从传动控制装置的电路原理图。

图6、本发明传动控制装置的输出电路原理图。

图7、承船厢运动速度曲线图。

如图1所示：下水式垂直升船机的升降部分主要包括承船厢11、平衡重12、卷筒13和牵引纲丝绳14，待升降的船只在承船厢的水槽15中。当船只要从下游水位16升至上游水位17时，先进入承船厢11内，电机驱动卷筒13，通过钢丝绳14将承船厢提升至上游水位。

图2给出了本发明一个多电机驱动的传动实例。它有四台电机2a、2b、2c、2d，每台电机经传动箱21驱动传动轴22，再经低速减速箱23带动前述的钢丝绳卷筒13。两个传动轴22与两个中间轴24通过伞齿轮25组成一个矩形传动轴，四台电机同步转动，并均衡出力。

上述四台电机同轴驱动的电气控制原理如图3所示：四台电机中一台为主动直流电机2a，三台为从动直流电机，图中只画出了一台从动电机2b的电气控制部分。四台电机的传动控制装置均采用DCS500系列全数字直流传动控制柜。其中主传动控制柜3包括转速调节器31、转矩调节器32和转矩检测器33，且具一个转矩反馈内环32a和包括直流电机的测速传感器34在内的转速反馈外环31a；从传动控制控制柜4包括转矩调节器42和转矩检测器43，且也具有一个转矩反馈内环42a。各主、从传动控制装置均受计算机的总控，本发明的计算机总控系统采用PLC可编程控制器7，即主传动的转速给定和从传动的转矩给定由PLC提供，同时PLC还从主传动控制系统的转速调节器31的输出端读取转矩值，并从各主、从动电机的转矩检测器33、43采集各电机的实测转矩值。

计算机控制系统，即PLC可编程控制器7给主传动控制系统一个转速给定值，经转速调节器31处理后送至转矩调节器32，经处理后控制主动电机2a的输出转矩转速调节器31的输出值又被PLC控制器7读取，作为各从传动控制系统转矩给定的基准，再经各转矩调节器42处理后控制从动电机2b的输出转矩。也就是说各主、从传动控制系统共用一套转速反馈外环，从而保证各从传动的转速跟随主传动的转速，且保持同步。而各主、从传动控制系统又分别有独立的转矩反馈内环，它们是比例一积分环节或比例一积分一微分环节，用来串联校正和改善系统的静态和动态特性。

前述的主传动转速给定是由PLC控制器7中的主传动转速给定模块来实现的，该模块根据所设定的承船厢运动速度曲线对主传动的转速进行给定。在PLC控制器7中还设有从传动转矩给定模块，该模块根据由主传动控制系统中的转速调节器31所读取的主传动转矩值作为从传动的转矩给定基准。另外，在PLC控制器7中还设有各主、从传动转矩的误差动态修正模块，该模块将主传动系统中的转矩检测器33所实测到的主传动转矩值与通过从传动转矩检测器43所实测到的从传动转矩值进行比较，再结合系统误差对从传动转矩的给定进行动态修正，从而实现各台电机的出力基本均衡一致。

在前述的PLC控制器7中还设有一个主、从传动转矩一致性检测报警模块，该模块将各主、从传动的转矩检测器33、43所实测到的转矩值进行加权平均，算出各台电机的转矩误差率，若误差率超过额定值即发出报警信号。转矩误差率的计算公式是：(Ai-A)／A，其中Ai-某台电机实测转矩值，A-各台电机实测转矩值的加权平均值。

主、从传动控制装置均采用ABB DCS500系列的直流传动控制柜，其电路原理如图4、图5所示。前述PLC控制器7中的主传动转速给定模块为模拟电压输出模块，它输出±10V电压信号给DCS500控制柜IOB-3板的模拟输入口AI1，经转速给定选择器81、斜坡发生器82及比较器83送至转速调节器31，经运算处理后输出一个转矩值送至转矩调节器32，该转矩值又经控制柜IOB-3板的AO1口被PLC控制器7读取，作为从传动转矩的给定基准。转矩调节器32包括依次串接的转矩给定处理器32a、电流调节器32b、可控硅SCR触发器32c及其整流器32d，该整流器输出电压至电机2a。来自整流器32d的电流信号又反馈到电流调节器32b，形成代表转矩的电流反馈内环。设在主动电机2a上的测速传感器34采用增量编码器，其转速信号反馈到比较器83，形成一个转速反馈外环。设在转矩调节器32与电机2a间的转矩检测器33采用电流互感器，其信号送至PLC控制器7。在实际应用中主、从传动应可以相互切换，即主动电机可以切换为从动电机，某台从动电机也可以切换为主动电机例如当主传动发生故障时应将某从传动切换为主传动，以便保证升船机正常运行到位。因此本发明的主从传动控制柜中的设置是一样的。如主传动控制柜中也有一个转矩给定选择器35，它通过IOB-3板的AI3口与PLC相接，但该选择器35将PLC来的转矩给定信号断开。当主传动切换成从传动时，该转矩给定选择器35将PLC来的转矩给定信号与转矩给定处理器32a接通，而转速调节器31与转矩给定处理器32a断开，其电路就与图5所示的从传动控制电路相同了。同样，在图5所示的从传动控制柜中也设有转速给定选择器81b、斜坡发生器82b、比较器83b、转速调节器41和增量编码器44。但转速调节器41与转矩给定处理器42a是断开的，当切换为主传动时应将其接通。PLC控制器7中的从传动转矩给定的模拟电压模块所输出的电压信号经AI3接口输给转矩给定选择器45，然后输至转矩调节器42。调节器42包括转矩给定处理器42a、电流调节器42b、可控硅SCR触发器42c及其整流器42d，且有一个电流反馈内环。同样，电流互感器43将实测到的转矩信号送至PLC控制器7中

如图6所示：本发明的主、从传动控制装置的输出电路，即图4的整流器32d、42d电路为三相反并联桥式整流电路。前述的检测转矩的电流互感器33接在整流器的输出回路中，并与PLC控制器7相接，在直流电机2a上设有检测转速的增量编码器34，其输出接传动控制柜DCS500。本发明设定的承船厢运行速度曲线如图7所示：上升按七段速度曲线，下降按五段曲线由PLC控制器中的转速模拟模块给定。

Claims (3)

1、用于下水式升船机中多电机同轴驱动的电气控制系统，其特征是：

A、具有共同驱动一根转轴的一台主动直流电机(2a)和多台从动直流电机(2b)，

B、对应于所述的主动直流电机设有一个主传动控制装置，该主传动控制装置是一个具有转速调节器(31)和转矩调节器(32)的直流调速系统，该系统带有一个转速反馈误差调节外环和一个转矩反馈误差调节内环；

D、对应于所述的各台从动直流电机各设有一个从传动控制装置，所述的从传动控制装置是一个具有转矩调节器(42)的直流调速系统，并带有一个转矩反馈误差调节环；

E、所述的主动直流电机接在主传动控制装置的输出回路中，所述的各从动直流电机接在各从动传动控制装置的输出回路中，并在各直流电机的输入回路中串接一个用于各直流电机实际转矩检测的转矩检测器(33、43)；

F、在所述的主传动控制装置中还设有一个由转速调节器(31)输出端接出的主传动转矩给定值的采集支路，该转矩值作为从传动转矩给定的基准；

G、具有对所述的主传动控制装置和各从传动控制装置进行总控的计算机控制系统，该计算机控制系统具有：

G．1、根据所设定的运动速度曲线对主传动的转速进行给定的主传动转速给定模块，

G．2、根据采集到的主传动转矩给定值对从传动的转矩进行给定的从传动转矩给定模块，

G．3、各从传动转矩与主传动转矩的误差动态修正模块，该模块以主传动输出回路中的转矩检测器所实测到的主传动转矩值为基准，将各从传动输出回路中电流传感器所实测到的各从传动转矩值与基准进行比较，并根据比较的差值结合系统误差对从传动转矩的给定进行动态修正。

2、如权利要求1所述的多电机同轴驱动的电气控制系统，其特征是：所述的主传动和各从传动控制装置均由设在直流电机上的测速传感器(34)和全数字直流传动控制柜DCS500系列构成。

3、如权利要求1所述的多电机同轴驱动的电气控制系统，其特征是：所述的计算机控制系统中还设有一个主、从传动转矩一致性检测报警模块，该模块将实测到的主、从传动转矩值进行加权平均，并根据加权平均值计算出各台转矩的误差率，计算公式是：(Ai-A)／A，式中A代表各台电机实测转矩的加权平均值，Ai代表某台电机实测转矩值。

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