闸门启闭采用变频拖动时的几种负荷分配方案比较 伏 波 [作者注：发这篇文章的目的不是为了能给大家什么启示，而是作者本人觉得文中一些论点经不住推敲，而本人水平有限，需各位高手来剖析，特别想知道磁场定向控制的一些基本原理和对电动机参数的依赖程度] 摘要 讨论采用变频拖动时，闸门启闭机上两台电动机的负荷分配方案，介绍变频器在运行中常见故障的处理办法。 关键词　 变频器 闸门启闭 1 引言 某水电站有12孔泄洪闸门的启闭机采用变频拖动，自投运以来，运行一直不稳定。主要表现在启闭机上两台电动机负荷分配不平衡、不稳定，制动单元和制动电阻易损坏，经常出现变频器过流或过频报警等。为了解决这些问题，尝试了主—从、主—主、一拖二3种负荷分配方式，重新校核了制动单元和制动电阻的容量，寻找解决变频器过流或过频故障的办法。 该枢纽的2×1250kN 固定启闭机采用电机——减速器——开式齿轮——卷筒的形式，为了保证工作门两个吊点同步升降，两台减速器高速轴用刚性轴联结。平板式闸门重112.88t，闸门尺寸14m×14.6m，起吊中心距9.8m，额定起升速度1.52m/min，提升高度25m。电动机采用２台YZ250型鼠笼式电动机，额定功率35kW，额定定子电流74A，额定转速681rpm。变频器采用２台Ａ-Ｂ1336 IMPACT™变频器，额定输入功率56kW，额定输出功率96kVA、电流120.9A、频率0～400Hz，采用磁场定向控制（Field Oriented Control）。每台变频器配套的制动单元输入电压680～750VDC、电流10ADC，制动电阻最大散热功率3750W。 2 各种负荷分配方案的比较 2.1 主—从负荷分配方式 2.1.1方案简介 主—从负荷分配方式是设计时的负荷分配方式，在变频器的用户手册里称为转矩跟随（torque follower）方式，其控制框图如图1所示，主变频器工作在转速调节模式下，从变频器工作在转矩调节模式下，主变频器的内部转矩参考值（internal torque reference）通过AO变成 -10V～+10V信号输出到从变频器的AI端子，这个信号将作为从变频器的内部转矩参考值，主变频器采用有编码器的转速反馈，从变频器采用无编码器的转速反馈。根据变频器的用户手册，这种负荷分配方式适用于负荷间有刚性藕合的场合，它的优点是能精确地分配负荷、能在整个转速范围内运行，缺点是需要有转矩调节功能的变频器。 2.1.2 实际运行情况 采用主—从负荷分配方式的启闭机从2001年开始正式投入运行。经过1个洪水期的运行，12套启闭机中还有4套能够继续运行。不能运行的8套启闭机中，有1套是由于当运行水头变化时，主从变频器无法保持两台电动机的转速和转矩平衡，运行过程中有很大的齿轮撞击声而无法运行；有2套启闭机是由于从变频器损坏而无法运行；有5套启闭机是由于制动单元或转速反馈单元损坏而无法运行。继续运行的4套启闭机为避免制动单元损坏，都采取了降速运行的措施，在实际运行过程中表现为转速偏离设定值过远，运行噪声较大，运行不够平稳，主、从变频器的负荷差异大。下面是其中1套启闭机在无水工况下运行的数据。 表1 设定转速为600rpm，闸门提升 马达转速（rpm） 马达电压（V） 马达电流（A） 马达功率（kW） 马达转矩（％） 主变频器 585～601 311～312 47～50 18.6～19.2 57～63 从变频器 580～595 300～303 41～46 14.4～15.4 46～52 表2 设定转速为600rpm，闸门下放 马达转速（rpm） 马达电压（V） 马达电流（A） 马达功率（kW） 马达转矩（%） 主变频器 585～601 31～35 31～39 从变频器 580～595 33～35 25～27 2.1.3 方案评价 根据变频器用户手册的框图分析，主从方式应该是完全可行的。1336 IMPACT的转矩控制是把定子电流分解成Id、Iq两个分量。其中Id分量仅与自整定时测量到的电动机励磁电流有关，Iq分量在比较给定转速和实际转速后经PI环节计算得出，即为转矩给定。主变频器和从变频器用的都是同样的转速给定，就算经I/O口后时间上有一点滞后，但相对于闸门一点几秒的时间常数可忽略不计。如果说有真正的差别，应该在于主变频器有转速反馈而从变频器没有转速反馈，如给从变频器加上转速反馈应能解决同步问题。 2.2 主—主负荷分配方式 2.2.1 方案简介 在某自动控制公司的大力推荐下，也曾尝试过采用主—主负荷分配方案。在变频器用户手册中，这种负荷分配方式被称为有差调节方式（droop configuration）。在有差调节方式下，变频器控制电动机的转速而非频率，其控制框图如图2所示，由于现场只有一个转速编码器，因此两台电动机 都采用无编码器的转速反馈，两台变频器都在有差调节方式下工作，这样就允许两台变频器都可以通过降低转速来分散负荷，从而避免系统在刚性转速调节工况下工作。根据变频器用户手册，这种负荷分配方案适用于负荷间无刚性耦合的场合，其优点是简单、不需要高性能的变频器，其缺点是转速调节性能差、负荷分配不精确。 2.2.2 现场试验情况 2002年4月，对有差调节这种负荷分配方案进行了试验。启闭机自始至终都未能稳定运行。一般情况下，启闭机能较平稳地启动，当差不多达到设定的转速时，开始抖动，发出很大的齿轮撞击声，如果参数调整合适，在抖动十几秒钟后，又能进入相对平稳的运行状态。测量变频器的输出电流、转矩和转速都处于快速变化中，无法得到一个具体的测量值。在一次转速设定值为400rpm的提升试验中，当启闭机运行相对稳定时，测得左侧变频器的输出频率为32Hz，右侧变频器的输出频率为25Hz。这样，左侧电动机的同步转速为480rpm，高于运行转速，电动机处拖动状态；右侧电动机同步转速为375rpm，低于运行转速，电动机处于被拖动状态。试验宣布失败。 2.2.3 方案评价 把主—主负荷分配方式（即有差调节方式）用于有刚性负荷耦合的启闭机，无论从理论上还是实践中都是不可行的。由于两台变频器均是调节转速，当负荷稍有变化，必然会出现如2.2.2中描述的情况，即两台电动机一台处于拖动状态，另一台处于被拖动状态，因为只有这种状态才是相对稳定的状态。这种负荷分配方案是失败的。 2.3 一拖二方式 2.3.1 方案简介 一拖二方式即是作一台变频器拖动两台电动机。在主—主方式失败后即开始尝试。从运行经验和理论计算，一台变频器在正常启闭闸门时输出电流不超过额定输出电流。控制框图如图3所示，由于两台电动机之间有刚性耦合，电动机转速被认为一致，故只从一台电动机引回编码器转速反馈。 2.3.2 实际运行情况 从2003年5月起，把全部12孔闸门都改成一拖二变频拖动方式，每孔闸门的启闭装置都配置了容量为40kW的制动电阻，每孔闸门在改装后都做了额定转速下大开度（20m）升降试验，并录下了在各种设定转速下的转矩和转速波形。从试验结果看，每孔闸门的启闭装置都达到启动/停止平稳、无冲击，运行平稳、转速偏差不超过设定值的0.2％，运行噪声小的要求。到目前为止，12套闸门启闭装置都经过了近2个洪水期的频繁启闭，一直没有发生过任何故障。下面是其中一套装置的试验数据。 表3　8号闸门在各种设定转速下的试验数据（水头4.5m，闸门开度3m） 　　转速（rpm）参数 100，上升 100，下降 300，上升 300，下降 600，上升 600，下降 681，上升 实际转速（rpm） ＋100 -100 +300 -300 +600 -600 +681 频率（Hz） 9.8 6 22.1 19.2 42.2 39.2 47.5 马达电流（A） 108 65 108 65 108 65.5 108 马达电压（V） 73 42 169 137 316 281 355 马达转矩（%） +75 +22 +74 +23 +75 +22 +75 马达功率（%） +10 -3.5 +31 -11.3 +65 -20 +72 励磁电流（%） 100 100 100 100 100 100 100 2.3.3 方案评价 几乎所有的变频器说明书都会告诉你，说矢量控制的变频器只能严格地一台变频器驱动一台电动机。但任何事情都有例外，如在这种情况下，两台电动机的参数相当接近，采用的磁场定向控制技术在数学模型上也不是非常精密，采用一拖二方式竟然是最简单和最可靠的拖动方式。 3 常见故障的解决方法 3.1 制动单元和制动电阻易损坏 制动单元和制动电阻易损坏的原因很简单，就是由于选择的容量不足。在制动单元的说明书中对如何选择制动单元和制动电阻有一套相当复杂的公式，但对于闸门启闭装置来说，由于制动单元和制动电阻主要是用来消耗闸门下放过程中的势能，因此按电动机容量的60～70%来选择制动单元和制动电阻即可保证制动单元和制动电阻安全运行。需要注意的是，闸门启闭虽然工作时间比起闲置时间来说微不足道，但从全开到全关却要20分钟之多，所以制动电阻要按长期工作来选择。 3.2 变频器过流或过频故障 变频器出现过流或过频故障的原因大多是由于转速反馈编码器的联轴器断裂，变频器没有转速反馈而失去控制，当提升闸门时表现为过流故障，闸门下降时表现为过频故障。仅仅是更换联轴器不是解决问题的根本办法。一般来说，编码器的联轴器断裂的原因多是由于编码器与电动