變頻技術(shù)在平板提升式閘門啟閉中的應(yīng)用

周榮耀

摘 要：介紹變頻調(diào)速技術(shù)在新壩船閘閘門啟閉方式中的應(yīng)用實(shí)踐，由恒速提升改為變頻調(diào)速提升，內(nèi)容主要包括變頻調(diào)速工作原理、改造項(xiàng)目系統(tǒng)設(shè)備配置、變頻技術(shù)應(yīng)用的意義等幾方面。

關(guān)鍵詞：平板提升門 變頻技術(shù) 船閘啟閉系統(tǒng)

杭甬運(yùn)河新壩船閘于2007年建成通航，可通行500T級(jí)船舶。上、下閘首通航閘門均為平板提升門，通過帶平衡重的雙吊點(diǎn)卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)同步運(yùn)行進(jìn)行啟閉。上、下閘首兩側(cè)各布置二扇輸水閥門，均為平板提升門，通過獨(dú)立工作的雙作用式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)進(jìn)行啟閉。新壩船閘的閘門啟閉機(jī)是常規(guī)的恒速卷?yè)P(yáng)機(jī)，通過卷筒的正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)閘門的開啟或關(guān)閉，閘門的終點(diǎn)限位是行程開關(guān)和開度儀給出的開度信號(hào)。啟閉機(jī)的速度為3.8m/min，適應(yīng)了船閘啟閉速度快的要求，但由于啟閉速度快，慣性也大，無法準(zhǔn)確定位，導(dǎo)致全開和全關(guān)位置不夠精準(zhǔn)，且關(guān)終時(shí)閘門對(duì)閘首底檻造成很大的沖擊，易破壞水下的水工結(jié)構(gòu)物，影響船閘的使用壽命。為解決以上問題，新壩船閘采用變頻調(diào)速技術(shù)改造原閘門控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)全頻率（0～50Hz）范圍內(nèi)的恒轉(zhuǎn)矩控制，閘門在接近全開或全關(guān)位置一定的距離時(shí)，低速運(yùn)行可以提高閘門定位的可靠性。

閘門啟閉系統(tǒng)變頻調(diào)速工作原理

船閘雙吊點(diǎn)卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)采用兩臺(tái)11kW恒速異步電動(dòng)機(jī)。異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速遵從電機(jī)學(xué)基本關(guān)系nl=60f/p ， 式中f為電源交變頻率 ，P為電機(jī)定子磁極對(duì)數(shù)，電機(jī)學(xué)中還常用轉(zhuǎn)差率S參量，其定義為：s=（nl—n）/nl·100% 。電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速：n=（60f/p）（1一s）。從n=（60f/p）（1一s）公式中可知，調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)電源頻率f可以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速n，變頻調(diào)速的控制方式主要有恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和恒功率調(diào)速等幾種，新壩船閘采用的是恒轉(zhuǎn)矩控制，電源頻率低于工頻范圍調(diào)節(jié)，電源的工頻頻率在我國(guó)為50Hz。電機(jī)定子繞組內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為 E1=4.44f1 K1 N1φ， 式中f1為定子繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率，與電源頻率f相等， K1為電機(jī)定子繞組的繞組系數(shù)，其值取決于繞組結(jié)構(gòu)，K1 <1 N1—電機(jī)定子繞組每相串聯(lián)的線圈匝數(shù)φ—電機(jī)每極磁通定子電壓U1與定子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E1的關(guān)系為U1=E1+I1Z1，式中Z1為定子繞組每組阻抗 ，I1為定子繞組相電流若忽略定子瓜降I1 Z1，則U1≈ E =4.44f1K1N1φ把該式整理成u1=4.44f1K1N1φ， K=4.44 K1N1 ，則φ=U1/K f1 ， 電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩M與（U1/f1）2成正比，若下調(diào)頻率f1，同時(shí)也下調(diào)U1 ，使（U1/f1）比值保持恒量，則磁通φ不變，因此轉(zhuǎn)矩也保持常值，此時(shí)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載的能力不發(fā)生改變，這種控制方式稱為恒磁通調(diào)壓調(diào)頻調(diào)速，也叫恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。

啟閉系統(tǒng)變頻調(diào)速技術(shù)改造設(shè)備配置

利用變頻調(diào)速技術(shù)，把原先的閘門恒速啟閉改為變速啟閉，在閘門啟閉過程中采用兩頭慢中間快的方式，為此，需要更換原有閘門控制柜，即對(duì)上、下閘門的電氣拖動(dòng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行更新改造，各設(shè)置三面屏柜，分別為閘門電機(jī)變頻柜、控制柜和制動(dòng)電阻柜。同時(shí)，拆除開度儀這二次儀表，改用進(jìn)口絕對(duì)值型多圈光電編碼器，仍安裝于電機(jī)輸出軸端，用于測(cè)量閘門行程位置，信號(hào)輸出接口為并行格雷碼，直接輸入閘門PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過PLC的程序計(jì)算進(jìn)行行程顯示和控制，解決原系統(tǒng)開度儀測(cè)量精度較低的問題。

1、上（下）閘門控制LCU柜

閘門控制LCU柜主要由PLC、液晶觸摸屏、智能儀表等設(shè)備組成，完成對(duì)象的順序控制、監(jiān)視、過程輸入輸出、數(shù)據(jù)處理和外部通信等功能。

閘門控制LCU的配置如下：①基本設(shè)備：機(jī)柜、風(fēng)扇、端子、面板、擴(kuò)展繼電器、I/O、電源、加熱器及溫濕度控制器、控制開關(guān)、切換開關(guān)、空氣開關(guān)、按鈕、信號(hào)燈、光子牌、切換片、連接片等。②人機(jī)接口設(shè)備（HMI）。③PLC：選用GE公司的90-30 PLC。④其它電氣設(shè)備：所用的塑殼斷路器，交流接觸器，中間繼電器，按鈕、信號(hào)燈等器件。

2、上（下）閘門電機(jī)變頻柜

變頻柜主要由變頻器和智能儀表組成，變頻器采用一拖二型式，同時(shí)啟停，保證兩臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速同步，完成電動(dòng)機(jī)的變頻驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)。變頻器是異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，它利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。我們現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交—直—交方式，先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動(dòng)機(jī)。

電機(jī)變頻柜的配置如下：①基本設(shè)備：機(jī)柜、風(fēng)扇、端子、面板、擴(kuò)展繼電器、I/O、電源、加熱器及溫濕度控制器、控制開關(guān)、切換開關(guān)、空氣開關(guān)、按鈕、信號(hào)燈、光子牌、切換片、連接片等。②ABB公司的變頻器。③配有電流、電壓智能數(shù)顯儀，顯示電機(jī)三相電流、電壓。④其它電氣設(shè)備：所用的塑殼斷路器，交流接觸器等器件。

3、 制動(dòng)電阻LCU柜

主要由制動(dòng)電阻等組成，完成變頻器制動(dòng)時(shí)的電能釋放。基本設(shè)備和其他電氣設(shè)備同閘門控制LCU柜，配備散熱裝置。

4、閘門行程傳感器

行程傳感器采用采用德國(guó)P+F公司生產(chǎn)的多圈絕對(duì)值型光電編碼器，輸出信號(hào)采用多圈25 位并行格雷碼。

5、配置電機(jī)變頻柜需注意的方面

接地問題。變頻器安裝時(shí)應(yīng)注意接地，正確接地是提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，抑制噪聲能力的重要手段。變頻器的接地端子的接地電阻越小越好，接地導(dǎo)線的截面不小于4mm，長(zhǎng)度不超過5m。變頻器的接地應(yīng)和動(dòng)力設(shè)備的接地點(diǎn)分開，不能共地。信號(hào)線的屏蔽層一端與變頻器的接地端連接，另一端浮空，變頻器與控制柜之間電氣相通。

散熱問題。變頻器的發(fā)熱是由內(nèi)部的損耗產(chǎn)生的，在變頻器各部分損耗中主要以主電路為主，約占98%，控制電路占2%，為了保證變頻器正常可靠運(yùn)行，必須對(duì)變頻器進(jìn)行散熱我們通常采用風(fēng)扇散熱。變頻器的內(nèi)裝風(fēng)扇可將變頻器的箱體內(nèi)部散熱帶走，若風(fēng)扇不能正常工作，應(yīng)立即停止變頻器運(yùn)行，此外，大功率的變頻器還需要在控制柜上加風(fēng)扇，控制柜的風(fēng)道要設(shè)計(jì)合理，所有進(jìn)風(fēng)口要設(shè)置防塵網(wǎng)，排風(fēng)通暢，避免在柜中形成渦流，在固定的位置形成灰塵堆積。endprint

電磁干擾問題。變頻器在工作中由于整流和變頻，周圍產(chǎn)生了很多的干擾電磁波，這些高頻電磁波對(duì)附近的儀表、儀器有一定的干擾，而且會(huì)產(chǎn)生高次諧波，這種高次諧波會(huì)通過供電回路進(jìn)入整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)，從而影響其他儀表。如果變頻器的功率很大占整個(gè)系統(tǒng)25%以上，需要考慮控制電源的抗干擾措施。變頻器和電機(jī)的距離應(yīng)該盡量的短。這樣減小了電纜的對(duì)地電容，減少干擾的發(fā)射源。控制電纜選用屏蔽電纜，動(dòng)力電纜選用屏蔽電纜或者從變頻器到電機(jī)全部用穿線管屏蔽。電機(jī)電纜應(yīng)獨(dú)立于其它電纜走線，其最小距離為500mm。同時(shí)應(yīng)避免電機(jī)電纜與其它電纜長(zhǎng)距離平行走線，這樣才能減少變頻器輸出電壓快速變化而產(chǎn)生的電磁干擾。如果控制電纜和電源電纜交叉，應(yīng)盡可能使它們按90度角交叉。與變頻器有關(guān)的模擬量信號(hào)線與主回路線分開走線，即使在控制柜中也要如此。與變頻器有關(guān)的模擬信號(hào)線最好選用屏蔽雙絞線，動(dòng)力電纜選用屏蔽的三芯電纜（其規(guī)格要比普通電機(jī)的電纜大）。

利用變頻調(diào)速技術(shù)后閘門的啟閉方式

1、開啟閘門過程

當(dāng)PLC收到開啟閘門指令時(shí)，閘門以15Hz低頻啟動(dòng)，速度為1.1m/min運(yùn)行，當(dāng)提升至40cm高度時(shí)再以工頻50Hz，速度為3.8m/min運(yùn)行，距離全開位置20cm時(shí)，閘門再次以15Hz低頻，速度為1.1m/min運(yùn)行，確保閘門到達(dá)開終位后立即停止。

2、關(guān)閉閘門過程

當(dāng)PLC收到關(guān)閉閘門指令時(shí)，閘門以15Hz低頻啟動(dòng)，速度為1.1m/min運(yùn)行，并由變頻器控制加速至工頻50Hz后轉(zhuǎn)為3.8m/min恒速運(yùn)行，當(dāng)閘門運(yùn)行至距離關(guān)終位置25cm時(shí)，再次以15Hz低頻，速度為1.1m/min運(yùn)行，確保閘門到達(dá)關(guān)終位后立即停止。

應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)的意義和目的

1、提升安全性

船閘的運(yùn)行條件與水閘不同，啟閉機(jī)速度快，帶來的問題就是停止時(shí)慣性大，在開終時(shí)容易越位，在關(guān)終時(shí)容易對(duì)底檻造成沖擊，閘門的質(zhì)量很大，沖擊能量也大，長(zhǎng)期沖擊容易造成底檻的損壞，因底檻位于水下，維護(hù)檢修十分困難。解決該問題的最好方法就是采用變頻調(diào)速，把恒速啟閉改為變速啟閉，即使得閘門啟閉過程變?yōu)閮深^慢中間快，變頻調(diào)速具有調(diào)速平滑性好、調(diào)速范圍大、調(diào)速穩(wěn)定、能夠?qū)崿F(xiàn)軟啟動(dòng)，這樣對(duì)提高船閘的安全性、可靠性有很大的好處。

2、提升船閘的通過能力

變頻調(diào)速，在多數(shù)時(shí)間段，利用閘門慢速開啟，實(shí)現(xiàn)門下輸水，而不按常規(guī)開啟閥門輸水，每個(gè)閘次至少可以節(jié)省2分鐘，按每天50閘次計(jì)算，可節(jié)省約100分鐘，這樣就能增加船閘通過能力，增加船舶過閘數(shù)量，從而增加了船閘的經(jīng)濟(jì)效益。

3、提高閘門啟閉的可靠性

在閘門啟閉機(jī)進(jìn)行變頻改造的過程中，把閘門開度儀的二次儀表取消，把原來串行輸出的德國(guó)B+F光電編碼器改為并行輸出的光電編碼器，將輸出端的格雷碼直接接入閘門控制柜的PLC，去掉了中間環(huán)節(jié)二次儀表（即開度儀），可極大得提高可靠性和閘門位移控制的精度。

4、降低能耗

采取門下輸水，不開閥門，按每天40個(gè)閘次開閥門計(jì)算，每閘次閥門使用4分鐘，每天節(jié)電120度，一年節(jié)電36000度，具有一定的節(jié)能省電效益。

結(jié)束語

將閘門啟閉由原來恒速提升改造為變頻調(diào)速提升控制，這是杭甬運(yùn)河新壩船閘在長(zhǎng)期運(yùn)行實(shí)踐過程中對(duì)自控系統(tǒng)進(jìn)行的一次技術(shù)革新。目前，新的啟閉系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了技術(shù)改造所要求的既定效果，大大提高了閘門啟閉的安全可靠性和船閘營(yíng)運(yùn)經(jīng)濟(jì)效益。endprint