基于PLC控制的水轮机组电气制动系统经验分析

基于PLC控制的水轮机组电气制动系统经验分析

吴金女

（国网浙江省紧水滩水力发电厂323000）

摘要：水轮机组是水电站的主要动力设备，主要用于水能与机械能的转换。传统模式中，水轮机组采用机械制动控制，在制动过程中会产生粉尘，随着时间的积累，就会对水轮机组的正常运行造成不良的影响。目前，电气制动系统的应用越发普遍，与机械制动相比，其具有停机快速、制动力矩大以及环境污染小等特点。但容易受电力系统故障影响，导致制动控制失效等问题。笔者从电气制动基本原理和系统组成入手，就其制动流程进行了分析，以供相关单位参考。

关键词：PLC控制；水轮机组；电气制动系统；应用经验

随着我国水电事业不断发展，电气制动系统逐渐替代传统的机械制动系统，应用于水电站的水轮机组控制。与传统机械制动相比，电气制动系统在停机时间、制动力矩、环境保护等方面具有明显优势。但从实际应用的角度分析，电气制动系统受水轮发电机组的局限较大，如机组出现电气故障，就可能导致电气制动失灵等问题。因此，从电气制动系统基本工作原理及组成入手，探讨其制动流程实现过程，减少系统故障、提高机组自动化水平，具有重要的现实意义。

一、机械制动与电气制动简述

机械制动是传统的水轮发电机组的制动模式，其主要优点有应用简便、运行可开、能源消耗少、通用性强，以及保护推力瓦油膜等。由于其主要依靠制动块完成制动，制动块磨损较快，且随着时间的推移，磨损产生的粉尘不断堆积，散落至机组各处，就会影响机组正常运行和散热，增加机组检修的实际工作量，甚至引发龟裂等问题损坏设备。

随着科学技术不断发展，目前多数水电站应用电气制动系统代替机械制动系统进行水轮机组控制，有效提高了水轮机组控制的自动化程度，缩短了了停机时间、降低了环境污染。但就电气制动系统实际应用而言，受电气线路复杂性等多方面因素影响，电气故障风险较高，且发生电气故障时，制动功能也会严重受损，故而需保留机械制动功能作最后手段。

二、电气控制系统基本工作原理及组成分析

（一）基本工作原理分析

电气控制系统基本原理如下：一，确认系统与水轮发电机组解列后，关闭导水机构，控制发电机灭磁，在转子风阻力矩、轴承摩擦力矩以及转轮水阻力矩的相互作用下，快速降低机组转速，当其降低至额定转速50.0%~60.0%时，短接发电机定子绕组对应的制动短路开关，同时施加恒定励磁电流给机组转子绕组，促使定子线圈内产生约等于额定值的短路电流。根据同步发电机相关电枢反应原理可得，电枢反应相关直轴分量仅会表现为去磁或加磁，对于有功转矩而言不予反应，而电枢反应对应的交轴分量则会表现为一个与原有速度方向相反方向的有功转矩，其量值计算公式如下：

Tet=I2F×Xd2RS/（R2+S2X2d）

上述公式中，Tet表示电气制动转矩；IF表示电气制动短路电流；Xd表示发电机组同步电抗；R表示定子绕组电阻；S表示转速比。

电气制动工作过程中，由于转子绕组上施加的励磁电流是恒定的，因此当设备转速逐渐下降后，其直轴同步电抗和感应电势也会随之减小，维持定子绕组对应的制动电力幅值相应恒定，最终控制频率逐渐减小。

（二）系统基本促成分析

电气制动系统通常由电气制动控制柜、定子短路真空开关柜以及制动电源变压器组成，具体结构如下图所示。图一所示的电气制动系统选用PLC控制核心，与现有的发电机励磁系统相独立，同时外部设置有独立的三相桥式整流电路。

（三）系统设备及相关参数分析

1、定子短路电流及制动投入转速确定分析

系统与机组完成解列后，短路定子外电路，同时输入恒定滞留电流于转子绕组，使其产生感应电流。在感应电流作用影响下，定子绕组内产生制动力矩，控制机组转速降低直至停机。在这一过程中，定子短路电流数值相对恒定，即机组转速下降并不会对短路电流形成影响。由同步电机理论可得，由于电气制动通过转子线圈的励磁电流相对固定，因此基波每级磁通量也可以视为是恒定的。

根据相关理论分析可得，随着机组转速持续下降，电制动力矩会随之增大。因此，对于低转速停机而言，电气制动特性具有更加独特的效果。电磁转矩与定子短路电流平方和机组转速间的关系，分别满足正比例和反比例关系，因此控制定子短路适当增大，可达到减少停机时间的目的。

2、电源变压器参数确定分析

电源变压器首先应满足50.0~80.0%电机转速条件下，定子三相短路励磁电流运行的实际要求；其次，需满足空载状态下发电机的励磁电压要求；最后，需满足2~6min的电制动运行需求。

三、电气制动流程分析

（一）电气制动方式选择分析

水轮机组的电气制动方式主要分为电气制动、机电混合制动以及机械制动三种形式。实际应用过程中，水电站可依据自身控制需求进行选择，通常情况下，使用电气制动联合机械制动的停机控制模式，即机组正常运行状态下，优先使用电气制动进行停机控制，如电气制动系统出现故障，或存在其他制动问题，则视为电制动失效，启动机械制动。

（二）电气制动启动条件分析

控制电制动系统运行的PLC信号，由机组对应的监控系统提供。启动条件主要需注意两点内容，其一，当机组转速下降至80.0%时，PLC单元应处于激活状态；其二，机组转速下降至60%时，PLC控制单元投入运行。

电气制动启动条件，主要分为以下几点：一，有停机指令；二，机组油开关处于跳开状态；三，机组显示无电气事故；四，导水叶处于全关状态；五，机组转速低于80.0%；六，机组机端电压低于额定值的10%。

（三）电气制动软件动作分析

电气制动过程中，软件动作过程如下所示：一，系统PLC控制单元在机组正常运行状态下脱离运行状态，待接受监控系统制动指令后，才投入运行，并依据设置完成的梯形图运行程序；PLC控制单元接受到转速下降至一定数值的信号后，且检测机组出口关闭状态、导水叶状态以及机组电气事故状态无误后，即开除差动保护、负序对应的闭锁继电器，同时跳灭磁开关；三，当PLC接收到转速下降至60%信号，且残压判断低于10.0%时，合上发动机出口对应的短路刀闸，随后合上直流开关。此时会在转子绕组内产生相应的直流电流和电压，并在定子绕组内相应产生制动电流，在反转力矩作用影响下，转子转速逐渐降低直至机组停机；四，机组制动停机操作完成后，PLC恢复初始状态，PLC控制单元脱离运行；五，在电气制动过程中，可能由于其他因素影响，导致制动流程无法正常完成的状态，此时系统发出制动失败信号，并切到机械制动模式进行停机操作。

结语：

综上所述，水轮机组作为水电站主要的动力设备，保持其有效的制动停机控制，具有重要的现实意义。本文从电气制动系统基本运行原理及组成入手，就其电气制动流程进行了分析，希望提高相关单位对于电气制动系统的了解，加强电气制动系统的实际应用，以促进我国水电事业的进一步发展。

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