CN115580186A - 大功率脉冲发电机组转子短接式滑差控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电机系统控制技术领域，具体涉及一种大功率脉冲发电机组转子短接式滑差控制系统及控制方法，包括：8500kw电机、滑差装置、主监控PC机、PLC主站和滑差控制柜和设置在滑差控制柜内的若干套滑差控制装置；8500kw电机分别与滑差装置和滑差控制柜连接，所述每套滑差控制装置内包括：变频器、滑差PLC子站、通讯控制模块和电流测量装置。本发明实现了高参数和高精度的滑差启动方式控制，能够满足大功率脉冲发电机组频繁启动和进行多套滑差控制装置的连锁控制的技术要求，能够满足机组启动安全并按照给定电流稳定加速。

Description

大功率脉冲发电机组转子短接式滑差控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于电机系统控制技术领域，具体涉及一种大功率脉冲发电机组转子短接式滑差控制系统及控制方法。

背景技术

传统的电机转子串电阻起动控制方式运用于小功率场合，通过改变滑差电阻维持定子电流恒定转子回路串电阻的恒转矩起动，控制参数和精度要求低。传统的控制系统仅支持从停止状态启动到最高转速，且采用传统的滑差控制系统加速电机所能达到的最高转速较低，无法满足装置实验的放电需求。此外，现有的滑差控制方式在加速过程中定子电流波动较大，无法稳定使机组按照给定电流加速。

大功率立式脉冲发电机组电机功率高达8500kW，电机启动转矩大，启动时间长。根据2M装置的实验的要求，需要机组在规定时间内快速启动，在实验过程中频繁放电和再加速。大功率脉冲发电机组采用液体转差调节器(这里简称为滑差)对机组进行控制，滑差装置上配备了高位、预定位、低位、预低位四个行程开关，包含快提、提高位、加速三种运行方式。实验过程中滑差装置需要再预定位和低位之间频繁动作，以实现机组放电和再加速过程。滑差装置低位极板间的电阻液间距仅为2㎜，为了进一步提高机组转速，到达低位后需要进行短接操作，使转子所串电阻进一步降低。如何保证不发生定子过电流，需要改进系统控制方式。发电机组对于加速时间、电流波动、转矩稳定度参数都要求极高，因此，需要设计一种在大功率脉冲发电机组中能控制高参数、高精度的滑差控制系统及控制方法来解决上述现有技术问题。

发明内容

本发明提出一种大功率脉冲发电机组转子短接式滑差控制系统及控制方法，用于解决现有技术中机组频繁启动无法满足机组启动安全和稳定性的技术问题，此外，现有滑差控制装置控制方式在加速过程中定子电流波动较大，无法稳定使机组按照给定电流加速的技术问题。

本发明的技术方案是：

一种大功率脉冲发电机组转子短接式滑差控制系统，包括：8500kw电机、滑差装置、主监控PC机、PLC主站和滑差控制柜和设置在滑差控制柜内的若干套滑差控制装置；8500kw电机分别与滑差装置和滑差控制柜连接，所述每套滑差控制装置内包括：变频器、滑差PLC子站、通讯控制模块和电流测量装置；

所述滑差控制装置内滑差变频器与滑差PLC子站连接，滑差变频器内包含PID调节器，通讯控制模块设置在滑差PLC子站内，电流测量装置与滑差变频器内的PID调节器连接。

所述主监控PC机与PLC主站连接，所述PLC主站还与滑差控制柜连接。

所述每套滑差控制装置内的滑差PLC子站通过滑差控制柜均连接至PLC主站。

所述的滑差装置内包含液体电阻。

所述8500KW电机通过转子串联滑差装置内的液体电阻方式进行启动。

每套滑差控制装置中的滑差PLC子站的控制逻辑中均包含：滑差控制系统提高位运行方式、滑差控制系统快提运行方式和滑差控制系统加速运行方式；

当滑差控制系统运行快提运行方式时，滑差控制装置中的滑差变频器给定频率为50HZ，，滑差装置在10s左右快速提升至预定位一；

当滑差控制系统运行提高位运行方式时，滑差变频器控制给定频率为50HZ，滑差装置提升高位；

当滑差控制系统运行加速运行方式时，滑差控制装置中的滑差变频器给定频率为最高为100Hz，最低为20Hz；引入机组定子侧电流作为反馈信号进行PID调节，滑差装置由高位或预定位一下降至低位

所述若干套滑差控制装置的数量为三套，所述三套滑差控制装置的名称分别为序号一滑差控制装置、序号二滑差控制装置和序号三滑差控制装置。

所述滑差PLC子站与PLC主站的通讯均采用PROFIBUS DP通讯协议；所述主监控PC机与PLC主站之间采用MPI通讯协议。

所述主站PLC控制三套滑差控制装置按照预设的加速顺序先后进行加速运行，三套滑差控制装置预设的加速顺序依次为序号三滑差控制装置、序号一滑差控制装置和序号二滑差控制装置，以此保证同一时间只有一套滑差装置进行加速，避免多套滑差控制装置同时工作。

所述每套滑差控制装置均具有本地控制和计算机控制两种控制方式，计算机控制方式是通过主监视PC机控制PLC主站，并对与PLC主站相连接的滑差PLC子站进行控制；

本地控制方式通过滑差控制柜直接对滑差PLC子站进行控制；

上述本地控制和计算机控制两种控制方式中计算机控制具有优先权。

所述滑差控制系统运行加速运行时，启动阶段具有时间延迟功能；对所述PID调节器进行定子电流停止值和定子电流启动值的数值设定。

所述滑差控制系统提高位运行方式、滑差控制系统快提运行方式和滑差控制系统加速运行方式的每个运行方式都有三种不同操作方法，三种不同操作方法别是手动、自动-按钮、自动-WinCC操作方式。

一种如上所述的大功率脉冲发电机组滑差控制系统的控制方法，包括如下控制步骤：

步骤一：当滑差控制装置中PLC子站满足滑差控制系统启动条件，且PLC子站收到主监控PC机计算机控制或本地控制命令后，机组启动，滑差控制装置延时启动后，滑差变频器开始工作，执行滑差控制系统的加速运行方式；

步骤二：定子电流引入PID调节器接收8500KW电机定子电流信号，控制电极下降速度，控制电极下降速度，电机到达低位后，电极启动完成。

步骤三：在步骤二过程中若机组放电，则滑差控制系统启动快提运行方式，滑差电机提升至预定位一，放电完成后再次加速操作，PID调节器反馈个控制工作，电机达到低位，加速完成。当步骤二过程中机组停机时，滑差控制系统执行提高位运行方式，滑差变频器给定频率为50HZ，滑差装置提升高位。

本发明的有益效果：

本发明设计的滑差控制系统及其控制方法，实现了高参数和高精度的滑差启动方式控制，能够满足大功率脉冲发电机组频繁启动和进行多套滑差控制装置的连锁控制的技术要求，能够满足机组启动安全并按照给定电流稳定加速。

此外，本发明设计的滑差控制装置还有如下具体技术优势：

1)本发明设计的滑差控制系统考虑到多套滑差控制装置同时工作时，多套滑差控制装置采用连锁控制方法运行，通过不同套滑差控制装置间的连锁控制，多套滑差控制系统按照先后顺序进行加速，避免了同时加速。保证同一时间只有一套滑差装置进行加速，提高了可靠性和运行参数。

2)本发明设计的滑差控制系统中的滑差控制装置采用了三种控制运行方式，分别是快提、提高位、加速运行方式，给定不同的控制参数，每种运行方式都有手动、自动-按钮、自动-WinCC三种操作方式。

3)优化了滑差控制装置的控制策略，在滑差控制装置加速运行方式启动阶段加入时间延迟，防止启动时发电机组系统定子电流过流。

本发明能够有效的提升机组启动的稳定性，避免启动不稳定对机组结构造成冲击，提高了机组启动电流，可以有效地缩短机组启动时间，能够兼顾缩短启动时间和启动稳定性的要求，满足转子电阻短接操作，不会出现机组定子电流过电流现象，避免了机组在启动过程中出现保护跳闸。本装置能够满足了2M托卡马克装置高参数脉冲放电需求，可以将放电时间间隔由20分钟缩短至15分钟。

附图说明

图1为本发明所述的滑差控制系统的结构示意图；

图2为本发明所述的滑差控制系统中多套滑差控制装置的组态网络连接示意图；

图3为本发明所述的滑差控制装置中滑差PLC子站的控制流程图；

图4为本发明设计的滑差控制装置中PID调节器调节流程框图；

图5是发电机组转速上升、机组定子电流、机组转子电流和机组转子电压的波形图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的一种大功率脉冲发电机组转子短接式滑差控制系统及控制方法进行详细说明。

一种大功率脉冲发电机组转子短接式滑差控制系统，包括：8500kw电机、滑差装置、主监控PC机、PLC主站和滑差控制柜和设置在滑差控制柜内的若干套滑差控制装置；8500kw电机分别与滑差装置和滑差控制柜连接，所述每套滑差控制装置内包括：变频器、滑差PLC子站、通讯控制模块和电流测量装置，

所述滑差控制装置内滑差变频器与滑差PLC子站连接，滑差变频器内包含PID调节器，通讯控制模块设置在滑差PLC子站内，电流测量装置与滑差变频器内的PID调节器连接。

所述主监控PC机与PLC主站连接，所述PLC主站还与滑差控制柜连接。

所述每套滑差控制装置内的滑差PLC子站通过滑差控制柜均连接至PLC主站。

所述的滑差装置内包含液体电阻。

所述8500KW电机通过转子串联滑差装置内的液体电阻方式进行启动。

每套滑差控制装置中的滑差PLC子站的控制逻辑中均包含：滑差控制系统提高位运行方式、滑差控制系统快提运行方式和滑差控制系统加速运行方式；

当滑差控制系统运行快提运行方式时，滑差控制装置中的滑差变频器给定频率为50HZ，，滑差装置在10s左右快速提升至预定位一；

当滑差控制系统运行提高位运行方式时，滑差变频器控制给定频率为50HZ，滑差装置提升高位；

当滑差控制系统运行加速运行方式时，滑差控制装置中的滑差变频器给定频率为最高为100Hz，最低为20Hz；引入机组定子侧电流作为反馈信号进行PID调节，滑差装置由高位或预定位一下降至低位

所述若干套滑差控制装置的数量为三套，所述三套滑差控制装置的名称分别为序号一滑差控制装置、序号二滑差控制装置和序号三滑差控制装置。

所述滑差PLC子站与PLC主站的通讯均采用PROFIBUS DP通讯协议；所述主监控PC机与PLC主站之间采用MPI通讯协议。

所述主站PLC控制三套滑差控制装置按照预设的加速顺序先后进行加速运行，三套滑差控制装置预设的加速顺序依次为序号三滑差控制装置、序号一滑差控制装置和序号二滑差控制装置，以此保证同一时间只有一套滑差装置进行加速，避免多套滑差控制装置同时工作。

所述每套滑差控制装置均具有本地控制和计算机控制两种控制方式，计算机控制方式是通过主监视PC机控制PLC主站，并对与PLC主站相连接的滑差PLC子站进行控制；

本地控制方式通过滑差控制柜直接对滑差PLC子站进行控制；

上述本地控制和计算机控制两种控制方式中计算机控制具有优先权。

所述滑差控制系统运行加速运行时，启动阶段具有时间延迟功能；对所述PID调节器进行定子电流停止值和定子电流启动值的数值设定。

所述滑差控制系统提高位运行方式、滑差控制系统快提运行方式和滑差控制系统加速运行方式的每个运行方式都有三种不同操作方法，三种不同操作方法别是手动、自动-按钮、自动-WinCC操作方式。

一种如上所述的大功率脉冲发电机组滑差控制系统的控制方法，包括如下控制步骤：

步骤一：当滑差控制装置中PLC子站满足滑差控制系统启动条件，且PLC子站收到主监控PC机计算机控制或本地控制命令后，机组启动，滑差控制装置延时启动后，滑差变频器开始工作，执行滑差控制系统的加速运行方式；

步骤二：定子电流引入PID调节器接收8500KW电机定子电流信号，控制电极下降速度，控制电极下降速度，电机到达低位后，电极启动完成。

步骤三：在步骤二过程中若机组放电，则滑差控制系统启动快提运行方式，滑差电机提升至预定位一，放电完成后再次加速操作，PID调节器反馈个控制工作，电机达到低位，加速完成。当步骤二过程中机组停机时，滑差控制系统执行提高位运行方式，滑差变频器给定频率为50HZ，滑差装置提升高位。

本发明设计的优化控制策略在于，在滑差控制系统加速运行方式启动阶段加入时间延迟，防止启动时机组系统定子电流过流，延时时间到后滑差装置才进行下降操作，且在下降启动阶段加入斜率控制，变频器给定频率按照斜率上升，下降过程会有一个加速过程。

设定PID调节器的定子电流停止设定值和启动设定值，定子电流超过停止设定值变频器器停止，定子电流降低到启动设定值时变频器重现启动，保护调速机构下降运行方式，提升机组运行状态，避免调速电机频繁启动和停止。

在电极到达低位前，切换变频器反馈给定电流，减小机组定子电流，解决电极下降到低位时，三相极板之间阻值不平衡导致定子电流突然增大超过保护值的现象。电极到达低位后，延时进行短接操作，进一步提高电动机转速。

具体实施例操作包括：

采用自动操作方式下，计算机控制方式通过上位机进行操作，本地控制通过滑差控制柜就地进行操作，计算机控制具有优先权。各个滑差系统接收加速命令后，在综合预定位、指令、回令等条件后予以加速，其中包括把其他机组的加速情况及自身电极的状况作为加速的互锁条件。当切换至手动方式时，所有操作在本地滑差控制柜手动操作。

滑差控制装置设定了两种速度参数驱动电极动作，分别对应滑差装置提升、下降两种运行方式。

滑差装置提升运行方式时，启动阶段加入20s时间延迟，防止定子电流过流，延时时间到后滑差装置才进行下降操作，下降开始阶段，变频器给定频率按照给定斜率2s内由0Hz上升至100Hz。设定PID调节器的定子电流停止设定值和启动设定值，定子电流与变频器给定频率成反比，电流为0时，电极按照变频器给定频率100Hz设定参数全速下降，达到电流停止设定值848A时，变频器给定频率为20Hz，超过848A后，变频器给定频率为20Hz，电极停止下降，电流降至停止启动值845V时，变频器给定频率为20Hz，电极重新下降。

变频器最低给定频率为20Hz而不设定为0Hz，可以有效的保证机组可以更加接近848A的最大定子电流值运行，缩短电机启动时间。定子电流停止设定值和启动设定值存在3A的差值，避免调速电机频繁启动和停止。

将电极位置引入反馈控制，增加极板位置作为变频器的反馈控制量，添加一个预低位行程开关，当控制系统收到预地位信号后，将电流停止设定值由848A降低至700A，改变后机组运行电流降低，能够有效的防治低位电流波动和过电流报警，由于到达低位后定子电流降低，十分有利于后续分级短接操作。消除系统保护风险。

滑差电极到达低位后，延时20s，等待电动机定子电流降低，延时时间到达短接开关动作，滑差电阻并入一固体电阻，再10s延时，将滑差电阻直接进行短接，电机转子串联电阻变为0，进一步提高机组运行转速。

图4是PID调节器功能图，传统的滑差调速仅通过引入一个开关节点信号来控制电极的启动和停止，通过电极操作机构频繁动作或调速电机的频繁动作来进行调速。本装置引入了PID调节，通过1500/5电流互感器测量电动机定子电流，再利用电流变送器将电流转换为0-20mA信号，并接入变频器反馈端口作为反馈信号与给定参数进行比较，该反馈信号同时使用预低位信号进行切换，通过内部PID算法计算出输出频率，驱动调速电机控制滑差电极下降速度，从而改变水电阻阻值调节定子电流。

滑差电阻是随滑差电极位移的变化而变化，其中滑差电极的下降过程为闭环控制过程。电动机定子电流经电流互感器输出二次电流，电流传感器将二次电流变换为与其成正比的直流电压输出，定子电流设定信号和电流传感器输出的直流信号进行比较后，经PID反馈控制单元积分放大的信号控制变频器输出频率，该输出去控制电极下降电机的转速使液体电阻随定子电流而变化。

滑差电阻是随滑差活动电极位移的变化而变化，其中滑差电极的下降过程为闭环控制过程，电动机定子电流经电流互感器输出二次电流，电流传感器将二次电流变换为与其成正比的直流电压输出，定子电流设定信号和电流传感器输出的直流信号进行比较后，经PID反馈控制单元积分放大的信号控制变频器输出，该输出去控制电极下降电机的转速使液体电阻随定子电流而变化。

如图5所示，机组15分钟内快速启动至490rpm，整个启动过程定子电流稳定且接近848A的最高值，反映出机组启动过程平稳且快速。转子电压按照一定斜率下降和转子电流稳定，反映出滑差装置电阻稳定下降，调速系统稳定。

本发明装置中，多套滑差控制装置通过主站PLC进行互锁操作，3套机组按照序号3-1-2的顺序进行加速，多套滑差控制系统通过主站PLC进行互锁操作，3套机组按照3-1-2的顺序进行加速，避免多套滑差系统同时工作。滑差控制系统接收加速命令后，当滑差控制系统收到极板位置处于预定位一、中控指令解除信号、回令条件信号、其他滑差控制装置未加速信号后系统启动加速，当滑差控制系统收到低位信号后停止加速，当转速到达485rpm后，系统发出加速完成信号。当上一套滑差控制系统发出加速完成信号后，其他滑差控制装置满足自身加速条件，滑差控制系统启动加速过程。

通过PLC子站，滑差控制柜可以实现现场监控，可以在机组运行期间还可以通过主监控PC机进行远程监视与控制。采用PROFIBUS DP通讯协议替代大量的远距离布线以及校线工作量；现场总线通信极大简化系统的维护量，减少故障点，增加系统的可靠性。

通过程序实现各套滑差系统间的信号调用，读写程序方便，提高程序的可读性；同时可以在线实时监视程序中变量及语句的执行状态，各参数和各设备的状态可直接动态显示。主监控PC机不仅实现了滑差系统工作状态监控，还具有报警显示、数据归档等功能。

此外本发明设计的滑差控制系统加速方式启动阶段引入时间延迟功能，防止启动时机组系统定子电流过流，延时时间到后滑差装置才进行下降操作，且在下降启动阶段加入斜率控制，直流调速器给定电压按照斜率上升，下降过程会有一个加速过程。

上面对本发明的实施例作了详细说明，本发明并不限于上述实例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (12)

1.一种大功率脉冲发电机组转子短接式滑差控制系统，其特征在于，包括：8500kw电机、滑差装置、主监控PC机、PLC主站和滑差控制柜和设置在滑差控制柜内的若干套滑差控制装置；8500kw电机分别与滑差装置和滑差控制柜连接，所述每套滑差控制装置内包括：变频器、滑差PLC子站、通讯控制模块和电流测量装置，

所述滑差控制装置内滑差变频器与滑差PLC子站连接，滑差变频器内包含PID调节器，通讯控制模块设置在滑差PLC子站内，电流测量装置与滑差变频器内的PID调节器连接。

所述主监控PC机与PLC主站连接，所述PLC主站还与滑差控制柜连接。

2.根据权利要求1所述的一种大功率脉冲发电机组转子短接式滑差控制系统，其特征在于：所述每套滑差控制装置内的滑差PLC子站通过滑差控制柜均连接至PLC主站。

3.根据权利要求2所述的一种大功率脉冲发电机组转子短接式滑差控制系统，其特征在于：所述的滑差装置内包含液体电阻。

4.根据权利要求3所述的一种大功率脉冲发电机组转子短接式滑差控制系统，其特征在于：所述8500KW电机通过转子串联滑差装置内的液体电阻方式进行启动。

5.根据权利要求4所述的一种大功率脉冲发电机组转子短接式滑差控制系统，其特征在于：每套滑差控制装置中的滑差PLC子站的控制逻辑中均包含：滑差控制系统提高位运行方式、滑差控制系统快提运行方式和滑差控制系统加速运行方式；

当滑差控制系统运行快提运行方式时，滑差控制装置中的滑差变频器给定频率为50HZ，，滑差装置在10s左右快速提升至预定位一；

当滑差控制系统运行提高位运行方式时，滑差变频器控制给定频率为50HZ，滑差装置提升高位；

当滑差控制系统运行加速运行方式时，滑差控制装置中的滑差变频器给定频率为最高为100Hz，最低为20Hz；引入机组定子侧电流作为反馈信号进行PID调节，滑差装置由高位或预定位一下降至低位。

6.根据权利要求5所述的一种大功率脉冲发电机组转子短接式滑差控制系统，其特征在于：所述若干套滑差控制装置的数量为三套，所述三套滑差控制装置的名称分别为序号一滑差控制装置、序号二滑差控制装置和序号三滑差控制装置。

7.根据权利要求6所述的一种大功率脉冲发电机组转子短接式滑差控制系统，其特征在于：所述滑差PLC子站与PLC主站的通讯均采用PROFIBUS DP通讯协议；所述主监控PC机与PLC主站之间采用MPI通讯协议。

8.根据权利要求7所述的一种大功率脉冲发电机组转子短接式滑差控制系统，其特征在于：所述主站PLC控制三套滑差控制装置按照预设的加速顺序先后进行加速运行，三套滑差控制装置预设的加速顺序依次为序号三滑差控制装置、序号一滑差控制装置和序号二滑差控制装置，以此保证同一时间只有一套滑差装置进行加速，避免多套滑差控制装置同时工作。

9.根据权利要求8所述的一种大功率脉冲发电机组转子短接式滑差控制系统，其特征在于：所述每套滑差控制装置均具有本地控制和计算机控制两种控制方式，计算机控制方式是通过主监视PC机控制PLC主站，并对与PLC主站相连接的滑差PLC子站进行控制；

本地控制方式通过滑差控制柜直接对滑差PLC子站进行控制；

上述本地控制和计算机控制两种控制方式中计算机控制具有优先权。

10.根据权利要求9所述的一种大功率脉冲发电机组转子短接式滑差控制系统，其特征在于：所述滑差控制系统运行加速运行时，启动阶段具有时间延迟功能；对所述PID调节器进行定子电流停止值和定子电流启动值的数值设定。

11.根据权利要求10所述的一种大功率脉冲发电机组转子短接式滑差控制系统，其特征在于：所述滑差控制系统提高位运行方式、滑差控制系统快提运行方式和滑差控制系统加速运行方式的每个运行方式都有三种不同操作方法，三种不同操作方法别是手动、自动-按钮、自动-WinCC操作方式。

12.一种根据权利要求1至12中任意其一所述的大功率脉冲发电机组滑差控制系统的控制方法，其特征在于包括如下控制步骤：

步骤一：当滑差控制装置中PLC子站满足滑差控制系统启动条件，且PLC子站收到主监控PC机计算机控制或本地控制命令后，机组启动，滑差控制装置延时启动后，滑差变频器开始工作，执行滑差控制系统的加速运行方式；

步骤二：定子电流引入PID调节器接收8500KW电机定子电流信号，控制电极下降速度，控制电极下降速度，电机到达低位后，电极启动完成。

步骤三：在步骤二过程中若机组放电，则滑差控制系统启动快提运行方式，滑差电机提升至预定位一，放电完成后再次加速操作，PID调节器反馈个控制工作，电机达到低位，加速完成。当步骤二过程中机组停机时，滑差控制系统执行提高位运行方式，滑差变频器给定频率为50HZ，滑差装置提升高位。

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