浅析变频器在扬州船闸的运用

郑爱华

（扬州船闸应急保障中心 扬州 225200）

京杭运河徐扬段（俗称苏北运河）位于江苏境内，北起徐州蔺家坝，南至扬州六圩口，全长404 k m，是京杭运河全线运输最繁忙的航段，也是江苏“两纵四横”干线航道网的重要组成部分。京杭运河徐扬段沟通着江、淮、沂、泗等4大水系，常年有13个省、市的船舶运输航行，担负着沿线地区大宗物资中转集散及北煤南运的战略任务，在长三角地区经济社会发展中地位十分突出，是一条名副其实的“黄金水道”。

扬州航道处下属的几座船闸是连接苏北京杭运河与里下河水系、长江的重要咽喉通道，自上世纪60、70年代建成以来为促进里下河地区、长江流域的经济和社会发展发挥了重要作用。由于近年来船舶吨位急剧增大，闸门门体被碰撞损坏越来越严重，且每天24 h满负荷运行，这就对船闸闸门的稳定运行提出了更高的要求。因变频器具有无级调速的功能，为了保证船闸闸门稳定运行，扬州航道处所属船闸闸门运行方式已普遍采用变频调速功能。

1 交流电动机的调速方式

（1）变极调速。它是通过改变电动机定子绕组的接线方式以改变电机极数实现调速，这种调速方法是有级调速，不能平滑调速，而且只适用于鼠笼电动机。

（2）改变电机转差率调速。其中，有通过改变电机转子回路的电阻进行调速，此种调速方式效率不高，且不经济。其次是采用滑差调速电机进行调速，调速范围宽且能平滑调速，但这种调速装置结构复杂（一般由异步电机、滑差离合器和控制装置3部分组成），滑差调速电机是在主电机转速恒定不变的情况下调节励磁实现调速的，即便输出转速很低，而主电机仍运行在额定转速，因此耗电较多，另外励磁和滑差部分也有效率问题和消耗问题。较好的转差率调速方式是串级调速。

（3）变频调速。它是通过改变电机定子的供电频率，以改变电机的同步转速达到调速的目的，其调速性能优越，调速范围宽，能实现无级调速。目前我国生产现场所使用的交流电动机大多为非调速型，其耗能十分惊人。如采用变频调速，则可节约大量能源。这对提高经济效益具有十分重要的意义。

随着控制理论、微电子技术和计算机技术的发展，使交流电机变频调速技术取得了突破性进展，并以其优越的调速性能和良好的节能效果逐渐取代了直流调速系统和其他的调速方式，如变极调速、串级调速、滑差电机调速、整流子电机调速等。

2 变频调速技术的原理及特点

（1）变频调速技术的原理是把工频50 Hz的交流电转换成三相频率和电压可调的交流电，通过改变交流电动机定子绕组的供电频率，在改变频率的同时也改变电压，从而达到调节电动机转速的目的（即VVVF技术）。目前的变频器系统还采用微机控制技术，它可根据电动机负载的变化实现自动、平滑地增速或减速。

（2）交流变频调速系统一般由三相交流异步电动机、变频器及控制器组成，它与直流调速系统相比具有以下显著优点：①异步电动机比直流电动机结构简单，重量轻，价格低，它没有换向器，运行可靠；②控制电路比直流调速系统简单，易于维护；③变频调速系统调速范围宽，能平滑调速，其调速静态精度及动态品质好，而且节能显著，是目前世界公认的交流电动机的最理想、最有前途的调速技术，因而在国际上获得了广泛的应用。

3 施耐德变频器在扬州船闸的实际运用

扬州航道处各船闸的变频器主要用于闸门的变频调速运行，按启闭机类型可分为滚珠丝杠启闭机式变频调速和液压启闭机式变频调速。

3.1 滚珠丝杠启闭机变频调速方式。

（1）利用开度仪和变频器相结合的方式来进行变频调速，工作原理图见图1～3。

图1 江苏省高邮运西船闸动力拖动局部图

图2 OMRON-PLC-输出模块OC225的局部图

图3 OMRON-PLC-AD003模块的局部图

如图1，2，3所示，高邮运西船闸闸门变频调速工作原理：OMRON-PLC-AD081模块采集开度仪的实时模拟信号即闸门的开度信号，通过PLC的编程来控制 OMRON-PLC-输出模块OC225的各个线圈的动作，由此控制主回路、变频器的正、反转和慢速、快速，从而控制电机的正、反转即控制闸门的开闸、关闸，同时也控制闸门的“慢、快、慢”动作。

（2）利用计数器和变频器相结合的方式来进行变频调速。计数器安装位置见图4。

图4 江苏省樊川船闸滚珠丝杠启闭机局部图

由图4可见，滚珠丝杠启闭机槽式光电开关俗称计数器，滚珠丝杠联轴器上有许多小孔，用于计数器计算滚珠丝杠旋转圈数。

樊川船闸滚珠丝杠变频调速原理：通过联轴器上的计数器计算滚珠丝杠旋转圈数，并实时向OMRON-PLC-输入模块ID231发出脉冲信号，由PLC内部的计数器进行计数，通过编制程序，并以联轴器旋转的圈数来控制输出模块各个线圈的动作来达到控制变频器低、高速的目的，从而控制闸门慢速、快速的运行动作。闸门的开、关闸是通过输入模块上的开、关闸按钮输入状态，控制输出模块的各个线圈，从而控制变频器的正、反转来控制闸门的开、关闸。一般当电机的速度大于2 000 r／min，为了保证计数的准确性，PLC需加一块高速脉冲模块；樊川船闸的电机因转速小于2 000 r／min，不需要加高速脉冲模块。

（3）高邮运西船闸与樊川船闸读取变频信号的区别在于：运西船闸是通过AD模块读取开度信号进行变频调速；樊川船闸是通过输入模块读取丝杆旋转脉冲信号进行变频调速。

3.2 液压启闭机变频调速方式

（1）利用开度仪和变频器相结合的方式来进行变频调速。高邮运东船闸闸门变频调速工作原理：OMRON-PLC-AD003模块采集开度仪的实时模拟信号即闸门的开度信号，通过PLC的编程来控制OMRON-PLC-输出模块OC225的各个线圈的动作控制主回路、控制变频器的慢速、快速（即改变频率），以达到控制电动机转速的目的，实现闸门的“慢、快、慢”动作。开度仪（即位移传感器）的信号传输分为电压式和电流式，为了减少传输过程中的信号衰减和损耗，一般采用4～20 mA电流信号来进行传输，对应开度仪0～4 m的长度，开度仪的钢丝绳伸缩长度不同，电流值就不一样（高邮运东船闸二次原理图与高邮运西船闸二次原理图结构一样）。

（2）利用行程开关作为变速中间量与变频器相结合的方式来进行变频调速。江苏省盐邵船闸因为变频器运行时的电磁干扰原因，造成开度仪模拟信号失真，导致闸门“慢、快、慢”动作无法正常运行，虽然经多次修改PLC程序里“比较指令”的比较值，但由于电磁干扰受环境因素等影响，电磁干扰强弱每个时间段都不一样，所以调速性能一直不稳定。应扬州航道处养护科和船闸应急保障中心的要求，为了杜绝这个现象频繁发生，于2013年9月7日对盐邵船闸的闸门变频调速器进行了彻底的技术改造。具体方案如下：用行程开关代替开度仪，即在油缸行程开终和关终位置内侧各新增一个行程开关，用于程序中变速中间量。行程开关线缆接PLC输入模块之前不用的点位分别是5.12（上左闸室侧变速），5.13（上左闸内变速），5.14（上右闸室侧变速），5.15（上右闸内变速）。为了方便船闸维护人员的检查，下游PLC输入模块的点位也是5.12，5.13，5.14，5.15，与上游的点位一一对应。技改新装行程开关见图5。

图5 油缸上面行程开关装配局部图

工作原理：当闸门油缸运行到新装行程开关时，变速信号由输入模块输入到PLC内部程序，程序读取信号后，通过输出模块检出信号，高速继电器动作，使油缸由低速变成高速；当油缸运行到下一个行程开关时，变速信号由输入模块输入到PLC内部程序，程序读取信号后，通过输出模块检出信号，低速继电器动作，使油缸由高速变成低速（盐邵船闸原理图与高邮运东船闸一样，控制网络都是采用欧姆龙PLC Contr oller Link网络进行控制）。经过这次变频调速的技术改造，盐邵船闸于2013年9月8日正式通航，彻底杜绝了由于电磁干忧而影响闸门正常运行的现象，确保了船闸闸门的运行安全。这种调速方式的缺点是：在上位机组态画面上不能实时显示闸门的开度（即开关）情况。

（3）滚珠丝杠启闭机式与液压启闭机式电机方向控制区别：

①液压启闭机电机的旋转方向只有一个方向即正转方向；滚珠丝杠启闭机电机的旋转方向有2种即正转和反转。

②液压启闭机式闸门的开闸和关闸是通过控制电磁阀的转换来实现的，电机只有一种运转方向即正转方向，变频器运行是单一的正转方向；滚珠丝杠启闭机是通过变频器实现电机正、反转来控制闸门的开闸和关闸的。从“运西船闸动力拖动力图”可以看出：开闸受变频器上的继电器常开触头9，11 k A控制即开闸低速；关闸受变频器上继电器常开触头10，12 k A控制即关闸低速；7，8 k A是控制开、关闸高速。

3.3 变频器实际应用注意事项

（1）变频器的输出电缆要尽量靠近电动机，一般要求电机电缆长度小于25 m，且电缆要用屏蔽电缆，屏蔽电缆的屏蔽层要两端接地；如果变频器和电机之间电缆长度超过50 m，则应加装输出滤波器。

（2）变频器运行停止后，工作人员要等10 min才能靠近变频器进行操作，因为这个时间是变频器上电容高压放电所需的时间。

（3）因变频器运行时，变频器的主要电磁干扰来源于电机电源线即变频器的输出线，为了减小电磁干扰，我们要求电机电源线与其他电线的距离大于3 c m。

3.4 变频器使用存在的问题

因变频器工作时对线路的电磁干扰非常严重，特别是对广播、模拟信号电磁干扰，处理不好将严重影响闸门的调整功能，从而影响船闸的运行安全，所以采取如下措施：

（1）电缆沟、电缆预埋管道、桥架要做到强、弱电分开，并做好接地、屏蔽工作。

（2）广播、开度仪信号必须采用屏蔽电缆且做好屏蔽线接地工作，为了保证屏蔽效果，电缆外侧最好再加一层金属套管进行再次屏蔽且两端要求接地。

4 结语

目前我国生产现场所使用的交流电动机大多为非调速型，其耗能十分惊人，如合理地采用变频调速，则可节约大量能源，对提高经济效益具有十分重要的意义。对于船闸而言，除了提高经济效益之外，变频调速的有效和稳定是有力保障船闸闸门安全运行的前提，是确保苏北运河黄金水道安全畅通的必要条件。我们相信，随着全球能源短缺趋势的加剧以及交流变频技术及变频器产品性能和功能的日趋完善，变频调速技术将广泛地应用在工业生产的各个领域。