可編程控制器在電氣盤車中的應用

1.引言

立式水輪發電機組大修后，要對其軸線進行測量與調整。機組軸線調整質量的好壞，將會直接影響到整個發電機組的安全穩定運行。通常是在發電機組的上導、下導、法蘭和水導四個地方，各按X、Y方向安裝兩只千分表，用電氣或機械盤車的辦法，使發電機組的轉子緩慢轉動，然后在各等分測量點處停止，用千分表測量其位移值，并對測量值進行計算，以此分析軸線產生的擺度大小和方向。通過刮削有關組合面或在有關組合面加墊的辦法，使鏡板摩擦面與軸線、法蘭組合面與軸線的不垂直獲得糾正。

目前使用的可控硅電氣盤車裝置，其觸發、換相、控制電路均由模擬電路和繼電器組成，控制線路復雜，輸出電流波動大，可靠性低。特別是換相時間整定麻煩，控制轉向不準確。本文提出一種用可編程控制器實現的電氣盤車裝置，其具有控制線路簡單、電流穩定、控制點準確、可靠性高的特點。

2.電氣盤車裝置的組成及原理

可編程控制器電氣盤車裝置主要由整流變壓器、三相橋式或半波可控硅整流器、定子/轉子調節器等部分組成，原理圖如圖1所示。

圖1 可編程控制器電氣盤車裝置原理圖

圖2 定子控制系統框圖

在三相同步發電機轉子繞組和定子任意一相繞組同時通入直流電流，則定、轉子之間會產生相互作用力。由于電磁力具有同性相排斥、異性相互吸引的作用，而使轉子旋轉。當轉子轉至與定子A相軸線一致時，轉子停止不動。若此時切斷A相直流電流，再通入B相直流電流，這時在定子空間將產生一個合成磁場，它將吸引轉子轉動120°(電角度)達到新的平衡，可見如果按A、B、C、A順序不斷切換，轉子就會沿A、B、C相序方向旋轉，周而復始。只要電流大小合適，且相序切換正確，就可以使轉子穩妥而連續的轉動或停在任一平衡位置上。

三組完全相同的三相半波可控硅整流電路分別為定子A、B、C三相繞組提供所需直流電流。轉子繞組勵磁電流則由一組三相橋式可控整流提供。采用三相橋式整流雖然比半波電路多用了三個可控硅，但提高了整流變壓器的利用率，減小了變壓器的容量，從而減輕了整個裝置的重量。當發電機轉子旋轉時，三相半波電路工作在整流狀態，調整控制角可使整流器輸出盤車所需的電流；當停止時，由于定子繞組的電感量很大，會產生較大感應電勢。如果此電勢加到發電機線圈和可控硅上，將會損壞這些器件。為此設計滅磁程序，將控制角α增大到150°，使三相半波電路工作在逆變狀態，這時線圈所儲存的磁場能量逆變反饋回電網，消除了感應電勢的危害。

定子調節器由可編程序控制器MicroLogix1200 1762-L24BWA、輸入輸出混合模擬模塊1762-IF2OF2、直流信號變換器、運算綜合組件、三相移相組件、脈沖放大組件、穩壓電源組件、以及同步變壓器等組成，如圖2所示。MicroLogix1200 1762-L24BWA可編程序控制器是美國A-B公司的一種功能強大的小型控制器，它集成了處理器、電源、嵌入式輸入輸出點，具有14點24VDC輸入，10點繼電器輸出，存儲器模塊可用于用戶的上載、下載和傳送。實時時鐘RTC可用于定時控制等。操作系統可閃速升級，無需更換硬件。輸入輸出混合模擬模塊1762-IF2OF2為兩路模擬量輸入、兩路模擬量輸出。

圖3 轉子調節器程序框圖

整流變壓器副邊經三套三相可控硅整流，由分流器分別檢測出輸入到定子A、B、C三相定子繞組的電流信號，然后由直流信號變換器變換為電壓信號，之后輸入到可編程序控制器模入模出模塊1762-IF2OF2的模擬量輸入端、運算綜合組件內，并與來自1762-IF2OF2的模擬量輸出給定信號一起進行比較，其差值經運算綜合組件運算放大而獲得一校正信號，此信號再與1762-IF2OF2的限制信號綜合為控制信號，控制三相移相組件的脈沖移相角α，并經脈沖放大組件進行功率放大，分別觸發A、B、C三套三相半波整流電路的可控硅。

由于三套可控硅整流器工作原理是一樣的，所以只以供給A相定子繞組的一套可控硅整流器為例進行說明，比如供電電源電壓由于某種原因升高了，此時輸出給A相繞組的勵磁電流增大，由直流信號變換器變換為電壓信號也增大，此信號與可編程序控制器的給定信號比較，獲得一增大的差值信號，經PID運算放大和綜合放大后而獲得一減小的控制信號，三相移相組件在此減小的控制信號作用下，移相角α加大，導通角減少。從而使可控硅的輸出電壓減小，輸送給A相定子勵磁電流減小，此一過程一直到發電機A相定子勵磁電流恢復到原來值為止。所以，可編程電氣盤車定子調節器也是一個維持發電機定子勵磁電流不變(嚴格來說是有誤差的)的調節回路。轉子調節器的工作原理與定子調節器相類似。

同步問題是三相可控硅整流電路重要的問題。本裝置利用一個過零檢測器在線電壓UAC由負半周到正半周過零時刻產生同步脈沖，因為線電壓UAC與相電壓UA相差30°，所以同步脈沖的出現時刻正好為A相的自然換相點。而A、B、C相的自然換相點彼此相差120°。同步脈沖送到三相移相組件使其產生的可控硅觸發脈沖即與主電路的電源同步，圖2是定子控制系統框圖。

3.盤車電流及控制算法

3.1 盤車啟動電流計算

啟動電流IJ是設計整流器的依據。一般可按轉子額定電流的30%～40%估算，為了更準確些，可按經驗公式計算：

式中：

Ik——空載勵磁電流(安)；

Q——盤車時轉動部分總重量(噸)；

n——額定轉速(轉/分)；

D——推力軸承平均直徑(米)；

U——發電機定子端額定電壓(千伏)；

f——摩擦系數(鎢金瓦)(取0.07)；

α——盤車時的電氣角(度)。

啟動電流不一定是直接通入定、轉子的電流。由于定子與轉子額定電流不同，定子可通大一些，轉子可小一些，但要符合的關系。IZ、Id分別為轉子電流(安)和定子電流(安)。

3.2 控制算法的選擇

PID(比例-積分-微分)控制算法是過程控制領域中技術成熟、廣泛使用的控制算法，它是基于經典控制理論，并經過長期工程實踐而總結出的一套行之有效的控制算法。為了確保盤車時電流穩定，在定、轉子調節器均采用PID閉環控制。

PID控制器可作是比例項(P)、積分項(I)、微分項(D)三項之和構成。其輸入e(t)與輸出u(t)的關系為：

式中，Kp為回路增益；TI為積分項常數；TD為微分項常數。

式(1)用于連續系統的PID控制，由于可編程控制器是數字化工作模式，在處理函數時，需將其離散化，用相應的數值計算代替積分和微分。如果采樣周期為T，離散形式為：

式中：

Un在第n次采樣時刻PID回路輸出的計算值；

en第n次采樣時刻PID回路的偏差；

en-1第n-1次采樣時刻PID回路的偏差；

KI=T/TI積分項系數；

KD=TD/T微分項系數。

在大電感情況下，三相半波整流電路輸出平均電壓為：

輸出電壓（或電流）與控制角α成非線性關系，而上式是建立在線性化基礎上的，所以必須用下面的式子予以修正：

經過線性化處理后，就可以使用PID控制了。

4.軟件設計

電氣盤車的應用程序采用Rockwell的RSLogix500編程軟件編程，下面分別對各個模塊進行介紹。

4.1 轉子調節器應用程序模塊

轉子調節器應用程序主要完成PID參數初始化，對鍵盤進行掃描；當接到電流啟動信號時，PLC對模擬量輸入值進行采樣處理，整定后通過模擬量口輸出，驅動可控硅控制電路，使轉子電流以整定的速度升至整定值；當接到電流停止信號，PLC將轉子電流以整定的速度降為零，并停止風機運行；當轉子盤車裝置出現過載或電源缺相等故障時，PLC跳開總電源開關，實現對轉子柜的保護，轉子調節器程序框圖如圖3所示。

4.2 定子調節器應用程序模塊

可編程定子調節器應用程序由控制程序和調節程序程序兩部分組成。控制程序主要完成可編程定子盤車裝置的操作控制。當電源開關合上后，PLC上電初始化，輸出開關量，啟動風機；掃描鍵盤，如果就地/遠方選擇開關選擇遠方控制，則封鎖就地控制信號。接著下來判斷運行或整定方式。如果運行/整定選擇開關置于運行位置時，A、B、C三套可控硅整流器按A-B-C順序輪換輸出；如果點動或連續選擇開關置于點動位置時，每按動一次點動按鈕，就有一套可控硅整流器輸出，第一次按點動按鈕時，自動默認為A相的一套可控硅整流器輸出，以后分別為B、C，再回復到A，周而復始；如果選擇開關置于連續位置時，A、B、C三套可控硅整流器將連續輪流輸出。如果總電源開關斷開，PLC的輸出開關量，停止風機運行，同時關閉移相觸發脈沖組件。如果定子盤車裝置出現缺相、脈沖丟失、過載、穩壓電源損壞等故障，則PLC輸出信號，跳開總電源開關。

調節程序主要完成輸出電流軟上升和下降控制，輸出電流調節和限制，A、B、C三套可控硅整流器輪換切換時間整定，輸出電流最大值整定等。程序框圖省略。

5.結束語

可控硅電氣盤車裝置經過現場試驗，各項技術指標達到設計要求。與國內同類產品比較，它具有以下特點：

(1)能使發電機定轉子電流在20-110%額定值范圍內進行穩定、平滑的調整；

(2)采用可編程序控制器、脈沖移相放大組件作為觸發控制電路，脈沖移相、定子繞組切換均由程序控制，線路結構簡單、維護方便、性能可靠；

(3)具有最大輸出電流限制、脈沖丟失和缺相保護、穩壓電源故障保護；

(4)自動盤車換相時間可任意整定，停點準確；

(5)盤車裝置退出運行時，采用逆變方式滅磁，確保了可控硅及發電機繞組的安全；

(6)設有自動和手動兩種電流調節方式。在使用自動調整方式時，輸出電流可以從零逐步升至整定值，升速可以用編程軟件任意設定。

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