1 引言
變頻器作為一種高效的電動機電源驅(qū)動設備，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、保護功能全等優(yōu)點，現(xiàn)已廣泛在工業(yè)生產(chǎn)中采用并陸續(xù)應用在船閘控制系統(tǒng)中。本文根據(jù)變頻器在蘇北運河船閘運行、應用中總結(jié)出的一些使用方法，并提出了使用變頻器時應注意的一些問題。
2 變頻器在蘇北運河船閘中的應用
蘇北運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或液壓直推式啟閉機，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。液壓直推式和液壓四連桿啟閉機的傳動原理是:電機得電后轉(zhuǎn)動，將電能轉(zhuǎn)變成機械能傳給油泵，帶動油泵轉(zhuǎn)動;油泵轉(zhuǎn)動后輸出壓力油，將機械能轉(zhuǎn)變成壓力油勢能;壓力油進入油缸后，將壓力油的勢能又轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，推動活塞及活塞桿伸出或縮進，從而帶動閘門運行。齒輪齒條反推式啟閉機的傳動原理是:電機得電后轉(zhuǎn)動，將電能轉(zhuǎn)變成機械能傳給減速箱，減速箱帶動齒輪轉(zhuǎn)動，齒輪轉(zhuǎn)動后帶動頂平車在齒條上運行，從而帶動閘門運行。
在以往的動力控制中，在電機閘門開啟和關閉的過程中，速度基本保持不變，閘門在運行過程中始終以同一速度運行。通過了解閘門啟閉機的工作原理可知，在不改變船閘機械傳動機構(gòu)的情況下，只要在閘門運行過程中控制電機的轉(zhuǎn)速，即可控制閘門的運行速度，使閘門在運行過程中平穩(wěn)的加減速。而在電機的各種調(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功能等方面最具有優(yōu)勢，所以，在船閘閘門調(diào)速中采用變頻調(diào)速，并取得了成功。投入運行使用以來，效果良好，閘門在運行過程中達到“慢—快—慢”無級變速運行，在很大程度減輕了閘門開關終位因限位開關位置不當?shù)仍蛟斐砷l門碰撞造成對閘門及其頂?shù)讟械牟涣加绊?，閘門運行過程中加減速更加平穩(wěn)，有效的保護了船閘閘門，很大程度降低了船閘機電人員對船閘的維護工作量，增加了船閘的運行安全系數(shù)。
3 變頻器的選型
3.1 變頻器選型
在變頻器的選型設計時，應充分考慮到應用場合的使用工況條件的最惡劣情況，留有足夠的裕度，并采取保護措施，在選型時應對技術(shù)性能和經(jīng)濟指標進行綜合考慮，以選擇相應的變頻器規(guī)格容量。如果選型不當，對變頻器的效率和正常運行影響極大。變頻器選型時容量應作如下考慮。對連續(xù)運行時所需變頻器容量
必須滿足以下幾點:
(1) 變頻器容量必須大于負載所要求的輸出，即
(2) 變頻器容量不能低于電動機容量，即
(3) 變頻器電流
應大于電動機電流，即
(4) 起動時變頻器容量應滿足下式
以上各式中，K為電流波形補償系數(shù)(PWM控制方式時取1.05～1.10); 
為負載所要求的電動機軸輸出; η為電動機效率(通常取0.85); cosφ為電動機功率因數(shù)(通常取 0.75); 
為電動機額定電壓; 
為電動機額定電流; 
為變頻器電流; 
為電動機額定轉(zhuǎn)速; 
為負載轉(zhuǎn)矩; 
為飛輪轉(zhuǎn)矩; 
為加速時間。
對于蘇北運河的人字門船閘和橫拉門船閘，其啟閉都是在平水位時進行的，在當初的船閘設計時，選用的電機已留有一定的裕度，而且變頻器和電機不是連續(xù)運行的(每30min運行3～4min)，所以一般在變頻器的選型時只需選變頻器容量等于或稍大于當前電機額定功率即可。在蘇北運河人字門船閘，閘門泵站電機為11kW，選用施耐德ATV-58HD16N4變頻器;橫拉門船閘，閘門電機為15kW，選用施耐德ATV-58HD23N4變頻器。
另外，船閘用戶在提供實際工況原始參數(shù)時，要保證其準確性，未使用過變頻器的用戶可請有經(jīng)驗的單位或變頻器設計制造廠家做方案設計。
3.2變頻器與電動機配套問題
變頻器在實際應用中，要考慮變頻器與電動機相匹配的問題，如低速時的冷卻問題、電動機的運行穩(wěn)定性和頻繁起動問題。
3.3 變頻器安裝的問題
由于變頻器屬于精密的功率電力電子產(chǎn)品，其現(xiàn)場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故障運行, 變頻器對安裝環(huán)境要求較高。一般變頻器使用手冊規(guī)定溫度范圍為最低溫度-10℃，最高溫度不超過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小于1000m，超過此規(guī)定應降容使用(通常1000m以上每增加100m降容1％);變頻器不能安裝在振動沖擊較大的場合，應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。應盡量采用密封柜式結(jié)構(gòu)，并且要保證變頻器通風暢通，確?？刂乒裼凶銐虻睦鋮s風量。
3.4 變頻器運行的問題
變頻器在出廠時，所有的功能碼都已經(jīng)被設定成出廠值，但是在變頻器系統(tǒng)運行時，應根據(jù)系統(tǒng)的工藝要求，對某些參數(shù)重新設定。如操作方式、最高頻率、基本頻率、額定電壓、加減速時間等。
4 變頻器的干擾問題
變頻器作為電力電子設備，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，逆變器輸入側(cè)是一個非線性整流電路，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，即變頻器投入運行后會產(chǎn)生高次諧波，它對與其相接的電網(wǎng)和用電設備會產(chǎn)生干擾，故要考慮通常所說的電磁兼容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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實際上不限于通用變頻器，晶閘管供電的直流電動機、無換向器電動機等凡是在電源側(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方面:增加變壓器銅損和鐵損;使電動機銅損和鐵損增加，溫度上升;因高次諧波導致電容器過熱、甚至損壞電容器; 由于諧波電流使開關設備在起動瞬間產(chǎn)生很高的電流變化率，產(chǎn)生操作過電壓，破壞絕緣，還會引起開關跳脫、引起誤動作; 計量儀表因為諧波會引起誤差，降低精度，甚至燒毀線圈; 電力電子設備也會因諧波造成誤動作。
4.2 船閘實際應用中抗干擾措施的應用
防止變頻器高次諧波干擾對策接線圖如附圖所示。
附圖 防止變頻器高次諧波干擾對策接線圖
（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，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)和電子設備電磁兼容性的重要措施之一，它能有效地抑制通過空間傳播的各種干擾，既可阻止或減少電子設備內(nèi)部的輻射電磁能對外的傳輸，又可阻止或減少外部輻射電磁能對電子設備的影響。
屏蔽按機理可以分為電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽，對于變頻器應用而言最常見的是電場屏蔽，即用金屬導體，把被屏蔽的元件、組合件和信號線包圍起來。這種方法對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線是抑制磁場干擾的有效辦法; 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備引出的傳導干擾，又能抑制從電網(wǎng)引入的傳導干擾。干擾濾波器安裝在電源線與電子設備之間。它可使工頻電源通過，而阻止高頻噪聲通過，對提高設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)有效地抑制外來干擾，又能降低設備本身對外界的干擾。
為了使變頻控制系統(tǒng)以及與之相連的儀表均能可靠運行并保證測量和控制精度，必須為變頻器設立可靠地工作接地。它分為電源地、信號地、模擬地(屏蔽地)。在石化和其他防爆系統(tǒng)中還有本安地。按其接地點方式又分為單點地、多點地、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，因此在實際應用中一定要非常重視。從抑制干擾的角度來看，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，因為一般電力系統(tǒng)的地線是不太干凈的。
l 屏蔽接地
在通信速率低于1MHz時，選用一點接地效果較好，對于采用Profibus，Modbus總線控制的高速率(>30MHz)。通信控制電纜的屏蔽層應該選用多點接地，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。因為接地引線的感抗與頻率和長度成正比，工作頻率高時將增加共地阻抗，從而影響屏蔽接地效果，所以要求地線的長度盡量短。采用多點接地時，盡量找最接近的低阻值接地面接地，并最好也應該兩端接地，并且采取在通信線路較長時在網(wǎng)絡的終端加終端匹配電阻等抗干擾措施。對于電纜的多點接地，一個附加的好處是可以減少屏蔽層的靜電耦合。
l 信號接地
在采用外部傳感器的閉環(huán)控制系統(tǒng)中，距離較遠時，一定要保證外部設備和變頻器的可靠獨立接地，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)實施一點接地;距離較近時，可采用公共接地母排接地，保證傳感器與控制設備接地點之間電位差近似為零，從而消除地環(huán)流形成的干擾。但在有些場合，現(xiàn)場端必須接地，這時，必須注意原信號的輸入端子絕對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)在處理這類信號時，必須在前端采用有效的隔離措施。
5 結(jié)束語
隨著變頻器在船閘控制系統(tǒng)中的應用范圍的逐步加大，變頻器在應用中也有一些值得重視的問題，如變頻器高次諧波帶來的電磁干擾和污染問題也越來越突出，但從變頻器在船閘成功應用的工程實際出發(fā)，本文對變頻器等工業(yè)設備在船閘系統(tǒng)進一步推廣應用、提高工業(yè)設備運行的可靠性和安全性具有一定的參考價值。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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