摘" 要：在水電站運(yùn)行中，事故閘門作為安全防護(hù)設(shè)施的一部分，用于在緊急情況下控制水流或水位，以防止發(fā)生意外事故。當(dāng)發(fā)生水電站系統(tǒng)故障或其他緊急情況時(shí)，可以通過關(guān)閉事故閘門來阻止水流，減輕事故的影響。若水電站出現(xiàn)緊急情況，市電中斷，閘門因無法啟動(dòng)而導(dǎo)致啟閉機(jī)無法操作，則可能造成嚴(yán)重的安全事故。為解決這一問題，該文提出一種采用結(jié)合變頻變力制動(dòng)器的失電落閘系統(tǒng)，旨在提高閘門落閘系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性及突發(fā)災(zāi)難性事故時(shí)可以及時(shí)做出應(yīng)對措施的系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過對該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)能夠有效地保障事故閘門失電后所帶來的安全隱患，具有較高的實(shí)用價(jià)值和推廣意義。

關(guān)鍵詞：變頻變力制動(dòng)器；水電站；失電落閘系統(tǒng)；穩(wěn)定性；可靠性

中圖分類號(hào)：TP273" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）32-0185-04

Abstract： In the operation of hydropower stations， accident gates are used as part of safety protection facilities to control water flow or water level in emergency situations to prevent accidents. When a hydropower station system failure or other emergency occurs， the accident gate can be closed to stop the water flow and reduce the impact of the accident. If an emergency occurs in the hydropower station， the mains power is interrupted， and the gate cannot be started， resulting in the hoist being unable to operate， which may cause a serious safety accident. In order to solve this problem， this paper proposes a power-loss switch-down system combined with a variable-frequency variable force brake， which aims to improve the stability and reliability of the gate switch-down system and can take timely response measures in case of sudden catastrophic accidents. Through the design and implementation of the system， experimental results show that the system can effectively protect the safety hazards caused by the power loss of the accident gate， and has high practical value and promotion significance.

Keywords： variable frequency variable force brake; hydropower station; power-loss brake system; stability; reliability

水電站是我國重要的能源供應(yīng)基地，其安全穩(wěn)定運(yùn)行對國家經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展具有重要意義。然而，在水電站的運(yùn)行中，由于各種原因，如電力系統(tǒng)故障、設(shè)備損壞等，事故閘門失電落閘的情況時(shí)有發(fā)生。當(dāng)事故閘門失電落閘時(shí)，可能導(dǎo)致水電站停電、水位異常波動(dòng)等一系列問題，甚至引發(fā)嚴(yán)重事故，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[1]。

為了提高水電站的安全性和穩(wěn)定性，需要對事故閘門失電落閘系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。傳統(tǒng)的失電落閘系統(tǒng)存在著反應(yīng)速度慢、動(dòng)作不準(zhǔn)確等問題，難以滿足水電站的實(shí)際需求。因此，本文提出了一種采用變頻變力制動(dòng)器的系統(tǒng)，以解決傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的問題，提高失電落閘系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性[2-3]。

1" 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1" 變頻變力制動(dòng)器原理

變頻變力制動(dòng)器是一種能夠根據(jù)輸入信號(hào)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸出力矩的裝置。通過控制變頻器輸出的頻率，可以精確地控制制動(dòng)器抱閘的開度。在失電落閘系統(tǒng)中，采用變頻變力制動(dòng)器可以實(shí)現(xiàn)閘門的快速減速和精確停止，從而提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和動(dòng)作準(zhǔn)確性。

1.2" 系統(tǒng)構(gòu)成

本文設(shè)計(jì)的變頻變力制動(dòng)器系統(tǒng)由以下幾部分組成。

變頻器：負(fù)責(zé)控制電機(jī)的頻率，實(shí)現(xiàn)對制動(dòng)器抱閘開度的精確控制。

制動(dòng)器：負(fù)責(zé)調(diào)整力矩從而控制制動(dòng)輪轉(zhuǎn)速的裝置，如圖1、表1所示。

啟閉機(jī)電機(jī)：閘門控制系統(tǒng)的動(dòng)力來源，通過驅(qū)動(dòng)減速機(jī)牽引鋼絲繩來操作閘門。

減速機(jī)：主要用于控制閘門的開啟和關(guān)閉速度。其通過減速和轉(zhuǎn)換動(dòng)力的方式，使得閘門在操作時(shí)可以平穩(wěn)地加速和減速，從而避免突然的速度變化帶來的沖擊和損壞。同時(shí)可以提供足夠的扭矩以應(yīng)對閘門在操作過程中的阻力，確保閘門能夠按照預(yù)定的速度和力度進(jìn)行移動(dòng)，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

傳感器：荷載傳感器通過監(jiān)測牽引繩的形變情況，實(shí)時(shí)監(jiān)測閘門在運(yùn)行過程中的重力變化。精密可調(diào)行程開關(guān)則負(fù)責(zé)監(jiān)測閘門的位置，并提供超限位保護(hù)功能。編碼器通過高精度的測量記錄閘門的實(shí)際高度和速度，并將這些數(shù)據(jù)反饋給控制系統(tǒng)，以便進(jìn)行必要的調(diào)節(jié)和控制[4]。

控制系統(tǒng)：在正常工作狀態(tài)下，制動(dòng)器的開度只有2種狀態(tài)——全開和全關(guān)。當(dāng)閘門處于動(dòng)作狀態(tài)時(shí)，制動(dòng)器完全開啟，不施加制動(dòng)力。而當(dāng)閘門停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，制動(dòng)器立即完全關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)器的立即抱死，以確保閘門的安全停止。在緊急失電落閘狀態(tài)下，制動(dòng)器打開，并根據(jù)傳感器反饋的閘門運(yùn)動(dòng)信息，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)變頻器的輸出。這樣做可以調(diào)節(jié)制動(dòng)器的扭矩，進(jìn)而控制閘門的運(yùn)動(dòng)，確保在緊急情況下依然能夠有效地控制閘門的動(dòng)作。

2" 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1" 系統(tǒng)參數(shù)調(diào)試

根據(jù)此水電站的實(shí)際情況和需求，變頻變力制動(dòng)器推動(dòng)器的額定功率為800 W，變頻器調(diào)節(jié)范圍為0～50 Hz，可調(diào)范圍為0～3 mm。

2.2" 硬件搭建

本系統(tǒng)搭建變頻變力制動(dòng)器系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，包括安裝變頻器、連接電機(jī)和傳感器、搭建控制系統(tǒng)。

2.3" 控制邏輯

將傳感器數(shù)據(jù)的采集和處理，將正常工作模式和緊急落閘模式實(shí)現(xiàn)分部控制，劃分優(yōu)先級(jí)，在失電狀態(tài)下，根據(jù)控制算法調(diào)節(jié)變頻器的輸出，控制閘門的運(yùn)動(dòng)[5]。快降命令下達(dá)后智能落門制動(dòng)系統(tǒng)對每臺(tái)制動(dòng)器進(jìn)行變力控制，使制動(dòng)器的制動(dòng)力矩迅速減小到預(yù)設(shè)值，使閘門帶摩擦拖磨加速下降[6]。系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集閘門高度和速度信號(hào)，組成一個(gè)全閉環(huán)控制模型對制動(dòng)力矩進(jìn)行微調(diào)控制，自動(dòng)修正制動(dòng)力矩大小將閘門下降速度使其穩(wěn)定在預(yù)定的快速降門速度，閘門升降制動(dòng)器控制示意圖，如圖2所示。

3" 模型設(shè)計(jì)

確定閘門下降速度v（t）和抱閘開度u（t）之間的傳遞函數(shù)需要考慮系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性。由于閘門系統(tǒng)通常是非線性的，并且受到水流、摩擦等復(fù)雜因素的影響，因此傳遞函數(shù)可能較復(fù)雜[7]。如果假設(shè)閘門下降速度與抱閘開度之間存在某種線性關(guān)系，并且系統(tǒng)可以近似為一階慣性系統(tǒng)，可以嘗試使用簡單的一階傳遞函數(shù)來描述它們之間的關(guān)系。假設(shè)傳遞函數(shù) G（s），可以表示為

式中：V（s）是閘門下降速度的拉普拉斯變換，U（s）是抱閘開度的拉普拉斯變換，K是傳遞函數(shù)的增益，τ是時(shí)間常數(shù)。這樣的傳遞函數(shù)模型假設(shè)了以下內(nèi)容：閘門下降速度的響應(yīng)v（t）是抱閘開度u（t）的線性函數(shù)。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為可以近似為一階慣性系統(tǒng)，其響應(yīng)速度由時(shí)間常數(shù)τ決定。根據(jù)記錄同一下降過程同一瞬時(shí)下，閘門下降速度和抱閘開度的數(shù)據(jù)，見表2。

再借助MATLAB工具進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，運(yùn)行下列代碼，如圖3所示。

運(yùn)行得出如下結(jié)果

根據(jù)要求要將速度保持在2.8 m/min的下降速度，系統(tǒng)未加入PID控制器，利用Simulink仿真，如圖4所示，系統(tǒng)波形如圖5所示。

經(jīng)過PID調(diào)節(jié)后，輸出的波形，如圖6、圖7所示。

4" 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過對變頻變力制動(dòng)器系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到了如下結(jié)果：

1）系統(tǒng)響應(yīng)速度快，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)閘門的準(zhǔn)確停止。

2）系統(tǒng)動(dòng)作穩(wěn)定，能夠在不同工況下保持良好的控制效果。

3）系統(tǒng)可靠性高，能夠有效地避免因失電落閘而導(dǎo)致的安全事故。

5" 結(jié)論與展望

本文提出了一種采用變頻變力制動(dòng)器的系統(tǒng)，用于水電站事故閘門失電落閘系統(tǒng)，通過對系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證了其在提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性方面的有效性。未來，可以進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的控制算法，提高系統(tǒng)的性能和適用范圍，推動(dòng)該技術(shù)在水電站領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣。

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第一作者簡介：李海灥（1998-），男，初級(jí)電氣工程師。研究方向?yàn)殡姎庾詣?dòng)化。