摘" 要：在水電站運行中，事故閘門作為安全防護設(shè)施的一部分，用于在緊急情況下控制水流或水位，以防止發(fā)生意外事故。當發(fā)生水電站系統(tǒng)故障或其他緊急情況時，可以通過關(guān)閉事故閘門來阻止水流，減輕事故的影響。若水電站出現(xiàn)緊急情況，市電中斷，閘門因無法啟動而導致啟閉機無法操作，則可能造成嚴重的安全事故。為解決這一問題，該文提出一種采用結(jié)合變頻變力制動器的失電落閘系統(tǒng)，旨在提高閘門落閘系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性及突發(fā)災難性事故時可以及時做出應(yīng)對措施的系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，通過對該系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)，該系統(tǒng)能夠有效地保障事故閘門失電后所帶來的安全隱患，具有較高的實用價值和推廣意義。

關(guān)鍵詞：變頻變力制動器；水電站；失電落閘系統(tǒng)；穩(wěn)定性；可靠性

中圖分類號：TP273" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：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

水電站是我國重要的能源供應(yīng)基地，其安全穩(wěn)定運行對國家經(jīng)濟和社會發(fā)展具有重要意義。然而，在水電站的運行中，由于各種原因，如電力系統(tǒng)故障、設(shè)備損壞等，事故閘門失電落閘的情況時有發(fā)生。當事故閘門失電落閘時，可能導致水電站停電、水位異常波動等一系列問題，甚至引發(fā)嚴重事故，造成人員傷亡和財產(chǎn)損失[1]。

為了提高水電站的安全性和穩(wěn)定性，需要對事故閘門失電落閘系統(tǒng)進行優(yōu)化和改進。傳統(tǒng)的失電落閘系統(tǒng)存在著反應(yīng)速度慢、動作不準確等問題，難以滿足水電站的實際需求。因此，本文提出了一種采用變頻變力制動器的系統(tǒng)，以解決傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的問題，提高失電落閘系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性[2-3]。

1" 系統(tǒng)設(shè)計

1.1" 變頻變力制動器原理

變頻變力制動器是一種能夠根據(jù)輸入信號實時調(diào)節(jié)輸出力矩的裝置。通過控制變頻器輸出的頻率，可以精確地控制制動器抱閘的開度。在失電落閘系統(tǒng)中，采用變頻變力制動器可以實現(xiàn)閘門的快速減速和精確停止，從而提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和動作準確性。

1.2" 系統(tǒng)構(gòu)成

本文設(shè)計的變頻變力制動器系統(tǒng)由以下幾部分組成。

變頻器：負責控制電機的頻率，實現(xiàn)對制動器抱閘開度的精確控制。

制動器：負責調(diào)整力矩從而控制制動輪轉(zhuǎn)速的裝置，如圖1、表1所示。

啟閉機電機：閘門控制系統(tǒng)的動力來源，通過驅(qū)動減速機牽引鋼絲繩來操作閘門。

減速機：主要用于控制閘門的開啟和關(guān)閉速度。其通過減速和轉(zhuǎn)換動力的方式，使得閘門在操作時可以平穩(wěn)地加速和減速，從而避免突然的速度變化帶來的沖擊和損壞。同時可以提供足夠的扭矩以應(yīng)對閘門在操作過程中的阻力，確保閘門能夠按照預定的速度和力度進行移動，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

傳感器：荷載傳感器通過監(jiān)測牽引繩的形變情況，實時監(jiān)測閘門在運行過程中的重力變化。精密可調(diào)行程開關(guān)則負責監(jiān)測閘門的位置，并提供超限位保護功能。編碼器通過高精度的測量記錄閘門的實際高度和速度，并將這些數(shù)據(jù)反饋給控制系統(tǒng)，以便進行必要的調(diào)節(jié)和控制[4]。

控制系統(tǒng)：在正常工作狀態(tài)下，制動器的開度只有2種狀態(tài)——全開和全關(guān)。當閘門處于動作狀態(tài)時，制動器完全開啟，不施加制動力。而當閘門停止運動時，制動器立即完全關(guān)閉，實現(xiàn)制動器的立即抱死，以確保閘門的安全停止。在緊急失電落閘狀態(tài)下，制動器打開，并根據(jù)傳感器反饋的閘門運動信息，實時調(diào)節(jié)變頻器的輸出。這樣做可以調(diào)節(jié)制動器的扭矩，進而控制閘門的運動，確保在緊急情況下依然能夠有效地控制閘門的動作。

2" 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1" 系統(tǒng)參數(shù)調(diào)試

根據(jù)此水電站的實際情況和需求，變頻變力制動器推動器的額定功率為800 W，變頻器調(diào)節(jié)范圍為0～50 Hz，可調(diào)范圍為0～3 mm。

2.2" 硬件搭建

本系統(tǒng)搭建變頻變力制動器系統(tǒng)的硬件平臺，包括安裝變頻器、連接電機和傳感器、搭建控制系統(tǒng)。

2.3" 控制邏輯

將傳感器數(shù)據(jù)的采集和處理，將正常工作模式和緊急落閘模式實現(xiàn)分部控制，劃分優(yōu)先級，在失電狀態(tài)下，根據(jù)控制算法調(diào)節(jié)變頻器的輸出，控制閘門的運動[5]?？旖得钕逻_后智能落門制動系統(tǒng)對每臺制動器進行變力控制，使制動器的制動力矩迅速減小到預設(shè)值，使閘門帶摩擦拖磨加速下降[6]。系統(tǒng)實時采集閘門高度和速度信號，組成一個全閉環(huán)控制模型對制動力矩進行微調(diào)控制，自動修正制動力矩大小將閘門下降速度使其穩(wěn)定在預定的快速降門速度，閘門升降制動器控制示意圖，如圖2所示。

3" 模型設(shè)計

確定閘門下降速度v（t）和抱閘開度u（t）之間的傳遞函數(shù)需要考慮系統(tǒng)的動力學特性。由于閘門系統(tǒng)通常是非線性的，并且受到水流、摩擦等復雜因素的影響，因此傳遞函數(shù)可能較復雜[7]。如果假設(shè)閘門下降速度與抱閘開度之間存在某種線性關(guān)系，并且系統(tǒng)可以近似為一階慣性系統(tǒng)，可以嘗試使用簡單的一階傳遞函數(shù)來描述它們之間的關(guān)系。假設(shè)傳遞函數(shù) G（s），可以表示為

式中：V（s）是閘門下降速度的拉普拉斯變換，U（s）是抱閘開度的拉普拉斯變換，K是傳遞函數(shù)的增益，τ是時間常數(shù)。這樣的傳遞函數(shù)模型假設(shè)了以下內(nèi)容：閘門下降速度的響應(yīng)v（t）是抱閘開度u（t）的線性函數(shù)。系統(tǒng)的動態(tài)行為可以近似為一階慣性系統(tǒng)，其響應(yīng)速度由時間常數(shù)τ決定。根據(jù)記錄同一下降過程同一瞬時下，閘門下降速度和抱閘開度的數(shù)據(jù)，見表2。

再借助MATLAB工具進行數(shù)據(jù)擬合，運行下列代碼，如圖3所示。

運行得出如下結(jié)果

根據(jù)要求要將速度保持在2.8 m/min的下降速度，系統(tǒng)未加入PID控制器，利用Simulink仿真，如圖4所示，系統(tǒng)波形如圖5所示。

經(jīng)過PID調(diào)節(jié)后，輸出的波形，如圖6、圖7所示。

4" 實驗結(jié)果

通過對變頻變力制動器系統(tǒng)的實驗驗證，得到了如下結(jié)果：

1）系統(tǒng)響應(yīng)速度快，能夠在較短的時間內(nèi)實現(xiàn)閘門的準確停止。

2）系統(tǒng)動作穩(wěn)定，能夠在不同工況下保持良好的控制效果。

3）系統(tǒng)可靠性高，能夠有效地避免因失電落閘而導致的安全事故。

5" 結(jié)論與展望

本文提出了一種采用變頻變力制動器的系統(tǒng)，用于水電站事故閘門失電落閘系統(tǒng)，通過對系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)，驗證了其在提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性方面的有效性。未來，可以進一步優(yōu)化系統(tǒng)的控制算法，提高系統(tǒng)的性能和適用范圍，推動該技術(shù)在水電站領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣。

參考文獻：

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第一作者簡介：李海灥（1998-），男，初級電氣工程師。研究方向為電氣自動化。