CN105628955A - 一种抽水蓄能机组静止变频器的测速装置及其测速方法 - Google Patents

一种抽水蓄能机组静止变频器的测速装置及其测速方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抽水蓄能机组静止变频器的测速装置及其测速方法，其测速装置包括控制器、分别与控制器相连的光电编码器和齿盘探头；光电编码器通过联轴器与抽水蓄能机组大轴连接，齿盘探头对准装于抽水蓄能机组大轴的大轴齿盘；光电编码器和齿盘探头用于检测抽水蓄能机组转速而分别采集获取到编码器脉冲信号和探头脉冲信号并均传输给控制器；控制器将接收的编码器脉冲信号和探头脉冲信号进行频率判断，并将判定结果作为机组转速输出脉冲信号传输给抽水蓄能机组的静止变频器的速度反馈控制端。此发明解决在机组高转速拖动情况下由于光电编码器信号抖动而造成拖动失败的问题，实现安全可靠、信号稳定、防护性好、经济实用的抽水蓄能机组拖动作业。

Description

一种抽水蓄能机组静止变频器的测速装置及其测速方法
技术领域
本发明涉及一种测速装置和测速方法，特别是涉及一种抽水蓄能机组静止变频器的测速装置及其测速方法，属于抽水蓄能机组的自动化控制技术领域。
背景技术
目前，抽水蓄能电站一般采用静止变频器SFC来拖动大容量的抽水蓄能机组，SFC装置作为自动控制设备，既检测转子位置，又检测机组转速。而对于抽水蓄能机组抽水工况可划分为两个过程：低转速检测和高转速检测。
为了实现低转速下的转速测量，部分SFC装置采用增量式光电编码器来进行测量。然而，光电编码器通过联轴器与抽水蓄能机组大轴连接，一旦抽水蓄能机组越过低转速进入高转速状态后，随着抽水蓄能机组的振摆加大，极易造成光电编码器信号发生抖动，从而将抽水蓄能机组拖过速，直接造成机组启动失败。
另外，实际测速过程中，还存在以下不足：光电编码器易受敲击损坏，而进口光电编码器价格较高；光电编码器的安装方式有严格的要求，信号易受外部振动影响其信号精度；以及抽水蓄能电站有着严格的考核制度，每次抽水蓄能机组开机失败均给电站造成较大损失。
发明内容
本发明的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种抽水蓄能机组静止变频器的测速装置及其测速方法，所要解决的技术问题是在机组高转速拖动情况下由于光电编码器信号抖动而造成拖动失败的问题，实现安全可靠、信号稳定、防护性好、经济实用的抽水蓄能机组拖动作业。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种抽水蓄能机组静止变频器的测速装置，包括控制器，分别与控制器相连的光电编码器和齿盘探头；所述光电编码器通过联轴器与抽水蓄能机组大轴连接，所述抽水蓄能机组大轴上设置有大轴齿盘，所述齿盘探头对准大轴齿盘进行检测安装。
其中，所述光电编码器和齿盘探头用于检测抽水蓄能机组转动而分别采集获取到编码器脉冲信号和探头脉冲信号，并均传输给控制器；所述控制器用于将接收的编码器脉冲信号和探头脉冲信号进行频率判断，并将判定采纳的编码器脉冲信号或探头脉冲信号作为输出脉冲信号传输给抽水蓄能机组的静止变频器的速度反馈控制端。
本发明的测速装置进一步设置为：所述控制器包括CPU模块、与CPU模块相连的频率测量及脉冲输出模块，所述频率测量及脉冲输出模块具有测频脉冲输入通道和脉冲输出通道；所述光电编码器的输出端与频率测量及脉冲输出模块的第一测频脉冲输入通道相连，所述齿盘探头的输出端与频率测量及脉冲输出模块的第二测频脉冲输入通道相连，所述频率测量及脉冲输出模块的脉冲输出通道与静止变频器的速度反馈控制端相连。
本发明的测速装置进一步设置为：所述光电编码器为增量式光电编码器。
本发明的测速装置进一步设置为：所述增量式光电编码器采用SUMTANK公司生产的型号为IRS560-4096-009的增量式光电编码器。
本发明的测速装置进一步设置为：所述大轴齿盘的齿数为36个。
本发明还提供一种抽水蓄能机组静止变频器的测速装置的测速方法，包括以下步骤：
1）信号采集与传输；
通过光电编码器和齿盘探头对抽水蓄能机组按设定时间分别采集编码器脉冲信号和探头脉冲信号，并均传输给控制器；
2）频率故障判断；
控制器根据接收的编码器脉冲信号和探头脉冲信号进行频率故障判断；
对光电编码器，如果控制器按设定次数连续采集的编码器脉冲信号未发生频率变化、即采集的连续编码器脉冲信号均相同，则判定光电编码器存在频率故障，启动延时保护后进行频率切换，将频率切换到探头脉冲信号作为输出脉冲信号；否则，判定光电编码器频率正常，进入频率判断；
对齿盘探头，如果控制器按设定次数连续采集的探头脉冲信号未发生频率变化、即采集的连续探头脉冲信号均相同，则判定齿盘探头存在频率故障，启动延时保护后进行频率切换，将频率切换到编码器脉冲信号作为输出脉冲信号；否则，判定齿盘探头频率正常，进入频率判断；
如果判定光电编码器和齿盘探头均存在频率故障，则启动延时保护后对抽水蓄能机组进行停机；
3）频率判断并获得输出脉冲信号；
若编码器脉冲信号小于设定频率，则判定编码器脉冲信号作为输出脉冲信号；
若探头脉冲信号大于或等于设定频率，则判定探头脉冲信号作为输出脉冲信号；
在输出脉冲信号为探头脉冲信号的前提下，计算编码器脉冲信号与探头脉冲信号的差值；若差值的绝对值小于设定阈值，则启动计时延时后进行频率切换，将输出脉冲信号为探头脉冲信号切换到编码器脉冲信号作为输出脉冲信号；频率切换后，若差值的绝对值大于或等于设定阈值，则启动计时延时后进行频率回切，即频率切换回探头脉冲信号作为输出脉冲信号；
将频率切换次数进行累计，频率切换次数以发生一次频率切换后并切换回的来回过程计为一次；若连续频率切换次数累计在预设次数以下，则以探头脉冲信号作为输出脉冲信号。
本发明的测速方法进一步设置为：所述设定时间为50ms；所述编码器设定次数为5次，所述探头设定次数为10次。
本发明的测速方法进一步设置为：所述设定频率为20%-30%额定频率，所述额定频率为抽水蓄能机组的额定转速所对应的频率值。
本发明的测速方法进一步设置为：所述延时保护的延时时间为5s，所述计时延时的计时时间为0.25s。
本发明的测速方法进一步设置为：所述预设次数为3次。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
在抽水蓄能机组处于抽水低转速工况，采集光电编码器的编码器脉冲信号作为频率输入，通过控制器的频率判断，将编码器脉冲信号作为输出脉冲信号；一旦抽水蓄能机组越过低转速阶段、即进入高转速阶段，此时机组的振摆逐渐加大，为了克服光电编码器的信号源存在信号不稳定因素，通过控制器的频率判断，将频率切换到齿盘探头所采集的探头脉冲信号作为输出脉冲信号。在机组不同运行阶段采用不同的速度反馈，使得速度反馈的输出脉冲信号不受机组震动影响，安全可靠、信号稳定、防护性好且经济实用。
上述内容仅是本发明技术方案的概述，为了更清楚的了解本发明的技术手段，下面结合附图对本发明作进一步的描述。
附图说明
图1为本发明一种抽水蓄能机组静止变频器的测速装置的结构原理图；
图2为本发明一种抽水蓄能机组静止变频器的测速装置的测速方法的流程图。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。
如图1所示的一种抽水蓄能机组静止变频器的测速装置，包括控制器，分别与控制器相连的光电编码器和齿盘探头；所述光电编码器通过联轴器与抽水蓄能机组大轴连接，所述抽水蓄能机组大轴上设置有大轴齿盘，所述齿盘探头对准大轴齿盘进行检测安装；所述光电编码器和齿盘探头用于检测抽水蓄能机组转动而分别采集获取到编码器脉冲信号和探头脉冲信号，并均传输给控制器；所述控制器用于将接收的编码器脉冲信号和探头脉冲信号进行频率判断，并将判定采纳的编码器脉冲信号或探头脉冲信号作为输出脉冲信号传输给抽水蓄能机组的静止变频器的速度反馈控制端。
所述控制器包括CPU模块、与CPU模块相连的频率测量及脉冲输出模块，所述频率测量及脉冲输出模块具有测频脉冲输入通道和脉冲输出通道；所述光电编码器的输出端与频率测量及脉冲输出模块的第一测频脉冲输入通道相连，所述齿盘探头的输出端与频率测量及脉冲输出模块的第二测频脉冲输入通道相连，所述频率测量及脉冲输出模块的脉冲输出通道与静止变频器的速度反馈控制端相连。
所述光电编码器优选采用SUMTANK公司生产的型号为IRS560-4096-009的增量式光电编码器，此款光电编码器每转一圈即发出4096个标准方波，当机组抽水转至额定转速（如166.7rpm)时，光电编码器每秒会发出11.38K个标准方波，即频率为11.38KHz。
所述大轴齿盘优选采用齿数为36个的线切割高精度大轴齿盘，所述齿盘探头优选为SICK公司的高分辨率齿盘探头。
所述控制器优选采用奥地利贝加莱公司生产的X20PCC装置，其包括CPU模块即CP1585、频率测量及脉冲输出模块即DS1319、其他如开入开出混合模块即DM9324等；对于开入开出混合模块DM9324在本发明中没有得以应用。其中的DS1319模块本身拥有8个通道，通道1、2、5、6为测频脉冲输入通道(频率检测最高为100KHz)，通道3、4为A、B相脉冲输出通道(频率输出最高为60KHz)，通道7、8为SSI绝对式编码器通道。在此发明中我们可仅使用DS1319模块中的通道1、2、3、4，可将通道1引入光电编码器A、B相中的任一相脉冲信号，通道2引入安装在大轴齿盘上的齿盘探头所采集的脉冲信号，通道3、4作为A、B相脉冲输出通道。由于增量式光电编码器在SFC控制逻辑中只作为速度反馈环节，而不作为位置检测参考，因此在测速装置设计上测速方法依靠DS1319模块自身具备发出A、B两相脉冲来替代增量式光电编码器的两相信号。
在抽水蓄能机组在抽水低转速阶段，由于齿盘探头的分辨率远低于光电式编码器的检测精度，因此为了达到SFC装置低转速拖动的目的，我们在抽水蓄能机组低转速工况下，采集光电编码器的脉冲波作为频率输入，通过控制器计算同步的输出A、B相脉冲；一旦抽水蓄能机组越过低转速阶段、即进入高转速阶段，此时机组的振摆逐渐加大，由于光电编码器的信号源存在信号不稳定因素，因此在控制器内部需将频率输入源切换为齿盘探头所采集的脉冲信号，这样即能很好的解决SFC装置高转速下光电编码器信号抖动的问题。
如图2所示，本发明还提供一种抽水蓄能机组静止变频器的测速装置的测速方法，包括以下步骤：
1）信号采集与传输；
通过光电编码器和齿盘探头对抽水蓄能机组每50ms分别采集编码器脉冲信号和探头脉冲信号，并均传输给控制器；
2）频率故障判断；
控制器根据接收的编码器脉冲信号和探头脉冲信号进行频率故障判断；
对光电编码器，如果按5次连续采集的编码器脉冲信号未发生频率变化、即采集的连续编码器脉冲信号均相同，则判定光电编码器存在频率故障，启动5s延时保护后进行频率切换，将频率切换到探头脉冲信号作为输出脉冲信号；否则，判定光电编码器频率正常，进入频率判断；
对齿盘探头，如果按10次连续采集的探头脉冲信号未发生频率变化、即采集的连续探头脉冲信号均相同，则判定齿盘探头存在频率故障，启动5s延时保护后进行频率切换，将频率切换到编码器脉冲信号作为输出脉冲信号；否则，判定齿盘探头频率正常，进入频率判断；
如果判定光电编码器和齿盘探头均存在频率故障，则启动5s延时保护后对抽水蓄能机组进行停机；
3）频率判断并获得输出脉冲信号；
若编码器脉冲信号小于设定频率，则判定编码器脉冲信号作为输出脉冲信号；若探头脉冲信号大于或等于设定频率，则判定探头脉冲信号作为输出脉冲信号；其中，设定频率为20%-30%额定频率，额定频率为抽水蓄能机组的额定转速所对应的频率值；
在输出脉冲信号为探头脉冲信号的前提下，计算编码器脉冲信号与探头脉冲信号的差值；若差值的绝对值小于设定阈值，则启动0.25s计时延时后进行频率切换，将输出脉冲信号为探头脉冲信号切换到编码器脉冲信号作为输出脉冲信号；频率切换后，若差值的绝对值大于或等于设定阈值，则启动0.25s计时延时后进行频率回切，即频率切换回探头脉冲信号作为输出脉冲信号；
将频率切换次数进行累计，频率切换次数以发生一次频率切换后并切换回的来回过程计为一次；若连续频率切换次数累计在3次以下，则以探头脉冲信号作为输出脉冲信号。
本发明的创新点在于，监控系统下发SFC装置启动令，在SFC装置检测完转子位置后，即开始加较高的励磁电流，等待机组转动，此时控制器一直在检测通道1、2的信号输入，一旦抽水蓄能机组开始蠕动，光电编码器输出信号要优先于齿盘探头采集信号。在检测到光电编码器的编码器脉冲信号后开始计算，当抽水蓄能机组转速低于20%抽水额定转速时，则以编码器脉冲信号为准。一旦抽水蓄能机组转速高于20%抽水额定转速时，此时齿盘探头已经能够稳定测到机组转速，根据齿盘探头采集的探头脉冲信号，经控制器计算判断，进入高转速工况后进行输入信号源的切换，此时以探头脉冲信号为准。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种抽水蓄能机组静止变频器的测速装置，其特征在于：包括控制器，分别与控制器相连的光电编码器和齿盘探头；所述光电编码器通过联轴器与抽水蓄能机组大轴连接，所述抽水蓄能机组大轴上设置有大轴齿盘，所述齿盘探头对准大轴齿盘进行检测安装；
所述光电编码器和齿盘探头用于检测抽水蓄能机组转动而分别采集获取到编码器脉冲信号和探头脉冲信号，并均传输给控制器；所述控制器用于将接收的编码器脉冲信号和探头脉冲信号进行频率判断，并将判定采纳的编码器脉冲信号或探头脉冲信号作为输出脉冲信号传输给抽水蓄能机组的静止变频器的速度反馈控制端。
2.根据权利要求1所述的一种抽水蓄能机组静止变频器的测速装置，其特征在于：所述控制器包括CPU模块、与CPU模块相连的频率测量及脉冲输出模块，所述频率测量及脉冲输出模块具有测频脉冲输入通道和脉冲输出通道；
所述光电编码器的输出端与频率测量及脉冲输出模块的第一测频脉冲输入通道相连，所述齿盘探头的输出端与频率测量及脉冲输出模块的第二测频脉冲输入通道相连，所述频率测量及脉冲输出模块的脉冲输出通道与静止变频器的速度反馈控制端相连。
3.根据权利要求1所述的一种抽水蓄能机组静止变频器的测速装置，其特征在于：所述光电编码器为增量式光电编码器。
4.根据权利要求3所述的一种抽水蓄能机组静止变频器的测速装置，其特征在于：所述增量式光电编码器采用SUMTANK公司生产的型号为IRS560-4096-009的增量式光电编码器。
5.根据权利要求1所述的一种抽水蓄能机组静止变频器的测速装置，其特征在于：所述大轴齿盘的齿数为36个。
6.根据权利要求1所述的一种抽水蓄能机组静止变频器的测速装置的测速方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）信号采集与传输；
通过光电编码器和齿盘探头对抽水蓄能机组按设定时间分别采集编码器脉冲信号和探头脉冲信号，并均传输给控制器；
2）频率故障判断；
控制器根据接收的编码器脉冲信号和探头脉冲信号进行频率故障判断；
对光电编码器，如果按编码器设定次数连续采集的编码器脉冲信号未发生频率变化、即采集的连续编码器脉冲信号均相同，则判定光电编码器存在频率故障，启动延时保护后进行频率切换，将频率切换到探头脉冲信号作为输出脉冲信号；否则，判定光电编码器频率正常，进入频率判断；
对齿盘探头，如果按探头设定次数连续采集的探头脉冲信号未发生频率变化、即采集的连续探头脉冲信号均相同，则判定齿盘探头存在频率故障，启动延时保护后进行频率切换，将频率切换到编码器脉冲信号作为输出脉冲信号；否则，判定齿盘探头频率正常，进入频率判断；
如果判定光电编码器和齿盘探头均存在频率故障，则启动延时保护后对抽水蓄能机组进行停机；
3）频率判断并获得输出脉冲信号；
若编码器脉冲信号小于设定频率，则判定编码器脉冲信号作为输出脉冲信号；
若探头脉冲信号大于或等于设定频率，则判定探头脉冲信号作为输出脉冲信号；
在输出脉冲信号为探头脉冲信号的前提下，计算编码器脉冲信号与探头脉冲信号的差值；若差值的绝对值小于设定阈值，则启动计时延时后进行频率切换，将输出脉冲信号为探头脉冲信号切换到编码器脉冲信号作为输出脉冲信号；频率切换后，若差值的绝对值大于或等于设定阈值，则启动计时延时后进行频率回切，即频率切换回探头脉冲信号作为输出脉冲信号；
将频率切换次数进行累计，频率切换次数以发生一次频率切换后并切换回的来回过程计为一次；若连续频率切换次数累计在预设次数以下，则以探头脉冲信号作为输出脉冲信号。
7.根据权利要求6所述的一种抽水蓄能机组静止变频器的测速装置的测速方法，其特征在于：所述设定时间为50ms；所述编码器脉冲信号故障设定检测次数为5次，所述探头脉冲信号故障设定检测次数为10次。
8.根据权利要求6所述的一种抽水蓄能机组静止变频器的测速装置的测速方法，其特征在于：所述设定频率为20%-30%额定频率，所述额定频率为抽水蓄能机组的额定转速所对应的频率值。
9.根据权利要求6所述的一种抽水蓄能机组静止变频器的测速装置的测速方法，其特征在于：所述延时保护的延时时间为5s，所述计时延时的计时时间为0.25s。
10.根据权利要求6所述的一种抽水蓄能机组静止变频器的测速装置的测速方法，其特征在于：所述预设次数为3次。
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