淺析變頻器在揚州船閘的運用

鄭愛華

（揚州船閘應急保障中心 揚州 225200）

京杭運河徐揚段（俗稱蘇北運河）位于江蘇境內，北起徐州藺家壩，南至揚州六圩口，全長404 k m，是京杭運河全線運輸最繁忙的航段，也是江蘇“兩縱四橫”干線航道網的重要組成部分。京杭運河徐揚段溝通著江、淮、沂、泗等4大水系，常年有13個省、市的船舶運輸航行，擔負著沿線地區大宗物資中轉集散及北煤南運的戰略任務，在長三角地區經濟社會發展中地位十分突出，是一條名副其實的“黃金水道”。

揚州航道處下屬的幾座船閘是連接蘇北京杭運河與里下河水系、長江的重要咽喉通道，自上世紀60、70年代建成以來為促進里下河地區、長江流域的經濟和社會發展發揮了重要作用。由于近年來船舶噸位急劇增大，閘門門體被碰撞損壞越來越嚴重，且每天24 h滿負荷運行，這就對船閘閘門的穩定運行提出了更高的要求。因變頻器具有無級調速的功能，為了保證船閘閘門穩定運行，揚州航道處所屬船閘閘門運行方式已普遍采用變頻調速功能。

1 交流電動機的調速方式

（1）變極調速。它是通過改變電動機定子繞組的接線方式以改變電機極數實現調速，這種調速方法是有級調速，不能平滑調速，而且只適用于鼠籠電動機。

（2）改變電機轉差率調速。其中，有通過改變電機轉子回路的電阻進行調速，此種調速方式效率不高，且不經濟。其次是采用滑差調速電機進行調速，調速范圍寬且能平滑調速，但這種調速裝置結構復雜（一般由異步電機、滑差離合器和控制裝置3部分組成），滑差調速電機是在主電機轉速恒定不變的情況下調節勵磁實現調速的，即便輸出轉速很低，而主電機仍運行在額定轉速，因此耗電較多，另外勵磁和滑差部分也有效率問題和消耗問題。較好的轉差率調速方式是串級調速。

（3）變頻調速。它是通過改變電機定子的供電頻率，以改變電機的同步轉速達到調速的目的，其調速性能優越，調速范圍寬，能實現無級調速。目前我國生產現場所使用的交流電動機大多為非調速型，其耗能十分驚人。如采用變頻調速，則可節約大量能源。這對提高經濟效益具有十分重要的意義。

隨著控制理論、微電子技術和計算機技術的發展，使交流電機變頻調速技術取得了突破性進展，并以其優越的調速性能和良好的節能效果逐漸取代了直流調速系統和其他的調速方式，如變極調速、串級調速、滑差電機調速、整流子電機調速等。

2 變頻調速技術的原理及特點

（1）變頻調速技術的原理是把工頻50 Hz的交流電轉換成三相頻率和電壓可調的交流電，通過改變交流電動機定子繞組的供電頻率，在改變頻率的同時也改變電壓，從而達到調節電動機轉速的目的（即VVVF技術）。目前的變頻器系統還采用微機控制技術，它可根據電動機負載的變化實現自動、平滑地增速或減速。

（2）交流變頻調速系統一般由三相交流異步電動機、變頻器及控制器組成，它與直流調速系統相比具有以下顯著優點：①異步電動機比直流電動機結構簡單，重量輕，價格低，它沒有換向器，運行可靠；②控制電路比直流調速系統簡單，易于維護；③變頻調速系統調速范圍寬，能平滑調速，其調速靜態精度及動態品質好，而且節能顯著，是目前世界公認的交流電動機的最理想、最有前途的調速技術，因而在國際上獲得了廣泛的應用。

3 施耐德變頻器在揚州船閘的實際運用

揚州航道處各船閘的變頻器主要用于閘門的變頻調速運行，按啟閉機類型可分為滾珠絲杠啟閉機式變頻調速和液壓啟閉機式變頻調速。

3.1 滾珠絲杠啟閉機變頻調速方式。

（1）利用開度儀和變頻器相結合的方式來進行變頻調速，工作原理圖見圖1～3。

圖1 江蘇省高郵運西船閘動力拖動局部圖

圖2 OMRON-PLC-輸出模塊OC225的局部圖

圖3 OMRON-PLC-AD003模塊的局部圖

如圖1，2，3所示，高郵運西船閘閘門變頻調速工作原理：OMRON-PLC-AD081模塊采集開度儀的實時模擬信號即閘門的開度信號，通過PLC的編程來控制 OMRON-PLC-輸出模塊OC225的各個線圈的動作，由此控制主回路、變頻器的正、反轉和慢速、快速，從而控制電機的正、反轉即控制閘門的開閘、關閘，同時也控制閘門的“慢、快、慢”動作。

（2）利用計數器和變頻器相結合的方式來進行變頻調速。計數器安裝位置見圖4。

圖4 江蘇省樊川船閘滾珠絲杠啟閉機局部圖

由圖4可見，滾珠絲杠啟閉機槽式光電開關俗稱計數器，滾珠絲杠聯軸器上有許多小孔，用于計數器計算滾珠絲杠旋轉圈數。

樊川船閘滾珠絲杠變頻調速原理：通過聯軸器上的計數器計算滾珠絲杠旋轉圈數，并實時向OMRON-PLC-輸入模塊ID231發出脈沖信號，由PLC內部的計數器進行計數，通過編制程序，并以聯軸器旋轉的圈數來控制輸出模塊各個線圈的動作來達到控制變頻器低、高速的目的，從而控制閘門慢速、快速的運行動作。閘門的開、關閘是通過輸入模塊上的開、關閘按鈕輸入狀態，控制輸出模塊的各個線圈，從而控制變頻器的正、反轉來控制閘門的開、關閘。一般當電機的速度大于2 000 r／min，為了保證計數的準確性，PLC需加一塊高速脈沖模塊；樊川船閘的電機因轉速小于2 000 r／min，不需要加高速脈沖模塊。

（3）高郵運西船閘與樊川船閘讀取變頻信號的區別在于：運西船閘是通過AD模塊讀取開度信號進行變頻調速；樊川船閘是通過輸入模塊讀取絲桿旋轉脈沖信號進行變頻調速。

3.2 液壓啟閉機變頻調速方式

（1）利用開度儀和變頻器相結合的方式來進行變頻調速。高郵運東船閘閘門變頻調速工作原理：OMRON-PLC-AD003模塊采集開度儀的實時模擬信號即閘門的開度信號，通過PLC的編程來控制OMRON-PLC-輸出模塊OC225的各個線圈的動作控制主回路、控制變頻器的慢速、快速（即改變頻率），以達到控制電動機轉速的目的，實現閘門的“慢、快、慢”動作。開度儀（即位移傳感器）的信號傳輸分為電壓式和電流式，為了減少傳輸過程中的信號衰減和損耗，一般采用4～20 mA電流信號來進行傳輸，對應開度儀0～4 m的長度，開度儀的鋼絲繩伸縮長度不同，電流值就不一樣（高郵運東船閘二次原理圖與高郵運西船閘二次原理圖結構一樣）。

（2）利用行程開關作為變速中間量與變頻器相結合的方式來進行變頻調速。江蘇省鹽邵船閘因為變頻器運行時的電磁干擾原因，造成開度儀模擬信號失真，導致閘門“慢、快、慢”動作無法正常運行，雖然經多次修改PLC程序里“比較指令”的比較值，但由于電磁干擾受環境因素等影響，電磁干擾強弱每個時間段都不一樣，所以調速性能一直不穩定。應揚州航道處養護科和船閘應急保障中心的要求，為了杜絕這個現象頻繁發生，于2013年9月7日對鹽邵船閘的閘門變頻調速器進行了徹底的技術改造。具體方案如下：用行程開關代替開度儀，即在油缸行程開終和關終位置內側各新增一個行程開關，用于程序中變速中間量。行程開關線纜接PLC輸入模塊之前不用的點位分別是5.12（上左閘室側變速），5.13（上左閘內變速），5.14（上右閘室側變速），5.15（上右閘內變速）。為了方便船閘維護人員的檢查，下游PLC輸入模塊的點位也是5.12，5.13，5.14，5.15，與上游的點位一一對應。技改新裝行程開關見圖5。

圖5 油缸上面行程開關裝配局部圖

工作原理：當閘門油缸運行到新裝行程開關時，變速信號由輸入模塊輸入到PLC內部程序，程序讀取信號后，通過輸出模塊檢出信號，高速繼電器動作，使油缸由低速變成高速；當油缸運行到下一個行程開關時，變速信號由輸入模塊輸入到PLC內部程序，程序讀取信號后，通過輸出模塊檢出信號，低速繼電器動作，使油缸由高速變成低速（鹽邵船閘原理圖與高郵運東船閘一樣，控制網絡都是采用歐姆龍PLC Contr oller Link網絡進行控制）。經過這次變頻調速的技術改造，鹽邵船閘于2013年9月8日正式通航，徹底杜絕了由于電磁干憂而影響閘門正常運行的現象，確保了船閘閘門的運行安全。這種調速方式的缺點是：在上位機組態畫面上不能實時顯示閘門的開度（即開關）情況。

（3）滾珠絲杠啟閉機式與液壓啟閉機式電機方向控制區別：

①液壓啟閉機電機的旋轉方向只有一個方向即正轉方向；滾珠絲杠啟閉機電機的旋轉方向有2種即正轉和反轉。

②液壓啟閉機式閘門的開閘和關閘是通過控制電磁閥的轉換來實現的，電機只有一種運轉方向即正轉方向，變頻器運行是單一的正轉方向；滾珠絲杠啟閉機是通過變頻器實現電機正、反轉來控制閘門的開閘和關閘的。從“運西船閘動力拖動力圖”可以看出：開閘受變頻器上的繼電器常開觸頭9，11 k A控制即開閘低速；關閘受變頻器上繼電器常開觸頭10，12 k A控制即關閘低速；7，8 k A是控制開、關閘高速。

3.3 變頻器實際應用注意事項

（1）變頻器的輸出電纜要盡量靠近電動機，一般要求電機電纜長度小于25 m，且電纜要用屏蔽電纜，屏蔽電纜的屏蔽層要兩端接地；如果變頻器和電機之間電纜長度超過50 m，則應加裝輸出濾波器。

（2）變頻器運行停止后，工作人員要等10 min才能靠近變頻器進行操作，因為這個時間是變頻器上電容高壓放電所需的時間。

（3）因變頻器運行時，變頻器的主要電磁干擾來源于電機電源線即變頻器的輸出線，為了減小電磁干擾，我們要求電機電源線與其他電線的距離大于3 c m。

3.4 變頻器使用存在的問題

因變頻器工作時對線路的電磁干擾非常嚴重，特別是對廣播、模擬信號電磁干擾，處理不好將嚴重影響閘門的調整功能，從而影響船閘的運行安全，所以采取如下措施：

（1）電纜溝、電纜預埋管道、橋架要做到強、弱電分開，并做好接地、屏蔽工作。

（2）廣播、開度儀信號必須采用屏蔽電纜且做好屏蔽線接地工作，為了保證屏蔽效果，電纜外側最好再加一層金屬套管進行再次屏蔽且兩端要求接地。

4 結語

目前我國生產現場所使用的交流電動機大多為非調速型，其耗能十分驚人，如合理地采用變頻調速，則可節約大量能源，對提高經濟效益具有十分重要的意義。對于船閘而言，除了提高經濟效益之外，變頻調速的有效和穩定是有力保障船閘閘門安全運行的前提，是確保蘇北運河黃金水道安全暢通的必要條件。我們相信，隨著全球能源短缺趨勢的加劇以及交流變頻技術及變頻器產品性能和功能的日趨完善，變頻調速技術將廣泛地應用在工業生產的各個領域。