DKT系列直流.docx

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DKT系列直流

DKT系列

伺服电机控制式全可编程调速器

说明书

水利部长江水利委员会

长江控制设备研究所

一九九七年六月

中国·武汉

编写：

潘熙和王丽娟

校核：

郭建业华洁

审查：

郭建业

目录

第一章概述

1.1功能和特点

1.2主要技术参数

1.3结构布置

第二章系统工作原理

2.1系统结构

2.2自动调节

2.3手动操作

第三章可编程调节器

3.1组成与特点

3.2功能模块简介

3.3主程序框图

第四章电机伺服装置

4.1力矩电机驱动电源

4.2力矩电机传动机构

4.3工作原理

第五章机械液压随动装置

5.1各部件简介

5.2工作原理

第六章安装调整与维护

6.1安装

6.2调整

6.3维护

第七章操作大纲

第八章调试大纲

附录：

订货须知

第一章概述

DKT-K系列调速器是应用我所专利技术开发出来的新型调速器。

该专利为“采用伺服电机控制的水轮机电液调速器”（专利号：

95237196.0）。

其特点是用力矩伺服电机作为电气—机械转换部件，而不采用故障机率较高的电液转换器。

此外，电气部分以可靠性极高的日本三菱电机公司A系列可编程序控制器为硬件，使调速器的整机可靠性显著提高。

1.1功能和特点

1.1.1本调速器具有如下功能：

·频率测量与调节：

可测量机组和电网的频率,并实现机组频率的调节和控制。

·频率跟踪：

当跟踪功能投入时，机组频率自动跟踪电网频率，可实现快速自动准同期并网。

·自动调整与分配负荷：

机组并入电网,调速器将根据其整定的bp值和电网频差,自动调整机组的出力。

·负荷调整：

可接受上位机控制指令，实现发电自动控制功能（A.G.C）。

·开停机操作：

接受中控室或上位机指令，实现开停机操作。

·手动操作：

具有电手动操作和机械手动操作功能，并可无条件、无扰动地实现自动运行与手动操作的相互切换。

·能采集并显示调速系统的主要参数,如：

机组频率、电网频率、导叶开度、调节器输出和调节器的整定参数等。

·能方便地实现与上位机的通讯。

·应用户需要，可带上频率计的相关功能。

1.1.2本调速器具有如下主要特点：

·采用力矩伺服电机控制，不用电液转换器，结构简单，工作可靠，耗油量小；

·在测频方法上，充分利用PLC的硬件资源，取消了传统的外部测频方法，采用了PLC的高速计数器和中断、查询相结合的计算方法，使得测频精度高，实时性强，可靠性高，真正实现了整个调节器的“全可编程化”，大大提高了调速器的可靠性；

·在调节技术上，采用连续实时变参数的PID控制算法，根据机组特征与工况，连续、适时改变调节参数，确保系统稳定并具有良好的调节品质，用户无需进行调节参数的设置与整定；

·本调速器提供了非常友善的人机界面，采用了先进的触摸屏技术，其下拉式菜单，中文彩色显示，把用户带入一个全新的操作境界；

·具有电手动操作，便于实现远距离手动操作；

·设有在线自诊断及处理功能，当电气故障时，调速器将自动转入电手动方式运行，将负荷固定于故障前的状态；

·采用钢带反馈，传递精确，且使调速器在电站布置比较灵活；

·自动化程度高，调速器设有开机、停机、发电、调相、增减功率操作回路，只需给调速器相应的操作指令，调速器便能自动完成上述操作。

减少了与水机自动回路的联系。

1.2主要技术参数

1.2.1产品型号说明

DKT系列伺服电机控制式可编程调速器，共有九种型号，分别是：

DKT-80KDKT-100KDKT-150K

DKT-80K-4.0DKT-100K-4.0DKT-150K-4.0

DKT-80K-6.3DKT-100K-6.3DKT-150K-6.3

其中第一节表示伺服电机控制式全可编程调速器；D表示电机驱动；K表示电气部分采用可编程序控制器；T表示调速器；第二节数字表示主配压阀名义直径；第三节表示工作油压，工作油压为2.5MPa时不标注。

1.2.2主要技术指标：

·转速死区ｉX≤0.04％

·静态特性曲线线性度误差ε＜5％·随动系统不准确度ｉa＜1.5％·自动空载三分钟转速摆动相对值≤±0.15％·接力器不动时间Tq＜0.2秒·平均故障间隔时间≮8000ｈ1.2.3主要调节参数范围：

·比例系数Kp0.5～20·积分系数KI0.05～10（1/S）·微分系数KD0～5（S）·永态转差系数bp0～10％·频率人工死区Δｆ0～1.0％·频率跟踪范围ｆG50±5HZ·功率调整范围PG0～100％1.2.4其它技术数据：

·工作油压2.5MPa；4.0MPa；6.3MPa·电机伺服装置最大输出行程90mm·主配压阀名义直径Φ80；Φ100；Φ150（mm）·工作电源：

AC220V≯200WDC110V或220V≯200W

1.3结构及布置

本调速器由电气柜和机械柜两部分组成，电气部分装于电气柜中；机械液压部分装于机械柜内。

机柜面板上布置有转速表、导叶开度表、开限表、平衡表及各种指示灯，还有手动、自动切换按钮和电手动增减按扭。

如果电站布置需要，亦可应用户要求做成机电合一柜。

对于机电合一柜的结构，电气部分装于柜体的上部。

第二章系统工作原理

2.1系统结构

DKT系列调速器的系统结构见图2-1所示的原理框图,它由可编程调节器、电机伺服装置和机械液压随动装置三大部分构成。

三部分的功能如下：

（1）可编程调节器：

以可编程控制器的各功能模块为硬件，与接口功能板、人机界面触摸屏共同构成的高可靠性调节器。

其主要功能是测量水轮发电机组的转速偏差，并将其按一定调节规律转换成控制信号。

（2）电机伺服装置：

由力矩电机驱动电源和力矩电机传动机构组成。

驱动电源包括差值放大电路、脉宽调制电路和桥式驱动电路，传动机构包括力矩电机、螺杆传动机构和反馈位移传感器等。

电机伺服装置的功能是将可编程调节器的控制信号成比例地转换成机械位移。

（3）机械液压随动装置：

它由调节杆件、主配压阀、回复机构、机械开限机构、主接力器及反馈钢带等组成。

它受电机伺服装置输出的位移信号控制，其输出的接力器位移与控制信号成比例，是调速器的执行机构，直接控制水轮机导叶开度，实现水轮机的转速和负荷调节。

2.2自动调节

水轮发电机组有多种运行工况，不同的工况，需要采用不同的控制规律、控制结构和调节参数。

控制规律的形成和系统结构的改变通过软件实现。

现对该系列调速器各自动工况的系统工作原理简述如下：

2.2.1闭环开机

一般电液调速器开机时，测频信号是断开的，由开限机构控制导叶按规定程序运动，实现机组的开环启动。

当转速接近额定值时,接入测频信号,调速系统才进入闭环调节。

DKT系列调速器在整个开机过程中，测频信号一直接入,调速系统始终处于闭环调节状态。

在图2－1中,开机时将频率给定值置于50Hz,机频与频给的差值通过PID运算后，其输出信号带动电机伺服装置,电机伺服装置将输入的控制信号成比例地转换成机械位移。

此位移经机械液压随动装置放大后,控制导叶使机组开机,直至机频达到50Hz，便完成了闭环开机过程。

在机组开机过程和空载运行中，调节器根据机组特征与工况，连续、适时改变调节参数，确保机组并网前运行稳定，并具有良好的调节品质。

2.2.2频率调节

当调速器的频率调节为“频给”方式时，自动空载工况下的调速器受频率给定值控制，调节器对机频与频给的差值进行PID运算,其输出信号带动电机伺服装置和机械液压随动装置，调节导叶开度，直至机组频率等于给定频率，从而实现了频率调节。

频率给定值可通过触摸显示屏进行整定，也可按上位机或自动准同期装置的指令增、减。

2.2.3频率跟踪

当频率调节为“跟踪”方式时,调速器自动将网频作为它的频率给定值。

与频给方式一样，在调节过程中，机组频率将始终趋同于作为给定频率的网频，从而实现了机组频率自动跟踪电网频率的功能。

2.2.4功率调节

机组并网前bp=0。

并网后，机械开限置全开，频给自动整定为50Hz；bp置整定值，实现有差调节；切除微分作用，并投入人工失灵区。

这时，导叶开度根据整定的bp值随着频差变化;并入同一电网的机组将按各自的bp值自动分配功率。

当上位机或机旁的增、减功率按钮发出增、减负荷命令时，功率给定软件就相应改变功率给定值,功给信号一方面通过前馈回路直接叠加于积分输出值,一方面与积分输出值相比较,其差值通过bp回路调整功率。

由于前馈信号的作用,负荷增减较快。

2.2.5自动停机

调速器接到停机令时，给定频率将置于零，与闭环开机的过程类似，机频与频给的差值通过PID运算后,其输出信号带动电机伺服装置和机械液压随动装置控制导叶使机组关机，直至机频为零。

2.3手动操作

2.3.1手动操作

手动操作是可编程调节器或力矩电机驱动电路故障后的操作方式。

此时，调速器切为手动工况，在机械柜面板上点动操作增减按钮（即电手动），或直接旋转力矩电机上的手轮（即机械手动），均可带动机械液压随动装置，控制机组开、停或增减负荷。

手动开机时，将机械开限机构置于全开位置，点动操作“增”按钮或逆时针旋转电机手轮，使导叶开至启动开度；待转速升至80％后，将导叶关至空载开度附近，并根据机组转速细心调节导叶开度，使机组稳定于额定转速。

并网后，点动操作增减按钮，或旋转电机手轮即可手动增减负荷。

手动停机时，操作“减”按钮或顺时针旋转电机手轮，使导叶关至空载开度；与电网解列后，继续手动关闭导叶，直至停机。

此外，在进行机械部分调整时，或在某些特殊情况下，利用机械开限机构手轮也可对调速器进行纯手动操作。

操作时，须先使机械开限机构压住调节杆件，然后将电机伺服装置置于全开，即可用机械开限机构进行纯手动操作。

2.3.2手动自动切换

手动和自动互相切换可随时无条件、无扰动地进行。

自动运行时，当电气部分发生故障，驱动力矩电机的的控制信号将自动被切断，调速器即无扰动的切为手动运行。

必要时，也可随时用机柜上的手自动切换按钮，将调速器切为手动运行。

手动运行时，可编程调节器能自动采集电机伺服装置的反馈电压（相当于导叶接力器开度），并使调节器的输出与其相等。

因而，只要电气部分工作正常，即可随时用手自动切换按钮切至自动工况，接力器不会产生摆动。

第三章可编程调节器

3.1组成与特点

3.1.1可编程调节器组成

DKT-K系列调速器的可编程调节器,其硬件构成有日本三菱公司A系列PLC各功能模块，人机界面的触摸屏（如三菱公司的FX-50U）、接口功能板（AFXIO）。

调节器的硬件构成如下图：

A1S38B

A1S

G60

A1S

G60

A1S

62DA

A1S

64AD

A1S

Y40

A1S

X40

A1S

D62DDDDD

A1S

161

A2AS

CPU

A1S

63P

采样

计数

中断

AFXIO

触摸屏

从图中可看出，PLC各功能模块有：

A1S63P电源模块、CPU模块、A2ASCPU、A1SD62D高速计数模块、A1SX40输入模块、A1SY40输出模块、A1S64AD模/数转换模块、A1S62DA数/模转换模块、A1SG60功能扩展模块以及这些模块所依赖的总线底板A1S38B。

触摸屏（如FX-50DU）是人机对话的窗口，它和A2ASCPU模块通过串口RS422交换信息。

AFXIO接口功能板提供测频用的标准时钟和中断信号，同时给出A1S64AD采样的四个标准信号调理电路。

DKT系列电机控制式可编程调速器电气系统原理图见图3-1。

3.1.2可编程调节器的特点

可编程调节器是一种专为工业环境设计的、进行数字运算和操作的电子系统。

它具有下面一些显著特点：

a、高可靠性

到目前为止，还没有任何一种电子设备达到PLC的可靠水平,例如三菱A系列PLC的平均无故障时间可达到30万小时。

保证PLC高可靠性的主要措施有：

良好的综合设计;选用优质元器件;采用隔离、滤波、屏蔽等抗干扰技术；采用先进的电源技术;采用实时监控技术和故障诊断技术;采用冗余技术;良好的制造工艺等。

b、编程容易、便于使用

具有丰富的指令系统和较大的用户存贮容量；采用与实际电路图非常接近的梯形图编程语言和助记符编程表达方式,程序易编易懂,且可在线或离线进行修改;有功能齐全的各种模块可供选择,不需自制很多接口电路，接线、配置都极为方便。

c、体积小、重量轻，便于安装。

具有故障报警、故障显示功能，便于操作和维修人员检查；可以通过更换模块插件，迅速排除故障。

结构紧凑，与控制对象的硬件连接方式简单，接线少，便于维护。

d、环境要求低，适合于恶劣的工业现场环境。

3.1.3系统设计特点

采用了智能变结构、变参数的调节模式。

并大网前为PID调节，并大网后为PI调节，根据工况辨识自动设置不同的调节参数，以确保各种工况下调节的稳定性和速动性。

具有智能式操作和显示，为运行人员提供了方便、准确、直观的人机界面。

人机对话工具具有全汉化的图形显示功能。

能显示调速器的运行状态、运行参数和在线采样数据，如果切换画面，只需轻轻触摸屏幕相应位置即可，菜单提示和密码设置相结合，使调速器运行即方便又安全。

调速器内设有开机、停机、发电、调相、增减功率等操作回路，只需给调速器相应的操作指令，调速器便能自动完成上述操作，简化了与水机自动操作回路的联系。

3.2功能模块简介

可编程调节器由电源模块A1S63P、CPU模块A2ASCPU、A1SX40直流输入模块、A1SY40晶体管输出模块、模数转换模块A1S64AD、数模转换模块A1S62DA、高速计数模块A1SD62D、中断输入模块A1SI61和总线底板A1S38B构成。

此外，接口功能板AFXIO用于测频信号预处理和AD采集信号调理，触摸屏用于人机对话。

功能扩展模块A1SG60用于功能扩展（备用）。

3.2.1电源模块A1S63P

输入电压DC24V，输出电压DC5V，DC5V供底板总线用。

3.2.2CPU模块A2ASCPU

其主要参数和技术特征见下表。

IP控制方式

刷新方式

指令数

顺控22，基本应用指令239

处理速度（μS/STEP）

0.2

I/O点数

512

内存容量

64K

程序容量

14K

内部继电器数

7144点（M0-M999）（M2048-8191）

锁存继电器数

1048点（L1000-1.2047）

连接继电器数

4096点（B0-BFFF）

定时器数

2048点（缺省为256点）

计数器数

1024点（缺省为256点）

数据寄存器

6144点（D0-D6143）

连接寄存器

4096点（W0-WFFF）

标志寄存器

2048点（F0-F2047）

文件寄存器

8192点（R0-R8191）

累加寄存器数

2点（A0，A1）

变址寄存器数

14点（V，V1-V6，Z，Z1-Z6）

指针数

256点（P0-P255）

中断指针数

32点（I0-131）

特殊继电器数

256点（M9000-M9255）

特殊寄存器数

256点（D9000-D9255）

自诊断功能

Watchdoy（200ms），内存错误，CPU错误，I/O错误

错误时运行模式

停止或继续工作可选

允许断电时间

视所选电源模块而定＞20ms

电流耗散（5VDC）

0.32A

重量（kg）

0.41

3.2.3A1SX40直流输入模块

其主要参数和技术特征见下表。

输入点数

16点

隔离方式

光电耦合

额定输入电压

DC12V

DC24V

额定输入电流

约3mA

约7mA

操作电压范围

DC10.2-26.4V

最大同步输入点数

100%同步（DC26.4V）

通电压/通电流

DC8V以上/8mA以上

断电压/断电流

DC4V以下/4mA以下

输入阻抗

约3.3K欧

响应时间

断→通

10msec以下（DC24V）

通→断

10msec以下（DC24V）

公共点分配

16公共点（公共点：

TB9，TB18）

导通显示器

导通时LEDS灯亮

外部连接

20插头连接器（M3.5×7镙钉）

配线尺寸

0.75mm×mm到1.5mm×mm

内部耗电量（5VDC）

50mA（TYP，所有点都接通）

重量（KG）

0.2

3.2.4A1SY40晶体管输出模块

其主要参数和技术特征见下表。

输入点数

16点

隔离方式

光电耦合

额定负载电压

12/24VDC

运行电压范围

DC10.2-30（峰值电压DC30V）

最大负载电流

0.1A/点，0.8A/公共

最大输入电流

0.4A10msec以下

OFF电路的漏电流

0.1mA以下

ON电路的最大电压降

1.0VDC（TYP）0.1A，2.5VDC（最大）0.1A

响应时间

断→通

20msec以下

通→断

20msec以下（电阻性负载）

浪涌吸收器

稳压二极管

保险率

1.6A（1片/公共），不替换

保险容量

50A

错误显示

保险熔断时LED灯亮：

信号输出到PCCPU

端子分布

8点/公共（公共点：

TB10，TB20）

导通显示器

导通时LEDS灯亮

外部连接

20插头连接器（M3.5×7镙钉）

配线尺寸

0.75mm×mm到1.5mm×mm

外部电源

电压

DC12/24V（DC10.2-30V）

电流

8mA（TYP，DC24V/公共）

内部耗电量（5VDC）

270mA（TYP，所有点都接通）

重量（KG）

0.19

3.2.5模数转换模块A1S64AD

A1S64AD是一个具有四路由模拟量转换成数字量的功能模块，每路通道的模拟量输入可以为电压量或电流量，其主要参数和技术特征见下表。

模拟量输入

电压：

-10V～0～+10V电流：

-20mA～0～+20mA

数字量输出

1/4000：

-4096～+4095，1/8000，-8192～+8191

最大分辨率

电压输入：

2.5mV（1/4000），1.25mV（1/8000），0.83mV（1/12000）

电流输入：

10μA（1/4000），5μA（1/8000）

最大转换时间

20ms/通道

最大输入值

电压：

+15V，电流：

+30mA

模拟量输入数

4通道/模块

隔离方法

输入终端与PC电源之间用光电隔离

占用I/O点数

32点

终端连接端子数

20个

外供电源

不需要

短路耐压时间

外部接线端子对地1500AC，1分钟

绝缘电阻

500MΩ

3.2.6数模转换模块A1S62DA

A1S62DA是一个具有二路由数字量转换成模拟量的模块，每路通道的模拟量输入可以为电压量或电流量，其主要参数和技术特征见下表。

模拟量输入

电压：

-10V～0～+10V电流：

0～20mA

数字量输出

V：

1/4000：

-4000～4000；1/8000：

-8000～8000；1/12000：

-12000～12000

I：

1/4000：

-4000～4000；1/8000：

-8000～8000；1/12000：

-12000～12000

最大分辨率

电压：

2.5mV（1/4000），1.25mV（1/8000），0.83mV（1/12000）

电流：

5μA（1/4000），2.5μA（1/8000），1.7μA（1/12000）

最大转换时间

20ms/2通道

最大输入值

电压：

+12V/-12V，电流：

+28mA

模拟量输入数

2通道/模块

隔离方法

输入终端与PC电源之间用光电隔离

占用I/O点数

32点

终端连接端子数

20个

外供电源

不需要

超路耐压时间

外部接线端子对地1500AC，1分钟

绝缘电阻

500MΩ或更大

偏移/增益调整

短路TEST端子，用GAIN和OFFSET开关调整

内部电流耗散

0.8A（5VDC）

3.2.7高速计数模块A1SD62D和中断输入模块A1SI61

接口功能板AFXIO处理过的时钟信号送入高速计数模块A1SD62D进行计数。

接口功能板AFXIO处理过的机网频中断信号送入中断模块A1SI61，在此两模块的配合下，CPU便能实时计算出机组和电网的频率。

高速计数模块A1SD62D的主要技术参数是：

计数速度

200K

占用的I/O点数

32点

通道数

2

计数输入

相数

1相和2相

信号电平

EIA标准RS-422-A，差分输入

最大计数速度

200KPPS

计数范围

24位二进制（0-16777215）

计数形式

UP/DOWN预置计数和循环计数

输入方波的最小脉宽（占空比50%）

5μm

输出

范围比较

24位二进制

结果比较

设定值＜计数值，设定值=计数值，设定值＞计数值

外部输入

5/12/24VDC，2-5mA

外部输出

晶体管（漏型）输出，12/24VDC，0.5A/点，2A/公共

电源耗散

5VDC0.25A

重量（kg）

0.25

中断输入模块A1SI61的主要技术参数是：

中断点数

16点（中断处理条件设置为4点）

占用的I/O点数

32点

隔离方式

光电耦合

额定电压

12VDC/24VDC

额定电流

12VDC约4mA，24VDC约8mA

正常运行电压范围

10.2V-26.4VDC

最大同步输入

100%同步ON

ON电压/ON电流

9V以上/3mA以上

OFF电压/OFF电流

4V以下/1mA以下

输入阻抗

约2.7KΩ

响应时间

OFF→ON

0.2ms以内

ON→OFF

0.2ms以内

电源耗散（5VDC）

57mA（TYP，所有点ON）

运行显示

ON显示（LED）

连接方法

20芯（M3.5×7镙钉）

重量（kg）

0.2

3.2.8电源系统

水轮机调速器的电源系统是维持调速器自动工作正常的有力保证，为了保证电源系统的可靠性，可编程系列水轮机调速器采用厂用交流、厂用直流（一般为蓄电池，不会掉电）双路供电方式，任一路电源失效，不会影响调速器的自动正常运行。

厂用直流一方面给所有开关电源供电，另一方面给紧急停机电磁阀等操作提供操作电源。

厂用交流通过一电源变压器隔离向所有开关电源供电。

A1S63P采用DC24V的开关电源供电。

此DC24V开关电源还向手自动切换、手自动指示等操作回路提供电源。

力矩电机的工作电源是DC48V开关电源。

模拟调整和比较放大电路用的是±12V开关电源。

测频接口部分采用独立的5V、±12V（共地）的开关电源。

3.3调节器主程序框图

开始

参数初始化

开关量去抖动

调用机频计算子程序

调用网频计算子程序

调用A/D和D/A子程序

水头计算

协联计算

故障计算

Y

调手动子程序

导叶手动

N

Y

调停机子程序

停机

N

Y

调并网子程序

并网