水轮机制动系统的设计.doc

苏州工业园区职业技术学院 2011届毕业项目苏州工业园区职业技术学院毕业项目 2016 届项目类别： 毕业设计 项目名称： 水轮机制动系统的设计 专业名称： 机电一体化技术 姓 名 ： 学 号 ： 班 级： 指导教师： 13年 5月 18 日 2016年5月19日 苏州工业园区职业技术学院毕业项目任务书（个人表）系部： 机电工程系 毕业项目类别：毕业设计毕业项目名称：水轮机制动系统的设计校内指导教师：职称：高级工程师类别：专职学 生：专业：机电一体化技术班级：毕业项目的主要任务及目标主要任务：结合顶岗实习岗位的工作内容以及专业知识，设计一份水轮机制动系统。目标：按照学院毕业项目的要求，完成一篇不少于5000字的项目报告，包括： 1.完成电气原理图的设计 2.完成PLC编程3.完成气动控制设计 4.提交一份项目报告毕业项目的主要内容 1项目选题依据及说明 2水轮机制动系统介绍 3系统的设计图及要求4相关说明 3、主要参考文献（若不需要参考文献，可注明，但不要空白）1秦曾煌，电工学简明教程第2版，高等教育出版社2吴卫荣，传感器与PLC技术，中国轻工业出版社3闫照粉，机械制图（理论部分），苏州大学出版社4彭芳，电气图的识读与绘制项目式教程，国际工业出版社5殷建国，工厂电气控制技术，经济管理出版社4、进度安排毕业项目各阶段任务起止日期1资料搜集与整理2016年1月至2月2确定控制要求4月4日至5日3完成电气控制设计4月6日至16日4完成气动控制设计4月17日至27日5完成PLC编程设计4月28日至5月8日6. 答辩准备5月20日注： 此表在指导老师的指导下填写。诚 信 声 明本人郑重声明：所呈交的结业项目报告/论文 水轮机制动系统的设计 是本人在指导老师的引导下，自立研究、写作的成果。论文中所引用是他人的无论以何种方式发布的文字、研究结果，均在论文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人独自承担。 作者签名： 年 月 日 摘 要为了紧缩水轮机发电机停止运行时刻，预防推力瓦毁坏，在停止的时间中必需在较低转动速度区对运行的水轮机组进行持续刹车。本文起首先容了电气制动的基本道理，然后通过一系列的推理获得电气制动的数学模子。接着，简要的介绍了PLC的最基础的运行原理，侧重探讨了以PLC为核心的电气制动停止的控制方式。本文规划了一套基于PLC控制的水轮机电气制动系统，根据该系统的开关逻辑，在细致的分析了操作逻辑的根本上，研究了基于PLC控制的电气制动操作的逻辑控制单位。本设计主要应用三菱FX2N系列的PLC进行控制。首先通过基于PLC控制动作的电磁阀,电磁阀的动作使气缸的上、下腔充气或排气，气缸的空气或排气从而使涡轮实现制动功能。 关键词 ： 电气制动，水轮机，PLC 目 录1、绪论11.1、选题的依据及说明11.2、国内外研究状况以及发展32、水轮机电气制动系统原理42.1、电气制动理论的提出42.2、电气制动的基本理论依据42.3、电器制动力矩的控制理论53、水轮机制动系统PLC设计73.1、电气制动配置方案73.2、PLC的选型93.3、硬件设计103.3.1、PLC输入/输出控制电路设计103.4、软件设计123.4.1、I/O信号地址分配123.4.2、电气制动运行控制流程133.4.3、PLC梯形图程序13总结14参考文献15致谢16附录17苏州工业园区职业技术学院 2016届毕业项目1、绪论在随着科学技术的发展，提高生产过程的自动化水平，需要控制越来越先进手段的现在。为了满足现代以及先进技术接轨的要求，凭借其简单的电气控制，无污染，无噪音，易于控制的传播，已被广泛应用到各个领域。流体制动技术包括它的快速，可靠，成本低的，它已经成为现代生产不可缺少的作为与时代同步的技术，与其并行的先进的PLC技术也是各界人士的青睐。电气控制和PLC技术联合应用的设计，解决生产中的实际问题。对于发电厂水轮发电机制动存在着可靠性差，自动化程度低，泄漏严重，可维护性差和信号不监视的问题，我们要做的就是将制动系统设备全面升级和改造。该设计分为两个部分：电气控部分，PLC编程部分。1.1、选题的依据及说明水轮机需引用制动系统，原因是水轮发电机组开关机快速且运行灵活，对负荷反应变化快。因此，水轮机启动关闭次数较多，为保证机组的运行安全，停机对机组来说体现得意义重大。在电网运转中，调峰的电站多半为水电站可能是水电站里的当某个水轮机起首停机时。即使是水轮机导水部分一经关上，但因为有转子的庞大滚动惯性。如果不采取有效措施，转子需要很长的时间停止，这将有一个巨大的磨损和撕裂的涡轮机，甚至导致涡轮机在干燥或半干摩擦引起的烧伤。是以需要选择制动措施，以缩小停机期间。常见的水轮机制动样式通常是机械制动，机械刹车普遍使用压缩空气转子，在摩擦力的驱使下旋转（见图1，图2）。机械刹车使用广泛，操作起来相对简单，系统相对稳定，它的这些优点，让它得到了大众的广泛认可，但是它的短板也显而易见。1) 制动时，水轮发电机制动器（俗称风闸）与制动环的磨擦会产生高能和应力，一不小心就会形成制动环变形。2) 制动时，风闸和制动环的磨擦生成出巨量金属颗粒物，随油污吸附在电机绕组端，长时间的积累，会对发电机组的冷却成效产生反作用，干扰散热，破坏了绝缘程度，大大提高了维修机组的工作量。3) 刹车国臣越快工件磨损越大，更换制动块工块又显得。图1 制动器外观图 图2 制动器结构图电气制动运用同步电机的电枢反应和能耗制动发电机的制动原理。当机组停机后，涡轮导向叶片已经接近于零，发电机后的磁死后，发电机母线只有少量的残余电压。在这种情况下，发电机出口母线短路，励磁电流和磁场再加直流。根据同步发电机的基本原理，可以知道由交流电枢磁场产生的电磁力对转子电流构成的电磁转矩，这与转子的方向相反，从而产生了对转子的惯性转动产生阻碍作用，因此对转子的惯性转矩起到了刹车功效。电磁制动的特点：1) 停机时段短，关闭了水轮机导水叶后，水轮机机组转速下降到额定转速的80%上下时就能够进入电磁制动。是以电磁制动的惯性降速区才有20%左右，传统的机械式制动器需要将制动减速带减速至30%的速度，减速带逼近70%，这反映了电磁制动大幅度降低了刹车时间。2) 假如励磁电流稳定，则制动电流就已久保持不变，制动力臂大，可以实现比较满意的制动效果。3） 相对低速制动，低速制动，油膜的冲击力提高，延长了推力盘的使用寿命。4） 电气制动时，无有机械制动的互相磨擦，不可能生成金属粉末，大大延长了水电机组的机械使用年限。水轮机电气制动有着上诉的各种益处，是以展开水轮机的电气制动的探索有着庞大的意旨和价值。1.2、国内外研究状况以及发展随着电气技术的飞速普及，人们将晶体制动管与电制动能精确地控制制动功率和制动时间，不受限制。以后随着可编程控制器和制动装置的迅速发展，制动问题困扰着各大电厂。最首要的是微型发电厂，因为占地面积小，污染严重。每次出现故障，检验工人都要穿着防油污的工作服，钻到机坑，将每个制动活塞敲落，解决完再安装上，这样极大程度上降低了机组的使用频率，减小了机组正常使用时刻。 因为机械制动的巨量弊端，给机械运转和修理传来了巨大的不变，大幅度降低了用电站的经济效益。因为这，水轮机的机械刹车问题引起了社会的热议，因为机械制动的自带缺点很难克服，人们就将视野转移到电气刹车这方面。2、水轮机电气制动系统原理2.1、电气制动理论的提出水轮机电气刹车的推开，大规模提升了发电机组的运转方式，极大的缩短了刹车时所命令的时间，巨量减少了刹车时的机械消耗。同时清洗了机械组运行的处境，提升了发电机组安全运行的能力。所以说开展水轮机电气制动运转的题目，对提高机组通顺运行的安全效益 操作起着极大的经济利益。2.2、电气制动的基本理论依据电气制动是同步电动机应用的原理，当水轮机分离了系统，让电流通过发电机的转子，对电机的消耗很大。按电气制动原理，机组也会影响刹车的力臂，就是（2-1）式中： ME电气制动的制动力矩PE铜损功率 W转子角频率 弧度/秒 电气制动的目标应该为机组和系统解列后，怎样能稳定可靠的使机组发出电气制动力臂。在此基础上，多种电动制动的优势和劣势也反映了制动转矩随转速变化性质的改变，和实现电制动的可行性。当前情况，电气刹车的实物使用是根据发电机定子绕组三相短路，同时穿过稳定的电流量来输出制动力臂来完成。 发电机出口端拥有三个输出端口和短路电刹车器是以同步电动机的电枢为基础的反应原理，当单元以及功率分开后，按照额定转速为50%至55%，发电机定子三相短路。在定子绕组中接入一些的励磁直流电流。发电机还有相当的的惯性转速，在这时就将输出一个和转速方向不同的励磁力臂，在这时的旋转的定子由于短路会输出感应短路电流。调解励磁直流电流，能让定子短路电流保持在一个稳定值。就在这时，定子绕组中直接会产出损耗制动力臂，它的转矩和机组的惯性力矩是相反的，因此实现了水轮机的电气制动。发电机出口端直接三相短路法电气制动的制动力矩，联合（2-1）同步电机理论可表达为： （2-2）式中：R定子回路中的有效电阻N转子的转速IK定子短路电流，即制动电流 公式中的短路电流，说的是在转子励磁不变的环境下，定子中的短路电流是IK一个几乎为恒定值，机组转速下降不会影响到它。2.3、电器制动力矩的控制理论根据公式（2-2），按照相同的速度，制动力矩和制动电流Ik的平方是一个正比关系，另外，制动电流几乎不变，因此它不调节制动电流。在制动时间中，制动力矩依据转速的增加而降低。然而，当制动力矩增加到大于主轴系统的设计时，在设计中，将对主轴系统产生摧毁性的变化。因此，我们必须限制最大制动力矩，一般为机组的安全运行，相对较好的情况是把制动控制在主轴系统传递的额定力矩ME之间。水轮机组的主轴系统在设计上传递的极限力矩T T=K*ME （2-3）K安全系统，在水轮发电机的主轴系统在设计上通常取2.5 由同步电机理论可得，水轮发电机组的主轴传递的力矩可按以下公式： （2-4） （2-5）式中：M机组主轴传递的扭力矩P2电负载功率 WPM发电机电磁功率 WP电子绕组的铜损耗功率 W一般环境下，水轮发电机组在额定转速及发出额定功率的情况下主轴系统传递的扭力矩被称为额定扭力矩ME由同步电机的的理论可得 式中：U发电机的额定电压 VI发电机的额定电流 ACOS()发电机的功率因数在电气制动行程中，电气制动投放初的开始阶段，制动力矩小于额定力矩，可不用调节励磁电流来改变制动电流。当机组继续下降时，为了阻止制动力矩因机组转速下降而大于额定功率，必须调节励磁电流来改变制动电流。3、水轮机制动系统PLC设计3.1、电气制动配置方案电气制动停止运行是一个非常强劲的逻辑自动运行过程，要用到大量的传感器组件不定时地对机械运行的制动过程进行监控，通过可编程控制器进行逻辑控制，重要的操作步骤都是有着严格的逻辑互锁性，不然的话出现严重的操作事故的可能大。初期的电气制动产品大都是通过 普通电磁制动器来实现它的制动操作，如图所示： 图 3.1 系统硬件简图在那时，在科技的快速推进下，依照三相短路法的电气制动形成原理，出现频繁的水轮机电气制动控制计划被建议并被电厂使用。本设计为一套单独的电气制动系统，该系统用到的元器件包括;制动电源输入开关1台，制动电源输出电动开关一台，定子短路刀阀1台，电气变压箱一台及PLC和相对的外部控制回路，同时需要配置一套制动控制器。此方案的好处在与电气制动配置是一个独立的整体，没有必要修改已经存在的励磁配置。因为计划时主回路采用可控硅元件，电制动电流可由电动制动控制，制动后可以保障电流为零。现场试验比较方便，可通过调整可编程控制器，自动调整制动力矩，使电气制动发挥最大作用，有效缩短停机的时间。电气制动停机过程控制反应为两条路线：一条路是电气制动操纵的逻辑控制，另外一条是制动力矩的调节。采用实施电气制动的制动命令及机组转速将两条线路。电气制动操作核心是控制一些开关的闭合和断开及其前后的顺序。制动力矩的控制主要是通过控制电流达到制动作用的电磁矩的目的。PLC是在继电器控制和计算机技术的基础上研发出来的，同时慢慢形成以微处理器为核心，集中了自动控制技术，通信技术和计算机技术一体化的专为在工业环境下使用而构思的一种面向产出过程的一种新型工业装置。它是一款面向生产过程控制的数字电子配置，含有了抗干扰能力强，构造精妙，相对可靠，在工业控制中大大试用。可以通过PLC为核心元件控制电气制动过程的两条线路。如图所示： PLCD/A模块A/D模块移相触发器QFI FMK ZLK 水导 机械制动励磁电流制动电流机组转速图3.2 水轮机电气制动的PLC控制系统制动力矩控制线是：单元速度、制动电流等模拟信号通过模数转换成数字信号输入到可编程控制器，操作后的相应的数值输入到模数。通过移相触发器来控制励磁电流的大小，通过感应器将制动的情况反馈给PLC，从而闭环控制回路。3.2、PLC的选型根据水轮机制动系统的功能及控制要求，共需12点输入，14点输出。根据设备控制系统所需输入的I/O点，可扩展20%到10%个点，作为估计输入/输出点的基础。实际的订单，也根据产品制造商的特点，可编程控制器，决定输入和输出点。存储器内存容量的估算通常是按数字量I/O点数的1015倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。因此，本设备的PLC控制系统改造，最终选择了“三菱FX2N-32MR-001” PLC，其电源电压AC220V, 16点输入，16点输出。3.3、硬件设计3.3.1、PLC输入/输出控制电路设计图3.3.1 PLC内部电路控制如上图所示，PLC控制电路的电源为AC220V，如图，按动“Power ON”上电按钮，即接通AC220V，指示灯亮，通过PS开关电源将AC220V转换为DC24V电源，为PLC的各类输入/输出电路供电。按动“E-Stop”急停按 钮，立即切断PLC控制电路的AC220V电源，使PLC及其控制电路停止运行。图3.3.2 PLC输入/输出控制电路3.4、软件设计3.4.1、I/O信号地址分配接口信号输入端口输出端口接口信号发电机出口开关QF1状态X0YO水轮机导水叶关闭原励磁系统FMK状态X1Y1降低励磁电流短路开关FDK状态X2Y2发电机出口开关QF1断开直流开关ZLK状态X3Y3发电机出口开关QF1闭合交流开关JLK状态X4Y4原励磁系统FMK断开发电机转速60%X5Y5原励磁系统FMK闭合发电机转速30%X6Y6短路开关FDK断开发电机转速=0X7Y7短路开关FDK闭合水轮机导水叶关至零X8Y8直流开关ZLK断开励磁电流10%X9Y9直流开关ZLK闭合发电机剩磁电压10%UX10Y10交流开关JLK断开机械制动开关状态X11Y11交流开关JLK闭合Y12投机械制动 断开Y13投机械制动 闭合表3.4.1.1 I/O地址表 设定全程最长时限为T1，这时间包含了电气故障时转化为机械制动时所需要的时间。FDK，ZLK，JLK三个开关合上闸后直至机组完全闭合的最长时间为T2。FDK，ZLK，JLK三个开关合闸需要的时间T5。 三个开关断开允许的时间T3，则这几个时间列成表格为:T1T2T3T5暂定时间值10MIN1.5MIN10S10S表3.4.1.2 PLC程序中的时间参数3.4.2、电气制动运行控制流程图3.4.2.1 控制流程图3.4.3、PLC梯形图程序 见附录总结这次的毕业设计，从上学期末开始策划筹备，收集相关专业资料，请教指导老师和其他专业老师，初步形成并设计，听取意见建议，结合自身所学的知识进行修改，到最后费劲精力逐步成形，前后经历将近半年时间，历时这么长的时间，我不仅拓展了自身所学的知识，提升了专业技能，还丰富了我的课余生活，陶冶了情操，让我的大