基于力矩变化的水闸驱动方式分析研究

谭其志

（贵州省水利投资（集团）有限责任公司,贵州 贵阳 550081）

国内、外输水工程建设项目及灌区改造项目的自动化、信息化建设中的输水闸门监测、控制均已纳入信息换管理范围,渠道闸门多在较偏远区域,受条件的影响,投入运行后维护、检修成本相对较高,渠道闸门安装使用多为敞开式,根据多年现场维护管理经验,采用自动化控制后的运行卡滞故障在闸门故障占比近80%,受条件所限,由自然条件引起的杂物型卡滞、气象条件引起的密封面软冻型卡滞等一般卡滞问题占闸门卡滞问题约80%,若采用一定的控制策略可解决此类卡滞问题,可明显降低水闸运行的故障率,为信息化管控提供基础支撑。

随着直流永磁无刷电机的广泛推广使用,在有效解决偏远地区输水闸门供电问题的同时,依据直流电机的控制特性,以直流永磁无刷电机的可调速调矩特性基本控制策略,在无需增加硬件设备配置情况下通过智能监测和软件设计可明显降低一般性卡滞问题。本文利用贵州省夹岩水利枢纽工程支渠工程中的风光互补供电、直流永磁无刷电机启闭机水闸测控系统进行实验研究,研究直流无刷驱动闸门的调速测控系统,主要包括：闸门的启闭力距、启闭机的力矩特性、直流电机的力矩特性,试验结果给出一种闸门运行的典型力矩曲线、输出转速与力矩变化曲线、以实际输出力矩为控制策略的闸门驱动。

1 系统的组成

1.1 永磁无刷直流电动闸门启闭机

永磁无刷直流电机是采用电子换向系统取代普通电机的机械换向的装置的直流一体式电动机,主要组成包括同步电机的本体、电力电子的逆变单元、转子运行位置检测单元和电子换向控制单元等。直流永磁无刷闸门电动启闭机主要由闸门启闭机和采用直流永磁无刷电动的电动执行器组成。

1.2 闸门启闭机控制系统

在当前水利工程中,对于闸门的启闭机可以PLC来控制,也可以运用单片机来控制,考虑到实际工程应用项目中具有不同的监测输入、输出信号,为了更便于实现监测、控制及系统的扩展需要,本研究的方案中将启闭机的控制和监测统一采用SIMATIC S7-200 SMART控制器结合西门子SINAMICS 驱动产品及 SIMATIC 人机界面。

1.3 软件通讯及监控系统

整个控制系统采用RS485总线及4G/5G网络进行通讯,实现远程组态,达到更好的远程通讯控制目标。

2 闸门的启、闭门力计算方法

以平面铸铁闸门螺杆式启闭机系为设计研究对象,以参考文献资料为计算依据,标准条件下动水中启闭的平面闸门启门力（Fq）和平面闸门闭门力（Fb）计算公式如下[1]：

式中：Fq为平面闸门启门力,t；Fb为平面闸门闭门力,t；nA为摩擦阻力的安全系数一般取1.3～1.5；Tzd为支承部分摩擦阻力,t；Tzs为止水单元摩擦阻力,t；nGq为计算闸门启门力时门重的修正系数取1.2；G为闸门门体的自重,t；g为启闭机构运行部件的自重,t；Wsp为水力作用在闸门上的动水水头压力,t；nGb为闸门闭门力计算时门体重量系数,一般取 0.8～0.9。

闸门启闭的摩擦力计算：

（1）采用滑动支承闸门机构摩擦力的计算公式：Tz=fhPd

（2）对于采用滚动支承机构的平面闸门,摩擦力的计算公式：Tz=Pd/Rzc（fgr+fl）

以上两式中：fh为采用滑动支承的结构摩擦系数,钢板一般取0.6和橡胶取0.6～0.8；Pd为作用在闸门上总动水的水压力；Rzc为滚轮的外半径,cm；fg为滚动轴与轴套的滚动动摩擦系数（铜或铜合金轴套对钢轴为0.3,胶木或类胶木轴套对钢轴为0.2）；r为轴的半径,cm；fl为滚轮的滚动摩擦系数,一般取 0.1～0.2。

（3）闸门用于止水密封组件的密封阻力计算公式为：

式中：fzm为止水密封材料与止水密封座的摩擦系数（钢板对钢板密封为0.4,橡胶对钢板密封为0.55～0.75（视材质而取）,橡胶对钢筋混凝土砼面密封为0.8；Pm为作用在止密封面上的压力（单位t）,为侧止水和顶止水及底止水的总长度乘以用于止水密封的密封面平均宽度,再乘以作用在止水面的平均水头得出。

3 实验分析

（1）在标准条件新下安装铸铁闸门螺杆启闭机采用交流启闭机为试验测试,得到如图1所示力矩变化曲线图,从图中可以看出：①在启门过程中,启门瞬间力矩达到最大,运行后力矩符合理论计算,有较小的力矩跳动变化现象。②在闭门过程中,开始运行力矩有跳动,闭门过程中输出力矩明显较低,在闭门到位前输出力矩达到最大值随后闭门到位。

图1 平面闸门启、闭门过程中力矩变化曲线

（2）在图1所在试验基础上,采用直流永磁无刷电机为驱动电机,以实际输出扭矩为基准,结合直流电机特性进行调速调矩控制。检测闸门工作力矩变化的实际值,与设定值相比较进行系统的响应,执行调节输出,进行PID控制。根据实验数据采集得到如图2所示特性曲线,从图中可以看出：①在实际启门力矩发生突变的情况下,系统进行调节控制,降低转速输出与实际所需力矩匹配力矩运行,在实际力矩下降后运行速度恢复额定值。②在水闸开运行接近到位过程中力矩与运行速度输出有逐渐下降趋势,符合系统运行特性。

图2 降速增距控制的水闸启门特性曲线

（3）在模拟门槽运行中卡滞条件下进行交流启闭机控制和基于力矩变化调节控制条件下启门特性分析对比试验得出图3所示启门特性曲线图。从图中可以看出：①采用交流电机控制系统在门槽卡之后,启门瞬间力矩迅速增大,达到额定负载能力,3 s时报过力矩故障,系统停车。②采用直流电机力矩控制系统在门槽卡之后,启门瞬间力矩增大,运行速度降至额定约50%,输出力矩随着运行速度降低增大,在额定输出力矩约150%条件下低速运行3 s后,闸门运行过卡滞区,随着实际力矩降低系统恢复到额定速度运行,实验结果与理论分析基本一致,可在降速增距后排除卡滞故障。

图3 卡滞条件下普通启闭机与力矩调节启闭机运行特性曲线

4 结论

本文介绍了在水闸运行过程中,采用直流永磁无刷驱动方式,以PLC可编程控制为控制单元,应对水闸安装现场自然条件或设备运行中的一般卡滞问题,在分析平面铸铁闸门螺杆启闭条件下的启门力、闭门力特性基础上,提出以实际检测闸门运行转矩为基础,设定最大允许转矩值,系统进行设定的响应,执行转矩、速度调节输出,根据理论分析结合实际试验得出如下结论：

（1）水闸运行过程中自然条件容易引起卡滞现现象,包括沉淀物引起的底层及密封面卡滞、渠道异物引起的运行过程卡滞、密封面老化及门体密封面生锈引起的运行过程中启、闭门力矩明显增加的卡滞故障等,以上所述现象占闸门运行主要故障现象,占比较高,对管理维护及信息化管控存在明显影响。

（2）水闸运行自身主要运行卡滞为密封面老化及锈蚀,闸门底部密封面及密封面转角处最容易积物卡滞。长时间闭门不到位会严重影响水闸的正常运行,利用直流永磁无刷电机为驱动的闸门启闭机具备输出力矩调节功能,以闸门的实际工作力矩为基准,进行力矩调节输出,可有效降低此类卡滞类故障。

（3）采用交流电机驱动条件下同等功率、转速的直流永磁无刷电机作为闸门驱动电机,在同等条件下降低输出转速,同时提高输出功率,利用电机特性采用特定的控制策略进行调节输出,可在额定输出一定范围内输出较大力矩。

受条件限制,这种控制方法暂时无法得到全面的普及,因此,用于解决闸门启闭机在信息化管理过程中存在的降低故障率问题,需进一步深入探究,使其更好地为优化管理而服务。