双向门机液压清污抓斗电缆卷筒控制系统改造_简圣平.pdf

第 卷第 期红水河 年 月 双向门机液压清污抓斗电缆卷筒控制系统改造简圣平（国家电投集团广西长洲水电开发有限公司，广西 梧州）摘 要：为了解决双向门机清污抓斗电缆卷筒深水电缆频繁被损坏导致清污抓斗不能正常运行，影响机组进水口清污的问题，采用变频传动控制技术对双向门机液压清污抓斗电缆卷筒控制系统进行改造。通过技术改造，双向门机液压清污抓斗运行一年半时间以来其电缆卷筒深水电缆没再出现被损坏的情况，改造取得成功。该改造案例为同类型起重设备电缆卷筒控制系统改造积累了经验，具有很好的借鉴意义。关键词：双向门机；清污抓斗；电缆卷筒；控制系统；改造中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：开放科学（资源服务）标识码（）：(,):,:;引言某水电厂内江厂房安装有 台单机容量 的灯泡贯流式水轮发电机组。在内江厂房坝面机组段区域安装有 台 双向门机，轨面高程为 。双向门机主要用于内江厂房进水口检修闸门的启闭和吊运，还用于内江水轮发电机组与大件电气设备吊运；其副起升机构用于内江厂房进水口拦污栅的启闭、吊运和清污。双向门机有主起升和副起升 套起升机构。主起升机构主要作用是提升机组进水口检修闸门；副起升机构主要用于机组拦污栅清污，副起升机构为双吊点，由 套卷扬系统组成，卷扬系统之间在减速器低速轴用联轴器连接，实现刚性同步。清理拦污栅时，副起升机构上下提升带动清污抓斗到制定水深位置，通过开耙和抓耙动作清理拦污栅前的垃圾。副起升机构配有一根深水电缆，主要作为液压泵站电机动力电源以及开耙和闭耙到位等开关量控制信号电缆。内江双向门机清污抓斗在清污过程中副起升机构深水电缆卷筒要连续多次完成收缆、放缆动作，在此过程中深水电缆要承受拉力和弯曲应力。改造 收稿日期：；修回日期：作者简介：简圣平（），男，江西新余人，工程师，主要从事水力发电厂检修技术管理工作。：。红水河 年第 期前，卷筒由于磁滞转矩不稳定，深水电缆经常出现外护套起皱、打扭以及扭曲变形等现象，由此导致深水电缆频繁破损，航空插头渗水引起短路故障，以至于清污抓斗不能正常运行，机组进水口拦污栅垃圾无法及时被清理，影响机组正常发电，同时给机组安全运行带来隐患。清污抓斗电缆卷筒改造前状况 电缆卷筒驱动方式内江双向门机清污抓斗电缆卷筒采用的是磁滞式电缆卷筒，主要部件为磁力耦合器。其运行特点：一是上升时卷绕电机通电，驱动卷盘卷绕电缆，电缆卷绕速度略高于起升机构运行的最大速度，主要靠磁力耦合器产生打滑（耦合磁力矩可根据实际情况进行调整），确保深水电缆与清污抓斗同步运行，当起升机构低速运行时电缆卷筒承受拉力较大；二是下降时卷绕电机断电，抓梁（或抓斗）通过电缆拖拽卷筒克服磁滞力实现放电缆。其最大的缺点是磁滞力（或磁滞转矩）调整准确较难，由于电缆卷筒卷绕过程中的变转矩特性，磁滞转矩只能按卷绕过程中的最大转矩设定，设置过大可能拉断电缆，设置过小可能在放电缆过程中失控，造成电缆损坏。在清污过程中，深水电缆下到水里后受到水流冲击的拉力，电缆卷筒力矩无法满足下水后收电缆的力度，使深水电缆卷筒在水中无法进行收缆，导致深水电缆卷筒收放与清污抓斗升降不同步，深水电缆挂在较大垃圾或清污抓斗上，造成经常拉断电缆或卷绕失控故障，严重影响设备的安全运行。深水电缆损坏状况选取 年 月至 年 月为周期，对内江双向门机深水电缆损坏情况进行统计。经核实，在此期间，内江双向门机副起升机构深水电缆共更换了 次，更换日期分别为 年 月 日、年 月 日、年 月 日、年 月 日、年 月 日、年 月 日、年 月 日、年 月 日。每条深水电缆长度约为 ，且一旦破损就要整条更换。由于深水电缆价格昂贵，更换费时费力，同时影响机组清污，因此必须进行改造，避免深水电缆在清污过程中被拉断。深水电缆拉断原因分析双向门机深水电缆型号为（）（为 的铜丝编制的屏蔽层，深水电缆内置直径为 的钢丝芯，可承受约 的拉力），总长度约为 ，深水电缆配电缆插头型号为。在门机清污过程中，因深水电缆承受的拉力超越其本身所能承受的极限拉力，导致深水电缆被拉断。分析深水电缆拉断的原因，主要有以下几方面。磁滞电缆卷筒工作特性在清污抓斗实际运行过程中，磁滞式电缆卷筒为恒定转矩输出，在收缆或者放缆过程中，深水电缆在电缆盘上的半径是变化的。根据 （为深水电缆所受拉力，为电缆卷盘输出力矩，为电缆卷盘上电缆半径），由于 为定值，与 成反比。随着电缆半径的变化，电缆所受拉力随之变化，而且变化比较大，当电缆全部放完时，电缆半径最小，深水电缆所受拉力最大，此时最容易被拉断。磁力耦合器磁场弱化磁滞式电缆卷筒上磁力耦合器连接方式不是纯机械连接方式，当磁场弱化后产生的磁力小于电缆重力时，深水电缆在自身重力作用下会一直下坠，最终也可能导致清污抓斗清污时深水电缆被拉断。电缆卷筒排缆散乱深水电缆收缆时在电缆卷筒上排缆散乱，存在相互横向挤压，在放缆时可能被拉断。改造前，电缆卷筒排缆情况如图 所示。图 改造前的电缆卷筒排缆图 内江双向门机副起升机构清污抓斗电缆卷筒改造 电缆卷筒发展情况国内电缆卷筒按卷绕控制方式可分成 代产品：第一代为滑轮组式电缆卷筒，在电缆一段配重锤、重块，作为电缆拉力，随着电缆长度增加，无法安装；第二代为力矩电机提供动力的电缆卷筒，其弱点是速度变化时无法提供恒定力矩；第三代为简圣平：双向门机液压清污抓斗电缆卷筒控制系统改造磁滞式电缆卷筒，它采用了磁性联轴器和多台电机同时运行的办法克服了力矩不恒定的缺点；第四代为变频式电缆卷筒，采用变频控制方式能保持电缆卷绕速度与起升机构速度同步，电缆始终处于松弛状态。内江双向门机副起升机构采用第三代磁滞式电缆卷筒，电缆卷筒卷绕速度大于或等于起升机构速度。当抓斗上升时，电缆卷筒驱动电机通电，卷绕速度始终大于或等于抓斗上升速度，电缆始终处于绷紧状态；当抓斗下降时，电缆卷筒驱动电机断电，通过拉拽电缆使电缆卷盘克服磁滞力，将卷盘上的电缆下放。在电缆卷绕过程中，电缆所承受的最大拉力为电缆的自重加上磁滞力。而磁滞力可通过人工调节，当磁滞力调节过大时，电缆承受的拉力就大；当磁滞力调节过小时，有可能无法克服电缆自重而造成失控，一旦失控就会拉断电缆；且磁滞力会随着使用时间的增长而减小，存在不可控因素。第四代电缆卷筒采用变频控制，通过变频器驱动电缆卷筒电机变速运行。起升机构在上升和下降时电缆卷筒均处于电动状态，运行速度自动跟随起升机构速度。当起升机构速度增加时，电缆卷筒卷绕速度同步增加；当起升机构速度减小时，电缆卷筒卷绕速度同步减小，起升机构速度和电缆卷筒卷绕速度基本保持一致。改造方向根据电缆卷筒的发展技术，只需将磁滞式电缆卷筒改造为变频式电缆卷筒，即可解决电缆卷筒收放速度与清污抓斗升降速度不同步和电缆卷筒力矩不足的问题。变频式电缆卷筒是采用变频电机驱动装置，通过控制系统进行总体控制达到调速目的的一种新型驱动装置。变频式电缆卷筒主要由变频电机、变频控制系统、减速机三部分组成。新型电缆卷筒电路如图 所示。变频式电缆卷筒有以下技术要求：）电缆卷筒采用变频驱动，可自适应于副起升机构速度运行，也就是自动跟随副起升机构速度卷绕电缆，电缆始终处于松弛状态，松弛余量不大于 。）电缆卷筒具有自锁功能，也就是非电机驱动时电缆卷盘自动锁死，防止电缆下溜；当电缆拉力超过 倍电缆自重时电缆卷盘可自动打滑，防止电缆拉断。）驱动电缆卷筒的变频器集成在门机电气传动系统的总线网络内，与系统 组成现场总线网络，通过总线网络与 交换数据。）通过系统配置的电缆卷筒参数设置界面，可设置或调整电缆卷筒的跟随特性，并通过该界面显示电缆卷筒的运行状况。）驱动电缆卷筒的变频器采用西门子功能模块控制单元，可挂在系统现场总线上，功率与卷筒电机匹配。）电缆卷筒控制箱根据现场空间设计，控制箱内低压电器元件采用施耐德或西门子品牌产品。图 副起升电缆卷筒电路图 红水河 年第 期 主要改造内容）拆除旧的磁滞式电缆卷筒；）安装新的变频自适应电缆卷筒；）安装变频自适应电缆卷筒控制箱；）接线并调试。改造实施 旧电缆卷筒拆除）首先拆除旧电缆卷筒上的防水承吊电缆，拆掉电缆卷筒接线盒中的接线；）拆除电缆卷筒的底脚固定螺栓，将旧电缆卷筒拆除并入库。新电缆卷筒安装）现场制作电缆卷筒支架，并将新电缆卷筒安装固定在支架上；）把从旧电缆卷筒上拆除的防水承吊电缆接到新电缆卷筒滑环上并将电缆卷绕到卷盘上。电缆卷筒控制箱安装）在门机电气室合适地方安装电缆卷筒控制箱；）敷设电源电缆，将控制箱进线端连接到原控制系统电缆卷筒断路器下端；）敷设总线通信电缆，将电缆卷筒变频器连接至副起升机构变频器；）敷设控制电缆，接至副起升机构控制柜并接线。敷设电缆并接线）敷设电缆卷筒控制箱到电缆卷筒电机风机的电缆并接线；）敷设副起升机构控制柜到抓斗电磁阀控制电缆，连接到电缆卷筒接线盒；）敷设抓斗压力传感器信号电缆，接至门机控制系统 控制柜模拟量模块并接线。电缆卷筒调试）对照电路图检查上述接线的准确性，确认准确无误后通电调试；）通电后，通过编程器连接电缆卷筒控制变频器，进行电机辨识及通信和应用参数设置，设置完成后测试电缆卷筒变速运行状况，频率范围内运行正常方可进行后续调试；）修改门机控制系统 程序，添加电缆卷筒控制程序，并下载到 中；）修改门机控制系统触摸屏程序，添加电缆卷筒跟随特性调整界面，通过该界面调整跟随参数使电缆卷筒跟随副起升机构抓斗同步运行。变频电缆卷筒控制系统操作及设置 操作说明变频电缆卷筒自适应起升机构速度，跟随起升机构运行。但由于卷筒卷绕电缆的随机性，存在些许差异，因此，在电缆卷筒工作之前，电缆应留出 左右的缠绕余量，避免电缆因过紧而拉断。操作人员可通过触摸屏界面观察电缆卷筒及其变频器的状态，且可触摸“手动卷缆”或“手动放缆”按钮进行卷筒收缆或放缆。触摸屏界面如图 所示。图 电缆卷筒监控触摸屏界面 手动卷缆和手动放缆的操作步骤：）触摸“设定频率”后面的输入域，通过弹出的键盘窗口输入手动卷缆或手动放缆的频率；）触摸“手动卷缆”按钮，电缆卷筒变频器运行，卷绕电缆；）触摸“手动放缆”按钮，电缆卷筒变频器运行，下放电缆；）手离开“手动卷缆”或“手动放缆”按钮，电缆卷筒变频器停止运行，收缆或放缆停止。参数设置电缆卷筒特性参数通过触摸屏设定，电缆卷筒变频参数设置界面如图 所示。图 电缆卷筒变频参数设置界面简圣平：双向门机液压清污抓斗电缆卷筒控制系统改造 电缆卷筒安装调试运行正常后，需对卷筒的特性参数进行设置，以给 控制变频器驱动电缆卷筒运行提供控制依据。设置步骤如下：）在“起升机构上限高度值”后面的输入域中输入起升机构起升高度的上限值。）通过一次完整的放缆完成其他参数设置。在放缆过程中，当电缆从最外层过渡到次外层的临界点时停止放缆，查看起升机构当前的起升高度，将此高度值输入“第一层过渡第二层的高度值”后面的输入域中。）继续放缆，当电缆从次外层过渡到第三层（从外向里）的临界点时停止放缆，查看起升机构当前的起升高度，将此高度值输入“第二层过渡第三层的高度值”后面的输入域中；如果没有第三层，该输入域中输入“”。）继续放缆，当电缆从第三层过渡到第四层（从外向里）的临界点时停止放缆，查看起升机构当前的起升高度，将此高度值输入“第三层过渡第四层的高度值”后面的输入域中；如果没有第四层，该输入域中输入“”。）同样方法输入“第四层过渡第五层的高度值”后面输入域中的值；如果没有第五层，该输入域中输入“”。）测量最外层电缆中心到卷筒中心的距离，将测量结果输入到“第一层电缆卷绕半径”后面的输入域中。）测量电缆的直径，将测量结果输入到“电缆的直径”后面的输入域中。）上述参数输入完毕后，操作起升机构观察电缆跟随起升机构的情况，如果跟随良好，在“卷径微调”后面的输入域中输入“”；如果里层放缆或收缆偏快，在“卷径微调”后面的输入域中输入 之间的数据，观察电缆跟随状况，直到电缆跟随良好为止。改造效果改造更新项目完成后，经实际运行表明，电缆卷筒收放电缆的速度与副起升机构抓斗运行速度同步效果良好，在全扬程范围内电缆松弛度在 之间，通过近一年半时间的运行观察，没有发生深水电缆被扯断的现象，整个改造达到了预期的目的。改造后电缆卷筒如图 所示。图 改造后的电缆卷筒图 结语通过对内江双向门机液压清污抓斗电缆卷筒控制系统采用变频传动控制技术改造后，清污抓斗深水电缆所受拉力得到很好的控制，至今再也没被损坏更换过。采用变频传动控制技术对双向门机清污抓斗电缆卷筒控制系统改造，提高了清污抓斗运行的可靠性，确保机组进水口拦污栅垃圾得到及时清理，保障了机组安全可靠运行，有很高的实用价值和经济价值，为同类型起重设备电缆卷筒控制系统改造积累了经验，具有很好的借鉴意义。参考文献：梁汉寿，潘赞文，张学东，等长洲水利枢纽工程运行设计报告南宁：广西电力工业勘察设计研究院，：王向辉采用变频传动对门机抓梁电缆卷筒实施改造水电站机电技术，（）：鲍远枝，陆祥恒张力变频式电缆卷筒改造实例分析中国设备工程，（）：徐秀桃，陈刚，徐彤，等电缆卷筒的变频线性自动变扭矩驱动技术港口装卸，（）：顾文溢，杨俊超，李进琳，等智能化卷缆装置：变频电缆卷筒港口装卸，（）：武世鹏，卢士先电缆卷筒驱动装置的比较分析中国新技术新产品，（）：（责任编辑 秦凤荣）