基于力矩變化的水閘驅動方式分析研究

譚其志

（貴州省水利投資（集團）有限責任公司,貴州 貴陽 550081）

國內、外輸水工程建設項目及灌區改造項目的自動化、信息化建設中的輸水閘門監測、控制均已納入信息換管理范圍,渠道閘門多在較偏遠區域,受條件的影響,投入運行后維護、檢修成本相對較高,渠道閘門安裝使用多為敞開式,根據多年現場維護管理經驗,采用自動化控制后的運行卡滯故障在閘門故障占比近80%,受條件所限,由自然條件引起的雜物型卡滯、氣象條件引起的密封面軟凍型卡滯等一般卡滯問題占閘門卡滯問題約80%,若采用一定的控制策略可解決此類卡滯問題,可明顯降低水閘運行的故障率,為信息化管控提供基礎支撐。

隨著直流永磁無刷電機的廣泛推廣使用,在有效解決偏遠地區輸水閘門供電問題的同時,依據直流電機的控制特性,以直流永磁無刷電機的可調速調矩特性基本控制策略,在無需增加硬件設備配置情況下通過智能監測和軟件設計可明顯降低一般性卡滯問題。本文利用貴州省夾巖水利樞紐工程支渠工程中的風光互補供電、直流永磁無刷電機啟閉機水閘測控系統進行實驗研究,研究直流無刷驅動閘門的調速測控系統,主要包括：閘門的啟閉力距、啟閉機的力矩特性、直流電機的力矩特性,試驗結果給出一種閘門運行的典型力矩曲線、輸出轉速與力矩變化曲線、以實際輸出力矩為控制策略的閘門驅動。

1 系統的組成

1.1 永磁無刷直流電動閘門啟閉機

永磁無刷直流電機是采用電子換向系統取代普通電機的機械換向的裝置的直流一體式電動機,主要組成包括同步電機的本體、電力電子的逆變單元、轉子運行位置檢測單元和電子換向控制單元等。直流永磁無刷閘門電動啟閉機主要由閘門啟閉機和采用直流永磁無刷電動的電動執行器組成。

1.2 閘門啟閉機控制系統

在當前水利工程中,對于閘門的啟閉機可以PLC來控制,也可以運用單片機來控制,考慮到實際工程應用項目中具有不同的監測輸入、輸出信號,為了更便于實現監測、控制及系統的擴展需要,本研究的方案中將啟閉機的控制和監測統一采用SIMATIC S7-200 SMART控制器結合西門子SINAMICS 驅動產品及 SIMATIC 人機界面。

1.3 軟件通訊及監控系統

整個控制系統采用RS485總線及4G/5G網絡進行通訊,實現遠程組態,達到更好的遠程通訊控制目標。

2 閘門的啟、閉門力計算方法

以平面鑄鐵閘門螺桿式啟閉機系為設計研究對象,以參考文獻資料為計算依據,標準條件下動水中啟閉的平面閘門啟門力（Fq）和平面閘門閉門力（Fb）計算公式如下[1]：

式中：Fq為平面閘門啟門力,t；Fb為平面閘門閉門力,t；nA為摩擦阻力的安全系數一般取1.3～1.5；Tzd為支承部分摩擦阻力,t；Tzs為止水單元摩擦阻力,t；nGq為計算閘門啟門力時門重的修正系數取1.2；G為閘門門體的自重,t；g為啟閉機構運行部件的自重,t；Wsp為水力作用在閘門上的動水水頭壓力,t；nGb為閘門閉門力計算時門體重量系數,一般取 0.8～0.9。

閘門啟閉的摩擦力計算：

（1）采用滑動支承閘門機構摩擦力的計算公式：Tz=fhPd

（2）對于采用滾動支承機構的平面閘門,摩擦力的計算公式：Tz=Pd/Rzc（fgr+fl）

以上兩式中：fh為采用滑動支承的結構摩擦系數,鋼板一般取0.6和橡膠取0.6～0.8；Pd為作用在閘門上總動水的水壓力；Rzc為滾輪的外半徑,cm；fg為滾動軸與軸套的滾動動摩擦系數（銅或銅合金軸套對鋼軸為0.3,膠木或類膠木軸套對鋼軸為0.2）；r為軸的半徑,cm；fl為滾輪的滾動摩擦系數,一般取 0.1～0.2。

（3）閘門用于止水密封組件的密封阻力計算公式為：

式中：fzm為止水密封材料與止水密封座的摩擦系數（鋼板對鋼板密封為0.4,橡膠對鋼板密封為0.55～0.75（視材質而取）,橡膠對鋼筋混凝土砼面密封為0.8；Pm為作用在止密封面上的壓力（單位t）,為側止水和頂止水及底止水的總長度乘以用于止水密封的密封面平均寬度,再乘以作用在止水面的平均水頭得出。

3 實驗分析

（1）在標準條件新下安裝鑄鐵閘門螺桿啟閉機采用交流啟閉機為試驗測試,得到如圖1所示力矩變化曲線圖,從圖中可以看出：①在啟門過程中,啟門瞬間力矩達到最大,運行后力矩符合理論計算,有較小的力矩跳動變化現象。②在閉門過程中,開始運行力矩有跳動,閉門過程中輸出力矩明顯較低,在閉門到位前輸出力矩達到最大值隨后閉門到位。

圖1 平面閘門啟、閉門過程中力矩變化曲線

（2）在圖1所在試驗基礎上,采用直流永磁無刷電機為驅動電機,以實際輸出扭矩為基準,結合直流電機特性進行調速調矩控制。檢測閘門工作力矩變化的實際值,與設定值相比較進行系統的響應,執行調節輸出,進行PID控制。根據實驗數據采集得到如圖2所示特性曲線,從圖中可以看出：①在實際啟門力矩發生突變的情況下,系統進行調節控制,降低轉速輸出與實際所需力矩匹配力矩運行,在實際力矩下降后運行速度恢復額定值。②在水閘開運行接近到位過程中力矩與運行速度輸出有逐漸下降趨勢,符合系統運行特性。

圖2 降速增距控制的水閘啟門特性曲線

（3）在模擬門槽運行中卡滯條件下進行交流啟閉機控制和基于力矩變化調節控制條件下啟門特性分析對比試驗得出圖3所示啟門特性曲線圖。從圖中可以看出：①采用交流電機控制系統在門槽卡之后,啟門瞬間力矩迅速增大,達到額定負載能力,3 s時報過力矩故障,系統停車。②采用直流電機力矩控制系統在門槽卡之后,啟門瞬間力矩增大,運行速度降至額定約50%,輸出力矩隨著運行速度降低增大,在額定輸出力矩約150%條件下低速運行3 s后,閘門運行過卡滯區,隨著實際力矩降低系統恢復到額定速度運行,實驗結果與理論分析基本一致,可在降速增距后排除卡滯故障。

圖3 卡滯條件下普通啟閉機與力矩調節啟閉機運行特性曲線

4 結論

本文介紹了在水閘運行過程中,采用直流永磁無刷驅動方式,以PLC可編程控制為控制單元,應對水閘安裝現場自然條件或設備運行中的一般卡滯問題,在分析平面鑄鐵閘門螺桿啟閉條件下的啟門力、閉門力特性基礎上,提出以實際檢測閘門運行轉矩為基礎,設定最大允許轉矩值,系統進行設定的響應,執行轉矩、速度調節輸出,根據理論分析結合實際試驗得出如下結論：

（1）水閘運行過程中自然條件容易引起卡滯現現象,包括沉淀物引起的底層及密封面卡滯、渠道異物引起的運行過程卡滯、密封面老化及門體密封面生銹引起的運行過程中啟、閉門力矩明顯增加的卡滯故障等,以上所述現象占閘門運行主要故障現象,占比較高,對管理維護及信息化管控存在明顯影響。

（2）水閘運行自身主要運行卡滯為密封面老化及銹蝕,閘門底部密封面及密封面轉角處最容易積物卡滯。長時間閉門不到位會嚴重影響水閘的正常運行,利用直流永磁無刷電機為驅動的閘門啟閉機具備輸出力矩調節功能,以閘門的實際工作力矩為基準,進行力矩調節輸出,可有效降低此類卡滯類故障。

（3）采用交流電機驅動條件下同等功率、轉速的直流永磁無刷電機作為閘門驅動電機,在同等條件下降低輸出轉速,同時提高輸出功率,利用電機特性采用特定的控制策略進行調節輸出,可在額定輸出一定范圍內輸出較大力矩。

受條件限制,這種控制方法暫時無法得到全面的普及,因此,用于解決閘門啟閉機在信息化管理過程中存在的降低故障率問題,需進一步深入探究,使其更好地為優化管理而服務。