变频技术在平板提升式闸门启闭中的应用
周荣耀
摘 要：介绍变频调速技术在新坝船闸闸门启闭方式中的应用实践，由恒速提升改为变频调速提升，内容主要包括变频调速工作原理、改造项目系统设备配置、变频技术应用的意义等几方面。
关键词：平板提升门 变频技术 船闸启闭系统
杭甬运河新坝船闸于2007年建成通航，可通行500T级船舶。上、下闸首通航闸门均为平板提升门，通过带平衡重的双吊点卷扬式启闭机同步运行进行启闭。上、下闸首两侧各布置二扇输水阀门，均为平板提升门，通过独立工作的双作用式液压启闭机进行启闭。新坝船闸的闸门启闭机是常规的恒速卷扬机，通过卷筒的正反转实现闸门的开启或关闭，闸门的终点限位是行程开关和开度仪给出的开度信号。启闭机的速度为3.8m/min，适应了船闸启闭速度快的要求，但由于启闭速度快，惯性也大，无法准确定位，导致全开和全关位置不够精准，且关终时闸门对闸首底槛造成很大的冲击，易破坏水下的水工结构物，影响船闸的使用寿命。为解决以上问题，新坝船闸采用变频调速技术改造原闸门控制系统，可实现全频率（0～50Hz）范围内的恒转矩控制，闸门在接近全开或全关位置一定的距离时，低速运行可以提高闸门定位的可靠性。
闸门启闭系统变频调速工作原理
船闸双吊点卷扬式启闭机采用两台11kW恒速异步电动机。异步电动机的同步转速遵从电机学基本关系nl=60f/p ， 式中f为电源交变频率 ，P为电机定子磁极对数，电机学中还常用转差率S参量，其定义为：s=（nl—n）/nl·100% 。电机的实际转速：n=（60f/p）（1一s）。从n=（60f/p）（1一s）公式中可知，调节异步电动机电源频率f可以调节电机转速n，变频调速的控制方式主要有恒转矩调速和恒功率调速等几种，新坝船闸采用的是恒转矩控制，电源频率低于工频范围调节，电源的工频频率在我国为50Hz。电机定子绕组内的感应电动势为 E1=4.44f1 K1 N1φ， 式中f1为定子绕组中感应电动势的频率，与电源频率f相等， K1为电机定子绕组的绕组系数，其值取决于绕组结构，K1 <1 N1—电机定子绕组每相串联的线圈匝数φ—电机每极磁通定子电压U1与定子绕组感应电动势E1的关系为U1=E1+I1Z1，式中Z1为定子绕组每组阻抗 ，I1为定子绕组相电流若忽略定子瓜降I1 Z1，则U1≈ E =4.44f1K1N1φ把该式整理成u1=4.44f1K1N1φ， K=4.44 K1N1 ，则φ=U1/K f1 ， 电动机的电磁转矩M与（U1/f1）2成正比，若下调频率f1，同时也下调U1 ，使（U1/f1）比值保持恒量，则磁通φ不变，因此转矩也保持常值，此时电动机拖动负载的能力不发生改变，这种控制方式称为恒磁通调压调频调速，也叫恒转矩调速。
启闭系统变频调速技术改造设备配置
利用变频调速技术，把原先的闸门恒速启闭改为变速启闭，在闸门启闭过程中采用两头慢中间快的方式，为此，需要更换原有闸门控制柜，即对上、下闸门的电气拖动和控制系统进行更新改造，各设置三面屏柜，分别为闸门电机变频柜、控制柜和制动电阻柜。同时，拆除开度仪这二次仪表，改用进口绝对值型多圈光电编码器，仍安装于电机输出轴端，用于测量闸门行程位置，信号输出接口为并行格雷码，直接输入闸门PLC进行数据采集，通过PLC的程序计算进行行程显示和控制，解决原系统开度仪测量精度较低的问题。
1、上（下）闸门控制LCU柜
闸门控制LCU柜主要由PLC、液晶触摸屏、智能仪表等设备组成，完成对象的顺序控制、监视、过程输入输出、数据处理和外部通信等功能。
闸门控制LCU的配置如下：①基本设备：机柜、风扇、端子、面板、扩展继电器、I/O、电源、加热器及温湿度控制器、控制开关、切换开关、空气开关、按钮、信号灯、光子牌、切换片、连接片等。②人机接口设备（HMI）。③PLC：选用GE公司的90-30 PLC。④其它电气设备：所用的塑壳断路器，交流接触器，中间继电器，按钮、信号灯等器件。
2、上（下）闸门电机变频柜
变频柜主要由变频器和智能仪表组成，变频器采用一拖二型式，同时启停，保证两台电机的转速同步，完成电动机的变频驱动和制动。变频器是异步电动机调速系统中的关键设备，它利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。
电机变频柜的配置如下：①基本设备：机柜、风扇、端子、面板、扩展继电器、I/O、电源、加热器及温湿度控制器、控制开关、切换开关、空气开关、按钮、信号灯、光子牌、切换片、连接片等。②ABB公司的变频器。③配有电流、电压智能数显仪，显示电机三相电流、电压。④其它电气设备：所用的塑壳断路器，交流接触器等器件。
3、 制动电阻LCU柜
主要由制动电阻等组成，完成变频器制动时的电能释放。基本设备和其他电气设备同闸门控制LCU柜，配备散热装置。
4、闸门行程传感器
行程传感器采用采用德国P+F公司生产的多圈绝对值型光电编码器，输出信号采用多圈25 位并行格雷码。
5、配置电机变频柜需注意的方面
接地问题。变频器安装时应注意接地，正确接地是提高系统稳定性，抑制噪声能力的重要手段。变频器的接地端子的接地电阻越小越好，接地导线的截面不小于4mm，长度不超过5m。变频器的接地应和动力设备的接地点分开，不能共地。信号线的屏蔽层一端与变频器的接地端连接，另一端浮空，变频器与控制柜之间电气相通。
散热问题。变频器的发热是由内部的损耗产生的，在变频器各部分损耗中主要以主电路为主，约占98%，控制电路占2%，为了保证变频器正常可靠运行，必须对变频器进行散热我们通常采用风扇散热。变频器的内装风扇可将变频器的箱体内部散热带走，若风扇不能正常工作，应立即停止变频器运行，此外，大功率的变频器还需要在控制柜上加风扇，控制柜的风道要设计合理，所有进风口要设置防尘网，排风通畅，避免在柜中形成涡流，在固定的位置形成灰尘堆积。
电磁干扰问题。变频器在工作中由于整流和变频，周围产生了很多的干扰电磁波，这些高频电磁波对附近的仪表、仪器有一定的干扰，而且会产生高次谐波，这种高次谐波会通过供电回路进入整个供电网络，从而影响其他仪表。如果变频器的功率很大占整个系统25%以上，需要考虑控制电源的抗干扰措施。变频器和电机的距离应该尽量的短。这样减小了电缆的对地电容，减少干扰的发射源。控制电缆选用屏蔽电缆，动力电缆选用屏蔽电缆或者从变频器到电机全部用穿线管屏蔽。电机电缆应独立于其它电缆走线，其最小距离为500mm。同时应避免电机电缆与其它电缆长距离平行走线，这样才能减少变频器输出电压快速变化而产生的电磁干扰。如果控制电缆和电源电缆交叉，应尽可能使它们按90度角交叉。与变频器有关的模拟量信号线与主回路线分开走线，即使在控制柜中也要如此。与变频器有关的模拟信号线最好选用屏蔽双绞线，动力电缆选用屏蔽的三芯电缆（其规格要比普通电机的电缆大）。
利用变频调速技术后闸门的启闭方式
1、开启闸门过程
当PLC收到开启闸门指令时，闸门以15Hz低频启动，速度为1.1m/min运行，当提升至40cm高度时再以工频50Hz，速度为3.8m/min运行，距离全开位置20cm时，闸门再次以15Hz低频，速度为1.1m/min运行，确保闸门到达开终位后立即停止。
2、关闭闸门过程
当PLC收到关闭闸门指令时，闸门以15Hz低频启动，速度为1.1m/min运行，并由变频器控制加速至工频50Hz后转为3.8m/min恒速运行，当闸门运行至距离关终位置25cm时，再次以15Hz低频，速度为1.1m/min运行，确保闸门到达关终位后立即停止。
应用变频调速技术的意义和目的
1、提升安全性
船闸的运行条件与水闸不同，启闭机速度快，带来的问题就是停止时惯性大，在开终时容易越位，在关终时容易对底槛造成冲击，闸门的质量很大，冲击能量也大，长期冲击容易造成底槛的损坏，因底槛位于水下，维护检修十分困难。解决该问题的最好方法就是采用变频调速，把恒速启闭改为变速启闭，即使得闸门启闭过程变为两头慢中间快，变频调速具有调速平滑性好、调速范围大、调速稳定、能够实现软启动，这样对提高船闸的安全性、可靠性有很大的好处。
2、提升船闸的通过能力
变频调速，在多数时间段，利用闸门慢速开启，实现门下输水，而不按常规开启阀门输水，每个闸次至少可以节省2分钟，按每天50闸次计算，可节省约100分钟，这样就能增加船闸通过能力，增加船舶过闸数量，从而增加了船闸的经济效益。
3、提高闸门启闭的可靠性
在闸门启闭机进行变频改造的过程中，把闸门开度仪的二次仪表取消，把原来串行输出的德国B+F光电编码器改为并行输出的光电编码器，将输出端的格雷码直接接入闸门控制柜的PLC，去掉了中间环节二次仪表（即开度仪），可极大得提高可靠性和闸门位移控制的精度。
4、降低能耗
采取门下输水，不开阀门，按每天40个闸次开阀门计算，每闸次阀门使用4分钟，每天节电120度，一年节电36000度，具有一定的节能省电效益。
结束语
将闸门启闭由原来恒速提升改造为变频调速提升控制，这是杭甬运河新坝船闸在长期运行实践过程中对自控系统进行的一次技术革新。目前，新的启闭系统运行稳定，达到了技术改造所要求的既定效果，大大提高了闸门启闭的安全可靠性和船闸营运经济效益。
