Vacon變頻器在水電站啟閉機(jī)上的應(yīng)用

摘要：交流變頻器以其良好的節(jié)能效果和卓越的矢量控制性能，越來越廣泛的被應(yīng)用到工業(yè)各場合。多臺Vacon NX頻器通過主從同步控制在溪洛渡水電站的應(yīng)用為啟閉機(jī)提升提供了一個全新的解決方案，提高了系統(tǒng)的自動化水平和機(jī)械的整體性能。

1 引言
世界第三大、中國第二大水電站—溪洛渡電站，位于四川省雷波縣和云南省永善縣境內(nèi)的金沙江干流上。上接白鶴灘電站尾水，下與向家壩水庫相連。電站總投資503億元，裝機(jī)總?cè)萘?260萬千瓦，僅次于三峽電站。左右兩岸布置地下式廠房，各裝機(jī)9臺單機(jī)70萬千瓦機(jī)組，總裝機(jī)1260萬千瓦，初期保證出力339.5萬千瓦，多年平均發(fā)電量571.2～640億千瓦時。由中信重機(jī)公司制造的8000KN固定式啟閉機(jī)已安裝用于導(dǎo)流開截閘。啟閉機(jī)由2組卷筒組成，其直徑為2.786米，長度4.49米，左右分布24圈繩槽，雙向卷揚(yáng)，螺距60mm，每個卷筒與閘門的一個吊點相連，閘門凈重800噸，正常截流閉閘時，在水的壓力下，提升重量可達(dá)1400噸，電機(jī)運(yùn)行于50Hz, 閘門運(yùn)行速度1米/分鐘，提升高度80米，提升能力高達(dá)1600噸。如此大型的啟閉機(jī)必須要求控制系統(tǒng)具有極高的可靠性和穩(wěn)定性，否則一旦發(fā)生事故，后果不堪設(shè)想。

2 啟閉機(jī)系統(tǒng)
啟閉機(jī)是用來開啟和關(guān)閉閘門的機(jī)械設(shè)備，也稱閘門操作設(shè)備。啟閉機(jī)除滿足一般起重機(jī)的設(shè)計要求外，工作安全可靠和操作靈活方便也十分重要。啟閉機(jī)的類型可分為固定式和移動式。主要參數(shù)包括啟閉力、閘門開啟或下降的牽引力或施加的壓力、開啟行程和開啟速度。選擇啟閉機(jī)時主要考慮以下因素：閘門形式、封口尺寸和運(yùn)行條件、同型閘門孔口數(shù)量和閘門設(shè)置扇數(shù)，閘門起吊點的個數(shù)、啟閉力、啟閉行程和啟閉速度、啟閉動力狀況，設(shè)置地點，空間尺寸和其他操作要求等等。本項目選用的是固定式啟閉機(jī)。
啟閉機(jī)的主要配置：Siemens觸摸屏和S7-315-2Dp PLC各1個、Vacon變頻器4臺及制動電阻柜，110KW變頻電動機(jī)4臺，減速箱(減速比80：1) 4套，電動液壓抱閘4套，卷筒2組，吊點2個，高度計4個，荷重計2個，及其他主令控制器和信號指示等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1

圖1 啟閉機(jī)系統(tǒng)配置圖
3.控制系統(tǒng)設(shè)計
控制系統(tǒng)要有極高的可靠性、穩(wěn)定性及嚴(yán)格的同步控制，其控制核心為PLC、Vacon變頻器、Profibus Dp和System Bus。其中，PLC采用的是Siemens S7-315-2Dp。Vacon變頻器采用了先進(jìn)的矢量控制算法和領(lǐng)先的模塊化設(shè)計，配合電機(jī)參數(shù)識別，動態(tài)補(bǔ)償負(fù)載波動，及時地快速響應(yīng)和控制，具有很高的過載能力、穩(wěn)態(tài)精度和快速動態(tài)響應(yīng)能力，可滿足要求很高的應(yīng)用場合。同時還具有開放式的基于IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的編程軟件工具NC61131, 利用它可以設(shè)計出滿足客戶特殊要求的應(yīng)用程序和參數(shù)。Vacon變頻器自帶的面板支持熱插拔，同時具有存儲多組參數(shù)的功能，便于機(jī)器間參數(shù)的復(fù)制和調(diào)試，支持眾多流行的現(xiàn)場總線，與其他控制器兼容性非常強(qiáng)。System Bus總線為Vacon開發(fā)的基于CAN的現(xiàn)場總線，傳輸介質(zhì)為光纖，波特率高達(dá)12M，它可以實現(xiàn)64臺變頻器的主從同步控制。Profibus是一種國際化、開放式、不依賴于生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化。Profibus根據(jù)應(yīng)用特點可分為Profibus Dp、Profibus FMS、Profibus PA三個兼容版本。其中Profibus Dp是一種高速(速率9.6-12MKbit/s)的經(jīng)濟(jì)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，主要用于現(xiàn)場控制器和分散式I/O之間的通訊，可滿足交流調(diào)速系統(tǒng)快速響應(yīng)的時間要求。因此，由PLC、變頻器、Profibus Dp和System Bus組成的控制系統(tǒng)可以實時、可靠、快速、準(zhǔn)確、高效滿足控制要求，為啟閉機(jī)提升提供了全新的解決方案?？刂七^程見圖2。

整個過程須保證閘門勻速，穩(wěn)定的上升或下降。閘門提升速度推導(dǎo)如下：

已知三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)速

可得卷筒轉(zhuǎn)速

卷筒線速度

閘門提升速度


啟閉機(jī)采用常規(guī)控制方式-本地操作。在柜門上裝有主令控制按鈕用于設(shè)備的起停操作，觸摸屏上有閘門高度顯示、載荷顯示、信號指示、電壓表、電流表、頻率速度表和轉(zhuǎn)矩顯示等。閘門運(yùn)行方式可分為點動和聯(lián)動，點動用于高度微調(diào)和修正，聯(lián)動則用于正常工作。運(yùn)行速度分為3檔，即低速、中速、高速；低速用于調(diào)試或點動微調(diào)，中速為正常運(yùn)行速度，高速則用于無負(fù)載快速檢修。上升或下降時，由主令元件給出啟動及正反轉(zhuǎn)信號到PLC, PLC接到命令后通過Profibus Dp把控制字送給第一個卷筒的Master變頻器，Master變頻器為開環(huán)矢量速度控制,，Master變頻器把控制信號傳給follow變頻器，follow變頻器為轉(zhuǎn)矩控制，并通過System Bus與Master變頻器同步，保持Master和Follow轉(zhuǎn)矩相等。同時，PLC也會根據(jù)兩個吊點的高度差和荷重進(jìn)行PID調(diào)節(jié)并計算出第二個卷筒Master變頻器運(yùn)行的參考速度，并通過Profibus Dp傳送過去，2#卷筒的Follow變頻器也將近一步同步跟隨Master，進(jìn)而達(dá)到2個卷筒連個吊點在同一水平位置勻速上升或下降。電機(jī)運(yùn)行曲線見圖3。

圖3 電機(jī)轉(zhuǎn)矩/速度運(yùn)行曲線
4.系統(tǒng)電氣保護(hù)設(shè)計
為了維持啟閉機(jī)負(fù)荷-閘門水平的上升或下降，防止閘門傾斜，在卷筒上裝有高度計和壓力傳感器用于檢測閘門的高度和荷重，當(dāng)兩吊點高度差大于5mm或者荷重差大于50噸時，控制系統(tǒng)將報警，停止變頻器和電機(jī)。除此之外，變頻器還提供了PT100電機(jī)溫度報警等。

5.結(jié)束
以Vacon變頻器、PLC、現(xiàn)場總線為控制核心的水電站啟閉機(jī)控制方案，可以實時控制，還具有啟閉力矩大，節(jié)能效果顯著，機(jī)械沖擊小，運(yùn)行安全可靠，操作簡單等優(yōu)點，可滿足不同工況的應(yīng)用場合，為重型啟閉機(jī)提供了一個可靠穩(wěn)定的解決方案。

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作者簡介
李明星 (1979 - )， 男，2003年畢業(yè)于長春工程學(xué)院電氣自動化專業(yè)，現(xiàn)任偉肯(蘇州)電氣傳動有限公司應(yīng)用工程師，從事Vacon變頻器的技術(shù)應(yīng)用工作。