鄭愛華

（揚(yáng)州船閘應(yīng)急保障中心 揚(yáng)州 225200）

京杭運(yùn)河徐揚(yáng)段（俗稱蘇北運(yùn)河）位于江蘇境內(nèi)，北起徐州藺家壩，南至揚(yáng)州六圩口，全長404 k m，是京杭運(yùn)河全線運(yùn)輸最繁忙的航段，也是江蘇“兩縱四橫”干線航道網(wǎng)的重要組成部分。京杭運(yùn)河徐揚(yáng)段溝通著江、淮、沂、泗等4大水系，常年有13個(gè)省、市的船舶運(yùn)輸航行，擔(dān)負(fù)著沿線地區(qū)大宗物資中轉(zhuǎn)集散及北煤南運(yùn)的戰(zhàn)略任務(wù)，在長三角地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展中地位十分突出，是一條名副其實(shí)的“黃金水道”。

揚(yáng)州航道處下屬的幾座船閘是連接蘇北京杭運(yùn)河與里下河水系、長江的重要咽喉通道，自上世紀(jì)60、70年代建成以來為促進(jìn)里下河地區(qū)、長江流域的經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展發(fā)揮了重要作用。由于近年來船舶噸位急劇增大，閘門門體被碰撞損壞越來越嚴(yán)重，且每天24 h滿負(fù)荷運(yùn)行，這就對船閘閘門的穩(wěn)定運(yùn)行提出了更高的要求。因變頻器具有無級調(diào)速的功能，為了保證船閘閘門穩(wěn)定運(yùn)行，揚(yáng)州航道處所屬船閘閘門運(yùn)行方式已普遍采用變頻調(diào)速功能。

1 交流電動機(jī)的調(diào)速方式

（1）變極調(diào)速。它是通過改變電動機(jī)定子繞組的接線方式以改變電機(jī)極數(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)速，這種調(diào)速方法是有級調(diào)速，不能平滑調(diào)速，而且只適用于鼠籠電動機(jī)。

（2）改變電機(jī)轉(zhuǎn)差率調(diào)速。其中，有通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)子回路的電阻進(jìn)行調(diào)速，此種調(diào)速方式效率不高，且不經(jīng)濟(jì)。其次是采用滑差調(diào)速電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，調(diào)速范圍寬且能平滑調(diào)速，但這種調(diào)速裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜（一般由異步電機(jī)、滑差離合器和控制裝置3部分組成），滑差調(diào)速電機(jī)是在主電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定不變的情況下調(diào)節(jié)勵磁實(shí)現(xiàn)調(diào)速的，即便輸出轉(zhuǎn)速很低，而主電機(jī)仍運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速，因此耗電較多，另外勵磁和滑差部分也有效率問題和消耗問題。較好的轉(zhuǎn)差率調(diào)速方式是串級調(diào)速。

（3）變頻調(diào)速。它是通過改變電機(jī)定子的供電頻率，以改變電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速達(dá)到調(diào)速的目的，其調(diào)速性能優(yōu)越，調(diào)速范圍寬，能實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。目前我國生產(chǎn)現(xiàn)場所使用的交流電動機(jī)大多為非調(diào)速型，其耗能十分驚人。如采用變頻調(diào)速，則可節(jié)約大量能源。這對提高經(jīng)濟(jì)效益具有十分重要的意義。

隨著控制理論、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)取得了突破性進(jìn)展，并以其優(yōu)越的調(diào)速性能和良好的節(jié)能效果逐漸取代了直流調(diào)速系統(tǒng)和其他的調(diào)速方式，如變極調(diào)速、串級調(diào)速、滑差電機(jī)調(diào)速、整流子電機(jī)調(diào)速等。

2 變頻調(diào)速技術(shù)的原理及特點(diǎn)

（1）變頻調(diào)速技術(shù)的原理是把工頻50 Hz的交流電轉(zhuǎn)換成三相頻率和電壓可調(diào)的交流電，通過改變交流電動機(jī)定子繞組的供電頻率，在改變頻率的同時(shí)也改變電壓，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的目的（即VVVF技術(shù)）。目前的變頻器系統(tǒng)還采用微機(jī)控制技術(shù)，它可根據(jù)電動機(jī)負(fù)載的變化實(shí)現(xiàn)自動、平滑地增速或減速。

（2）交流變頻調(diào)速系統(tǒng)一般由三相交流異步電動機(jī)、變頻器及控制器組成，它與直流調(diào)速系統(tǒng)相比具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：①異步電動機(jī)比直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，價(jià)格低，它沒有換向器，運(yùn)行可靠；②控制電路比直流調(diào)速系統(tǒng)簡單，易于維護(hù)；③變頻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速范圍寬，能平滑調(diào)速，其調(diào)速靜態(tài)精度及動態(tài)品質(zhì)好，而且節(jié)能顯著，是目前世界公認(rèn)的交流電動機(jī)的最理想、最有前途的調(diào)速技術(shù)，因而在國際上獲得了廣泛的應(yīng)用。

3 施耐德變頻器在揚(yáng)州船閘的實(shí)際運(yùn)用

揚(yáng)州航道處各船閘的變頻器主要用于閘門的變頻調(diào)速運(yùn)行，按啟閉機(jī)類型可分為滾珠絲杠啟閉機(jī)式變頻調(diào)速和液壓啟閉機(jī)式變頻調(diào)速。

3.1 滾珠絲杠啟閉機(jī)變頻調(diào)速方式。

（1）利用開度儀和變頻器相結(jié)合的方式來進(jìn)行變頻調(diào)速，工作原理圖見圖1～3。

圖1 江蘇省高郵運(yùn)西船閘動力拖動局部圖

圖2 OMRON-PLC-輸出模塊OC225的局部圖

圖3 OMRON-PLC-AD003模塊的局部圖

如圖1，2，3所示，高郵運(yùn)西船閘閘門變頻調(diào)速工作原理：OMRON-PLC-AD081模塊采集開度儀的實(shí)時(shí)模擬信號即閘門的開度信號，通過PLC的編程來控制 OMRON-PLC-輸出模塊OC225的各個(gè)線圈的動作，由此控制主回路、變頻器的正、反轉(zhuǎn)和慢速、快速，從而控制電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)即控制閘門的開閘、關(guān)閘，同時(shí)也控制閘門的“慢、快、慢”動作。

（2）利用計(jì)數(shù)器和變頻器相結(jié)合的方式來進(jìn)行變頻調(diào)速。計(jì)數(shù)器安裝位置見圖4。

圖4 江蘇省樊川船閘滾珠絲杠啟閉機(jī)局部圖

由圖4可見，滾珠絲杠啟閉機(jī)槽式光電開關(guān)俗稱計(jì)數(shù)器，滾珠絲杠聯(lián)軸器上有許多小孔，用于計(jì)數(shù)器計(jì)算滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)圈數(shù)。

樊川船閘滾珠絲杠變頻調(diào)速原理：通過聯(lián)軸器上的計(jì)數(shù)器計(jì)算滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，并實(shí)時(shí)向OMRON-PLC-輸入模塊ID231發(fā)出脈沖信號，由PLC內(nèi)部的計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過編制程序，并以聯(lián)軸器旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)來控制輸出模塊各個(gè)線圈的動作來達(dá)到控制變頻器低、高速的目的，從而控制閘門慢速、快速的運(yùn)行動作。閘門的開、關(guān)閘是通過輸入模塊上的開、關(guān)閘按鈕輸入狀態(tài)，控制輸出模塊的各個(gè)線圈，從而控制變頻器的正、反轉(zhuǎn)來控制閘門的開、關(guān)閘。一般當(dāng)電機(jī)的速度大于2 000 r／min，為了保證計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性，PLC需加一塊高速脈沖模塊；樊川船閘的電機(jī)因轉(zhuǎn)速小于2 000 r／min，不需要加高速脈沖模塊。

（3）高郵運(yùn)西船閘與樊川船閘讀取變頻信號的區(qū)別在于：運(yùn)西船閘是通過AD模塊讀取開度信號進(jìn)行變頻調(diào)速；樊川船閘是通過輸入模塊讀取絲桿旋轉(zhuǎn)脈沖信號進(jìn)行變頻調(diào)速。

3.2 液壓啟閉機(jī)變頻調(diào)速方式

（1）利用開度儀和變頻器相結(jié)合的方式來進(jìn)行變頻調(diào)速。高郵運(yùn)東船閘閘門變頻調(diào)速工作原理：OMRON-PLC-AD003模塊采集開度儀的實(shí)時(shí)模擬信號即閘門的開度信號，通過PLC的編程來控制OMRON-PLC-輸出模塊OC225的各個(gè)線圈的動作控制主回路、控制變頻器的慢速、快速（即改變頻率），以達(dá)到控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，實(shí)現(xiàn)閘門的“慢、快、慢”動作。開度儀（即位移傳感器）的信號傳輸分為電壓式和電流式，為了減少傳輸過程中的信號衰減和損耗，一般采用4～20 mA電流信號來進(jìn)行傳輸，對應(yīng)開度儀0～4 m的長度，開度儀的鋼絲繩伸縮長度不同，電流值就不一樣（高郵運(yùn)東船閘二次原理圖與高郵運(yùn)西船閘二次原理圖結(jié)構(gòu)一樣）。

（2）利用行程開關(guān)作為變速中間量與變頻器相結(jié)合的方式來進(jìn)行變頻調(diào)速。江蘇省鹽邵船閘因?yàn)樽冾l器運(yùn)行時(shí)的電磁干擾原因，造成開度儀模擬信號失真，導(dǎo)致閘門“慢、快、慢”動作無法正常運(yùn)行，雖然經(jīng)多次修改PLC程序里“比較指令”的比較值，但由于電磁干擾受環(huán)境因素等影響，電磁干擾強(qiáng)弱每個(gè)時(shí)間段都不一樣，所以調(diào)速性能一直不穩(wěn)定。應(yīng)揚(yáng)州航道處養(yǎng)護(hù)科和船閘應(yīng)急保障中心的要求，為了杜絕這個(gè)現(xiàn)象頻繁發(fā)生，于2013年9月7日對鹽邵船閘的閘門變頻調(diào)速器進(jìn)行了徹底的技術(shù)改造。具體方案如下：用行程開關(guān)代替開度儀，即在油缸行程開終和關(guān)終位置內(nèi)側(cè)各新增一個(gè)行程開關(guān)，用于程序中變速中間量。行程開關(guān)線纜接PLC輸入模塊之前不用的點(diǎn)位分別是5.12（上左閘室側(cè)變速），5.13（上左閘內(nèi)變速），5.14（上右閘室側(cè)變速），5.15（上右閘內(nèi)變速）。為了方便船閘維護(hù)人員的檢查，下游PLC輸入模塊的點(diǎn)位也是5.12，5.13，5.14，5.15，與上游的點(diǎn)位一一對應(yīng)。技改新裝行程開關(guān)見圖5。

圖5 油缸上面行程開關(guān)裝配局部圖

工作原理：當(dāng)閘門油缸運(yùn)行到新裝行程開關(guān)時(shí)，變速信號由輸入模塊輸入到PLC內(nèi)部程序，程序讀取信號后，通過輸出模塊檢出信號，高速繼電器動作，使油缸由低速變成高速；當(dāng)油缸運(yùn)行到下一個(gè)行程開關(guān)時(shí)，變速信號由輸入模塊輸入到PLC內(nèi)部程序，程序讀取信號后，通過輸出模塊檢出信號，低速繼電器動作，使油缸由高速變成低速（鹽邵船閘原理圖與高郵運(yùn)東船閘一樣，控制網(wǎng)絡(luò)都是采用歐姆龍PLC Contr oller Link網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制）。經(jīng)過這次變頻調(diào)速的技術(shù)改造，鹽邵船閘于2013年9月8日正式通航，徹底杜絕了由于電磁干憂而影響閘門正常運(yùn)行的現(xiàn)象，確保了船閘閘門的運(yùn)行安全。這種調(diào)速方式的缺點(diǎn)是：在上位機(jī)組態(tài)畫面上不能實(shí)時(shí)顯示閘門的開度（即開關(guān)）情況。

（3）滾珠絲杠啟閉機(jī)式與液壓啟閉機(jī)式電機(jī)方向控制區(qū)別：

①液壓啟閉機(jī)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向只有一個(gè)方向即正轉(zhuǎn)方向；滾珠絲杠啟閉機(jī)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向有2種即正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。

②液壓啟閉機(jī)式閘門的開閘和關(guān)閘是通過控制電磁閥的轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)的，電機(jī)只有一種運(yùn)轉(zhuǎn)方向即正轉(zhuǎn)方向，變頻器運(yùn)行是單一的正轉(zhuǎn)方向；滾珠絲杠啟閉機(jī)是通過變頻器實(shí)現(xiàn)電機(jī)正、反轉(zhuǎn)來控制閘門的開閘和關(guān)閘的。從“運(yùn)西船閘動力拖動力圖”可以看出：開閘受變頻器上的繼電器常開觸頭9，11 k A控制即開閘低速；關(guān)閘受變頻器上繼電器常開觸頭10，12 k A控制即關(guān)閘低速；7，8 k A是控制開、關(guān)閘高速。

3.3 變頻器實(shí)際應(yīng)用注意事項(xiàng)

（1）變頻器的輸出電纜要盡量靠近電動機(jī)，一般要求電機(jī)電纜長度小于25 m，且電纜要用屏蔽電纜，屏蔽電纜的屏蔽層要兩端接地；如果變頻器和電機(jī)之間電纜長度超過50 m，則應(yīng)加裝輸出濾波器。

（2）變頻器運(yùn)行停止后，工作人員要等10 min才能靠近變頻器進(jìn)行操作，因?yàn)檫@個(gè)時(shí)間是變頻器上電容高壓放電所需的時(shí)間。

（3）因變頻器運(yùn)行時(shí)，變頻器的主要電磁干擾來源于電機(jī)電源線即變頻器的輸出線，為了減小電磁干擾，我們要求電機(jī)電源線與其他電線的距離大于3 c m。

3.4 變頻器使用存在的問題

因變頻器工作時(shí)對線路的電磁干擾非常嚴(yán)重，特別是對廣播、模擬信號電磁干擾，處理不好將嚴(yán)重影響閘門的調(diào)整功能，從而影響船閘的運(yùn)行安全，所以采取如下措施：

（1）電纜溝、電纜預(yù)埋管道、橋架要做到強(qiáng)、弱電分開，并做好接地、屏蔽工作。

（2）廣播、開度儀信號必須采用屏蔽電纜且做好屏蔽線接地工作，為了保證屏蔽效果，電纜外側(cè)最好再加一層金屬套管進(jìn)行再次屏蔽且兩端要求接地。

4 結(jié)語

目前我國生產(chǎn)現(xiàn)場所使用的交流電動機(jī)大多為非調(diào)速型，其耗能十分驚人，如合理地采用變頻調(diào)速，則可節(jié)約大量能源，對提高經(jīng)濟(jì)效益具有十分重要的意義。對于船閘而言，除了提高經(jīng)濟(jì)效益之外，變頻調(diào)速的有效和穩(wěn)定是有力保障船閘閘門安全運(yùn)行的前提，是確保蘇北運(yùn)河黃金水道安全暢通的必要條件。我們相信，隨著全球能源短缺趨勢的加劇以及交流變頻技術(shù)及變頻器產(chǎn)品性能和功能的日趨完善，變頻調(diào)速技術(shù)將廣泛地應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。