水輪機制動系統(tǒng)的設計

1、蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術學院畢業(yè)項目 2016 屆項目類別： 畢業(yè)設計 項目名稱： 水輪機制動系統(tǒng)的設計 專業(yè)名稱： 機電一體化技術 姓 名 ： 學 號 ： 班 級： 指導教師： 13年 5月 18 日 2016年5月19日 蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術學院畢業(yè)項目任務書（個人表）系部： 機電工程系 畢業(yè)項目類別：畢業(yè)設計畢業(yè)項目名稱：水輪機制動系統(tǒng)的設計校內(nèi)指導教師：職稱：高級工程師類別：專職學 生：專業(yè)：機電一體化技術班級：畢業(yè)項目的主要任務及目標主要任務：結合頂崗實習崗位的工作內(nèi)容以及專業(yè)知識，設計一份水輪機制動系統(tǒng)。目標：按照學院畢業(yè)項目的要求，完成一篇不少于5000字的項目報告，包括： 1.完成

2、電氣原理圖的設計 2.完成PLC編程3.完成氣動控制設計 4.提交一份項目報告畢業(yè)項目的主要內(nèi)容 1項目選題依據(jù)及說明 2水輪機制動系統(tǒng)介紹 3系統(tǒng)的設計圖及要求4相關說明 3、主要參考文獻（若不需要參考文獻，可注明，但不要空白）1秦曾煌，電工學簡明教程第2版，高等教育出版社2吳衛(wèi)榮，傳感器與PLC技術，中國輕工業(yè)出版社3閆照粉，機械制圖（理論部分），蘇州大學出版社4彭芳，電氣圖的識讀與繪制項目式教程，國際工業(yè)出版社5殷建國，工廠電氣控制技術，經(jīng)濟管理出版社4、進度安排畢業(yè)項目各階段任務起止日期1資料搜集與整理2016年1月至2月2確定控制要求4月4日至5日3完成電氣控制設計4月6日至16日4

3、完成氣動控制設計4月17日至27日5完成PLC編程設計4月28日至5月8日6. 答辯準備5月20日注： 此表在指導老師的指導下填寫。誠 信 聲 明本人鄭重聲明：所呈交的結業(yè)項目報告/論文 水輪機制動系統(tǒng)的設計 是本人在指導老師的引導下，自立研究、寫作的成果。論文中所引用是他人的無論以何種方式發(fā)布的文字、研究結果，均在論文中以明確方式標明。本聲明的法律結果由本人獨自承擔。 作者簽名： 年 月 日 摘 要為了緊縮水輪機發(fā)電機停止運行時刻，預防推力瓦毀壞，在停止的時間中必需在較低轉動速度區(qū)對運行的水輪機組進行持續(xù)剎車。本文起首先容了電氣制動的基本道理，然后通過一系列的推理獲得電氣制動的數(shù)學模子。接著

4、，簡要的介紹了PLC的最基礎的運行原理，側重探討了以PLC為核心的電氣制動停止的控制方式。本文規(guī)劃了一套基于PLC控制的水輪機電氣制動系統(tǒng)，根據(jù)該系統(tǒng)的開關邏輯，在細致的分析了操作邏輯的根本上，研究了基于PLC控制的電氣制動操作的邏輯控制單位。本設計主要應用三菱FX2N系列的PLC進行控制。首先通過基于PLC控制動作的電磁閥,電磁閥的動作使氣缸的上、下腔充氣或排氣，氣缸的空氣或排氣從而使渦輪實現(xiàn)制動功能。 關鍵詞 ： 電氣制動，水輪機，PLC 目 錄1、緒論11.1、選題的依據(jù)及說明11.2、國內(nèi)外研究狀況以及發(fā)展32、水輪機電氣制動系統(tǒng)原理42.1、電氣制動理論的提出42.2、電氣制動的基本

5、理論依據(jù)42.3、電器制動力矩的控制理論53、水輪機制動系統(tǒng)PLC設計73.1、電氣制動配置方案73.2、PLC的選型93.3、硬件設計103.3.1、PLC輸入/輸出控制電路設計103.4、軟件設計123.4.1、I/O信號地址分配123.4.2、電氣制動運行控制流程133.4.3、PLC梯形圖程序13總結14參考文獻15致謝16附錄171、緒論在隨著科學技術的發(fā)展，提高生產(chǎn)過程的自動化水平，需要控制越來越先進手段的現(xiàn)在。為了滿足現(xiàn)代以及先進技術接軌的要求，憑借其簡單的電氣控制，無污染，無噪音，易于控制的傳播，已被廣泛應用到各個領域。流體制動技術包括它的快速，可靠，成本低的，它已經(jīng)成為現(xiàn)代生

6、產(chǎn)不可缺少的作為與時代同步的技術，與其并行的先進的PLC技術也是各界人士的青睞。電氣控制和PLC技術聯(lián)合應用的設計，解決生產(chǎn)中的實際問題。對于發(fā)電廠水輪發(fā)電機制動存在著可靠性差，自動化程度低，泄漏嚴重，可維護性差和信號不監(jiān)視的問題，我們要做的就是將制動系統(tǒng)設備全面升級和改造。該設計分為兩個部分：電氣控部分，PLC編程部分。1.1、選題的依據(jù)及說明水輪機需引用制動系統(tǒng)，原因是水輪發(fā)電機組開關機快速且運行靈活，對負荷反應變化快。因此，水輪機啟動關閉次數(shù)較多，為保證機組的運行安全，停機對機組來說體現(xiàn)得意義重大。在電網(wǎng)運轉中，調(diào)峰的電站多半為水電站可能是水電站里的當某個水輪機起首停機時。即使是水輪機導

7、水部分一經(jīng)關上，但因為有轉子的龐大滾動慣性。如果不采取有效措施，轉子需要很長的時間停止，這將有一個巨大的磨損和撕裂的渦輪機，甚至導致渦輪機在干燥或半干摩擦引起的燒傷。是以需要選擇制動措施，以縮小停機期間。常見的水輪機制動樣式通常是機械制動，機械剎車普遍使用壓縮空氣轉子，在摩擦力的驅使下旋轉（見圖1，圖2）。機械剎車使用廣泛，操作起來相對簡單，系統(tǒng)相對穩(wěn)定，它的這些優(yōu)點，讓它得到了大眾的廣泛認可，但是它的短板也顯而易見。1) 制動時，水輪發(fā)電機制動器（俗稱風閘）與制動環(huán)的磨擦會產(chǎn)生高能和應力，一不小心就會形成制動環(huán)變形。2) 制動時，風閘和制動環(huán)的磨擦生成出巨量金屬顆粒物，隨油污吸附在電機繞組端

8、，長時間的積累，會對發(fā)電機組的冷卻成效產(chǎn)生反作用，干擾散熱，破壞了絕緣程度，大大提高了維修機組的工作量。3) 剎車國臣越快工件磨損越大，更換制動塊工塊又顯得。圖1 制動器外觀圖 圖2 制動器結構圖電氣制動運用同步電機的電樞反應和能耗制動發(fā)電機的制動原理。當機組停機后，渦輪導向葉片已經(jīng)接近于零，發(fā)電機后的磁死后，發(fā)電機母線只有少量的殘余電壓。在這種情況下，發(fā)電機出口母線短路，勵磁電流和磁場再加直流。根據(jù)同步發(fā)電機的基本原理，可以知道由交流電樞磁場產(chǎn)生的電磁力對轉子電流構成的電磁轉矩，這與轉子的方向相反，從而產(chǎn)生了對轉子的慣性轉動產(chǎn)生阻礙作用，因此對轉子的慣性轉矩起到了剎車功效。電磁制動的特點：1

9、) 停機時段短，關閉了水輪機導水葉后，水輪機機組轉速下降到額定轉速的80%上下時就能夠進入電磁制動。是以電磁制動的慣性降速區(qū)才有20%左右，傳統(tǒng)的機械式制動器需要將制動減速帶減速至30%的速度，減速帶逼近70%，這反映了電磁制動大幅度降低了剎車時間。2) 假如勵磁電流穩(wěn)定，則制動電流就已久保持不變，制動力臂大，可以實現(xiàn)比較滿意的制動效果。3） 相對低速制動，低速制動，油膜的沖擊力提高，延長了推力盤的使用壽命。4） 電氣制動時，無有機械制動的互相磨擦，不可能生成金屬粉末，大大延長了水電機組的機械使用年限。水輪機電氣制動有著上訴的各種益處，是以展開水輪機的電氣制動的探索有著龐大的意旨和價值。1.2

10、、國內(nèi)外研究狀況以及發(fā)展隨著電氣技術的飛速普及，人們將晶體制動管與電制動能精確地控制制動功率和制動時間，不受限制。以后隨著可編程控制器和制動裝置的迅速發(fā)展，制動問題困擾著各大電廠。最首要的是微型發(fā)電廠，因為占地面積小，污染嚴重。每次出現(xiàn)故障，檢驗工人都要穿著防油污的工作服，鉆到機坑，將每個制動活塞敲落，解決完再安裝上，這樣極大程度上降低了機組的使用頻率，減小了機組正常使用時刻。   因為機械制動的巨量弊端，給機械運轉和修理傳來了巨大的不變，大幅度降低了用電站的經(jīng)濟效益。因為這，水輪機的機械剎車問題引起了社會的熱議，因為機械制動的自帶缺點很難克服，人們就將視野轉移到電氣剎車這方面。2、

11、水輪機電氣制動系統(tǒng)原理2.1、電氣制動理論的提出水輪機電氣剎車的推開，大規(guī)模提升了發(fā)電機組的運轉方式，極大的縮短了剎車時所命令的時間，巨量減少了剎車時的機械消耗。同時清洗了機械組運行的處境，提升了發(fā)電機組安全運行的能力。所以說開展水輪機電氣制動運轉的題目，對提高機組通順運行的安全效益 操作起著極大的經(jīng)濟利益。2.2、電氣制動的基本理論依據(jù)電氣制動是同步電動機應用的原理，當水輪機分離了系統(tǒng)，讓電流通過發(fā)電機的轉子，對電機的消耗很大。按電氣制動原理，機組也會影響剎車的力臂，就是（2-1）式中： ME電氣制動的制動力矩PE銅損功率 W轉子角頻率 弧度/秒 電氣制動的目標應該為機組和系統(tǒng)解列后，怎樣能

12、穩(wěn)定可靠的使機組發(fā)出電氣制動力臂。在此基礎上，多種電動制動的優(yōu)勢和劣勢也反映了制動轉矩隨轉速變化性質(zhì)的改變，和實現(xiàn)電制動的可行性。當前情況，電氣剎車的實物使用是根據(jù)發(fā)電機定子繞組三相短路，同時穿過穩(wěn)定的電流量來輸出制動力臂來完成。 發(fā)電機出口端擁有三個輸出端口和短路電剎車器是以同步電動機的電樞為基礎的反應原理，當單元以及功率分開后，按照額定轉速為50%至55%，發(fā)電機定子三相短路。在定子繞組中接入一些的勵磁直流電流。發(fā)電機還有相當?shù)牡膽T性轉速，在這時就將輸出一個和轉速方向不同的勵磁力臂，在這時的旋轉的定子由于短路會輸出感應短路電流。調(diào)解勵磁直流電流，能讓定子短路電流保持在一個穩(wěn)定值。就在這時，

13、定子繞組中直接會產(chǎn)出損耗制動力臂，它的轉矩和機組的慣性力矩是相反的，因此實現(xiàn)了水輪機的電氣制動。  發(fā)電機出口端直接三相短路法電氣制動的制動力矩，聯(lián)合（2-1）同步電機理論可表達為： （2-2）式中：R定子回路中的有效電阻N轉子的轉速IK定子短路電流，即制動電流 公式中的短路電流，說的是在轉子勵磁不變的環(huán)境下，定子中的短路電流是IK一個幾乎為恒定值，機組轉速下降不會影響到它。2.3、電器制動力矩的控制理論根據(jù)公式（2-2），按照相同的速度，制動力矩和制動電流Ik的平方是一個正比關系，另外，制動電流幾乎不變，因此它不調(diào)節(jié)制動電流。在制動時間中，制動力矩依據(jù)轉速的增加而降低。然

14、而，當制動力矩增加到大于主軸系統(tǒng)的設計時，在設計中，將對主軸系統(tǒng)產(chǎn)生摧毀性的變化。因此，我們必須限制最大制動力矩，一般為機組的安全運行，相對較好的情況是把制動控制在主軸系統(tǒng)傳遞的額定力矩ME之間。水輪機組的主軸系統(tǒng)在設計上傳遞的極限力矩T T=K*ME （2-3）K安全系統(tǒng)，在水輪發(fā)電機的主軸系統(tǒng)在設計上通常取2.5  由同步電機理論可得，水輪發(fā)電機組的主軸傳遞的力矩可按以下公式： （2-4） （2-5）式中：M機組主軸傳遞的扭力矩P2電負載功率 WPM發(fā)電機電磁功率 WP電子繞組的銅損耗功率 W一般環(huán)境下，水輪發(fā)電機組在額定轉速及發(fā)出額定功率的情況下主軸系統(tǒng)傳遞的扭力矩被稱為額定扭

15、力矩ME由同步電機的的理論可得 式中：U發(fā)電機的額定電壓 VI發(fā)電機的額定電流 ACOS()發(fā)電機的功率因數(shù)在電氣制動行程中，電氣制動投放初的開始階段，制動力矩小于額定力矩，可不用調(diào)節(jié)勵磁電流來改變制動電流。當機組繼續(xù)下降時，為了阻止制動力矩因機組轉速下降而大于額定功率，必須調(diào)節(jié)勵磁電流來改變制動電流。3、水輪機制動系統(tǒng)PLC設計3.1、電氣制動配置方案電氣制動停止運行是一個非常強勁的邏輯自動運行過程，要用到大量的傳感器組件不定時地對機械運行的制動過程進行監(jiān)控，通過可編程控制器進行邏輯控制，重要的操作步驟都是有著嚴格的邏輯互鎖性，不然的話出現(xiàn)嚴重的操作事故的可能大。初期的電氣制動產(chǎn)品大都是通過

16、 普通電磁制動器來實現(xiàn)它的制動操作，如圖所示： 圖 3.1 系統(tǒng)硬件簡圖在那時，在科技的快速推進下，依照三相短路法的電氣制動形成原理，出現(xiàn)頻繁的水輪機電氣制動控制計劃被建議并被電廠使用。本設計為一套單獨的電氣制動系統(tǒng)，該系統(tǒng)用到的元器件包括;制動電源輸入開關1臺，制動電源輸出電動開關一臺，定子短路刀閥1臺，電氣變壓箱一臺及PLC和相對的外部控制回路，同時需要配置一套制動控制器。此方案的好處在與電氣制動配置是一個獨立的整體，沒有必要修改已經(jīng)存在的勵磁配置。因為計劃時主回路采用可控硅元件，電制動電流可由電動制動控制，制動后可以保障電流為零?，F(xiàn)場試驗比較方便，可通過調(diào)整可編程控制器，自動調(diào)整制動力矩

17、，使電氣制動發(fā)揮最大作用，有效縮短停機的時間。電氣制動停機過程控制反應為兩條路線：一條路是電氣制動操縱的邏輯控制，另外一條是制動力矩的調(diào)節(jié)。采用實施電氣制動的制動命令及機組轉速將兩條線路。電氣制動操作核心是控制一些開關的閉合和斷開及其前后的順序。制動力矩的控制主要是通過控制電流達到制動作用的電磁矩的目的。PLC是在繼電器控制和計算機技術的基礎上研發(fā)出來的，同時慢慢形成以微處理器為核心，集中了自動控制技術，通信技術和計算機技術一體化的專為在工業(yè)環(huán)境下使用而構思的一種面向產(chǎn)出過程的一種新型工業(yè)裝置。它是一款面向生產(chǎn)過程控制的數(shù)字電子配置，含有了抗干擾能力強，構造精妙，相對可靠，在工業(yè)控制中大大試用

18、?？梢酝ㄟ^PLC為核心元件控制電氣制動過程的兩條線路。如圖所示： PLCD/A模塊A/D模塊移相觸發(fā)器QFI FMK ZLK 水導 機械制動勵磁電流制動電流機組轉速圖3.2 水輪機電氣制動的PLC控制系統(tǒng)制動力矩控制線是：單元速度、制動電流等模擬信號通過模數(shù)轉換成數(shù)字信號輸入到可編程控制器，操作后的相應的數(shù)值輸入到模數(shù)。通過移相觸發(fā)器來控制勵磁電流的大小，通過感應器將制動的情況反饋給PLC，從而閉環(huán)控制回路。3.2、PLC的選型根據(jù)水輪機制動系統(tǒng)的功能及控制要求，共需12點輸入，14點輸出。根據(jù)設備控制系統(tǒng)所需輸入的I/O點，可擴展20%到10%個點，作為估計輸入/輸出點的基礎。實際的訂單，也

19、根據(jù)產(chǎn)品制造商的特點，可編程控制器，決定輸入和輸出點。存儲器內(nèi)存容量的估算通常是按數(shù)字量I/O點數(shù)的1015倍，加上模擬I/O點數(shù)的100倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字數(shù)（16位為一個字），另外再按此數(shù)的25%考慮余量。因此，本設備的PLC控制系統(tǒng)改造，最終選擇了“三菱FX2N-32MR-001” PLC，其電源電壓AC220V, 16點輸入，16點輸出。3.3、硬件設計3.3.1、PLC輸入/輸出控制電路設計圖3.3.1 PLC內(nèi)部電路控制如上圖所示，PLC控制電路的電源為AC220V，如圖，按動“Power ON”上電按鈕，即接通AC220V，指示燈亮，通過PS開關電源將AC220V轉換為DC24

20、V電源，為PLC的各類輸入/輸出電路供電。按動“E-Stop”急停按 鈕，立即切斷PLC控制電路的AC220V電源，使PLC及其控制電路停止運行。圖3.3.2 PLC輸入/輸出控制電路3.4、軟件設計3.4.1、I/O信號地址分配接口信號輸入端口輸出端口接口信號發(fā)電機出口開關QF1狀態(tài)X0YO水輪機導水葉關閉原勵磁系統(tǒng)FMK狀態(tài)X1Y1降低勵磁電流短路開關FDK狀態(tài)X2Y2發(fā)電機出口開關QF1斷開直流開關ZLK狀態(tài)X3Y3發(fā)電機出口開關QF1閉合交流開關JLK狀態(tài)X4Y4原勵磁系統(tǒng)FMK斷開發(fā)電機轉速60%X5Y5原勵磁系統(tǒng)FMK閉合發(fā)電機轉速30%X6Y6短路開關FDK斷開發(fā)電機轉速=0X7

21、Y7短路開關FDK閉合水輪機導水葉關至零X8Y8直流開關ZLK斷開勵磁電流10%X9Y9直流開關ZLK閉合發(fā)電機剩磁電壓10%UX10Y10交流開關JLK斷開機械制動開關狀態(tài)X11Y11交流開關JLK閉合Y12投機械制動 斷開Y13投機械制動 閉合表3.4.1.1 I/O地址表 設定全程最長時限為T1，這時間包含了電氣故障時轉化為機械制動時所需要的時間。FDK，ZLK，JLK三個開關合上閘后直至機組完全閉合的最長時間為T2。FDK，ZLK，JLK三個開關合閘需要的時間T5。 三個開關斷開允許的時間T3，則這幾個時間列成表格為:T1T2T3T5暫定時間值10MIN1.5MIN10S10S表3.4.1.2 PLC程序中的時間參數(shù)3.4.2、電氣制動運行控制流程圖3.4.2.1 控制流程圖3.4.3、PLC梯形圖程序 見附錄總結這次的畢業(yè)設計，從上學期末開始策劃籌備，收集相關專業(yè)資料，請教指導老師和其他專業(yè)老師，初步形成并設計，聽取意見建議，結合自身所學的知識進行修改，到最后費勁精力逐步成形，前后經(jīng)歷將近半年時間，歷時這么長的時間，我不僅拓展了自身所學的知識，提升了專業(yè)技能，還豐富了我的課余生活，陶冶了情操，