变频器在大型泵站X型流道闸门控制上的应用

王 琴，蔡亚琴

（江苏省泰州引江河管理处，江苏 泰州 225321）

0 引言

泰州引江河是南水北调东线工程中的一个重要取水口，既是国家南水北调的水源工程，也是江苏开发“海上苏东”的战略工程。作为泰州引江河的龙头，高港枢纽距长江1.9 km，由泵站、节制闸、调度闸、送水闸、船闸和110 kV专用变电所组成。高港枢纽可将长江水东引北调至沿海垦区和北部灌区，年平均向苏北供水27亿立方米，灌溉耕地约4400万亩；为里下河及苏东苏北地区人民生活、生产、航运提供充足水源，改善地方水环境。

1 工程概述

高港枢纽闸站工程集引水、灌溉、排涝综合利用为一体，其中设计自流引水能力达到600 m3/s。一是通过5孔节制闸，设计流量440 m3/s；二是通过泵站9台直径3 m的立式开敞式轴流泵，利用其下层流道实现自流引江160 m3/s。随着南水北调东线工程的实施，原仅通过长江高潮位节制闸的自流引水，越发不能满足沿线工农业生产和生活需求，泵站的作用已不单单用于汛期排涝，通过双层X型流道4扇闸门的调节，开启下层流道B门和D门（图1），其自流引水的控制运用将更为常态。

图1 泵站站身剖面图

2 存在问题

高港枢纽以恒流量运行方式居多。上级管理部门水情调度时一般对自流引水日均引水流量和最大流量提出要求，然而，由于高港枢纽紧靠长江，离入海口也不远，属于潮汐河段，长江水位（图2）受长江泾流和海潮的影响变化较大，引水时须根据调度流量对照“闸门高度-水位-流量关系曲线”测量出闸门开启高度，频繁调节，以确保上级调度要求的流量[1]。这种运行模式给运值人员带来极大不便，涨潮时水位上升极快，稍有疏忽便会引起超流量，对水工建筑物和河道的安全带来不利影响。

图2 某天长江水位趋势变化图（高港枢纽口门处）

管理部门为了根据水位变化自动调节闸门高度实现定流量自动控制，在分析高港枢纽的运行特点，考虑泵站稳定性和河道安全性的基础上，开发了泵站下层流道流量自动控制系统[1]。但实践运用中发现，当运用计算机监控系统按设定闸门高度启闭闸门时，从实时采集数据到发出控制命令，再到现场闸门动作结束，检测到闸高误差能达10 cm以上。经分析，产生问题的原因是闸门（图1中B门，引水工况下内河侧D门全开）运行速度过快，达到2.64 m/min，由于计算机系统控制在时间上有延迟，导致了闸门动作的高度误差。所以，当运用泵站X流道下层流道自流引水时，为精准控制开高及流量，只能由运值人员根据计算出的开高，到现场闸门控制柜上手动操作。这样的控制方式既没能提高自动化水平，又有较大的安全隐患，值班人员更是疲惫不堪，既费时又费力。

3 改造方案

针对上述问题，曾设想了多种方法来解决，例如采用高传动比减速箱，更换低速电动机等，虽然问题能得到缓解，但分析下来费用较高且施工复杂，最后经研究决定对闸门控制进行彻底的改造，选用变频器调速方案。变频调速器有安装操作方便，调整起动平滑等诸多优点，并且它的调速性能与可靠性不断完善，市场价格也在不断降低。具体方案是：改造泵站底层流道B闸门控制柜，每台控制柜上配备一台变频器，结合先进可靠的控制元器件，从而使整理个闸门控制系统结构简单、控制准确无误，并易于实现程序控制。

4 变频器的运用

（1）工作特点

变频器是把工频电源（50 Hz或60 Hz）变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，是一种理想的高效率、高性能的调速手段[2]。本次改造就是通过运用变频器将电动机电源频率降低，从而改变电动机转速，当频率在0～50 Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽，其工作原理被广泛应用于各个领域。

（2）控制方式

本方案选用矢量控制方式。矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。通常，电动机采用旋转编码器等速度传感器来进行转速检测，并反馈转速信号。但是，运用速度传感器存在一些缺陷：编码器安装的同心度问题，安装不当将影响到测速精度；编码器的价格因素，精度越高成本越大；编码器工作的精度还易受环境的影响等等[3]。而无编码器运转则有配线精省、不必担心信号影响、避免多震动引起高故障率等好处。本方案不采用速度传感器。为实现高性能的磁场定向控制，速度闭环必不可少，因此，考虑选用无速度传感器的矢量变频器，根据输入的电动机铭牌参数，分别对作为基本控制量的磁通和转矩电流进行检测、控制，使其指令值与检测值达到一致，并输出转矩，从而实现矢量控制。

（3）容量确定

变频调速通过变频器来实现，变频器容量的确定至关重要。合理的容量选择，本身就是一种节能降耗措施。根据现有资料和经验，该闸门启闭机电动机型号为YZ200L-3，电机额定功率为15 kW，最常见、也较安全的是选用变频器的容量大于或等于电机的额定功率，考虑选用容量范围在18.5～22 kW的变频器。

（4）变频器选择

综上考虑，结合现场控制柜安装尺寸，本改造项目中选用SINAMICS G120变频器。该变频器模块化设计，可灵活扩展；完全集成的安全保护功能，操作更简便；更多节点，多种网络拓扑，具有更高的性能PROFIBUS、再生能量回馈能力、可以选择恰好能满足需要的控制模块；采用全新冷却概念，散热效率高[4]。

该变频器中两个主要单元选型为：控制单元（6SL3244-0BA10-0BA0） 和 PM240功率模块（6SL3224-0BE31-8UA0，18.5 kW，380 V）。控制单元可以对功率模块和所接的电机进行控制和监控，可以为变频器提供闭环控制功能。它支持与高港枢纽微机自动化控制系统的通信，支持通过监控设备和输入/输出端子的直接控制。功率模块由控制单元里的微处理器进行控制，具有高性能的IGBT及电机电压脉宽调制技术。

5 改造效果

此次变频调速改造，将电机频率由50 Hz降低为25 Hz，根据电磁调速原理，电机速度降为一半，闸门启门速度降为1.34 m/min，起停控制高度误差在1 cm内。其电磁转矩有所下降，但由于所选异步电机额定功率安全余量较大，不会影响闸门的动作，达到了闸门自控预定的效果。实现了无极平滑调速，启动无冲击，消除了有极调速对减速机、卷筒轮毂及钢丝绳的冲击损伤，延长了闸门启闭机的使用寿命，提高了安全系数。同时也减轻了值班人员的工作负荷，提高了工程的自动化水平。

6 经验交流

由于闸门是重载设备，变频器在安装调试过程中曾出现了一些问题，通过研究摸索，找到了解决方法，经验与大家共交流。例如：选配功率10 kW的制动电阻（27 Ω），直接与PM240功率模块连用，直流母线上的多余的能量可以通过制动电阻来消耗[4]，确保异步电机和变频器不受损坏；把制动电阻直接安装在闸门控制柜外解决散热问题；直流接触器主触头改为双断，解决了拉弧、冒烟及主触头延时断开等现象；调整变频器斜坡上升（下降）时间为2秒，防止闸门启动（停止）瞬间闸高滑差较大，电流（电压）超限报警或者变频器因过电流（过电压）而故障跳闸；通过对空载电机进行参数计算、参数识别以及速度控制优化，排除了闸门上升一段后突然下落的故障现象；对于连续运行的变频器，定期进行巡视检查，检查变频器运行时是否有异常现象。通过一系列的摸索与优化，大幅提高了变频器的工作稳定性。

7 结语

随着电力电子技术的不断发展，性能可靠、价格便宜、匹配完善的变频器不断出现，在交流调速技术中，变频调速具有绝对优势，这一技术将会得到更为广泛普遍的应用。更重要的是，变频调速具有显著的节电效果。本文中，变频调速系统运用在水利行业的泵站工程尚无太多案例，希望能对读者有一些启示和帮助，为推动泵站自动化水平的提高起到一定的促进作用。

［1］钱江.高港泵站下层流道引流自动控制软件设计［J］.水利水电科技进展，2012，32（S1）：74-75.

［2］王廷才.变频器原理及应用［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［3］周有为，刘和平，刘述喜.异步电机无速度传感器矢量控制［J］.电机与控制应用，2005，32（9）：51.

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