高港泵站行車電氣控制系統改造

吳鵬鵬，蔡亞琴，顧 磊

（江蘇省泰州引江河管理處，江蘇 泰州 225300）

1 工程概況

高港樞紐工程是江蘇省東部地區引江供水口門，也是南水北調東線的水源工程之一，位于泰州市高港區口岸鎮西3 km 處，距長江邊1.9 km，是泰州引江河江邊控制工程，主要包括泵站、節制閘、送水閘、調度閘及110 kV 變電所。其中泵站裝有9 臺立式開敞式軸流泵，單臺流量34 m3/s，設計流量300 m3/s，配套電機2 000 kW，總裝機容量18 000 kW。泵站主廠房配置32/5 t 行車一臺，主要用于泵站9 臺機組檢修，型號QD32/5-16.5A3。

2 行車存在的主要問題

泵站行車于1998 年投入使用，至今已超過20年，元器件老化嚴重，使用過程中也逐步發現一些不足之處需要改進。目前，行車主要存在以下問題：

（1）控制原理落后造成控制精度較低。行車各機構調速采用轉子回路串接多段電阻進行有級調速，這種調速方式機械特性軟，調速范圍小，平滑性差。由于控制原理的局限性，造成各機構控制精度較低，已無法滿足主機組檢修需要。

（2）電氣元器件老化造成行車故障率高。由于使用時間較長，電氣元器件尤其是控制回路繼電器、接觸器、操作按鈕等元件老化嚴重，檢修吊裝作業時經常出現各種故障，存在嚴重安全隱患。

（3）控制方式落后造成操作不便。控制方式單一，只能單純由駕駛室操作，駕駛室距離地面較高，由于視線不清，在部件吊運過程中對細部的觀察有一定的局限性；與地面指揮溝通采用傳統對講機方式，相互配合難以完全協調，影響檢修工作效率。

為解決上述問題，實現行車優良的調速性能及平穩的啟停能力，滿足工人就近操作需要，管理單位決定對泵站廠房行車電氣控制系統進行改造升級。

3 改造方案確定

經過論證分析，管理單位決定采用目前較先進成熟的變頻調速和無線遙控技術，對行車電氣控制系統進行全面升級改造。具體如下：

（1）對轉速控制原理進行升級。根據行車起升機構恒轉矩負載特性，改變原有轉子串接電阻調速方式，采用機械特性較硬且能耗較低的變頻控制方式，徹底解決行車操作精確低的問題。

（2）對電氣設備進行全面更新。對電氣控制系統各元件進行全部更換，新電機、變頻器、斷路器等關鍵電氣元件選用知名品牌，從硬件上保障電氣控制系統的穩定性。

（3）對控制方式進行升級。根據實際使用需求，加裝一套無線遙控控制裝置，實現駕駛室和地面無線遙控雙模式操作。

4 變頻改造

4.1 電動機

考慮到電動機的低速轉矩下降和溫升因素，為確保行車安全高效運行，本次改造將原有繞線式電機全部更換為YZP 系列起重專用變頻調速三相異步電動機，該系列電機具有過載能力大、機械強度高、調速范圍寬、運行穩定的特點，特別適用于短時頻繁地啟動、制動，有時過負荷及顯著振動與沖擊的設備。根據《起重機設計規范》有關電機選用公式計算，原大小車運行機構和主副起升機構的5 臺繞線式電機的功率符合上述規范要求，故改造后的變頻電機功率以原電機的容量為基礎，各機構變頻電機參數如下：主起升電機型號為YZP280S-8，功率45 kW，額定電流93 A；副起升電機型號為YZP180L-6，功率13 kW，額定電流32 A；大車兩臺電機型號為YZP160M1-6，功率5.5 kW，額定電流12.9 A；小車電機型號為YZP160M2-6，功率7.5 kW，額定電流17.6 A。

4.2 變頻器

（1）變頻器的選擇

目前變頻器技術已經非常成熟，經過綜合比選，本次改造采用安川GA700 系列變頻器，該變頻器采用先進的矢量控制技術和轉矩控制技術，在無編碼器情況下，也可在啟動時實現高轉矩，動態響應快，調速范圍寬，過流抑制能力強，且內置能量回饋再生制動單元，節能效果明顯，完全滿足泵站行車工況要求。

（2）變頻器控制方式確定

本次改造對主副起升機構及小車運行機構采用一對一變頻控制模式，即1臺變頻器控制1臺電機，大車運行機構采用一對二變頻控制模式，即1臺變頻器控制大車運行機構2 臺電動機，用4 臺變頻器來控制原來的5 臺電機，實現重載啟動與變頻調速。由于大小車機構慣量較大，基本屬于阻力性負載，選擇采用 V/f 開環控制方式，此方式滿足大車變頻器同時拖動2 臺電機工作要求。起升機構負載變化大，屬于位能性負載，為實現對轉矩的快速調節，選擇采用無PG 矢量控制方式，此方式可利用GA700 變頻器零速全轉矩功能，在吊裝過程中主副起升機構速度降為零時，電動機能夠使重物在空中暫時停住，直到制動器將軸抱住為止，從而防止了溜鉤。

（3）變頻器容量確定

1）主副起升變頻器容量

在起升機構中，通常將額定力矩的1.2～1.6 倍作為其啟動轉矩的選擇。

結合電網電壓波動和一定的安全要求，最大轉矩須為額定轉矩的1.8～2.0 倍。而等容量的變頻器不能滿足上述轉矩要求。為了實現200%力矩，需將變頻器容量增大。這時變頻器的容量PCN為：

式中：cosφ—電動機功率因素，cosφ取0.75；

P—起吊額定負載所需功率；

η—電動機效率，ηM取0.85；

K—轉矩系數，K取2。

考慮到放容損失，在對變頻器容量進行選定時，不采用在電機額定功率增加一級的形式。在選定變頻器功率的基礎上進行電流驗證，變頻器額定電流ICN應大于電動機額定電流IM。

2）小車變頻器容量

泵站行車小車運行機構電機在加速過程中每300 s 加速時間不超過60 s，最大啟動電流不大于額定電流的150%，根據小車運行工況特點，變頻器容量的計算公式如下：

式中：Pm—負載所要求電機軸輸出功率；

Pj—負載功率；

K—電流補償系統（K≈1.05～1.1）；

最后還需要電流驗證，即ICN＞IM。

3）大車變頻器容量

本系統中大車運行機構采用1 臺變頻器拖動2臺電機的方式，采用一拖二驅動時一定要保證變頻器的額定輸出電流大于2 臺電動機額定電流的總和。同時還應滿足下述條件：

式中：PCN—變頻器的容量（kVA）；

ICN—變頻器的額定電流（A）；

nT—并聯電機臺數（nT=2）

nS—同時啟動臺數（nS=2）

KS—電機啟動電流/額定電流。

通過上述公式計算并查詢安川變頻器使用手冊，確定各機構變頻器型號參數如下：主起升變頻器型號為CIPR-GA70B4168ABBA，功率75 kW，額定電流142 A；副起升變頻器型號為CIPR-GA70B4060ABBA，額定功率22 kW，額定電流43.1 A；大車變頻器型號為`CIPRGA70B4044ABBA，額定功率18.5 kW，額定電流50.5 A；小車變頻器型號為CIPR-GA70B4031ABBA，額定功率11 kW，額定電流30.6 A。

（4）制動電阻

行車大小車運行機構減速和起升機構放下重物時，過大的設備慣量會將電動機變成發電機，這時處于發電運行狀態，電機反向給變頻器供電，會造成變頻器過壓報警。為了避免直流過壓保護動作，必須將這部分能量通過制動單元及制動電阻釋放，上述選用的各變頻器已內置制動單元，由廠商根據各變頻器容量選配制動電阻。

5 無線遙控改造

5.1 遙控裝置選擇及控制方式確定

行車無線遙控改造主要包括發射器、接收器、中間繼電器柜3 部分。考慮到泵站行車操作人員工作習慣和使用靈活方便，選用歐姆無線遙控TCS-C26型遙控系統。該系統為32 控制點輸出，遙控器為5檔雙遙桿，左側搖桿控制大小車左右前后行走，右側搖桿控制主副鉤上升下降，中間配有4.0 寸顯示屏，能顯示行車各機構運行數據。

遙控裝置工作原理為：遙控發射器將控制指令信號進行編碼、載波調制后，轉換成電磁波信號發出，遙控接收器將接收到的電磁波信號濾波放大后解調、譯碼，輸出控制信號，驅動中間繼電器，從而控制行車相應機構運行。

本次改造保留駕駛室操作功能以備遙控系統故障時使用，遙控控制線路根據工藝要求和聯鎖關系并接入駕駛室控制線路中，并設置遙控和操控的轉換旋鈕，實現遙控電路和駕駛室操作電路的必要聯鎖。這樣既不改變行車電氣控制系統線路特性和保護方式，又能確保遙控和駕駛室兩種操作模式都達到較高的可靠性和安全性。改造后控制系統如圖1所示。

圖1 改造后控制系統結構圖

5.2 無線遙控電氣控制原理

本次改造后，泵站行車操作模式以無線遙控為主，操作模式轉換開關常置遙控狀態，下面簡要分析一下行車無線遙控電氣控制原理：

（1）遙控送電啟動。按下遙控器發射器上啟動按鈕，接收器輸出控制接觸器K02 得電，K02 常開觸點閉合，經過各機構零位聯鎖觸頭KS、KF、KX、KD，欄桿安全開關1AK-4AK，相序保護繼電器CX輔助觸點，接通接觸器K00 線圈，從而接通行車主電源接觸器K0。如圖2 所示。

圖2 主回路遙控送電工作原理圖

（2）工作機構遙控動作。以主起升上升為例，將主起升搖桿推至上升方向1 檔時，接收器輸出控制接觸器SZC 線圈得電，接至變頻器正向運行指令輸入端SZC 常開觸點閉合，控制主起升變頻器動作，從而啟動主起升電機。同時通過變頻器多功能接點輸出，控制接觸器K7S，接通主起升制動器與風機，打開制動器，主起升上升運行。當搖桿變換檔位時，相應的接觸器1SC、2SC、3SC 等線圈得電，其對應的常開輔助觸點接至變頻器多檔速指令輸入端，通過對變頻器參數設置，實現調速運行。如圖3 所示。

圖3 主起升遙控電氣控制原理圖

6 系統安全保護

根據特種設備安全技術規范（TSGQ 7016—2016）泵站行車系統配置相應的安全保護措施。

（1）線路電氣保護。各機構變頻器本身具有短路、欠壓、缺相、過載、失速等多種保護功能。線路主回路中接有總接觸器和分接觸器，除了具有接通和斷幵電路的功能外，還具有失壓和欠壓保護功能。行車意外斷電時，遙控系統能立即停止工作，當恢復供電后，遙控發射器需重新啟動，才能接通行車主回路電源。遙控發射器電池電壓不足時，能通過自檢功能發出停止指令。

（2）緊急停止功能。在遙控器和聯動臺上還設有緊急斷電按鈕，在緊急情況下可方便地切斷行車主回路控制電源。

（3）零位保護。遙控器搖桿自動復零位功能，駕駛室控制模式也有零位保護功能，通過聯動臺手柄的零位觸點，達到與控制回路聯鎖目的。行車啟動前和失壓后恢復供電時必須先將操作手柄置于零位才能啟動。

（4）超載保護。行車主副起升機構均配有超載限制器用于避免過載。當起吊重量達到額定起吊重量的90%時，發出預警信號；當起吊重量達到額定起吊重量的105%時，發出報警信號，延時2 s 后自動切斷起升機構接觸器電源，使行車停止工作。

（5）限位保護。行車大車、小車軌道兩側設有行程開關，當大車、小車運行到達軌道兩側極限位時，限位開關動作，大小車機構停止運行；主副起升機構設置上升限位，當吊鉤上升到極限位置時，自動切斷起升機構控制電源。

（6）聯鎖保護。行車周邊4 個門開關均有接點串接入主回路電源控制線路。當任意一個門打開時，主回路電源控制線路無法接通，行車就無法啟動；當行車處于運行狀態時，門一打開，主回路電源立即斷開，所有機構停止運行。

7 結語

經過一年的實際運用，改造后的行車電氣控制系統各方面性能得到了極大改善，效果非常明顯，主要有以下兩方面：

（1）采用變頻調速，實現平滑變速，且效率極高。與原有串電阻方式相比，變頻調速特性更好，具有極高的速度控制精度，操作人員無須再經常對電機采用反接制動，通過對變頻器啟動和停車時間設置，使其運行平穩，從而減小機械磨損，延長了機械的使用壽命，使整個行車系統穩定性和可靠性大幅提高。

（2）無線遙控系統使用后，只需要一名操作人員在地面進行操作，作業過程中操作人員可根據現場情況獨立判斷，保證了操作的準確性、連貫性，工作效率顯著提高。且無需上下駕駛室進行高空作業，避免了高溫天氣駕駛室溫度過高影響操作人員的身體和精神狀態，通過改善工作環境，進一步保證泵站機組檢修過程的安全性和檢修工作進度。

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