水口升船机直流调速系统负载自适应控制

1前言主提升控制技术是升船机的核心技术之一，它以电力拖动为基础。

目前在建和已建成的升船机既有采用直流调速控制，也有采用交流变频控制。

已建成的升船机以直流调速为主，一般采用转速电流双闭环调速系统。

实践表明，当被控对象参数发生大范围变化时，系统的动态性能（如电动机轴上的机械惯性、电流断续条件下系统放大倍数）将随之发生明显变化；因此，为达到最优性能，需要根据具体情况调节最佳参数。

本文在分析研究双闭环调速系统模型的基础上，对水口升船机直流控制系统的参数进行优化，使系统动态性能达到最优。

2系统工作原理水口升船机主提升系统最大提升力4×600kN ，最大提升高度59m ，升降额定速度12m/min ，正常升降加速度为0.01m/s 2，快速制动加速度0.02m/s 2，由4台功率为160kW 的西门子直流电机驱动，可以四象限运行。

4台直流电动机通过同步轴相连形成一个矩形的闭环，经4个吊点的减速器带动主提升卷筒，实现承船厢的上行和下行运行。

主提升拖动系统采用转速电流双闭环级联控制直流调速方式，每套传动装置具有相对独立的速度控制器、电流控制器和励磁电流控制器，其控制系统如图所示。

系统中设置个调节器，分别为转速和电流调节器；转速调节器的输出U 作为电流调节器给定输入值，电流调节器的输出U 作为可控硅触发装置的控制电压。

SITOR 可控硅组件内置一组独立的可控整流桥，提供给电动机一恒定励磁电流。

在SIM ADYN D 软件中设置励磁电流，通过闭环控制方式实现对直流电机的恒定励磁电流控制。

转速调节器的给定信号为U ne ，反馈信号U n 与转速成正比即U n =αn 。

稳态工况下，转速调节器输入信号△U n =U ne -U n =0，U ne =U n =αn 。

转速调节器输出值U ie 作为电流调节器的输入值，电流调节器的反馈信号U i 与直流电机的电枢电流I d 成正比即U i =βI d ；电流调节器输入信号△U i =U ie -U i =0,U ie =U i =βI d ，I d =U i e /β。

即在电流调节器作用下，直流电机的电枢电流保持某一给定值，电机转速保持恒定；有效抑制了电网电压波动所引起的电流波动。

转速调节器采用限幅的PI 调节器，其最大输出值为限幅值U im ，将电流调节器输出的电枢电流限制在最大允许值I dm 上，保证可控硅元件和直流电机的设备安全。

当系统受到负载扰动影响时，系统进行自适应暂态调速过程；通过转速调节器的积分作用而消除转速偏差。

具体工作过程见图所示。

在升船机启动运行过程中，转速调节器的给定信号为一突加给定值U ；由于负载的惯性质量大，水口升船机直流调速系统负载自适应控制陈思东（水口发电有限公司，福建闽清350800）摘要：对双闭环调速系统模型进行分析，获得了优化调节模型参数的方法，使直流调速系统能适应大范围的可变负载；将该调节方法在水口升船机的工程实践应用，改善了系统动态性能。

关键词：升船机；直流调速；动态性能中图分类号：U642.6文献标识码：B文章编号：1006-0170（2006）01-0029-03图1转速电流双闭环直流调速系统图F UJIAN DIANLI YU DIANGONG第26卷第1期2006年3月IS S N 1006-0170CN 35-1174/TM福建电力与电工12ie d 2ne图2暂态调速动作流程图图3SIMAD YN D 机架图电机转速增长慢（电机转速反馈U n =αn 小），转速调节器的输入信号△U n =U ne -U n 大，转速调节器的输出信号U i e 很快就达到输出限幅值U i m ；该值作为电流调节器的输入值，使得触发装置的控制导通角电压增大，电机电枢电流随之迅速升高至可控硅的最大输出限幅值I dm ；在电机转速n=0调速至n=n e 给定值过程中，转速调节器处于饱和状态（U i e =U im ），系统表现为恒流调节特性，转速按线性规律加速上升至给定值；在电枢电流最大限幅值I dm 条件下，采用较快的时间响应参数，实现最短启动时间过程控制。

当电机转速上升至给定值后，转速调节器的给定值U n 与电机转速反馈U n 相等，转速调节器的输入信号△U n =0，但由于积分作用其输出值仍为限幅值U i m ；电机电枢电流仍保持为最大输出限幅值I d m 加速，电机转速超调。

当转速调节器的转速反馈值U n 大于给定值U ne 时，转速调节器的输入信号△U n 为一负偏差信号，转速调节器退出饱和工作区，其输出信号U i e 立即从限幅值下降，电机电枢电流I d 也随即下降，直至小于负载电流时，电机开始减速，直至系统进入速度无静差稳态状态为止。

3西门子直流调速系统构成水口升船机的控制方式是每套拖动装置采用1台西门子SIM ADYN D 全数字控制器带1台SITOR 可控硅组件，SIM ADYN D 集中式布置。

SIMAD YN D 是一种全数字化、硬件/软件模块化、能够根据用户要求硬件自由配置、用户软件自由编程的多处理器并行工作的控制系统。

它将控制电机的每一项具体功能都制成模块化，不同的处理器板有不同的控制功能，可以根据实际控制要求进行几个处理板之间的在线连接，实现对电机的控制。

SIM ADYN D 控制器采用SR6型六槽机架，配置1块PT20M 和1块PT 20G 控制器模块，另配1块CS7通信模块。

SIM ADYN D 机架图见图3。

由CS7模块上配置的3只SS5通信子模块联网构成整个系统的3个通信，其中“1”与S5-135U 可编程控制器通信，“2”为4个SIMADYN D 模块之间的通信，“3”与O 操作面板通信。

SIM DYN D 与外部设备等之间的信号交换不是直接与插件板进行的，而是通过接口板与插件板相接的。

接口板装在机架下面的安装轨道上，并且经预置的嵌入电缆同插件板相接。

根据其作用来分类，主要有：仅起插接头转化作用的接口板，如SU10、SU12等；起二进制信号输入/输出作用的接口板，如SB10、SB61、SB70等；其他专用接口板SE20.2、SE21.2等。

在水口升船机中主要用SU10、SB61、SB70，用来输入制动器状态、风扇状态、行程设定点信号、转速等变量。

SITO R 中采用全控B6C 桥式电路，它有6个可控硅，可以用来整流和逆变，在逆变工作区，遵守逆变稳定极限。

为了节省可控硅的数量，在不需要逆变工作时，B6电路也可以由3个二极管和3个可控硅管组成。

SIM ADYN D 中通过附表所示模块完成仿真，P2A图6不同比例参数下的转速时间曲线并由SITOR 电流调节器来控制电枢电流。

4参数优化逻辑问题是升船机运行中存在的主要问题，有关拖动部分，实质上只是解决了启动、停机、快停、制动等命令的逻辑问题，不涉及调速问题。

这阶段的调试是无负载，或者说负载很小。

只有当升船机在现场拼装完毕后，才产生了这些问题。

在初始阶段，空船厢与平衡重的负载关系无法确定，需要主拖有很强的适应能力，通过它来“测出”偏载。

随后进入有水调试阶段，在承船厢载满水后，整个系统发生了很大变化，船厢有了很大的机械变形，钢丝绳卷筒上的摩擦力也数倍增加。

虽然对于主拖动的运行工况无明显变化，但在启动和制动时，惯性的作用大大加速，在快速停机时表现特别明显，有明显的速度超调现象，超过了设计指标5%。

在高速运行时尤其明显，虽然采用了自适应控制，但参数很明显与实际状况不匹配，这样就给安全运行带来隐患，因此需要通过试验来更改参数，解决超调问题。

在SIM ADYN D 中是通过PIC201模块来完成PI 调节的，调节后的参数加到电流设定值。

图4所示为PIC201模块，左侧为输入，右侧为输出，N2是标么值标准信号类型，B1是二进制信号类型，R2表示为倒数类型。

W 1是设定值1，W 2是设定值2，X 1、X 2分别是实际值1、2，W P 是预加值，L U 、L L 分别是上限和下限值，S V 是积分初始设定值，K P 是增益参数设定值，T N 是复位时间，I C 为积分控制器是否有效设定值。

Y 是输出值（Y n 为n 点的输出值，Y n-1为n-1点的输出值），T A 为采样时间，YE 为系统偏移量（YE n 为n 点的系统偏移量，YE n-1为n-1点的系统偏移量），Y I 为积分值，Q U 为上限控制器，Q L 为下限控制器。

PIC201为通用的PI 控制器，解算时间131μs 在SIM ADYN D 中经常采用，其计算公式为：YE=(W 1+W 2)-(X 1+X 2)Y n =Y n-1+K P [(1+T A T N)YE n -YE n -YE n -1]通过对非线性模块进行设定来设置比例设定值，其模块如图5所示。

PL I6主要用来模拟非线性参数，解算时间52μs ，其中（A 1，B 1），（A 2，B 2）……为类似（X 1，Y 1），（X 2，Y 2）……的坐标，各点连线为所设置曲线，通过此模块或PLI20（含20个点）模拟磁通—电流曲线、自然对数曲线等。

在此处SIMADYN D 中为增益参数输入，原先的增益参数输入曲线是（0，0.5），（0.2，0.5），（0.7，1.5），（2，1.5），（198，1.5）（199，1.5），只适应惯性较小的地方。

在水的重量增加以后，惯性增大很多，且水为流体，与平衡重等刚性物体有不同的物理特性，如果过大增加增益参数，由于在快停或紧急制动时水体的振荡作用，会加剧振荡效果，使动态性能图I 模块示意图图5PLI6模块示意图（下转第3页）4P C2019子导线所受的电磁力很大，当子导线局部所受电磁力大于该局部子导线自重时，局部粘连便会出现。

分裂子导线某一点产生粘连后，紧靠粘连点的子导线之间的距离已很小，在电磁力的作用下，粘连不断延伸，直至悬挂点处，在金具的刚性间隔作用下，各种合力在该处取得平衡，粘连才停止。

导线粘连部分之间的距离非常小，负荷较大时，2根子导线间的电磁吸引力非常大，即使在大风的天气下也不容易分开，但大部分在负荷降低并在外来较大风力作用下，会自行分开。

在大风作用下，间距不符要求的杆段子导线间存在小振幅的不同步舞动，可使子导线的间距更小，以致在较大负荷电流作用下出现子导线相吸而粘连，这一点从现场观察的子导线粘连的外因得以印证，即子导线间距较小、大档距或处风口的杆段发生粘连的概率较大。

高压输电线路子导线粘连的问题是近1—2a才较多地暴露出来，其诱因是重载输电线路的不断增加，因此，输电线路输送容量的增加是子导线粘连的重要因素。

今后，随着电网负荷的不断增加，受线路走廊资源的限制，提高现有输电线路输送容量是必然的趋势，对子导线粘连问题必须予以高度重视，并制定有关解决子导线粘连的办法。