1、蘇州工業園區職業技術學院畢業項目2016屆項目類別：項目名稱：專業名稱：姓名 ：學號 ：班級：指導教師：畢業設計水輪機制動系統的設計機電一體化技術13年5月18 日2016 年 5月 19日蘇州工業園區職業技術學院畢業項目任務書（個人表）系部：機電工程系畢業項目類別：畢業設計畢業項目名稱： 水輪機制動系統的設計校內指導教師：職稱：高級工程師類別：專職學生：專業：機電一體化技術班級：畢業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容以及專業知識，設計一份水輪機制動系統。目標：按照學院畢業項目的要求，完成一篇不少于5000 字的項目報告，包括：1.完成電氣原理圖的設計2.完成 PLC編

2、程3. 完成氣動控制設計4.提交一份項目報告畢業項目的主要內容1項目選題依據及說明2水輪機制動系統介紹3系統的設計圖及要求4相關說明1/243、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 吳衛榮，傳感器與 PLC技術，中國輕工業出版社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，國際工業出版社5 殷建國，工廠電氣控制技術，經濟管理出版社4、進度安排畢業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完成氣動控

3、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。1/24誠信聲明本人鄭重聲明：所呈交的結業項目報告/ 論文水輪機制動系統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1/24摘要為了緊縮水輪機發電機停止運行時刻，預防推力瓦毀壞，在停止的時間中必需在較低轉動速度區對運行的水輪機組進行持續剎車。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。本文規劃了一套基于PLC控制的水輪機電氣制動系統，根據該系統的開關邏輯，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制動功能。關鍵詞： 電氣制動，水輪機，PLC2/24目錄1、緒論11.1 、選題的依據及說明11.2 、國內外研究狀況以及發展32、水輪機電氣制動系統原理42.1 、電氣制動理論的提出42.2 、電

5、氣制動的基本理論依據42.3 、電器制動力矩的控制理論53、水輪機制動系統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10、PLC輸入 / 輸出控制電路設計103.4 、軟件設計12、I/O 信號地址分配 .12、電氣制動運行控制流程13、PLC梯形圖程序 .13總結14參考文獻15致謝16附錄171/241、緒論在隨著科學技術的發展，提高生產過程的自動化水平，需要控制越來越先進手段的現在。為了滿足現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

6、成為現代生產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技術聯合應用的設計，解決生產中的實際問題。對于發電廠水輪發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視的問題，我們要做的就是將制動系統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 、選題的依據及說明水輪機需引用制動系統， 原因是水輪發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較多，為保證機組的運行安全，停機對機組來說體現得意義重大。在電網運轉中，調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

7、機時。即使是水輪機導水部分一經關上，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，系統相對穩定，它的這些優點，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， 水輪發電機制動器（俗稱風閘） 與制動環的磨擦會產生高能和應力，一不小心就會形成制動環變形。2)制動時， 風閘和制動環的磨擦生成出巨

8、量金屬顆粒物，隨油污吸附在電機繞組端，長時間的積累，會對發電機組的冷卻成效產生反作用， 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。1/24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電機的制動原理。當機組停機后， 渦輪導向葉片已經接近于零，發電機后的磁死后，發電機母線只有少量的殘余電壓。在這種情況下，發電機出口母線短路，勵磁電流和磁場再加直流。根據同步發電機的基本原理，可以知道由交流電樞磁場產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，從而產生了對轉子的慣性轉動產生阻礙作用，因

9、此對轉子的慣性轉矩起到了剎車功效。電磁制動的特點：1)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才有20%左右，傳統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) 假如勵磁電流穩定， 則制動電流就已久保持不變， 制動力臂大， 可以實現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

10、以展開水輪機的電氣制動的探索有著龐大的意旨和價值。2/241.2 、國內外研究狀況以及發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展，制動問題困擾著各大電廠。最首要的是微型發電廠，因為占地面積小，污染嚴重。每次出現故障，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

11、自帶缺點很難克服，人們就將視野轉移到電氣剎車這方面。3/242、水輪機電氣制動系統原理2.1 、電氣制動理論的提出水輪機電氣剎車的推開，大規模提升了發電機組的運轉方式，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濟利益。2.2 、電氣制動的基本理論依據電氣制動是同步電動機應用的原理，當水輪機分離了系統，讓電流通過發電機的轉子，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M EPE（2-1 ）式中：ME電氣制動的制動力矩PE

12、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解列后，怎樣能穩定可靠的使機組發出電氣制動力臂。在此基礎上， 多種電動制動的優勢和劣勢也反映了制動轉矩隨轉速變化性質的改變，和實現電制動的可行性。當前情況， 電氣剎車的實物使用是根據發電機定子繞組三相短路，同時穿過穩定的電流量來輸出制動力臂來完成。發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。發電機還有相當的的慣性轉速，在這時就將輸出一個和轉4/24速方向不同的勵磁力臂，在這時的旋轉的定子

13、由于短路會輸出感應短路電流。調解勵磁直流電流， 能讓定子短路電流保持在一個穩定值。就在這時， 定子繞組中直接會產出損耗制動力臂，它的轉矩和機組的慣性力矩是相反的，因此實現了水輪機的電氣制動。發電機出口端直接三相短路法電氣制動的制動力矩，聯合（ 2-1 ）同步電機理論可表達為：M E = 180IK 2R2 N（2-2）式中：R定子回路中的有效電阻N轉子的轉速I K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境下，定子中的短路電流是I K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公式（ 2-2 ），按照相同的速度，制動力矩和制動電流Ik

14、 的平方是一個正比關系，另外， 制動電流幾乎不變，因此它不調節制動電流。在制動時間中，制動力矩依據轉速的增加而降低。 然而，當制動力矩增加到大于主軸系統的設計時，在設計中，將對主軸系統產生摧毀性的變化。 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傳遞的額定力矩ME之間。水輪機組的主軸系統在設計上傳遞的極限力矩TT=K*ME（2-3 ）K安全系統，在水輪發電機的主軸系統在設計上通常取2.5由同步電機理論可得，水輪發電機組的主軸傳遞的力矩可按以下公式：5/24MPM2 N/60（2-4 ）PMP2P（2-5 ）式中：M機組主軸傳遞的扭力矩P2電負載功

15、率WPM發電機電磁功率WP 電子繞組的銅損耗功率W一般環境下， 水輪發電機組在額定轉速及發出額定功率的情況下主軸系統傳遞的扭力矩被稱為額定扭力矩ME由同步電機的的理論可得ME式中：3UICOS( )2 N/60U發電機的額定電壓VI 發電機的額定電流ACOS() 發電機的功率因數在電氣制動行程中，電氣制動投放初的開始階段，制動力矩小于額定力矩，可不用調節勵磁電流來改變制動電流。當機組繼續下降時，為了阻止制動力矩因機組轉速下降而大于額定功率，必須調節勵磁電流來改變制動電流。6/243、水輪機制動系統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

16、的傳感器組件不定時地對機械運行的制動過程進行監控， 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， 不然的話出現嚴重的操作事故的可能大。 初期的電氣制動產品大都是通過 普通電磁制動器來實現它的制動操作，如圖所示：圖 3.1系統硬件簡圖在那時， 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，該系統用到的元器件包括; 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

17、動配置是一個獨立的整體，沒有必要修改已經存在的勵磁配置。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7/24流為零。現場試驗比較方便，可通過調整可編程控制器，自動調整制動力矩，使電氣制動發揮最大作用，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節。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出來的，同時慢慢形成以微處理器為核心，集中了

18、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環境下使用而構思的一種面向產出過程的一種新型工業裝置。它是一款面向生產過程控制的數字電子配置，含有了抗干擾能力強，構造精妙，相對可靠，在工業控制中大大試用。可以通過 PLC 為核心元件控制電氣制動過程的兩條線路。如圖所示：勵磁電流D/A模塊移相觸發器PLCA/D制動電流模塊機組轉速QFIFMKZLK水導機械制動圖 3.2 水輪機電氣制動的PLC控制系統制動力矩控制線是：單元速度、 制動電流等模擬信號通過模數轉換成數字信號輸入到可編程控制器， 操作后的相應的數值輸入到模數。通過移相觸發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，

19、從而閉環控制回路。8/243.2 、PLC的選型根據水輪機制動系統的功能及控制要求，共需12 點輸入， 14 點輸出。根據設備控制系統所需輸入的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，也根據產品制造商的特點，可編程控制器，決定輸入和輸出點。存儲器內存容量的估算通常是按數字量I/O 點數的 10 15 倍，加上模擬 I/O 點數的 100倍，以此數為內存的總字數（16 位為一個字），另外再按此數的25%考慮余量。因此，本設備的PLC控制系統改造，最終選擇了“三菱FX2N-32MR-001” PLC，其電源電壓 AC220V, 16 點輸入， 16 點輸

20、出。9/243.3 、硬件設計、PLC輸入 / 輸出控制電路設計圖內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 DC24V 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。10/2411/24圖輸入 / 輸出控制電路3.4 、軟件設計、I/O 信號地址分配接口信號輸入輸出接口信號端口端口發電機出口開關 QF1狀態X0YO水輪機導水葉關閉原勵磁系統

21、 FMK狀態X1Y1降低勵磁電流短路開關 FDK狀態X2Y2發電機出口開關QF1斷開直流開關 ZLK狀態X3Y3發電機出口開關QF1閉合交流開關 JLK 狀態X4Y4原勵磁系統 FMK斷開發電機轉速 60%X5Y5原勵磁系統 FMK閉合發電機轉速 30%X6Y6短路開關 FDK斷開發電機轉速 =0X7Y7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閉合發電機剩磁電壓 10%UX10Y10交流開關 JLK 斷開機械制動開關狀態X11Y11交流開關 JLK 閉合Y12投機械制動斷開Y13投機械制動閉合表地址表設定全程最長時限為T1，這時

22、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10MIN1.5MIN10S10S12/24表程序中的時間參數、電氣制動運行控制流程圖控制流程圖、PLC梯形圖程序見附錄13/24總結這次的畢業設計，從上學期末開始策劃籌備，收集相關專業資料，請教指導老師和其他專業老師， 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，提升了專業技能，還豐富了我的課余生活，陶冶了情操，讓我的大學生活更加有目的性，有意義了。