水轮机制动系统,毕业设计

1、课题名称水轮机制动系统系另廿机电系专业电气工程与自动化班 级姓 名学 号指导教师起讫时间：年_月_日 年月日（共周）毕业设计（论文）开题报告题目：水轮机制动系统1.本课题的来源、选题依据：水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械，它属于流体机械中的透平机械。早在公元前100年前后，中国就出现了水轮机的雏形 一一水轮，用于提灌和驱动粮食加工器械。现代水轮机则大多数安装在水电站内，用来驱动发电机发电。 在水电站中，上游水库中的水经引水管引向水轮机，推动水轮机转轮旋转， 带动发电机发电。作完功的水则通过尾水管道排向下游。水头越高、流量越大，水轮机的输出功率也就越大。近年来，随着电子技术的进步，

2、 新型功率开关器件、 专用集成电 路和控制算法的发展，使交流驱动电源、交流伺服系统的性能大大提高，它除克服了步进电机或直流伺服电机本身的不足，还具有功能强大、控制方式灵活、技术性能好和可靠性高等特点。2. 本课题的设计（研究）意义（相关技术的现状和发展趋势）：20世纪90年代初期，国内高等院校、科研机构及制造厂家先后开发了电机（步 进电机、直流伺服电机）型电气机械转换部件。 步进电机的转动由指令脉冲控 制，控制简单；直流伺服电机控制方便， 调速范围宽，输出转矩高，过载能力强， 动态响应好。因此，以步进电机或直流伺服电机控制的水轮机调速器在大、中型水电站的应用取得了显著的成果，从而解决了电液伺服

3、阀抗油污能力弱、 容易发卡、工作可靠性较差等问题。 但是，步进电机与直流伺服电机本身存在缺陷，主要表现在：步进电机有一启动频率， 造成在大负荷情况下响应速度不能过快，而且在高速运转时转矩下降，遇到卡阻时可能堵转、失步；直流伺服电机存在电刷 与换向器的磨擦并产生火花的问题，电刷的磨损会带来故障， 同时使其在维护方面较为麻烦。因此，把由交流伺服电机构成的驱动装置作为水轮机调速器的电气 -机械转换部件是功率电子技术、微电子技术、计算机技术及控制原理进步和不 断向前发展的必然结果盛顿3. 本课题的基本内容、重点和难点，拟采用的实现手段（途径）：交流伺服控制型可编程水轮机调速器的电气部分是以可编程控制器

4、（PLC为硬件核心，软件采用全模块化结构，彩色液晶屏幕显示，具有良好的全中文图形人机 界面；电气-机械转换部件采用交流伺服电机，配以滚珠螺旋自动复中装置； 液压系统为直连式结构，以交流伺服驱动装置的机械位移直接控制主配压阀。PLC测量水轮发电机组的频率信号偏差，并按一定的调节规律（PID或PI）转换成位置控制的数字电信号；电气-机械转换部件将该数字信号线性地转化为 机械位移量，再直接控制由辅助接力器和主配压阀组成的二级液压放大，通过 主接力器控制水轮机导水叶开度（或浆叶转角），实现水轮发电机组的调速和 负荷控制。主要重难点：控制器控制解决水轮机调速器中电气-机械转换部件 工作可靠性差、抗油污能

5、力弱等问题4. 文献综述（列出主要参考文献的作者、名称、出版社、出版时间以及与本课题相关的主要参考要点）：书 名：液压系统设计丛书-液压传动系统及设计张利平化学工业岀版社著译者：岀版社：指导教师意见:指导教师：年 月 日系意见:盖章年 月 日水轮机制动系统引言：20世纪以来，水电机组一直向高参数、大容量方向发展。随着电力系统 中火电容量的增加和核电的发展，为解决合理调峰问题，世界各国除在主要水系 大力开发或扩建大型电站外，正在积极兴建抽水蓄能电站，水泵水轮机因而得到 迅速发展。摘要：水电站的有功调节通常是通过调速器实现的，但当水轮机组并入电网运行 时，对于单台发电机来说转速反馈几乎不起作用。

6、近年来，随着自动发电控制（AGC） 的需要，有功功率在控制系统中的调节品质已成为当前电力系统自动化领域的突 出问题。关键词：参考文献：200MW混流式水轮机的效率改进，水轮机原理与流体动力学计算基础，系统工作原理：如图1所示：测量元件把机组转速 N （频率Fn）、功率、水头、 流量等参量测量出来，与给定信号和反馈信号综合后，经放大校正元件控制执行 机构，执行机构操纵水轮机导水机构和桨叶机构， 同时经反馈元件送回反馈信号到信号综合点。图1水轮机调节系统结构图水轮机电气控制设备系统水轮机制动系统是由水轮机电气控制设备系统和被控制系统（流体控制和PLC控制）组成的闭环系统。水轮机、引水和泄水系统、装

7、有电压调节的发电机及其 所并入的电网称为水轮机调节系统中的被控制系统；用来检测被控参量与给定量的偏差，并将其按一定特性转换成主接力器行程偏差的一些装置组合，称为水轮机控制设备。水轮机调速器则是由实现水轮机调节及相应控制的机构和指示仪表 等组成的一个或几个装置的总称。（一）水轮机的选型：水轮机按工作原理可分为冲击式水轮机和反击式水轮机两大类。冲击式水轮机的转轮受到水流的冲击而旋转，工作过程中水流的压力不变，主要是动能的转换； 反击式水轮机的转轮在水中受到水流的反作用力而旋转，工作过程中水流的压力能和动能均有改变，但主要是压力能的转换。通过查找资料；反击式水轮机中， 水流充满整个转轮流道，全部叶片

8、同时受到水流的作用，所以在同样的水头下， 转轮直径小于冲击式水轮机。它们的最高效率也高于冲击式水轮机， 但当负荷变 化时，水轮机的效率受到不同程度的影响，我选择较先进地反冲击式水轮机 HLX180转轮，其模型额定点效率n M=0 94。较通常转轮高出2个百分点，最高 效率圈相对扁平，额定和加权平均水头下 Q1'跨度达120L/m3, n1r'非常接近 最优单位转速，运行区域包括了整个最优效率区， 依据效率加权因子，求得的模 型加权平均效率达88. 4%额定水头下具有8. 3%勺超发能力，因此该转轮能量 指标较咼，水能利用率咼。图2 HLX180型水轮机（二）控制原理说明：1本系

9、统采用分层分布式布局，配置如图 3所示。主要由2个机组监控屏、 发电机保护屏、公用监控屏、主编线路保护屏和电量屏构成。通讯采用高速以 太网与上级调度、操作员工作站进行通讯。其中公用监控屏由可编程控制器（由三菱FX2N-80MR和2个FX0N-16EX扩展模块组成）、自动准同期装置、 触摸屏、电力测控仪和逆变电源组成，在公用监控屏中实现对发电机的有功 调节。3L f1 1L f1F1工作站1UPS工作站2图3系统配置图2. 在电力系统中，频率与电压是电能的 2个主要质量指标，电力系统中的频率变 化的主要原因是由于有功功率不平衡引起的。 系统的负荷经常发生变化，要保持 系统的频率为额定值，就必须使

10、发送的功率不断跟随着负荷的变动，时刻保持整 个系统有功功率的平衡。否则，系统的频率就会大起大落，保证不了电能的质量， 甚至会造成事故与损失。当负荷吸取的有功功率下降时，频率增高；当负荷吸取的有功功率增高时，频率 降低，即负荷调节效应。由于负荷调节效应的存在，当电力系统中因功率平衡破 坏而引起频率变化时，负荷功率随之的变化引起补偿作用。 如系统中因有功功率 缺额而引起频率下降时，能补偿一些有功功率缺额，有可能使系统稳定在一个 较低的频率上运行。如果没有负荷调节效应相应的负荷功率也随之减小，当出现有功功率缺额系统频率下降时，功率缺额无法得到补偿，就不会达到新的有功功 率平衡，频率会一直下降，直到系

11、统瓦解为止。频率和有功功率自动调节的方法主要有：(1) 利用机组调速器的调节特性进行调频；(2) 根据频率瞬时偏差，按比例分配负荷，构成虚有差调节频率和负荷的方法；(3) 按频率积分偏差调节频率，满足 等微增率”原则分配负荷；(4) 按给定负荷曲线调节有功功率(本文所介绍的是按给定负荷曲线调节有功功 率)。3. 水轮机的制动调节系统应该使总功率等于负荷曲线给定的功率。而机组之间则按等微增率”原则经济分配负荷。如果系统频率偏差不超过调频电站所能补偿 的范围，则调功电站的调节系统对频率偏差不应作出任何响应。如果系统运行工况发生了变化，出现了较大的频率偏差则调频电站无力完全补偿偏差值，那么调功电站的

12、自动调节装置应该作用于各台机组的调速器，使之改变各台机组的有功出力来帮助恢复系统频率。功率与频率关系曲线图4示出功率与频率的关系曲线。在死区土A±A fma范围内，频率偏差信号21不起作用，此时电站的实际功率'与给定的总功率PG之间的偏差AP产生调节作用。4. PG为电站负荷曲线给定装置取得的，使由各台机组有功功率测量元件测到 的有功信号相加后得到的。当 阐 S 时，两台机组的调节作用只受有功偏差 ap 的影响，而与频率偏差 Af无关，此时调节特性方程为：f=0 （恥心 调节目标为* n另耳二略 g g（三）系统硬件组装:1 根据系统的控制要求配置硬件如下图5 系统硬件简图控

13、制器：三菱FX2N-80MR和两个FX0N-16EXT展模块组成；人机界面：触摸屏；其它设备:2个DC24V继电器、功率表以及其它的辅助器件。本系统确保整个系统频率的稳定和电网的稳定供电。（四）设计过程：水轮机微机调速器是一个典型的数字式液压位置伺服系统， 数字式液压位置 伺服系统按电液转换环节接口控制方式主要分为两大类： 间接数字控制和直接数 字控制。随着计算机技术在流体控制系统中的大量应用， 数字化成了一种必然的 趋势。在流体动力系统中，这种控制方式的控制信号是开关量，因而是直接数字 控制。脉宽或脉冲调制）控制。通过控制开关元件的通断时间比， 以获得在某一 段时间内流量的平均值，进而实现对

14、下一级执行机构的控制。 该控制方式具有不 堵塞、抗污染能力强及结构简单的优点。a. 这种采用间接数字控制；将微机控制信号通过D/A转换环节，将数字信号转换 为模拟量信号（010V、420mA后，再经放大后驱动电液伺服系统的控制方 式。该方式必须通过D/A转换环节，将数字量转换为模拟量实现数字控制， 其主 要存在以下问题：（1）由于控制器存在模拟电路，易产生温漂和零漂。（2）多了 D/A环节，降低了可靠性。（2）阀的外控特性表现出滞环， 消除滞环使阀的造 价大大增加，结构复杂，可靠性降低。（3）整体式磁性材料由于铁损引起的温 升严重。而直接数字控制不通过 D/A接口，微机控制信号直接以数字开关信

15、号与 电液伺服系统接口实现数字控制，消除了间接数字控制存在的上述问题， 使整个 系统简单化，并实现整个系统的数字化，应用前景非常广阔水轮机调速器测频装 置用于检测机组频率和电网频率，由机组频率、电网频率整形电路和内装有测频 程序的PLC基本单元共同组成，并通过闭环反馈系统实现对水轮机组频率的控 制。该装置因取消了单片机硬件，改由PLC基本单元测频不仅降低成本， 更主 要的是大大提高了频系统的整形可靠性， 从而减少了电路事故的发生。还因输入 信号为开关量，减少了输入点数，降低了成本，该装置结构简单，使用维护方便， 可靠性高。图6控制系统原理图b. PID控制：利用PI控制和PD控制的优点组合成的

16、控制。当偏差X（设定值-反馈值）为正时，增加执行量（输出频率），如果偏差为 负，减小执行量。压力传感器反馈的水压信号丫（ 4-20mA与设定值U进行比较，其偏 差X经变频器的PID控制器运算后产生执行量FQ去驱动变频器，从而 构成以设定压力为基础的闭环控制系统。运行参数在实际过程不断进行调 整，使系统控制器响应趋于完整，并通过 PLC计算需切换泵的运行操作。c. 这种水轮机调速器测频装置，有整形电路装置组成，其特征在于：整形电路装 置分机组频率整形电路装置和电网频率整形电路装置两部分， 两个整形电路装置 的输出信号，分别输入PLC基本控制单元的X0 X1输入端，PLC基本控制单元 预先装入专用

17、程序。再下面的 PLC设计中进行详述；d. 采用矢量控制的基本原理；变频器的主电路通常是AC-DC-AC电力电子变换电路，DC-AC部分为三相桥逆变系统，确定其开关信号的控制策略往往决定了变频 器性能的高低。分析变频器三相逆变桥的开关状态（逆变桥上桥臂开通表示为1, 相应的下桥臂关断）：XO（OOO）、X1（001）、X（010）、（100）、（101）、（110）、 （111），可表示为8个基本空间电压矢量：V1V2V3V4V5V6V其中V0V7为零矢量， 其余为有效工作矢量。空间矢量PWMI制就是通过分配电压空间矢量， 尤其是零 矢量的作用时间，最终形成等幅不等宽的PWI脉冲波，实现追踪磁

18、通的圆形轨迹。 若复平面上参考等效合成空间矢量 v的模长等于相电压的峰值，以角频率按逆时 针方向匀速旋转，那么其在三相轴上的投影就是对称的正弦量。反过来，按照平行四边形法则，利用这 8个基本矢量可以合成任意角度和模长的等效合成矢量 Vr。如果匀速发出在一个圆周里均匀分布的等效合成矢量，也就得到了三相正弦量的开关信号，这就是空间电压矢量调制。一个周期里发出的合成矢量越多，说明 米样频率越咼。输入000001010100101110111输出X0X1X2X4X5X6X7系统装配表1（四）系统设计控制流程图：（IJJ PfD远IT干畀序图7 系统流程图a. 该系统监控24点制动闸动作状态，通过指示灯

19、显示。并实时由压力站气路压 力数显示向PLC发出420mA的模拟信号，当动闸动作开关闭合时，指示灯亮， PLC系统开始工作。当数据与目标值有偏差时，当系统需要进行有功调节时，系 统的软件或是手动发出信号开始调节，此时采集1个实时有功数据此数据与设定 值（即目标功率值）进行比较并进行数据处理算出需要调节的时间，然后发出信 号使调节继电器动所开始调节。如未达到则有可能是系统内部有故障。为了避免 使程序进入死循环，则调节四次仍未能达到要求就自动中止程序）。如图6所示， 当M10接到触发信号后瞬时接通使D300采到的瞬时有功功率数据与D301（设定 值）进行比较。当D300>D301时输出信号M

20、300使PLC的Y001输出并使调节继电 器动作进行调节。跳开继电器工作，PLC发出制动成功或复位信号，并保持15 秒钟。根据PLC传送来的020mA勺模拟信号，显示相应的转速。如此反复，PLC 系统采用前端出线的模块化控制单元 MIC-2000作为水轮发电机机组状态参数监 测系统的主控制器，并采用双机冗余措施以提高监测系统的可靠性。控制系统采 用CAN总线作为现场总线，提高了系统数据通信的可靠性和安全性。b. 主要特点：（1）.实时采集水轮发电机组的运行状态参数。（2）.每个检测与控制单元可以独立运行，且每个控制单元之间相互协同工作，共同完成水轮 机机组的状态监测与控制。（3）.每个监测单元

21、的状态参数的传送通过现场总线方式传递，并且要求具有良好的实时性， 准确性。（4）.易于安装，且要求前端出线。二.流体控制部分（一）形成过程及工作原理:水流在水轮机中的流动，是一种复杂的三维空间运动，在稳定工况下，即当水 头、流量和转速不变时，水流在反击式水轮机的蜗壳、导水机构和尾水管等过流 部件中的流动是恒定流；水流在转轮中的流动是相对恒定流， 即相对于转轮的旋 转坐标而言是恒定流（但对地球坐标而言，则是非恒定流）。在变工况下，水轮机 中的水流运动是非恒定流。这里我们主要讨论稳定工况下水轮机转轮中的水流运 动状态。如图活动导叶、图8水轮机运行示意图任一复杂运动都是由若干简单运动复合而成的，同样

22、，转轮中水流运动亦是 由两种简单运动复合而成的。一是水流从转轮进口沿叶片流道至转轮出口的流 动，是水流相对于转轮流道的运动 （假定转轮流道不动）称此运动为相对运 动，用相对速度w表示；二是（假定水流进入转轮后不动）由于转轮是旋转的，则 水流质点随着转轮的转动而转动一一称此运动为圆周运动（牵连运动），用圆周速度u表示。实际上水流质点对于静止的转轮室而言，其运动是由上述两运动复合而成的绝对运动，此速度为绝对速度，用 v表示。贝U: V=W+U如图3-1所示： 再此因为知识缺陷不做详解；（二）按要求设计:a. 查阅资料可知；水轮机要满足以下要求：1、使过流部件机械强度降低，严重时整个部件破坏。2、增

23、加过流部件的糙率，水头损失加大，效率降低，流量减小，出力下降3、机组产生振动，严重时造成厂房振动破坏。b. 流速和压力是产生汽蚀最重要的两个原因，因此要控制流速和压力的急剧变化:1、设计制造方面： 合理选型，叶型流线设计， 表面光滑，抗汽蚀钢衬 （不锈钢）2、工程措施：合理选择安装高程，采取防沙、排沙措施，防止泥沙进入水轮机。3、运行方面：避开低负荷、低水头运行，合理调度，必要时在尾水管补气。故 采用节流阀控制流量， 水份分离器净化空气， 并用两个三通换向阀分别控制汽缸 的上、下腔；气液混用三通球阀进行气、 油的转换控制， 多块压力表可直接读数 等，能进行实时控制；c. 阀门液动装置的优点1）

24、结构简单、紧凑、体积小；2）传动平稳可靠；3）可以获得很大的输出力矩；4）输出力矩可以通过定压溢流阀得到精确的调整， 包括开启和关闭力矩的调整， 甚至可以通过液压仪表直接反映出来；5）速度调节方便；6）在突然发生事故动力终断时，仍可利用蓄能器进行一次或数次动力操作。这 对长输管线自动紧急切断阀和井口喷放阀有特殊意义。（三）液压传动原理及设计：1.简介： 它是用液体作为工作介质来传递能量和进行控制的传动方式。 液压传动和气 压传动并称为流体传动，是根据 17 世纪帕斯卡提出的液体静压力传动原理而发 展起来的一门新兴技术， 是工农业生产中应用广泛的技术。 液压传动中由液压泵、液压控制阀、液压执行元

25、件（液压缸和液压马达等）和液压辅件（管道和蓄能器 等）组成的液压系统。液压泵把机械能转换成液体的压力能，液压控制阀和液压 辅件控制液压介质的压力、流量和流动方向， 将液压泵输出的压力能传给执行元 件。执行元件将液体压力能转换为机械能，以完成要求的动作。2. 工作原理液压传动的基本原理是在密闭的容器内， 利用有压力的油液作为工作介质来 实现能量转换和传递动力的。 其中的液体称为工作介质， 一般为矿物油， 它的作 用和机械传动中的皮带、链条和齿轮等传动元件相类似。 液压传动是利用帕斯 卡原理！ 帕斯卡原理是大概就是： 在密闭环境中， 向液体施加一个力， 这个液体 会向各个方向传递这个力！ 力的大小

26、不变！ 液压传动就是利用这个物理性质， 向 一个物体施加一个力， 利用帕斯卡原理使这个力变大！ 从而起到举起重物的效果！ 电动机带动液压泵从油箱吸油，液压泵把电动机的机械能转换为液体的压力能。 液压介质通过管道经节流阀和换向阀进入液压缸左腔，推动活塞带动工作台右 移，液压缸右腔排出的液压介质经换向阀流回油箱。 换向阀换向之后液压介质进 入液压缸右腔，使活塞左移，推动工作台反向移动。改变节流阀的开口可调节液 压缸的运动速度。液压系统的压力可通过溢流阀调节。3 硬件设备控制：a.阀门液压传动装置由动力、控制和执行机构三大部分组成。动力部分的作用是 把电动或气动马达旋转轴上的有效功率转变成液压传动的

27、流体压力能。它由电动机或气动马达、液压泵、油箱等件构成。控制部分由控制阀，如压力控制阀、流 量控制阀、方向控制阀等和电气控制系统组成。 执行机构有两种，一种是液压缸 执行机构，实现往复直线运动；另一种是液压马达执行机构，实现回转运动。下 图是流体控制部分总的原理图：图9流体控制部分示意图b. 我选用ZPQ-01、02型气动阀门定位器可与气动调节阀，直行程气动活塞调节阀及角行程气动调节阀配套使用的辅助仪表，它接受气动调节仪表给出的 20100kPa( 020mA信号来控制调节阀的行程，又经过反馈系统的作用，确保 阀芯位置按调节仪表来的气动信号，准确执行，从而实现阀芯的正确定位.c. 伺服阀调速器

28、是一个典型的间接控制方式的数字式液压位置伺服系统。传统的各类伺服阀也都属于这类伺服系统。它的信号传递关系如下图所示：图10信号转换图三PLC编程部分设计：PLC组成系统为FX2N型 PLC可编程系统;可进行离线编程和在线连接和调试，并能实现梯形图与语句表的相互转换。 为了提高整个系统的性价比， 该系统采用开关量的输入 / 输出来控制电机的启停、 定时切换、 软起动、 循环变频及故障的报警等， 而电机转速、 水压量等模拟量则 由 PID 调节器和变频器来控制。泵组的切换示意图如图 2 。开始时，若硬件、软件皆无备用（两者同时有效 时硬件优先）， 1# 泵变频启动，转速从 0 开始随频率上升，如变频器频率到达 50Hz 而此时水压还在下限值， 延时一段时间 （避免由于干扰而引起误动作） 后， 1# 泵切换至工频运行，同时变频器频率由 50Hz 滑停至 0Hz ， 2# 泵变频启动， 如水压仍不满足，则依次启动 3# 、4# 泵，泵的切换过程同上;若开始时 1