CN101388156A - 汽轮机deh伺服系统的半实物仿真平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种汽轮机DEH伺服系统的半实物仿真平台，由汽轮机DEH调节阀的仿真，汽轮机的仿真，汽轮机带动发电机的仿真，实际电网的仿真构成，它包括液压动力源，单作用油动机，伺服阀和伺服阀控制器，微处理器和电路模块，伺服电机、伺服电机驱动器、位移传感器、测频元件、测功元件、发电机、电网模块。本发明的优点是针对实际汽轮机DEH伺服系统的电厂大系统，对其进行半实物化的仿真，将其各部分的结构动作组合形成大系统，以达到说明和演示其运行效果，完成了对汽轮机DEH伺服系统的仿真。

Description

汽轮机DEH伺服系统的半实物仿真平台

技术领域

本发明涉及一种汽轮机数字电液调节(DEH)伺服系统的实验平台，尤其是一种用于了解汽轮机DEH伺服系统原理的半实物仿真实验平台。

背景技术

随着火电机组向大容量、高参数发展，机组的自动化程度也相应地不断提高，各类自动方面的新技术、新系统相继出现并以成功应用。汽轮机作为热力发电厂的重要设备，在高温高压蒸汽的作用下高速旋转，完成热能到机械能的转换，并驱动发电机转动，将机械能转换为电能，并且在这些能量转换的过程当中，为了保证电能质量，维持电网频率，通常要求它的转速稳定在额定转速附近很小的范围内变化，这就对汽轮机的控制提出了更高的要求。随着科学技术的迅猛发展，汽轮机控制技术也发生了日新月异的变化，目前300MW以上大机组，一般均采用数字电液调节系统(DEH)，使单元机组的运行操作发生了质的飞跃，为协调控制系统(CCS)、自动发电控制(AGC)等系统的顺利实施创造了条件。

汽轮机的推动需要高温高压蒸汽，汽轮机DEH伺服系统是汽轮机运行控制的核心，是汽轮机正常运转并保证正常发电的重要控制保证。而对于汽轮机DEH的学习和了解，一般的仪器并不能经受在高温高压蒸汽环境下运转，同时这样处理的费用将是相当的昂贵。因此，对汽轮机DEH伺服系统的仿真研究是解决问题的途径。为了解决实际汽轮机较难模拟的情况，需要通过半实物性的仿真方法，来解决汽轮机DEH伺服系统的原理模拟，同时给出了外界电网实现对汽轮机DEH系统的功率控制效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是通过半实物化的方式来实现对汽轮机DEH系统的仿真，解决长期以来缺乏在电厂大系统下汽轮机DEH伺服系统运行和控制的实验教学平台，提供一种汽轮机DEH伺服系统的半实物仿真平台。

本发明的技术方案是：一种汽轮机DEH伺服系统的半实物仿真平台，由汽轮机DEH调节阀的仿真，汽轮机的仿真，汽轮机带动发电机的仿真，实际电网的仿真构成，它包括液压动力源，单作用油动机，伺服阀和伺服阀控制器，微处理器和电路模块，伺服电机、伺服电机驱动器、位移传感器、测频元件、测功元件、发电机、电网模块，其特点是：

汽轮机DEH调节阀的仿真：

液压动力源输出带有压力的液压油送入由微处理器及电路模块所控制的伺服阀和伺服阀控制器，伺服阀控制液压油输入到单作用油动机，位移传感器安装在单作用油动机的上，当单作用油动机的活塞杆运动时，位移传感器采集到该移动位置信号，并将其转换成电信号传入到微处理器和电路模块里，用于实现对仿真的汽轮机DEH调节阀的闭环控制；其中，微处理器和电路模块根据系统性能要求动态给出数值发出控制指令；

汽轮机的仿真：

微处理器和电路模块通过位移传感器采集单作用油动机的位移信号数值，并发出控制信号驱动伺服电机驱动器，控制伺服电机的转速达到实际汽轮机转速的数值：3000转/分；

汽轮机带动发电机的仿真：

测频元件安装在伺服电机的输出轴上，通过测频元件实现汽轮机的转速控制，同时将测频元件所得到的电信号输入到微处理器和电路模块，形成测频功能的闭环控制，伺服电动机的输出轴连接发电机，通过旋转的伺服电动机带动发电机旋转；

实际电网的仿真：

发电机所输出来的电能配给通过几个灯泡所组成的电网模块，发电机的输出端安装有测功元件，用于实现对发电机功率的闭环控制。

微处理器和电路模块中具有功率-频率电液控制模块，该模块中频率变送器和转速定值器进行比较送入频差放大器，输出的信号送入到具有调频方式、基本负荷方式和单向调频方式的运行方式选择模块，同时将频差放大器输出的信号输入到频率微分器，将从运行方式选择模块和频率微分器输出的信号输入到综合放大器；测功元件经过测功放大器输入到功差放大器，将功率定值器输出信号输入到功差放大器，同时将功差放大器输出信号输入到综合放大器；冲击负荷信号输出信号输入到综合放大器；综合放大器输出信号输入到PID调节模块，将经过PID调节模块的信号输入到功率放大器，功率放大器输出信号分别输入到功率限制器和伺服阀及伺服阀控制器，在功率放大器和伺服阀及伺服阀控制器的信号之间使用越限保护，磁阻发信器测定伺服电机的转速，提供给频率变送器，测功模块测量发电机的功率并将信号送给测功元件，形成测量和控制的闭环控制。

微处理器及电路模块设有LED显示灯和液晶显示器。

液压动力源包括溢流阀、过滤器、泵用电机、液压泵和油箱，溢流阀接在液压泵与油箱之间，用于保护液压系统。

电网模块包括滑动变阻器、灯泡和开关，灯泡与开关串联，然后与一组灯泡与开关串联的模块并联，再与一个滑动变阻器相串联。

测频元件为磁阻发生器；测功元件为霍尔效应测功器。

本发明的优点是针对实际汽轮机DEH伺服系统的电厂大系统，对其进行半实物化的仿真，将其各部分的结构动作组合形成大系统，以达到说明和演示其运行效果，完成对汽轮机DEH伺服系统的仿真。利用单作用油动机的位置信号模拟汽轮机主阀调节阀的阀位，然后使用位置信号控制电机的运动，反映出阀的位移对转速的影响，达到了与汽轮机的实际控制效果，即利用主阀调节汽轮机运行效果，达到了半实物化仿真的性能。从而避免了由于汽轮机运动需要高温饱和蒸汽较难实现的问题。通过电动机带动发电机，由发电机配电给一个小电网。同时，利用测频功能和测功元件实现了对汽轮机的功频电液控制的完全仿真。实现了汽轮机DEH控制的闭环控制仿真的性能。本发明以发电机配电给一个模拟的电网，通过改变电网的功率可以实现对汽轮机DEH系统功率反馈的仿真，操作者可以较好的理解由于电网的变化对系统在控制上所带来的变化和控制调整。从而实现了由于汽轮机DEH伺服系统由于功率控制反馈较难获取的问题。本发明在硬件和软件设计上实现对汽轮机的功率-频率的控制策略的设计，操作者可以通过该发明设计控制方法和控制参数，通过PID控制参数的给定，控制整个系统，展现汽轮机DEH伺服系统的控制。操作者可以通过本发明可以清楚的了解汽轮机DEH伺服系统的运动原理和控制方法，实现对汽轮机DEH伺服系统较好的学习和了解。

附图说明

图1为本发明的系统原理图；

图2为功率-频率电液控制系统方框图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

由图1、图2所示，一种汽轮机DEH伺服系统的半实物仿真平台，由汽轮机DEH调节阀的仿真，汽轮机的仿真，汽轮机带动发电机的仿真，实际电网的仿真构成，它包括液压动力源6，单作用油动机1，伺服阀控制器2，微处理器和电路模块8，伺服电机11、伺服电机驱动器13、位移传感器10、测频元件12、测功元件15、发电机16、电网模块17。

汽轮机DEH调节阀的仿真：

液压动力源6输出带有压力的液压油送入由微处理器及电路模块8所控制的伺服阀和伺服阀控制器2，伺服阀2控制液压油输入到单作用油动机1，位移传感器10安装在单作用油动机1的轴上，当单作用油动机1的活塞杆运动时，位移传感器10采集到该移动位置信号，并将其转换成电信号传入到微处理器和电路模块8里，用于实现对仿真的汽轮机DEH调节阀的闭环控制；其中，微处理器和电路模块8根据系统性能要求动态给出数值发出控制指令；

汽轮机的仿真：

微处理器和电路模块8通过位移传感器10采集单作用油动机1的位移信号数值，并发出控制信号驱动伺服电机驱动器13控制伺服电机11的转速达到实际汽轮机转速的数值：3000转/分；

汽轮机带动发电机的仿真：

测频元件12安装在伺服电机11的输出轴上，通过测频元件12实现汽轮机的转速的控制，同时将测频元件12所得到的电信号输入到微处理器和电路模块8，形成测频功能的闭环控制，伺服电动机11的输出轴连接发电机16，通过旋转的伺服电动机11带动发电机16旋转；

实际电网的仿真：

发电机16所输出来的电能配给通过几个灯泡所组成的电网模块17，发电机的输出端安装有测功元件15，用于实现对发电机功率的闭环控制。

单作用油动机1用于仿真实际汽轮机的主阀调节阀，伺服阀和伺服阀控制器2主要控制单作用油动机1的运动，该控制是通过弱电的方式，利用微处理器来实现控制和指令的发出、溢流阀3用于保护液压系统、过滤器4、阀用电机5、液压泵6和油箱7构成液压动力源，向单作用油动机提供动力源，以上组成了的汽轮机DEH伺服系统的液压系统；微处理器和电路模块8主要用于处理位移、频率和功率的采集，以及根据系统要求给出控制策略、LED和液晶显示9提供给操作者内部的信息、位移信号采集10、测频元件12、测功元件15主要实现系统的闭环控制，用于实现伺服系统的测量系统，以上总体构成系统的电路控制系统，实现各部件之间的协调和统一。伺服电机11主要利用位移所获得到信号来实现给定转速、伺服电机控制器13、联轴器14、、发电机16主要实现发电配给电网17，电网17由变阻器R，开关K1、K2、K3、K4和K5，灯L、L1、L2、L3、L4和L5组成，以上组合实现汽轮机和发电机以及电网大系统的半实物性仿真。

本发明所采用的功率-频率控制系统原理，利用实际汽轮机DEH伺服系统的功率-频率控制系统原理来实现的。通过频率变送器18和转速定值器19进行比较送入频差放大器20，输出的信号送入到运行方式选择模块21，其模块包含有调频方式、基本负荷方式和单向调频方式三种。同时将频差放大器20输出的信号输入到频率微分器22，将从运动方式选择模块21和频率微分器22输出的信号输入到综合放大器28。测功元件23经过测功放大器25输入到功差放大器26，将功率定值器24输出信号输入到功差放大器26，同时将功差放大器26输出信号输入到综合放大器28。将冲击负荷信号27输出信号输入到综合放大器28。综合放大器28输出信号输入到PID调节模块29，将经过PID调节模块29的信号输入到功率放大器31，功率放大器31输出信号分别输入到功率限制器30和伺服阀和伺服阀控制器2，在功率放大器31和伺服阀和伺服阀控制器2的信号之间使用越限保护32，伺服阀和伺服阀控制器2输出信号控制油动机1，油动机1的运动通过位移传感器10测得位移信号，测量出的位移信号送入到控制器中，由控制器发出指令给伺服电机驱动器13，进而控制伺服电机11，发电机16的动力由伺服电机11提供，磁阻发信器38测定伺服电机11的转速，提供给频率变送器18，发电机16的功率测量是通过测功模块40并将信号送给测功元件15，形成测量和控制的闭环控制。

本发明的原理为：为了能够解决汽轮机DEH伺服系统的仿真问题，根据本发明的方案，是将实际汽轮机DEH伺服系统中的液压部分利用伺服阀所构成的液压回路进行仿真，实现核心运动驱动的控制，液压系统是由单作用油动机1、伺服阀和伺服驱动器2、溢流阀3、过滤器4、泵用电机5、液压泵6和油箱7组成。由于汽轮机的运动是依靠高温的饱和蒸汽来推动转动，但是这种利用蒸汽来实现比较困难，所以采用利用位移传感器10采集信号获取单作用油动机1的运动位移信号，利用位移传感器10采集的信号来驱动和控制伺服电机控制器13，从而带动伺服电机11的运动，达到仿真汽轮机由于汽轮机主阀阀芯位置确定汽轮机运动的效果，实现对汽轮机运动的半实物化的仿真效果。由伺服电机11带动发电机16进行发电，并将产生的电配给模拟电网17，实现汽轮机DEH伺服系统的功率控制的效果。同时利用测频元件12可以实现汽轮机DEH频率控制仿真。本发明主要实现对汽轮机DEH伺服系统的位移反馈、频率反馈和功率反馈的三闭环系统的仿真。

启动本发明系统，操作者观察系统的运行，并对各部分的原理与汽轮机DEH进行比较，观察汽轮机位移信号、频率信号和功率信号的控制效果，即单作用油动机的运动、伺服电机的转动和电网功率的效果。关闭电网中的K1开关，灯L1熄灭，观察系统的位移、频率和功率的关系；依次关闭K2、K3、K4、K5，即分别熄灭灯L2、L3、L4和L5。观察由于电网功率变化，所带来的位移、频率和功率的控制。操作者可以在这平台上实现对控制的调节，即可以通过PID调节控制器来实现对不同功率情况下的参数的调定。

Claims (6)

1.一种汽轮机DEH伺服系统的半实物仿真平台，由汽轮机DEH调节阀的仿真，汽轮机的仿真，汽轮机带动发电机的仿真，实际电网的仿真构成，它包括液压动力源，单作用油动机(1)，伺服阀和伺服阀控制器(2)，微处理器和电路模块(8)，伺服电机(11)、伺服电机驱动器(13)、位移传感器(10)、测频元件(12)、测功元件(15)、发电机(16)、电网模块(17)，其特征在于：

所述汽轮机DEH调节阀的仿真：

液压动力源输出压力液压油送入由微处理器及电路模块(8)所控制的伺服阀和伺服阀控制器(2)，伺服阀和伺服阀控制器(2)控制压力液压油输入到单作用油动机(1)，位移传感器(10)安装在单作用油动机(1)的轴上，当单作用油动机(1)的活塞杆运动时，位移传感器(10)采集到该移动位置信号，并将其转换成电信号传入到微处理器和电路模块(8)里，用于实现对仿真的汽轮机DEH调节阀的闭环控制；其中，微处理器和电路模块(8)根据系统性能要求动态给出数值发出控制指令；

所述汽轮机的仿真：

微处理器和电路模块(8)通过位移传感器(10)采集单作用油动机(1)的位移信号数值，并发出控制信号驱动伺服电机驱动器(13)控制伺服电机(11)的转速达到实际汽轮机转速的数值：3000转/分；

所述汽轮机带动发电机的仿真：

测频元件(12)安装在伺服电机(11)的输出轴上，用于实现汽轮机的转速的控制，测频元件(12)所得到的电信号输入到微处理器和电路模块(8)，形成测频功能的闭环控制，伺服电机(11)的输出轴连接发电机(16)，通过旋转的伺服电机(11)带动发电机(16)旋转；

所述实际电网的仿真：

发电机(16)所输出来的电能配给通过几个灯泡所组成的电网模块(17)，发电机(16)的输出端安装有测功元件(15)，用于实现对发电机功率的闭环控制。

2.根据权利要求1所述的汽轮机DEH伺服系统的半实物仿真平台，其特征在于，所述微处理器和电路模块(8)中具有功率-频率电液控制模块，所述功率-频率电液控制模块中频率变送器(18)和转速定值器(19)进行比较送入频差放大器(20)，输出的信号送入到具有调频方式、基本负荷方式和单向调频方式的运行方式选择模块(21)，同时将频差放大器(20)输出的信号输入到频率微分器(22)，将从运行方式选择模块(21)和频率微分器(22)输出的信号输入到综合放大器(28)；测功元件(15)经过测功放大器(25)输入到功差放大器(26)，将功率定值器(24)输出信号输入到功差放大器(26)，同时将功差放大器(26)输出信号输入到综合放大器(28)；冲击负荷信号(27)输出信号输入到综合放大器(28)；综合放大器(28)输出信号输入到PID调节模块(29)，将经过PID调节模块(29)的信号输入到功率放大器(31)，功率放大器(31)输出信号分别输入到功率限制器(30)和伺服阀及伺服阀控制器(2)，在功率放大器(31)和伺服阀及伺服阀控制器(2)的信号之间使用越限保护(32)，磁阻发信器(38)测定伺服电机(11)的转速，提供给频率变送器(18)，测功模块(40)测量发电机(16)的功率并将信号送给测功元件(15)，形成测量和控制的闭环控制。

3.根据权利要求1所述的汽轮机DEH伺服系统的半实物仿真平台，其特征在于，所述微处理器及电路模块(8)设有LED显示灯和液晶显示器。

4.根据权利要求1所述的汽轮机DEH伺服系统的半实物仿真平台，其特征在于，所述液压动力源包括溢流阀(3)、过滤器(4)、泵用电机(5)、液压泵(6)和油箱(7)，溢流阀(3)接在液压泵(6)与油箱(7)之间，用于保护液压系统。

5.根据权利要求1所述的汽轮机DEH伺服系统的半实物仿真平台，其特征在于，所述电网模块(17)包括滑动变阻器(R)、灯泡(L)和开关(K)，灯泡(L)与开关(K)串联，然后与一组灯泡与开关串联的模块并联，再与一个滑动变阻器(R)相串联。

6.根据权利要求1所述的汽轮机DEH伺服系统的半实物仿真平台，其特征在于，所述测频元件(12)为磁阻发生器；所述测功元件(15)为霍尔效应测功器。

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