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摘要：闸门启闭机在水利水电工程安全、稳定运行中发挥着极其重要的作用，启闭机的使用性能对水利工程的质量好坏息息相关。基于此，本文结合施工实践，就闸门电动机的启动方式改造展开探讨，以期能为今后水闸设计或者管理工作提供参考和借鉴。
关键词：水利工程；电动机；启动
随着科学技术和国民经济的飞速发展，水利工程不仅是农业的命脉，还是国民经济可持续发展的命脉，在我国现代化建设进程中发挥着越来越重要的作用。在水利工程建设领域中，水闸工程上的闸门启闭机是水闸工程中的主要构件，闸门启闭机的科学运用，不仅关系工程的运行安全，而且关系到工程综合效益的发挥。同时，闸门启闭机设备的技术水平也在随着时代的进步在不断地发展和演进。在这样的背景之下，对闸门启闭电动机起动方式的研究探讨具有重要的现实意义。
1.概述
水利工程闸门启闭依靠闸门启闭机的控制运行，平面直升式闸门、弧形闸门及目前应用较多的升卧式闸门等类型的闸门大都采用固定卷扬式启闭机配套定、动滑轮组组成闸门机械启闭系统。此类启闭机的电动机一般配置功率小，大都采用直接起动方式。大中型闸门如升卧式和弧门式闸门的启闭系统因启闭速度等原因掘弃了滑轮组，采用了弧门式启闭机从而增大了启闭功率，这类启闭系统的电动机直接起动会对电网电压产生较大冲击，对电源配电容量要求高，因此一般采用降压启动方式。常用的降压起动方式有早期的频敏变阻器起动和目前流行的“软起动”等。频敏变阻器以往应用于小型闸门的电动机起动较多，起动平稳，电流冲击小，起动转矩适中，适用于中小型闸门启闭系统，但当前运用很少。当前应用较多的是“软起动”，所谓“软起动”大概分为2大类：一是采用可控硅技术，改变可控硅导通角降低电压；二是采用电抗器串联降低电压。这2种软起动方式的共同特点是“软”，就是起动电流降低的同时降低了电动机的起动转矩。所以在实际运行中这种“软起动”常出现各种各样的状况，以致影响了闸门的启闭运行[1]。
2.某船闸启闭系统概况
该船闸上闸首闸门采用下卧式弧形闸门，原设计启闭机采用弧门双吊点固定卷扬式启闭机，吊点距17.8m，启闭机采用三体展开式布置，集中驱动方式，电动机功率为35kW，启门力2×300kN，起升速度为3～3.5m/min，扬程为13.5m，启闭机总重25t。两侧各用两根钢丝绳，采用平衡杠杆与闸门吊耳连接。钢丝绳规格为：6×37sw，直径35mm。
电动机起动为“软起动”方式。“软起动”采用一组三相电抗器及电动机电子保护器组成，电子保护器是由热继电器加上一个电子缺相保护电路组成。电动机起动时三相电抗器线圈串入定子线圈与电源之间，经时间继电器控制由交流接触器短接电抗器线圈完成启动。
“软起动”的工作方式是电动机起动时，在电动机定子绕组串入电抗器，增加线路阻抗，降低电压以达到降低起动电流的目的。电源的频率及电动机其它参数不变时，最大转矩与电压的平方成正比。降低电动机起动时的电压，同时也降低了电动机的起动转矩，闸门启闭机是重载全负荷启动。综上所述，闸门启闭机的电动机起动不应选用串联电抗器的“软起动”方式。
船闸由该地水利枢纽直接供电，输电电缆约500m，上闸首电动机在线电压380V以上时可正常起动，如果电压降至375V时会起动困难，电压降至370V时，电动机会长时间堵转，无法起动。电动机正常起动时间为5～7s，而该电动机的起动时间一般都在10～30s以上，所以在用电高峰时，经常出现电动机过流，无法起动，造成短暂停航，严重影响了船闸的正常运行[2]。
3.船闸启闭系统改造
该船闸上闸首启闭系统因电动机起动问题长期困扰，严重影响了船闸的正常运行，同时启闭机械部分因运行频繁出现严重磨损，经过相关调研论证，决定对上游启闭机进行全面改造。启闭机改造方案仍采用固定卷扬式启闭机，设计启门力为2×320kN，采用弧门式启闭机结构的船闸用启闭机。启闭机设计工作寿命为12500h，采用两体式单独驱动中间轴同步布置方式，减速机构仍采用开式齿轮加减速器的传动方式，对应启门速度为3.5m/min，采用双绳卷筒，钢丝绳采用6×36sw，直径35mm，采用2台YZR200L-6/22kW绕线式电动机。
3.1电动机启动方式的研究改进
启闭机改造后由两台YZR200L-6/22kW电动机构成双驱动，电动机转子为绕线式转子结构。两台电动机合计容量为44kW，较改造前的35kW容量更大，因此起动电流也相应增大。
纵观目前常用的星三角起动，补偿器起动，“软起动”等，皆为降低电压同时降低起动转矩的方式，所以不能满足现有设备的要求[3]。
降低起动电压减小启动电流而不降低启动转矩的启动方式，目前主要有2种：一是变频启动，用变频器改变电动机启动时的频率即电动机低速启动，降低荷载，减小电流。这种方式较为先进但设备和控制复杂，采用PLC编程控制器控制。造价成本随技术的进步虽然降低很快，但相对传统起动方式还是比较高，主要用于对转速要求较高的场合。变频起动理论上不改变转矩，但目前多应用于风机和水泵等设备，主要功能是调速，可能是闸门提升的安全因素或是成本等因素，应用于闸门重载启闭的实例还不多；二是改变电动机转差率启动，在电机转子电路里串接电阻器启动的启动方式就是改变电动机的临界转差率，因此而获得不同的机械特性。改变转子绕组串入的电阻大小就可以改变电动机的转差率，同时因电阻的串入还提高了启动时的功率因数，最大转矩TM与转子电阻无关而不变，而电动机在不同转差率时均能获得较大启动转矩。所以串入电阻相对提高了启动转矩，并改善了启动性能；增加电阻则又限制了转子电流，使启动电流降低。这种方法成本不高，适合于闸门启闭机的启动，所以决定采用改变转差率的起动方案。
望虞船闸闸门启闭频繁，所以经咨询相关专家的建议，电阻器采用某电阻器厂生产的型号为ZX15-40环绕片状电阻器。设计单相总电阻为0.704Ω。
3.2闸门启闭机的调速运行
船闸启闭机因通航需要，闸门运行速度提高了许多，超出一般水闸闸门启闭机的设计速度，几乎接近闸门运行速度的极限。虽大大提高了通航运行效率，但因速度的提升使闸门运动惯性增大，特别是在闸门下降运行时不仅增加了机械冲击，加大了机械磨损，对机械行程控制及自动控制保护系统的精度和可靠性能也产生很大影响。在对闸门启闭机运行观察与研究后采取措施，诸如更新了行程控制的设备，采用2IN1XCKG-2行程控制器取代早期生产的LX系列的主令控制器，确保行程控制安全可靠、灵敏快速，调整适宜并安全的制动力矩，同时在闸门下降接近终端运行段对启闭机实行调速运行，降低闸门运行速度。闸门运行下降到终端位置前约0.5m时串入电阻器降压减速，以减小闸门在停止时产生的运动惯量对钢丝绳及减速器等机械部分形成的冲击，防止产生闸门与底板的撞击，从而确保闸门的安全运行。
为节省经费及简化设备，调速电阻器与启动电阻器共用，利用起动电阻器的后两级进行调速。第二级为0.22Ω，第三级为0.224Ω，用于调速运行的电阻器则为0.16+0.224=0.384Ω。调速电阻器分两级投入以减少冲击，电阻器投入信号由PLC提供，调速行程终了电阻器自动恢复初始状态[4]。
减速启动及调速控制电路如图2所示，闸门运行至预设调速的开度时，PLC发出减速运行指令，通过继电器P1接通4KT、KA，KA吸合立即断开3KM、2KM，串入第一级和第二组电阻器。
图2减速启动及调速控制电路图
至此，减速过程完成。调速运行至关门到位停止运行后，自动复位至初始状态。KT为启动总时间控制，防止因元器件故障导致启动时间延长或无法启动，如发生启动超时即停止启动，并在工控机主画面显示故障内容，同时发出警报。
4.结语
总之，在水利工程中，水闸是一个非常重要的组成部分，发挥着巨大的作用不容忽视，也直接影响着水利工程的整体功能发挥。启闭机能否科学利用、有效利用，直接关系到水利工程的质量好坏以及水利工程能否获得预期的效益。上述启闭电动机启动改进工程，经过几年来的实际运行，电动机起动及调速运行效果良好，达到了预期的目的。希望能为水利工程施工和可靠性改进提供一定的参考依据。
参考文献
[1]胡翠.水闸液压启闭设备电气控制系统的研究[D].五邑大学，2015.
[2]杨木超.水利闸门施工技术管理研究[J].建筑工程技术与设计，2016（25）.
[3]刘惠芬.水利工程闸门启闭机的运行管理探讨[J].建筑工程技术与设计，2015（13）.
[4]刘春华.水利闸门启闭机的管理措施浅析[J].工程技术：文摘版：00134-00134.
论文作者:张瑞
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第19期
论文发表时间:2018/11/6
标签：闸门论文; 电动机论文; 启闭论文; 启闭机论文; 电阻器论文; 转矩论文; 船闸论文; 《建筑学研究前沿》2018年第19期论文;