試析PLC控制的水輪機電氣制動系統(tǒng)設(shè)計

汪存盛 馬嘯

摘要：由于國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，環(huán)境問題逐漸加劇，各個行業(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機組，水輪機的電氣制動系統(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)電機組的運行具有重要意義。

關(guān)鍵字：PLC;水輪機;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)濟發(fā)展和建設(shè)中發(fā)揮了重要作用，通過水輪機的應(yīng)用可以快速補充電力，緩解用電高峰時的用電不足。然而，由于使用水力渦輪機，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)電機組的傳統(tǒng)制動方式一般采用機械制動，其優(yōu)點是：運行可靠，使用方便，通用性強，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;既用來制動機組，又需要用來頂轉(zhuǎn)子，故具有雙重功能，因為它可用來制動設(shè)備并遮蓋轉(zhuǎn)子。但是，這種制動方法具有以下缺點：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。

機械制動存在以下幾個缺點，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，停機時間短，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。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)時轉(zhuǎn)子可長時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)電機組從系統(tǒng)中卸下后，導(dǎo)水裝置關(guān)閉，發(fā)電機磁化。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)電機電氣制動短路電流;Xd為發(fā)電機同步電抗;R為發(fā)電機定子繞組電阻;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磁電流，所以隨著轉(zhuǎn)速的降低，發(fā)電機的感應(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控制的渦輪機電制動系統(tǒng)的設(shè)計，可以結(jié)合三相短路方法實現(xiàn)電制動。作為一套的獨立的電動制動系統(tǒng)，它應(yīng)包括一個制動電源輸入和輸出開關(guān)，一個定子短路開關(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立的運行狀態(tài)，所以無需更改現(xiàn)有的勵磁設(shè)備，并且在設(shè)計時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，即使在野外實驗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時間。

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，通過水輪機組與系統(tǒng)進(jìn)行檢驗，并分三個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，從而使水輪機裝置減速并迅速停止。在設(shè)計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)計包括機械制動，電動制動和電動機耦合制動三種類型，可以結(jié)合實際情況使用。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)收到停機命令并且設(shè)備和系統(tǒng)中沒有電氣故障時，渦輪中的水流體為零。當(dāng)停機指令接收時，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作為渦輪機最重要的監(jiān)視系統(tǒng)時，為了滿足啟動要求，必須在速度達(dá)到80%時激活PLC，并且當(dāng)速度降至60%時必須執(zhí)行可編程控制邏輯。在運行控制的影響下，只有在停機命令期間設(shè)備的機油開關(guān)跳閘，設(shè)備無電氣故障，水龍頭流體開關(guān)閉合且渦輪機速度低于80%時才有可能。通常情況下，PLC將無法運行。水輪機設(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)計的操作程序進(jìn)行操作。如果在水輪機單元之后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的切換脈沖時間通常約為2秒，如果速度小于60%時通過利用PLC判斷殘壓已經(jīng)小于10%時，則FDK電源的發(fā)動機短路刀閘回關(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，可以確保水輪機裝置的穩(wěn)定運行，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)生停機錯誤。滿足條件時，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，PLC也自動執(zhí)行，在實際運行過程中會發(fā)生錯誤。否則PLC還會生成錯誤并自動切換到機械制動，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)生電制動器錯誤時，制動器會自動切換為機械制動器。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)定時間內(nèi)由于制動時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)。水輪機組電氣制動系統(tǒng)制動轉(zhuǎn)矩大，停機時間短，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，提高水輪機運行的安全性和穩(wěn)定性，確保水輪機的運行效果。

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