1  引言

    變頻器作為一種高效的電動(dòng)機(jī)電源驅(qū)動(dòng)設(shè)備，由于控制性能、速度控制范圍、效率及維修性能方面的優(yōu)越性，以及節(jié)能、效率高、保護(hù)功能全等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛在工業(yè)生產(chǎn)中采用并陸續(xù)應(yīng)用在船閘控制系統(tǒng)中。本文根據(jù)變頻器在蘇北運(yùn)河船閘運(yùn)行、應(yīng)用中總結(jié)出的一些使用方法，并提出了使用變頻器時(shí)應(yīng)注意的一些問(wèn)題。

2  變頻器在蘇北運(yùn)河船閘中的應(yīng)用

    蘇北運(yùn)河船閘閘門門型有人字門、橫拉門兩種，人字門船閘(淮陰船閘、宿遷船閘等)采用液壓四連桿啟閉機(jī)或液壓直推式啟閉機(jī)，橫拉門船閘(邵伯船閘、劉山船閘等)采用齒輪齒條反推式啟閉機(jī)。液壓直推式和液壓四連桿啟閉機(jī)的傳動(dòng)原理是:電機(jī)得電后轉(zhuǎn)動(dòng)，將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能傳給油泵，帶動(dòng)油泵轉(zhuǎn)動(dòng);油泵轉(zhuǎn)動(dòng)后輸出壓力油，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成壓力油勢(shì)能;壓力油進(jìn)入油缸后，將壓力油的勢(shì)能又轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，推動(dòng)活塞及活塞桿伸出或縮進(jìn)，從而帶動(dòng)閘門運(yùn)行。齒輪齒條反推式啟閉機(jī)的傳動(dòng)原理是:電機(jī)得電后轉(zhuǎn)動(dòng)，將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能傳給減速箱，減速箱帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)后帶動(dòng)頂平車在齒條上運(yùn)行，從而帶動(dòng)閘門運(yùn)行。
在以往的動(dòng)力控制中，在電機(jī)閘門開啟和關(guān)閉的過(guò)程中，速度基本保持不變，閘門在運(yùn)行過(guò)程中始終以同一速度運(yùn)行。通過(guò)了解閘門啟閉機(jī)的工作原理可知，在不改變船閘機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的情況下，只要在閘門運(yùn)行過(guò)程中控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即可控制閘門的運(yùn)行速度，使閘門在運(yùn)行過(guò)程中平穩(wěn)的加減速。而在電機(jī)的各種調(diào)速方法中(變壓調(diào)速、變極調(diào)速、變頻調(diào)速)，又以變頻調(diào)速的控制性能、速度控制范圍、維修性能以及安全保護(hù)功能等方面最具有優(yōu)勢(shì)，所以，在船閘閘門調(diào)速中采用變頻調(diào)速，并取得了成功。投入運(yùn)行使用以來(lái)，效果良好，閘門在運(yùn)行過(guò)程中達(dá)到“慢—快—慢”無(wú)級(jí)變速運(yùn)行，在很大程度減輕了閘門開關(guān)終位因限位開關(guān)位置不當(dāng)?shù)仍蛟斐砷l門碰撞造成對(duì)閘門及其頂?shù)讟械牟涣加绊?，閘門運(yùn)行過(guò)程中加減速更加平穩(wěn)，有效的保護(hù)了船閘閘門，很大程度降低了船閘機(jī)電人員對(duì)船閘的維護(hù)工作量，增加了船閘的運(yùn)行安全系數(shù)。

3  變頻器的選型

3.1 變頻器選型
在變頻器的選型設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮到應(yīng)用場(chǎng)合的使用工況條件的最惡劣情況，留有足夠的裕度，并采取保護(hù)措施，在選型時(shí)應(yīng)對(duì)技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行綜合考慮，以選擇相應(yīng)的變頻器規(guī)格容量。如果選型不當(dāng)，對(duì)變頻器的效率和正常運(yùn)行影響極大。變頻器選型時(shí)容量應(yīng)作如下考慮。對(duì)連續(xù)運(yùn)行時(shí)所需變頻器容量必須滿足以下幾點(diǎn):
(1) 變頻器容量必須大于負(fù)載所要求的輸出，即
 
(2) 變頻器容量不能低于電動(dòng)機(jī)容量，即
     
(3) 變頻器電流應(yīng)大于電動(dòng)機(jī)電流，即
  
(4) 起動(dòng)時(shí)變頻器容量應(yīng)滿足下式
    
以上各式中，K為電流波形補(bǔ)償系數(shù)(PWM控制方式時(shí)取1.05～1.10); 為負(fù)載所要求的電動(dòng)機(jī)軸輸出; η為電動(dòng)機(jī)效率(通常取0.85); cosφ為電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)(通常取   0.75); 為電動(dòng)機(jī)額定電壓; 為電動(dòng)機(jī)額定電流; 為變頻器電流; 為電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速; 為負(fù)載轉(zhuǎn)矩; 為飛輪轉(zhuǎn)矩; 為加速時(shí)間。
對(duì)于蘇北運(yùn)河的人字門船閘和橫拉門船閘，其啟閉都是在平水位時(shí)進(jìn)行的，在當(dāng)初的船閘設(shè)計(jì)時(shí)，選用的電機(jī)已留有一定的裕度，而且變頻器和電機(jī)不是連續(xù)運(yùn)行的(每30min運(yùn)行3～4min)，所以一般在變頻器的選型時(shí)只需選變頻器容量等于或稍大于當(dāng)前電機(jī)額定功率即可。在蘇北運(yùn)河人字門船閘，閘門泵站電機(jī)為11kW，選用施耐德ATV-58HD16N4變頻器;橫拉門船閘，閘門電機(jī)為15kW，選用施耐德ATV-58HD23N4變頻器。
另外，船閘用戶在提供實(shí)際工況原始參數(shù)時(shí)，要保證其準(zhǔn)確性，未使用過(guò)變頻器的用戶可請(qǐng)有經(jīng)驗(yàn)的單位或變頻器設(shè)計(jì)制造廠家做方案設(shè)計(jì)。
3.2變頻器與電動(dòng)機(jī)配套問(wèn)題
變頻器在實(shí)際應(yīng)用中，要考慮變頻器與電動(dòng)機(jī)相匹配的問(wèn)題，如低速時(shí)的冷卻問(wèn)題、電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性和頻繁起動(dòng)問(wèn)題。
3.3 變頻器安裝的問(wèn)題
由于變頻器屬于精密的功率電力電子產(chǎn)品，其現(xiàn)場(chǎng)安裝工藝的好壞也影響著變頻器的正常工作。成功的安裝可以確保變頻器安全和無(wú)故障運(yùn)行, 變頻器對(duì)安裝環(huán)境要求較高。一般變頻器使用手冊(cè)規(guī)定溫度范圍為最低溫度-10℃，最高溫度不超過(guò)50℃(最高60℃，通常50℃以上每升高1℃降容2.2％);變頻器的安裝海拔高度應(yīng)小于1000m，超過(guò)此規(guī)定應(yīng)降容使用(通常1000m以上每增加100m降容1％);變頻器不能安裝在振動(dòng)沖擊較大的場(chǎng)合，應(yīng)采用橡膠等防振措施;不能安裝在電磁干擾源附近;不能安裝在有灰塵、腐蝕性氣體等空氣污染的環(huán)境;不能安裝在潮濕環(huán)境中，如潮濕管道下面。應(yīng)盡量采用密封柜式結(jié)構(gòu)，并且要保證變頻器通風(fēng)暢通，確?？刂乒裼凶銐虻睦鋮s風(fēng)量。
3.4 變頻器運(yùn)行的問(wèn)題
變頻器在出廠時(shí)，所有的功能碼都已經(jīng)被設(shè)定成出廠值，但是在變頻器系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的工藝要求，對(duì)某些參數(shù)重新設(shè)定。如操作方式、最高頻率、基本頻率、額定電壓、加減速時(shí)間等。

4  變頻器的干擾問(wèn)題

    變頻器作為電力電子設(shè)備，主要包含有電力電子元器件、微處理器芯片等，易受到外界的一些電氣干擾。同時(shí)，逆變器輸入側(cè)是一個(gè)非線性整流電路，使電源的波形畸變，出現(xiàn)高次諧波;變頻器輸出側(cè)電壓、電流非正弦波或非完全正弦波也含有豐富的諧波，即變頻器投入運(yùn)行后會(huì)產(chǎn)生高次諧波，它對(duì)與其相接的電網(wǎng)和用電設(shè)備會(huì)產(chǎn)生干擾，故要考慮通常所說(shuō)的電磁兼容EMC(Electro-Magnetic Compatibility)。

4.1 變頻器干擾產(chǎn)生及危害
(1) 變頻器干擾的產(chǎn)生

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實(shí)際上不限于通用變頻器，晶閘管供電的直流電動(dòng)機(jī)、無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)等凡是在電源側(cè)有整流回路的，都將產(chǎn)生因其非線性整流引起的高次諧波。變頻器的干擾由輸入端諧波和輸出端諧波產(chǎn)生。
(2) 高次諧波危害
變頻器產(chǎn)生的高次諧波的危害主要有以下幾個(gè)方面:增加變壓器銅損和鐵損;使電動(dòng)機(jī)銅損和鐵損增加，溫度上升;因高次諧波導(dǎo)致電容器過(guò)熱、甚至損壞電容器; 由于諧波電流使開關(guān)設(shè)備在起動(dòng)瞬間產(chǎn)生很高的電流變化率，產(chǎn)生操作過(guò)電壓，破壞絕緣，還會(huì)引起開關(guān)跳脫、引起誤動(dòng)作; 計(jì)量?jī)x表因?yàn)橹C波會(huì)引起誤差，降低精度，甚至燒毀線圈; 電力電子設(shè)備也會(huì)因諧波造成誤動(dòng)作。

4.2 船閘實(shí)際應(yīng)用中抗干擾措施的應(yīng)用
防止變頻器高次諧波干擾對(duì)策接線圖如附圖所示。

附圖   防止變頻器高次諧波干擾對(duì)策接線圖

（1) 隔離措施
隔離技術(shù)是電磁兼容性中的重要技術(shù)之一。所謂干擾的隔離，是指從電路上把干擾源和易受干擾的部分隔離開來(lái)，使它們不發(fā)生電的聯(lián)系。電磁兼容的隔離技術(shù)分為磁電、光電、機(jī)電和聲電等幾種隔離方式。
(2) 屏蔽技術(shù)
屏蔽是提高電子系統(tǒng)和電子設(shè)備電磁兼容性的重要措施之一，它能有效地抑制通過(guò)空間傳播的各種干擾，既可阻止或減少電子設(shè)備內(nèi)部的輻射電磁能對(duì)外的傳輸，又可阻止或減少外部輻射電磁能對(duì)電子設(shè)備的影響。
屏蔽按機(jī)理可以分為電場(chǎng)屏蔽、磁場(chǎng)屏蔽和電磁場(chǎng)屏蔽，對(duì)于變頻器應(yīng)用而言最常見的是電場(chǎng)屏蔽，即用金屬導(dǎo)體，把被屏蔽的元件、組合件和信號(hào)線包圍起來(lái)。這種方法對(duì)電容性耦合噪聲抑制效果很好。其中，用雙絞線代替兩根平行導(dǎo)線是抑制磁場(chǎng)干擾的有效辦法; 屏蔽干擾源是抑制干擾的最有效地方法。
(3) 濾波技術(shù)
濾波器既可抑制從電子設(shè)備引出的傳導(dǎo)干擾，又能抑制從電網(wǎng)引入的傳導(dǎo)干擾。干擾濾波器安裝在電源線與電子設(shè)備之間。它可使工頻電源通過(guò)，而阻止高頻噪聲通過(guò)，對(duì)提高設(shè)備的可靠性有重要作用。
(4) 接地措施
接地是抑制電磁干擾、提高電子設(shè)備電磁兼容性的重要手段之一。正確的接地既可以使系統(tǒng)有效地抑制外來(lái)干擾，又能降低設(shè)備本身對(duì)外界的干擾。
為了使變頻控制系統(tǒng)以及與之相連的儀表均能可靠運(yùn)行并保證測(cè)量和控制精度，必須為變頻器設(shè)立可靠地工作接地。它分為電源地、信號(hào)地、模擬地(屏蔽地)。在石化和其他防爆系統(tǒng)中還有本安地。按其接地點(diǎn)方式又分為單點(diǎn)地、多點(diǎn)地、混合地和浮地。
l 變頻器系統(tǒng)地
變頻器系統(tǒng)的正確接地是提高變頻器抑制噪聲能力和減小變頻器干擾的重要手段，因此在實(shí)際應(yīng)用中一定要非常重視。從抑制干擾的角度來(lái)看，將電力系統(tǒng)地和變頻器系統(tǒng)的所有地分開是很有好處的，因?yàn)橐话汶娏ο到y(tǒng)的地線是不太干凈的。
l 屏蔽接地
在通信速率低于1MHz時(shí)，選用一點(diǎn)接地效果較好，對(duì)于采用Profibus，Modbus總線控制的高速率(>30MHz)。通信控制電纜的屏蔽層應(yīng)該選用多點(diǎn)接地，即在該電路系統(tǒng)中，用一塊接地平板代替電路中每部分各自的接地回路。因?yàn)榻拥匾€的感抗與頻率和長(zhǎng)度成正比，工作頻率高時(shí)將增加共地阻抗，從而影響屏蔽接地效果，所以要求地線的長(zhǎng)度盡量短。采用多點(diǎn)接地時(shí)，盡量找最接近的低阻值接地面接地，并最好也應(yīng)該兩端接地，并且采取在通信線路較長(zhǎng)時(shí)在網(wǎng)絡(luò)的終端加終端匹配電阻等抗干擾措施。對(duì)于電纜的多點(diǎn)接地，一個(gè)附加的好處是可以減少屏蔽層的靜電耦合。
l 信號(hào)接地
在采用外部傳感器的閉環(huán)控制系統(tǒng)中，距離較遠(yuǎn)時(shí)，一定要保證外部設(shè)備和變頻器的可靠獨(dú)立接地，或者選用傳感器外殼不與控制屏蔽層連接的傳感器，在變頻器側(cè)實(shí)施一點(diǎn)接地;距離較近時(shí)，可采用公共接地母排接地，保證傳感器與控制設(shè)備接地點(diǎn)之間電位差近似為零，從而消除地環(huán)流形成的干擾。但在有些場(chǎng)合，現(xiàn)場(chǎng)端必須接地，這時(shí)，必須注意原信號(hào)的輸入端子絕對(duì)不許和變頻控制系統(tǒng)的接地線有任何電氣連接，而變頻控制系統(tǒng)在處理這類信號(hào)時(shí)，必須在前端采用有效的隔離措施。

5  結(jié)束語(yǔ)

隨著變頻器在船閘控制系統(tǒng)中的應(yīng)用范圍的逐步加大，變頻器在應(yīng)用中也有一些值得重視的問(wèn)題，如變頻器高次諧波帶來(lái)的電磁干擾和污染問(wèn)題也越來(lái)越突出，但從變頻器在船閘成功應(yīng)用的工程實(shí)際出發(fā)，本文對(duì)變頻器等工業(yè)設(shè)備在船閘系統(tǒng)進(jìn)一步推廣應(yīng)用、提高工業(yè)設(shè)備運(yùn)行的可靠性和安全性具有一定的參考價(jià)值。