變頻技術在平板提升式閘門啟閉中的應用

周榮耀

摘 要：介紹變頻調速技術在新壩船閘閘門啟閉方式中的應用實踐，由恒速提升改為變頻調速提升，內容主要包括變頻調速工作原理、改造項目系統設備配置、變頻技術應用的意義等幾方面。

關鍵詞：平板提升門 變頻技術 船閘啟閉系統

杭甬運河新壩船閘于2007年建成通航，可通行500T級船舶。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卷揚式啟閉機同步運行進行啟閉。上、下閘首兩側各布置二扇輸水閥門，均為平板提升門，通過獨立工作的雙作用式液壓啟閉機進行啟閉。新壩船閘的閘門啟閉機是常規的恒速卷揚機，通過卷筒的正反轉實現閘門的開啟或關閉，閘門的終點限位是行程開關和開度儀給出的開度信號。啟閉機的速度為3.8m/min，適應了船閘啟閉速度快的要求，但由于啟閉速度快，慣性也大，無法準確定位，導致全開和全關位置不夠精準，且關終時閘門對閘首底檻造成很大的沖擊，易破壞水下的水工結構物，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速技術改造原閘門控制系統，可實現全頻率（0～50Hz）范圍內的恒轉矩控制，閘門在接近全開或全關位置一定的距離時，低速運行可以提高閘門定位的可靠性。

閘門啟閉系統變頻調速工作原理

船閘雙吊點卷揚式啟閉機采用兩臺11kW恒速異步電動機。異步電動機的同步轉速遵從電機學基本關系nl=60f/p ， 式中f為電源交變頻率 ，P為電機定子磁極對數，電機學中還常用轉差率S參量，其定義為：s=（nl—n）/nl·100% 。電機的實際轉速：n=（60f/p）（1一s）。從n=（60f/p）（1一s）公式中可知，調節異步電動機電源頻率f可以調節電機轉速n，變頻調速的控制方式主要有恒轉矩調速和恒功率調速等幾種，新壩船閘采用的是恒轉矩控制，電源頻率低于工頻范圍調節，電源的工頻頻率在我國為50Hz。電機定子繞組內的感應電動勢為 E1=4.44f1 K1 N1φ， 式中f1為定子繞組中感應電動勢的頻率，與電源頻率f相等， K1為電機定子繞組的繞組系數，其值取決于繞組結構，K1 <1 N1—電機定子繞組每相串聯的線圈匝數φ—電機每極磁通定子電壓U1與定子繞組感應電動勢E1的關系為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 ， 電動機的電磁轉矩M與（U1/f1）2成正比，若下調頻率f1，同時也下調U1 ，使（U1/f1）比值保持恒量，則磁通φ不變，因此轉矩也保持常值，此時電動機拖動負載的能力不發生改變，這種控制方式稱為恒磁通調壓調頻調速，也叫恒轉矩調速。

啟閉系統變頻調速技術改造設備配置

利用變頻調速技術，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，即對上、下閘門的電氣拖動和控制系統進行更新改造，各設置三面屏柜，分別為閘門電機變頻柜、控制柜和制動電阻柜。同時，拆除開度儀這二次儀表，改用進口絕對值型多圈光電編碼器，仍安裝于電機輸出軸端，用于測量閘門行程位置，信號輸出接口為并行格雷碼，直接輸入閘門PLC進行數據采集，通過PLC的程序計算進行行程顯示和控制，解決原系統開度儀測量精度較低的問題。

1、上（下）閘門控制LCU柜

閘門控制LCU柜主要由PLC、液晶觸摸屏、智能儀表等設備組成，完成對象的順序控制、監視、過程輸入輸出、數據處理和外部通信等功能。

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

2、上（下）閘門電機變頻柜

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，同時啟停，保證兩臺電機的轉速同步，完成電動機的變頻驅動和制動。變頻器是異步電動機調速系統中的關鍵設備，它利用電力半導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換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。

電機變頻柜的配置如下：①基本設備：機柜、風扇、端子、面板、擴展繼電器、I/O、電源、加熱器及溫濕度控制器、控制開關、切換開關、空氣開關、按鈕、信號燈、光子牌、切換片、連接片等。②ABB公司的變頻器。③配有電流、電壓智能數顯儀，顯示電機三相電流、電壓。④其它電氣設備：所用的塑殼斷路器，交流接觸器等器件。

3、 制動電阻LCU柜

主要由制動電阻等組成，完成變頻器制動時的電能釋放。基本設備和其他電氣設備同閘門控制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P+F公司生產的多圈絕對值型光電編碼器，輸出信號采用多圈25 位并行格雷碼。

5、配置電機變頻柜需注意的方面

接地問題。變頻器安裝時應注意接地，正確接地是提高系統穩定性，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，接地導線的截面不小于4mm，長度不超過5m。變頻器的接地應和動力設備的接地點分開，不能共地。信號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。變頻器的發熱是由內部的損耗產生的，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?？煽窟\行，必須對變頻器進行散熱我們通常采用風扇散熱。變頻器的內裝風扇可將變頻器的箱體內部散熱帶走，若風扇不能正常工作，應立即停止變頻器運行，此外，大功率的變頻器還需要在控制柜上加風扇，控制柜的風道要設計合理，所有進風口要設置防塵網，排風通暢，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，周圍產生了很多的干擾電磁波，這些高頻電磁波對附近的儀表、儀器有一定的干擾，而且會產生高次諧波，這種高次諧波會通過供電回路進入整個供電網絡，從而影響其他儀表。如果變頻器的功率很大占整個系統25%以上，需要考慮控制電源的抗干擾措施。變頻器和電機的距離應該盡量的短。這樣減小了電纜的對地電容，減少干擾的發射源?？刂齐娎|選用屏蔽電纜，動力電纜選用屏蔽電纜或者從變頻器到電機全部用穿線管屏蔽。電機電纜應獨立于其它電纜走線，其最小距離為500mm。同時應避免電機電纜與其它電纜長距離平行走線，這樣才能減少變頻器輸出電壓快速變化而產生的電磁干擾。如果控制電纜和電源電纜交叉，應盡可能使它們按90度角交叉。與變頻器有關的模擬量信號線與主回路線分開走線，即使在控制柜中也要如此。與變頻器有關的模擬信號線最好選用屏蔽雙絞線，動力電纜選用屏蔽的三芯電纜（其規格要比普通電機的電纜大）。

利用變頻調速技術后閘門的啟閉方式

1、開啟閘門過程

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

2、關閉閘門過程

當PLC收到關閉閘門指令時，閘門以15Hz低頻啟動，速度為1.1m/min運行，并由變頻器控制加速至工頻50Hz后轉為3.8m/min恒速運行，當閘門運行至距離關終位置25cm時，再次以15Hz低頻，速度為1.1m/min運行，確保閘門到達關終位后立即停止。

應用變頻調速技術的意義和目的

1、提升安全性

船閘的運行條件與水閘不同，啟閉機速度快，帶來的問題就是停止時慣性大，在開終時容易越位，在關終時容易對底檻造成沖擊，閘門的質量很大，沖擊能量也大，長期沖擊容易造成底檻的損壞，因底檻位于水下，維護檢修十分困難。解決該問題的最好方法就是采用變頻調速，把恒速啟閉改為變速啟閉，即使得閘門啟閉過程變為兩頭慢中間快，變頻調速具有調速平滑性好、調速范圍大、調速穩定、能夠實現軟啟動，這樣對提高船閘的安全性、可靠性有很大的好處。

2、提升船閘的通過能力

變頻調速，在多數時間段，利用閘門慢速開啟，實現門下輸水，而不按常規開啟閥門輸水，每個閘次至少可以節省2分鐘，按每天50閘次計算，可節省約100分鐘，這樣就能增加船閘通過能力，增加船舶過閘數量，從而增加了船閘的經濟效益。

3、提高閘門啟閉的可靠性

在閘門啟閉機進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，去掉了中間環節二次儀表（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個閘次開閥門計算，每閘次閥門使用4分鐘，每天節電120度，一年節電36000度，具有一定的節能省電效益。

結束語

將閘門啟閉由原來恒速提升改造為變頻調速提升控制，這是杭甬運河新壩船閘在長期運行實踐過程中對自控系統進行的一次技術革新。目前，新的啟閉系統運行穩定，達到了技術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運經濟效益。endprint