变频器在船闸控制系统中的应用

变频器在船闸控制系统中的应用作者：陈刚来源：出处：阅读：发布时间：2007-9-2616:55:00供稿：中国工控网1引言变频器作为一种高效的电动机电源驱动设备，由于控制性能、速度控制范围、效率及维修性能方面的优越性，以及节能、效率高、保护功能全等优点，现已广泛在工业生产中采用并陆续应用在船闸控制系统中。本文根据变频器在苏北运河船闸运行、应用中总结出的一些使用方法，并提出了使用变频器时应注意的一些问题。2变频器在苏北运河船闸中的应用苏北运河船闸闸门门型有人字门、横拉门两种，人字门船闸(淮阴船闸、宿迁船闸等)采用液压四连杆启闭机或液压直推式启闭机，横拉门船闸(邵伯船闸、刘山船闸等)采用齿轮齿条反推式启闭机。液压直推式和液压四连杆启闭机的传动原理是:电机得电后转动，将电能转变成机械能传给油泵，带动油泵转动;油泵转动后输出压力油，将机械能转变成压力油势能;压力油进入油缸后，将压力油的势能又转变为机械能，推动活塞及活塞杆伸出或缩进，从而带动闸门运行。齿轮齿条反推式启闭机的传动原理是:电机得电后转动，将电能转变成机械能传给减速箱，减速箱带动齿轮转动，齿轮转动后带动顶平车在齿条上运行，从而带动闸门运行。在以往的动力控制中，在电机闸门开启和关闭的过程中，速度基本保持不变，闸门在运行过程中始终以同一速度运行。通过了解闸门启闭机的工作原理可知，在不改变船闸机械传动机构的情况下，只要在闸门运行过程中控制电机的转速，即可控制闸门的运行速度，使闸门在运行过程中平稳的加减速。而在电机的各种调速方法中(变压调速、变极调速、变频调速)，又以变频调速的控制性能、速度控制范围、维修性能以及安全保护功能等方面最具有优势，所以，在船闸闸门调速中采用变频调速，并取得了成功。投入运行使用以来，效果良好，闸门在运行过程中达到“慢—快—慢”无级变速运行，在很大程度减轻了闸门开关终位因限位开关位置不当等原因造成闸门碰撞造成对闸门及其顶底枢的不良影响，闸门运行过程中加减速更加平稳，有效的保护了船闸闸门，很大程度降低了船闸机电人员对船闸的维护工作量，增加了船闸的运行安全系数。3变频器的选型3.1变频器选型在变频器的选型设计时，应充分考虑到应用场合的使用工况条件的最恶劣情况，留有足够的裕度，并采取保护措施，在选型时应对技术性能和经济指标进行综合考虑，以选择相应的变频器规格容量。如果选型不当，对变频器的效率和正常运行影响极大。变频器选型时容量应作如下考虑。对连续运行时所需变频器容量必须满足以下几点:(1)变频器容量必须大于负载所要求的输出，即(2)变频器容量不能低于电动机容量，即(3)变频器电流应大于电动机电流，即(4)起动时变频器容量应满足下式以上各式中，K为电流波形补偿系数(PWM控制方式时取1.05～1.10);为负载所要求的电动机轴输出;η为电动机效率(通常取0.85);cosφ为电动机功率因数(通常取0.75);为电动机额定电压;为电动机额定电流;为变频器电流;为电动机额定转速;为负载转矩;为飞轮转矩;为加速时间。对于苏北运河的人字门船闸和横拉门船闸，其启闭都是在平水位时进行的，在当初的船闸设计时，选用的电机已留有一定的裕度，而且变频器和电机不是连续运行的(每30min运行3～4min)，所以一般在变频器的选型时只需选变频器容量等于或稍大于当前电机额定功率即可。在苏北运河人字门船闸，闸门泵站电机为11kW，选用施耐德ATV-58HD16N4变频器;横拉门船闸，闸门电机为15kW，选用施耐德ATV-58HD23N4变频器。另外，船闸用户在提供实际工况原始参数时，要保证其准确性，未使用过变频器的用户可请有经验的单位或变频器设计制造厂家做方案设计。3.2变频器与电动机配套问题变频器在实际应用中，要考虑变频器与电动机相匹配的问题，如低速时的冷却问题、电动机的运行稳定性和频繁起动问题。3.3变频器安装的问题由于变频器属于精密的功率电力电子产品，其现场安装工艺的好坏也影响着变频器的正常工作。成功的安装可以确保变频器安全和无故障运行,变频器对安装环境要求较高。一般变频器使用手册规定温度范围为最低温度-10℃，最高温度不超过50℃(最高60℃，通常50℃以上每升高1℃降容2.2％);变频器的安装海拔高度应小于1000m，超过此规定应降容使用(通常1000m以上每增加100m降容1％);变频器不能安装在振动冲击较大的场合，应采用橡胶等防振措施;不能安装在电磁干扰源附近;不能安装在有灰尘、腐蚀性气体等空气污染的环境;不能安装在潮湿环境中，如潮湿管道下面。应尽量采用密封柜式结构，并且要保证变频器通风畅通，确保控制柜有足够的冷却风量。3.4变频器运行的问题变频器在出厂时，所有的功能码都已经被设定成出厂值，但是在变频器系统运行时，应根据系统的工艺要求，对某些参数重新设定。如操作方式、最高频率、基本频率、额定电压、加减速时间等。4变频器的干扰问题变频器作为电力电子设备，主要包含有电力电子元器件、微处理器芯片等，易受到外界的一些电气干扰。同时，逆变器输入侧是一个非线性整流电路，使电源的波形畸变，出现高次谐波;变频器输出侧电压、电流非正弦波或非完全正弦波也含有丰富的谐波，即变频器投入运行后会产生高次谐波，它对与其相接的电网和用电设备会产生干扰，故要考虑通常所说的电磁兼容EMC(Electro-MagneticCompatibility)。4.1变频器干扰产生及危害(1)变频器干扰的产生实际上不限于通用变频器，晶闸管供电的直流电动机、无换向器电动机等凡是在电源侧有整流回路的，都将产生因其非线性整流引起的高次谐波。变频器的干扰由输入端谐波和输出端谐波产生。(2)高次谐波危害变频器产生的高次谐波的危害主要有以下几个方面:增加变压器铜损和铁损;使电动机铜损和铁损增加，温度上升;因高次谐波导致电容器过热、甚至损坏电容器;由于谐波电流使开关设备在起动瞬间产生很高的电流变化率，产生操作过电压，破坏绝缘，还会引起开关跳脱、引起误动作;计量仪表因为谐波会引起误差，降低精度，甚至烧毁线圈;电力电子设备也会因谐波造成误动作。4.2船闸实际应用中抗干扰措施的应用防止变频器高次谐波干扰对策接线图如附图所示。附图防止变频器高次谐波干扰对策接线图（1)隔离措施隔离技术是电磁兼容性中的重要技术之一。所谓干扰的隔离，是指从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来，使它们不发生电的联系。电磁兼容的隔离技术分为磁电、光电、机电和声电等几种隔离方式。(2)屏蔽技术屏蔽是提高电子系统和电子设备电磁兼容性的重要措施之一，它能有效地抑制通过空间传播的各种干扰，既可阻止或减少电子设备内部的辐射电磁能对外的传输，又可阻止或减少外部辐射电磁能对电子设备的影响。屏蔽按机理可以分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽，对于变频器应用而言最常见的是电场屏蔽，即用金属导体，把被屏蔽的元件、组合件和信号线包围起来。这种方法对电容性耦合噪声抑制效果很好。其中，用双绞线代替两根平行导线是抑制磁场干扰的有效办法;屏蔽干扰源是抑制干扰的最有效地方法。(3)滤波技术滤波器既可抑制从电子设备引出的传导干扰，又能抑制从电网引入的传导干扰。干扰滤波器安装在电源线与电子设备之间。它可使工频电源通过，而阻止高频噪声通过，对提高设备的可靠性有重要作用。(4)接地措施接地是抑制电磁干扰、提高电子设备电磁兼容性的重要手段之一。正确的接地既可以使系统有效地抑制外来干扰，又能降低设备本身对外界的干扰。为了使变频控制系统以及与之相连的仪表均能可靠运行并保证测量和控制精度，必须为变频器设立可靠地工作接地。它分为电源地、信号地、模拟地(屏蔽地)。在石化和其他防爆系统中还有本安地。按其接地点方式又分为单点地、多点地、混合地和浮地。l变频器系统地变频器系统的正确接地是提高变频器抑制噪声能力和减小变频器干扰的重要手段，因此在实际应用中一定要非常重视。从抑制干扰的角度来看，将电力系统地和变频器系统的所有地分开是很有好处的，因为一般电力系统的地线是不太干净的。l屏蔽接地在通信速率低于1MHz时，选用一点接地效果较好，对于采用Profibus，Modbus总线控制的高速率(30MHz)。通信控制电缆的屏蔽层应该选用多点接地，即在该电路系统中，用一块接地平板代替电路中每部分各自的接地回路。因为接地引线的感抗与频率和长度成正比，工作频率高时将增加共地阻抗，从而影响屏蔽接地效果，所以要求地线的长度尽量短。采用多点接地时，尽量找最接近的低阻值接地面接地，并最好也应该两端接地，并且采取在通信线路较长时在网络的终端加终端匹配电阻等抗干扰措施。对于电缆的多点接地，一个附加的好处是可以减少屏蔽层的静电耦合。l信号接地在采用外部传感器的闭环控制系统中，距离较远时，一定要保证外部设备和变频器的可靠独立接地，或者选用传感器外壳不与控制屏蔽层连接的传感器，在变频器侧实施一点接地;距离较近时，可采用公共接地母排接地，保证传感器与控制设备接地点之间电位差近似为零，从而消除地环流形成的干扰。但在有些场合，现场端必须接地，这时，必须注意原信号的输入端子绝对不许和变频控制系统的接地线有任何电气连接，而变频控制系统在处理这类信号时，必须在前端采用有效的隔离措施。5结束语随着变频器在船闸控制系统中的应用范围的逐步加大，变频器在应用中也有一些值得重视的问题，如变频器高次谐波带来的电磁干扰和污染问题也越来越突出，但从变频器在船闸成功应用的工程实际出发，本文对变频器等工业设备在船闸系统进一步推广应用、提高工业设备运行的可靠性和安全性具有一定的参考价值。参考文献[1]施耐德ATV-58产品手册及使用手册.施耐德电气公司.作者简介陈刚(1975-)男1995年毕业于江苏省无锡船舶工业学校自动化控制专业，现主要从事管理船闸的设备运行控制与电气自动化方面工作。