本發(fā)明屬于電力電子控制技術領域，尤其涉及利用PWM調(diào)制的220V直流蓄電池供電的汽輪機直流油泵控制裝置，可實現(xiàn)功率為3.7KW-55KW的直流油泵的調(diào)速。

背景技術：

大型工廠如發(fā)電廠供電系統(tǒng)正常運行過程中，為防止汽輪機軸系高速運轉時缺少潤滑油而導致軸瓦和軸頸燒壞，油泵需要時刻給汽輪機供應潤滑油；因突發(fā)狀況，工廠交流用電中斷或出現(xiàn)故障會導致油泵停止工作，這時需要汽輪機直流油泵控制裝置及時啟動直流油泵以繼續(xù)保證汽輪機潤滑油的供應，從而為汽輪機的穩(wěn)定運行保駕護航，直流油泵屬于發(fā)電廠重要的安保設備，其可靠性是事關主設備安全運行的一個重要參數(shù)，因而，性能良好的汽輪機直流油泵控制裝置切實關系著發(fā)電設備的順利運行。

傳統(tǒng)的直流油泵啟動方式是采用直流接觸器切換電阻方式，即在直流油泵的電樞回路中串入大功率電阻，當直流油泵啟動時通過電阻降壓來限制直流油泵的啟動電流，在直流油泵的電流或者轉速達到期望值時，通過直流接觸器將電阻旁路，電阻不再起任何作用，直流油泵通過旁路電路正常工作。該方式的優(yōu)點是：回路簡單，造價低。缺點是：其調(diào)速指標不高，調(diào)速范圍不大，平滑性不好；直流油泵在啟動時易發(fā)生電流突變，以至于會影響直流工作系統(tǒng)；直流接觸器在多次使用后會產(chǎn)生觸點燒結現(xiàn)象。

隨著脈寬調(diào)制技術的成熟與大功率電力電子的廣泛運用，使設計新的直流電動機啟動方式成為了可能。

脈沖寬度調(diào)制(PWM，Pulse Width Modulation)是利用微處理器如PLC的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種技術，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。該調(diào)制是一種模擬控制方式，是根據(jù)其相應載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實現(xiàn)開關穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定。PWM控制技術以其控制簡單，靈活和動態(tài)響應好的優(yōu)點而成為電力電子技術最廣泛應用的控制方式。

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅(qū)動式功率半導體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優(yōu)點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大；MOSFET驅(qū)動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的就是為了解決傳統(tǒng)直流油泵啟動方式的不足，設計并實現(xiàn)了一種利用PLC控制的，精度較高的，啟動時間和頻率可調(diào)的，直流蓄電池供電的汽輪機直流油泵控制裝置，它具有在直流油泵穩(wěn)定運行時，可以實現(xiàn)自動穩(wěn)壓的功能，沒有明顯的啟動電流沖擊；直流油泵啟動時沒有熱損耗，具有節(jié)能的功效；對直流電網(wǎng)沒有電流沖擊，不會影響直流電網(wǎng)上的其它負載正常工作等特點。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

一種汽輪機直流油泵控制裝置，它包括觸摸屏模塊，控制單元模塊和主電路模塊，控制單元模塊分別與主電路模塊和觸摸屏模塊連接，所述觸摸屏模塊與控制單元模塊雙向通信；所述控制單元模塊包括PLC模塊，霍爾傳感器模塊，溫度傳感器模塊和IGBT模塊四個模塊，霍爾傳感器模塊對主電路運行參數(shù)進行電壓和電流實時采樣，溫度傳感器模塊對IGBT進行溫度信號實時采集，所采集到的電壓、電流和溫度信號送入PLC模塊；PLC模塊依次連接PWM輔助電路、IGBT驅(qū)動模塊和IGBT模塊，IGBT模塊與主電路模塊連接，對直流油泵進行自動控制；PLC模塊把主電路模塊的運行參數(shù)傳給觸摸屏模塊進行顯示，并接受觸摸屏模塊傳來的指令；電源裝置為各模塊供電。

所述觸摸屏模塊通過RS485串行接口與控制單元模塊進行雙向通信，一方面可以實時顯示主電路模塊的運行參數(shù)，另一方面對控制單元模塊發(fā)出相關指令，并修改相關參數(shù)。

所述霍爾傳感器模塊為電壓霍爾元件和電流霍爾元件。

所述觸摸屏模塊通過RS485協(xié)議與控制單元模塊通信，觸摸屏顯示由PLC提供+24V電壓；

觸摸屏顯示包括電壓電流菜單，電壓電流菜單顯示系統(tǒng)的電壓電流以及PWM延時和頻率大?。?/p>

運行狀態(tài)菜單實時顯示系統(tǒng)狀態(tài)，包括主電路通電狀態(tài)，直流油泵運行狀態(tài)，接觸器的開斷，電壓值，電流值正常與否；

事件記錄菜單記錄油泵的開啟，停止，以及過欠壓，過欠流狀況發(fā)生的時間；

PWM工作模式菜單可以對PWM頻率及延時時間進行設置，便于針對不同功率的油泵進行合適的運行調(diào)速。

所述主電路包括電容C1與并聯(lián)的電阻R1、二極管D1串聯(lián)后并聯(lián)IGBT模塊Q1，該電路消除IGBT模塊的電壓尖峰，減小電流波動；電容C2與并聯(lián)的電阻R2、二極管D2串聯(lián)后并聯(lián)續(xù)流二極管D3，該電路消除續(xù)流二極管兩端的尖峰電壓；K1、K2為接觸器，M1為直流油泵，L1為電感，Battery為220V直流蓄電池，共同組成了直流油泵供電回路。

所述控制單元、主電路、觸摸屏組成的整體安裝在機箱內(nèi)，觸摸屏鑲嵌在機箱上，在機箱上同時設有停止狀態(tài)燈、故障燈、啟動狀態(tài)燈、停止按鈕、啟動按鈕以及撥動開關。

所述電源裝置包括主電源和輔助電源，其中主電源為220V直流蓄電池，輔助電源為220V供電的開關電源即把直流220V轉換為24V、±15V，為IGBT驅(qū)動電路和霍爾元件及輔助電路提供電源。

本發(fā)明運用PWM脈寬調(diào)制的原理來控制IGBT的開通及關斷，以PLC為控制核心，設計了一個基于PWM控制的汽輪機直流油泵控制裝置，采用電壓負反饋閉環(huán)控制方式，對直流電壓進行線性調(diào)節(jié)，使加載在油泵上的電壓慢慢升高，達到額定轉速，同時直流接觸器吸合，IGBT退出工作，達到保護蓄電池組及直流油泵，延長油泵壽命的作用。

汽輪機直流油泵控制裝置，就是采用PWM調(diào)制技術、配置IGBT模塊和霍爾傳感器模塊、溫度傳感器模塊、主電路、散熱片系統(tǒng)、微控制器系統(tǒng)，使蓄電池供電的電源系統(tǒng)平穩(wěn)調(diào)整電壓，并具有過流，欠壓以及溫度保護，保障了電網(wǎng)電器的有效使用，確保了系統(tǒng)穩(wěn)定，安全的運行。

在設計上，本發(fā)明的汽輪機直流油泵控制裝置主要包括三個部分：控制單元模塊、觸摸屏模塊和主電路模塊。

控制單元模塊是以高性能控制器為核心的綜合控制系統(tǒng)，它包括微控制器模塊(PLC)、霍爾傳感器、溫度傳感器和IGBT模塊四個模塊。該模塊可以通過微控制器對主電路運行參數(shù)進行電壓、電流、溫度實時采樣，并驅(qū)動IGBT來實現(xiàn)對直流油泵的自動控制，同時還可以把主電路模塊的運行參數(shù)傳給觸摸屏進行顯示，并接受觸摸屏模塊傳來的指令。觸摸屏模塊通過RS485串行接口與控制單元模塊進行通信，一方面可以實時顯示主電路模塊的運行參數(shù)(電壓，電流，功率，PWM延時及頻率)，另一方面可以對控制單元模塊發(fā)出相關指令，并修改相關參數(shù)(PWM延時及頻率)。主電路模塊主要為直流油泵提供供電回路，保證直流油泵正常的啟動和停止。圖2即為汽輪機直流油泵控制裝置的總體框圖。

其中，主電源為220V直流蓄電池，控制命令操作是通過安在機箱上的按鈕和撥動開關來完成的，它可以通過按動啟動，停止按鈕來完成電動機的啟動或停止即本地操作。也可以通過撥動開關將操作設為遠方，通過分布式控制系統(tǒng)操作完成直流油泵的啟動與停止。頻率時間設置可以由安裝在機箱上的觸摸屏模塊來操作完成。

觸摸屏模塊可以對PLC模塊發(fā)送指令，同時也可以把PLC處理后的數(shù)據(jù)實時接收并顯示在屏幕上。兩個模塊通信是由RS485來實現(xiàn)的，同時觸摸屏的+24V供電也是有PLC模塊提供。電壓電流菜單顯示系統(tǒng)的電壓、電流、PWM延時、頻率；運行狀態(tài)菜單中會實時顯示裝置狀態(tài)，包括撥動開關位置，油泵運行狀態(tài)，接觸器的通斷，電壓值，電流值正常與否。事件記錄菜單記錄了油泵的開啟，停止，以及過欠壓，過欠流等狀況發(fā)生的時間，可以協(xié)助操作人員掌握油泵的運行狀況，便于油泵的維護。PWM工作模式菜單可以對PWM頻率及延時時間進行設置，便于針對不同功率的油泵進行合適的運行調(diào)速。

主電路中，C1，R1和D1組成的電路可以消除IGBT模塊C，E間的電壓尖峰，同時在到同時還可以減小電流波動；C2，R2和D2組成的電路可以消除續(xù)流二極管兩端的尖峰電壓。其中，C1，C2為無感電容，R1，R2為大功率電阻，D1，D2，D3為快速恢復續(xù)流二極管。為了降低溫度損耗，這些大功率電子器件必須安放在散熱片上面。

機箱箱門的紅燈代表電動機停止運行，黃燈代表電動機運行出現(xiàn)故障或保護，綠燈代表電動機正在運行；撥動開關用來選擇油泵運行于“本地”還是“遠方”；紅色按鈕用于停機操作，綠色按鈕用于啟動操作。

本發(fā)明的操作過程(本地操作)：

(1)檢測整臺設備的電源接線順序，分別按一下各個控制按鈕，判斷是否靈活，準確無誤后，接通供電電源。

(2)主電源為直流電動機提供220V電壓，并由輔助電源模塊提供IGBT模塊和霍爾傳感器及輔助電路)所需要的+15V和-15V電壓以及PLC工作所需要的24V電壓。

(3)觸摸屏模塊設置PWM的時間延時和頻率，并把這些命令發(fā)送至PLC。

(4)控制命令操作中把撥動開關設置在本地狀態(tài)。

(5)控制命令操作(啟動，停止)使直流油泵以設置好的參數(shù)啟動，隨著PWM脈沖的調(diào)制，電壓和電流會逐漸上升，直至油泵穩(wěn)定運行，同時代表啟動狀態(tài)的指示燈(綠)亮，代表停止狀態(tài)的指示燈(紅)滅。PLC會根據(jù)運行期間采集到的相關數(shù)據(jù)進行欠壓，欠流保護。如果系統(tǒng)運行出現(xiàn)故障，代表故障狀態(tài)的黃燈會亮起。

(6)控制命令操作(啟動，停止)使直流電動機已設置好的參數(shù)停止，隨著PWM脈沖的調(diào)制，電壓和電流逐漸降低直至數(shù)值變?yōu)?，油泵停止運轉，同時代表啟動狀態(tài)的指示燈(綠)滅，代表停止狀態(tài)的指示燈(紅)亮。

(7)操作結束。

當然，我們也可以對上述操作進行遠方操作。

RS-485接口具有良好的抗噪聲干擾性，長的傳輸距離和多站能力等優(yōu)點，其通訊距離可達幾千米，在此，分布式控制系統(tǒng)與微處理器模塊的通信就是用RS485來完成。

本發(fā)明的操作過程(遠方操作即DCS操作)：

(1)通電后，將撥動開關置于遠方狀態(tài)，此刻，“啟動”，“停止”按鈕都不能工作，只有DCS信號有效。

(2)DCS啟動信號到來時油泵啟動運行，代表停止狀態(tài)的指示燈(紅)滅，代表啟動狀態(tài)的指示燈(綠)亮。

(3)DCS停止信號到來時油泵會逐漸停止運行，此刻代表停止狀態(tài)的指示燈(紅)亮，代表啟動狀態(tài)的指示燈(綠)滅。

(4)操作結束。

在上述操作過程中，PLC會根據(jù)運行期間采集到的相關數(shù)據(jù)將狀態(tài)信號傳送給分布式控制系統(tǒng)，分布式控制系統(tǒng)將會遠程顯示油泵處于何種狀態(tài)(啟動狀態(tài)、停止狀態(tài)或故障狀態(tài))。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結構圖；

圖2為控制單元模塊結構圖；

圖3為主電路路圖；

圖4為機箱箱門結構圖。

其中，1.觸摸屏模塊，2.控制單元模塊，201.PLC模塊，202.霍爾傳感器及輔助電路，203.溫度傳感器，204.IGBT模塊205.IGBT驅(qū)動，206.輔助電源，207.主電源，208.輔助電源，209.PWM輔助電路，3.主電路模塊，301.停止狀態(tài)燈，302.故障燈，303.啟動狀態(tài)燈，304.停止按鈕，305.啟動按鈕，306.撥動開關，4.直流油泵，5.分布式控制系統(tǒng)(DCS)，6.DC 220V電源。

具體實施方式

下面結合附圖與實施例對本發(fā)明做進一步說明。

圖1中，汽輪機直流油泵控制裝置，它包括控制單元模塊1、觸摸屏模塊2和主電路模塊3，控制單元模塊1與主電路模塊3連接，觸摸屏模塊2與控制單元模塊1雙向通信。控制單元模塊1與分布式控制系統(tǒng)5連接，主電路模塊3與直流油泵4連接，DC 220V電源6給控制單元模塊1和主電路模塊3供電。

圖2中，控制單元模塊2包括PLC模塊201，霍爾傳感器模塊202，溫度傳感器模塊203和IGBT模塊204四個模塊，霍爾傳感器模塊202對主電路模塊3運行參數(shù)進行電壓和電流實時采樣，溫度傳感器模塊203對散熱片系統(tǒng)進行溫度采樣，并且送入PLC模塊201；PLC模塊201依次連接PWM輔助電路209、IGBT驅(qū)動205和IGBT模塊204，IGBT模塊204與主電路模塊3連接，對油泵進行自動控制；PLC模塊201把主電路模塊3的運行參數(shù)傳給觸摸屏模塊1進行顯示，并接受觸摸屏模塊1傳來的指令；電源裝置為各模塊供電。電源裝置包括輔助電源206，主電源207和輔助電源208，其中主電源207為220V直流蓄電池，輔助電源為220V供電的開關電源即把直流220V轉換為24V和±15V，為PLC，IGBT驅(qū)動電路和霍爾傳感器及輔助電路提供電源。

圖3中，主電路包括電容C1與并聯(lián)的電阻R1、二極管D1串聯(lián)后并聯(lián)IGBT模塊Q1，該電路消除IGBT模塊的電壓尖峰，減小電流波動；電容C2與并聯(lián)的電阻R2、二極管D2串聯(lián)后并聯(lián)續(xù)流二極管D3，該電路消除續(xù)流二極管兩端的尖峰電壓；K1、K2為接觸器，M1為直流油泵，L1為電感，Battery為220V直流蓄電池，共同組成了直流油泵供電回路。

觸摸屏1通過RS485串行接口與控制單元模塊2進行通信，一方面可以實時顯示主電路模塊3的運行參數(shù)，另一方面對控制單元模塊2發(fā)出相關指令，并修改相關參數(shù)。

觸摸屏1通過RS485串行接口與控制單元模塊2通信，觸摸屏模塊由PLC模塊提供+24V電壓；觸摸屏顯示包括電壓電流菜單，電壓電流菜單顯示系統(tǒng)的電壓電流以及PWM延時和頻率大?。贿\行狀態(tài)菜單實時顯示系統(tǒng)狀態(tài)，包括主電路通電狀態(tài)，電機運行狀態(tài)，接觸器的通斷，電壓值，電流值正常與否；事件記錄菜單記錄電機的開啟，停止，以及過欠壓，過欠流狀況發(fā)生的時間；PWM工作模式菜單可以對PWM頻率及延時時間進行設置，便于針對不同功率的直流油泵進行合適的運行調(diào)速。

圖4中，機箱3設有箱門，在箱門上設有停止狀態(tài)燈301、故障燈302、啟動狀態(tài)燈303、停止按鈕304、啟動按鈕305以及撥動開關306。