試析PLC控制的水輪機(jī)電氣制動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汪存盛 馬嘯

摘要：由于國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，環(huán)境問題逐漸加劇，各個(gè)行業(yè)的能源需求逐漸增加，新能源的供應(yīng)和使用已成為未來發(fā)展的主要趨勢。尤其是清潔能源發(fā)電公司對水力發(fā)電這一方式正在逐步增加發(fā)電和應(yīng)用，其中水力發(fā)電必不可少的水輪機(jī)機(jī)組，水輪機(jī)的電氣制動系統(tǒng)安全、穩(wěn)定，并將在止推墊的油膜中發(fā)揮作用。能夠可以延長電動制動系統(tǒng)壽命的出色保護(hù)功能對水力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行具有重要意義。

關(guān)鍵字：PLC;水輪機(jī);電動制動系統(tǒng)

水力發(fā)電是我國現(xiàn)階段重要的發(fā)電形式之一，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展和建設(shè)中發(fā)揮了重要作用，通過水輪機(jī)的應(yīng)用可以快速補(bǔ)充電力，緩解用電高峰時(shí)的用電不足。然而，由于使用水力渦輪機(jī)，特別是慣性，存在許多問題，其中在停止過程中裝置的操作時(shí)間相對較短，并且推力軸易于損壞。

1、電氣制動概述

水輪發(fā)電機(jī)組的傳統(tǒng)制動方式一般采用機(jī)械制動，其優(yōu)點(diǎn)是：運(yùn)行可靠，使用方便，通用性強(qiáng)，用氣壓、油壓操作所消耗能源較少，在制動過程中對推力瓦的油膜有保護(hù)作用;既用來制動機(jī)組，又需要用來頂轉(zhuǎn)子，故具有雙重功能，因?yàn)樗捎脕碇苿釉O(shè)備并遮蓋轉(zhuǎn)子。但是，這種制動方法具有以下缺點(diǎn)：制動器上的制動襯塊很快磨損，并且在制動過程中產(chǎn)生的灰塵通過循環(huán)風(fēng)流入轉(zhuǎn)子磁軛和定子鐵芯的通風(fēng)管道。多年來的積累減少了通風(fēng)管道的通過。風(fēng)的截面積會影響發(fā)電機(jī)的冷卻效果，從而增加定子的溫升。當(dāng)灰塵和油霧的結(jié)合會飛走，污染定子繞組，阻礙散熱，降低絕緣水平，并增加維護(hù)工作量。

機(jī)械制動存在以下幾個(gè)缺點(diǎn)，并且電動制動停止技術(shù)可以減少上述問題，因此被廣泛使用。本發(fā)明具有制動力矩大，停機(jī)時(shí)間短，無環(huán)境污染，無制動輸入限速，設(shè)備維修保養(yǎng)方便的優(yōu)點(diǎn)。使用電制動器的局限在于氫發(fā)生器的接線復(fù)雜。另外，如果設(shè)備內(nèi)部發(fā)生電氣故障，則不能使用電制動器。閘門泄漏很嚴(yán)重，由于導(dǎo)葉的缺陷，空轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)子可長時(shí)間保持超過額定速度的30%，并且不能降低速度，因此必須將機(jī)械制動方法作為輔助手段或最后手段得以保留。

2、電氣制動系統(tǒng)

2.1、原理

將水輪發(fā)電機(jī)組從系統(tǒng)中卸下后，導(dǎo)水裝置關(guān)閉，發(fā)電機(jī)磁化。在轉(zhuǎn)輪防水轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子風(fēng)阻力以及轉(zhuǎn)矩和軸承摩擦轉(zhuǎn)矩的共同作用下，裝置的速度迅速下降。以恒定值（通常為額定速度的50%至60%）使發(fā)電機(jī)定子繞組出口處的制動短路開關(guān)FDK短路，然后將恒定的旋轉(zhuǎn)電流流回設(shè)備轉(zhuǎn)子繞組。強(qiáng)短路電流（通常將此電流控制在額定電流附近）。根據(jù)同步發(fā)電機(jī)的電樞反作用原理，電樞反作用的直軸分量僅通過磁化或退磁來實(shí)現(xiàn)，并且不反映有效轉(zhuǎn)矩，而電樞反作用的正交分量以有效轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)。與原始速度方向相反，其量值式為：Tet為電氣制動轉(zhuǎn)矩;IF為發(fā)電機(jī)電氣制動短路電流;Xd為發(fā)電機(jī)同步電抗;R為發(fā)電機(jī)定子繞組電阻;S為轉(zhuǎn)速比。在電氣制動過程中，由于給轉(zhuǎn)子繞組加的是恒定勵(lì)磁電流，所以隨著轉(zhuǎn)速的降低，發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電勢和直軸同步電抗按比例減小，這樣將使發(fā)電機(jī)定子繞組上的制動電流幅值來保持恒定，從而頻率逐漸減小。

3、電氣制動系統(tǒng)的主要構(gòu)成

3.1基于PLC控制電氣制動系統(tǒng)的主要構(gòu)成

通過基于PLC控制的渦輪機(jī)電制動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以結(jié)合三相短路方法實(shí)現(xiàn)電制動。作為一套的獨(dú)立的電動制動系統(tǒng)，它應(yīng)包括一個(gè)制動電源輸入和輸出開關(guān)，一個(gè)定子短路開關(guān)，電變壓器箱，PLC和其他外部控制電路。由于該方案能夠保證電氣制動裝備處于完全獨(dú)立的運(yùn)行狀態(tài)，所以無需更改現(xiàn)有的勵(lì)磁設(shè)備，并且在設(shè)計(jì)時(shí)由于主回路采取的是可控硅元件電制動電流也會有電氣制動控制進(jìn)行制動，能夠保證電流化整為零，即使在野外實(shí)驗(yàn)中也非常有效和安全，通過調(diào)節(jié)PLC可以調(diào)節(jié)制動扭矩，從而使電制動器發(fā)揮最大作用并最大程度地減少停機(jī)時(shí)間。

3.2基于PLC控制電氣制動系統(tǒng)操作邏輯

在電子短路電流和制動投入轉(zhuǎn)速之中，通過水輪機(jī)組與系統(tǒng)進(jìn)行檢驗(yàn)，并分三個(gè)階段將定子外部電路短路，以與轉(zhuǎn)子繞組的輸入定量地形成恒定電流，因此感應(yīng)電流出現(xiàn)在定子中。電流會在定子繞組中產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，從而使水輪機(jī)裝置減速并迅速停止。在設(shè)計(jì)電動制動過程的過程中，首先輪對可以使用PLC進(jìn)行電動制動，并且操作模式的設(shè)計(jì)包括機(jī)械制動，電動制動和電動機(jī)耦合制動三種類型，可以結(jié)合實(shí)際情況使用。根據(jù)情況選擇不同的制動配置。電制動器停機(jī)操作的主要邏輯順序是渦輪的分離，系統(tǒng)電制動器短路開關(guān)SDK初始化閉合的直流開關(guān)ZLK閉合的交流開關(guān)齒輪斷開的斷開FDK系統(tǒng)。電啟動的初始判斷條件是，當(dāng)系統(tǒng)收到停機(jī)命令并且設(shè)備和系統(tǒng)中沒有電氣故障時(shí)，渦輪中的水流體為零。當(dāng)停機(jī)指令接收時(shí)，只有滿足全部的條件才可以能夠執(zhí)行下一步，否則系統(tǒng)就會根據(jù)沒有達(dá)到要求的條件發(fā)出信號，直到所有的條件全部都滿足，可以控制元件能夠在不運(yùn)行的過程中，只需要收到相應(yīng)的指令才啟動，并且將相應(yīng)程序注入到系統(tǒng)中。

當(dāng)使用電動自動控制PLC作為渦輪機(jī)最重要的監(jiān)視系統(tǒng)時(shí)，為了滿足啟動要求，必須在速度達(dá)到80%時(shí)激活PLC，并且當(dāng)速度降至60%時(shí)必須執(zhí)行可編程控制邏輯。在運(yùn)行控制的影響下，只有在停機(jī)命令期間設(shè)備的機(jī)油開關(guān)跳閘，設(shè)備無電氣故障，水龍頭流體開關(guān)閉合且渦輪機(jī)速度低于80%時(shí)才有可能。通常情況下，PLC將無法運(yùn)行。水輪機(jī)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出關(guān)閉命令后，可以提前啟動PLC并按照預(yù)先設(shè)計(jì)的操作程序進(jìn)行操作。如果在水輪機(jī)單元之后PLC收到的速度指令小于80%，則可以直接判斷水輪機(jī)單元開關(guān)隔離水性液體和其他相關(guān)信息，然后立即打開差動保護(hù)。FDK的切換脈沖時(shí)間通常約為2秒，如果速度小于60%時(shí)通過利用PLC判斷殘壓已經(jīng)小于10%時(shí)，則FDK電源的發(fā)動機(jī)短路刀閘回關(guān)閉，所以直流開關(guān)也會隨之關(guān)閉，在1.5秒之后交流開關(guān)也會關(guān)閉。

3.3基于PLC控制電氣制動系統(tǒng)主要故障

與其他兩種方法相比，電氣制動具有更多的優(yōu)點(diǎn)，可以確保水輪機(jī)裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，并且如果電制動器裝置發(fā)生故障或電制動器泄漏，則更可能發(fā)生停機(jī)錯(cuò)誤。滿足條件時(shí)，PLC根據(jù)預(yù)設(shè)命令控制邏輯操作使開關(guān)閉合，直到完成電制動為止;滿足啟動條件時(shí)，PLC也自動執(zhí)行，在實(shí)際運(yùn)行過程中會發(fā)生錯(cuò)誤。否則PLC還會生成錯(cuò)誤并自動切換到機(jī)械制動，如果在收到停止命令后不滿足停止條件，它將一直處于等待狀態(tài)，直到滿足條件為止。發(fā)生電制動器錯(cuò)誤時(shí)，制動器會自動切換為機(jī)械制動器。例如快熔絲熔斷引起的是PLC故障或者制動失敗，以及在運(yùn)行過程中開關(guān)無法正常閉合，轉(zhuǎn)子和定子電流也不能達(dá)到額定值，在預(yù)定時(shí)間內(nèi)由于制動時(shí)間過長等等都會引起電氣制動故障。

結(jié)束語

根據(jù)當(dāng)前電氣自動化的發(fā)展，PLC（可編程控制）仍然是水處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動控制的主流控制器產(chǎn)品。目前，有許多基于PLC的電氣自動化控制方案，在討論之后，我想與業(yè)內(nèi)人士討論如何改進(jìn)PLC電氣自動化控制水處理系統(tǒng)。水輪機(jī)組電氣制動系統(tǒng)制動轉(zhuǎn)矩大，停機(jī)時(shí)間短，環(huán)境污染小，應(yīng)用效果好，電制動控制裝置采用PLC技術(shù)可以減少裝置的維護(hù)工作，提高自動化水平，提高水輪機(jī)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，確保水輪機(jī)的運(yùn)行效果。

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