[分享]沌口长江公路大桥悬挂式桥梁检查车供电方案

发表于2020-01-23    170人浏览    1人跟帖    总热度:241  


桥梁检查车是一种为桥梁检修人员在检测过程中提供作业平台,用于流动检测或维修作业的专用设备。检修人员从特定的位置进入检查车后,能随时移动位置,能安全、快速、高效地让检修人员进入作业位置进行检测或维修作业。桥梁检查车目前有两类:一类是适用于公路桥梁、立交桥、高架桥等的车载式桥梁检查车,包括吊篮式桥梁检查车和桁架式桥梁检查车;另一类是适用于大跨度、多联大型桥梁的悬挂式桥梁检查车。

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武汉沌口长江公路大桥是连接武汉经济技术开发区和洪山区、江夏区的重要过江通道,是武汉市四环线跨越长江的控制性工程之一。其中跨江主桥长1510m,为100+275+760+275+100m的双塔双索面钢箱梁斜拉桥,设计时速为100km/h,双向8车道的高速公路,标准路基宽度为41.0m,主桥断面全宽46.0m。本文以武汉沌口长江公路大桥为例,重点讨论悬臂式桥梁底部检查车供电方案选择。

悬臂式桥梁检查车应用情况

1.悬臂式桥梁检查车在国内外应用情况
悬挂式桥梁检查车最早出现在欧美,在国内外应用广泛,国内很多大型钢结构桥梁都安装了悬挂式桥梁检查车。如宁波湾头大桥、日本多多罗桥、明石海峡大桥等。

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图1 宁波湾头大桥
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图2 日本多多罗桥

目前国内使用的悬挂式桥梁检查车,由于各桥梁之间的构造差异,一般没有固定的生产厂家,主要是由桥梁设计单位设计,由施工单位根据桥梁横断面不同宽度,设计制作不同结构形式的桥梁检查车。

2.悬挂式桥梁检查车的特点
悬挂式桥梁检查车涉及机械、液压、电子等先进技术,技术含量高,用于桥梁流动检测或维修作业,多使用在大跨度、多联大型桥梁上,安装在梁底轨道上。使用时,通过在梁底轨道上行走实现对桥梁检修,其结构形式新颖、承载能力大、稳定性好、工作稳定,能实现连续不间断的工作。

3.武汉沌口长江公路大桥悬挂式桥梁检查车的构造及技术特点
武汉沌口长江公路大桥使用的悬挂式桥梁检查车,主要由桁架系统、龙门架、驱动系统、回转系统、电气控制系统、轨道系统组成,均为全自动控制,安全性好。检查车在梁外轨道系统配合下,可以实现检查梁底、侧面、翼缘等外表面的检查。其主要功能和技术具有国内外先进水平,采用的新技术包括:同步直线行走、变轨过墩、侧面过墩稳定性、高强度轻质铝合金、交流变频电机等。

供电方案比选分析

根据供电方式的不同,一般的桥梁检修车电源使用汽油发电机、柴油发电机、滑触线3种供电方式。但随着电池技术的飞速发展,直流电池组供电在国防、工农业生产领域有了广泛应用,并将作为一种新的供电方式被应用和推广。

供电方案

1.汽油或柴油发电机方案
汽油或柴油发电机组是以汽油或柴油等为燃料,将其他形式的能源转换成电能的机械设备。它由内燃机驱动,将燃料燃烧的内能转化为机械能传给发电机,再由发电机转换为电能。整套机组一般由内燃机、发电机、控制箱、燃油箱、起动和控制用蓄电瓶、保护装置等部件组成。当桥梁检修车使用发电机时,可以将发电机放在平台任意位置固定,直接将控制箱的总电源线接在发电机的母线端子上。接通点火开关,待电压和频率正常后,合上发电机的空气开关,即可给检修车供电。

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图3 发电机方案

2.安全滑触线方案
安全滑触线方案由滑触线馈电装置、集电小车柔性牵引连接装置、供电电缆快速连接装置、安全警报预警检测装置、配电箱组成。滑触线馈电装置内设输电导轨,依靠滑动接触方式,向检修车提供电能输电装置。滑接输电导线或导管的供电端与城市电网相接,通过与输电导轨滑动接触的集电刷,可以将电网电流引入有轨导向集电小车,最后通过有轨导向集电小车电缆与检修车控制柜电源输入端的接通,将电网电源引入检修车控制系统。集电小车沿轨道与检修车移动,实现移动供电。当检修车需要回转轨道时,首先拔下快速插头,切断集电小车与检修车的联系,然后将集电小车柔性牵引连接装置与检修车分离,将集电小车柔性牵引连接装置的电缆插板放在轨道安全位置,在需要进行变轨运行的轨道侧插上快速插头,可将动力重新切换为滑触线供电,集电小车柔性牵引连接装置将再次与检修车连接上。

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图5a 安全滑触线
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图5b 安全滑触线

根据以往大量的滑触线供电方案的实践表明,滑触线方案存在导电装置上电刷与电线导电不良;滑触线本身受结构膨胀或收缩的影响,也经常出现断电的现象。

3.锂电池方案
锂离子电池因其具有安全性高、单体一致性好、自放电率低、比能量高、长寿命、无记忆效应等特点,是迄今所有商业化使用的二次化学电源中性能最为优秀的电池。通过单体锂电池的串并,可以组合成任意电压等级和容量的电池组,并在电池组内部集成电压、电流、温度等检测单元,通过CAN总线与电池管理系统通讯,以实现对电池组的信息管理。

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图4 锂电池组

方案比选

每辆梁外检修车的检修距离700m左右,对比发电机、滑触线及锂电池电源方案,这3种电源方案各有优劣,如表1所示。

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通过比较分析,3种供电方案都有其各自的特点。比较而言,锂电池方案具有操作简单、运行风险小、安全可靠性高、后期维护保养简单、对环境无污染等优点,是目前国家正在推广的一种新能源形式。

锂电池电源方案应用实例

锂电池以碳素材料为负极,以含锂的化合物作正极,没有金属锂存在,只有锂离子,这就是锂离子电池。锂电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料电池的总称。锂电池的充放电过程,就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。在锂离子的嵌入和脱嵌过程中,同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌(习惯上正极用嵌入或脱嵌表示,而负极用插入或脱插表示)。在充放电过程中,锂离子在正、负极之间往返嵌入、脱嵌和插入、脱插,被形象地称为“摇椅电池”。目前开发的大容量锂离子电池已在电动汽车中开始试用,预计将成为21世纪电动汽车的主要动力电源之一,并将在人造卫星、航空航天和储能方面得到应用。

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图6 电控原理图

1.电源选择
桥梁检修车行走,采用2台额定功率3.0KW电机,回转采用2台1.1KW电机。但行走和回转根据运行逻辑,不会同时工作,在满足行走驱动的情况下,就能满足回转驱动和其他的用电设备,如升降平台、磨光机、手枪钻等的用电需求。

2.逆变器的选择
桥梁检修车行走电机通过变频器进行启动、调速和制动。在电机启动时,由于变频器是通过压频比从0HZ和0V加速到设定的速度,从而大大减小了启动电流。此时的电流约为电机额定电流的1.4倍,要求逆变器输出的电流至少为电机额定电流的1.4倍。

已知条件:
行走电机2台          P额定=6KW
行走电机效率          η=0.85
行走电机功率因数      μ=0.84
逆变器的效率          η逆变器=0.9
逆变器的功率因素      cosθ=0.88
逆变器安全系数        Q=1.17

计算结果:
电机电功率            P电=P额定/η=7.059KW
逆变器的输出功率      P=7.059KW
逆变器的视在功率
S=Q×P电/(η逆变器×cosθ)=10.43KVA

根据计算结果选择线电压380V、容量为12KVA的逆变器,就能满足系统正常工作。

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3.锂电池组选择
安全性对于桥梁检修车尤为重要,必须充分考虑所选用电池组的安全性。相对于锰酸锂电池、钴酸锂电池、方形磷酸铁锂电池,圆柱形磷酸铁锂电池一般容量仅有3Ah左右,设计有过流保护、熔断保护、泄压保护等功能,不会发生燃烧爆炸。即使出现问题,因为容量小,能量积聚比较少,不至于发生剧烈的燃烧爆炸等。加之电池箱内部的蜂窝结构设计有充分的空间,完全可以将能量消化吸收在组合箱内部,避免连锁反应,具有更好的安全性。因此,在选用锂离子电池时,使用圆柱形磷酸铁锂电池作为检修车的动力电池。

①参数计算
已知条件:
锂电池组输出的功率           P锂电池=8.913KW
锂电池组的额定电压           U锂电池=115V
额定功率下锂电池组续航时间   T=6h
计算结果:锂电池组输出的电流 I电池组=77.5A
锂电池组的容量               Q=242A.h

根据计算选择标称电压为115DC、容量为300A.h的锂电池组。

电池组通过使用镍带,采用自动点焊机多点自动点焊的连接方式,将单体电池组成柔性抗震电池模块单元,然后使用专门设计的阻燃型ABS卡板夹持、固定该电池单元模块,在方便对电池进行串并联的同时,还使之对外绝缘。然后,交叉连接紧固各ABS卡板,形成交叉式网络连接结构,在紧固电池单元模块的同时,还大大提高了整个电池组的强度,足以承受检修车上的颠簸振动及冲击等恶劣工况。

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图7 电池组合示意图

电池间轴向散热,利用圆柱电池组合后所产生的间隙作为散热通道,如此即可保证电池的紧密组合,又可兼顾散热通道,使所有电池芯之间的温度差异不大于5℃。

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图8 电池组散热原理图

②电池管理系统
电池管理系统通过巡检芯片MAXIM11XXX系列实现温度、电流、电压等的数据采集、处理功能,该芯片包含了开关阵列,采集精度高。电池管理系统,能针对电池组使用过程中的充放电性能及时进行调整,确保电池组健康运行,从而有效地延长电池组的实际使用寿命。

③充电系统
当检修车停止工作,运行到固定位置,将充电系统的快速插头插在预留的配电插座上,便可以接通市电,对电池组进行充电。充电系统对电池组充电实现智能保护功能,除了自身设置的程序和保护功能外,充电机还与电池管理系统BMS之间有通讯协议,执行BMS关于电池充电保护指令,严格防止电池过充电。

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④电源系统运行时间和电机系统节能研究
由于三相异步电机结构简单、制造方便、价格低廉、坚固耐用、运行可靠,可用于恶劣的环境等优点,检修车的驱动采用三相异步电机,通过变频器控制。随着科学技术的飞速发展,特别是电力电子技术、微电子技术、自动控制技术的高度发展和应用,使变频器的节能效果更为显著。它不但能实现无级调速,而且在负载不同时,始终高效运行,有良好的动态特性,能实现高性能、高可靠性、高精度的自动控制。检修车在运行过程中,电机的工作模式有恒转矩和恒功率两种。

交流电机转速表达式:n=60f(1-s)/p,式中:
n=电机转速       f=电源频率
p=电机的极对数   s=转差率

由式可见,交流电动机的同步转速n与电源频率f成正比,所以改变电源频率就能改变电机转速,从而实现调速的目的。

当电机工作在恒转矩和恒功率时,电机功率:P=K×T×N,式中:
K=系数       P=电机轴功率
T=负载转矩   N=转速

从上述公式可以看到,轴功率与电机的转速成正比。检修车在运行过程中,电机速度要求控制在额定转速以内,所以电机始终工作在恒转矩模式,电机的运行频率小于50HZ,运行速度低于额定转速,电机消耗的功率低于额定功率。不仅实现节能,而且减小了电池组容量的消耗,延长了电池组的工作时间。

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沌口长江公路大桥的桥梁检修车电气系统,在通过电源方案对比后采用锂电池方案,既保证了系统的整体用电要求,又体现了环保的设计理念。针对悬挂式桥梁检修车的运行环境和功能要求,对安全保护和控制方案作了具体分析,确定了保护措施和控制方法,以满足桥梁检修车的各项功能和安全要求。


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 发表于2020-01-23   |  只看该作者      

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