CN209570847U - 矢量闭环速度控制快速下降卷扬式启闭机系统 - Google Patents

Abstract

矢量闭环速度控制快速下降卷扬式启闭机系统。涉及启闭机技术领域，尤其涉及一种快速下降卷扬式启闭机的控制系统。提供一种失电时，能够适时响应，及时介入闸门下降速度控制进程的矢量闭环速度控制快速下降卷扬式启闭机系统。矢量闭环速度控制快速下降卷扬式启闭机系统，包括驱动电机和闸门，所述闸门横向设置在水道上，所述控制器内设有控制电路，所述控制电路采集所述三相交流电源的供电状态，所述控制电路还连接切换开关K2和速度传感器。本实用新型全面采用电磁摩擦，没有实物之间的摩擦，也就没有磨损和噪音，没有易损件更换。只需在交流电源正常供电时，及时对蓄电池进行充电。

Description

矢量闭环速度控制快速下降卷扬式启闭机系统

技术领域

本实用新型涉及启闭机技术领域，尤其涉及一种快速下降卷扬式启闭机的控制系统。

背景技术

快速下降卷扬式启闭机是我国泵站事故闸门经常使用的一种启闭机，主要用途是在出现停电等事故时，闸门需要快速关闭，来保护水泵机组的安全。原理比较简单，在启闭机的高速端(电机轴)安装有离心飞轮装置，在速度达到一定值时，飞轮打开和摩擦片进行摩擦，从而保证一定的速度下降，直至闭门。

传统装置的优点在于：飞轮装置优点在于结构简单，能够在断电的情况下实现快速下降；

缺点是调整到平衡位置困难，需要在现场进行非常多次的调整，才能达到，而且使用一段时间之后，摩擦片出现磨损就需要重新进行调整；摩擦噪音大，经常是刺耳的啸叫，尤其是250KN以上的启闭机，快速下降时噪音非常大，远远超过规范要求；无法对速度进行控制，闭门时，以最快速度砸向底坎，因此规范才有不超过5m/min的要求；摩擦片摩擦量大，更换困难，因为转速达到2000rpm以上，摩擦片的磨损量大，使用一年就需要对摩擦片进行更换。

实用新型内容

本实用新型针对以上问题，提供一种失电时，能够适时响应，及时介入闸门下降速度控制进程的矢量闭环速度控制快速下降卷扬式启闭机系统。

本实用新型的技术方案是：矢量闭环速度控制快速下降卷扬式启闭机系统，包括驱动电机和闸门，所述闸门横向设置在水道上，在所述水道两侧设约束所述闸门的升降导轨，在所述水道的底部具有底坎；所述驱动电机连接三相交流电源，还包括控制器、直流电源和速度传感器；

所述控制器内设有控制电路，所述控制电路采集所述三相交流电源的供电状态，所述控制电路还连接切换开关K2和速度传感器。

所述控制电路为PLC控制电路。

在所述底坎上部还设有行程开关，所述行程开关连接所述控制电路。

所述速度传感器为转速传感器，所述转速传感器连接在所述驱动电机的电机轴上，用于采集所述驱动电机转速。

所述速度传感器为线速度传感器，所述线速度传感器设置在所述升降轨道上，用于采集所述闸门的下降运行速度。

所述切换开关K2将直流电源的正负极连接在所述驱动电机三相线路的其中任意两相上。

本实用新型摒弃了传统机械式离心飞轮装置对闸门进行失电下落的保护。采用了柔性直流缓速控制理念，系统包括直流电源(如蓄电池)、控制电路以及数据采集部件，系统全部采用直流电控制，能够在交流电突然断电的情况下，向驱动电机输入直流电，能够随时控制下降的速度，可以实现下降过程中，加速-匀速-慢速的全过程控制。开始的时候是加速，如达到5m/min(此速度可以跟据快速下降需要自行设定)的时候是匀速，接近底坎(如设置为20cm)时慢速。可以控制全行程的下降时间，满足保护泵组的规范要求时间2min之内，到底坎慢速也可以减少对底坎的冲击。在闸门入水，轨道摩擦等情况出现水阻力和摩擦力变化时，矢量系统可以增加或减少速度达到设定值，保护闸门能够最快的速度下降。系统全面采用电磁摩擦，没有实物之间的摩擦，也就没有磨损和噪音，没有易损件更换。只需在交流电源正常供电时，及时对蓄电池进行充电。

附图说明

图1是本实用新型系统的工作状况示意图一，

图2是本实用新型系统的工作状况示意图二，

图3是本实用新型系统电气原理图，

图4是本实用新型控制流程图，

图5是本实用新型系统的电气接线实施例示意图；

图6是闸门底缘距底坎1m高度时通入直流电电流-时间曲线，

图7是闸门底缘距底坎1m高度时闸门快速下降运行的速度-时间曲线；

图8是闸门底缘距底坎2m高度时通入直流电电流-时间曲线，

图9是闸门底缘距底坎2m高度时闸门快速下降运行的速度-时间曲线；

图10是闸门底缘距底坎4m高度时通入直流电电流-时间曲线，

图11是闸门底缘距底坎4m高度时闸门快速下降运行的速度-时间曲线；

图中1是驱动电机，2是直流电源，3是闸门，4是升降导轨，5是水道，6是底坎。

具体实施方式

本实用新型的系统如图1-3所示，包括驱动电机1和闸门3，闸门3横向设置在水道5上，在水道5的两侧设约束闸门3的升降导轨4，保证闸门3仅仅只有一个高度升降方向的运动自由度，在水道5的底部具有底坎6；驱动电机1连接三相交流电源，还包括控制器、直流电源和速度传感器；

控制器内设有控制电路，控制电路采集三相交流电源的供电状态，控制电路还连接切换开关K2和速度传感器。

图5是本实用新型系统的电气接线实施例示意图，图中，(1)断路器QF1、接触器KM1和KM2、热继FR1的作用是：闸门电动上升、下降；

(2)断路器QF2、调压器T、整流回路D1、接触器KM4的作用：快速下降过程中投入直流电源的回路。具体原理如下：当闸门快速下降到一定转速(通过编码器反馈)，调节调压器T的输出电压，经过整流D1整流成直流，供给主电动机M1,这里实际上是调节调压器T的输出电压来调节电动机内通入的直流电流大小(电流变送器测量直流电流值)。

⑶断路器QF3、开关电源G1的作用是：给控制回路供24V电以及给PLC给24V电源。

该控制电路还可以为PLC控制电路，如图3所示，图中虚线为控制信号传输线路。

在底坎8上部还设有行程开关，行程开关连接PLC控制电路。

采用的速度传感器可以采取以下两种实施方式：

A、速度传感器为转速传感器，转速传感器连接在驱动电机的电机轴上，用于采集驱动电机转速。

B、速度传感器为线速度传感器，线速度传感器设置在所述升降导轨上，用于采集闸门的下降运行速度。

切换开关K2将直流电源2的正负极连接在驱动电机1三相线路的其中任意两相上。

至于直流电源2，本案选用蓄电池组，如选用24v，20安时铅酸蓄电池组，增配充电器，在正常供电时，保证电能。

本实用新型的控制方法，如图4所示，按以下步骤进行控制：

1)、初始化运行，设定并输入闸门在失电状态下，不同高度位置的上、下限速度值，作为比较参数；

2)、系统由市电供电，闸门处于升起保持状态；

3)、PLC控制电路不断刷新，检测市电供电状态，在供电状态正常时，维持升起、半升起或关闭工作状态；当处于升起或半升起工作状态、且市电供电失电时，闸门因自重下坠；同时，PLC控制电路指令切换开关K2向驱动电机通入直流电；

4)、速度传感器不断向PLC控制电路反馈速度数据，在闸门下落过程中，根据所述反馈速度数据不断进行比较，在速度超过上限速度值时，增加直流电电流，在速度降低到下限值时，减小直流电电流；

5)、当闸门运行至行程开关位置时，增加直流电电流值，使闸门轻触底坎、停止。

所述步骤3)中通入直流电的电流值根据闸门行程进行预设。可以通过计算和实验方式获得前述数据。

下面再结合实验过程进一步说明本实用新型。图6-11是闸门底缘距离底坎不同距离时的电流-时间、速度时间曲线。

一、实验时间、地点

实验时间：2019.04.27-2017.04.30

实验地点：申请人选定场所

二、实验原理

利用主电机通直流电产生的制动力矩解决卷扬式启闭机快速下降过程中速度可控性、稳定性，并且启闭机能够实现闸门快速匀速下降，到底坎时闸门下降速度控制在5m/min以下。根据下降速度的变化情况，智能输入直流电的大小，控制调整闸门下降速度，到底坎时的快速减速，实现整个下降过程中矢量闭环控制。

三、实验内容

用PLC控制主电机直流电流给定，从而控制启闭机快速下降的速度。

四、实验系统组成

实验系统组成：电机正反转控制系统、制动力矩控制系统、制动器供电回路、测速系统、PLC控制系统、人机界面数据采集系统。

五、实验系统工作原理

实验工作原理：在电机三相交流电源未接通的情况下，松开制动器，闸门受重力作用并克服摩擦力向下快速降落，这时在定子两相绕组通入直流电流，在闸门下降时产生制动转矩。改变通入直流电流大小来改变制动转矩。此实验系统就采用改变直流电流大小来改变制动转矩，并通过速度反馈，最终控制闸门下降速度。

六、实验设备及仪器

实验控制柜、交流电动机、测速编码器、数字电流表、触摸屏。

七、实验方法以及结果

实验条件如下表：

实验方法：

将闸门电动启门到1m、2m、4m高时停止，然后松开制动器，闸门受重力向下降落，电动机也跟着被动转动，当速度达到一定转速时自动以下图《直流电流值(A)》曲线给定主电机直流电流，此时，电机速度继续上升，到一定转速时稳速下降。

实验结果：

闸门从1m高度快速下降时，见图6、图7；

闸门从2m高度快速下降时，见图8、图9；

闸门从4m高度快速下降时，见图10、图11；

从以下曲线可以看出，启闭机下降速度控制在5m/min，并且速度控制很平稳，经过多次实验，数据都很稳定，并且噪音不是很大，平均98db。

八、实验分析

实验分析：从以下2个方面进行实验分析：

1、速度：此实验系统在闸门快速下降过程中使闸门快速平稳下降，并且能实现速度闭环，比传统的离心飞摆调速器降速稳定、可靠、易控；

2、噪音：噪音不是特别大，为98db左右，比离心飞摆调速器降速的噪音小得多，主要噪音是电机采生的电磁噪音，机械传动部分噪音较低；

本实用新型的工作原理是：据左手定则确定出转子电流和恒定磁场作用所产生的转矩方向与转子转速方向相反，故为制动转矩，此时电机把原来储存的动能或重物的位能吸收后变成电能消耗在转子电路中。将运行中的电动机，从交流电源上切除并立即接通直流电源，在定子绕组接通直流电源时，直流电流会在定子内产生一个静止的直流磁场，转子因惯性在磁场内旋转，并在转子导体中产生感应电势有感应电流流过，并与恒定磁场相互作用消耗电动机转子惯性能量产生制动力矩，使电动机迅速减速，最后停止转动。

采用上述原理应用到快速门在紧急下落过程中，在启闭机制动器打开前，利用泵站的直流屏将直流电压施加到启闭机电机的定子上后打开制动器，利用PLC+HMI控制和设定直流电压，达到控制制动力矩，从而控制闸门下落速度的目的。达到闭环速度控制的目的。

电机进行转速测量，反映下降的速度是多少，输出给PLC进行判断下降达到什么速度，通过PLC的程序控制每个阶段的速度，如果超出或者未到设定的速度，则通过直流装置输入对应的直流电流给电机，进行进一步的调整。HMI的位置信号输入PLC，可以使闸门下降到指定位置时，PLC发出慢速信号，让直流装置改造电流，从而实现电机的转速调整，实现闸门的慢速运行。

当然也可以采取线速度采集部件(如光标尺等)进行闸门下落速度的采集。

闭环速度控制可以随时实现全过程速度闭环控制和全过程位置控制，保证运行安全可靠。

本实用新型改变了以往快速门在紧急下落过程中，启闭机抱闸机构打开后，闸门负载拖动启闭机做近似自由落体的速度下坠，下坠过程中启闭机的减速机构带动电机发出刺耳的啸叫，闸门接触水面的瞬间由于不可控的速度产生巨大的冲击力，对闸门的结构产生严重的损坏，而且由于惯性的原因会导致钢丝绳脱槽的次生故障。

采用了本实用新型后，将能耗制动的原理应用到快速门在紧急下落过程中，在启闭机抱闸打开前，利用泵站的直流屏将直流电压施加到启闭机电机的定子上后打开抱闸，利用PLC+HMI控制和设定直流电压，达到控制制动力矩，从而控制闸门下落速度的目的。

快速门使用能耗制动，不改变原启闭机的主要结构，不增加泵站的基础设施(直流供电利用泵站的直流屏)，能实现闸门快速下落过程中速度的可控，结合闸门开度仪达到类似变频器控制的慢-快-慢的效果，既满足速度的要求，又避免闸门结构在下落最后阶段的冲击损伤。

本实用新型并不局限于上述实施例，在本实用新型公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本实用新型的保护范围内。

Claims (6)

1.矢量闭环速度控制快速下降卷扬式启闭机系统，包括驱动电机和闸门，所述闸门横向设置在水道上，在所述水道两侧设约束所述闸门的升降导轨，在所述水道的底部具有底坎；所述驱动电机连接三相交流电源，其特征在于，还包括控制器、直流电源和速度传感器；

所述控制器内设有控制电路，所述控制电路采集所述三相交流电源的供电状态，所述控制电路还连接切换开关K2和速度传感器。

2.根据权利要求1所述的矢量闭环速度控制快速下降卷扬式启闭机系统，其特征在于，所述控制电路为PLC控制电路。

3.根据权利要求1所述的矢量闭环速度控制快速下降卷扬式启闭机系统，其特征在于，在所述底坎上部还设有行程开关，所述行程开关连接所述控制电路。

4.根据权利要求1所述的矢量闭环速度控制快速下降卷扬式启闭机系统，其特征在于，所述速度传感器为转速传感器，所述转速传感器连接在所述驱动电机的电机轴上，用于采集所述驱动电机转速。

5.根据权利要求1所述的矢量闭环速度控制快速下降卷扬式启闭机系统，其特征在于，所述速度传感器为线速度传感器，所述线速度传感器设置在所述升降导轨上，用于采集所述闸门的下降运行速度。

6.根据权利要求1所述的矢量闭环速度控制快速下降卷扬式启闭机系统，其特征在于，所述切换开关K2将直流电源的正负极连接在所述驱动电机三相线路的其中任意两相上。