變頻變力制動器在水電站事故閘門失電落閘系統中的應用

摘" 要：在水電站運行中，事故閘門作為安全防護設施的一部分，用于在緊急情況下控制水流或水位，以防止發生意外事故。當發生水電站系統故障或其他緊急情況時，可以通過關閉事故閘門來阻止水流，減輕事故的影響。若水電站出現緊急情況，市電中斷，閘門因無法啟動而導致啟閉機無法操作，則可能造成嚴重的安全事故。為解決這一問題，該文提出一種采用結合變頻變力制動器的失電落閘系統，旨在提高閘門落閘系統的穩定性、可靠性及突發災難性事故時可以及時做出應對措施的系統。實驗結果表明，通過對該系統的設計和實現，該系統能夠有效地保障事故閘門失電后所帶來的安全隱患，具有較高的實用價值和推廣意義。

關鍵詞：變頻變力制動器；水電站；失電落閘系統；穩定性；可靠性

中圖分類號：TP273" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）32-0185-04

Abstract： In the operation of hydropower stations， accident gates are used as part of safety protection facilities to control water flow or water level in emergency situations to prevent accidents. When a hydropower station system failure or other emergency occurs， the accident gate can be closed to stop the water flow and reduce the impact of the accident. If an emergency occurs in the hydropower station， the mains power is interrupted， and the gate cannot be started， resulting in the hoist being unable to operate， which may cause a serious safety accident. In order to solve this problem， this paper proposes a power-loss switch-down system combined with a variable-frequency variable force brake， which aims to improve the stability and reliability of the gate switch-down system and can take timely response measures in case of sudden catastrophic accidents. Through the design and implementation of the system， experimental results show that the system can effectively protect the safety hazards caused by the power loss of the accident gate， and has high practical value and promotion significance.

Keywords： variable frequency variable force brake; hydropower station; power-loss brake system; stability; reliability

水電站是我國重要的能源供應基地，其安全穩定運行對國家經濟和社會發展具有重要意義。然而，在水電站的運行中，由于各種原因，如電力系統故障、設備損壞等，事故閘門失電落閘的情況時有發生。當事故閘門失電落閘時，可能導致水電站停電、水位異常波動等一系列問題，甚至引發嚴重事故，造成人員傷亡和財產損失[1]。

為了提高水電站的安全性和穩定性，需要對事故閘門失電落閘系統進行優化和改進。傳統的失電落閘系統存在著反應速度慢、動作不準確等問題，難以滿足水電站的實際需求。因此，本文提出了一種采用變頻變力制動器的系統，以解決傳統系統存在的問題，提高失電落閘系統的穩定性和可靠性[2-3]。

1" 系統設計

1.1" 變頻變力制動器原理

變頻變力制動器是一種能夠根據輸入信號實時調節輸出力矩的裝置。通過控制變頻器輸出的頻率，可以精確地控制制動器抱閘的開度。在失電落閘系統中，采用變頻變力制動器可以實現閘門的快速減速和精確停止，從而提高系統的響應速度和動作準確性。

1.2" 系統構成

本文設計的變頻變力制動器系統由以下幾部分組成。

變頻器：負責控制電機的頻率，實現對制動器抱閘開度的精確控制。

制動器：負責調整力矩從而控制制動輪轉速的裝置，如圖1、表1所示。

啟閉機電機：閘門控制系統的動力來源，通過驅動減速機牽引鋼絲繩來操作閘門。

減速機：主要用于控制閘門的開啟和關閉速度。其通過減速和轉換動力的方式，使得閘門在操作時可以平穩地加速和減速，從而避免突然的速度變化帶來的沖擊和損壞。同時可以提供足夠的扭矩以應對閘門在操作過程中的阻力，確保閘門能夠按照預定的速度和力度進行移動，保證了系統的穩定性和安全性。

傳感器：荷載傳感器通過監測牽引繩的形變情況，實時監測閘門在運行過程中的重力變化。精密可調行程開關則負責監測閘門的位置，并提供超限位保護功能。編碼器通過高精度的測量記錄閘門的實際高度和速度，并將這些數據反饋給控制系統，以便進行必要的調節和控制[4]。

控制系統：在正常工作狀態下，制動器的開度只有2種狀態——全開和全關。當閘門處于動作狀態時，制動器完全開啟，不施加制動力。而當閘門停止運動時，制動器立即完全關閉，實現制動器的立即抱死，以確保閘門的安全停止。在緊急失電落閘狀態下，制動器打開，并根據傳感器反饋的閘門運動信息，實時調節變頻器的輸出。這樣做可以調節制動器的扭矩，進而控制閘門的運動，確保在緊急情況下依然能夠有效地控制閘門的動作。

2" 系統實現

2.1" 系統參數調試

根據此水電站的實際情況和需求，變頻變力制動器推動器的額定功率為800 W，變頻器調節范圍為0～50 Hz，可調范圍為0～3 mm。

2.2" 硬件搭建

本系統搭建變頻變力制動器系統的硬件平臺，包括安裝變頻器、連接電機和傳感器、搭建控制系統。

2.3" 控制邏輯

將傳感器數據的采集和處理，將正常工作模式和緊急落閘模式實現分部控制，劃分優先級，在失電狀態下，根據控制算法調節變頻器的輸出，控制閘門的運動[5]。快降命令下達后智能落門制動系統對每臺制動器進行變力控制，使制動器的制動力矩迅速減小到預設值，使閘門帶摩擦拖磨加速下降[6]。系統實時采集閘門高度和速度信號，組成一個全閉環控制模型對制動力矩進行微調控制，自動修正制動力矩大小將閘門下降速度使其穩定在預定的快速降門速度，閘門升降制動器控制示意圖，如圖2所示。

3" 模型設計

確定閘門下降速度v（t）和抱閘開度u（t）之間的傳遞函數需要考慮系統的動力學特性。由于閘門系統通常是非線性的，并且受到水流、摩擦等復雜因素的影響，因此傳遞函數可能較復雜[7]。如果假設閘門下降速度與抱閘開度之間存在某種線性關系，并且系統可以近似為一階慣性系統，可以嘗試使用簡單的一階傳遞函數來描述它們之間的關系。假設傳遞函數 G（s），可以表示為

式中：V（s）是閘門下降速度的拉普拉斯變換，U（s）是抱閘開度的拉普拉斯變換，K是傳遞函數的增益，τ是時間常數。這樣的傳遞函數模型假設了以下內容：閘門下降速度的響應v（t）是抱閘開度u（t）的線性函數。系統的動態行為可以近似為一階慣性系統，其響應速度由時間常數τ決定。根據記錄同一下降過程同一瞬時下，閘門下降速度和抱閘開度的數據，見表2。

再借助MATLAB工具進行數據擬合，運行下列代碼，如圖3所示。

運行得出如下結果

根據要求要將速度保持在2.8 m/min的下降速度，系統未加入PID控制器，利用Simulink仿真，如圖4所示，系統波形如圖5所示。

經過PID調節后，輸出的波形，如圖6、圖7所示。

4" 實驗結果

通過對變頻變力制動器系統的實驗驗證，得到了如下結果：

1）系統響應速度快，能夠在較短的時間內實現閘門的準確停止。

2）系統動作穩定，能夠在不同工況下保持良好的控制效果。

3）系統可靠性高，能夠有效地避免因失電落閘而導致的安全事故。

5" 結論與展望

本文提出了一種采用變頻變力制動器的系統，用于水電站事故閘門失電落閘系統，通過對系統的設計和實現，驗證了其在提高系統穩定性和可靠性方面的有效性。未來，可以進一步優化系統的控制算法，提高系統的性能和適用范圍，推動該技術在水電站領域的應用和推廣。

參考文獻：

[1] 李國寧，阿木古楞，王雪巖，等.水電站尾水事故閘門現場動水關閉實驗研究[J].內蒙古水利，2021（8）：46-47.

[2] 李兵.閘門異常下滑監測裝置結構改造研究[J].水電站機電技術，2020，43（8）：45-48.

[3] 賈海波，姜達，韓超.水利水電工程失電情況下啟閉閘門應急處置措施[J].水電站機電技術，2020，43（10）：42-44.

[4] 唐剛.水電廠閘門分布式控制系統的研究[D].武漢：武漢理工大學，2015.

[5] 劉緒軍.應急操作器在水電站泄洪閘門安全運行中的必要性

[J].水電站機電技術，2023，46（10）：102-104.

[6] 文元雄.自動化控制在水電站中的運用與實踐[J].工程抗震與加固改造，2023，45（4）：190.

[7] 何哲文，江帆，曾作朋，等.桃源水電站機組甩負荷后閘門聯動控制策略研究[J].水電與抽水蓄能，2023，9（3）：90-95.

第一作者簡介：李海灥（1998-），男，初級電氣工程師。研究方向為電氣自動化。