基于PLC控制的水輪機(jī)電氣制動(dòng)系統(tǒng)的研究

羅秀琴

【摘 要】當(dāng)前國內(nèi)水輪發(fā)電機(jī)組的制動(dòng)系統(tǒng)大多采用的是機(jī)械制動(dòng)，存在著一定的缺點(diǎn)，不能適應(yīng)電力行業(yè)發(fā)展要求，必須進(jìn)行應(yīng)用技術(shù)的革新?；赑LC控制的水輪機(jī)點(diǎn)制動(dòng)系統(tǒng)能夠有效的彌補(bǔ)機(jī)械制動(dòng)的不足，而且在環(huán)保、檢修、工作效率方面具有很多優(yōu)點(diǎn)，值得推廣代替?zhèn)鹘y(tǒng)制動(dòng)方式。本文講述了電氣制動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)及工作原理，分析了其實(shí)現(xiàn)制動(dòng)工作的流程，對(duì)大力推廣其應(yīng)用，充分發(fā)揮電氣制動(dòng)的可靠性提出了意見參考。

【關(guān)鍵詞】PLC控制；水輪機(jī)；電氣制動(dòng)；實(shí)踐應(yīng)用

在國內(nèi)現(xiàn)有的發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中，火電機(jī)組的容量多于水輪發(fā)電機(jī)組的容量，但由于水輪發(fā)電機(jī)組具有啟動(dòng)、停機(jī)等操作迅速方便的優(yōu)點(diǎn)，所以其在電網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)系統(tǒng)中更多的負(fù)起了事故備用、調(diào)頻和調(diào)峰的重要職責(zé)。當(dāng)前國內(nèi)水輪發(fā)電機(jī)組采用的大多是機(jī)械制動(dòng)方法來實(shí)現(xiàn)機(jī)組的強(qiáng)制翻動(dòng)，這一方法檢修維護(hù)比較困難，而且硬件磨損容易造成環(huán)境污染。而電氣制動(dòng)則因?yàn)椴捎玫氖欠墙佑|式的制動(dòng)工作技術(shù)，所以不存在上述缺點(diǎn)，值得推廣。

一、水輪機(jī)機(jī)械制動(dòng)與電氣制動(dòng)的比較

目前機(jī)械制動(dòng)的方式在水電機(jī)組的制動(dòng)工作中使用比例最大，采用機(jī)械形式制動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是：通用領(lǐng)域廣、運(yùn)行過程便捷可靠、借助氣壓或油壓實(shí)施工作，能夠很好的保護(hù)推力瓦油膜，另外還可以頂轉(zhuǎn)子，發(fā)揮出了雙重功能的特性。這一制動(dòng)形式的不足之處在于其在工作過程中自身硬件會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，磨損產(chǎn)生的粉塵能夠在循環(huán)風(fēng)的推力下進(jìn)入機(jī)組的定子鐵心，長(zhǎng)此以往會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻效果，定子運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)大幅升溫，另外磨損粉塵會(huì)附著在定子繞組上，降低機(jī)組的絕緣功能。另外還會(huì)因?yàn)楦邷囟鴮?dǎo)致制動(dòng)環(huán)出現(xiàn)變形和龜裂。

鑒于機(jī)械制動(dòng)方式的上述缺陷，現(xiàn)在國內(nèi)正推廣電氣制動(dòng)技術(shù)。水輪機(jī)電氣制動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)在于：1.制動(dòng)停機(jī)所需要的時(shí)間短。在水葉關(guān)閉機(jī)組轉(zhuǎn)速下降至額定轉(zhuǎn)速的80%時(shí)電氣制動(dòng)工作就能展開，而機(jī)械制動(dòng)需要機(jī)組轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速的30%時(shí)才能開始。2.無硬件磨損不污染環(huán)境。電氣制動(dòng)不需要制動(dòng)環(huán)和制動(dòng)閘，避免了產(chǎn)生此方面的磨損粉塵。3.制動(dòng)力矩較大。在勵(lì)磁電流不變的情況下，制動(dòng)電流也會(huì)穩(wěn)定不變，保證了較大的制動(dòng)力矩。4.設(shè)備檢修維護(hù)操作方便和制動(dòng)投入轉(zhuǎn)速不受限制等。

二、電氣制動(dòng)系統(tǒng)的工作原理

電氣制動(dòng)系統(tǒng)的工作原理如下：到發(fā)電機(jī)組停機(jī)時(shí)，水輪機(jī)導(dǎo)葉隨之關(guān)閉，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子在經(jīng)過一段時(shí)間完成滅磁，此時(shí)機(jī)端只存由發(fā)電機(jī)剩磁決定的殘壓，機(jī)組轉(zhuǎn)子上有四種轉(zhuǎn)柜：水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的水阻力矩、發(fā)電機(jī)空氣摩擦阻力矩、機(jī)械摩擦阻力矩、慣性轉(zhuǎn)矩，前三種和原速度的方向相背，最后一種是受機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)的慣量而決定的，和原有速度的方向一致。在電氣制動(dòng)裝置順利捕捉到電氣制動(dòng)可以通過的條件時(shí)，短路開關(guān)會(huì)把發(fā)電機(jī)出口進(jìn)行三相短路，繼而再次施加勵(lì)磁。此時(shí)產(chǎn)生電樞反應(yīng)，其直軸分量并不反映有功轉(zhuǎn)矩，只是表現(xiàn)為去磁或者加磁場(chǎng)，其交流分量則會(huì)表現(xiàn)為一個(gè)有功轉(zhuǎn)矩，并且轉(zhuǎn)矩方向與原方向相反，具體量值為：

Tet=I2F×Xd2RS/（R2+S2X2d）

其中Tet代表電氣制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，Xd代表發(fā)電機(jī)同步電抗，IF代表發(fā)電機(jī)電氣制動(dòng)短路電流，R代表發(fā)電機(jī)定子繞組電阻，S代表轉(zhuǎn)速比。

當(dāng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行電氣制動(dòng)工作時(shí)，因?yàn)樵黾釉谵D(zhuǎn)子繞組上的是恒定的勵(lì)磁電流，所以在轉(zhuǎn)子繞組自身的轉(zhuǎn)速持續(xù)降低的情況下，發(fā)電機(jī)對(duì)直軸同步上網(wǎng)電抗、電勢(shì)也是依據(jù)比例不斷減少的，這使得發(fā)電機(jī)定子繞組的制動(dòng)電流幅值一直保持著恒定的數(shù)值，其中的頻率也相應(yīng)的大幅下降。

現(xiàn)代電氣制動(dòng)系統(tǒng)有人性化的操作與調(diào)試界面，其主要組成部分是：定子短路真空開關(guān)柜、制動(dòng)電源變壓器、電氣制動(dòng)控制柜。此種制動(dòng)系統(tǒng)獨(dú)立于發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)之外，以PLC為控制核心，有單獨(dú)的三相橋式整流電路，系統(tǒng)的基本操作是由程序自動(dòng)完成。

三、PLC電氣制動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

電氣制動(dòng)系統(tǒng)的主要設(shè)置參數(shù)參考如下：

（一）整流電路形式選擇三相全波整流，快熔參數(shù)參考RS84-450MS00V，二極管參數(shù)參考P500A/600V。電源變壓器在選擇時(shí)應(yīng)該滿足發(fā)電機(jī)空載勵(lì)磁電壓要求、轉(zhuǎn)速降至60%-80%時(shí)定子三相短路勵(lì)磁電流的運(yùn)行要求等，變壓器的參數(shù)可以選擇為抗電壓8.5%、額定容量100kVA、額定一次電壓400V二次電壓72、額定一次電流144.3A二次電流1050A。

（二）電氣制動(dòng)的電流選擇。電氣制動(dòng)電流的平方與制動(dòng)力矩成正比，制動(dòng)電流大小影響制動(dòng)效果好壞，但當(dāng)電流過大時(shí)，線圈的溫度會(huì)升高絕緣效果也受到影響，所以要注意控制好制動(dòng)效果和電流之間的關(guān)系。國外的電氣控制電流一般是1.3倍的定子額定電流，按照國內(nèi)水輪發(fā)電機(jī)技術(shù)方面的規(guī)定，水輪機(jī)應(yīng)該可以承受短時(shí)的1.5倍額定電流過電，并在2分鐘內(nèi)不被損壞。國內(nèi)通常采用制動(dòng)電流為1～1.2倍定子額定電流，假若機(jī)組停機(jī)時(shí)間不是很長(zhǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不是很大的情況下，最好應(yīng)該是選用額定電流。

由電機(jī)同步理論可以看出通過轉(zhuǎn)子線圈的勵(lì)磁電流在電氣制動(dòng)過程中是相對(duì)恒定的，因此可以把基波每級(jí)磁通量Φ看作是恒定的。發(fā)電機(jī)的直軸同步電抗比定子線圈的等值電阻大100倍多，也可以把定子線圈中的恒定電流看作恒定不變。

四、電氣制動(dòng)系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

（一）啟動(dòng)條件。機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)為PLC電氣制動(dòng)系統(tǒng)提供啟動(dòng)信號(hào)，啟動(dòng)條件主要有：機(jī)組機(jī)端電壓不高于10% Ue、轉(zhuǎn)速不高于80% Ne、機(jī)組無電氣事故、油開關(guān)已跳開、導(dǎo)水葉全關(guān)以及有停機(jī)令。在機(jī)組轉(zhuǎn)速是80% Ne時(shí)開始激活PLC控制單元，當(dāng)轉(zhuǎn)速降低到60%Ne時(shí)PLC進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。電氣制動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)組現(xiàn)地控制單元以及其他元件的交換輸出輸入信號(hào)，所有的信號(hào)被以空節(jié)點(diǎn)的形式輸送到接線端子排上。

（二）制動(dòng)系統(tǒng)軟件工作流程。1.PLC在監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出機(jī)組停機(jī)令之前都是處在不運(yùn)行狀態(tài)的。只有接到指令才開始按照預(yù)定程序進(jìn)行工作。2.機(jī)組轉(zhuǎn)速小于80%n的信號(hào)量被PLC接收到時(shí)，PLC會(huì)判斷機(jī)組導(dǎo)水葉是否全關(guān)、機(jī)組是否電氣故障、出口開關(guān)是否斷開，然后開出差動(dòng)、負(fù)序保護(hù)閉鎖繼電器。3.當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速小于60%n的信號(hào)量被PLC接收到時(shí)，PLC同時(shí)判斷殘壓是否低于10%，若低于則會(huì)控制電機(jī)出口短路道閘閉合，然后閉合直流開關(guān)，與此同時(shí)短路制動(dòng)電流在定子繞組中產(chǎn)生，直流電流電壓存在于轉(zhuǎn)子繞組上，轉(zhuǎn)子受翻轉(zhuǎn)力矩的影響轉(zhuǎn)速慢慢下降到零。4.機(jī)組轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降到5%n至35%n，依據(jù)設(shè)定的時(shí)間需要發(fā)出分開交流開關(guān)的脈沖，然后等直流開關(guān)斷開，再發(fā)出脈沖分開短路刀閘，最后解除差動(dòng)保護(hù)的閉鎖，PLC回到初始狀態(tài)，制動(dòng)過程完成。

需要注意的是電氣制動(dòng)過程中可能會(huì)因?yàn)樵O(shè)備的原因而不能正常實(shí)現(xiàn)制動(dòng)程序，此種情況下系統(tǒng)會(huì)發(fā)送制動(dòng)失敗信號(hào)，改為用機(jī)械制動(dòng)代替。

五、結(jié)語

綜上所述，PLC電氣制動(dòng)裝置應(yīng)用到水輪機(jī)的制動(dòng)過程中是安全可靠的，它能夠在切實(shí)有效的保證制動(dòng)工作的完成，并且不存在機(jī)械制動(dòng)對(duì)設(shè)備帶來的磨損，水輪機(jī)停機(jī)過程所用到時(shí)間也大大縮短。即使對(duì)頻繁調(diào)頻或調(diào)峰機(jī)組來說電氣制動(dòng)也比機(jī)械制動(dòng)要實(shí)用的多。因此應(yīng)該大力推廣電氣制動(dòng)系統(tǒng)在水輪機(jī)組的應(yīng)用，并在實(shí)踐應(yīng)用中不斷改進(jìn)。

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