平面升卧式钢闸门启闭机驱动及控制方案的设计与应用

褚小强，章瑞银

（1.中水三立数据技术股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.河北省迁安市水利局，河北 唐山 064400）

1 工程概况

江边枢纽工程位于无锡江阴市申港镇滨江村新沟河入江口，距长江堤岸约200m，距长江主流约1.7km。工程是新沟河与长江交汇口的控制性建筑物，由节制闸、泵站、船闸三部分组成，节制闸主要功能为排水、挡潮、应急引水需要，节制闸闸宽48m；泵站是排水遇长江高潮位或引水遇长江低潮位，利用泵站抽排或抽引满足新沟河承担的工程任务，泵站设计总流量180m3/s。船闸级别为V 级（闸室尺度16m×l80m×3m）。

船闸闸门采用了平面升卧式钢闸门，闸门尺寸为15.94m×9.9m，闸门净重67.9t；闸门启闭机采用了双吊点固定式卷扬启闭机，配置了2 台启闭电机，中间采用同步轴硬连接，每台启闭电机额定功率为37kW，额定电流为89A。

2 船闸启闭机基本参数

启闭机型式：固定卷扬式；闸门起升方式：静水启闭，露顶平面升卧式钢闸门；额定启门力：2×630kN；启门高度：16m；启门速度：3.2m/min；吊点中心距：9.6m；工作级别：Q4-重。

3 驱动方案

3.1 启闭电机驱动方式的选择

平面升卧式钢闸门在全关位及横卧全开位附近要求低速运行，以确保闸门运行安全；在其他位置要求高速运行，以减少闸门启闭时间，提高船闸过船效率。因此平面升卧式钢闸门对启门速度有调节需求；闸门启闭电机额定功率为37kW，额定电流为89A，需要采用降压启动；平面升卧式钢闸门属于位能性负载，在启动时需要较大的启动力矩。针对以上需求，江边枢纽工程船闸启闭电机选择变频器作为驱动器，可以同时满足降压启动、速度调节和大启动力矩的需求。

3.2 启闭电机变频器控制方式的选择

江边枢纽工程船闸采用了双吊点固定式卷扬启闭机，配置了2 台启闭电机，控制一扇闸门，中间采用同步轴硬连接，因此选择控制方式时不仅要考虑2 台电机速度同步，还要考虑转矩的平均分配。可采用西门子S120 系列变频器主从控制的方案，配置方案见表1。

表1 西门子S120 变频器主从控制方案配置表

江边枢纽工程船闸采用同步轴硬连接的方式在S120 系列变频器主从控制方案中称之为直接转矩控制方式。采用同步轴硬连接的2 台电机，一台设定为主电机，另一台设定为从电机。在设置变频器直接转矩控制方式时，将主电机设定在矢量控制模式工作，从电机设定在转矩跟随控制模式工作，将主电机的转矩实际值作为从电机的转矩给定值，这样可以保证系统运行时，从电机转矩始终与主电机转矩保持一致，同时因为采用同步轴硬连接，从电机的速度始终与主电机一致，至此，转矩分配完成。该方式的特点是从电机转矩始终跟随主电机转矩，系统按照主电机的速度环运行，转矩响应快。

系统的电气控制方式也采用了两套相互独立的控制方式：一种为现地手动控制方式，通过硬接线连接变频器控制单元，将变频器的状态信号反馈至现地控制柜中，利用现地控制柜的逻辑控制电路控制变频器的启停及低速高速切换；另一种是远程自动控制方式，变频器控制单元通过Profibus-DP 电缆连接至PLC 的专用通信模块，与PLC 建立通讯，变频器的控制及状态采集均通过通讯来完成。

4 变频器制动方案

4.1 变频器制动方式的选择

平面升卧式钢闸门属于位能性负载，当闸门在上升运行时，电机特性曲线在第一象限，电机处于电动状态；当闸门在下降运行时，电机特性曲线在第四象限，电机处于发电制动状态，因此启闭电机的变频器必须配套使用合适的制动方式。基于江边枢纽工程船闸的运行工况，可用的制动方式包括能耗制动和回馈制动，

能耗制动具有结构简单、成本低，对电网无污染，可以在四个象限中运行等优点，更适用江边枢纽工程船闸的实际情况。

4.2 制动电阻的计算

采用下降势能功率法简化估算制动电阻的功率与阻值。简化估算只需要计算闸门势能产生的功率，等同于所需的制动功率。在闸门下降时，电动机作为发电机产生电能，而电动机的驱动是来自闸门的势能，根据能量守恒定律，产生的电能应等于闸门释放的势能，又等于电阻的热能耗（不考虑功率损耗）。

闸门势能产生的功率为PE（W），PE 的计算公式：

制动电阻的制动功率为PW（W），PW 的计算公式：

由式（1）和式（2）可得式（3）：

式中：GM 为最大下降载荷（N）；VM 为最大下降速度（m/s）；η 为电动机和变频器的效率，取20%。

江边枢纽工程船闸闸门净重67.9 吨，最大下降载荷取1.25 倍的额定载荷，最大下降速度为3.2m/min，故：

制动功率平均分担到两个制动电阻上则：

制动电阻最大值为Rmax（Ω），Rmax的计算公式：

式中：U 为西门子S120 系列变频器直流母线电压，取760V，P 为制动电阻功率，为16.64kW。

由式（4）可得制动电阻最大值为Rmax约为34.7Ω。查阅西门子S120 系列变频器手册可知37kW 变频器对应的制动电阻最小阻值为15Ω。故制动电阻阻值选取范围为[15，34.7]Ω，制动电阻功率考虑20%设计余量应大于19.96kW。因此，江边枢纽工程船闸启闭电机变频器的制动电阻的配置为20kW，16Ω，接电持续率为100%，可满足实际使用要求。

5 结论

江边枢纽工程船闸自2017 年投入使用以来，闸门启闭机驱动及控制系统运行状态良好，未出现意外停机事故，系统的稳定性、可靠性得到了充分的验证。但系统仍有可以进一步优化提升的地方。一是当前系统采用的是进口品牌西门子S120 系列变频器，虽然此变频器性能优秀，但是成本高昂、配置复杂、调试难度高，也不符合当前自主可控的行业发展趋势，可选择合适的国产变频器进行替代。二是当前系统使用的能耗制动方式虽然结构简单、成本低，但浪费了大量的能量。针对船闸这种频繁启闭的平面升卧式闸门，可考虑设计一套能够将制动能量回收再利用的驱动系统，以降低船闸整体的耗电量，达到节约资源的目的■