基于PLC控制的水轮机电气制动系统的研究

罗秀琴

【摘 要】当前国内水轮发电机组的制动系统大多采用的是机械制动，存在着一定的缺点，不能适应电力行业发展要求，必须进行应用技术的革新。基于PLC控制的水轮机点制动系统能够有效的弥补机械制动的不足，而且在环保、检修、工作效率方面具有很多优点，值得推广代替传统制动方式。本文讲述了电气制动系统的特点及工作原理，分析了其实现制动工作的流程，对大力推广其应用，充分发挥电气制动的可靠性提出了意见参考。

【关键词】PLC控制；水轮机；电气制动；实践应用

在国内现有的发电系统当中，火电机组的容量多于水轮发电机组的容量，但由于水轮发电机组具有启动、停机等操作迅速方便的优点，所以其在电网发电系统系统中更多的负起了事故备用、调频和调峰的重要职责。当前国内水轮发电机组采用的大多是机械制动方法来实现机组的强制翻动，这一方法检修维护比较困难，而且硬件磨损容易造成环境污染。而电气制动则因为采用的是非接触式的制动工作技术，所以不存在上述缺点，值得推广。

一、水轮机机械制动与电气制动的比较

目前机械制动的方式在水电机组的制动工作中使用比例最大，采用机械形式制动的优点是：通用领域广、运行过程便捷可靠、借助气压或油压实施工作，能够很好的保护推力瓦油膜，另外还可以顶转子，发挥出了双重功能的特性。这一制动形式的不足之处在于其在工作过程中自身硬件会出现严重磨损，磨损产生的粉尘能够在循环风的推力下进入机组的定子铁心，长此以往会影响发动机的冷却效果，定子运转时大幅升温，另外磨损粉尘会附着在定子绕组上，降低机组的绝缘功能。另外还会因为高温而导致制动环出现变形和龟裂。

鉴于机械制动方式的上述缺陷，现在国内正推广电气制动技术。水轮机电气制动方式的优点在于：1.制动停机所需要的时间短。在水叶关闭机组转速下降至额定转速的80%时电气制动工作就能展开，而机械制动需要机组转速在额定转速的30%时才能开始。2.无硬件磨损不污染环境。电气制动不需要制动环和制动闸，避免了产生此方面的磨损粉尘。3.制动力矩较大。在励磁电流不变的情况下，制动电流也会稳定不变，保证了较大的制动力矩。4.设备检修维护操作方便和制动投入转速不受限制等。

二、电气制动系统的工作原理

电气制动系统的工作原理如下：到发电机组停机时，水轮机导叶随之关闭，发电机的转子在经过一段时间完成灭磁，此时机端只存由发电机剩磁决定的残压，机组转子上有四种转柜：水轮机转轮的水阻力矩、发电机空气摩擦阻力矩、机械摩擦阻力矩、惯性转矩，前三种和原速度的方向相背，最后一种是受机组转动的惯量而决定的，和原有速度的方向一致。在电气制动装置顺利捕捉到电气制动可以通过的条件时，短路开关会把发电机出口进行三相短路，继而再次施加励磁。此时产生电枢反应，其直轴分量并不反映有功转矩，只是表现为去磁或者加磁场，其交流分量则会表现为一个有功转矩，并且转矩方向与原方向相反，具体量值为：

Tet=I2F×Xd2RS/（R2+S2X2d）

其中Tet代表电气制动转矩，Xd代表发电机同步电抗，IF代表发电机电气制动短路电流，R代表发电机定子绕组电阻，S代表转速比。

当发电机进行电气制动工作时，因为增加在转子绕组上的是恒定的励磁电流，所以在转子绕组自身的转速持续降低的情况下，发电机对直轴同步上网电抗、电势也是依据比例不断减少的，这使得发电机定子绕组的制动电流幅值一直保持着恒定的数值，其中的频率也相应的大幅下降。

现代电气制动系统有人性化的操作与调试界面，其主要组成部分是：定子短路真空开关柜、制动电源变压器、电气制动控制柜。此种制动系统独立于发电机励磁系统之外，以PLC为控制核心，有单独的三相桥式整流电路，系统的基本操作是由程序自动完成。

三、PLC电气制动系统参数设置

电气制动系统的主要设置参数参考如下：

（一）整流电路形式选择三相全波整流，快熔参数参考RS84-450MS00V，二极管参数参考P500A/600V。电源变压器在选择时应该满足发电机空载励磁电压要求、转速降至60%-80%时定子三相短路励磁电流的运行要求等，变压器的参数可以选择为抗电压8.5%、额定容量100kVA、额定一次电压400V二次电压72、额定一次电流144.3A二次电流1050A。

（二）电气制动的电流选择。电气制动电流的平方与制动力矩成正比，制动电流大小影响制动效果好坏，但当电流过大时，线圈的温度会升高绝缘效果也受到影响，所以要注意控制好制动效果和电流之间的关系。国外的电气控制电流一般是1.3倍的定子额定电流，按照国内水轮发电机技术方面的规定，水轮机应该可以承受短时的1.5倍额定电流过电，并在2分钟内不被损坏。国内通常采用制动电流为1～1.2倍定子额定电流，假若机组停机时间不是很长转动惯量不是很大的情况下，最好应该是选用额定电流。

由电机同步理论可以看出通过转子线圈的励磁电流在电气制动过程中是相对恒定的，因此可以把基波每级磁通量Φ看作是恒定的。发电机的直轴同步电抗比定子线圈的等值电阻大100倍多，也可以把定子线圈中的恒定电流看作恒定不变。

四、电气制动系统流程设计

（一）启动条件。机组监控系统为PLC电气制动系统提供启动信号，启动条件主要有：机组机端电压不高于10% Ue、转速不高于80% Ne、机组无电气事故、油开关已跳开、导水叶全关以及有停机令。在机组转速是80% Ne时开始激活PLC控制单元，当转速降低到60%Ne时PLC进入运行状态。电气制动系统和机组现地控制单元以及其他元件的交换输出输入信号，所有的信号被以空节点的形式输送到接线端子排上。

（二）制动系统软件工作流程。1.PLC在监控系统发出机组停机令之前都是处在不运行状态的。只有接到指令才开始按照预定程序进行工作。2.机组转速小于80%n的信号量被PLC接收到时，PLC会判断机组导水叶是否全关、机组是否电气故障、出口开关是否断开，然后开出差动、负序保护闭锁继电器。3.当机组转速小于60%n的信号量被PLC接收到时，PLC同时判断残压是否低于10%，若低于则会控制电机出口短路道闸闭合，然后闭合直流开关，与此同时短路制动电流在定子绕组中产生，直流电流电压存在于转子绕组上，转子受翻转力矩的影响转速慢慢下降到零。4.机组转速继续下降到5%n至35%n，依据设定的时间需要发出分开交流开关的脉冲，然后等直流开关断开，再发出脉冲分开短路刀闸，最后解除差动保护的闭锁，PLC回到初始状态，制动过程完成。

需要注意的是电气制动过程中可能会因为设备的原因而不能正常实现制动程序，此种情况下系统会发送制动失败信号，改为用机械制动代替。

五、结语

综上所述，PLC电气制动装置应用到水轮机的制动过程中是安全可靠的，它能够在切实有效的保证制动工作的完成，并且不存在机械制动对设备带来的磨损，水轮机停机过程所用到时间也大大缩短。即使对频繁调频或调峰机组来说电气制动也比机械制动要实用的多。因此应该大力推广电气制动系统在水轮机组的应用，并在实践应用中不断改进。

参考文献：

[1]余绍春.基于PLC的中小型水电站监控系统设计分析[J].科技创新导报，201l（18）

[2]方大通.浅析电动机电气制动方法及其应用[J].机电信息，2011（33）

[3]陈建善，电气制动系统在水轮发电机组中的应用[J].水电厂自动化，2009（4）