水轮机制作系统的设计

1、重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 工业机械手及其控制系统设计请按这个模板修改封面。把陈格的改成自己的。考生姓名： 陈 格 准考证号： 011813302931 专业层次： 本 科 院（系）：机械与动力工程学院 指导教师： 许艳英 职 称： 副教授 重庆科技学院二O一五 年 月 日重 庆 科 技 学 院 高 等 教 育 自 学 考 试 本 科 毕 业 论 文重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 工业机械手及其控制系统设计考生姓名： 陈 格 准考证号： 011813302931 专业层次： 本 科 指导教师： 许艳英 院（系）： 机械与动力工程学院重庆科技学院二O一五年 月 日高等教育

2、自学考试本科毕业论文 水轮机制作系统的设计考生姓名： 李涛 准考证号： 011813302951 专业层次： 专衔本 院 （系）： 机电工程学院 改成上面的，这页去掉指导教师： 许艳英 职 称： 副教授 重庆科技学院二O一五年 月 日 摘页眉上要体现章标题。 要 为了缩短停机时水轮发电机组的惰行时间，防止推力轴瓦烧损，在停机过程中必须在低转速区对机组进行连续制功。简要介绍了机组制动的工作原理，分析了机械制动和电气制动的特点，对石门 2F 水轮发电机组电气制功进行了全面的分析，指出采用电气制功的必首行缩进要性，对改善推力瓦运行条件、缩短机组低速运行时间、保证机组安全可靠刹车停机具有十分重要的意义

3、。水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械，它属于流体机械中的透平机械。早在公元前 100 年前后，中国就出现了水轮机的雏形水轮，用于提灌和驱动粮食加工器械。现代水轮机则大多数安装在水电站内，用来驱动发电机发电。在水电站中，上游水库中的水经引水管引向水轮机，推动水轮机转轮旋转，带动发电机发电。作完功的水则通过尾水管道排向下游。水头越高、流量越大，水轮机的输出功率也就越大。本设计主要应用的是欧姆龙系列 PLC 进行控制，首先通过 PLC 控制电磁阀的动作，电磁阀的动作使气缸的上、下腔充气或排气，气缸的充气或排气从而使水轮机实现制动、停止和反风等功能。关键词：水轮机，PLC，制动，气压传动

4、ABSTRACTin order to shorten when stop hydro-generating laziness line time, prevent thrust bearings caustic, downtime process must in low speed area on the unit of continuous system work. Briefly introduces the working principle of unit braking, analyzes mechanical 段的第一个字母大写braking and electrical bra

5、king characteristics of shimen 2F hydro-generating electrical system reactive carries on the comprehensive analysis. Pointed out that using the electrical system, the necessity of reactive power to improve thrust watts, shorten the unit operation condition low-speed run time, ensure its safe reliabl

6、e brake downtime has the extremely vital significance. Turbine is the flow of energy conversion for rotating mechanical power machinery, it belongs to the turbine machinery fluid machinery. In early 100 BC, China appeared before and after the rudiment of hydraulic turbine -, used in DiGuan and drive

7、 grain processing equipment. While most modern turbine hydropower plant, used to install in driving generators electricity. In hydropower station, the waterreservoir upstream by water pipe to water turbine, promote turbine runner rotation, generator power generation. The water is finished by reactiv

8、e tail water pipe row to downstream. Head taller, flow, the greater the turbine output power is bigger also This design main application is omron PLC control series, first by PLC control electromagnetic valve movements, solenoid valve movements make cylinder, inferior vena inflatable or exhaust, air

9、 cylinder inflated or exhaust turbine thereby realize braking, stop and against the wind, and other functions.Keywords： turbine PLC braking pneumatic transmission 目 录目录要自动生成 中文摘要1英文摘要21水轮机电气控制设备31.1 水轮机的选型41.2控制原理说明51.3系统硬件组装61.4设计过程71.5系统设计控制流程图82流体部分92.1形成过程及工作原理102.2按要求设计112.3液压传动原理及设计123PLC编程部分设

10、计13 3.1PLC组成系统为FX2N型PLC编程系统14致谢15参考文献16论文原创性声明 重 庆 科 技 学 院 高 等 教 育 自 学 考 试 本 科 毕 业 论 文1 水轮机电气控制设备系统1.1水轮机的选型水轮机按工作原理可分为冲击式水轮机和反击式水轮机两大类。冲击式水轮机的转轮受到水流的冲击而旋转，工作过程中水流的压力不变，主要是动能的转换；反击式水轮机的转轮在水中受到水流的反作用力而旋转，工作过程中水流的压力能和动能均有改变，但主要是压力能的转换。通过查找资料；反击式水轮机中，水流充满整个转轮流道，全部叶片同时受到水流的作用，所以在同样的水头下，转轮直径小于冲击式水轮机。它们的最

11、高效率也高于冲击式水轮机，但当负荷变化时，水轮机的效率受到不同程度的影响，我选择较先进地反冲击式水轮机HLX180转轮，其模型额定点效率M=094。较通常转轮高出2个百分点，最高效率圈相对扁平，额定和加权平均水头下Q1跨度达120L/m3，n1r非常接近最优单位转速，运行区域包括了整个最优效率区，依据效率加权因子，求得的模型加权平均效率达884%，额定水头下具有83%的超发能力，因此该转轮能量指标较高，水能利用率高。行间距是固定值22。全文自己修改检查图2 HLX180型水轮机按章编号，第一章第一个图是： 图1-1 *。全文图重新编号1.2控制原理说明1.本系统采用分层分布式布局，配置如图3所

12、示。主要由2个机组监控屏、发电机保护屏、公用监控屏、主编线路保护屏和电量屏构成。通讯采用高速以太网与上级调度、操作员工作站进行通讯。其中公用监控屏由可编程控制器 (由三菱FX2N-80MR和2个FX0N-16EX扩展模块组成)、自动准同期装置、触摸屏、电力测控仪和逆变电源组正文首行缩进成，在公用监控屏中实现对发电机的有功调节。图3 系统配置图2.在电力系统中，频率与电压是电能的2个主要质量指标，电力系统中的频率变化的主要原因是由于有功功率不平衡引起的。系统的负荷经常发生变化，要保持系统的频率为额定值，就必须使发送的功率不断跟随着负荷的变动，时刻保持整个系统有功功率的平衡。否则，系统的频率就会大

13、起大落，保证不了电能的质量，甚至会造成事故与损失。当负荷吸取的有功功率下降时，频率增高;当负荷吸取的有功功率增高时，频率降低，即负荷调节效。由于负荷调节效应的存在，当电力系统中因功率平衡破坏而引起频率变化时，负荷功率随之的变化引起补偿作用。如系统中因有功功率缺额而引起频率下降时，能补偿一些有功功率缺额，有可能使系统稳定在一个较低的频率上运行。如果没有负荷调节效应相应的负荷功率也随之减小，当出现有功功率缺额系统频率下降时，功率缺额无法得到补偿，就不会达到新的有功功率平衡，频率会一直下降，直到系统瓦解为止。频率和有功功率自动调节的方法主要有: (1) 利用机组调速器的调节特性进行调频; (2) 根

14、据频率瞬时偏差，按比例分配负荷，构成虚有差调节频率和负荷的方法; (3) 按频率积分偏差调节频率，满足“等微增率”原则分配负荷;字串6 (4) 按给定负荷曲线调节有功功率(本文所介绍的是按给定负荷曲线调节有功功率)。3. 水轮机的制动调节系统应该使总功率等于负荷曲线给定的功率。而机组之间则按“等微增率”原则经济分配负荷。如果系统频率偏差不超过调频电站所能补偿的范围，则调功电站的调节系统对频率偏差不应作出任何响应。如果系统运行工况发生了变化，出现了较大的频率偏差则调频电站无力完全补偿偏差值，那么调功电站的自动调节装置应该作用于各台机组的调速器，使之改变各台机组的有功出力来帮助恢复系统频

15、率。图4    功率与频率关系曲线图4示出功率与频率的关系曲线。在死区±fmax范围内，频率偏差信号f不起作用，此时电站的实际功率 与给定的总功率PG之间的偏差P产生调节作用。     4. PG为电站负荷曲线给定装置取得的，使由各台机组有功功率测量元件测到的有功信号相加后得到的。当时，两台机组的调节作用只受有功偏差P的影响，而与频率偏差f无关，此时调节特性方程为:     字串3 字串3  1.3系统硬件组装1根据系统的控制

16、要求配置硬件如下: 图 5    系统硬件简图控制器:三菱FX2N-80MR和两个FX0N-16EX扩展模块组成。人机界面:触摸屏。其它设备:2个DC24V继电器、功率表以及其它的辅助器件。字串9本系统确保整个系统频率的稳定和电网的稳定供电。1.4设计过程水轮机微机调速器是一个典型的数字式液压位置伺服系统，数字式液压位置伺服系统按电液转换环节接口控制方式主要分为两大类：间接数字控制和直接数字控制。随着计算机技术在流体控制系统中的大量应用，数字化成了一种必然的趋势。在流体动力系统中，这种控制方式的控制信号是开关量，因而是直接数字控制。脉宽或脉冲调制）控制。

17、通过控制开关元件的通断时间比，以获得在某一段时间内流量的平均值，进而实现对下一级执行机构的控制。该控制方式具有不堵塞、抗污染能力强及结构简单的优点。a.这种采用间接数字控制；将微机控制信号通过D/A转换环节，将数字信号转换为模拟量信号（010V、420mA）后，再经放大后驱动电液伺服系统的控制方式。该方式必须通过D/A转换环节，将数字量转换为模拟量实现数字控制，其主要存在以下问题：（1）由于控制器存在模拟电路，易产生温漂和零漂。（2）多了D/A环节,降低了可靠性。（2）阀的外控特性表现出滞环，消除滞环使阀的造价大大增加，结构复杂，可靠性降低。（3）整体式磁性材料由于铁损引起的温升严重。而直接数

18、字控制不通过D/A接口，微机控制信号直接以数字开关信号与电液伺服系统接口实现数字控制，消除了间接数字控制存在的上述问题，使整个系统简单化，并实现整个系统的数字化，应用前景非常广阔水轮机调速器测频装置用于检测机组频率和电网频率，由机组频率、电网频率整形电路和内装有测频程序的基本单元共同组成，并通过闭环反馈系统实现对水轮机组频率的控制。该装置因取消了单片机硬件，改由基本单元测频不仅降低成本，更主要的是大大提高了频系统的整形可靠性，从而减少了电路事故的发生。还因输入信号为开关量，减少了输入点数，降低了成本，该装置结构简单，使用维护方便，可靠性高。图6 控制系统原理图b.PID控制:利用PI控制和PD

19、控制的优点组合成的控制。当偏差X（设定值-反馈值）为正时，增加执行量（输出频率），如果偏差为负，减小执行量。压力传感器反馈的水压信号Y（4-20mA）与设定值U进行比较，其偏差X经变频器的PID控制器运算后产生执行量Fi去驱动变频器，从而构成以设定压力为基础的闭环控制系统。运行参数在实际过程不断进行调整，使系统控制器响应趋于完整，并通过PLC计算需切换泵的运行操作。 c.这种水轮机调速器测频装置，有整形电路装置组成，其特征在于：整形电路装置分机组频率整形电路装置和电网频率整形电路装置两部分，两个整形电路装置的输出信号，分别输入PLC基本控制单元的X0、X1输入端，PLC基本控制单元预先装入专用

20、程序。再下面的PLC设计中进行详述； d.采用矢量控制的基本原理；变频器的主电路通常是AC-DC-AC电力电子变换电路，DC-AC部分为三相桥逆变系统，确定其开关信号的控制策略往往决定了变频器性能的高低。 分析变频器三相逆变桥的开关状态(逆变桥上桥臂开通表示为1，相应的下桥臂关断)：X0(000)、X1(001)、X(010)、(100)、(101)、 (110)、(111)，可表示为8个基本空间电压矢量：V1V2V3V4V5V6V7,其中V0V7为零矢量，其余为有效工作矢量。空间矢量PWM控制就是通过分配电压空间矢量，尤其是零矢量的作用时间，最终形成等幅不等宽的PWM脉冲波，实现追踪磁通的圆

21、形轨迹。若复平面上参考等效合成空间矢量V的模长等于相电压的峰值，以角频率按逆时针方向匀速旋转，那么其在三相轴上的投影就是对称的正弦量。反过来，按照平行四边形法则，利用这8个基本矢量可以合成任意角度和模长的等效合成矢量Vr。如果匀速发出在一个圆周里均匀分布的等效合成矢量,也就得到了三相正弦量的开关信号,这就是空间电压矢量调制。一个周期里发出的合成矢量越多,说明采样频率越高。下表要有表号与表名，也是按章编号。输入000001010100101110111输出X0X1X2X4X5X6X71.5系统设计控制流程图图7    系统流程图 字串9a.该系统监控24点制动闸动作

22、状态，通过指示灯显示。并实时由压力站气路压力数显示向PLC发出420mA的模拟信号，当动闸动作开关闭合时，指示灯亮，PLC系统开始工作。当数据与目标值有偏差时,当系统需要进行有功调节时，系统的软件或是手动发出信号开始调节，此时采集1个实时有功数据此数据与设定值 (即目标功率值)进行比较并进行数据处理算出需要调节的时间，然后发出信号使调节继电器动所开始调节。如未达到则有可能是系统内部有故障。为了避免使程序进入死循环，则调节四次仍未能达到要求就自动中止程序)。如图6所示，当M10接到触发信号后瞬时接通使D300采到的瞬时有功功率数据与D301(设定值)进行比较。当D300 >D301时输出信

23、号M300使PLC的Y001输出并使调节继电器动作进行调节。跳开继电器工作，PLC发出制动成功或复位信号，并保持15秒钟。根据PLC传送来的020mA的模拟信号，显示相应的转速。如此反复，PLC系统采用前端出线的模块化控制单元MIC-2000作为水轮发电机机组状态参数监测系统的主控制器，并采用双机冗余措施以提高监测系统的可靠性。控制系统采用CAN总线作为现场总线，提高了系统数据通信的可靠性和安全性。b.主要特点： (1).实时采集水轮发电机组的运行状态参数。 (2).每个检测与控制单元可以独立运行，且每个控制单元之间相互协同工作，共同完成水轮机机组的状态监测与控制。 (3).每个监测单元的状态

24、参数的传送通过现场总线方式传递，并且要求具有良好的实时性，准确性。 (4).易于安装，且要求前端出线。 2 流体控制部分2.1形成过程及工作原理 水流在水轮机中的流动，是一种复杂的三维空间运动，在稳定工况下，即当水头、流量和转速不变时，水流在反击式水轮机的蜗壳、导水机构和尾水管等过流部件中的流动是恒定流；水流在转轮中的流动是相对恒定流，即相对于转轮的旋转坐标而言是恒定流(但对地球坐标而言，则是非恒定流)。在变工况下，水轮机中的水流运动是非恒定流。这里我们主要讨论稳定工况下水轮机转轮中的水流运动状态。如图图8水轮机运行示意图任一复杂运动都是由若干简单运动复合而成的，同样，转轮中水流运动亦是由两种

25、简单运动复合而成的。一是水流从转轮进口沿叶片流道至转轮出口的流动，是水流相对于转轮流道的运动(假定转轮流道不动)称此运动为相对运动，用相对速度w表示；二是(假定水流进入转轮后不动)由于转轮是旋转的，则水流质点随着转轮的转动而转动称此运动为圆周运动(牵连运动)，用圆周速度u表示。实际上水流质点对于静止的转轮室而言，其运动是由上述两运动复合而成的绝对运动，此速度为绝对速度，用v表示。则：V=W+U，如图3-1所示：再此因为知识缺陷不做详解；图的编号一定要自己输入。2.2按要求设计 a.查阅资料可知；水轮机要满足以下要求：1、使过流部件机械强度降低，严重时整个部件破坏。2、增加过流部件的糙率，水头损

26、失加大，效率降低，流量减小，出力下降。3、机组产生振动，严重时造成厂房振动破坏。b.流速和压力是产生汽蚀最重要的两个原因，因此要控制流速和压力的急剧变化:1、设计制造方面： 合理选型，叶型流线设计，表面光滑，抗汽蚀钢衬(不锈钢)。2、工程措施：合理选择安装高程，采取防沙、排沙措施，防止泥沙进入水轮机。3、运行方面：避开低负荷、低水头运行，合理调度，必要时在尾水管补气。故采用节流阀控制流量，水份分离器净化空气，并用两个三通换向阀分别控制汽缸的上、下腔；气液混用三通球阀进行气、油的转换控制，多块压力表可直接读数等，能进行实时控制； c.阀门液动装置的优点1）结构简单、紧凑、体积小；2）传动平稳可靠

27、；3）可以获得很大的输出力矩；4）输出力矩可以通过定压溢流阀得到精确的调整，包括开启和关闭力矩的调整，甚至可以通过液压仪表直接反映出来；5）速度调节方便；6）在突然发生事故动力终断时，仍可利用蓄能器进行一次或数次动力操作。这对长输管线自动紧急切断阀和井口喷放阀有特殊意义。2.3液压传动原理及设计1）简介；它是用液体作为工作介质来传递能量和进行控制的传动方式。液压传动和气压传动并称为流体传动，是根据17世纪帕斯卡提出的液体静压力传动原理而发展起来的一门新兴技术，是工农业生产中应用广泛的技术。液压传动中由液压泵液压控制阀液压执行元件(液压缸和液压马达等)和液压辅件(管道和蓄能器等)组成的液压系统。

28、液压泵把机械能转换成液体的压力能，液压控制阀和液压辅件控制液压介质的压力流量和流动方向，将液压泵输出的压力能传给执行元件。执行元件将液体压力能转换为机械能，以完成要求的动作。2）工作原理；液压传动的基本原理是在密闭的容器内，利用有压力的油液作为工作介质来实现能量转换和传递动力的。其中的液体称为工作介质，一般为矿物油，它的作用和机械传动中的皮带、链条和齿轮等传动元件相类似。 液压传动是利用帕斯卡原理！帕斯卡原理是大概就是：在密闭环境中，向液体施加一个力，这个液体会向各个方向传递这个力！力的大小不变！液压传动就是利用这个物理性质，向一个物体施加一个力，利用帕斯卡原理使这个力变大！从而起到举起重物的

29、效果！电动机带动液压泵从油箱吸油，液压泵把电动机的机械能转换为液体的压力能。液压介质通过管道经节流阀和换向阀进入液压缸左腔，推动活塞带动工作台右移，液压缸右腔排出的液压介质经换向阀流回油箱。换向阀换向之后液压介质进入液压缸右腔，使活塞左移，推动工作台反向移动。改变节流阀的开口可调节液压缸的运动速度。液压系统的压力可通过溢流阀调节。3）硬件设备控制： a.阀门液压传动装置由动力、控制和执行机构三大部分组成。动力部分的作用是把电动或气动马达旋转轴上的有效功率转变成液压传动的流体压力能。它由电动机或气动马达、液压泵、油箱等件构成。控制部分由控制阀，如压力控制阀、流量控制阀、方向控制阀等和电气控制系统

30、组成。执行机构有两种，一种是液压缸执行机构，实现往复直线运动；另一种是液压马达执行机构，实现回转运动。下图是流体控制部分总的原理图：图9流体控制部分示意图b.我选用ZPQ-01、02型气动阀门定位器可与气动调节阀，直行程气动活塞调节阀及角行程气动调节阀配套使用的辅助仪表，它接受气动调节仪表给出的20100kPa（020mA）信号来控制调节阀的行程，又经过反馈系统的作用，确保阀芯位置按调节仪表来的气动信号，准确执行，从而实现阀芯的正确定位.c.伺服阀调速器是一个典型的间接控制方式的数字式液压位置伺服系统。传统的各类伺服阀也都属于这类伺服系统。它的信号传递关系如下图所示：图10 信号转换图3 PL

31、C编程部分设计3.1PLC组成系统为FX2N型PLC可编程系统1）可进行离线编程和在线连接和调试，并能实现梯形图与语句表的相互转换。为了提高整个系统的性价比，该系统采用开关量的输入/输出来控制电机的启停、定时切换、软起动、循环变频及故障的报警等，而电机转速、水压量等模拟量则由PID调节器和变频器来控制。泵组的切换示意图如图2。开始时，若硬件、软件皆无备用（两者同时有效时硬件优先），1#泵变频启动，转速从0开始随频率上升，如变频器频率到达50Hz而此时水压还在下限值，延时一段时间（避免由于干扰而引起误动作）后，1#泵切换至工频运行，同时变频器频率由50Hz滑停至0Hz，2#泵变频启动，如水压仍不

32、满足，则依次启动3#、4#泵，泵的切换过程同上；若开始时1#泵备用，则直接启2#变频，转速从0开始随频率上升，如变频器频率到达50Hz而此时水压还在下限值，延时一段时间后，2#泵切换至工频运行，同时变频器频率由50Hz滑停至0Hz，3#泵变频启动，如水压仍不满足，则启动4#泵，泵的切换过程同上；若1#、2#泵都备用，则直接启3#变频，具体泵的切换过程与上述类同。同样，若3台泵（假设为1#、2#和3#）运行时，3#泵变频运行降到0Hz，此时水压仍处于上限值，则延时一段时间后使1#泵停止，变频器频率从0Hz迅速上升，若此后水压仍处于上限值，则延时一段时间后使2#泵停止。这样的切换过程，有效地减少泵

33、的频繁启停，同时在实际管网对水压波动做出反应之前，由变频器迅速调节，使水压平稳过渡，从而有效的避免了高楼用户短时间停水的情况发生。以往的变频恒压供水系统在水压高时，通常是采用停变频泵，再将变频器以工频运行方式切换到正在以工频运行的泵上进行调节。这种切换的方式理论上要比直接切工频的方式先进，但其容易引起泵组的频繁启停，从而减少设备的使用寿命。而在该系统中，直接停工频泵，同时由变频器迅速调节，只要参数设置合适，即可实现泵组的无冲击切换，使水压过渡平稳，有效的防止了水压的大范围波动及水压太低时的短时缺水现象，提高了供水品质。2）注意事项要使系统稳定的运行，有几个参数需特别注意：1. 变频转工频开关切换时间TMC设置TMC是为了确保在加泵时，泵由变频转为工频的过程中，同一台泵的变频运行和工频运行各自对