平面升臥式鋼閘門啟閉機驅動及控制方案的設計與應用

褚小強，章瑞銀

（1.中水三立數據技術股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.河北省遷安市水利局，河北 唐山 064400）

1 工程概況

江邊樞紐工程位于無錫江陰市申港鎮濱江村新溝河入江口，距長江堤岸約200m，距長江主流約1.7km。工程是新溝河與長江交匯口的控制性建筑物，由節制閘、泵站、船閘三部分組成，節制閘主要功能為排水、擋潮、應急引水需要，節制閘閘寬48m；泵站是排水遇長江高潮位或引水遇長江低潮位，利用泵站抽排或抽引滿足新溝河承擔的工程任務，泵站設計總流量180m3/s。船閘級別為V 級（閘室尺度16m×l80m×3m）。

船閘閘門采用了平面升臥式鋼閘門，閘門尺寸為15.94m×9.9m，閘門凈重67.9t；閘門啟閉機采用了雙吊點固定式卷揚啟閉機，配置了2 臺啟閉電機，中間采用同步軸硬連接，每臺啟閉電機額定功率為37kW，額定電流為89A。

2 船閘啟閉機基本參數

啟閉機型式：固定卷揚式；閘門起升方式：靜水啟閉，露頂平面升臥式鋼閘門；額定啟門力：2×630kN；啟門高度：16m；啟門速度：3.2m/min；吊點中心距：9.6m；工作級別：Q4-重。

3 驅動方案

3.1 啟閉電機驅動方式的選擇

平面升臥式鋼閘門在全關位及橫臥全開位附近要求低速運行，以確保閘門運行安全；在其他位置要求高速運行，以減少閘門啟閉時間，提高船閘過船效率。因此平面升臥式鋼閘門對啟門速度有調節需求；閘門啟閉電機額定功率為37kW，額定電流為89A，需要采用降壓啟動；平面升臥式鋼閘門屬于位能性負載，在啟動時需要較大的啟動力矩。針對以上需求，江邊樞紐工程船閘啟閉電機選擇變頻器作為驅動器，可以同時滿足降壓啟動、速度調節和大啟動力矩的需求。

3.2 啟閉電機變頻器控制方式的選擇

江邊樞紐工程船閘采用了雙吊點固定式卷揚啟閉機，配置了2 臺啟閉電機，控制一扇閘門，中間采用同步軸硬連接，因此選擇控制方式時不僅要考慮2 臺電機速度同步，還要考慮轉矩的平均分配。可采用西門子S120 系列變頻器主從控制的方案，配置方案見表1。

表1 西門子S120 變頻器主從控制方案配置表

江邊樞紐工程船閘采用同步軸硬連接的方式在S120 系列變頻器主從控制方案中稱之為直接轉矩控制方式。采用同步軸硬連接的2 臺電機，一臺設定為主電機，另一臺設定為從電機。在設置變頻器直接轉矩控制方式時，將主電機設定在矢量控制模式工作，從電機設定在轉矩跟隨控制模式工作，將主電機的轉矩實際值作為從電機的轉矩給定值，這樣可以保證系統運行時，從電機轉矩始終與主電機轉矩保持一致，同時因為采用同步軸硬連接，從電機的速度始終與主電機一致，至此，轉矩分配完成。該方式的特點是從電機轉矩始終跟隨主電機轉矩，系統按照主電機的速度環運行，轉矩響應快。

系統的電氣控制方式也采用了兩套相互獨立的控制方式：一種為現地手動控制方式，通過硬接線連接變頻器控制單元，將變頻器的狀態信號反饋至現地控制柜中，利用現地控制柜的邏輯控制電路控制變頻器的啟停及低速高速切換；另一種是遠程自動控制方式，變頻器控制單元通過Profibus-DP 電纜連接至PLC 的專用通信模塊，與PLC 建立通訊，變頻器的控制及狀態采集均通過通訊來完成。

4 變頻器制動方案

4.1 變頻器制動方式的選擇

平面升臥式鋼閘門屬于位能性負載，當閘門在上升運行時，電機特性曲線在第一象限，電機處于電動狀態；當閘門在下降運行時，電機特性曲線在第四象限，電機處于發電制動狀態，因此啟閉電機的變頻器必須配套使用合適的制動方式。基于江邊樞紐工程船閘的運行工況，可用的制動方式包括能耗制動和回饋制動，

能耗制動具有結構簡單、成本低，對電網無污染，可以在四個象限中運行等優點，更適用江邊樞紐工程船閘的實際情況。

4.2 制動電阻的計算

采用下降勢能功率法簡化估算制動電阻的功率與阻值。簡化估算只需要計算閘門勢能產生的功率，等同于所需的制動功率。在閘門下降時，電動機作為發電機產生電能，而電動機的驅動是來自閘門的勢能，根據能量守恒定律，產生的電能應等于閘門釋放的勢能，又等于電阻的熱能耗（不考慮功率損耗）。

閘門勢能產生的功率為PE（W），PE 的計算公式：

制動電阻的制動功率為PW（W），PW 的計算公式：

由式（1）和式（2）可得式（3）：

式中：GM 為最大下降載荷（N）；VM 為最大下降速度（m/s）；η 為電動機和變頻器的效率，取20%。

江邊樞紐工程船閘閘門凈重67.9 噸，最大下降載荷取1.25 倍的額定載荷，最大下降速度為3.2m/min，故：

制動功率平均分擔到兩個制動電阻上則：

制動電阻最大值為Rmax（Ω），Rmax的計算公式：

式中：U 為西門子S120 系列變頻器直流母線電壓，取760V，P 為制動電阻功率，為16.64kW。

由式（4）可得制動電阻最大值為Rmax約為34.7Ω。查閱西門子S120 系列變頻器手冊可知37kW 變頻器對應的制動電阻最小阻值為15Ω。故制動電阻阻值選取范圍為[15，34.7]Ω，制動電阻功率考慮20%設計余量應大于19.96kW。因此，江邊樞紐工程船閘啟閉電機變頻器的制動電阻的配置為20kW，16Ω，接電持續率為100%，可滿足實際使用要求。

5 結論

江邊樞紐工程船閘自2017 年投入使用以來，閘門啟閉機驅動及控制系統運行狀態良好，未出現意外停機事故，系統的穩定性、可靠性得到了充分的驗證。但系統仍有可以進一步優化提升的地方。一是當前系統采用的是進口品牌西門子S120 系列變頻器，雖然此變頻器性能優秀，但是成本高昂、配置復雜、調試難度高，也不符合當前自主可控的行業發展趨勢，可選擇合適的國產變頻器進行替代。二是當前系統使用的能耗制動方式雖然結構簡單、成本低，但浪費了大量的能量。針對船閘這種頻繁啟閉的平面升臥式閘門，可考慮設計一套能夠將制動能量回收再利用的驅動系統，以降低船閘整體的耗電量，達到節約資源的目的■