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WDT调速器电气说明书解析
WDT系列水轮机可编程
调速器说明书
(电气部分)
水利部长江水利委员会科学院
长江控制设备研究所
二○一二年六月
中国·武汉
目录
第一章概述
1.1性能和特点
1.2主要技术参数
1.3结构布置
第二章系统工作原理
2.1自动调节
2.2手动操作
第三章可编程调节器
3.1组成与特点
3.2功能模块简介
3.3对外配线
第四章操作说明
4.1安装
4.2调整
4.3维护
第五章调试大纲
第一章概述
1.1性能特点
比例阀控制可编程调速器是专为水轮发电机组研制的新型电液调速器,它采用了武汉长江控制设备研究所的专利技术:
“水轮机调速器的电液比例随动装置”(专利号:
95238033.1)。
其电气部分采用可编程序控制器(PLC),配以比例集成式电液随动装置及相应的油压装置,构成一个完整的电液调速器,完全满足各式机组对调速器的各项技术要求。
其主要特点为:
(1)电气部分以可靠性极高的可编程序控制器为其硬件的主体,软件采用统一的时变参数控制策略,可适时辨识空载、并网和孤立运行等不同工况,可靠性高,稳定性好,带孤立负荷能力较强。
(2)具有残压测频(根据实际需要,可增加调速器齿盘测量频率),频率跟踪等功能,能快速并网。
(3)能够按转速、水位或给定负荷进行自动调节,具有数字协联及波动控制的功能。
(4)触摸显示屏能显示调速系统的运行状态和主要参数,如机组频率,电网频率,导叶开度,桨叶开度,调节器输出,协联输出和调节器的诸参数,具有多种显示界面,包括调速器的各种状态及故障指示,能显示调速系统的动态过程曲线。
(5)能以PLC专用通讯协议方式方便地实现与上位机的通讯。
(6)用电液比例阀直接控制主配压阀,结构简单,调整方便,可靠性高,耗油量小。
1.2主要技术参数
1.2.1主要技术指标
转速死区ix≤0.02%
静态特性线性度误差ε≤5%
桨叶协联装置不准确度ia≤1.5%
自动空载三分钟转速摆动相对值不超过±0.15%
接力器不动时间Tq≤0.2秒
平均故障间隔时间不少于10000小时
1.2.2电气部分主要技术参数
比例系数KP0.5~20
积分系数KI0.05~10(1/S)
微分系数KD0~5(S)
永态转差系数bp0~10%
频率人工失灵区E0~1.0%
频率给定范围FG50Hz±5Hz
功率给定范围PG0~120%
水位给定范围HG±20%
电源:
AC220V≯200W
DC110V或220V≯50W
1.2.3机械液压部分主要技术参数
主配压阀名义直径80;100;150mm
工作油压2.5MPa;4.0MPa;6.3MPa
压力油罐容积1.6m3;2.5m3;4.0m3;6.0m3
第二章系统工作原理
水轮发电机组有多种运行工况,不同的工况,需要采用不同的控制规律、控制结构和调节参数。
控制规律的形成和系统结构的改变通过软件实现。
现对该系列调速器各工况的系统工作原理简述如下。
2.1自动调节
2.1.1闭环开机
调速器在整个开机过程中,测频信号一直接入,调速系统始终处于闭环调节状态。
在开机时将频率给定值置于50Hz,机频与频给的差值通过PID运算和协联计算后,其输出信号带动电液随动装置,控制导叶和桨叶使机组开机,直至机频达到50Hz,便完成了闭环开机过程。
在机组开机过程和空载运行中,调节器根据工况识别,自动将调节参数设置于空载参数,保证了机组并网前运行的稳定性。
调速器在自动时,给“开机”令,调速器开到开机开限,当机组频率上升到45Hz时,转到空载开限,频率继续上升,调速器转为空载调节模式。
2.1.2空载调节
频率给定
当调速器的频率调节方式开关处于“不跟踪”时,自动空载工况下的调速器受频率给定值控制,调节器对机频与频给的差值进行PID运算和协联计算,其输出信号带动电液随动装置,控制导叶和桨叶,直至机组频率等于给定频率,从而实现了频率调节。
频率给定值可通过触摸显示屏进行整定,也可按上位机或自动准同期装置的指令增、减,每一个增减脉冲频率给定变化0.05Hz。
频率跟踪
当频率调节方式开关置于“跟踪”时,调速器自动将网频作为它的频率给定值。
与频率调节一样,在调节过程中,机组频率将始终趋同于作为给定频率的网频,从而实现了机组频率自动跟踪电网频率的功能。
2.1.3开度调节
机组并网前bp=0。
并网后,频给自动整定为50Hz;bp置整定值,实现有差调节;切除微分作用,并投入人工失灵区。
这时,导叶开度按-1/bp的比例随着频差变化,并入同一电网的机组将按各自的bp值自动调整功率。
当上位机或机旁的增、减给定按钮发出增、减负荷命令时,功率给定软件就相应改变功率给定值,功给信号一方面通过前馈回路直接叠加于积分输出值,一方面与积分输出值相比较,差值通过bp回路调整功率。
由于前馈信号的作用,负荷增减较快。
2.1.4桨叶协联
调速器的桨叶控制采用数字协联,由可编程控制器采集水头与导叶接力器行程,按协联函数关系进行查表计算,计算值经数模转换变为电压信号,带动桨叶电液随动装置,使桨叶转角等于计算值,从而实现桨叶协联。
当导叶开度等于零,或者转速低于52%时,起动转角信号将使桨叶开至起动转角。
2.1.5波动控制
对于需进行波动控制的机组,可将调速器的波动控制功能投入,即将水位控制开关投入。
这样,在机组甩负荷突然升速时,桨叶将不受正常协联关系的控制,转而受控于预先整定的波动控制信号。
此时,桨叶将被控制在一个固定的转角上,机组仅靠导叶的调节将转速控制在额定转速附近。
延时至机组流量减小到约50%额定流量时,桨叶即脱离波动控制,重新恢复协联控制。
2.1.6自动停机
调速器接到停机令时,给定频率将置于零,与闭环开机的过程类似,机频与频给的差值通过PID运算和协联计算后,其输出信号带动电液随动装置,控制导叶和桨叶使机组关机,直至机频为零。
2.2手动操作与紧急停机
调速器的手动操作有两种方式:
一种是电手动,另一种是机械手动。
电手动是通过控制柜上的按钮对电液随动系统进行闭环手动操作,而机械手动是通过手动操作阀进行控制,只在调试工况下或电液比例阀故障时使用。
若要操作手动阀,要将比例阀退出,将隔离阀动作。
2.2.1手动开停机
当机组具备开机条件后,将控制柜上的导叶手自动切换按钮切至手动位置,可通过按钮操作导叶至起动开度,待转速升至80%后,即反向操作按钮,使导叶关至空载开度附近,并根据机组转速细心调整导叶开度,使机组维持额定转速。
如果要手动停机,则反向操作按钮,使导叶全关即可。
2.2.2手动增减负荷
机组并网后,操作按钮使机组带上所要求的负荷,并根据需要进行增减。
2.2.4紧急停机
无论在自动工况还是在手动工况,当机组过速或出现严重故障必须紧急停机时,紧急停机电磁阀均可在紧急停机信号作用下动作,实现紧急停机。
第三章可编程调节器
3.1组成与特点
3.1.1电气控制部分的组成
调速器的电气控制部分,是以PLC的各功能模块为核心硬件,辅以中文触摸显示屏、接口功能板、比例阀控制板及电源等部分,组合而成的高可靠性工业控制装置。
3.1.2PLC的特点
PLC是一种专为工业环境设计的、进行数字运算和操作的电子系统。
它具有下面一些显著特点:
(1)高可靠性
到目前为止,还没有任何一种电子设备达到PLC的可靠水平,例如三菱Q系列PLC的平均无故障时间可达到30万小时。
保证PLC高可靠性的主要措施有:
良好的综合设计;选用优质元器件;采用隔离、滤波、屏蔽等抗干扰技术;采用先进的电源技术;采用实时监控技术和故障诊断技术;采用冗余技术;良好的制造工艺等。
(2)编程容易、便于使用
具有丰富的指令系统和较大的用户存贮容量;采用与实际电路图非常接近的梯形图编程语言和助记符编程表达方式,程序易编易懂,且可在线或离线进行修改;有功能齐全的各种模块可供选择,不需自制很多接口电路,接线、配置都极为方便。
(3)PLC体积小、重量轻,便于安装。
具有故障报警、故障显示功能,便于操作和维修人员检查;可以通过更换模块插件,迅速排除故障。
结构紧凑,与控制对象的硬件连接方式简单,接线少,便于维护。
(4)环境要求低,适合于恶劣的工业现场环境。
3.1.3系统设计特点
采用了智能变结构、变参数的调节模式。
并大网前为PID调节,并大网后为PI调节,根据工况辨识设置不同的调节参数,以确保各种工况下调节的稳定性和速动性。
具有智能式操作和显示,为运行人员提供了方便、准确、直观的人机界面。
调速器内设有开机、停机、发电、调相、增减功率等操作回路,只需给调速器相应的操作指令,调速器便能自动完成上述操作,简化了与水机自动操作回路的联系。
3.1.4主程序框图
调节器软件主程序框图如下:
3.2电气各功能模块简介
本系列调速器选用的PLC采用模块叠装式结构,它通常由电源、CPU、开关量输入、开关量输出、模入、模出、中断输入及高速计数器等模块组成。
本系列调速器选用上述所有模块。
3.2.1PLC电源模块
电源模块通过PLC底板向PLC各模块提供工作电源,其输入电源为开关电源提供的24V电源。
3.2.2CPU模块
CPU模块由微处理器CPU,系统程序存储器EPROM,用户程序存储器E2PROM,用户数据存储器RAM,功能开关和LED指示器,编程器接口与串行通讯接口等组成。
其主要功能是完成系统监控,程序执行与解释以及模块的管理与信息交换。
对外连接只有一个串行通讯接口,用于编程和调速器的人机界面的通讯接口。
CPU工作正常时,LED指示器的“RUN”指示应在正常的常亮位置;在CPU出错时,“EER”灯就会有指示。
“EER”灯亮时,则PLC不能正常工作,此时,应检查PLC各模块是否有故障及PLC的24V电源是否正常,PLC模块是否有接地的现象。
3.2.3开关量输入模块
开关量输入模块主要完成对系统开关量的采集。
调速器的开机,停机,并网,调相,手动,增给定,减给定等开关量均通过该模块接入。
3.2.4开关量输出模块
开关量输出通常由多对接点组成,调速器的电气故障等信号通过该模块发出。
调速器在没有故障时,开关量输出应动作,即故障继电器常带电,在调速器在电气故障时复位,故障继电器失电,同时发出调速器电气故障信号。
根据机组设计实际要求,调速器的电气分段关闭可由开关量输出模块控制。
其控制原理为:
导叶接力器在关机过程中,开度在小于分段拐点时,开关量输出动作,启动投分段关闭的继电器,投分段关闭的继电器动作后,控制直流220V操作回路,动作分段关闭电磁阀;导叶接力器在开机过程中,开度在大于分段拐点时,开关量输出动作,同上,复归分段关闭电磁阀。
为了保证分段关闭拐点可调,一般在触摸屏上可修改分段拐点的大小。
3.2.5模/数转换模块
模/数转换模块为4通道12位至14位可选的A/D转换模块。
通过选择输入端子可选择电压或电流输入。
模/数转换模块本身自成系统,内部带有CPU及系统监控程序,能自动完成模拟量的采集,并将采集的结果进行处理,最大可对4096次采集数据取平均值。
可编程控制器主机只需将其处理后的结果读出即可,因而基本上不占用主机运行时间。
模/数转换模块还能自动进行本身故障判断,并通过主机将故障类型读出。
这些故障包括:
24V电源异常、硬件有错、命令使用错误、面板上开关位置错误等。
在调速器中,模/数转换模块用于接力器反馈、水头信号、有功功率等的模数转换。
3.2.6数/模转换模块
数/模转换模块为2通道12位至14位可选的D/A转换模块,每个通道可独立设置电压或电流输出。
该模块本身自成系统,内部带有CPU及系统监控程序,能自动将数字量转换为对应的模拟量(电压或电流),并送至输出端子。
此外,它还具有与A/D转换器相同的自检功能,自动检测本身故障,如24V电源异常、硬件有错、命令使用错误、面板上开关位置错误等。
在调速器中,它用于PID调节器及数字协联输出的D/A转换,即对应与调节输出和协联输出。
3.2.7高速计数器模块
高速计数器模块用来测量调速系统的机频、网频信号。
测频时,机频、网频信号经隔离信号变压器隔离、降压并进行滤波后,经整形电路,得到方波信号,该方波信号经光电隔离,送入高速计数器模块进行计数。
3.2.8触摸显示屏
触摸显示屏可显示调速系统的所有工况,运行参数,控制参数等物理量。
根据用户要求可选用多种不同运行界面,具有记录数据功能,能完成调速器的常规试验。
3.2.9接口功能板
接口功能板主要用来完成调速系统机频、网频等信号的前置处理(不需要调整)。
3.2.10电柜的附加功能模块(根据实际要求配置)
功率变送器模块:
当需要调速器采集机组有功功率时,调速器可以配置该模块,同时,还需要将发电机的电压、电流信号引入调速器系统。
电量变送器模块:
由于调速器处理的模拟量信号都为电压信号,当需要与监控系统协同时,需要把外面的4―20mA与调速器的0―10V信号相互转换,同时保证其互相隔离。
电量变送器模块主要处理对外输出电流和采集外面的电流信号。
3.2.11比例阀控制板
比例阀控制板用来将调节器输出信号差值转换为控制比例阀动作的电信号,它由信号隔离、放大、叠加震动分量等电路组成。
3.2.12电源系统
本系列调速器采用交直流电源向调速器供电,厂用交流220V电源经交流空气开关由变压器隔离后送入电源转换模块交流输入端,厂用直流220V电源直接经过直流空气开关后送入电源转换模块直流输出,电源转换模块输出的直流220V电源对调速器开关电源供电。
交、直流开关:
可以控制分别投入两电源系统。
电源指示:
交直流电源有表计或指示灯分别显示。
隔离变压器:
交流变压器防止交直流同时供电时的直流接地故障。
电源转换模块:
电源转换模块是一个比较简单的整流隔离电路,输入为ACV220和DC220V,输出为直流220V。
它包括交流整流和直流隔离两大部分。
在有交流电源供电时,将交流220V电源简单的整流为直流电源,同时将直流电源反相隔离。
当交流电源消失时,直流经过隔离二极管进入电源供电回路。
PLC供电电源:
为单一的24V供电,调速器操作回路同时使用此路电源。
驱动板供电电源:
±12V电源供调速器比例阀控制板使用。
主要用于模拟量调整回路。
比例阀供电电源:
±12V电源。
供调速器比例阀驱动线包使用。
3.2.14反馈电位器
反馈电位器是反应主接力器的位移量。
根据实际要求,可配置拉杆式或拉线式两种传感器,它们都向端子排提供直流的0~10V电压信号。
其工作电源为24V或12V。
3.2.15调速器对外接口
电气故障:
调速器在正常时,电气故障继电器带电。
调速器在故障时,电气故障继电器失电,常闭接点闭合,调速器发出故障信号接点,即电气故障,并转入手动工况。
调速器的电气故障切换有:
并网后机频消失,调节器硬件故障。
主配拒动接点:
调速器在关回时,主配会明显向关机侧动作,即调速器在关回时,拒动接点会明显动作。
在机组转速超过115%时,拒动接点没有动作,则可判定主配拒动。
通讯接口:
调速器系统能以专用的通讯协议向上传输数据。
根据实际需要,调速器传输的模拟量数据有机组频率、调节输出、导叶开度、协联输出、轮叶开度、电网频率,传输的状态量有:
机组频率故障、网频故障、导叶随动故障、导叶随动故障、轮叶随动故障等。
3.3对外配线
开关量的采集:
调速器对外的接口的配线主要在电柜的对外端子排上,即ZD端子排。
其中,调速器采集的开关量是无源的空接点,开关量的公共点为24V的地。
常规指示灯:
投锁锭、拔锁锭提供无源的空接点,调速器能提供投锁锭、拔锁锭指示。
根据调速器运行状态,能提供调速器的手自动状态及故障指示灯。
反馈电位器:
反馈电位器的工作电源通常为+24V或+12V,其中触头的输出信号引到端子排的导叶、轮叶反馈输入端。
频率测量:
对于残压测频的模式,直接将机频、网频的PT引到调速器端子排即可。
对于有齿盘测频要求的调速器,则将接近开关的引线接到端子排即可。
对外的接口:
调速器电气故障、主配拒动接点都以无源的接点方式向上发信号。
调速器的机柜和电柜的配线,对应的端子排一一对接即可。
调速器的具体对外配线图可参考随机提供的配线图,配线时应注意强电和弱电的外部引线应采用不同的多芯电缆;从电压互感器引入机频和网频信号时,从导叶、桨叶接力器电气反馈装置引入反馈信号时,都必须采用屏蔽电缆。
第四章操作说明
4.1调速器上电
上电前检查:
确保各开关电源的输出负载无短路的现象,可以用万用表测量各电源负载的阻值,具体为:
+5V对其电源地应不小于30欧姆;其余开关电源的负载不应小于100欧姆。
各电源负载无接大地的现象,即各端子排满足对大地电阻的要求。
用万用表测量输入的交、直流电源正常后,就可投入调速器的交、直流电源。
调速器上电后,注意检查各模块的工作状况,开关电源工作正常,调速器显示都正常。
4.2调速器热备用
调速器上电完成后,调速器显示和各模块工作正常,即可准备投入热备用状态。
如果,调速器整个机械系统工作正常,即可将控制油路切到比例阀控制回路,此时,比例阀应根据控制要求相应动作。
此时,若导叶接力器关到零,将导叶切自动状态。
调速器即可进入热备用状态。
4.3手动操作
调速器的手动开关量进入PLC,该模式包括导叶全关的备用状态(停机备用)、空载、并网带负荷;手动时不调用PID程序。
4.3.1纯手动操作
调速器仅在不上电时可以操作机械的手动操作阀,利于调速器前期调试和失电工况下的操作。
注意:
若调速器上电后,比例阀投入,若操作手动阀,接力器动作后比例阀又将接力器拉回,引起接力器抽动。
4.3.2电手动的处理
此时手动给定值由手动增减控制,调速器仅执行简单的开度给定闭环调节功能,调速器在电手动掉并网令和停机时将手动给定值清零。
注意:
电手动的运行方式只有在在调速器手动开机、并网后无机频的工况下的一种临时运行,空载时不能调节机组频率。
4.3.3手动工况的处理
空载:
机组不并网时,机组频率>45Hz或导叶开度>5%,置空载标志,前两条件都不满足时清空载标志;
并网:
机组并网时,置并网标志;
在调速器没有并网时,有空载标志,切自动调速器开到空载;无空载标志时,切自动时导叶关回到零;
4.4开机空载
4.4.1开机过程处理
调速器自动备用时,调速器收到开机令,若导叶打开(导叶开度>5%)置开机标志(开机令消失,导叶还继续打开);此时频率到45Hz时,置空载标志,并同时清开机标志;开机中无空载标志时,置开机开限(开机开限一般比空载开限大)。
开机过程若超过3分钟不能进入空载(频率不大于45Hz),置开机不成功标志;开机过程中,延时判断机频故障,机频故障时,延时判断开机不成功;开机不成功时,置空载开限的70%,并报异常信号。
4.4.2空载程序调用
开机令(>1秒)、开机标志、空载标志、并网标志(无并网信号,甩负荷第一周期)都调用开机空载子程序。
4.4.3并网到空载的处理
置空载标志,清并网标志。
4.4.4机频故障的处理
开机过程延时判断机频故障;有机频故障时,压70%空载开限,置开机不成功标志。
4.4.5频率给定设置
根据跟踪或给定要求设置频率给定。
4.4.6PID参数设置及频率有效赋值
设置PID参数;根据要求做机频PT、齿盘频率容错。
4.4.7调用PID运算及限幅
调用PID运算,计算结果根据开限限幅。
4.5并网模式的处理
即调速器的并网开关量进入PLC,包括自动和手动两种运行方式,一般流程以自动模式为主;将有效开限置并网开限和频率给定置50.00Hz。
根据并大网、小网、调频、试验时并网工况会置不同的PID参数。
其中(当小网阀值设置为±0.5Hz时):
大网,并网后频率变化在50.50和49.50之间;
小网,机组频率变化超过50.50和49.50;
调频,一次调频开关量投入,并且频率不进入小网频率;
试验,“静态试验”模式投入时(仅调速器静态试验时投入)。
注意,当频率越限进入小网参数后,只有再次并网或由手动转自动或2分钟在大网频率下运行才能退出小网参数。
当为了外加频率做静态试验时,引入了小网阀值参数。
4.5.1机组频率赋值
机组频率在齿盘频率、机组PT选取时,优先选取机组PT;机组频率与网频容错处理后,选取两者接近50Hz的频率作为机组运算频率;当静态试验时,将模拟机频作为运算频率。
4.5.2开度给定增减
当增减信号动作将开度给定修改或直接屏修改开度给定。
注意,根据设计要求,增、减开度给定不能超过并网的上限或下限的要求;
4.5.3PID运算
计算频率差及给定运算,计算调节信号输出。
4.5.4调节输出信号输出限幅
将调节输出根据并网开限限幅。
4.6停机过程
4.6.1手动操作
操作电手动按钮使导叶关至空载开度,与电网解列后,继续手动关闭导叶直至停机。
4.6.2自动操作
调速器接到停机令时,给定频率将置于零,与开机过程类似,控制导叶使机组关机直至机频为零。
4.6.3事故停机
无论调速器处于自动还是手动,当接到“事故停机”信号时,紧急停机电磁阀直接作用于机械随动系统,即关闭导叶使机组停机。
事故停机时,控制回路直接动作紧急停机电磁阀,接力器直接关到零。
此时,调速器若未收到停机信号,自动的控制信号将不会回零,而此时接力器反馈已到零,平衡表将不回零位,比例阀将长期带电,因此,在发紧急停机令的同时,一定要发停机令。
同时,停机电磁阀是自保持,动作后不能长期带电以免烧坏。
4.7有功增、减
手动时点动操作机柜上电手动按钮增减负荷。
自动时点动操作电柜上“增”、“减”按钮增减负荷。
4.8手自动切换
调速器手动和自动的相互切换,均可随时无条件无扰动地进行。
自动运行时,当电气部分发生故障,即并网机频故障或硬件故障,调速器即无扰动地切至手动运行,必要时也可随时用机柜上的手自动切换按钮,将调速器切至手动运行。
手动运行时,调速器以开度给定调节模式运行。
4.9触摸屏操作说明
调速器上电运行后,触摸屏即可进入主菜单,了解当前运行状态;进“参数设置”菜单需输入口令方可通过菜单了解当前参数或进行参数设置。
其菜单结构如下:
·用户指导:
对我所和我所研制PLC系列调速器作了简单介绍。
·信息显示:
显示对调速器当前运行状态、故障状态等信息。
其主要显示
画面为:
画面主显,状态显示,故障显示,数据列表,模拟表计等。
其中画面主显是我们推荐给用户的监视调速器运行状态和数值的主画面。
可显示的数值有:
机频、网频、液压缸开度、P、I、D、bp、E等。
可显示的状态有:
开机、停机、并网、调相、手动等。
可显示的故障有:
机频故障、网频故障和随动系统故障。
·参数设置:
该菜单下有调节参数、给定调整、开限设置等子菜单。
各参数设定范围参见第一章的主要调节参数范围。
进入参数设置各项子菜单需输入口令,否则参数不能被修改以防无关人员误操作。
可以设定的调节参数有:
P、I、D、bp、E等。
可调整的给定有:
频给和功给。
可设置的开限有开机开限、空载开限和发电开限。
·其它:
该菜单下有静态特性测试和空载摆动测试两项子菜单。
静态特性测试无须使用频率计等工具,可在触摸屏上模拟机频进行静态试验。
空载摆动测试可在触摸屏上进行手动和自动三分
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