水閘閘門啟閉電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)改進(jìn)與探究

杜曉磊

（常熟市沿江堤閘管理所，江蘇 蘇州　215500）

1　概述

水利工程閘門啟閉依靠閘門啟閉機(jī)的控制運(yùn)行，平面直升式閘門、弧形閘門及目前應(yīng)用較多的升臥式閘門等類型的閘門大都采用固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)配套定、動(dòng)滑輪組組成閘門機(jī)械啟閉系統(tǒng)。此類啟閉機(jī)的電動(dòng)機(jī)一般配置功率小，大都采用直接起動(dòng)方式。大中型閘門如升臥式和弧門式閘門的啟閉系統(tǒng)因啟閉速度等原因掘棄了滑輪組，采用了弧門式啟閉機(jī)從而增大了啟閉功率，這類啟閉系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)會(huì)對(duì)電網(wǎng)電壓產(chǎn)生較大沖擊，對(duì)電源配電容量要求高，因此一般采用降壓?jiǎn)?dòng)方式。常用的降壓起動(dòng)方式有早期的頻敏變阻器起動(dòng)和目前流行的“軟起動(dòng)”等。頻敏變阻器以往應(yīng)用于小型閘門的電動(dòng)機(jī)起動(dòng)較多，起動(dòng)平穩(wěn)，電流沖擊小，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩適中，適用于中小型閘門啟閉系統(tǒng)，但當(dāng)前運(yùn)用很少。當(dāng)前應(yīng)用較多的是“軟起動(dòng)”，所謂“軟起動(dòng)”大概分為2大類：一是采用可控硅技術(shù)，改變可控硅導(dǎo)通角降低電壓；二是采用電抗器串聯(lián)降低電壓。這2種軟起動(dòng)方式的共同特點(diǎn)是“軟”，就是起動(dòng)電流降低的同時(shí)降低了電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩[1]。所以在實(shí)際運(yùn)行中這種“軟起動(dòng)”常出現(xiàn)各種各樣的狀況，以致影響了閘門的啟閉運(yùn)行。本文就水閘閘門啟閉系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方式以常熟望虞船閘啟閉機(jī)改造實(shí)踐為例作一探討。

2　常熟望虞船閘啟閉系統(tǒng)概況

常熟望虞船閘上閘首閘門采用下臥式弧形閘門，原設(shè)計(jì)啟閉機(jī)采用弧門雙吊點(diǎn)固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)，吊點(diǎn)距17.8 m，啟閉機(jī)采用三體展開式布置，集中驅(qū)動(dòng)方式，電動(dòng)機(jī)功率為35 kW，啟門力2×300 kN，起升速度為3～3.5 m/min，揚(yáng)程為13.5 m，啟閉機(jī)總重25 t。兩側(cè)各用兩根鋼絲繩，采用平衡杠桿與閘門吊耳連接。鋼絲繩規(guī)格為：6×37 sw，直徑35 mm。

電動(dòng)機(jī)起動(dòng)為“軟起動(dòng)”方式?！败浧饎?dòng)”采用一組三相電抗器及電動(dòng)機(jī)電子保護(hù)器組成，電子保護(hù)器是由熱繼電器加上一個(gè)電子缺相保護(hù)電路組成。電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)三相電抗器線圈串入定子線圈與電源之間，經(jīng)時(shí)間繼電器控制由交流接觸器短接電抗器線圈完成啟動(dòng)。

“軟起動(dòng)”的工作方式是電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，在電動(dòng)機(jī)定子繞組串入電抗器，增加線路阻抗，降低電壓以達(dá)到降低起動(dòng)電流的目的。電源的頻率及電動(dòng)機(jī)其它參數(shù)不變時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比。降低電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的電壓，同時(shí)也降低了電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩[2]，閘門啟閉機(jī)是重載全負(fù)荷啟動(dòng)[3]。綜上所述，閘門啟閉機(jī)的電動(dòng)機(jī)起動(dòng)不應(yīng)選用串聯(lián)電抗器的“軟起動(dòng)”方式。

常熟望虞船閘由常熟水利樞紐直接供電，輸電電纜約500 m，上閘首電動(dòng)機(jī)在線電壓380 V以上時(shí)可正常起動(dòng)，如果電壓降至375 V時(shí)會(huì)起動(dòng)困難，電壓降至370 V時(shí)，電動(dòng)機(jī)會(huì)長(zhǎng)時(shí)間堵轉(zhuǎn)，無(wú)法起動(dòng)。電動(dòng)機(jī)正常起動(dòng)時(shí)間為5～7 s，而該電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)時(shí)間一般都在10～30 s以上，所以在用電高峰時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)過(guò)流，無(wú)法起動(dòng)，造成短暫停航，嚴(yán)重影響了船閘的正常運(yùn)行。

3　常熟望虞船閘啟閉系統(tǒng)改造

望虞船閘上閘首啟閉系統(tǒng)因電動(dòng)機(jī)起動(dòng)問(wèn)題長(zhǎng)期困擾，嚴(yán)重影響了船閘的正常運(yùn)行，同時(shí)啟閉機(jī)械部分因運(yùn)行頻繁出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，經(jīng)過(guò)相關(guān)調(diào)研論證，決定對(duì)上游啟閉機(jī)進(jìn)行全面改造。

啟閉機(jī)改造方案仍采用固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)，設(shè)計(jì)啟門力為2×320 kN，采用弧門式啟閉機(jī)結(jié)構(gòu)的船閘用啟閉機(jī)。啟閉機(jī)設(shè)計(jì)工作壽命為12500 h，采用兩體式單獨(dú)驅(qū)動(dòng)中間軸同步布置方式，減速機(jī)構(gòu)仍采用開式齒輪加減速器的傳動(dòng)方式，對(duì)應(yīng)啟門速度為3.5 m/min，采用雙繩卷筒，鋼絲繩采用6×36 sw，直徑35 mm，采用2臺(tái)YZR200L-6/22 kW繞線式電動(dòng)機(jī)。

3.1　電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式的研究改進(jìn)

啟閉機(jī)改造后由兩臺(tái)YZR200L-6/22 kW電動(dòng)機(jī)構(gòu)成雙驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子為繞線式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)合計(jì)容量為44 kW，較改造前的35 kW容量更大，因此起動(dòng)電流也相應(yīng)增大。

縱觀目前常用的星三角起動(dòng)，補(bǔ)償器起動(dòng)，“軟起動(dòng)”等，皆為降低電壓同時(shí)降低起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的方式，所以不能滿足現(xiàn)有設(shè)備的要求。

降低起動(dòng)電壓減小啟動(dòng)電流而不降低啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的啟動(dòng)方式，目前主要有2種[4]：一是變頻啟動(dòng)，用變頻器改變電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的頻率即電動(dòng)機(jī)低速啟動(dòng)，降低荷載，減小電流。這種方式較為先進(jìn)但設(shè)備和控制復(fù)雜，采用PLC編程控制器控制。造價(jià)成本隨技術(shù)的進(jìn)步雖然降低很快，但相對(duì)傳統(tǒng)起動(dòng)方式還是比較高，主要用于對(duì)轉(zhuǎn)速要求較高的場(chǎng)合。變頻起動(dòng)理論上不改變轉(zhuǎn)矩，但目前多應(yīng)用于風(fēng)機(jī)和水泵等設(shè)備，主要功能是調(diào)速，可能是閘門提升的安全因素或是成本等因素，應(yīng)用于閘門重載啟閉的實(shí)例還不多；二是改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率啟動(dòng)，在電機(jī)轉(zhuǎn)子電路里串接電阻器啟動(dòng)的啟動(dòng)方式就是改變電動(dòng)機(jī)的臨界轉(zhuǎn)差率，因此而獲得不同的機(jī)械特性。改變轉(zhuǎn)子繞組串入的電阻大小就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率，同時(shí)因電阻的串入還提高了啟動(dòng)時(shí)的功率因數(shù)，最大轉(zhuǎn)矩TM與轉(zhuǎn)子電阻無(wú)關(guān)而不變，而電動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)差率時(shí)均能獲得較大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩[4]。所以串入電阻相對(duì)提高了啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，并改善了啟動(dòng)性能；增加電阻則又限制了轉(zhuǎn)子電流，使啟動(dòng)電流降低。這種方法成本不高，適合于閘門啟閉機(jī)的啟動(dòng)，所以決定采用改變轉(zhuǎn)差率的起動(dòng)方案。

望虞船閘閘門啟閉頻繁，所以經(jīng)咨詢相關(guān)專家的建議，電阻器采用某電阻器廠生產(chǎn)的型號(hào)為ZX15-40環(huán)繞片狀電阻器。設(shè)計(jì)單相總電阻為0.704Ω。

改造后的閘門運(yùn)行速度設(shè)計(jì)為3.5 m/min，電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速 n = 964 r/min，轉(zhuǎn)差率投入電阻后的轉(zhuǎn)差率投入電阻后的電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速nc=（1-Sn）n1=（1-0.46）×1000=540 r/min，相應(yīng)閘門運(yùn)行速度為1.96 m/min。

為保證電動(dòng)機(jī)平滑起動(dòng)，每相電阻器分成三級(jí)，一級(jí)為0.16 Ω，二級(jí)為0.224 Ω，三級(jí)為0.32 Ω。電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)電阻器逐級(jí)撤出。

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)串入了電阻，減小了啟動(dòng)電流，而電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩并未改變，而電動(dòng)機(jī)因串入電阻器使電動(dòng)機(jī)在低速啟動(dòng)，增加了啟閉機(jī)的牽引力，所以增加了啟動(dòng)的安全可靠性能。

減速啟動(dòng)電路圖如圖1所示。三級(jí)電阻器在停電時(shí)自動(dòng)投入，啟動(dòng)時(shí)隨啟動(dòng)電流的減小，延時(shí)分段撤出，減小起動(dòng)電流沖擊保證電動(dòng)機(jī)平滑起動(dòng)。啟動(dòng)控制電源由電動(dòng)機(jī)主電路提供，即隨電動(dòng)機(jī)定子電源供電，起動(dòng)控制電路與主控二次電路無(wú)直接關(guān)聯(lián)。其工作原理為：電機(jī)在停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，1KM、2KM、3KM均處于斷開狀態(tài)，三相電阻器全部串入轉(zhuǎn)子繞組電路，當(dāng)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，主接觸器吸合，電機(jī)定子線圈得電。而同時(shí)減速啟動(dòng)控制電路得電，則1KT得電并延時(shí)接通1KM，撤出第三級(jí)電阻；1KT又同時(shí)接通2KT，2KT延時(shí)接通2KM，撤出第二級(jí)電阻；2KT又同時(shí)接通3KT，3KT延時(shí)接通3KM，撤出第一級(jí)電阻，電動(dòng)機(jī)完成起動(dòng)進(jìn)入正常運(yùn)行。每級(jí)電阻撤出延時(shí)間隔時(shí)間設(shè)定為2s，總起動(dòng)時(shí)間大約為6 s。

圖1　減速啟動(dòng)電路圖

改造后的啟閉機(jī)由兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。為保證兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的同步起動(dòng)，交流接觸器采用了某電器公司生產(chǎn)的3只具有四極主觸頭的NC2-150/4型交流接觸器。每臺(tái)電動(dòng)機(jī)每級(jí)電阻器的投入獨(dú)立使用2對(duì)觸頭，即2臺(tái)電動(dòng)機(jī)每級(jí)電阻器的投入與撤出由同1臺(tái)接觸器完成，從而保證了2臺(tái)電動(dòng)機(jī)的電阻器同步投入，確保2臺(tái)電動(dòng)機(jī)的同步啟動(dòng)運(yùn)行。

3.2　閘門啟閉機(jī)的調(diào)速運(yùn)行

船閘啟閉機(jī)因通航需要，閘門運(yùn)行速度提高了許多，超出一般水閘閘門啟閉機(jī)的設(shè)計(jì)速度，幾乎接近閘門運(yùn)行速度的極限。雖大大提高了通航運(yùn)行效率，但因速度的提升使閘門運(yùn)動(dòng)慣性增大，特別是在閘門下降運(yùn)行時(shí)不僅增加了機(jī)械沖擊，加大了機(jī)械磨損，對(duì)機(jī)械行程控制及自動(dòng)控制保護(hù)系統(tǒng)的精度和可靠性能也產(chǎn)生很大影響。在對(duì)閘門啟閉機(jī)運(yùn)行觀察與研究后采取措施，諸如更新了行程控制的設(shè)備，采用2IN1XCKG-2行程控制器取代早期生產(chǎn)的LX系列的主令控制器，確保行程控制安全可靠、靈敏快速，調(diào)整適宜并安全的制動(dòng)力矩，同時(shí)在閘門下降接近終端運(yùn)行段對(duì)啟閉機(jī)實(shí)行調(diào)速運(yùn)行，降低閘門運(yùn)行速度。閘門運(yùn)行下降到終端位置前約0.5 m時(shí)串入電阻器降壓減速，以減小閘門在停止時(shí)產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)慣量對(duì)鋼絲繩及減速器等機(jī)械部分形成的沖擊，防止產(chǎn)生閘門與底板的撞擊，從而確保閘門的安全運(yùn)行。

為節(jié)省經(jīng)費(fèi)及簡(jiǎn)化設(shè)備，調(diào)速電阻器與啟動(dòng)電阻器共用，利用起動(dòng)電阻器的后兩級(jí)進(jìn)行調(diào)速。第二級(jí)為0.22 Ω，第三級(jí)為0.224 Ω，用于調(diào)速運(yùn)行的電阻器則為0.16 + 0.224 = 0.384 Ω。調(diào)速電阻器分兩級(jí)投入以減少?zèng)_擊，電阻器投入信號(hào)由PLC提供，調(diào)速行程終了電阻器自動(dòng)恢復(fù)初始狀態(tài)。

減速啟動(dòng)及調(diào)速控制電路如圖2所示，閘門運(yùn)行至預(yù)設(shè)調(diào)速的開度時(shí)，PLC發(fā)出減速運(yùn)行指令，通過(guò)繼電器P1接通4KT、KA，KA吸合立即斷開3KM、2KM，串入第一級(jí)和第二組電阻器。

圖2　減速啟動(dòng)及調(diào)速控制電路圖

至此，減速過(guò)程完成。調(diào)速運(yùn)行至關(guān)門到位停止運(yùn)行后，自動(dòng)復(fù)位至初始狀態(tài)。KT為啟動(dòng)總時(shí)間控制，防止因元器件故障導(dǎo)致啟動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)或無(wú)法啟動(dòng)，如發(fā)生啟動(dòng)超時(shí)即停止啟動(dòng)，并在工控機(jī)主畫面顯示故障內(nèi)容，同時(shí)發(fā)出警報(bào)。

4　結(jié)語(yǔ)

望虞船閘啟閉系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)及調(diào)速運(yùn)行，電阻投入和相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)差率，電機(jī)調(diào)速運(yùn)行的速度的計(jì)算，忽略了繞組的電抗X1、X2及其它一些參數(shù)的影響，所以不是特別精確，但與實(shí)際數(shù)據(jù)相差很小，對(duì)于應(yīng)用于閘門啟閉系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行，從技術(shù)角度看沒(méi)有任何問(wèn)題或影響。經(jīng)過(guò)幾年來(lái)的實(shí)際運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)及調(diào)速運(yùn)行效果良好，達(dá)到了預(yù)期的目的。由于減小了啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊，在相應(yīng)開度減速運(yùn)行，設(shè)備的保護(hù)裝置的安全可靠性能得到加強(qiáng)，電氣設(shè)備及機(jī)械設(shè)備的故障率大大降低，啟動(dòng)時(shí)因沖擊電流而影響其它設(shè)備的現(xiàn)象再未發(fā)生，市電線電壓降至360 V時(shí)仍然正常起動(dòng)，完全滿足閘門啟閉機(jī)的重載啟動(dòng)與調(diào)速運(yùn)行要求。

水工閘門啟閉機(jī)由于水工建筑的特殊性，閘門運(yùn)行荷載除設(shè)計(jì)荷載，在閘門實(shí)際運(yùn)行時(shí)因水位變化、氣候原因、時(shí)效老化等多方面條件的影響，使啟閉機(jī)負(fù)載在運(yùn)行時(shí)發(fā)生變化，甚至超載的情況都可能發(fā)生。按常規(guī)機(jī)械設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方案，諸如“軟起動(dòng)”等起動(dòng)方式，都會(huì)造成管理運(yùn)行中的隱患和困擾，甚至嚴(yán)重影響到正常運(yùn)行。目前絕大多數(shù)水利工程都已實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制，電壓波動(dòng)、電流沖擊等不穩(wěn)定因素對(duì)電子設(shè)備的干擾和影響不可忽視。常熟望虞船閘并不是個(gè)例，諸如此類的設(shè)計(jì)隱患依然存在，相對(duì)規(guī)范也有待改進(jìn)。以常熟望虞船閘啟閉機(jī)改造為例，對(duì)閘門啟閉電動(dòng)機(jī)起動(dòng)方式的研究探討，對(duì)以后的水閘設(shè)計(jì)或者管理工作都具有一定的意義。

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