可編程控制器在電氣盤車中的應(yīng)用

1.引言

立式水輪發(fā)電機(jī)組大修后，要對其軸線進(jìn)行測量與調(diào)整。機(jī)組軸線調(diào)整質(zhì)量的好壞，將會直接影響到整個發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。通常是在發(fā)電機(jī)組的上導(dǎo)、下導(dǎo)、法蘭和水導(dǎo)四個地方，各按X、Y方向安裝兩只千分表，用電氣或機(jī)械盤車的辦法，使發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子緩慢轉(zhuǎn)動，然后在各等分測量點(diǎn)處停止，用千分表測量其位移值，并對測量值進(jìn)行計(jì)算，以此分析軸線產(chǎn)生的擺度大小和方向。通過刮削有關(guān)組合面或在有關(guān)組合面加墊的辦法，使鏡板摩擦面與軸線、法蘭組合面與軸線的不垂直獲得糾正。

目前使用的可控硅電氣盤車裝置，其觸發(fā)、換相、控制電路均由模擬電路和繼電器組成，控制線路復(fù)雜，輸出電流波動大，可靠性低。特別是換相時間整定麻煩，控制轉(zhuǎn)向不準(zhǔn)確。本文提出一種用可編程控制器實(shí)現(xiàn)的電氣盤車裝置，其具有控制線路簡單、電流穩(wěn)定、控制點(diǎn)準(zhǔn)確、可靠性高的特點(diǎn)。

2.電氣盤車裝置的組成及原理

可編程控制器電氣盤車裝置主要由整流變壓器、三相橋式或半波可控硅整流器、定子/轉(zhuǎn)子調(diào)節(jié)器等部分組成，原理圖如圖1所示。

圖1 可編程控制器電氣盤車裝置原理圖

圖2 定子控制系統(tǒng)框圖

在三相同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組和定子任意一相繞組同時通入直流電流，則定、轉(zhuǎn)子之間會產(chǎn)生相互作用力。由于電磁力具有同性相排斥、異性相互吸引的作用，而使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)至與定子A相軸線一致時，轉(zhuǎn)子停止不動。若此時切斷A相直流電流，再通入B相直流電流，這時在定子空間將產(chǎn)生一個合成磁場，它將吸引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動120°(電角度)達(dá)到新的平衡，可見如果按A、B、C、A順序不斷切換，轉(zhuǎn)子就會沿A、B、C相序方向旋轉(zhuǎn)，周而復(fù)始。只要電流大小合適，且相序切換正確，就可以使轉(zhuǎn)子穩(wěn)妥而連續(xù)的轉(zhuǎn)動或停在任一平衡位置上。

三組完全相同的三相半波可控硅整流電路分別為定子A、B、C三相繞組提供所需直流電流。轉(zhuǎn)子繞組勵磁電流則由一組三相橋式可控整流提供。采用三相橋式整流雖然比半波電路多用了三個可控硅，但提高了整流變壓器的利用率，減小了變壓器的容量，從而減輕了整個裝置的重量。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，三相半波電路工作在整流狀態(tài)，調(diào)整控制角可使整流器輸出盤車所需的電流；當(dāng)停止時，由于定子繞組的電感量很大，會產(chǎn)生較大感應(yīng)電勢。如果此電勢加到發(fā)電機(jī)線圈和可控硅上，將會損壞這些器件。為此設(shè)計(jì)滅磁程序，將控制角α增大到150°，使三相半波電路工作在逆變狀態(tài)，這時線圈所儲存的磁場能量逆變反饋回電網(wǎng)，消除了感應(yīng)電勢的危害。

定子調(diào)節(jié)器由可編程序控制器MicroLogix1200 1762-L24BWA、輸入輸出混合模擬模塊1762-IF2OF2、直流信號變換器、運(yùn)算綜合組件、三相移相組件、脈沖放大組件、穩(wěn)壓電源組件、以及同步變壓器等組成，如圖2所示。MicroLogix1200 1762-L24BWA可編程序控制器是美國A-B公司的一種功能強(qiáng)大的小型控制器，它集成了處理器、電源、嵌入式輸入輸出點(diǎn)，具有14點(diǎn)24VDC輸入，10點(diǎn)繼電器輸出，存儲器模塊可用于用戶的上載、下載和傳送。實(shí)時時鐘RTC可用于定時控制等。操作系統(tǒng)可閃速升級，無需更換硬件。輸入輸出混合模擬模塊1762-IF2OF2為兩路模擬量輸入、兩路模擬量輸出。

圖3 轉(zhuǎn)子調(diào)節(jié)器程序框圖

整流變壓器副邊經(jīng)三套三相可控硅整流，由分流器分別檢測出輸入到定子A、B、C三相定子繞組的電流信號，然后由直流信號變換器變換為電壓信號，之后輸入到可編程序控制器模入模出模塊1762-IF2OF2的模擬量輸入端、運(yùn)算綜合組件內(nèi)，并與來自1762-IF2OF2的模擬量輸出給定信號一起進(jìn)行比較，其差值經(jīng)運(yùn)算綜合組件運(yùn)算放大而獲得一校正信號，此信號再與1762-IF2OF2的限制信號綜合為控制信號，控制三相移相組件的脈沖移相角α，并經(jīng)脈沖放大組件進(jìn)行功率放大，分別觸發(fā)A、B、C三套三相半波整流電路的可控硅。

由于三套可控硅整流器工作原理是一樣的，所以只以供給A相定子繞組的一套可控硅整流器為例進(jìn)行說明，比如供電電源電壓由于某種原因升高了，此時輸出給A相繞組的勵磁電流增大，由直流信號變換器變換為電壓信號也增大，此信號與可編程序控制器的給定信號比較，獲得一增大的差值信號，經(jīng)PID運(yùn)算放大和綜合放大后而獲得一減小的控制信號，三相移相組件在此減小的控制信號作用下，移相角α加大，導(dǎo)通角減少。從而使可控硅的輸出電壓減小，輸送給A相定子勵磁電流減小，此一過程一直到發(fā)電機(jī)A相定子勵磁電流恢復(fù)到原來值為止。所以，可編程電氣盤車定子調(diào)節(jié)器也是一個維持發(fā)電機(jī)定子勵磁電流不變(嚴(yán)格來說是有誤差的)的調(diào)節(jié)回路。轉(zhuǎn)子調(diào)節(jié)器的工作原理與定子調(diào)節(jié)器相類似。

同步問題是三相可控硅整流電路重要的問題。本裝置利用一個過零檢測器在線電壓UAC由負(fù)半周到正半周過零時刻產(chǎn)生同步脈沖，因?yàn)榫€電壓UAC與相電壓UA相差30°，所以同步脈沖的出現(xiàn)時刻正好為A相的自然換相點(diǎn)。而A、B、C相的自然換相點(diǎn)彼此相差120°。同步脈沖送到三相移相組件使其產(chǎn)生的可控硅觸發(fā)脈沖即與主電路的電源同步，圖2是定子控制系統(tǒng)框圖。

3.盤車電流及控制算法

3.1 盤車啟動電流計(jì)算

啟動電流IJ是設(shè)計(jì)整流器的依據(jù)。一般可按轉(zhuǎn)子額定電流的30%～40%估算，為了更準(zhǔn)確些，可按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

式中：

Ik——空載勵磁電流(安)；

Q——盤車時轉(zhuǎn)動部分總重量(噸)；

n——額定轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)/分)；

D——推力軸承平均直徑(米)；

U——發(fā)電機(jī)定子端額定電壓(千伏)；

f——摩擦系數(shù)(鎢金瓦)(取0.07)；

α——盤車時的電氣角(度)。

啟動電流不一定是直接通入定、轉(zhuǎn)子的電流。由于定子與轉(zhuǎn)子額定電流不同，定子可通大一些，轉(zhuǎn)子可小一些，但要符合的關(guān)系。IZ、Id分別為轉(zhuǎn)子電流(安)和定子電流(安)。

3.2 控制算法的選擇

PID(比例-積分-微分)控制算法是過程控制領(lǐng)域中技術(shù)成熟、廣泛使用的控制算法，它是基于經(jīng)典控制理論，并經(jīng)過長期工程實(shí)踐而總結(jié)出的一套行之有效的控制算法。為了確保盤車時電流穩(wěn)定，在定、轉(zhuǎn)子調(diào)節(jié)器均采用PID閉環(huán)控制。

PID控制器可作是比例項(xiàng)(P)、積分項(xiàng)(I)、微分項(xiàng)(D)三項(xiàng)之和構(gòu)成。其輸入e(t)與輸出u(t)的關(guān)系為：

式中，Kp為回路增益；TI為積分項(xiàng)常數(shù)；TD為微分項(xiàng)常數(shù)。

式(1)用于連續(xù)系統(tǒng)的PID控制，由于可編程控制器是數(shù)字化工作模式，在處理函數(shù)時，需將其離散化，用相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算代替積分和微分。如果采樣周期為T，離散形式為：

式中：

Un在第n次采樣時刻PID回路輸出的計(jì)算值；

en第n次采樣時刻PID回路的偏差；

en-1第n-1次采樣時刻PID回路的偏差；

KI=T/TI積分項(xiàng)系數(shù)；

KD=TD/T微分項(xiàng)系數(shù)。

在大電感情況下，三相半波整流電路輸出平均電壓為：

輸出電壓（或電流）與控制角α成非線性關(guān)系，而上式是建立在線性化基礎(chǔ)上的，所以必須用下面的式子予以修正：

經(jīng)過線性化處理后，就可以使用PID控制了。

4.軟件設(shè)計(jì)

電氣盤車的應(yīng)用程序采用Rockwell的RSLogix500編程軟件編程，下面分別對各個模塊進(jìn)行介紹。

4.1 轉(zhuǎn)子調(diào)節(jié)器應(yīng)用程序模塊

轉(zhuǎn)子調(diào)節(jié)器應(yīng)用程序主要完成PID參數(shù)初始化，對鍵盤進(jìn)行掃描；當(dāng)接到電流啟動信號時，PLC對模擬量輸入值進(jìn)行采樣處理，整定后通過模擬量口輸出，驅(qū)動可控硅控制電路，使轉(zhuǎn)子電流以整定的速度升至整定值；當(dāng)接到電流停止信號，PLC將轉(zhuǎn)子電流以整定的速度降為零，并停止風(fēng)機(jī)運(yùn)行；當(dāng)轉(zhuǎn)子盤車裝置出現(xiàn)過載或電源缺相等故障時，PLC跳開總電源開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)子柜的保護(hù)，轉(zhuǎn)子調(diào)節(jié)器程序框圖如圖3所示。

4.2 定子調(diào)節(jié)器應(yīng)用程序模塊

可編程定子調(diào)節(jié)器應(yīng)用程序由控制程序和調(diào)節(jié)程序程序兩部分組成?？刂瞥绦蛑饕瓿煽删幊潭ㄗ颖P車裝置的操作控制。當(dāng)電源開關(guān)合上后，PLC上電初始化，輸出開關(guān)量，啟動風(fēng)機(jī)；掃描鍵盤，如果就地/遠(yuǎn)方選擇開關(guān)選擇遠(yuǎn)方控制，則封鎖就地控制信號。接著下來判斷運(yùn)行或整定方式。如果運(yùn)行/整定選擇開關(guān)置于運(yùn)行位置時，A、B、C三套可控硅整流器按A-B-C順序輪換輸出；如果點(diǎn)動或連續(xù)選擇開關(guān)置于點(diǎn)動位置時，每按動一次點(diǎn)動按鈕，就有一套可控硅整流器輸出，第一次按點(diǎn)動按鈕時，自動默認(rèn)為A相的一套可控硅整流器輸出，以后分別為B、C，再回復(fù)到A，周而復(fù)始；如果選擇開關(guān)置于連續(xù)位置時，A、B、C三套可控硅整流器將連續(xù)輪流輸出。如果總電源開關(guān)斷開，PLC的輸出開關(guān)量，停止風(fēng)機(jī)運(yùn)行，同時關(guān)閉移相觸發(fā)脈沖組件。如果定子盤車裝置出現(xiàn)缺相、脈沖丟失、過載、穩(wěn)壓電源損壞等故障，則PLC輸出信號，跳開總電源開關(guān)。

調(diào)節(jié)程序主要完成輸出電流軟上升和下降控制，輸出電流調(diào)節(jié)和限制，A、B、C三套可控硅整流器輪換切換時間整定，輸出電流最大值整定等。程序框圖省略。

5.結(jié)束語

可控硅電氣盤車裝置經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。與國內(nèi)同類產(chǎn)品比較，它具有以下特點(diǎn)：

(1)能使發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子電流在20-110%額定值范圍內(nèi)進(jìn)行穩(wěn)定、平滑的調(diào)整；

(2)采用可編程序控制器、脈沖移相放大組件作為觸發(fā)控制電路，脈沖移相、定子繞組切換均由程序控制，線路結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、性能可靠；

(3)具有最大輸出電流限制、脈沖丟失和缺相保護(hù)、穩(wěn)壓電源故障保護(hù)；

(4)自動盤車換相時間可任意整定，停點(diǎn)準(zhǔn)確；

(5)盤車裝置退出運(yùn)行時，采用逆變方式滅磁，確保了可控硅及發(fā)電機(jī)繞組的安全；

(6)設(shè)有自動和手動兩種電流調(diào)節(jié)方式。在使用自動調(diào)整方式時，輸出電流可以從零逐步升至整定值，升速可以用編程軟件任意設(shè)定。

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