CN211826122U - 一种发电机的电子测速系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及小型水电站发电机电子测速领域。一种发电机的电子测速系统，包括测速齿盘，固定在发电机主轴上并随发电机主轴转动；接近开关，感应端朝向所述测速齿盘，并基于测速齿盘转动发出数字脉冲电平信号；脉冲整形电路，接入接近开关的数字脉冲电平信号并做波形整形，使其成为标准电平信号输出；可编程PLC装置，接收脉冲整形电路输出的标准电平信号，运算得出发电机转速。该发电机的电子测速系统通过接近开关和可编程PLC的高数计数功能测量发电机组转速，对机组的残压测频方式进行补充，实现了对机组频率转速的冗余测量控制，提高了机组运行的安全稳定性。

Description

一种发电机的电子测速系统

技术领域

本实用新型涉及发电机电子测速领域，尤其涉及一种小型水电站发电机的电子测速系统。

背景技术

目前我国小型水电站一般通过发电机残压测频方式测量对机组的转速进行采集分析，当机组过速或制动投入时机组残压测频设备检测到相应的频率信号从而发出停机或制动命令以避免运行事故的发生。但是这种单一通过测量机组电压频率来确认机组转速的方法也存在一些问题，主要体现在发电机低转速阶段，机端残压信号较弱，信号易受干扰，时常采集不到残压信号，进而无法准确测量机组频率，如在机组停机的过程中，由于发电机已灭磁且转速不断下降，残压测频也可能会出现测不到频率的情况，造成机组的刹车不能及时投入，甚至会导致机组低速运行烧瓦， 若机组在运行中发生失磁失步的情况，也会导致测频数值不准确，测得的频率数据不能反映机组的实时转速。这些问题都将直接影响发电机组的安全稳定运行。 所以一般同时在发电机旋转主轴旁安装一个接近开关用于测量发电机的实际转速，当残压测频装置无法反映机组实际转速时，用测得的接近开关的转速对机组运行状态进行判断和控制。

发明内容

为了解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种发电机的电子测速系统，该发电机的电子测速系统通过接近开关和可编程PLC的高数计数功能测量发电机组转速，对机组的残压测频方式进行补充，实现了对机组频率转速的冗余测量控制，提高了机组运行的安全稳定性。另外，接近开关成本低廉，测速利用的是机组控制原有的现地控制PLC，不需增加计算机硬件设备，对水电站的自动化控制及无人值守具有积极的意义。

为了实现上述的目的，本实用新型采用了以下的技术方案：

一种发电机的电子测速系统，其特征在于：包括

测速齿盘，固定在发电机主轴上并随发电机主轴转动；

接近开关，感应端朝向所述测速齿盘，并基于测速齿盘转动发出数字脉冲电平信号；

脉冲整形电路，接入接近开关的数字脉冲电平信号并做波形整形，使其成为标准电平信号输出；

可编程PLC装置，接收脉冲整形电路输出的标准电平信号，运算得出发电机转速。

本实用新型采用上述技术方案，该技术方案涉及一种发电机的电子测速系统，该发电机的电子测速系统包括接近开关、测速齿盘和可编程PLC装置，所述的接近开关是一种无需与运动部件进行机械直接接触而可以操作的位置开关，所述的发电机测速齿盘是一个固定在发电机主轴上与发电机主轴一起旋转的齿状金属圆盘。当发电机测速齿盘在发电机主轴旋转过程中靠近所述接近开关的感应面到动作距离时，不需要机械接触及施加任何压力即可使所述接近开关动作，发出数字脉冲，该数字脉冲接入所述可编程PLC的高速计数单元的输入端，从而可编程PLC装置通过运算得出发电机转速。

水轮发电机组的测频测速是机组自动化控制的重要指标，本实用新型介绍了如何利用接近开关通过可编程PLC的高数计数功能测量发电机组转速，对机组的残压测频方式进行补充，实现了对机组频率转速的冗余测量控制，提高了机组运行的安全稳定性。另外，接近开关成本低廉，测速利用的是机组控制原有的现地控制PLC，不需增加计算机硬件设备，对水电站的自动化控制及无人值守具有积极的意义 。

另外，现有的接近开关测速装置，如果接近开关产生的高速计数脉冲输入PLC或单片机的接口如果没有匹配处理好，脉冲传输过程中会产生脉冲波形奇变。PLC高速脉冲计数器对计数脉冲的前后沿口要求脉冲形成的上升、下降沿口响应速度要陡峭，而工业现场的干扰是错综复杂的，由来自控制现场如发电机磁场、电动机的启动停止、大电流接触器的切换、可控硅的调相干扰、 电磁波等干扰群， 就很容易会引起转速计数脉冲前后沿口上出现锯齿口，产生寄生干扰脉冲，寄生毛刺脉冲如果没有得到有效的遏止整形，必然会导致PLC高速计数器的计数精度不稳定、不可靠、产生累计计数误差等一系列问题。

本方案中，当接近开关输出的高电平信号不是电路中标准电平信号，或者是波形不理想，为了提供给PLC输入端标准的电平信号，在接近开关输出的的数字脉冲电平信号与所述可编程PLC的高速计数单元的输入端之间接入一个脉冲整形电路，通过脉冲整形电路对接近开关的数字脉冲电平信号做波形整形，使其成为标准电平信号输出，从而规避工业现场的干扰对PLC信号测量及计算结果的影响。

作为优选，所述接近开关是电感式开关，包括振荡器、开关电路和放大输出电路；振荡器由电感线圈和电容及晶体管组成，并产生一个交变磁场，当有金属物体接近这一磁场时就会在金属物体内产生涡流，从而导致振荡停止，这种信号的变化被放大处理后转换成晶体管开关信号输出并由此识别出有无导电物体接近。

作为优选，所述的接近开关的接线为三线制 NPN型。

作为优选，所述脉冲整形电路包括依次串联的第一反相器、光电耦合器和第二反相器，接近开关输出的数字脉冲接第一反相器的输入端口引脚₁，第一反相器的输出端口引脚₂接光电耦合器的信号输入端口引脚₂，光电耦合器的信号输出端口引脚₄连接第二反相器的输入端口引脚₃，第二反相器的输出端口引脚₄与PLC装置的的高速计数单元的输入端_X0相连接。光电耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。 反相器电路输出电压所代表的逻辑电平与输入相反，反相器使输出电平的边沿更陡，可以达到脉冲整形的目的， 第二反相器的作用是将第一反相器取反的信号恢复。

作为优选，所述第一反相器和第二反相器采用的是CD4069；CD4069由六个COS/MOS反相器电路组成。第一反相器31包括CD4069的信号输入引脚₁、信号输出引脚₂。第二反相器33包括CD4069的信号输入引脚₃、信号输出引脚₄。第一反相器31和第二反相器33均设引脚₁₄接电源，引脚₇接地。接近开关输出的数字脉冲接第一反相器的输入端口引脚₁，第一反相器的输出端口引脚₂接光电耦合器的信号输入端口引脚₂，光电耦合器的信号输出端口引脚₄连接第二反相器的输入端口引脚₃，第二反相器的输出端口引脚₄与PLC装置的的高速计数单元的输入端_X0相连接.

作为优选，所述光电耦合器采用TLP521-1。

作为优选，所述电子测速系统还包括残压测频装置；

所述残压测频装置的信号取自于发电机机端电压互感器，经变压器隔离、滤波后再分别转换为方波信号，方波信号分别与时钟脉冲用与门相与后送入可编程PLC装置；

所述可编程PLC装置基于残压测频装置的信号，运算得出发电机转速。

测频装置主要是通过残压测频，即信号取自于发电机机端电压互感器，经变压器隔离、滤波后再分别转换为方波信号，所述方波信号分别与时钟脉冲用与门相与后送入机组控制PLC的高速输入单元，用于发电机的起励、同期以及刹车等控制，残压测频的优点是通过时钟脉冲和计数运算后得出机组频率，其测频精度较高。同时，为了使机组能更加可靠、安全的运行，在采用机组残压测频的同时另增设一套接近开关测速装置，通过固定在发电机大轴上的齿盘和接近开关，将转速的计数脉冲送入机组现地控制单元PLC的高速计数输入端口，用于计算机组转速（频率），其主要作用是在开机、停机过程中的低转速阶段以及失步过速时，在残压测频装置不能正常测量时，对机组的转速进行测量，保证机组控制单元的正常运行，避免水电站安全事故的发生，提高电站运行管理水平。

附图说明

图1为本实用新型的接近开关接线电路图。

图2为本实用新型发电机齿盘与接近开关安装示意图。

图3为脉冲整形电路的示意图。

图4为第一反相器或第二反相器内部电路示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

如图1-4所示的一种发电机的电子测速系统，包括测速齿盘1、接近开关2、脉冲整形电路3、可编程PLC装置4和残压测频装置。

所述残压测频装置的信号取自于发电机机端电压互感器，经变压器隔离、滤波后再分别转换为方波信号，所述方波信号与时钟脉冲用与门相与后送入可编程PLC装置4。

所述测速齿盘1固定在发电机主轴10上并随发电机主轴10转动。

所述接近开关2感应端朝向所述测速齿盘1，并基于测速齿盘1转动发出数字脉冲电平信号。

所述脉冲整形电路3，接入接近开关2的数字脉冲电平信号并做波形整形，使其成为标准电平信号输出。

所述可编程PLC装置4，接收脉冲整形电路3输出的标准电平信号，运算得出发电机转速；或者是基于压测频装置的信号，运算得出发电机转速。

上述方案中，基于残压测频装置的信号，可编程PLC装置4运算得出发电机转速的具体技术方案可参考公开号为“CN103487650A”的中国发明专利公开文本中记载的技术方案。

在进一步的方案中，所述脉冲整形电路3包括依次串联的第一反相器31、光电耦合器32和第二反相器33，接近开关输出的数字脉冲接第一反相器31的输入端口引脚₁，第一反相器31的输出端口引脚₂接光电耦合器32的信号输入端口引脚₂，光电耦合器32的信号输出端口引脚₄连接第二反相器33的输入端口引脚₃，第二反相器33的输出端口引脚₄与可编程PLC装置4的的高速计数单元的输入端_X0相连接。该处还需要说明一下，上述第一反相器31、光电耦合器32和第二反相器33是如何实现对接近开关2的数字脉冲电平信号做波形整形。在具体实施方案中，如图所示，所述光电耦合器32采用TLP521-1。所述第一反相器31和第二反相器33采用的是CD4069；CD4069由六个COS/MOS反相器电路组成。第一反相器31包括CD4069的信号输入引脚₁、信号输出引脚₂。第二反相器33包括CD4069的信号输入引脚₃、信号输出引脚₄。第一反相器31和第二反相器33均设引脚₁₄接电源，引脚₇接地。接近开关2输出的数字脉冲接第一反相器31的输入端口引脚₁，第一反相器31的输出端口引脚₂接光电耦合器32的信号输入端口引脚₂，光电耦合器32的信号输出端口引脚₄连接第二反相器33的输入端口引脚₃，第二反相器33的输出端口引脚₄与可编程PLC装置4的的高速计数单元的输入端_X0相连接。

所述的接近开关2的接线为三线制 NPN型，接近开关2是电感式开关，包括振荡器、开关电路和放大输出电路；振荡器由电感线圈和电容及晶体管组成，并产生一个交变磁场，当有金属物体接近这一磁场时就会在金属物体内产生涡流，从而导致振荡停止，这种信号的变化被放大处理后转换成晶体管开关信号输出并由此识别出有无导电物体接近。

下面结合三菱FX3U可编程PLC具体讲述一下接近开关2在水轮发电机组的测速应用方法。

首先需在发电机主轴10上固定测速齿盘1，将接近开关2正对齿盘，如图3所示。接近开关2采用三线制NPN型的电感式接近开关2，接入FX3U PLC的输入端，具体接线图如图1所示。FX3Uc系列微型可编程控制器PLC的 X000-X007输入端可以作为一般的输入端口使用，也可以作为高速计数器的输入进行分配，作为高速计数器使用时，对应的基本单元输入编号的滤波器常数会自动变化(X000-X007:5us)，高数计数器的最高响应频率为200KHz。测速源程序如下：

SPD为脉冲密度指令，是采用中断输入的方式对指定时间内的输入脉冲进行计数的指令。SPD指令采用16位运算。

齿盘测速脉冲从X000高速计数端口输入PLC，SPD指令对脉冲的计数时间为1000ms，再经换算将测得的齿盘脉冲转换为发电机的转速转/分，本例中发电机大轴齿盘一圈设有24个齿，发电机额定转速为1000转/分，接近开关2计数频率为24*1000/60=400Hz,在机组过速的情况下，接近开关2的计数频率为24*1400/60=560Hz,接近开关2响应频率依然可以满足机组计数脉冲采集要求。

再通过字左移指令WSFL对测得的转速每三次求一次平均值用于人机界面显示。将机组速过速报警115%额定转速、过速停机115%额定转速、刹车投入35%额定转速等辅助继电器M371~M373信号提供给机组过速及刹车控制的PLC相关程序，用于机组转速的冗余判断。

如图4所示，反相器CD4069由六个COS/MOS反相器电路组成，反相器电源VCC为12V。脉冲整形电路3如图3所示。

上述实施例涉及一种发电机的电子测速系统，测频装置主要是通过残压测频，即信号取自于发电机机端电压互感器，经变压器隔离、滤波后再分别转换为方波信号，经分频输出定时脉冲信号分别与时钟脉冲用与门相与后送入机组控制PLC的高速输入单元，用于发电机的起励、同期以及刹车等控制，残压测频的优点是通过时钟脉冲和计数运算后得出机组频率，其测频精度较高。同时，为了使机组能更加可靠、安全的运行，在采用机组残压测频的同时另增设一套接近开关测速装置，通过固定在发电机大轴上的齿盘和接近开关2，将转速的计数脉冲送入机组现地控制单元PLC的高速计数输入端口，用于计算机组转速频率，其主要作用是在开机、停机过程中的低转速阶段以及失步过速时，在残压测频装置不能正常测量时，对机组的转速进行测量，保证机组控制单元的正常运行，避免水电站安全事故的发生，提高电站运行管理水平。

该发电机的电子测速系统包括接近开关2、测速齿盘1和可编程PLC装置4，所述的接近开关2是一种无需与运动部件进行机械直接接触而可以操作的位置开关，所述的发电机测速齿盘1是一个固定在发电机主轴10上与发电机主轴10一起旋转的齿状金属圆盘。当发电机测速齿盘1在发电机主轴10旋转过程中靠近所述接近开关2的感应面到动作距离时，不需要机械接触及施加任何压力即可使所述接近开关2动作，发出数字脉冲，该数字脉冲接入所述可编程PLC的高速计数单元的输入端，从而可编程PLC装置4通过运算得出发电机转速。

水轮发电机组的测频测速是机组自动化控制的重要指标，本实用新型介绍了如何利用接近开关2通过可编程PLC的高数计数功能测量发电机组转速，对机组的残压测频方式进行补充，实现了对机组频率转速的冗余测量控制，提高了机组运行的安全稳定性。另外，接近开关2成本低廉，测速利用的是机组控制原有的现地控制PLC，不需增加计算机硬件设备，对水电站的自动化控制及无人值守具有积极的意义 。并且，在本方案中，当接近开关2输出的高电平信号不是电路中标准电平信号，或者是波形不理想，为了提供给PLC输入端标准的电平信号；通过脉冲整形电路3接入接近开关2的数字脉冲电平信号并做波形整形，使其成为标准电平信号输出，从而规避工业现场的干扰对计算结果的影响。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种发电机的电子测速系统，其特征在于：包括

测速齿盘（1），固定在发电机主轴（10）上并随发电机主轴（10）转动；

接近开关（2），感应端朝向所述测速齿盘（1），并基于测速齿盘（1）转动发出数字脉冲电平信号；

脉冲整形电路（3），接入接近开关（2）的数字脉冲电平信号并做波形整形，使其成为标准电平信号输出；

可编程PLC装置（4），接收脉冲整形电路（3）输出的标准电平信号，运算得出发电机转速。

2.根据权利要求1所述的一种发电机的电子测速系统，其特征在于：所述接近开关（2）是电感式开关，包括振荡器、开关电路和放大输出电路；振荡器由电感线圈和电容及晶体管组成，并产生一个交变磁场，当有金属物体接近这一磁场时就会在金属物体内产生涡流，从而导致振荡停止，这种信号的变化被放大处理后转换成晶体管开关信号输出并由此识别出有无导电物体接近。

3.根据权利要求1所述的一种发电机的电子测速系统，其特征在于：所述脉冲整形电路（3）包括依次串联的第一反相器（31）、光电耦合器（32）和第二反相器（33），接近开关（2）输出的数字脉冲接第一反相器（31）的输入端口引脚₁，第一反相器（31）的输出端口引脚₂接光电耦合器（32）的信号输入端口引脚₂，光电耦合器（32）的信号输出端口引脚₄连接第二反相器（33）的输入端口引脚₃，第二反相器（33）的输出端口引脚₄与可编程PLC装置（4）的高速计数单元的输入端_X0相连接。

4.根据权利要求3所述的一种发电机的电子测速系统，其特征在于：所述第一反相器（31）和第二反相器（33）采用的是CD4069；CD4069由六个COS/MOS反相器电路组成，第一反相器（31）包括CD4069的信号输入引脚₁、信号输出引脚₂；第二反相器（33）包括CD4069的信号输入引脚₃、信号输出引脚₄；第一反相器（31）和第二反相器（33）均设引脚₁₄接电源，引脚₇接地。

5.根据权利要求3所述的一种发电机的电子测速系统，其特征在于：所述光电耦合器（32）采用TLP521-1。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种发电机的电子测速系统，其特征在于：所述电子测速系统还包括残压测频装置；

所述残压测频装置的信号取自于发电机机端电压互感器，经变压器隔离、滤波后再分别转换为方波信号，方波信号分别与时钟脉冲用与门相与后送入可编程PLC装置（4）；

所述可编程PLC装置（4）基于残压测频装置的信号，运算得出发电机转速。

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