變頻器在高速公路上的應(yīng)用
摘要：變頻器應(yīng)用于高速公路收費站欄桿機，收費站和服務(wù)區(qū)供水系統(tǒng)，隧道通風(fēng)系統(tǒng)。高速公路使用了變頻器后，可提升自動化控制水平，恒壓供水和隧道通風(fēng)系統(tǒng)有一定的節(jié)能效果。
關(guān)鍵詞：高速公路收費站欄桿機﹑供水系統(tǒng)﹑隧道通風(fēng)系統(tǒng)。
一.前言
近年來，我國高速公路建設(shè)的發(fā)展迅速，自1988 年建成我國第一條高速公路，到2004年底，我國高速公路通車?yán)锍桃殉^3.4萬公里，僅次于美國，繼續(xù)保持世界第二。高速公路及其他高等級公路的建設(shè)，改善了我國公路的技術(shù)等級結(jié)構(gòu)，改變了我國公路事業(yè)的落后面貌，縮短了我國同發(fā)達國家之間的差距，有效地拉動內(nèi)需，刺激了高速公路附近地區(qū)的經(jīng)濟繁榮和發(fā)展，高速公路的發(fā)展對國民經(jīng)濟產(chǎn)生了越來越重要的影響。在高速公路上，設(shè)有很多收費站，每一進、出車道上均有一欄桿機，欄桿機的傳動需要變頻器驅(qū)動。這些收費站大都遠(yuǎn)離城市，收費站的生活區(qū)也不可能由城市自來水供應(yīng)。一般是就地打一口井，抽地下水滿足生活需求，這就需要一套小型的供水系統(tǒng)。高速公路上每間隔50~60公里就有一個服務(wù)區(qū)，這些服務(wù)區(qū)也是遠(yuǎn)離城市，同樣需要獨立的供水系統(tǒng)。在全國，高速公路收費站、服務(wù)區(qū)的數(shù)量眾多，變頻恒壓供水系統(tǒng)是必然的選擇。另外，在較長隧的通風(fēng)系統(tǒng)中變頻器也有應(yīng)用。
二.變頻器在欄桿上的應(yīng)用
欄桿機控制高速公路的起、閉。欄桿機由金屬機箱（橙黃色）、電機、減速器，變頻器、動態(tài)平衡器、控制凸輪組、橫桿、防砸檢測器等組成。-其中控制器由兩部分電路組成，一部分控制檔車器的橫桿運動；另一部分用于處理各種輸入輸出信號，如防砸處理、119報警處理和等待放行功能等。欄桿機與入口終端機及出口終端機等設(shè)備聯(lián)機，以控制檔桿之開啟與關(guān)閉。檔桿長度為3米或以上。檔桿可做0~90度間連續(xù)運轉(zhuǎn)不會過載，啟、閉檔桿的時間在5秒以內(nèi)，每天可操作10000次。欄桿機的供電電壓為交流220V，由于高速公路收費站遠(yuǎn)離城市，供電大多就近取自農(nóng)網(wǎng)，農(nóng)網(wǎng)的供電壓不穩(wěn)定，電壓的波動達到20%。由此對變頻器的要求是：頻繁的起動停止﹑快速的加減速﹑適應(yīng)寬范圍波動的電源電壓﹑運行平穩(wěn)﹑欄桿起升﹑下降的位置準(zhǔn)確。一般欄桿機安裝在野外，收費站的頂棚可遮擋從上面下的雨，但擋不住風(fēng)大時從側(cè)面吹來的雨水，因此，欄桿都有一個封閉的機箱，用來安裝變頻器和電器控制系統(tǒng)。變頻器裝在空間不大的封閉機箱中，在夏季氣溫較高時不會引起過熱跳閘。因為安裝位置有限，要求變頻器的體積盡量小。
希望森蘭SB40D系列變頻器是高性能的通用變頻器、具有較高的啟動轉(zhuǎn)矩、設(shè)計上運用獨有樹狀散熱器，可使機身超小型、生產(chǎn)采用貼片工藝，使機器可靠性大幅度提高、內(nèi)置PLC功能、IGBT、IPM智能功率模塊超靜音運行、多路可編程功能輸出端子和繼電器輸出端子、輸入電壓的變化范圍允許在176V~264V之間。在某高速公路收費站用希望森蘭SB40D0.75KW變頻器控制欄桿機，變頻器的設(shè)置如下：F02=1 運轉(zhuǎn)指令由端子控制，F08=0.7 加速時間0.7s，F09=0.7 減速時間0.7s，F31=0.1 起動持續(xù)時間0.1s，其余均按出廠值。欄桿機使用變頻器后，由于加減速時間可任意調(diào)節(jié)，此處設(shè)置加減速時間為0.7s，檔桿每天操作數(shù)百次至上千次，擋桿起降平穩(wěn)自如；輸入電壓的變化范圍到20%后，沒有因電壓的波動跳閘，取得了較好的使用效果。
三. 高速公路服務(wù)區(qū)和收費站的恒壓供水
高速公路服務(wù)區(qū)和收費站中有不少工作人員，有人生活的地方就一定要用水，而服務(wù)區(qū)和收費站一般離城市較遠(yuǎn)，不可能依靠城市自來水管網(wǎng)供水，只好就近取水源供水。靠河邊的區(qū)、站總是少數(shù)，因此絕大多數(shù)區(qū)、站取地下水，如果鐵錳含量超標(biāo)，經(jīng)暴化處理，再經(jīng)沉淀，過濾后作為生活用水。在這些區(qū)、站中人數(shù)不是很多，高峰和低谷的用水量變化非常大，不用變頻調(diào)速的供水系統(tǒng)會造成電能極大的浪費。因此，最常見的都做成變頻恒壓供水系統(tǒng)，這樣，當(dāng)用水量較小時，變頻器自動降頻，水泵電機的轉(zhuǎn)速變慢，電能消耗大幅度下降；深夜無人用水時，還可使變頻器進入休眠狀態(tài)，即變頻器停止運行，但仍在監(jiān)測管網(wǎng)的水壓。由于管道的泄漏，當(dāng)管網(wǎng)的水壓低于某一值時，例如，設(shè)定值的65%（此值可任意設(shè)定），變頻器重新起動，管網(wǎng)水壓又開始上升，到設(shè)定值時仍無人用水，過一段時間變頻器再次進入休眠。這樣，無需人員的干預(yù)，就可實現(xiàn)水泵的自動起停，節(jié)電會更顯著。從上面的過程還可看出，用水的高峰和低谷之間差別越大，管道的泄漏越少，節(jié)電越顯著。
四. 收費站的變頻恒壓供水系統(tǒng)
高速公路某收費站有20多人，離最近的城市也有10公里的路程，生活用水就自建一個小型的供水系統(tǒng)。選擇適當(dāng)?shù)牡胤剑蛄艘豢?/SPAN>30米深的井，地下水的水質(zhì)還不錯，細(xì)菌含量低于自來水飲水標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)沉淀，過濾后就是優(yōu)質(zhì)的生活用水。抽水泵采用一臺功率22kw深井泵，用鋼絲繩吊裝在離井口28米的井水中。井水抽上來進入沉淀池，過濾后再由兩臺15kw水泵（一用一備）將水送入管網(wǎng)供使用，變頻恒壓供水系統(tǒng)的主電路原理圖和控制原理圖如圖1和圖2所示
從圖1可見，由于供水泵是一用一備，任何時候都只有一臺水泵在變頻狀態(tài)或者在恒速狀態(tài)工作，圖中的KM1~KM4就用于變頻和恒速；1#泵和2#泵之間的切換，所以系統(tǒng)具有較大的靈活性，可任意選擇1#泵和2#泵工作于變頻或恒速。
恒壓供水選用森蘭BT12S15KW系列風(fēng)機、水泵專用變頻器，該系列變頻器有內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器，并集成有供水軟件，非常適合恒壓供水應(yīng)用。壓力變送器選用森納斯DG13W-BZ-A 量程1MPa，顯示器采用宏潤WP-801多功能顯示器，在運行過程中，可從顯示器上讀出實時的壓力值。
圖1 恒壓供水主電路原理圖
收費站的樓層一般都不高，恒壓供水的給定值設(shè)為0.25MPa~0.3MPa，可用外接電位器或直接在變頻器操作鍵盤上設(shè)定。為防止無關(guān)的人員修改設(shè)定，推薦使用鍵盤設(shè)定。
從圖2可見，K3用于恒速/變頻選擇；ZK1、ZK2為中間帶零位的三位旋鈕開關(guān)，用于水泵的選擇，并且為保證安全，恒速與變頻之間；1#泵與2#泵之間都有互鎖。本例恒壓供水系統(tǒng)已經(jīng)安全運行了兩年，為用戶節(jié)省了電能，取得了較好的經(jīng)濟效益。
五﹑變頻器在隧道通風(fēng)中的應(yīng)用
在山區(qū)修建高速公路，必然要建隧道，當(dāng)隧道的長度較長或隧道穿過有煤層地質(zhì)存在的地方時，由于隧道較長，車輛經(jīng)過時揚起的灰塵和煤層中泄出的瓦斯在隧道中不易消散，前者在隧道中使能見度降低，引發(fā)交通事故；后者使瓦斯在隧道空氣中積累，當(dāng)瓦斯在隧道中集聚的濃度比較高時，可能引發(fā)惡性爆炸事故，這應(yīng)該絕對避免發(fā)生的。因此，隧道中裝有光電傳感器和瓦斯傳感器，只要隧道中使能見度降低或瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)時，就起動安裝在隧道中的風(fēng)機進行排風(fēng)作業(yè)，達到要求后自動停止風(fēng)機運轉(zhuǎn)。實際上，通風(fēng)系統(tǒng)是一計算機監(jiān)控系統(tǒng)，由計算機對隧道中的狀況進行實時監(jiān)控和記錄，保證行車和隧道的安全。
高速公路隧道的通風(fēng)也可用變頻器，也可用軟起動器，一般來說，用變頻器可節(jié)省電力變壓器和線路的投資。隧道中除風(fēng)機用電外，照明也需要用電，常規(guī)的方法是就近架一路10kv輸電線到隧道附近，再由變壓器降壓到380v/220v使用。變頻器驅(qū)動的風(fēng)機可在額定電流下起動，如果用軟起動器起動風(fēng)機，用限流起動方式時，起動電流為額定電流的2.5~5倍，如用電壓斜坡式起動，其起動電流為額定電流的5~7倍。這就意味著變壓器的容量須加大，考慮起動時線路的壓降，輸電線的線徑也必須增加，能耗也要加大。因此，在隧道通風(fēng)中用變頻器不僅可節(jié)省投資，還有一定的節(jié)能。
六﹑結(jié)束語
在高速公路上，應(yīng)用電氣傳動的機械有限，但高速公路的收費站和服務(wù)區(qū)眾多，就欄桿機和恒壓供水系統(tǒng)，變頻器的使用量是比較大的，對于較長的隧道的通風(fēng)系統(tǒng)才需要變頻器，用量不是很大，但功率容量比較大。
高速公路使用了變頻器后，可提升自動化控制水平，恒壓供水和隧道通風(fēng)系統(tǒng)有一定的節(jié)能效果。
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