《X大桥水电站水轮机电气制动系统的设计》9300字（论文）

绪论现代技术因为其快速发展，电的应用领域也变得越来越广泛，电已经不局限于简单的供电，而是与其它技术结合起来进而创造出更好的技术。而电气制动系统也正是将电气控制技术与流体传动技术结合，再加上先进的PLC技术控制从而创造出的系统。这套系统对比机械制动系统有着许多的优点，例如可靠性高，自动化程度高，泄露低，可维护性高和信号监视性高等。而且伴随着科学技术的快速发展，机械制动终会被淘汰，所以为水电站设计一套电气制动系统也是无可避免的。这套系统设计共分为三个设计：电气控制设计，PLC控制设计，气压控制设计。将这三部分设计完毕并且完善好便能将水电站的电气制动系统进行全面的升级和改造，从而提供更好的效率。1.1设计背景X大桥水电站位于X市晁宁县，其住宿环境与发电站都是位于前列的，并且在水电站期间因为我亲自去观看了水轮机的装置并且擦拭了水轮机，给我留下了深刻的印象。一般水电站的水轮机为主要元件之一，水电站如果要正常运行离不开水轮机的工作效率及性能。水轮机制动系统一般分为两种，一种为机械制动，一种为电气制动。从科学上说，电气制动比机械制动无论从性能还是工作效率都是胜过的。所以我才想要写一篇水轮机电气制动的方案从而提高水电站效率。而且X大桥水电站的水轮机大多为机械制动，所以本设计旨在将水电站机械制动全部换成电气制动从而实现水电站的全面升级，从而将X大桥水电站的效率提升，为X大桥水电站创造更大的经济效益。1.2设计内容通过对X大桥水电站水轮机的原有系统的全面设计和改变，已经基本上满足了X大桥水电站水轮机的电气制动系统的流畅运行和安全稳定的预期理想目标。我的设计有电气、PLC和气压这三个控制设计。我后面会对这三个控制设计进行详细介绍。

2水轮机电气制动系统电气控制设计2.1电气制动理论因为现在水电站中的水轮机拥有电气刹车的技术，这种技术不仅改善了水电站中的水轮机发电机组的运行方法，而且也大大地缩短了水轮机电气刹车的时间，使水轮机电气刹车的机械消耗变小了许多。电气刹车也将机械运行的缺点变好了许多，为保证水轮机中的发电机组的安全运行做出了极大的贡献，也提高了发电机组流畅运行的安全效益，对操作方式有着极大的经济效益。2.2电气制动的基本理论依据因为电气制动这个原理一般用同步电动机来应用，所以如果当电气制动系统中没有了水轮机的作用的话，再加上系统中发电机的转子收到了系统中的电流的话，就会导致同步电动机的耗损过大，对系统有着不好的影响。依上所述，电气刹车的力臂也会被发电机组所左右，如下面（2-1）公式所表达一样：ME=式中:ME电气制动的制动力矩PE铜损功率Wω转子角频率弧度/秒电气制动的目标应该是怎么样才能让电气制动力臂被发电机组稳定流畅地用出，而且是在发电机组和电气制动系统完成后的情况下。在这个目标的作用下，电气制动的实现会越来越近。因为基本的反应原理是作为同步电动机的驱动器和电枢,所以普通的电气制动系统中所有的发电机都只是三个输出端口再加上了短路电刹车器。单元和功率被分散后,依据定子驱动器转速的50%到55%,发电机上的定子驱动绕组必然会造成三相短路。然后我们就可以通过定子绕组内部的励磁直流电流来接入。因为一般的发电机都是具有一定的惯性和转速,在这个情况下就会向发电机输出一个与其转速运行方向完全不同的励磁驱动力臂,在这个情况下旋转的定子也一定是因为发电机的故障而向发电机输出一个短路的电流。协调励磁直流电流,,能够使定子短路电流维持在稳态。但是就在这个过程中定子绕组中会直接使用制动力臂,可是其转矩与机组运行的惯性力矩是正好相反的。因为上述情况的发生，水轮机的电气制动得以完成。水轮机电气制动系统中发电机的制动力矩联系（2-1）的公式可表达为：ME=式中：R定子回路中的有效电阻N转子的转速IK定子短路励磁电流，即制动电流上述计算公式中的发电机短路励磁电流IK，一般都是在发电机的转子励磁不变的条件下，并且当发电机的定子短路励磁电流IK为恒定值时，即使发电机组的转速减慢也不能直接影响发电机短路励磁电流IK。2.3电气制动力矩的控制理论分析上述公式（2-2），可以得出在相同速度的条件下，定子短路励磁电流IK的平方和发电机的制动力矩ME的关系为正比，而且因为定子短路励磁电流IK一般是不会变化的，所以不会调整定子短路励磁电流IK。而且在电气制动系统开始运转的这段时间里，发电机的制动力矩ME会随着转子的转速N提高而减小。然而，一旦设计的主轴系统中规定数值的发电机的制动力矩ME被当时系统中的发电机的制动力矩ME超越时，就会破坏设计的主轴系统，产生严重的后果。所以，发电机的制动力矩ME是必须要调整其数值在设计的主轴系统中规定数值以内的，只有这样子才会让水轮机中的发电机组流畅运转。一般水电站水轮机组中主轴系统的极限力矩T为：T=K×MEK安全系统，表示水轮机组的发电机主轴系统，一般取2.5。

由（2-1）可得，水轮机组中发电机组的主轴的力矩可表达为下面的公式：M=PMPM=P2−P式中：M水轮机组主轴的扭力矩P2电子绕组电负载功率WPM水轮发电机组电磁功率WPφ电子绕组铜损耗功率额定扭力矩ME是在水轮机中的发电机组在额定转子转速N和额定功率W的条件下由主轴系统发出的扭力矩。由上述五个公式联合可得以下公式:ME=3UIcos式中：U发电机额定电压VI发电机额定电流Acosθ发电机功率因数（由发电机决定一般在电气制动系统运转中，特别是在电气制动系统运转的最初时候，额定扭力矩ME大于发电机的制动力矩ME，这时候都是不用去调整水轮机中的发电机组中的励磁电流I从而调整水轮机中的发电机组中的定子短路励磁电流IK的。但是如果一旦当水轮机中的发电机组的转子转速N继续减慢时，这时候为了防止电气制动系统额定功率W因为水轮机中的发电机组的转子转速N减慢从而小于发电机的制动力矩ME时，这时候就一定要改变发电机组中的励磁电流I从而调整水轮机中的发电机组中的定子短路励磁电流IK来防止上述情况的发生从而使水轮机中的发电机组正常运行。2.4电气控制设计★设计任务:●关注24点制动闸的动作情况，然后将其功作情况用指示灯表达出来；●保证24点制动闸动作后会全部往PLC中心发出制动成功的情况或者复位信号；●保证压力站的气路压力会往PLC中心发出4到20mA的模拟信号；●最后用PLC中心的4到20mA的模拟信号来在显示器上表达出对应的转速。★实现方法：●先用继电器把24点制动闸的位置情况输入到控制板的输入端，然后继电器会用一对动断触点和动合触点来控制复位信号灯和制动信号灯这两种信号灯，最后24点的信号会输入到24点输入与门和24点输入或非门，24点与门和或非门会输出制动成功的情况或者复位信号；●压力传感器应选择输出为4到20mA的类型的，为了向PLC中心发出压力信号；●把PLC中心输入的4到20mA的转速信号用I/V变换器变成电压信号输入到转速变换电路中，在显示器上表示出对应的转速。可以改变变换电路用来改变上限和下限转速；●输入的模拟信号应该是4到20mA的和输出的开关信号也应该是空接点的。3水轮机电气制动系统PLC控制设计3.1电气制动配置方案电气制动是一个逻辑非常好的自动运转过程，因为电气制动运转的过程需要使用非常多的传感器，这些传感器会时常地对电气制动运转的过程进行监视和控制，可以防备电气制动运转中意外的发生。另外还要使用可编程控制器，因为可编程控制器的操作步骤是有逻辑互锁性的，而逻辑互锁性的特点会使电气制动运转的过程更加富有逻辑性，这样出现意外的可能性也会明显降低。现在的电气制动一般都是通过使用电磁制动器来完成的，如图3.1所示：制动闸动作状态传感器控制转速显示器FX2N制动闸动作状态传感器控制转速显示器FX2N可编程控制器输出显示器显示继电器2继电器1压力传感器压力信号机组调速器4-20mA输出模拟信号图3.1系统硬件简图上图3.1是一个电气制动系统，这个电气制动系统需要这些东西：电源输入开关和电源输出开关各需要一台，定子短路刀阀一台，变压箱一台和PLC元件一台。因为水电站中的电气制动配置一般都是单独的，所以励磁配置肯定都是不需要去改变的。而且电气制动系统中的电流I是由电气制动来协调的，这样电气制动后不但可以保证电气制动系统中的电流I为零，而且有两种方法来使电气制动运转过程发挥好的作用，从而减小水轮机中的发电机组停机的时间。这两种方法分别是自动控制发电机的制动力矩ME和使用可编程控制器。PLC是当今一种新型的数字控制技术，它是以计算机和继电器两大技术为基石研发的，以芯片为核心，集合控制，计算和通迅三大技术为一体的高端技术，在我们生活中离不开这种技术，尤其是在工业上最为广泛。其优点主要有三大优点：结构微小且精巧，运行快速且准确，不受外界影响。因为其三大优点，所以选用PLC对电气制动系统的设计是非常有用的。用PLC设计的水轮机电气制动系统如图3.2所示：机组机组移相触发器D/A模块PLCA/D模块QFIFMKZLK水导机械制动励磁电流

制动电流

机组转速图3.2水轮机电气制动系统中的PLC控制系统图3.2所表示的是制动力矩ME的控制线：首先单元速度V和制动电流IK等模拟信号先通过模数变化成数字信号输入到可编程控制器中，然后可编程控制器工作后的数值又输入到模数中。最后通过PLC控制系统中的移相触发器来改变水轮机中发电机组中的励磁电流I，再通过感应器将电气制动的情况反馈给PLC控制中心，从而PLC控制中心将发电机组闭环控制回路来让发电机组正常运行。3.2PLC的选型从水轮机电气制动系统的控制要求和所需要的功能出发，我所需要的PLC的输入是12点输入，PLC的输出是14点输出。一般PLC存储器中的内存容量是I/O点数的10到15倍，再加上模拟I/O数的100倍，以此数作为内存的总字数，然后再按此数的25%考虑余量来参考的话。我所需要的PLC是“三菱FX2N-32MR-001”这款PLC。3.3硬件设计3.3.1PLC控制电路设计图3.3.1PLC内部电路控制如图3.3.1所示，控制电路的电源是AC220V，操作步骤为先按下“PowerON”，再接通电源，指示灯发光，然后按下“PS”将AC220V改变成DC24V，最后按下“E-Stop”，马上切断控制电路的AC220V电源，使PLC和控制电路都停止运转。图3.3.2PLC控制电路3.4PLC控制设计 3.4.1I/O信号地址分配接口信号输入端口输出端口接口信号发电机出口开关QF1状态X0YO水轮机导水叶关闭原励磁系统FMK状态X1Y1降低发电机组励磁电流短路开关FDK状态X2Y2发电机出口开关QF1断开直流开关ZLK状态X3Y3发电机出口开关QF1闭合交流开关JLK状态X4Y4原励磁系统FMK断开发电机转速≤50%X5Y5原励磁系统FMK闭合发电机转速≤20%X6Y6短路开关FDK断开发电机转速=0X7Y7短路开关FDK闭合水轮机导水叶到零X8Y8直流开关ZLK断开励磁电流≤10%X9Y9直流开关ZLK闭合发电机剩磁电压≤10%X10Y10交流开关JLK断开机械制动开关状态X11Y11交流开关JLK闭合Y12机械制动断开Y13机械制动闭合表3.4.1I/O地址表假如控制电路运转最多的时间为T1，T1里包括了机械制动故障时改变为电气制动的时间。那么还可以假定上表3.4.1中三个开关合上闸后到发电机组完全关闭的时间为T2，三个开关断开允许的时间为T3和三个开关合闸需要的时间为T4。将T1，T2，T3，T4这四个时间列成下表:TT1T2T3T4暂定时间值5MIN45S5S5S表3.4.2PLC程序中的时间参数3.4.2电气制动运行控制流程水轮机剩余磁电压在10%以下水轮机剩余磁电压在10%以下水轮机转速在60%以下直流开关ZLK闭合断开JLK磁机灭磁开关LNK断开系统复位至初始状态断开FDK延时等待机组转速接近零电气制动短路开关FDK闭合交流开关JLK闭合同时满足接受停机命令否6是图3.4.2控制流程图3.4.3PLC梯形图程序见附录4水轮机电气制动系统气压控制设计4.1气压传动气动一般为气压传动与控制。严格来说的话，一般传动系统是传递动力先，传递信息后；控制系统则完全相反，但是在现实的情况下传动和控制这两个系统在各个方面上一般都是有联系的。一般情况下气压传动系统都是压缩空气来能量传递的。★气压传动系统的组成：●执行元件：把压缩后的空气的压力能转成机械能的装置；●控制元件：控制压缩后的空气的流动、动能、量度和控制执行元件工作；●辅助元件：将压缩后的空气洁净、光滑、降噪和用来各个元件连接等需要的元件；●工作介质：在气压传动中传递运动、动力及信号的作用。气压传动的工作介质为空气。★气压传动的工作原理气压传动是用压缩空气来传递运动和能量的一种传动方法。因为空气不是光滑的并且很干燥，所以一般要在气压传动过程中加入润滑油来润滑各个装置从而使气压传功过程更加流畅也保护了各个装置和元件，一举两得。★气压传动的特点气压传动的优点：●工作的介质为大自然中的空气。空气随处可有，取之不尽，用之不竭，是一种可持续的能源，极大地节约了资源。而且空气可循环利用，无污染，也保护了环境；●空气拥有非常小的粘性，所以气压传动时损失的动能就很少，不仅节约了动能，也可以使能量的转换率达到很高，适合大的工程；●动作迅速，反应快，维护简单，调节方便，特别适用于一般设备的控制；●工作环境适应性好，特别适合在易燃和易爆等恶劣条件下的工作；●成本低，过载能自动保护。气压传动的缺点：●空气因为可以用来压缩，所以速度和定位都不是可以精确控制的，这样子的情况下就会影响系统稳定；●空气的压力较低，只适用于压力较小的场合；●排气噪声较大。4.2液压传动液压传动是用液体来传递能量的一种传动方法。★液压传动系统的组成：●动力元件（油泵）动力元件的作用是用液体来把机械能转化成液压力能，是液压传动系统中的动能；●执行元件（油缸、液压马达）执行元件的作用是把液体的液压能改变成机械能；●控制元件控制元件的元件有压力阀和方向阀等。控制元件的作用是依照需求对液动机的速度大小进行调整，而且也要对液压传动系统中液体介质的动能，流动和量度这三大方面进行调整改变；●辅助元件除上述三部分主要元件以外的其它元件，包括蓄能装置和快换接头等，它们同样重要而且也适用于工业各方面；●工作介质工作介质是各种各样的液压传动系统中的液压油或乳化液。★液压系统工作原理液压式传动系统的基本原理表现为:液压式传动系统先是使用控制器元件液压泵把原动机的各种工作和机械能改变成了液体的压力和动能,然后再依靠借助于液体压力和动能的改变作用来传递机械能和动能,最后依靠各种各样的工作控制阀和输液管路的传递,用液压式传动系统的执行器元件把工作液体的压力和动能改变成了机械能和动能,而且这些工作和动能的改变会促使各个元件启动,液压传动系统也就完成了。★液压传动的优缺点液压传动的优点：●液压传动所需要的马达都是非常小巧的，而且也不重，非常方便；●在一定的数值内，可以自主并且稳定地控制其牵引速度；●改变流动方向非常的方便，不复杂。而且可以在不调整电机方向的条件下，能够简单地完成各个元件旋转和直线循环运动的交换；●有些元件在工厂布置上是可以随便布置的，因为它们之中是用油管连接的，不会受到多大的限制；●液压传动系统中的工作介质多为油液，这种介质非常润滑，对元件的耗损非常轻，这样元件的寿命也会提高，节约了经济；●操纵控制简便，自动化程度高；●容易实现过载保护。液压传动的缺点：●液压传动系统的油液一定要从开始到结束都保证它的干净，这样子修理的条件就会提高，浪费经济；●液压传动系统中各个元件的不仅制作的条件高，而且技术也极其复杂，这样子成本价就会非常高；●液压传动系统中的各个元件因为其工艺复杂，所以修理所需要技术的条件也自然变高，会浪费经济；●液压传动系统会因为它的工作介质油液温度的改变而产生影响，这将会导致系统工作不稳定。4.3气压控制设计气体控制工作原理：当压缩空气经过球阀后，然后再用节流阀来改变压缩空气的速度，最后洁净的空气通过两位三通换向阀流入气缸。当我们要求采用电气制动时,可以使用手动或者是自动这两种操作方法中的一个来和下腔相互结合的两位三通电磁换向阀之间接上一定的电流,这个时候会有大量的空气经过下腔换向阀转移到下气缸,但是由于上下两个气缸之间存在着较大的气压差，这将会使活塞往上面方向动作，这样子就实现了电气制动的目标。液压控制原理：如果需要检验系统是否能完美工作时，我们可以使用气液混用三通球阀这个元件来让工作介质油液流进去下腔，给下腔作用力使其推动活塞可以将整个装置向上顶起来，与此同时，我们可以经过压力传感器这个元件来将液压系统中的大量压力改变成电信号并将电信号变成数值传给PLC中心系统，这样我们就可以得出压力的大小并对此做出应对的措施和方法。气压传动原理图如图3—5所示：图3—5气压传动原理图1—球阀2—节流阀3—水分分离器4—压力表开关5—面板机械压力表6—两位三通换向阀7—机械压力表8—压力传感器9—气液混用三通阀5系统常用电气元件及选择5.1系统所需元器件列表系统元器件列表如表5—1所示：产品名称规格数量单位生产厂家备注两位三通电磁换向阀041333T（16kg）2个德国宝德2用1备气动压力传感器ISE-01-621-M1个日本SMC数显气体压力表LED红色七段码3块机械压力表0-16bar1块50mm表头气液混用三通阀KH3-G1/2-L-1120-01个德国HYDAC120bar气水分离器主气源使用1个手动不锈钢球阀压力表、变送器前使用6个5用1备转速表4-20mA输入、输出1块要求购买成品电源模块220VDC/24VDC2个朝阳要求并列运用二位转换开关自动、手动（带辅助结点）2个一用一备三位转换开关制动、停止、反风（带辅助结点）1常开、1常闭继电器220VDC1个表5—1系统元器件列表5.2系统常用元器件简介5.2.1两位三通电磁阀★简介两位三通电磁阀可以分为常闭型和常开型两种型号，常闭型是线圈未通电时气路是断的，常开型则是相反的。●常闭型：线圈通电,气路接通,线圈断电,气路断开,这种方式称为“点动”；●常开型：线圈通电,气路断开,线圈断电,气路接通,这种方式称为“点动”。★两位三通电磁阀工作原理两位三通电磁阀内部有一个紧密合成的腔口,而且它的通孔在许多不同的区域上都有,每个通孔又各自与电磁铁相接往不一样的区域输送油管,腔口中间为阀体,在其两面都是电磁铁,两面中左通电磁铁就往左,右通则向右。这种方式就是经过控制腔口阀体位移的方向来使不同排油孔遮盖或暴露，但是因为进油孔是常常开放的，油液会经过不同的排油管道，经过排油管道时会产生压力，这压力会将使活塞运动，活塞运动的同时也会使活塞杆一起运动，活塞杆运动则机器也会运作起来了。5.2.2球阀★工作原理球阀因为旋塞体为球体，球体的构造则会让球阀可以旋转90度。因为其特殊构造，球阀可以用来阻止和调整工作介质的流向。★主要特点球阀的主要特点：构造简单但精致，密合安全，修理简单，因为其特殊结构，难被工作介质腐蚀，使用寿命长。5.2.3气水分离器★简介气水分离器：结合离心和集流这两大工作原理,可以有效率地排去压缩空气里的水雾，这是气压传动控制中一种必须需要的装置。因为如果不除去压缩空气中的水雾，那么这种水雾则会对许多元件及设备产生非常大的损害，甚至导致意外的发生。那么气水分离器很好地解决了这个问题，不仅减少了经济损失，又提高了安全能力。5.2.4气液混用三通阀★概述气液混用三通阀一般是反冲洗阀这种类型的，主要使用在工作介质过滤器上。其优厚特性包括：●在反冲洗口打开前先关闭供水口；●流畅地改变水流方向；不浪费进水；●高流量；●可以安装在不同位置。★结构及工作原理气液混用三通阀中隔膜与阀杆是结合在一起的，这种特殊的结构对气压传动控制运转过程是非常有用的。因为一旦隔膜工作时，阀杆也会跟着工作。尤其是反冲洗时，隔膜会让阀杆一起向下工作到阀座的下面，而且一旦当进水口被闭合时，排水口将会与过滤器接通。如果这个时候过滤器的出水口有压力水的话，水就会从过滤器的上面流出来，从而实现反冲洗的目标。5.2.5压力传感器★定义压力传感器是工业中最为常用的一种传感器。6系统的安装与维护6.1设备的维护与保养设备维护与保养的重要环节是用正确的方法来使用各种不同的设备和维护各种不同的设备。设备的维修和保养主要包含:日常维修的保养、设备