变频变力制动器在水电站事故闸门失电落闸系统中的应用

摘" 要：在水电站运行中，事故闸门作为安全防护设施的一部分，用于在紧急情况下控制水流或水位，以防止发生意外事故。当发生水电站系统故障或其他紧急情况时，可以通过关闭事故闸门来阻止水流，减轻事故的影响。若水电站出现紧急情况，市电中断，闸门因无法启动而导致启闭机无法操作，则可能造成严重的安全事故。为解决这一问题，该文提出一种采用结合变频变力制动器的失电落闸系统，旨在提高闸门落闸系统的稳定性、可靠性及突发灾难性事故时可以及时做出应对措施的系统。实验结果表明，通过对该系统的设计和实现，该系统能够有效地保障事故闸门失电后所带来的安全隐患，具有较高的实用价值和推广意义。

关键词：变频变力制动器；水电站；失电落闸系统；稳定性；可靠性

中图分类号：TP273" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2095-2945（2024）32-0185-04

Abstract： In the operation of hydropower stations， accident gates are used as part of safety protection facilities to control water flow or water level in emergency situations to prevent accidents. When a hydropower station system failure or other emergency occurs， the accident gate can be closed to stop the water flow and reduce the impact of the accident. If an emergency occurs in the hydropower station， the mains power is interrupted， and the gate cannot be started， resulting in the hoist being unable to operate， which may cause a serious safety accident. In order to solve this problem， this paper proposes a power-loss switch-down system combined with a variable-frequency variable force brake， which aims to improve the stability and reliability of the gate switch-down system and can take timely response measures in case of sudden catastrophic accidents. Through the design and implementation of the system， experimental results show that the system can effectively protect the safety hazards caused by the power loss of the accident gate， and has high practical value and promotion significance.

Keywords： variable frequency variable force brake; hydropower station; power-loss brake system; stability; reliability

水电站是我国重要的能源供应基地，其安全稳定运行对国家经济和社会发展具有重要意义。然而，在水电站的运行中，由于各种原因，如电力系统故障、设备损坏等，事故闸门失电落闸的情况时有发生。当事故闸门失电落闸时，可能导致水电站停电、水位异常波动等一系列问题，甚至引发严重事故，造成人员伤亡和财产损失[1]。

为了提高水电站的安全性和稳定性，需要对事故闸门失电落闸系统进行优化和改进。传统的失电落闸系统存在着反应速度慢、动作不准确等问题，难以满足水电站的实际需求。因此，本文提出了一种采用变频变力制动器的系统，以解决传统系统存在的问题，提高失电落闸系统的稳定性和可靠性[2-3]。

1" 系统设计

1.1" 变频变力制动器原理

变频变力制动器是一种能够根据输入信号实时调节输出力矩的装置。通过控制变频器输出的频率，可以精确地控制制动器抱闸的开度。在失电落闸系统中，采用变频变力制动器可以实现闸门的快速减速和精确停止，从而提高系统的响应速度和动作准确性。

1.2" 系统构成

本文设计的变频变力制动器系统由以下几部分组成。

变频器：负责控制电机的频率，实现对制动器抱闸开度的精确控制。

制动器：负责调整力矩从而控制制动轮转速的装置，如图1、表1所示。

启闭机电机：闸门控制系统的动力来源，通过驱动减速机牵引钢丝绳来操作闸门。

减速机：主要用于控制闸门的开启和关闭速度。其通过减速和转换动力的方式，使得闸门在操作时可以平稳地加速和减速，从而避免突然的速度变化带来的冲击和损坏。同时可以提供足够的扭矩以应对闸门在操作过程中的阻力，确保闸门能够按照预定的速度和力度进行移动，保证了系统的稳定性和安全性。

传感器：荷载传感器通过监测牵引绳的形变情况，实时监测闸门在运行过程中的重力变化。精密可调行程开关则负责监测闸门的位置，并提供超限位保护功能。编码器通过高精度的测量记录闸门的实际高度和速度，并将这些数据反馈给控制系统，以便进行必要的调节和控制[4]。

控制系统：在正常工作状态下，制动器的开度只有2种状态——全开和全关。当闸门处于动作状态时，制动器完全开启，不施加制动力。而当闸门停止运动时，制动器立即完全关闭，实现制动器的立即抱死，以确保闸门的安全停止。在紧急失电落闸状态下，制动器打开，并根据传感器反馈的闸门运动信息，实时调节变频器的输出。这样做可以调节制动器的扭矩，进而控制闸门的运动，确保在紧急情况下依然能够有效地控制闸门的动作。

2" 系统实现

2.1" 系统参数调试

根据此水电站的实际情况和需求，变频变力制动器推动器的额定功率为800 W，变频器调节范围为0～50 Hz，可调范围为0～3 mm。

2.2" 硬件搭建

本系统搭建变频变力制动器系统的硬件平台，包括安装变频器、连接电机和传感器、搭建控制系统。

2.3" 控制逻辑

将传感器数据的采集和处理，将正常工作模式和紧急落闸模式实现分部控制，划分优先级，在失电状态下，根据控制算法调节变频器的输出，控制闸门的运动[5]。快降命令下达后智能落门制动系统对每台制动器进行变力控制，使制动器的制动力矩迅速减小到预设值，使闸门带摩擦拖磨加速下降[6]。系统实时采集闸门高度和速度信号，组成一个全闭环控制模型对制动力矩进行微调控制，自动修正制动力矩大小将闸门下降速度使其稳定在预定的快速降门速度，闸门升降制动器控制示意图，如图2所示。

3" 模型设计

确定闸门下降速度v（t）和抱闸开度u（t）之间的传递函数需要考虑系统的动力学特性。由于闸门系统通常是非线性的，并且受到水流、摩擦等复杂因素的影响，因此传递函数可能较复杂[7]。如果假设闸门下降速度与抱闸开度之间存在某种线性关系，并且系统可以近似为一阶惯性系统，可以尝试使用简单的一阶传递函数来描述它们之间的关系。假设传递函数 G（s），可以表示为

式中：V（s）是闸门下降速度的拉普拉斯变换，U（s）是抱闸开度的拉普拉斯变换，K是传递函数的增益，τ是时间常数。这样的传递函数模型假设了以下内容：闸门下降速度的响应v（t）是抱闸开度u（t）的线性函数。系统的动态行为可以近似为一阶惯性系统，其响应速度由时间常数τ决定。根据记录同一下降过程同一瞬时下，闸门下降速度和抱闸开度的数据，见表2。

再借助MATLAB工具进行数据拟合，运行下列代码，如图3所示。

运行得出如下结果

根据要求要将速度保持在2.8 m/min的下降速度，系统未加入PID控制器，利用Simulink仿真，如图4所示，系统波形如图5所示。

经过PID调节后，输出的波形，如图6、图7所示。

4" 实验结果

通过对变频变力制动器系统的实验验证，得到了如下结果：

1）系统响应速度快，能够在较短的时间内实现闸门的准确停止。

2）系统动作稳定，能够在不同工况下保持良好的控制效果。

3）系统可靠性高，能够有效地避免因失电落闸而导致的安全事故。

5" 结论与展望

本文提出了一种采用变频变力制动器的系统，用于水电站事故闸门失电落闸系统，通过对系统的设计和实现，验证了其在提高系统稳定性和可靠性方面的有效性。未来，可以进一步优化系统的控制算法，提高系统的性能和适用范围，推动该技术在水电站领域的应用和推广。

参考文献：

[1] 李国宁，阿木古楞，王雪岩，等.水电站尾水事故闸门现场动水关闭实验研究[J].内蒙古水利，2021（8）：46-47.

[2] 李兵.闸门异常下滑监测装置结构改造研究[J].水电站机电技术，2020，43（8）：45-48.

[3] 贾海波，姜达，韩超.水利水电工程失电情况下启闭闸门应急处置措施[J].水电站机电技术，2020，43（10）：42-44.

[4] 唐刚.水电厂闸门分布式控制系统的研究[D].武汉：武汉理工大学，2015.

[5] 刘绪军.应急操作器在水电站泄洪闸门安全运行中的必要性

[J].水电站机电技术，2023，46（10）：102-104.

[6] 文元雄.自动化控制在水电站中的运用与实践[J].工程抗震与加固改造，2023，45（4）：190.

[7] 何哲文，江帆，曾作朋，等.桃源水电站机组甩负荷后闸门联动控制策略研究[J].水电与抽水蓄能，2023，9（3）：90-95.

第一作者简介：李海灥（1998-），男，初级电气工程师。研究方向为电气自动化。