CN206419197U - 一种汽轮机直流油泵控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种汽轮机直流油泵控制装置，其具有成本低、安全性能高、运行稳定、操作智能化、启动电流低、接触器无触点烧结碳化现象等特点。它包括触摸屏模块、控制单元模块和主电路模块；控制单元模块分别与触摸屏模块和主电路模块连接，触摸屏与控制单元模块双向通信；控制单元模块包括PLC模块、霍尔传感器模块、温度传感器模块和IGBT模块；霍尔传感器模块对主电路模块进行电压和电流实时采样；温度传感器对IGBT产生的温度进行实时采样；PLC模块将收集到的电压、电流、温度采样和开关状态信号进行处理后，经触摸屏实时显示，同时完成人机交互过程；PLC模块依次连接PWM辅助电路、IGBT驱动模块和IGBT模块，且与辅助电源模块、霍尔传感器模块和温度传感器模块连接；IGBT模块与主电路模块连接，完成对直流油泵的启停控制；辅助电源模块将主电源转换为DC±15V和DC 24V等电压为各模块供电。

Description

一种汽轮机直流油泵控制装置

技术领域

本发明属于电力电子控制技术领域，尤其涉及利用PWM调制的220V直流蓄电池供电的汽轮机直流油泵控制装置，可实现功率为3.7KW-55KW的直流油泵的调速。

背景技术

大型工厂如发电厂供电系统正常运行过程中，为防止汽轮机轴系高速运转时缺少润滑油而导致轴瓦和轴颈烧坏，油泵需要时刻给汽轮机供应润滑油；因突发状况，工厂交流用电中断或出现故障会导致油泵停止工作，这时需要汽轮机直流油泵控制装置及时启动直流油泵以继续保证汽轮机润滑油的供应，从而为汽轮机的稳定运行保驾护航，直流油泵属于发电厂重要的安保设备，其可靠性是事关主设备安全运行的一个重要参数，因而，性能良好的汽轮机直流油泵控制装置切实关系着发电设备的顺利运行。

传统的直流油泵启动方式是采用直流接触器切换电阻方式，即在直流油泵的电枢回路中串入大功率电阻，当直流油泵启动时通过电阻降压来限制直流油泵的启动电流，在直流油泵的电流或者转速达到期望值时，通过直流接触器将电阻旁路，电阻不再起任何作用，直流油泵通过旁路电路正常工作。该方式的优点是：回路简单，造价低。缺点是：其调速指标不高，调速范围不大，平滑性不好；直流油泵在启动时易发生电流突变，以至于会影响直流工作系统；直流接触器在多次使用后会产生触点烧结现象。

随着脉宽调制技术的成熟与大功率电力电子的广泛运用，使设计新的直流电动机启动方式成为了可能。

脉冲宽度调制(PWM，Pulse Width Modulation)是利用微处理器如PLC的数字输出来对模拟电路进行控制的一种技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。该调制是一种模拟控制方式，是根据其相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。PWM控制技术以其控制简单，灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式。

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

发明内容

本发明的主要目的就是为了解决传统直流油泵启动方式的不足，设计并实现了一种利用PLC控制的，精度较高的，启动时间和频率可调的，直流蓄电池供电的汽轮机直流油泵控制装置，它具有在直流油泵稳定运行时，可以实现自动稳压的功能，没有明显的启动电流冲击；直流油泵启动时没有热损耗，具有节能的功效；对直流电网没有电流冲击，不会影响直流电网上的其它负载正常工作等特点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种汽轮机直流油泵控制装置，它包括触摸屏模块，控制单元模块和主电路模块，控制单元模块分别与主电路模块和触摸屏模块连接，所述触摸屏模块与控制单元模块双向通信；所述控制单元模块包括PLC模块，霍尔传感器模块，温度传感器模块和IGBT模块四个模块，霍尔传感器模块对主电路运行参数进行电压和电流实时采样，温度传感器模块对IGBT进行温度信号实时采集，所采集到的电压、电流和温度信号送入PLC模块；PLC模块依次连接PWM辅助电路、IGBT驱动模块和IGBT模块，IGBT模块与主电路模块连接，对直流油泵进行自动控制；PLC模块把主电路模块的运行参数传给触摸屏模块进行显示，并接受触摸屏模块传来的指令；电源装置为各模块供电。

所述触摸屏模块通过RS485串行接口与控制单元模块进行双向通信，一方面可以实时显示主电路模块的运行参数，另一方面对控制单元模块发出相关指令，并修改相关参数。

所述霍尔传感器模块为电压霍尔元件和电流霍尔元件。

所述触摸屏模块通过RS485协议与控制单元模块通信，触摸屏显示由PLC提供+24V电压；

触摸屏显示包括电压电流菜单，电压电流菜单显示系统的电压电流以及PWM延时和频率大小；

运行状态菜单实时显示系统状态，包括主电路通电状态，直流油泵运行状态，接触器的开断，电压值，电流值正常与否；

事件记录菜单记录油泵的开启，停止，以及过欠压，过欠流状况发生的时间；

PWM工作模式菜单可以对PWM频率及延时时间进行设置，便于针对不同功率的油泵进行合适的运行调速。

所述主电路包括电容C1与并联的电阻R1、二极管D1串联后并联IGBT模块Q1，该电路消除IGBT模块的电压尖峰，减小电流波动；电容C2与并联的电阻R2、二极管D2串联后并联续流二极管D3，该电路消除续流二极管两端的尖峰电压；K1、K2为接触器，M1为直流油泵，L1为电感，Battery为220V直流蓄电池，共同组成了直流油泵供电回路。

所述控制单元、主电路、触摸屏组成的整体安装在机箱内，触摸屏镶嵌在机箱上，在机箱上同时设有停止状态灯、故障灯、启动状态灯、停止按钮、启动按钮以及拨动开关。

所述电源装置包括主电源和辅助电源，其中主电源为220V直流蓄电池，辅助电源为220V供电的开关电源即把直流220V转换为24V、±15V，为IGBT驱动电路和霍尔元件及辅助电路提供电源。

本发明运用PWM脉宽调制的原理来控制IGBT的开通及关断，以PLC为控制核心，设计了一个基于PWM控制的汽轮机直流油泵控制装置，采用电压负反馈闭环控制方式，对直流电压进行线性调节，使加载在油泵上的电压慢慢升高，达到额定转速，同时直流接触器吸合，IGBT退出工作，达到保护蓄电池组及直流油泵，延长油泵寿命的作用。

汽轮机直流油泵控制装置，就是采用PWM调制技术、配置IGBT模块和霍尔传感器模块、温度传感器模块、主电路、散热片系统、微控制器系统，使蓄电池供电的电源系统平稳调整电压，并具有过流，欠压以及温度保护，保障了电网电器的有效使用，确保了系统稳定，安全的运行。

在设计上，本发明的汽轮机直流油泵控制装置主要包括三个部分：控制单元模块、触摸屏模块和主电路模块。

控制单元模块是以高性能控制器为核心的综合控制系统，它包括微控制器模块(PLC)、霍尔传感器、温度传感器和IGBT模块四个模块。该模块可以通过微控制器对主电路运行参数进行电压、电流、温度实时采样，并驱动IGBT来实现对直流油泵的自动控制，同时还可以把主电路模块的运行参数传给触摸屏进行显示，并接受触摸屏模块传来的指令。触摸屏模块通过RS485串行接口与控制单元模块进行通信，一方面可以实时显示主电路模块的运行参数(电压，电流，功率，PWM延时及频率)，另一方面可以对控制单元模块发出相关指令，并修改相关参数(PWM延时及频率)。主电路模块主要为直流油泵提供供电回路，保证直流油泵正常的启动和停止。图2即为汽轮机直流油泵控制装置的总体框图。

其中，主电源为220V直流蓄电池，控制命令操作是通过安在机箱上的按钮和拨动开关来完成的，它可以通过按动启动，停止按钮来完成电动机的启动或停止即本地操作。也可以通过拨动开关将操作设为远方，通过分布式控制系统操作完成直流油泵的启动与停止。频率时间设置可以由安装在机箱上的触摸屏模块来操作完成。

触摸屏模块可以对PLC模块发送指令，同时也可以把PLC处理后的数据实时接收并显示在屏幕上。两个模块通信是由RS485来实现的，同时触摸屏的+24V供电也是有PLC模块提供。电压电流菜单显示系统的电压、电流、PWM延时、频率；运行状态菜单中会实时显示装置状态，包括拨动开关位置，油泵运行状态，接触器的通断，电压值，电流值正常与否。事件记录菜单记录了油泵的开启，停止，以及过欠压，过欠流等状况发生的时间，可以协助操作人员掌握油泵的运行状况，便于油泵的维护。PWM工作模式菜单可以对PWM频率及延时时间进行设置，便于针对不同功率的油泵进行合适的运行调速。

主电路中，C1，R1和D1组成的电路可以消除IGBT模块C，E间的电压尖峰，同时在到同时还可以减小电流波动；C2，R2和D2组成的电路可以消除续流二极管两端的尖峰电压。其中，C1，C2为无感电容，R1，R2为大功率电阻，D1，D2，D3为快速恢复续流二极管。为了降低温度损耗，这些大功率电子器件必须安放在散热片上面。

机箱箱门的红灯代表电动机停止运行，黄灯代表电动机运行出现故障或保护，绿灯代表电动机正在运行；拨动开关用来选择油泵运行于“本地”还是“远方”；红色按钮用于停机操作，绿色按钮用于启动操作。

本发明的操作过程(本地操作)：

(1)检测整台设备的电源接线顺序，分别按一下各个控制按钮，判断是否灵活，准确无误后，接通供电电源。

(2)主电源为直流电动机提供220V电压，并由辅助电源模块提供IGBT模块和霍尔传感器及辅助电路)所需要的+15V和-15V电压以及PLC工作所需要的24V电压。

(3)触摸屏模块设置PWM的时间延时和频率，并把这些命令发送至PLC。

(4)控制命令操作中把拨动开关设置在本地状态。

(5)控制命令操作(启动，停止)使直流油泵以设置好的参数启动，随着PWM脉冲的调制，电压和电流会逐渐上升，直至油泵稳定运行，同时代表启动状态的指示灯(绿)亮，代表停止状态的指示灯(红)灭。PLC会根据运行期间采集到的相关数据进行欠压，欠流保护。如果系统运行出现故障，代表故障状态的黄灯会亮起。

(6)控制命令操作(启动，停止)使直流电动机已设置好的参数停止，随着PWM脉冲的调制，电压和电流逐渐降低直至数值变为0，油泵停止运转，同时代表启动状态的指示灯(绿)灭，代表停止状态的指示灯(红)亮。

(7)操作结束。

当然，我们也可以对上述操作进行远方操作。

RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等优点，其通讯距离可达几千米，在此，分布式控制系统与微处理器模块的通信就是用RS485来完成。

本发明的操作过程(远方操作即DCS操作)：

(1)通电后，将拨动开关置于远方状态，此刻，“启动”，“停止”按钮都不能工作，只有DCS信号有效。

(2)DCS启动信号到来时油泵启动运行，代表停止状态的指示灯(红)灭，代表启动状态的指示灯(绿)亮。

(3)DCS停止信号到来时油泵会逐渐停止运行，此刻代表停止状态的指示灯(红)亮，代表启动状态的指示灯(绿)灭。

(4)操作结束。

在上述操作过程中，PLC会根据运行期间采集到的相关数据将状态信号传送给分布式控制系统，分布式控制系统将会远程显示油泵处于何种状态(启动状态、停止状态或故障状态)。

附图说明

图1为本发明的系统结构图；

图2为控制单元模块结构图；

图3为主电路路图；

图4为机箱箱门结构图。

其中，1.触摸屏模块，2.控制单元模块，201.PLC模块，202.霍尔传感器及辅助电路，203.温度传感器，204.IGBT模块205.IGBT驱动，206.辅助电源，207.主电源，208.辅助电源，209.PWM辅助电路，3.主电路模块，301.停止状态灯，302.故障灯，303.启动状态灯，304.停止按钮，305.启动按钮，306.拨动开关，4.直流油泵，5.分布式控制系统(DCS)，6.DC 220V电源。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

图1中，汽轮机直流油泵控制装置，它包括控制单元模块1、触摸屏模块2和主电路模块3，控制单元模块1与主电路模块3连接，触摸屏模块2与控制单元模块1双向通信。控制单元模块1与分布式控制系统5连接，主电路模块3与直流油泵4连接，DC 220V电源6给控制单元模块1和主电路模块3供电。

图2中，控制单元模块2包括PLC模块201，霍尔传感器模块202，温度传感器模块203和IGBT模块204四个模块，霍尔传感器模块202对主电路模块3运行参数进行电压和电流实时采样，温度传感器模块203对散热片系统进行温度采样，并且送入PLC模块201；PLC模块201依次连接PWM辅助电路209、IGBT驱动205和IGBT模块204，IGBT模块204与主电路模块3连接，对油泵进行自动控制；PLC模块201把主电路模块3的运行参数传给触摸屏模块1进行显示，并接受触摸屏模块1传来的指令；电源装置为各模块供电。电源装置包括辅助电源206，主电源207和辅助电源208，其中主电源207为220V直流蓄电池，辅助电源为220V供电的开关电源即把直流220V转换为24V和±15V，为PLC，IGBT驱动电路和霍尔传感器及辅助电路提供电源。

图3中，主电路包括电容C1与并联的电阻R1、二极管D1串联后并联IGBT模块Q1，该电路消除IGBT模块的电压尖峰，减小电流波动；电容C2与并联的电阻R2、二极管D2串联后并联续流二极管D3，该电路消除续流二极管两端的尖峰电压；K1、K2为接触器，M1为直流油泵，L1为电感，Battery为220V直流蓄电池，共同组成了直流油泵供电回路。

触摸屏1通过RS485串行接口与控制单元模块2进行通信，一方面可以实时显示主电路模块3的运行参数，另一方面对控制单元模块2发出相关指令，并修改相关参数。

触摸屏1通过RS485串行接口与控制单元模块2通信，触摸屏模块由PLC模块提供+24V电压；触摸屏显示包括电压电流菜单，电压电流菜单显示系统的电压电流以及PWM延时和频率大小；运行状态菜单实时显示系统状态，包括主电路通电状态，电机运行状态，接触器的通断，电压值，电流值正常与否；事件记录菜单记录电机的开启，停止，以及过欠压，过欠流状况发生的时间；PWM工作模式菜单可以对PWM频率及延时时间进行设置，便于针对不同功率的直流油泵进行合适的运行调速。

图4中，机箱3设有箱门，在箱门上设有停止状态灯301、故障灯302、启动状态灯303、停止按钮304、启动按钮305以及拨动开关306。

Claims (7)

1.一种汽轮机直流油泵控制装置，它包括触摸屏模块，控制单元模块和主电路模块，控制单元模块分别与触摸屏模块，主电路和分布式控制系统连接，主电路模块与直流油泵连接，其特征是，所述触摸屏模块与控制单元模块双向通信；所述控制单元模块包括PLC模块、霍尔传感器模块、温度传感器模块和IGBT模块四个模块；霍尔传感器模块对主电路模块进行电压和电流实时采样；温度传感器对IGBT产生的温度进行实时采样；电压、电流和温度采样信号送入PLC模块；PLC模块依次连接PWM辅助电路、IGBT驱动模块和IGBT，IGBT与主电路模块连接，对直流油泵进行控制；PLC模块把主电路的运行参数传给触摸屏模块进行显示，并接受触摸屏模块传来的指令；分布式控制系统可接收控制单元模块发送的信息完成对直流油泵的远程控制；电源装置为各模块供电。

2.如权利要求1所述的汽轮机直流油泵控制装置，其特征是，所述触摸屏模块通过RS485串行接口与控制单元模块进行通信，一方面可以实时显示汽轮机直流油泵的运行参数，另一方面对控制单元模块发出相关指令，并修改相关参数。

3.如权利要求1所述的汽轮机直流油泵控制装置，其特征是，所述霍尔传感器采样模块为电压霍尔元件和电流霍尔元件。

4.如权利要求1所述的汽轮机直流油泵控制装置，其特征是，所述触摸屏模块通过RS485协议与控制单元模块通信，触摸屏显示由控制单元模块提供+24V电压；

触摸屏显示包括电压电流菜单，电压电流菜单显示装置的电压电流以及PWM延时和频率大小；

运行状态菜单实时显示装置状态，包括主电路通电状态，直流油泵运行状态，接触器的通断，电压值，电流值，温度值正常与否；

事件记录菜单记录油泵的开启，停止，以及过欠压，过欠流状况发生的时间；

PWM工作模式菜单可以对PWM频率及延时时间进行设置，便于针对不同功率的油泵进行适当的运行调速。

5.如权利要求1所述的汽轮机直流油泵控制装置，其特征是，所述主电路包括电容C1与并联的电阻R1、二极管D1串联后并联IGBT模块Q1，该电路消除IGBT模块的电压尖峰，减小电流波动；电容C2与并联的电阻R2、二极管D2串联后并联续流二极管D3，该电路消除续流二极管两端的尖峰电压；K1、K2为接触器，M1为直流油泵，L1为电感，Battery为220V直流蓄电池，共同组成了直流油泵供电回路。

6.如权利要求1所述的汽轮机直流油泵控制装置，其特征是，所述控制单元、主电路、触摸屏组成的整体设有箱门，触摸屏镶嵌在箱门上，在箱门上同时设有停止状态灯、故障灯、启动状态灯、停止按钮、启动按钮以及拨动开关。

7.如权利要求1所述的汽轮机直流油泵控制装置，其特征是，所述电源装置包括主电源和辅助电源，其中主电源为220V直流蓄电池，辅助电源为220V供电的开关电源即把直流220V转换为24V和±15V，为PLC模块、IGBT驱动电路和霍尔传感器及辅助电路提供电源。