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| Vacon变频器在水电站启闭机上的应用 |
摘要：交流变频器以其良好的节能效果和卓越的矢量控制性能，越来越广泛的被应用到工业各场合。多台Vacon NX频器通过主从同步控制在溪洛渡水电站的应用为启闭机提升提供了一个全新的解决方案，提高了系统的自动化水平和机械的整体性能。
1 引言
世界第三大、中国第二大水电站—溪洛渡电站，位于四川省雷波县和云南省永善县境内的金沙江干流上。上接白鹤滩电站尾水，下与向家坝水库相连。电站总投资503亿元，装机总容量1260万千瓦，仅次于三峡电站。左右两岸布置地下式厂房，各装机9台单机70万千瓦机组，总装机1260万千瓦，初期保证出力339.5万千瓦，多年平均发电量571.2～640亿千瓦时。由中信重机公司制造的8000KN固定式启闭机已安装用于导流开截闸。启闭机由2组卷筒组成，其直径为2.786米，长度4.49米，左右分布24圈绳槽，双向卷扬，螺距60mm，每个卷筒与闸门的一个吊点相连，闸门净重800吨，正常截流闭闸时，在水的压力下，提升重量可达1400吨，电机运行于50Hz, 闸门运行速度1米/分钟，提升高度80米，提升能力高达1600吨。如此大型的启闭机必须要求控制系统具有极高的可靠性和稳定性，否则一旦发生事故，后果不堪设想。
2 启闭机系统
启闭机是用来开启和关闭闸门的机械设备，也称闸门操作设备。启闭机除满足一般起重机的设计要求外，工作安全可靠和操作灵活方便也十分重要。启闭机的类型可分为固定式和移动式。主要参数包括启闭力、闸门开启或下降的牵引力或施加的压力、开启行程和开启速度。选择启闭机时主要考虑以下因素：闸门形式、封口尺寸和运行条件、同型闸门孔口数量和闸门设置扇数，闸门起吊点的个数、启闭力、启闭行程和启闭速度、启闭动力状况，设置地点，空间尺寸和其他操作要求等等。本项目选用的是固定式启闭机。
启闭机的主要配置：Siemens触摸屏和S7-315-2Dp PLC各1个、Vacon变频器4台及制动电阻柜，110KW变频电动机4台，减速箱(减速比80：1) 4套，电动液压抱闸4套，卷筒2组，吊点2个，高度计4个，荷重计2个，及其他主令控制器和信号指示等。系统结构见图1
图1 启闭机系统配置图
3.控制系统设计
控制系统要有极高的可靠性、稳定性及严格的同步控制，其控制核心为PLC、Vacon变频器、Profibus Dp和System Bus。其中，PLC采用的是Siemens S7-315-2Dp。Vacon变频器采用了先进的矢量控制算法和领先的模块化设计，配合电机参数识别，动态补偿负载波动，及时地快速响应和控制，具有很高的过载能力、稳态精度和快速动态响应能力，可满足要求很高的应用场合。同时还具有开放式的基于IEC61131-3标准的编程软件工具NC61131, 利用它可以设计出满足客户特殊要求的应用程序和参数。Vacon变频器自带的面板支持热插拔，同时具有存储多组参数的功能，便于机器间参数的复制和调试，支持众多流行的现场总线，与其他控制器兼容性非常强。System Bus总线为Vacon开发的基于CAN的现场总线，传输介质为光纤，波特率高达12M，它可以实现64台变频器的主从同步控制。Profibus是一种国际化、开放式、不依赖于生产商的现场总线标准，广泛应用于工业自动化。Profibus根据应用特点可分为Profibus Dp、Profibus FMS、Profibus PA三个兼容版本。其中Profibus Dp是一种高速(速率9.6-12MKbit/s)的经济设备网络，主要用于现场控制器和分散式I/O之间的通讯，可满足交流调速系统快速响应的时间要求。因此，由PLC、变频器、Profibus Dp和System Bus组成的控制系统可以实时、可靠、快速、准确、高效满足控制要求，为启闭机提升提供了全新的解决方案。控制过程见图2。
整个过程须保证闸门匀速，稳定的上升或下降。闸门提升速度推导如下：
已知三相异步电机转速
可得卷筒转速
卷筒线速度
闸门提升速度
启闭机采用常规控制方式-本地操作。在柜门上装有主令控制按钮用于设备的起停操作，触摸屏上有闸门高度显示、载荷显示、信号指示、电压表、电流表、频率速度表和转矩显示等。闸门运行方式可分为点动和联动，点动用于高度微调和修正，联动则用于正常工作。运行速度分为3档，即低速、中速、高速；低速用于调试或点动微调，中速为正常运行速度，高速则用于无负载快速检修。上升或下降时，由主令元件给出启动及正反转信号到PLC, PLC接到命令后通过Profibus Dp把控制字送给第一个卷筒的Master变频器，Master变频器为开环矢量速度控制,，Master变频器把控制信号传给follow变频器，follow变频器为转矩控制，并通过System Bus与Master变频器同步，保持Master和Follow转矩相等。同时，PLC也会根据两个吊点的高度差和荷重进行PID调节并计算出第二个卷筒Master变频器运行的参考速度，并通过Profibus Dp传送过去，2#卷筒的Follow变频器也将近一步同步跟随Master，进而达到2个卷筒连个吊点在同一水平位置匀速上升或下降。电机运行曲线见图3。
图3 电机转矩/速度运行曲线
4.系统电气保护设计
为了维持启闭机负荷-闸门水平的上升或下降，防止闸门倾斜，在卷筒上装有高度计和压力传感器用于检测闸门的高度和荷重，当两吊点高度差大于5mm或者荷重差大于50吨时，控制系统将报警，停止变频器和电机。除此之外，变频器还提供了PT100电机温度报警等。
5.结束
以Vacon变频器、PLC、现场总线为控制核心的水电站启闭机控制方案，可以实时控制，还具有启闭力矩大，节能效果显著，机械冲击小，运行安全可靠，操作简单等优点，可满足不同工况的应用场合，为重型启闭机提供了一个可靠稳定的解决方案。
参考文献
[1] 满永奎、吴成东. 通用变频技术[M]. 北京：机械工业出版社 1996
[2] 王云亮. 电力电子技术[M]. 北京：电子工业出版社 2004
[3] Vacon PLC. Vacon NX All in One 应用手册[M]. 2007
[4] 中交水运规划设计院. 船闸启闭机设计规范. 北京：人民交通出版社 2006
作者简介
李明星 (1979 - )， 男，2003年毕业于长春工程学院电气自动化专业，现任伟肯(苏州)电气传动有限公司应用工程师，从事Vacon变频器的技术应用工作。 |
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