（电力系统及其自动化专业论文）基于plc控制的水轮机电气制动系统的研究.pdf

电气制动系统的研究 要 本原理，引入由铜损耗得到的电气 了电气制动力矩的控制理论。 设计了一套基于p l c 控制的水轮机 电气制动系统。针对该系统的制动力矩，本文开发了制动力矩基于p l c 的 p i d 控制的控制单元；针对该系统的开关元件逻辑操作，本文在详细分析了 操作逻辑的基础上设计了基于p l c 控制的电气制动操作逻辑的控制单元。 仿真研究部分，针对制动力矩基于p i d 控制的可行性，本文进行了仿 真研究并开发了仿真系统；针对基于p l c 控制的电气制动逻辑操作的控制 单元，本文进行了水轮机电气制动逻辑操作的可视仿真研究。 关键词：电气制动；水轮发电机；p l c ；p i d ； t h ei n v e s t i g a t i o nf o rt h es y s t e m o fw a t e rt u r b i n gg e n e r a t o re l e c t r i c b r a k i n gb a c i n gp l cc o n t r o l l i n g a b s t r a c t t h ea r t i c l e d e t a i l e d l y h a s a n a l y z e dt h ep r i n c i p i u mf o rw a t e rt u r b i n g g e n e r a t o re l e c t r i cb r a k i n g ，a n dh a sl e a d e di n t ot h em a t h sf o r m u l ao fe l e c t r i c b r a k i n gm o m e n tb a c i n g o n c o p p e rw a s t a g e t h e n ，i t h a s a n a l y z e d t h e c o n t r o l l i n gt h e o r yo f e l e c t r i cb r a k i n gm o m e n ti np r o t i c u l a r y a f t e r w a r d s ，b a s e du p o no b o v et h e o r y ，t h el a t t e r p r e s sh a sas u i to fw a t e r t u r b i n gg e n e r a t o re l e c t r i cb r a k i n gs y s t e mb a c i n go np l cc o n t r o l l i n g i na l l u s i o n t oe l e c t r i cb r a k i n gm o m e n to ft h es y s t e m ，t h el a t t e r p r e s sh a sd e s i g n e dt h e b r a k i n gm o m e n tc o n t r o l l i n gc e l lw i t hp i dc o n t r o l l i n go fp l c ；i na l l u s i o nt ot h e l o g i c a lo p e r a t i o no fs w i t c h ，t h el a t t e r p r e s sh a sa n a l y z e dt h eo p e r a t i o nl o g i c a la n d h a sd e s i g n e dt h ee l e c t r i cb r a k i n go p e r a t i o nl o g i c a lc o n t r o l l i n gc e l lw i t hp l c c o n t r o l l i n g f i n a l l y ，t h et h ep a r to fs i m u l a t i o n ，t o w a r dt ot h ef e a s i b i l i t yo ft h eb r a k i n g m o m e n tb a c i n go np i dc o n t r o l l i n g ，t h el a t t e r p r e s sh a si n v e s t i g a t e di ns i m u l a t i o n a n dh a se x p l o i t e dt h es i m u l a t i o ns y s t e m t o w a r dt ot h ee l e c t r i c b r a k i n g o p e r a t i o nl o g i c a lw i t hp l cc o n t r o l l i n g ，t h ea r t i c l eh a sd e s i g n e dt h ev i d e o t e x s y s t e m k e y w o r d s ：e l e c t r i cb r a k i n g c y b e r n a t i o n w a t e rt u r b i n gg e n e r a t o r p l c p i d h 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 第l 节选题背景及意义叫l 第2 节国内外研究现状及发展3 第3 节课题内容及本人所做工作5 第4 节论文组织6 第5 节本章小结8 第二章水轮机电气制动的原理9 第l 节电气制动的提出一9 第2 节电气制动的基本原理一9 第3 节电气制动力矩的控制理论l o 2 3 1 制动第一阶段1 2 2 3 2 制动第二阶段13 2 3 3 制动电流及制动力矩随转速的特性曲线1 3 第4 节电气制动各关键参数的选择1 5 2 4 1 电气制动的电流1 5 2 4 2 电气制动投入转速的选择1 6 第5 节本章小结1 6 第三章水轮机电气制动系统设计1 7 第1 节电气制动系统配置方案的确定1 7 第2 节电气制动系统主回路设计18 第3 节电气制动停机过程控制1 9 第4 节本课题选用的p l c 介绍2 0 第5 节电气制动力矩基于p l c 的p i d 控制2 l i i i 3 5 1 基于p l c 的p i d 控制数学模型2 1 3 5 2 电气制动力矩与p m 控制的联系2 3 3 5 3p i d 控制器各参数的确定2 4 3 5 4 电气制动力矩的p i d 控制流程图及程序2 6 第6 节基于p l c 控制的电气制动操作逻辑2 8 第7 节本章小结3 5 第四章电气制动力矩基于p i d 控制的仿真研究3 6 第1 节电气制动力矩基于p i d 控制的仿真研究的提出3 6 第2 节电气制动力矩的p i d 控制仿真设计3 6 第3 节本章小结4 3 第五章水轮机电气制动逻辑操作的可视仿真设计4 4 第1 节可视仿真设计的提出4 4 第2 节仿真系统设计4 4 5 2 1 组态软件在仿真设计中的应用4 4 5 2 2 变量等效替换4 8 5 2 3 水轮机电气制动的系统仿真用的工程软件5 1 第3 节可视仿真介面说明51 第4 节本章小结5 9 第六章结论与展望6 0 第l 节全文结论6 0 第2 节展望6 l 参考文献6 2 致谢6 5 攻读学位期间发表论文目录6 6 i v 广西大掌硕士学位论文 基于p l c 控制的水轮机电气制动系统的研究 第1 节选题背景及意义 第一章绪论 在电网运行中，用来作调峰的电站多是水电站或水电站里的某水轮机组。原因是水 轮发电机组由于开停机迅速、运行灵活、出力变化大、对负荷变化反应快。因而水轮发 电机开停机次数较多，为保障机组的安全运行，机组安全停机就显得十分重要o 。 当水轮发电机开始进行停机时，水轮发电机组与系统解列，尽管水轮机的导水机构 此时已全部关闭，但由于转子的巨大转动惯量贮存着较大的机械能量，若不采取任何制 动，转子需要很长时间才能完全停下来。此外，已关闭的闸门和导水机构的漏水也将阻 碍机组的完全停机。这样不仅延长了停机时间，而且使机组在较长的时间内处于低转速 运转状态。由于低转速运行对水轮发电机组的推力轴瓦的润滑极为不利，有可能导致轴 瓦在于摩擦或半干摩擦状态下运转而造成烧瓦。因此，有必要采取制动措施，以缩短停 机时间瞄o 。 水轮发电机组的传统制动方式一般采用机械制动。机械制动就是采用压缩空气或压 力油操作的机械活塞式制动器与制动环摩擦，使转子在摩擦力的作用下停止转动。机械 制动工作简单、可靠、通用性强，用气压、油压操作所消耗能源较少，在制动过程中对 推力轴瓦的油膜有保护作用，使用广泛。但存在以下缺点瞄。： ( 1 ) 制动时，风闸和制动环的摩擦产生大量的热量和机械应力，容易造成制动环变形、 龟裂。 ( 2 ) 制动时风闸与转子之间的摩擦产生金属粉尘，金属粉尘随着循环风进入转子磁轭 及定子铁芯的通风道，随油雾粘附在电机绕组端部和铁芯通风槽内，长年积累会减少通 风道的过风断面面积，影响发电机的冷却效果，导致定子温升增高。粉尘与油雾结合会 四处飞落，污浊定子绕组，妨碍散热，降低绝缘水平，增加检修维护工作量。 ( 3 ) 制动块磨损较快，更换制动块工作复杂。 ( 4 ) 风闸易发生卡死而不能自动复位，每次停机需人工检查，不复位时须用钢杆撬下。 ( 5 ) 机组制动时间长。为了减轻制动对闸瓦的磨损及发热，通常在机组转速下降到 3 0 ( 例如陕西省石泉电厂规定为2 5 ) 额定转速以下时才加机械制动。 基于p l c 控制的水轮机电气制动系统的研究 ( 6 ) 在系统担任调峰的机组，由于机组起停频繁( 例如陕西石泉水电厂，一天三台机 组的起停次数高达2 6 次) ，容易出现检查不到位和发生误操作，导致整个制动系统破坏。 目前我国水电机组有很大部分均采用机械制动系统，由于机械制动存在着上述缺 点，适应不了机组的频繁启、停。近年来，许多电厂采用了一种新的制动方式，这新的 制动方式就是电气制动瞄。 电气制动就是应用同步电机的电枢反应以及能耗制动的原理对发电机进行制动。当 机组解列后，水轮机导叶已关回至零，发电机经过灭磁以后，发电机母线仅维持少量剩 磁电压。在这种情况下，将发电机出口母线短路，然后重新加入直流的励磁电流，根据 同步电机的原理可知，这时由交轴电枢磁场对转子电流产生的电磁力将构成一个电磁转 矩。它的方向正好和转子的旋转方向相反，产生阻止转子旋转的效果，从而产生一制动 力矩使水轮发电机组的转动部分停止。电气制动的特点是 2 1 ： ( 1 ) 如果励磁电流保持不变，则制动电流恒定不变，制动力矩大，能达到比较满意的 效果。 ( 2 ) 停机时间短。水轮机导水叶关闭后，机组转速降至额定转速的8 0 左右时，就 可以将电制动投入。整个停机过程只有“额定转速至额定转速的8 0 为惯性 降速区，相对于机械制动的惯性降速区“额定转速至额定转速的3 0 ”，大大 缩短了停机时间。 ( 3 ) 相对于机械制动，低速区时制动力矩大，改善了“额定转速的1 0 以下低速 区对油膜的影响。延长了推力瓦的使用寿命。制动力矩与发电机转速成反比，在低速区 制动力矩大，制动效果好。 ( 4 ) 电气制动系统中没有机械制动系统相互摩擦的制动闸与制动环等结构，不会产生 摩擦金属粉尘等机械制动系统中的缺点，改善了水轮机组的工作环境，提高了水轮机组 的工作可靠性。 水轮机电气制动系统有着上述的优点，因些开展电气制动系统的研究，对提高水轮 机组运行的安全性及电力系统的稳定性，具有重大的意义和价值。 广西大掌硕士学位论文差产p l c 控制的才q 仑机电气舷l 动系统的研究 第2 节国内外研究现状及发展 h一 电气制动停机技术在国外是7 0 年代中期开始使用的，最初应用在大容量机组上。 在我国，电气制动停机技术是在8 0 年代初期开始研究试验的，先后在湖北省丹江口、 吉林省丰满、北京市下马岭、北京市官厅等电厂进行了试验，并获得了成功。但由于当 时的电气制动还处于传统的继电器触点控制阶段，制动装置本身的体积比较庞大，使很 多水电厂找不到安装电气制动系统的空间，因此限制了电气制动系统在电力系统中的应 用和发展 4 5 嗣。 随着电子技术的发展，人们把晶闸管用于控制电气制动，就可以准确地控制制动电 阻的投切时间，甚至用简单的相控方法就可以精确地控制制动功率，而且投切的次数也 不受限制。这就克服了传统开关控制的缺点，以适应电力系统中的各种不同程度的故障。 后来的电气制动系统广泛采用了可编程控制器p l c 控制，使制动装置的体积大大减小， 已经能够适应现场安装。 在我国，水轮发电机组停机制动系统在我国八十年代以前，几乎全部都是机械制动 机构。1 9 8 1 年，受原国家机械部委托，国内各水电设备制造厂派代表组织了一次对全国 大、中、小水电厂制动器使用情况的调查。几乎所有大、中、小水电厂机械制动均存在 问题，最严重的要数中、小型水电厂，由于空间小，油雾严重，每次停机，检修人员要 穿上油渍的工作服，钻到机坑，将一个个制动器活塞敲落下来；遇上漏油漏气，制动器 不能工作，检修人员则要钻入机坑，在狭窄的空间，将制动器卸下，搬出来检修，然后 再装上，这些问题大大加重的维修维护人员的恶劣工作环境和工作强度，同时大大缩短 了机组的正常运行时间哺o 。 机械制动存在的缺陷，给运行维护带来诸多不便和安全隐患，大大影响着电站的经 济效益。这些问题，对几乎所有大、中、小水电站都是共同的，被人们普遍认为是先天 的，无法克服的缺陷。从此，水电站水轮发电机组停机制动问题，受到了广范的关注， 同时引起了广大同行和学者对水轮发电机组停机制动技术的研究。从那时起我国便有许 多学者寻求另一种全新的制动技术电气制动。 到9 0 年代初我国国内一些大型水电厂，如安徽省陈村、浙江省新安江、甘肃省刘 家峡、湖北省黄龙滩、青海省龙羊峡等水电站也先后采用了电气制动停机系统。我区( 广 基于p l c 控制的水轮机电气制动系统的研究 西) 从1 9 9 2 年开始这项技术的应用研究工作，1 9 9 5 年首次在岩滩电厂3 号机组安装调 ：，试获得成功，1 9 9 5 年- 一i 9 9 8 年人化电厂先后在4 台机组安装了电气制动装置，并取得 了预期的效果。 近这几年，学者们在这方面的研究较典型的主要有： 文献 9 】中提到：1 ) 电气制动由于在低转速下具有良好的制动特性和满意的制动效 果，是公认的先进的技术成果。2 ) 电气制动无机械磨擦、粉尘、噪声，是一套完整的 环卫保护技术装置。3 ) 电气制动易于实现自动化，便于与电站计算机接口，适合于现 代控制技术要求。4 ) 采用电气制动与励磁系统结合的模式，具有良好的经济性，可减 少现场设备及其占地面积。5 ) 经国内各大中型机组运行证明，电气制动是可靠的、成熟 的自动装置。该文同时给出了独立电气制动系统结线图和电气制动与机组原励磁结合系 统结线图，并且分别阐述了这两种水轮机电气制动的系统配置方案的优缺点：独立的电 气制动装置通用性强，适用于所有水轮发电机组，特别是对于已运行机组增设电气制动 功能更为合适，但是这种模式投资大需另设屏柜，增加了布置上的困难，特别对于地下 厂房尤为突出：电气制动与原发电机励磁系统合为一体的系统配置方案，这种模式最大 限度地节省了投资，减少了设备及其占地面积，是一种十分经济合理的模式，海南大广 坝电厂就是采用的这种模式，经过多年运行表明，效果良好，但这种方案对于已运行的 电站来说，需要很大的改装原有的发电机励磁系统，不利于推广，不能适应所有的水电 站 9 o 文献 1 0 】比较系统地研究了逻辑控制元件p l c 的水轮发电机组电气制动停机技术， 该文就发电机定子出口三相稳态短路外加转子励磁的电气制动实现方式，设计了电气制 动主回路、电气制动启动流程图、制动时开关合闸流程图、投制动励磁电流流程图、电 制动成功停机流程图、电制动失败或故障停机流程图，该文最后提到“该控制方案的 p l c 控制电制动装置己在多个电站投入使用，其结果均安全可靠，运行效果较好”u 。 文献【1 l 】系统地研究了水轮机电气制动的实现方式：发电机定子三相短路电气制动、 发电机变压器单元高压侧短路电气制动、反接电气制动，并就这三种电气制动实现方 式在模拟机组上做了相关的试验，依据试验绘制出实施电气制动时“电气制动力矩定 子短路电流”“空载阻力矩”等各量随机组转速变化的特性曲线；同时，利用m a t l a b 软件开发出不同电气制动实现方式的仿真软件，使用开发出的软件能计算出不同水轮发 电机组在不同的投入转速和不同的制动电流下的制动时间，能描绘出制动过程曲线，为 基于p l c 控制的才瞄仑机电气制动系统的研究 水轮机电气制动选择最佳投入时机提供了重要的依据，为水电站选择合理的电气制动方 式提供重要参考u u 。 。+。 文献 1 2 】介绍了三峡左岸电站的1 4 台机组电气制动系统：采用定子绕组三相直接对 称短路方式，采用单独配备制动励磁设备的发电机制动装置，制动电源采用a c 4 0 0 v 厂 用电，经制动电源开关s 1 0 5 ，制动变、制动整流柜、制动开关s 1 0 5 到发电机转子侧， 与励磁整流柜直流输出并接在一起。接着对三峡左岸电站的1 4 台机组的电气制动停机 系统的运行情况进行了分析和总结，最后提出：三峡左岸电站目前已有8 台机组投产发 电，不论是试验或者是正常的停机操作，电气制动每次均能准确地投入和退出；三峡发 电机电气制动也有些小缺陷，其中一个影响正常运行的是s 1 0 5 开关质量不好，导致多 次停机时电制动不能正常投入，s 1 0 5 开关采用s i e m e n s 公司3 w n 6 型自动开关作电气 制动电源开关，由励磁调节器进行远方控制，当调节器发令投s 1 0 5 时，这台开关经常 发生拒动，导致电气制动投入失败。为了保证单机容量7 0 0 m w 的特大型机组运行安全， 三峡左岸电站选用h e c 3 型s f 6 发电机断路器作为发电机电气制动的短路开关，在整个 电气制动回路中s i e m e n s 也采用了一些独特的技术。投产以后运行情况还比较理想 1 2 】 o 尽管在水轮机电气制动方面的研究很多，但电气制动系统在实际应用中仍然存在着 一些问题：电气制动各执行元件工作不可靠；电气制动回路执行元件多，控制复杂容易 出故障；另外，电气制动与电厂的自动化控制有机地结合起来的研究几乎没有，这方面 有待于进一步的探讨和研究瞄1 。 第3 节课题内容及本人所做工作 本文首先从理论上详细分析了常见水轮机组电气制动实现方式的基本原理，就发电 机定子端三相短路电气制动实现方式，引入由铜损耗得到的电气制动力矩的数学模型。 接着，依据额定工况下的所受扭力矩情况，提出实施电气制动时，制动的扭力矩不应超 过额定工况下水轮机主轴所承受的扭力矩，然后着重分析了电气制动力矩的控制理论： 详细地从理论上分析控制制动力矩的可行性及原理，明确地提出实施电气制动时制动力 矩控制应分为两个阶段的观点，并且推导出这两个阶段之间的临界转速，同时描绘出制 动过程的制动电流和制动力矩随转速变化的特性曲线。电气制动力矩的控制理论分析为 广西大掌硕士掌位论文 基于p l c 控制的才q 仑机电气制动系统的研究 下文提供了有力的理论基础。 紧接着介绍p l c 在工业控制中的应用情况。 然后就三相短路法的电气制动实现方式以及完全独立式的系统配置方案，围绕电气 制动过程两条控制线路制动力矩的控制和电气制动操作逻辑控制，本文设计了一套 基于松下f p l 一c 4 0 p l c 控制的水轮机电气制动系统。针对该系统的制动力矩，在第二章 的理论基础上，开发了制动力矩基于p l c 的p i d 控制的闭环控制线路，并且绘制了p l c 程序框图和编制了p l c 的梯形图程序；针对该系统的开关元件逻辑操作，本文在详细 分析了操作逻辑的基础上设计了基于p l c 控制的电气制动操作逻辑的闭环控制线路。 制动力矩基于p l c 的p i d 控制的的研究是本文的特色点之一。 第二，针对制动力矩基于p i d 控制的可行性，本文进行了仿真研究并开发了仿真系 统。该仿真系统是以m a t l a b 提供的仿真软件s i m u l i n k 为软件平台开发出来的。将电气 制动的相关参数输入到该仿真系统然后运行，该仿真系统便可描绘出实施电气制动过程 中制动力矩随转速变化的特性曲线。该特性曲线与理论分析的特征曲线相近，从而有力 地说明了制动力矩基于p i d 控制的可行性。 最后，针对基于p l c 控制的电气制动逻辑操作控制线路，本文进行了水轮机电气 制动逻辑操作的可视仿真研究，通过计算机全真模拟水轮机电气制动逻辑操作，在计算 机上对水轮机电气制动逻辑操作的功能进行模拟调试，通过计算机采集和显示p l c 的 输入输出状态，在计算机上对水轮机电气制动逻辑操作的功能进行模拟调试，在仿真状 态中直观地对水轮机电气制动逻辑操作进行检测、修正和完善，可大大提高了水轮机电 气制动系统进行现场实际联机调试的效率，降低了现场调试的费用和风险。水轮机电气 制动逻辑操作的可视仿真研究，是本文研究的特色点之二。 第4 节论文组织 全文分为七章，具体组织如下： 第一章绪论 介绍了课题的选题背影和意义；分析了该课题在国内外的研究现状及发展；着重介 绍了本课题的研究内容、本人所做的工作以及本文研究的特色点。 第二章水轮机电气制动的原理 本章首先简述水轮机电气制动的原理，深入分析了发电机定子端三相短路电气制动 广西大学硕士掌位论文基于p l c 控制的水轮机电气制动碧0 统的研究 的原理，依据额定工况下的所受扭力矩情况，提出实施电气制动时，制动的扭力矩不应 超过额定工况下水轮机主轴所承受的扭力矩。从而有力说明了实施电气制动过程中有必 要控制制动力矩。接着详细地从理论上分析控制制动力矩的可行性及原理，明确地提出 实施电气制动时制动力矩控制应分为两个阶段的观点，并且推导出这两个阶段之间的临 界转速，同时描绘出制动过程的制动电流和制动力矩随转速变化的特性曲线。 第三章水轮机电气制动系统设计 本章设计了一套基于p l c 控制的水轮机电气制动系统。针对该系统的制动力矩， 本章在第二章的理论基础上，开发了制动力矩基于p l c 的p i d 控制的闭环控制线路， 并且绘制了p l c 程序框图和编制了p l c 的梯形图程序；针对该系统的开关元件逻辑操 作，本章设计了基于p l c 控制的电气制动操作逻辑的闭环控制线路。两条控制线路以 机组转速为联系，共同作用，形成一套完善的基于p l c 控制的水轮机电气制动系统。 制动力矩基于p l c 的p i d 控制是本文研究的特色点之一，也是本文的重点之一。 第四章电气制动力矩基于p i d 控制的仿真研究 针对上文设计的水轮发电机电气制动系统中的制动力矩基于p l c 的p i d 控制的闭 环控制线路，本章设计了该控制线路的仿真系统。该仿真系统是以m a t l a b 提供的仿真 软件s i m u l i n k 为软件平台开发出来的。将电气制动的相关参数输入到该仿真系统然后运 行，该仿真系统便可描绘出实施电气制动过程中制动力矩随转速变化的特性曲线。该特 性曲线与前文理论分析的特征曲线相近，从而有力地说明了制动力矩基于p i d 控制的可 行性。 第五章水轮机电气制动逻辑操作的可视仿真设计 本章是全文的重点之二。本章以北京亚控公司的组态王为工控软件设计了水轮机电 气制动逻辑操作的仿真系统，在该系统中，可通过计算机全真模拟被控对象，在计算机 上对整个p l c 控制系统的功能进行模拟调试，在可视仿真状态中直观地对p l c 控制系 统程序的错误和缺陷进行检测和修正，p l c 程序得到了最大程度的完善，可大大提高现 场调试的效率，降低系统调试的费用和风险。水轮机电气制动操作逻辑的可视仿真是本 文研究的特色点之二。 第六章结论与展望 本章是全文的结论及本课题的展望。 8 发展， 基于p l c 控制的才q 仑机电气制动系统的研究 轮机电气制动的原理 系统，可以大大改善机组的停机工况，缩短停机时 动环因磨擦而引起的机械疲劳，同时洁净了环境， 了机组控制的自动化水平，同时为电站向着“少入 2 o 因些开展水轮机电气制动系统的研究，对提高水轮机组运行的安全性及电力系统的 稳定性，具有重大的意义和价值。 第2 节电气制动的基本原理 电气制动就是应用同步电机的原理，当水轮机组与系统解列后，向发电机的定子或 转子通入电流，使电机产生铜损耗制动力矩，该制动力矩就是电气制动力矩，电气制动 力矩代替纯机械制动系统中的机械制动力矩。由同步电机理论可知，电气制动力矩是随 机组的转速变化而有所变化的，是角速度的函数，即c 9 j ： m e ：垒 ( 2 一1 ) 式中： m e 电气制动的制动力矩，n m ； 铜损功率，w ； ( 1 ) 转子角频率，弧度秒； 电气制动的任务就是在机组与系统解列后，如何安全可靠地使机组产生电气制动力 矩魄。同时，各种电气制动实现方式的优劣体现在电气制动力矩肘随机组转速、制 动电流等的变化特性，以及实现电气制动的难易程序。 目前社会实际应用的电气制动都是清一色采用发电机定子绕组三相短路，并对励磁 广西大学硕士掌位论文基于p l c 控制的水轮机电气制动系统的研究 线圈通以适当的励磁电流以产生制动力矩的方法来实现的。 发电机出口端直接三相短路法电气制动是基于同步电机的电枢反应原理。在机组与 电网解列并将发电机转子灭磁后，转速降至额定转速的5 0 6 0 时，合上定子三相接地 短程开关将发电机定子三相短路，在转子绕组中通以适当的励磁直流电流，励磁直流电 流由厂用电系统经整流后的外部电源供给。由于发电机这时由于惯性还有一定的转速， 所以它将产生一个与发电机转向相反的电磁转矩，同时在发电机定子中产生感应电势， 如果发电机定子三相短路，这样在发电机定子中就产生了短路电流；调整励磁直流电流， 使发电机定子短路电流( 即电气制动电流) 为额定电流的0 8 1 2 倍，该短路电流恒定不 变，并且在定子绕组中产生铜耗制动力矩，其方向与机组的惯性力矩方向相反，电制动 力矩和机组的其它阻力矩一起作用使机组快速停机，从而保证机组推力轴承的安全瑚。 发电机出口端直接三相短路法电气制动的制动力矩m e ，结合式( 2 1 ) ，由同步电 机理论可知，m e 可表达为u 引： m e ：! 丝墨 ( 2 2 ) 2 x n 6 0 式( 2 2 ) 中各符号表述如下： 吃- 铜损功率，w ； n 一转子的转速，r m m ； 厶定子短路电流，即制动电流，a ： r 定子回路有效电阻，q ； 式( 2 - 2 ) 中的定子短路电流厶，参考文献【1 3 】的分析可知，在转子励磁电流不变的 情况下，定子中的短路电流厶( 制动电流) 是一近似恒定值，不随机组转速下降而变化u 副。 结合式( 2 2 ) 分析，已知除n 外其它参数都为常数，可知电气制动力矩m e 是随机 组转速下降而增大的，当转速为接近零时达到最大值。由此可见电气制动的特性对低转 速停机具有很好效果。同时，还可以看出，在相同的转速下，制动力矩和制动电流的平 方成正比，因此制动力矩大小的控制可通过调节制动电流来实现。 第3 节电气制动力矩的控制理论 基于p l c 控制的水轮机电气制动系统的研究 发电机出口端直接三相短路法电气制动为例，由式( 2 2 ) 中可看出，在相同的转 速下，制动力矩和制动电流k 的平方成正比。另外，制动电流厶几乎不随机组转速的 下降而改变，因此如果不调节制动电流，在制动过程中制动力矩将随转速下降而增加。 当制动力矩增加到大于主轴系统在设计上传递的极限力矩t 时，将对机组的主轴系统产 生严重的机械破坏，因此必须将制动力矩控制在一定的安全范围内。水轮机电气制动通 常安装在开停机频繁的机组上，为了机组长期安全地运行，保守意见，最好把制动力矩 控制在主轴系统传递的额定扭力矩心附近。 水轮发电机组的主轴系统在设计上传递的极限力矩t 1 4 | ： t = k 忆 ( 2 3 ) k 一安全系统，在水轮发电机组的主轴系统在设计上通常取2 5 由同步电机理论可知，水轮发电机组主轴传递的扭力矩可按下式计算1 副： m = _ ( 2 4 ) 2 7 r 6 0 7 = 芝一p c u ( 2 - 5 ) 式中， m 机组主轴传递的扭力矩，n 1 1 1 嘞发电机电磁功率，w ； 易电负载功率，w ； p c u 定子绕组的铜损耗功率，w ： 正常情况f ，水轮发电机组在额定转速及发出额定功率最的工况。f ，即p 2 = 最时， 主轴系统传递的扭力矩称为额定扭力矩心1 别： 收= 硒p e - p c u ( 2 6 ) 在大中型同步发电机中，定子绕组的铜损耗不超过额定功率的l ，因此如果将定 子绕组的铜损耗忽略不计，则有 1 副： n 鸩丽r e ( 2 7 ) 学6 0 堕2 x n 6 0 ( 2 - 1 0 ) 2 万 p ，即： 在实施电气制动过程中，电气制动投入初期，制动力矩小于额定扭力矩收，取 丘= 厶不变时，可不用调节励磁电流以改变制动电流，这一阶段称为制动第一阶段。当 机组转速继续下降，致使m e = 心起始到机组完全停转为止，在这阶段，为了阻止制动 力矩因机组转速下降而大于额定力矩，必须调节励磁电流以改变制动电流，使制动力矩 维持在额定力矩附近，这一阶段称为制动第二阶段。 2 3 1 制动第一阶段 制动第一阶段，制动电流如= 厶不变，制动力矩与额定力矩的关系是魄 ! 笠墨( 2 1 1 ) 2 n n ，6 0 2 万n 6 0 在该不等式中，只有转速n 是变量，解不等式，得： 马墨 ( 2 1 2 ) 一、，- ! 二一 f 。，一 c o s ( p ) 一 广西大学硕士掌位论文基于p l c 控制的水轮机电气制动系统的研究 即临界转速标么值为： n ，：! ! 生墨( 2 1 3 ) u e 。c o s ( p ) 在这一阶段，不用调节励磁电流，维持制动电流不变。 2 3 2 制动第二阶段 制动第二阶段，这一阶段是从机组转速下降，致使m e = 心开始到机组完全停转为 止，在这阶段，为了阻止制动力矩因机组转速下降而大于额定力矩，必须调节励磁电流 以改变制动电流，使制动力矩维持等于额定力矩，得： f f 3 u e e c o s ( ( p ) ：! 笠墨 ( 2 1 4 ) 2 x n e 6 0 2 7 r n 6 0 在该等式中，k 和n 是变量。解方程，得： 露= 鼍笋。i n ( 2 - 1 5 ) 也就是说在制动第二阶段，只要调节励磁电流使制动电流与机组转速维持上式关 系，就可以维持制动力矩在额定力矩附近。 2 3 3 制动电流及制动力矩随转速的特性曲线 为了方便绘图，用标么值表示各量，标么值规定：= 冬，= 卫n e ，m 2 瓦m e 联 系式( 2 3 ) 和式( 2 1 0 ) ，得： 咕高等 广-1 ( 2 - 1 6 ) 对于制动电流，综上所述，制动第一阶段，控制制动电流厶= 厶不变，制动力矩随 转速降低而增大；制动第二阶段，为得到制动力矩恒等于额定力矩，控制制动电流厶随 转速的降低而减小： 制动第一阶段： j ：1 ( 2 1 7 ) 1 7 厶= 1 ( 2 一 基于p l c 控制的水轮机电气制动系统的研究 代入式( 2 1 6 ) 得： ，i t4 3 1 e r 1 朋e 2 瓣。万。 制动第二阶段： f k = 0 u e c o s ( c ) ( c o s ( 驴4 3 1 e r 州ni k = _ u e ) n 代入式( 2 1 6 ) 得： m e 2 l ( 2 - 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) 制动第一阶段与第二阶段的临界转速值： 一 ：黑w-e- 。 ( 2 _ 2 1 ) 2 丽 。 2 2 1 该临界转速值对于指定机组来说是个常数。 将式( 2 1 7 ) 、式( 2 - 1 8 ) 、式( 2 1 9 ) 、式( 2 2 0 ) 用描点法描绘成曲线，一起 绘制在一个图中，便得到整个电气制动停机过程的制动电流和制动力矩随转速变化的特 性曲线，如图2 2 所示 i e 1 0 0 6 0 4 0 2 0 图2 2 制动电流和制动力矩随转速变化的特性曲线 g - 西大掌硕士掌位论文基于p l c 控制的水轮机电气制动系统的研究 图中： 横坐标机组转速的标么值； 。 纵坐标制动电流标么值和制动力矩标么值的百分比； 。制动第一阶段与第二阶段的临界转速值。 由图中可清楚的反映出电气制动全过程，制动电流和制动力矩随转速变化的趋势： 右侧为电气制动第一阶段，制动电流恒等于定子额定电流保保持不变，制动力矩 随机组转速下降而相应着增大； 左侧为电气制动第二阶段，制动电流随机组转速下降而相应着减小，制动力矩恒 等于主轴系统传递的额定扭力矩心。 第4 节电气制动各关键参数的选择 2 4 1 电气制动的电流 由上式( 2 1 0 ) 分析知道发电机在定子短路制动过程中定子回路内的电流即制动电 流是基本不变的。停机中制动电流是一个极其重要的参数，由上面电气制动力矩表达式 式( 2 3 ) 可以看出，电气制动力矩和制动电流的平方成正比，即制动电流越大，制动 效果越佳。然而定子电流过大，势必影响线圈的温升和绝缘。故须把握好制动电流与制 动效果之间的度，不应盲目追求最短的制动时间，应以不给发电机定子线圈带来威胁为 标准。最好先进行电气制动的停机试验，以便确定最佳制动电流。制动电流是可以通过 调节制动时通过转子的励磁电流的大小得到的。国外电气制动电流通常为1 3 倍的定子 额定电流。查阅相关资料，根据我国水轮发电机组技术条件规定，水轮发电机应能在额 定负荷下承受1 5 倍额定电流的短时过电流并持续2 分钟而不损坏，实施电气制动是在 空载情况下如果按国外1 3 倍的额定电流，制动时间通常1 3 分钟之间，因此，对定子 绝缘和温升不会带来损坏。定子电流在1 2 倍额定电流时，温升在1 之间，不会给发 电机定子线圈带来任何威胁。国内一般选用制动电流为1 1 2 倍的定子额定电流，但在 机组转动惯量不是特别大、停机时间不是特别长的情况下，最好选用额定电流为制动电 流 9 】o 基于p l c 控制的才q 仑机电气制动身渤e 的研究 2 4 2 电气制动投入转速的选择 由以上电气制动力矩公式可知、制动力矩与制动转速成反比，从电气制动的m e 一 特性曲线图也可以看出：在高转速下投入制动效果小，因此不宜在系统解列后马上投入 电气制动；低转速下投入制动力矩大，制动效果明显。但由于电气制动投入后还有一个 建磁和检测制动电流是否正常的时间，所以电气制动宜在较高转速时投入，国内各机组 电气制动设置在5 0 - - - 7 0 额定转速时投入脚1 。 第5 节本章小结 本章分析了水轮面电气制动的原理，深入分析了发电机定子端三相短路电气制动的 原理，依据额定工况下的所受扭力矩情况，提出实施电气制动时，制动的扭力矩不应超 过额定工况下水轮机主轴所承受的扭力矩。从而有力说明了实施电气制动过程中有必要 控制制动力矩。接着详细地从理论上分析控制制动力矩的可行性及原理，明确地提出实 施电气制动时制动力矩控制应分为两个阶段的观点，并且推导出这两个阶段之间的临界 转速，同时描绘出制动过程的制动电流和制动力矩随转速变化的特性曲线。 本章的理论分析，为下文提供了有力的理论依据。 硅整流装置，所需增加的设备有：励磁电源输入电动开关1 台、制动电源输入电动开关 1 台、电制动变压器1 台、定子短路刀闸( 配电机操作机构) l 台、p l c 和一些外部控制回 路，与方案1 相比增加配务一套电制动控制器，该电制动控制器用来控制电制动输出电 流，方案实施时，需要更改原功率柜的脉冲控制，利用励磁变投入开关和制动变投入开 关节点控制可控硅整流柜的脉冲输入，此方案优点在于尽可能少的改变原励磁系统，尽 可能多的利用现有的励磁设备，节约改造费用，同时可以配套不同厂家的励磁系统，缺 点是励磁系统设备和电制动设备不完全独立，电制动系统有故障时有可能影响励磁系统 的正常运行u 引。 方案3 ：本设计方案为一套完全独立的电制动系统，该系统设备包括：制动电源输入 开关或刀闸l 台，制动电源输出电动开关1 台，电制动变压器1 台，定子短路刀闸( 配 电机操作机构) 1 台，可控硅整流装置1 套，及p l c 和一些外部控制回路，同时需配一 套制动控制器u 副。 此方案优点在于电制动设备完全独立，基本不需更改现有的励磁系统设备，由于设 计时主回路采用可控硅元件，电制动电流可由制动控制器控制，电制动结束后可保证转 子电流至零，保证制动电源输出开关无负荷操作；现场试验比较方便，可以直接通过修 广西大掌硕士掌位论文基于p l c 控制的才q 仑机电气制动系统的研究 改参数设定来改变制动电流的大小，同时可以通过制动控制器软件自动调整制动力矩， 使得电制动发挥最大作用，有效缩短停机时问；制动变压器在设计时只需考虑容量电压 满足要求，不必设计分接头；另外在机组检修和试验中可方便地进行发电机短路特性试 验、空载特性试验和继电保护整定试验等各项试验。缺点是系统比较复杂，相当于需要 另外配置一套励磁调节器作为制动控制器用，如果控制器部分有故障，将不能完成电气 制动过程1 创。 通过以上分析，对于电气制动系统配置方案，本文采用的系统设计方案为完全独立 的电气制动系统，即方案3 ，我国大、中型水电站机组多采用这种完全独立的电气制动 装置，如丹江、丰满、东风、东江等国内几十台机组都采用这种模式并取得了良好的停 机效果。这种模式采用独立的电气制动电源变压器z l b 、独立的整流柜z p 、独立的电 气制动操作和保护信号系统 1 引。 这种独立的电气制动装置通用性强，适用于所有水轮发电机组，特别是对于已运行 机组增加设置电气制动功能更为合适。另外，原机械制动系统和独立式电气制动系统并 行存在，当电气制动系统有故障失效时，可临时启用原机械制动系统，提高水轮机组的 运行可靠性憎1 。 第2 节电气制动系统主回路设计 根据第二章分析的水轮机电气制动的原理，本文设计的水轮机电气制动系统的主接 线如图3 1 所示，该系统采用独立的电气制动变压器、独立的整流柜，发电机制动时转 子励磁电流由4 0 0 v 厂用电经制动变压器由独立的整流柜整流供给。 各开关元件选择：电气制动装置的一次配套元器件，如短路开关f d k 及操作机构， 励磁电源交流开关j l k 及直流开关z l k 应选用质量可靠技术成熟的产品，起停调峰运 行时这些元件动作频繁，极易损坏，而一旦一个环节出问题，电气制动停机系统就失效。 因此这些元件质量将直接影响电气制动的使用效果与工作可靠性，所以应该慎重选择可 靠性好的元器件u 。 根据第二章的分析，本文设计的水轮机电气制动系统中，几个关键参数的选择如下： 1 ) 投入电气制动的转速条件是6 0 他； 基于p l c 控制的水轮机电气制动系统的研究 制在1 倍额定定子电流附近； 第3 节电气制动停机过程控制 相直接短路式电气制动系统主接线图 1 1 】 点 电气制动停机过程控制分两条线路：一路是制动力矩的控制，另一路是电气制动操 作逻辑控制。两条线路的联系点是机组实施电气制动时的制动命令及机组转速。 制动力矩的控制主要是通过控制制动电流从而达到控制起制动作用的电磁转矩( 制 动力矩) 的目的。 电气制动操作逻辑控制主要是一些开关元件的闭合或断开的先后顺序的控制。 p l c 是在继电器控制和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成以微处理器 为核心，集计算机技术、自动控制技术及通信