变频器在高速公路上的应用

 1 引言
在高速公路上，设有很多收费站，每一进、出车道上均有一栏杆机，栏杆机的传动需要变频器驱动。这些收费站大都远离城市，收费站的生活区也不可能由城市自来水供应。一般是就地打一口井，抽地下水满足生活需求，这就需要一套小型的供水系统。高速公路上每间隔50～60km就有一个服务区，这些服务区也是远离城市，同样需要独立的供水系统。在全国，高速公路收费站、服务区的数量众多，变频恒压供水系统是必然的选择。另外，在较长隧的通风系统中变频器也有应用。

2 变频器在栏杆上的应用
栏杆机控制高速公路的起、闭。栏杆机由金属机箱（橙黄色）、电机、减速器，变频器、动态平衡器、控制凸轮组、横杆、防砸检测器等组成。其中控制器由两部分电路组成，一部分控制档车器的横杆运动；另一部分用于处理各种输入输出信号，如防砸处理、119报警处理和等待放行功能等。栏杆机与入口终端机及出口终端机等设备联机，以控制档杆之开启与关闭。档杆长度为3m或以上。档杆可做0～90°间连续运转不会过载，启、闭档杆的时间在5s以内，每天可操作10000次。栏杆机的供电电压为交流220v，由于高速公路收费站远离城市，供电大多就近取自农网，农网的供电压不稳定，电压的波动达到±20%。由此对变频器的要求是：频繁的起动停止、快速的加减速、适应宽范围波动的电源电压、运行平稳、栏杆起升、下降的位置准确。一般栏杆机安装在野外，收费站的顶棚可遮挡从上面下的雨，但挡不住风大时从侧面吹来的雨水，因此，栏杆都有一个封闭的机箱，用来安装变频器和电器控制系统。变频器装在空间不大的封闭机箱中，在夏季气温较高时不会引起过热跳闸。因为安装位置有限，要求变频器的体积尽量小。
希望森兰sb40d系列变频器是高性能的通用变频器、具有较高的启动转矩、设计上运用独有树状散热器，可使机身超小型、生产采用贴片工艺，使机器可靠性大幅度提高、内置plc功能、igbt、ipm智能功率模块超静音运行、多路可编程功能输出端子和继电器输出端子、输入电压的变化范围允许在176v～264v之间。在某高速公路收费站用希望森兰sb40d0.75kw变频器控制栏杆机，变频器的设置如下：f02=1运转指令由端子控制，f08=0.7加速时间0.7s，f09=0.7减速时间0.7s，f31=0.1起动持续时间0.1s，其余均按出厂值。栏杆机使用变频器后，由于加减速时间可任意调节，此处设置加减速时间为0.7s，档杆每天操作数百次至上千次，挡杆起降平稳自如；输入电压的变化范围到±20%后，没有因电压的波动跳闸，取得了较好的使用效果。

3 高速公路服务区和收费站的恒压供水
高速公路服务区和收费站中有不少工作人员，有人生活的地方就一定要用水，而服务区和收费站一般离城市较远，不可能依靠城市自来水管网供水，只好就近取水源供水。靠河边的区、站总是少数，因此绝大多数区、站取地下水，如果铁锰含量超标，经暴化处理，再经沉淀，过滤后作为生活用水。在这些区、站中人数不是很多，高峰和低谷的用水量变化非常大，不用变频调速的供水系统会造成电能极大的浪费。因此，最常见的都做成变频恒压供水系统，这样，当用水量较小时，变频器自动降频，水泵电机的转速变慢，电能消耗大幅度下降；深夜无人用水时，还可使变频器进入休眠状态，即变频器停止运行，但仍在监测管网的水压。由于管道的泄漏，当管网的水压低于某一值时，例如，设定值的65%（此值可任意设定），变频器重新起动，管网水压又开始上升，到设定值时仍无人用水，过一段时间变频器再次进入休眠。这样，无需人员的干预，就可实现水泵的自动起停，节电会更显著。从上面的过程还可看出，用水的高峰和低谷之间差别越大，管道的泄漏越少，节电越显著。

4 收费站的变频恒压供水系统
高速公路某收费站有20多人，离最近的城市也有10km的路程，生活用水就自建一个小型的供水系统。选择适当的地方，打了一口30m深的井，地下水的水质还不错，细菌含量低于自来水饮水标准，经沉淀，过滤后就是优质的生活用水。抽水泵采用一台功率22kｗ深井泵，用钢丝绳吊装在离井口28m的井水中。井水抽上来进入沉淀池，过滤后再由两台15kｗ水泵（一用一备）将水送入管网供使用，变频恒压供水系统的主电路原理图和控制原理图如图1和图2所示。

 

 

图1 恒压供水主电路原理图

 

                                                                                                                                     图2 恒压供水控制电路原理图

从图1可见，由于供水泵是一用一备，任何时候都只有一台水泵在变频状态或者在恒速状态工作，图中的km1～km4就用于变频和恒速；1#泵和2#泵之间的切换，所以系统具有较大的灵活性，可任意选择1#泵和2#泵工作于变频或恒速。
恒压供水选用森兰bt12s15kw系列风机、水泵专用变频器，该系列变频器有内置pid调节器，并集成有供水软件，非常适合恒压供水应用。压力变送器选用森纳斯dg13w-bz-a量程1mpa，显示器采用宏润wp-801多功能显示器，在运行过程中，可从显示器上读出实时的压力值。
收费站的楼层一般都不高，恒压供水的给定值设为0.25mpa～0.3mpa，可用外接电位器或直接在变频器操作键盘上设定。为防止无关的人员修改设定，推荐使用键盘设定。
从图2可见，k3用于恒速/变频选择；zk1、zk2为中间带零位的三位旋钮开关，用于水泵的选择，并且为保证安全，恒速与变频之间；1#泵与2#泵之间都有互锁。本例恒压供水系统已经安全运行了两年，为用户节省了电能，取得了较好的经济效益。

5 变频器在隧道通风中的应用
在山区修建高速公路，必然要建隧道，当隧道的长度较长或隧道穿过有煤层地质存在的地方时，由于隧道较长，车辆经过时扬起的灰尘和煤层中泄出的瓦斯在隧道中不易消散，前者在隧道中使能见度降低，引发交通事故；后者使瓦斯在隧道空气中积累，当瓦斯在隧道中集聚的浓度比较高时，可能引发恶性爆炸事故，这应该绝对避免发生的。因此，隧道中装有光电传感器和瓦斯传感器，只要隧道中使能见度降低或瓦斯浓度超标时，就起动安装在隧道中的风机进行排风作业，达到要求后自动停止风机运转。实际上，通风系统是一计算机监控系统，由计算机对隧道中的状况进行实时监控和记录，保证行车和隧道的安全。
高速公路隧道的通风也可用变频器，也可用软起动器，一般来说，用变频器可节省电力变压器和线路的投资。隧道中除风机用电外，照明也需要用电，常规的方法是就近架一路10kｖ输电线到隧道附近，再由变压器降压到380ｖ/220ｖ使用。变频器驱动的风机可在额定电流下起动，如果用软起动器起动风机，用限流起动方式时，起动电流为额定电流的2.5～5倍，如用电压斜坡式起动，其起动电流为额定电流的5～7倍。这就意味着变压器的容量须加大，考虑起动时线路的压降，输电线的线径也必须增加，能耗也要加大。因此，在隧道通风中用变频器不仅可节省投资，还有一定的节能。

6 结束语
高速公路使用了变频器后，可提升自动化控制水平，恒压供水和隧道通风系统有一定的节能效果。