1  引言
    蘇北運(yùn)河北起徐州藺家壩，南至長江六圩口，共404公里，是魯、蘇、浙三省的南北水運(yùn)大動脈，北煤南運(yùn)的主干道，年貨運(yùn)量超過1億噸，貨物周轉(zhuǎn)量200多億噸公里，占江蘇省內(nèi)河貨物周轉(zhuǎn)量1/3以上，是京杭大運(yùn)河上最為繁忙的航段，成為名符其實的“黃金水道”。蘇北運(yùn)河船閘，是這條“黃金水道”上的重要交通樞紐，而閘閥門是船閘的主要擋水設(shè)施，對完成船舶過閘起著重要作用。不言而喻，一旦船閘的閘閥門出現(xiàn)故障，需進(jìn)行停航維修，將會積壓大量船舶，甚至?xí)斐扇€斷航，給全省乃至全國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來不利影響。因而，為了避免閘門因水流及運(yùn)行速度較快而產(chǎn)生碰撞，保護(hù)設(shè)備安全，各閘都采取了一定的保護(hù)措施。其中，對閘門實行變頻調(diào)速控制是近幾年新引入的措施，收到了良好的效果。

2  閘門變速控制的原理及其實現(xiàn)
    蘇北運(yùn)河各船閘中閘門多為人字門，少數(shù)船閘是橫拉門（只有劉山、邵伯和施橋船閘三家），閥門都是平板式提升門。人字門和閥門多采用電力液壓驅(qū)動啟閉機(jī),橫拉門采用的是電動機(jī)械傳動啟閉機(jī)中的齒輪齒條式啟閉機(jī)。
    目前，蘇北運(yùn)河船閘中的液壓啟閉機(jī)有液壓直推式和液壓四連桿式兩類。液壓啟閉機(jī)的工作原理為：三相異步電動機(jī)帶動油泵運(yùn)行后，油泵從油箱中吸取液壓油后，經(jīng)有關(guān)管道和閥件將液壓油壓進(jìn)油缸，于是油缸進(jìn)油端的油壓增大，在活塞上產(chǎn)生很大的推力推動活塞桿向油缸另一端作直線運(yùn)動,此時原油缸中另一端的液壓油在活塞的推動下,經(jīng)回油管路流回油箱中。當(dāng)活塞桿運(yùn)動時，對于液壓直推式啟閉機(jī)，活塞桿就會帶動閘門運(yùn)動（此時油缸有小角度的轉(zhuǎn)動），對于四連桿啟閉機(jī)，活塞桿將動能通過齒條齒輪及連桿傳給閘門，從而實現(xiàn)閘門的開和關(guān)。
    如果設(shè)進(jìn)入油缸中的液壓油流量為Q，活塞的有效面積為A，活塞桿作直線運(yùn)動的平均速為V，設(shè)在T時間段內(nèi)，活塞移動的距離為S，則應(yīng)有下式成立：
    QT=AS=AVT
    可以推得：Q=AV，即有：V=Q/A。
    由此可見,在活塞面積一定的情況下,活塞桿的運(yùn)行速度與流入油缸中的流量成正比。而閘門的運(yùn)行速度與活塞桿的速度成正比，也即說明液壓啟閉機(jī)驅(qū)動的閘門運(yùn)行速度和進(jìn)入油缸中的液壓油的流量成正比。因而，對這種液壓驅(qū)動啟閉機(jī)來說，只要改變進(jìn)入油缸的液壓油流量，就能達(dá)到對閘門進(jìn)行調(diào)速控制的目的。
    從液壓啟閉機(jī)的工作原理可見，進(jìn)入油缸中的液壓油是油泵從油箱中吸取后，經(jīng)有關(guān)閥件和管道壓入的。因而可以通過改變油泵的流量或通過閥件來控制流量最終達(dá)到改變進(jìn)入油缸中的油量的目的。
    早期船閘的閘門變速方法多采用閥件調(diào)節(jié)控制。當(dāng)電動機(jī)啟動后帶動油泵按額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，油泵的輸出流量是固定的?？刂葡到y(tǒng)（現(xiàn)在多為PLC）將一些節(jié)流閥導(dǎo)通，讓油泵輸出的一部分液壓油直接流回油箱，另一部份液壓油通過有關(guān)閥件和管道進(jìn)入油缸，此時閘門慢速運(yùn)行，當(dāng)運(yùn)行至某一位置時，通過檢元件發(fā)來檢測信號，然后由控制系統(tǒng)將節(jié)流閥關(guān)閉，油泵輸出的油全部進(jìn)入油缸，閘門快速運(yùn)行，當(dāng)快速運(yùn)行到某位置后，控制系統(tǒng)將節(jié)流閥打開，閘門慢速運(yùn)行直至到位。 可以看出，這種方法僅從調(diào)速的角度來說是可行的，但電機(jī)多做了一部份額外功，能量沒有得到充分的利用，造成了不必要的浪費。因而這種調(diào)速方法已逐步被淘汰。
    如果從調(diào)節(jié)油泵流量入手，可不可行呢？我們知道油泵每轉(zhuǎn)一圈的排量是一定的，而流量是單位時間內(nèi)的排量，顯然，油泵的流量與其轉(zhuǎn)速成正比，只要改變油泵的轉(zhuǎn)速，就能改變其流量，而油泵的轉(zhuǎn)速是由與其相連的同軸異步電動機(jī)決定的。我們知道三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為：
    n=60f(1-s)/p
    式中： f —電動機(jī)的電源頻率（Hz）;
   s —電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率;
     p —電機(jī)的極對數(shù)。
    可見，在電動機(jī)極對數(shù)不變和轉(zhuǎn)差率基本不變的情況下，只要改變供電電源的頻率就能實現(xiàn)對電動機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，從而實現(xiàn)改變油泵的流量，最終達(dá)到對閘門的變速控制。由于電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子輸出功率低，因而所需的輸入電功率也低，有利于節(jié)能。
    橫拉門的齒輪齒條啟閉機(jī)，整機(jī)安裝在門體頂部的頂平車上，其工作原理為：異步電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后帶動皮帶盤轉(zhuǎn)動，皮帶盤再帶動減速箱運(yùn)轉(zhuǎn)，減速箱通過傳動軸（雙軸），驅(qū)動最后的齒輪沿著門庫兩旁牛腿上的齒條前后滾動，從而帶動頂平車，推動橫拉門前后運(yùn)動。對這種啟閉機(jī)調(diào)速，早期是用變速齒輪來實現(xiàn)的，即電動機(jī)轉(zhuǎn)速基本不變，在傳動環(huán)節(jié)中，通過切換齒輪來達(dá)到調(diào)節(jié)閘門運(yùn)行速度的目的。顯然，在低速運(yùn)行中，電動機(jī)所做的功有一部份是消耗在中間環(huán)節(jié)當(dāng)中，效率不高，造成了不必要的消費。而如果通過變頻的方法改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，不需要變速齒輪，就能直接達(dá)到對閘門調(diào)速的目的。
    通過以上分析，可以得出這樣的結(jié)論：無論是對液壓啟閉機(jī)，還是機(jī)械傳動啟閉機(jī)，都可以通過變頻調(diào)速的方法來對閘門的運(yùn)行速度進(jìn)行控制，而且此方法還能節(jié)省能源，提高電機(jī)的工作效率。正是基于此，變頻器被引用到了船閘閘門調(diào)速系統(tǒng)當(dāng)中，并且在極短的時間內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。

3  閘門變頻調(diào)速系統(tǒng)的組成
    蘇北運(yùn)河船閘的電動機(jī)一線閘多為7.5kW,二線閘多為11kW,三線閘多為16kW,變頻器均為施耐德ATV-58和ATV-71系列產(chǎn)品,控制系統(tǒng)采用PLC控制。附圖為采用ATV-58變頻器的閘門調(diào)速系統(tǒng)原理圖。此系統(tǒng)硬件連接好之后，只要對變頻器進(jìn)行一些簡單參數(shù)設(shè)置，如電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)頻率：50Hz，額定功率：11kW，電壓：380V，電流：23A，轉(zhuǎn)速：1460r/min，低速頻率：15Hz，高速頻率：50Hz，加減速時間：5s，……，即可正常投入運(yùn)行。如附圖所示，電機(jī)電源經(jīng)線路電抗器和輸入濾波器后，由L1、L2、L3端子接入變頻器，輸出端U、V、W經(jīng)屏蔽動力電纜和電動機(jī)相連。R1A和R1C之間的故障繼電器常開觸點，經(jīng)001和4R1A用屏蔽控制電纜接入PLC的24V直流開關(guān)量輸入接口，用來產(chǎn)生變頻器報警信號。變頻器的COM端接直流地001，PA和PB端子之間用屏蔽電纜接入一個電阻器，用以制動。LI1和LI3分別通過屏蔽控制電纜接至PLC的24V直流開關(guān)量輸出接口。其中，LI1用來作為低速運(yùn)行控制信號，LI3作為高速運(yùn)行控制信號。 當(dāng)閘門運(yùn)到某一位置需低速或高速運(yùn)行時，位移檢測元件（行程開關(guān)）將信號輸送給PLC，PLC在接此信號后，即發(fā)出一個變速信號輸出到LI1或LI3，LI1或LI3就會控制變頻器在規(guī)定時間內(nèi)以設(shè)定低速或高速頻率驅(qū)動電動運(yùn)轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)對閘門的運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

附圖  ATV-58變頻器的閘門調(diào)速系統(tǒng)接線圖

4  變頻器的干擾問題及抑制
    變頻器的干擾問題涉及到二個方面內(nèi)容：一方面是外界對變頻器產(chǎn)生的干擾；另一方是變頻器自身對外界的干擾。
    外界對變頻器的干擾，主要是來自供電電源。由于電網(wǎng)中存在各種整流設(shè)備、交直流變換設(shè)備、電子電壓調(diào)整設(shè)備，非線性負(fù)載及照明設(shè)備等，這些負(fù)荷都會使電網(wǎng)中產(chǎn)生各類諧波，造成電網(wǎng)電壓、電流產(chǎn)生波形畸變，產(chǎn)生浪涌，尖峰電壓脈沖或引起過壓、欠壓、瞬時掉電等，從而通過變頻器的供電電源干擾變頻器。
    變頻器對外界的干擾主要表現(xiàn)在以下兩個方面：一是變頻器啟動及運(yùn)行過程中產(chǎn)生諧波對電網(wǎng)產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾，引起電網(wǎng)電壓畸變，影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量；二是變頻器的輸出會產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁輻射干擾，影響周邊設(shè)備的正常工作。
    由此可見,要處理好變頻器的干擾問題,必須解決外界對變頻器的干擾以及變頻器對外界的干擾兩個方面的問題。本系統(tǒng)中所采取的抗干擾措施如下：
    （1） 將變頻器安裝在遠(yuǎn)離電動機(jī)和PLC等用電設(shè)備的地下室，以減小變頻器對其它用電設(shè)備的電磁輻射。
    （2） 在變頻器輸入電源側(cè)加裝了線路電抗器和輸入濾波器，用來抑制電源側(cè)過電壓,并降低變頻器產(chǎn)生的電流畸變，同時可濾除高次諧波，減小電源和變頻器之間的相互干擾。
    （3） 變頻器的控制電纜、通信電纜均采用屏蔽電纜，電纜兩端的屏蔽層均360°接地，并與動力線路分開敷設(shè)。變頻器本身用鐵殼屏蔽，不讓其電磁干擾泄漏，輸出線采用屏蔽動力電纜和電動機(jī)相連。
    （4） 變頻器、電動機(jī)、電纜屏蔽層采用高頻等電位接地，但將動力線的接地與控制線的接地分開,即將動力裝置的接地端子接到地線上,將控制裝置的接地端子接到該裝置盤的金屬外殼上。

5  結(jié)束語
    自變頻器在船閘閘門調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用以來，因其能實現(xiàn)真正的無級變速，在避免閘門因運(yùn)行速度較快而發(fā)生碰撞及減小頻繁啟閉對電動機(jī)的沖擊方面發(fā)揮了積極的作用，有力地保障了設(shè)施設(shè)備的安全。同時，使用了變頻器調(diào)速后，其節(jié)能效果也是顯著的，據(jù)有些船閘將安裝變頻器后的月用電量與未安裝變頻器之前的同期月用電量相比，粗略統(tǒng)計出節(jié)能近20%。