變頻器在大型泵站X型流道閘門控制上的應(yīng)用

王 琴，蔡亞琴

（江蘇省泰州引江河管理處，江蘇 泰州 225321）

0 引言

泰州引江河是南水北調(diào)東線工程中的一個(gè)重要取水口，既是國家南水北調(diào)的水源工程，也是江蘇開發(fā)“海上蘇東”的戰(zhàn)略工程。作為泰州引江河的龍頭，高港樞紐距長江1.9 km，由泵站、節(jié)制閘、調(diào)度閘、送水閘、船閘和110 kV專用變電所組成。高港樞紐可將長江水東引北調(diào)至沿海墾區(qū)和北部灌區(qū)，年平均向蘇北供水27億立方米，灌溉耕地約4400萬畝；為里下河及蘇東蘇北地區(qū)人民生活、生產(chǎn)、航運(yùn)提供充足水源，改善地方水環(huán)境。

1 工程概述

高港樞紐閘站工程集引水、灌溉、排澇綜合利用為一體，其中設(shè)計(jì)自流引水能力達(dá)到600 m3/s。一是通過5孔節(jié)制閘，設(shè)計(jì)流量440 m3/s；二是通過泵站9臺(tái)直徑3 m的立式開敞式軸流泵，利用其下層流道實(shí)現(xiàn)自流引江160 m3/s。隨著南水北調(diào)東線工程的實(shí)施，原僅通過長江高潮位節(jié)制閘的自流引水，越發(fā)不能滿足沿線工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活需求，泵站的作用已不單單用于汛期排澇，通過雙層X型流道4扇閘門的調(diào)節(jié)，開啟下層流道B門和D門（圖1），其自流引水的控制運(yùn)用將更為常態(tài)。

圖1 泵站站身剖面圖

2 存在問題

高港樞紐以恒流量運(yùn)行方式居多。上級(jí)管理部門水情調(diào)度時(shí)一般對(duì)自流引水日均引水流量和最大流量提出要求，然而，由于高港樞紐緊靠長江，離入?？谝膊贿h(yuǎn)，屬于潮汐河段，長江水位（圖2）受長江涇流和海潮的影響變化較大，引水時(shí)須根據(jù)調(diào)度流量對(duì)照“閘門高度-水位-流量關(guān)系曲線”測(cè)量出閘門開啟高度，頻繁調(diào)節(jié)，以確保上級(jí)調(diào)度要求的流量[1]。這種運(yùn)行模式給運(yùn)值人員帶來極大不便，漲潮時(shí)水位上升極快，稍有疏忽便會(huì)引起超流量，對(duì)水工建筑物和河道的安全帶來不利影響。

圖2 某天長江水位趨勢(shì)變化圖（高港樞紐口門處）

管理部門為了根據(jù)水位變化自動(dòng)調(diào)節(jié)閘門高度實(shí)現(xiàn)定流量自動(dòng)控制，在分析高港樞紐的運(yùn)行特點(diǎn)，考慮泵站穩(wěn)定性和河道安全性的基礎(chǔ)上，開發(fā)了泵站下層流道流量自動(dòng)控制系統(tǒng)[1]。但實(shí)踐運(yùn)用中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)運(yùn)用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)按設(shè)定閘門高度啟閉閘門時(shí)，從實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)到發(fā)出控制命令，再到現(xiàn)場閘門動(dòng)作結(jié)束，檢測(cè)到閘高誤差能達(dá)10 cm以上。經(jīng)分析，產(chǎn)生問題的原因是閘門（圖1中B門，引水工況下內(nèi)河側(cè)D門全開）運(yùn)行速度過快，達(dá)到2.64 m/min，由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制在時(shí)間上有延遲，導(dǎo)致了閘門動(dòng)作的高度誤差。所以，當(dāng)運(yùn)用泵站X流道下層流道自流引水時(shí)，為精準(zhǔn)控制開高及流量，只能由運(yùn)值人員根據(jù)計(jì)算出的開高，到現(xiàn)場閘門控制柜上手動(dòng)操作。這樣的控制方式既沒能提高自動(dòng)化水平，又有較大的安全隱患，值班人員更是疲憊不堪，既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。

3 改造方案

針對(duì)上述問題，曾設(shè)想了多種方法來解決，例如采用高傳動(dòng)比減速箱，更換低速電動(dòng)機(jī)等，雖然問題能得到緩解，但分析下來費(fèi)用較高且施工復(fù)雜，最后經(jīng)研究決定對(duì)閘門控制進(jìn)行徹底的改造，選用變頻器調(diào)速方案。變頻調(diào)速器有安裝操作方便，調(diào)整起動(dòng)平滑等諸多優(yōu)點(diǎn)，并且它的調(diào)速性能與可靠性不斷完善，市場價(jià)格也在不斷降低。具體方案是：改造泵站底層流道B閘門控制柜，每臺(tái)控制柜上配備一臺(tái)變頻器，結(jié)合先進(jìn)可靠的控制元器件，從而使整理個(gè)閘門控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、控制準(zhǔn)確無誤，并易于實(shí)現(xiàn)程序控制。

4 變頻器的運(yùn)用

（1）工作特點(diǎn)

變頻器是把工頻電源（50 Hz或60 Hz）變換成各種頻率的交流電源，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)備，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段[2]。本次改造就是通過運(yùn)用變頻器將電動(dòng)機(jī)電源頻率降低，從而改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率在0～50 Hz的范圍內(nèi)變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬，其工作原理被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

（2）控制方式

本方案選用矢量控制方式。矢量控制方式又有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式、無速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等。通常，電動(dòng)機(jī)采用旋轉(zhuǎn)編碼器等速度傳感器來進(jìn)行轉(zhuǎn)速檢測(cè)，并反饋轉(zhuǎn)速信號(hào)。但是，運(yùn)用速度傳感器存在一些缺陷：編碼器安裝的同心度問題，安裝不當(dāng)將影響到測(cè)速精度；編碼器的價(jià)格因素，精度越高成本越大；編碼器工作的精度還易受環(huán)境的影響等等[3]。而無編碼器運(yùn)轉(zhuǎn)則有配線精省、不必?fù)?dān)心信號(hào)影響、避免多震動(dòng)引起高故障率等好處。本方案不采用速度傳感器。為實(shí)現(xiàn)高性能的磁場定向控制，速度閉環(huán)必不可少，因此，考慮選用無速度傳感器的矢量變頻器，根據(jù)輸入的電動(dòng)機(jī)銘牌參數(shù)，分別對(duì)作為基本控制量的磁通和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行檢測(cè)、控制，使其指令值與檢測(cè)值達(dá)到一致，并輸出轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)矢量控制。

（3）容量確定

變頻調(diào)速通過變頻器來實(shí)現(xiàn)，變頻器容量的確定至關(guān)重要。合理的容量選擇，本身就是一種節(jié)能降耗措施。根據(jù)現(xiàn)有資料和經(jīng)驗(yàn)，該閘門啟閉機(jī)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為YZ200L-3，電機(jī)額定功率為15 kW，最常見、也較安全的是選用變頻器的容量大于或等于電機(jī)的額定功率，考慮選用容量范圍在18.5～22 kW的變頻器。

（4）變頻器選擇

綜上考慮，結(jié)合現(xiàn)場控制柜安裝尺寸，本改造項(xiàng)目中選用SINAMICS G120變頻器。該變頻器模塊化設(shè)計(jì)，可靈活擴(kuò)展；完全集成的安全保護(hù)功能，操作更簡便；更多節(jié)點(diǎn)，多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌哂懈叩男阅躊ROFIBUS、再生能量回饋能力、可以選擇恰好能滿足需要的控制模塊；采用全新冷卻概念，散熱效率高[4]。

該變頻器中兩個(gè)主要單元選型為：控制單元（6SL3244-0BA10-0BA0） 和 PM240功率模塊（6SL3224-0BE31-8UA0，18.5 kW，380 V）?？刂茊卧梢詫?duì)功率模塊和所接的電機(jī)進(jìn)行控制和監(jiān)控，可以為變頻器提供閉環(huán)控制功能。它支持與高港樞紐微機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的通信，支持通過監(jiān)控設(shè)備和輸入/輸出端子的直接控制。功率模塊由控制單元里的微處理器進(jìn)行控制，具有高性能的IGBT及電機(jī)電壓脈寬調(diào)制技術(shù)。

5 改造效果

此次變頻調(diào)速改造，將電機(jī)頻率由50 Hz降低為25 Hz，根據(jù)電磁調(diào)速原理，電機(jī)速度降為一半，閘門啟門速度降為1.34 m/min，起?？刂聘叨日`差在1 cm內(nèi)。其電磁轉(zhuǎn)矩有所下降，但由于所選異步電機(jī)額定功率安全余量較大，不會(huì)影響閘門的動(dòng)作，達(dá)到了閘門自控預(yù)定的效果。實(shí)現(xiàn)了無極平滑調(diào)速，啟動(dòng)無沖擊，消除了有極調(diào)速對(duì)減速機(jī)、卷筒輪轂及鋼絲繩的沖擊損傷，延長了閘門啟閉機(jī)的使用壽命，提高了安全系數(shù)。同時(shí)也減輕了值班人員的工作負(fù)荷，提高了工程的自動(dòng)化水平。

6 經(jīng)驗(yàn)交流

由于閘門是重載設(shè)備，變頻器在安裝調(diào)試過程中曾出現(xiàn)了一些問題，通過研究摸索，找到了解決方法，經(jīng)驗(yàn)與大家共交流。例如：選配功率10 kW的制動(dòng)電阻（27 Ω），直接與PM240功率模塊連用，直流母線上的多余的能量可以通過制動(dòng)電阻來消耗[4]，確保異步電機(jī)和變頻器不受損壞；把制動(dòng)電阻直接安裝在閘門控制柜外解決散熱問題；直流接觸器主觸頭改為雙斷，解決了拉弧、冒煙及主觸頭延時(shí)斷開等現(xiàn)象；調(diào)整變頻器斜坡上升（下降）時(shí)間為2秒，防止閘門啟動(dòng)（停止）瞬間閘高滑差較大，電流（電壓）超限報(bào)警或者變頻器因過電流（過電壓）而故障跳閘；通過對(duì)空載電機(jī)進(jìn)行參數(shù)計(jì)算、參數(shù)識(shí)別以及速度控制優(yōu)化，排除了閘門上升一段后突然下落的故障現(xiàn)象；對(duì)于連續(xù)運(yùn)行的變頻器，定期進(jìn)行巡視檢查，檢查變頻器運(yùn)行時(shí)是否有異?，F(xiàn)象。通過一系列的摸索與優(yōu)化，大幅提高了變頻器的工作穩(wěn)定性。

7 結(jié)語

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，性能可靠、價(jià)格便宜、匹配完善的變頻器不斷出現(xiàn)，在交流調(diào)速技術(shù)中，變頻調(diào)速具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，這一技術(shù)將會(huì)得到更為廣泛普遍的應(yīng)用。更重要的是，變頻調(diào)速具有顯著的節(jié)電效果。本文中，變頻調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)用在水利行業(yè)的泵站工程尚無太多案例，希望能對(duì)讀者有一些啟示和幫助，為推動(dòng)泵站自動(dòng)化水平的提高起到一定的促進(jìn)作用。

［1］錢江.高港泵站下層流道引流自動(dòng)控制軟件設(shè)計(jì)［J］.水利水電科技進(jìn)展，2012，32（S1）：74-75.

［2］王廷才.變頻器原理及應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［3］周有為，劉和平，劉述喜.異步電機(jī)無速度傳感器矢量控制［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2005，32（9）：51.

［4］SINAMICS G120變頻器.http：//www.doc88.com/p-995313832830.html［DB/OL］.2013-05-18.