试析PLC控制的水轮机电气制动系统设计

汪存盛 马啸

摘要：由于国民经济的快速发展，环境问题逐渐加剧，各个行业的能源需求逐渐增加，新能源的供应和使用已成为未来发展的主要趋势。尤其是清洁能源发电公司对水力发电这一方式正在逐步增加发电和应用，其中水力发电必不可少的水轮机机组，水轮机的电气制动系统安全、稳定，并将在止推垫的油膜中发挥作用。能够可以延长电动制动系统寿命的出色保护功能对水力发电机组的运行具有重要意义。

关键字：PLC;水轮机;电动制动系统

水力发电是我国现阶段重要的发电形式之一，在经济发展和建设中发挥了重要作用，通过水轮机的应用可以快速补充电力，缓解用电高峰时的用电不足。然而，由于使用水力涡轮机，特别是惯性，存在许多问题，其中在停止过程中装置的操作时间相对较短，并且推力轴易于损坏。

1、电气制動概述

水轮发电机组的传统制动方式一般采用机械制动，其优点是：运行可靠，使用方便，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瓦的油膜有保护作用;既用来制动机组，又需要用来顶转子，故具有双重功能，因为它可用来制动设备并遮盖转子。但是，这种制动方法具有以下缺点：制动器上的制动衬块很快磨损，并且在制动过程中产生的灰尘通过循环风流入转子磁轭和定子铁芯的通风管道。多年来的积累减少了通风管道的通过。风的截面积会影响发电机的冷却效果，从而增加定子的温升。当灰尘和油雾的结合会飞走，污染定子绕组，阻碍散热，降低绝缘水平，并增加维护工作量。

机械制动存在以下几个缺点，并且电动制动停止技术可以减少上述问题，因此被广泛使用。本发明具有制动力矩大，停机时间短，无环境污染，无制动输入限速，设备维修保养方便的优点。使用电制动器的局限在于氢发生器的接线复杂。另外，如果设备内部发生电气故障，则不能使用电制动器。闸门泄漏很严重，由于导叶的缺陷，空转时转子可长时间保持超过额定速度的30%，并且不能降低速度，因此必须将机械制动方法作为辅助手段或最后手段得以保留。

2、电气制动系统

2.1、原理

将水轮发电机组从系统中卸下后，导水装置关闭，发电机磁化。在转轮防水转矩，转子风阻力以及转矩和轴承摩擦转矩的共同作用下，装置的速度迅速下降。以恒定值（通常为额定速度的50%至60%）使发电机定子绕组出口处的制动短路开关FDK短路，然后将恒定的旋转电流流回设备转子绕组。强短路电流（通常将此电流控制在额定电流附近）。根据同步发电机的电枢反作用原理，电枢反作用的直轴分量仅通过磁化或退磁来实现，并且不反映有效转矩，而电枢反作用的正交分量以有效转矩来实现。与原始速度方向相反，其量值式为：Tet为电气制动转矩;IF为发电机电气制动短路电流;Xd为发电机同步电抗;R为发电机定子绕组电阻;S为转速比。在电气制动过程中，由于给转子绕组加的是恒定励磁电流，所以随着转速的降低，发电机的感应电势和直轴同步电抗按比例减小，这样将使发电机定子绕组上的制动电流幅值来保持恒定，从而频率逐渐减小。

3、电气制动系统的主要构成

3.1基于PLC控制电气制动系统的主要构成

通过基于PLC控制的涡轮机电制动系统的设计，可以结合三相短路方法实现电制动。作为一套的独立的电动制动系统，它应包括一个制动电源输入和输出开关，一个定子短路开关，电变压器箱，PLC和其他外部控制电路。由于该方案能够保证电气制动装备处于完全独立的运行状态，所以无需更改现有的励磁设备，并且在设计时由于主回路采取的是可控硅元件电制动电流也会有电气制动控制进行制动，能够保证电流化整为零，即使在野外实验中也非常有效和安全，通过调节PLC可以调节制动扭矩，从而使电制动器发挥最大作用并最大程度地减少停机时间。

3.2基于PLC控制电气制动系统操作逻辑

在电子短路电流和制动投入转速之中，通过水轮机组与系统进行检验，并分三个阶段将定子外部电路短路，以与转子绕组的输入定量地形成恒定电流，因此感应电流出现在定子中。电流会在定子绕组中产生制动转矩，从而使水轮机装置减速并迅速停止。在设计电动制动过程的过程中，首先轮对可以使用PLC进行电动制动，并且操作模式的设计包括机械制动，电动制动和电动机耦合制动三种类型，可以结合实际情况使用。根据情况选择不同的制动配置。电制动器停机操作的主要逻辑顺序是涡轮的分离，系统电制动器短路开关SDK初始化闭合的直流开关ZLK闭合的交流开关齿轮断开的断开FDK系统。电启动的初始判断条件是，当系统收到停机命令并且设备和系统中没有电气故障时，涡轮中的水流体为零。当停机指令接收时，只有满足全部的条件才可以能够执行下一步，否则系统就会根据没有达到要求的条件发出信号，直到所有的条件全部都满足，可以控制元件能够在不运行的过程中，只需要收到相应的指令才启动，并且将相应程序注入到系统中。

当使用电动自动控制PLC作为涡轮机最重要的监视系统时，为了满足启动要求，必须在速度达到80%时激活PLC，并且当速度降至60%时必须执行可编程控制逻辑。在运行控制的影响下，只有在停机命令期间设备的机油开关跳闸，设备无电气故障，水龙头流体开关闭合且涡轮机速度低于80%时才有可能。通常情况下，PLC将无法运行。水轮机设备监控系统发出关闭命令后，可以提前启动PLC并按照预先设计的操作程序进行操作。如果在水轮机单元之后PLC收到的速度指令小于80%，则可以直接判断水轮机单元开关隔离水性液体和其他相关信息，然后立即打开差动保护。FDK的切换脉冲时间通常约为2秒，如果速度小于60%时通过利用PLC判断残压已经小于10%时，则FDK电源的发动机短路刀闸回关闭，所以直流开关也会随之关闭，在1.5秒之后交流开关也会关闭。

3.3基于PLC控制电气制动系统主要故障

与其他两种方法相比，电气制动具有更多的优点，可以确保水轮机装置的稳定运行，并且如果电制动器装置发生故障或电制动器泄漏，则更可能发生停机错误。满足条件时，PLC根据预设命令控制逻辑操作使开关闭合，直到完成电制动为止;满足启动条件时，PLC也自动执行，在实际运行过程中会发生错误。否则PLC还会生成错误并自动切换到机械制动，如果在收到停止命令后不满足停止条件，它将一直处于等待状态，直到满足条件为止。发生电制动器错误时，制动器会自动切换为机械制动器。例如快熔丝熔断引起的是PLC故障或者制动失败，以及在运行过程中开关无法正常闭合，转子和定子电流也不能达到额定值，在预定时间内由于制动时间过长等等都会引起电气制动故障。

结束语

根据当前电气自动化的发展，PLC（可编程控制）仍然是水处理系统实现自动控制的主流控制器产品。目前，有许多基于PLC的电气自动化控制方案，在讨论之后，我想与业内人士讨论如何改进PLC电气自动化控制水处理系统。水轮机组电气制动系统制动转矩大，停机时间短，环境污染小，应用效果好，电制动控制装置采用PLC技术可以减少装置的维护工作，提高自动化水平，提高水轮机运行的安全性和稳定性，确保水轮机的运行效果。

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