變頻器在大型泵站X型流道閘門控制上的應用

王 琴，蔡亞琴

（江蘇省泰州引江河管理處，江蘇 泰州 225321）

0 引言

泰州引江河是南水北調(diào)東線工程中的一個重要取水口，既是國家南水北調(diào)的水源工程，也是江蘇開發(fā)“海上蘇東”的戰(zhàn)略工程。作為泰州引江河的龍頭，高港樞紐距長江1.9 km，由泵站、節(jié)制閘、調(diào)度閘、送水閘、船閘和110 kV專用變電所組成。高港樞紐可將長江水東引北調(diào)至沿海墾區(qū)和北部灌區(qū)，年平均向蘇北供水27億立方米，灌溉耕地約4400萬畝；為里下河及蘇東蘇北地區(qū)人民生活、生產(chǎn)、航運提供充足水源，改善地方水環(huán)境。

1 工程概述

高港樞紐閘站工程集引水、灌溉、排澇綜合利用為一體，其中設計自流引水能力達到600 m3/s。一是通過5孔節(jié)制閘，設計流量440 m3/s；二是通過泵站9臺直徑3 m的立式開敞式軸流泵，利用其下層流道實現(xiàn)自流引江160 m3/s。隨著南水北調(diào)東線工程的實施，原僅通過長江高潮位節(jié)制閘的自流引水，越發(fā)不能滿足沿線工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活需求，泵站的作用已不單單用于汛期排澇，通過雙層X型流道4扇閘門的調(diào)節(jié)，開啟下層流道B門和D門（圖1），其自流引水的控制運用將更為常態(tài)。

圖1 泵站站身剖面圖

2 存在問題

高港樞紐以恒流量運行方式居多。上級管理部門水情調(diào)度時一般對自流引水日均引水流量和最大流量提出要求，然而，由于高港樞紐緊靠長江，離入?？谝膊贿h，屬于潮汐河段，長江水位（圖2）受長江涇流和海潮的影響變化較大，引水時須根據(jù)調(diào)度流量對照“閘門高度-水位-流量關系曲線”測量出閘門開啟高度，頻繁調(diào)節(jié)，以確保上級調(diào)度要求的流量[1]。這種運行模式給運值人員帶來極大不便，漲潮時水位上升極快，稍有疏忽便會引起超流量，對水工建筑物和河道的安全帶來不利影響。

圖2 某天長江水位趨勢變化圖（高港樞紐口門處）

管理部門為了根據(jù)水位變化自動調(diào)節(jié)閘門高度實現(xiàn)定流量自動控制，在分析高港樞紐的運行特點，考慮泵站穩(wěn)定性和河道安全性的基礎上，開發(fā)了泵站下層流道流量自動控制系統(tǒng)[1]。但實踐運用中發(fā)現(xiàn)，當運用計算機監(jiān)控系統(tǒng)按設定閘門高度啟閉閘門時，從實時采集數(shù)據(jù)到發(fā)出控制命令，再到現(xiàn)場閘門動作結束，檢測到閘高誤差能達10 cm以上。經(jīng)分析，產(chǎn)生問題的原因是閘門（圖1中B門，引水工況下內(nèi)河側D門全開）運行速度過快，達到2.64 m/min，由于計算機系統(tǒng)控制在時間上有延遲，導致了閘門動作的高度誤差。所以，當運用泵站X流道下層流道自流引水時，為精準控制開高及流量，只能由運值人員根據(jù)計算出的開高，到現(xiàn)場閘門控制柜上手動操作。這樣的控制方式既沒能提高自動化水平，又有較大的安全隱患，值班人員更是疲憊不堪，既費時又費力。

3 改造方案

針對上述問題，曾設想了多種方法來解決，例如采用高傳動比減速箱，更換低速電動機等，雖然問題能得到緩解，但分析下來費用較高且施工復雜，最后經(jīng)研究決定對閘門控制進行徹底的改造，選用變頻器調(diào)速方案。變頻調(diào)速器有安裝操作方便，調(diào)整起動平滑等諸多優(yōu)點，并且它的調(diào)速性能與可靠性不斷完善，市場價格也在不斷降低。具體方案是：改造泵站底層流道B閘門控制柜，每臺控制柜上配備一臺變頻器，結合先進可靠的控制元器件，從而使整理個閘門控制系統(tǒng)結構簡單、控制準確無誤，并易于實現(xiàn)程序控制。

4 變頻器的運用

（1）工作特點

變頻器是把工頻電源（50 Hz或60 Hz）變換成各種頻率的交流電源，以實現(xiàn)電機的變速運行的設備，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段[2]。本次改造就是通過運用變頻器將電動機電源頻率降低，從而改變電動機轉速，當頻率在0～50 Hz的范圍內(nèi)變化時，電動機轉速調(diào)節(jié)范圍非常寬，其工作原理被廣泛應用于各個領域。

（2）控制方式

本方案選用矢量控制方式。矢量控制方式又有基于轉差頻率控制的矢量控制方式、無速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等。通常，電動機采用旋轉編碼器等速度傳感器來進行轉速檢測，并反饋轉速信號。但是，運用速度傳感器存在一些缺陷：編碼器安裝的同心度問題，安裝不當將影響到測速精度；編碼器的價格因素，精度越高成本越大；編碼器工作的精度還易受環(huán)境的影響等等[3]。而無編碼器運轉則有配線精省、不必擔心信號影響、避免多震動引起高故障率等好處。本方案不采用速度傳感器。為實現(xiàn)高性能的磁場定向控制，速度閉環(huán)必不可少，因此，考慮選用無速度傳感器的矢量變頻器，根據(jù)輸入的電動機銘牌參數(shù)，分別對作為基本控制量的磁通和轉矩電流進行檢測、控制，使其指令值與檢測值達到一致，并輸出轉矩，從而實現(xiàn)矢量控制。

（3）容量確定

變頻調(diào)速通過變頻器來實現(xiàn)，變頻器容量的確定至關重要。合理的容量選擇，本身就是一種節(jié)能降耗措施。根據(jù)現(xiàn)有資料和經(jīng)驗，該閘門啟閉機電動機型號為YZ200L-3，電機額定功率為15 kW，最常見、也較安全的是選用變頻器的容量大于或等于電機的額定功率，考慮選用容量范圍在18.5～22 kW的變頻器。

（4）變頻器選擇

綜上考慮，結合現(xiàn)場控制柜安裝尺寸，本改造項目中選用SINAMICS G120變頻器。該變頻器模塊化設計，可靈活擴展；完全集成的安全保護功能，操作更簡便；更多節(jié)點，多種網(wǎng)絡拓撲，具有更高的性能PROFIBUS、再生能量回饋能力、可以選擇恰好能滿足需要的控制模塊；采用全新冷卻概念，散熱效率高[4]。

該變頻器中兩個主要單元選型為：控制單元（6SL3244-0BA10-0BA0） 和 PM240功率模塊（6SL3224-0BE31-8UA0，18.5 kW，380 V）?？刂茊卧梢詫β誓K和所接的電機進行控制和監(jiān)控，可以為變頻器提供閉環(huán)控制功能。它支持與高港樞紐微機自動化控制系統(tǒng)的通信，支持通過監(jiān)控設備和輸入/輸出端子的直接控制。功率模塊由控制單元里的微處理器進行控制，具有高性能的IGBT及電機電壓脈寬調(diào)制技術。

5 改造效果

此次變頻調(diào)速改造，將電機頻率由50 Hz降低為25 Hz，根據(jù)電磁調(diào)速原理，電機速度降為一半，閘門啟門速度降為1.34 m/min，起停控制高度誤差在1 cm內(nèi)。其電磁轉矩有所下降，但由于所選異步電機額定功率安全余量較大，不會影響閘門的動作，達到了閘門自控預定的效果。實現(xiàn)了無極平滑調(diào)速，啟動無沖擊，消除了有極調(diào)速對減速機、卷筒輪轂及鋼絲繩的沖擊損傷，延長了閘門啟閉機的使用壽命，提高了安全系數(shù)。同時也減輕了值班人員的工作負荷，提高了工程的自動化水平。

6 經(jīng)驗交流

由于閘門是重載設備，變頻器在安裝調(diào)試過程中曾出現(xiàn)了一些問題，通過研究摸索，找到了解決方法，經(jīng)驗與大家共交流。例如：選配功率10 kW的制動電阻（27 Ω），直接與PM240功率模塊連用，直流母線上的多余的能量可以通過制動電阻來消耗[4]，確保異步電機和變頻器不受損壞；把制動電阻直接安裝在閘門控制柜外解決散熱問題；直流接觸器主觸頭改為雙斷，解決了拉弧、冒煙及主觸頭延時斷開等現(xiàn)象；調(diào)整變頻器斜坡上升（下降）時間為2秒，防止閘門啟動（停止）瞬間閘高滑差較大，電流（電壓）超限報警或者變頻器因過電流（過電壓）而故障跳閘；通過對空載電機進行參數(shù)計算、參數(shù)識別以及速度控制優(yōu)化，排除了閘門上升一段后突然下落的故障現(xiàn)象；對于連續(xù)運行的變頻器，定期進行巡視檢查，檢查變頻器運行時是否有異?，F(xiàn)象。通過一系列的摸索與優(yōu)化，大幅提高了變頻器的工作穩(wěn)定性。

7 結語

隨著電力電子技術的不斷發(fā)展，性能可靠、價格便宜、匹配完善的變頻器不斷出現(xiàn)，在交流調(diào)速技術中，變頻調(diào)速具有絕對優(yōu)勢，這一技術將會得到更為廣泛普遍的應用。更重要的是，變頻調(diào)速具有顯著的節(jié)電效果。本文中，變頻調(diào)速系統(tǒng)運用在水利行業(yè)的泵站工程尚無太多案例，希望能對讀者有一些啟示和幫助，為推動泵站自動化水平的提高起到一定的促進作用。

［1］錢江.高港泵站下層流道引流自動控制軟件設計［J］.水利水電科技進展，2012，32（S1）：74-75.

［2］王廷才.變頻器原理及應用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.

［3］周有為，劉和平，劉述喜.異步電機無速度傳感器矢量控制［J］.電機與控制應用，2005，32（9）：51.

［4］SINAMICS G120變頻器.http：//www.doc88.com/p-995313832830.html［DB/OL］.2013-05-18.