平面升臥式鋼閘門啟閉機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制方案的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

褚小強(qiáng)，章瑞銀

（1.中水三立數(shù)據(jù)技術(shù)股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.河北省遷安市水利局，河北 唐山 064400）

1 工程概況

江邊樞紐工程位于無錫江陰市申港鎮(zhèn)濱江村新溝河入江口，距長(zhǎng)江堤岸約200m，距長(zhǎng)江主流約1.7km。工程是新溝河與長(zhǎng)江交匯口的控制性建筑物，由節(jié)制閘、泵站、船閘三部分組成，節(jié)制閘主要功能為排水、擋潮、應(yīng)急引水需要，節(jié)制閘閘寬48m；泵站是排水遇長(zhǎng)江高潮位或引水遇長(zhǎng)江低潮位，利用泵站抽排或抽引滿足新溝河承擔(dān)的工程任務(wù)，泵站設(shè)計(jì)總流量180m3/s。船閘級(jí)別為V 級(jí)（閘室尺度16m×l80m×3m）。

船閘閘門采用了平面升臥式鋼閘門，閘門尺寸為15.94m×9.9m，閘門凈重67.9t；閘門啟閉機(jī)采用了雙吊點(diǎn)固定式卷揚(yáng)啟閉機(jī)，配置了2 臺(tái)啟閉電機(jī)，中間采用同步軸硬連接，每臺(tái)啟閉電機(jī)額定功率為37kW，額定電流為89A。

2 船閘啟閉機(jī)基本參數(shù)

啟閉機(jī)型式：固定卷揚(yáng)式；閘門起升方式：靜水啟閉，露頂平面升臥式鋼閘門；額定啟門力：2×630kN；啟門高度：16m；啟門速度：3.2m/min；吊點(diǎn)中心距：9.6m；工作級(jí)別：Q4-重。

3 驅(qū)動(dòng)方案

3.1 啟閉電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的選擇

平面升臥式鋼閘門在全關(guān)位及橫臥全開位附近要求低速運(yùn)行，以確保閘門運(yùn)行安全；在其他位置要求高速運(yùn)行，以減少閘門啟閉時(shí)間，提高船閘過船效率。因此平面升臥式鋼閘門對(duì)啟門速度有調(diào)節(jié)需求；閘門啟閉電機(jī)額定功率為37kW，額定電流為89A，需要采用降壓?jiǎn)?dòng)；平面升臥式鋼閘門屬于位能性負(fù)載，在啟動(dòng)時(shí)需要較大的啟動(dòng)力矩。針對(duì)以上需求，江邊樞紐工程船閘啟閉電機(jī)選擇變頻器作為驅(qū)動(dòng)器，可以同時(shí)滿足降壓?jiǎn)?dòng)、速度調(diào)節(jié)和大啟動(dòng)力矩的需求。

3.2 啟閉電機(jī)變頻器控制方式的選擇

江邊樞紐工程船閘采用了雙吊點(diǎn)固定式卷揚(yáng)啟閉機(jī)，配置了2 臺(tái)啟閉電機(jī)，控制一扇閘門，中間采用同步軸硬連接，因此選擇控制方式時(shí)不僅要考慮2 臺(tái)電機(jī)速度同步，還要考慮轉(zhuǎn)矩的平均分配?？刹捎梦鏖T子S120 系列變頻器主從控制的方案，配置方案見表1。

表1 西門子S120 變頻器主從控制方案配置表

江邊樞紐工程船閘采用同步軸硬連接的方式在S120 系列變頻器主從控制方案中稱之為直接轉(zhuǎn)矩控制方式。采用同步軸硬連接的2 臺(tái)電機(jī)，一臺(tái)設(shè)定為主電機(jī)，另一臺(tái)設(shè)定為從電機(jī)。在設(shè)置變頻器直接轉(zhuǎn)矩控制方式時(shí)，將主電機(jī)設(shè)定在矢量控制模式工作，從電機(jī)設(shè)定在轉(zhuǎn)矩跟隨控制模式工作，將主電機(jī)的轉(zhuǎn)矩實(shí)際值作為從電機(jī)的轉(zhuǎn)矩給定值，這樣可以保證系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，從電機(jī)轉(zhuǎn)矩始終與主電機(jī)轉(zhuǎn)矩保持一致，同時(shí)因?yàn)椴捎猛捷S硬連接，從電機(jī)的速度始終與主電機(jī)一致，至此，轉(zhuǎn)矩分配完成。該方式的特點(diǎn)是從電機(jī)轉(zhuǎn)矩始終跟隨主電機(jī)轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)按照主電機(jī)的速度環(huán)運(yùn)行，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快。

系統(tǒng)的電氣控制方式也采用了兩套相互獨(dú)立的控制方式：一種為現(xiàn)地手動(dòng)控制方式，通過硬接線連接變頻器控制單元，將變頻器的狀態(tài)信號(hào)反饋至現(xiàn)地控制柜中，利用現(xiàn)地控制柜的邏輯控制電路控制變頻器的啟停及低速高速切換；另一種是遠(yuǎn)程自動(dòng)控制方式，變頻器控制單元通過Profibus-DP 電纜連接至PLC 的專用通信模塊，與PLC 建立通訊，變頻器的控制及狀態(tài)采集均通過通訊來完成。

4 變頻器制動(dòng)方案

4.1 變頻器制動(dòng)方式的選擇

平面升臥式鋼閘門屬于位能性負(fù)載，當(dāng)閘門在上升運(yùn)行時(shí)，電機(jī)特性曲線在第一象限，電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)閘門在下降運(yùn)行時(shí)，電機(jī)特性曲線在第四象限，電機(jī)處于發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，因此啟閉電機(jī)的變頻器必須配套使用合適的制動(dòng)方式?；诮厴屑~工程船閘的運(yùn)行工況，可用的制動(dòng)方式包括能耗制動(dòng)和回饋制動(dòng)，

能耗制動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，對(duì)電網(wǎng)無污染，可以在四個(gè)象限中運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，更適用江邊樞紐工程船閘的實(shí)際情況。

4.2 制動(dòng)電阻的計(jì)算

采用下降勢(shì)能功率法簡(jiǎn)化估算制動(dòng)電阻的功率與阻值。簡(jiǎn)化估算只需要計(jì)算閘門勢(shì)能產(chǎn)生的功率，等同于所需的制動(dòng)功率。在閘門下降時(shí)，電動(dòng)機(jī)作為發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能，而電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)是來自閘門的勢(shì)能，根據(jù)能量守恒定律，產(chǎn)生的電能應(yīng)等于閘門釋放的勢(shì)能，又等于電阻的熱能耗（不考慮功率損耗）。

閘門勢(shì)能產(chǎn)生的功率為PE（W），PE 的計(jì)算公式：

制動(dòng)電阻的制動(dòng)功率為PW（W），PW 的計(jì)算公式：

由式（1）和式（2）可得式（3）：

式中：GM 為最大下降載荷（N）；VM 為最大下降速度（m/s）；η 為電動(dòng)機(jī)和變頻器的效率，取20%。

江邊樞紐工程船閘閘門凈重67.9 噸，最大下降載荷取1.25 倍的額定載荷，最大下降速度為3.2m/min，故：

制動(dòng)功率平均分擔(dān)到兩個(gè)制動(dòng)電阻上則：

制動(dòng)電阻最大值為Rmax（Ω），Rmax的計(jì)算公式：

式中：U 為西門子S120 系列變頻器直流母線電壓，取760V，P 為制動(dòng)電阻功率，為16.64kW。

由式（4）可得制動(dòng)電阻最大值為Rmax約為34.7Ω。查閱西門子S120 系列變頻器手冊(cè)可知37kW 變頻器對(duì)應(yīng)的制動(dòng)電阻最小阻值為15Ω。故制動(dòng)電阻阻值選取范圍為[15，34.7]Ω，制動(dòng)電阻功率考慮20%設(shè)計(jì)余量應(yīng)大于19.96kW。因此，江邊樞紐工程船閘啟閉電機(jī)變頻器的制動(dòng)電阻的配置為20kW，16Ω，接電持續(xù)率為100%，可滿足實(shí)際使用要求。

5 結(jié)論

江邊樞紐工程船閘自2017 年投入使用以來，閘門啟閉機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好，未出現(xiàn)意外停機(jī)事故，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性得到了充分的驗(yàn)證。但系統(tǒng)仍有可以進(jìn)一步優(yōu)化提升的地方。一是當(dāng)前系統(tǒng)采用的是進(jìn)口品牌西門子S120 系列變頻器，雖然此變頻器性能優(yōu)秀，但是成本高昂、配置復(fù)雜、調(diào)試難度高，也不符合當(dāng)前自主可控的行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，可選擇合適的國(guó)產(chǎn)變頻器進(jìn)行替代。二是當(dāng)前系統(tǒng)使用的能耗制動(dòng)方式雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，但浪費(fèi)了大量的能量。針對(duì)船閘這種頻繁啟閉的平面升臥式閘門，可考慮設(shè)計(jì)一套能夠?qū)⒅苿?dòng)能量回收再利用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以降低船閘整體的耗電量，達(dá)到節(jié)約資源的目的■