汽轮机危急直流润滑油泵复合型启停装置及控制方法与流程

本公开涉及一种汽轮机危急直流润滑油泵复合型启停装置及控制方法。

背景技术：

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

电厂汽轮机组设计有完善的润滑油系统，当厂用交流电或交流油泵出故障时，由厂用直流供电系统驱动危急直流润滑油泵运转，维持润滑油系统油压，以防汽轮机出现断油烧瓦事故。

作为汽轮机轴承的最后应急供油设备，电池组供电的危机直流润滑油泵的可靠启停极其重要，而由于直流电机换向器的存在，直流电机本身就比交流电机故障率明显高，如果直流电机不加任何限流限压措施强制启动(硬启动)，电机回路会产生特别大的电流浪涌以及于此伴生的电压尖峰，并对回路内所有器件、设备和仪器面临产生极大电压或电流冲击，甚至导致其损坏。对于危机直流润滑油泵启停，目前发电厂主要采用两种解决方案。

第一方案是利用电阻式直流电机软起动装置。在直流电机启动初始级阶段，以电阻限制的直流电机启动电流，启动后短路限流电阻；当直流电机需要关停时，则通过直流接触器强制关断(硬关断)。这种方案好处是电机启动时其抗过流能力特别强，电机启动电流也有所限制；缺点是电机启动电流仍然偏大，而且电机强制关停时电机内的存储磁能会引起接触器触点之间严重燃弧，时间久了会造成接触器触点烧损严重，甚至粘连。

第二方案是利用基于buck变换电路(电压斩波技术)的直流电机软启停装置。其中buck变换电路包含两个核心电力电子开关(主开关igbt和电机续流二极管)。当直流电机启动时，igbt占空比会逐渐由0→1，电机的电枢电压均值会随之由0渐增为直流母线电压；当直流电机关断时，igbt占空比会逐渐由1→0，电枢电压均值会随之由直流母线电压渐降为0。此方案实现了直流电机的平滑启动与关停(软启停)；在直流电机启动时可有效消除对整个回路中仪器设备(如直流电源、接触器和直流电机等)的电流和电压冲击；当直流电机关停时也可安全释放电机剩余磁能。但是电力电子元件(无论是igbt还是续流二极管)抗电压/电流过载能力有限，容易因过压或过流出现短路故障(绝大多数的大功率电力电子器件出现故障时是以内部各极之间的短路结束)，由此可以派生出两个严重问题：第一，如果续流二极管短路时，会使整个直流供电回路短路，进而导致跳闸断电，从而导致汽轮机轴承出现断油烧瓦事故；第二，当igbt短路时，会导致直流油泵被硬启动，且无法关停直流电机。

当然，现在也存在如发明专利cn104707425a，一种电厂应急直流油泵启动器的双机并联装置及其控制方法中提到的将上述两种(电阻式和buck变换式)直流电机软启停装置的并联方案。此方案可在一定程度上增加直流电机启停装置可靠性。这种并联直流电机启停装置工作逻辑大体如下：正常情况下，buck变换式软启停装置负责危急直流润滑油泵的启停；当此装置出现故障，则自动切换到电阻式直流电机启停装置。此方案仍存在如下问题：第一，如果buck变换出现故障，并导致回路保险丝熔断，并联的电阻式电机启停装置自动立刻启动，这个过程延时一般最少在几百毫秒左右，这对于有些品牌(例如西屋)的汽轮机组的润滑油系统来说延时还是太长了；第二，如果buck变换出现故障，并没有导致回路保险丝熔断，直流电机会被直接硬启动，这时并联的电阻式启停装置的投入已经失去意义，而且这种情况下，往往会导致两个并联的启停装置无法正常断电。另外此方案并没有改善电力电子开关比较脆弱，容易因过压或过流烧毁短路问题。

技术实现要素：

本公开为了解决上述问题，提出了一种汽轮机危急直流润滑油泵复合型启停装置及控制方法，本公开既有buck变换式直流电机启停装置的平滑启停的优点，又大幅提升了igbt和续流二极管的抗过载能力。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

一种汽轮机危急直流润滑油泵复合型启停装置，包括依次连接的主接触模块、buck电路和限流模块，其中：

所述主接触模块被配置为用于切断或接入两条直流母线，从而切断或接入直流电压；

所述buck电路包括三个部分，第一部分为直流接触器k2与电力电子开关q1的并联结构，且所述并联结构连接至某条直流母线上，第二部分为保险丝f1和续流二极管d1串联结构，所述串联结构位于所述并联结构的一侧，并接于两根直流母线之间；第三部分为母线电容c1，设置于所述并联结构的另一侧，并接于两根直流母线之间；

所述限流模块设置在其中一条支流母线上，被配置为为待接入的负载进行限流作用。

作为进一步的限定，所述主接触模块为受断电延时继电器控制的直流接触器k1，其中k1-1和k1-2为其主触点，k1-1用于切断或接通正母线，k1-2用于切断或接通负母线，所述直流接触器k1被配置为当控制信号产生时，其常开触点k1-1和k1-2立即吸合；当控制信号消失时，k1-1和k1-2延时t秒释放，延时可调。

作为进一步的限定，所述串联结构接入正负母线之间，如果续流二极管d1在上，续流二极管d1的阳极接正母线，否则，续流二极管d1阴极接负母线。

作为进一步的限定，所述母线电容c1起起滤波作用，连接在正负母线之间。

作为进一步的限定，所述限流模块为包括直流接触器k3与功率电阻r1的并联结构，所述并联结构串联在正母线或负母线上，且功率电阻r1的取值范围应为待接入的负载等效阻值的3％-10％之间。

作为进一步的限定，所述直流接触器k2为一个受通电延时继电器控制的直流接触器，其动作逻辑被配置为当控制信号产生时，其常开触点延时n秒吸合，延时可调；当控制信号消失时，其常开触点立即释放。

作为进一步的限定，所述直流接触器k3为一个受通电延时继电器控制的直流接触器，其动作逻辑被配置为当控制信号产生时，其常开触点延时s秒吸合，延时可调；当控制信号消失时，其常开触点立即释放。

基于上述启停装置的开机控制方法，包括：

远方或当地发出开机指令后，直流接触器k1的两个常开触点k1-1、k1-2立刻吸合，直流接触器k2、k3保持开路状态，电力电子开关q1保持关断状态；

电力电子开关q1在pwm控制信号的控制下不断做开/关动作，且其占空比逐渐由0改变为1，并由全截止状态逐渐过渡到全导通状态，其等效电阻逐渐由接近无穷大下降到0，使得负载端的电压和限流电阻r1的端电压也由零逐渐增加；

电力电子开关q1过渡到全导通状态之后，到另一时刻接触器k2吸合，电力电子开关q1被k2短路，电流全部从k2触点通过；

到后一时刻直流接触器k3吸合。

作为进一步的限定，当电力电子开关q1故障短路时，开机控制过程相当于一个电阻式直流电机启停装置的开机过程，此时装置的限流电阻为r1，限流时间s可调。

作为进一步的限定，当电力电子开关q1故障开路时，开机控制过程相当于一个电阻式直流电机启动装置在延时s秒后开机，且限流电阻r1的限流时间为s-n秒，限流时间可调。

基于上述启停装置的关机控制方法，包括：

远方或当地发出关机指令后，直流接触器k2、k3的常开触点立即释放；此时负载端的电压阶跃性下降，功率电阻r1的端电压由零产生一个小幅阶跃性上升，其升幅等于前者降幅；

随之电力电子开关q1在pwm控制信号的控制下不断做开/关动作，且其占空比逐渐由1变为0，由全导通状态逐渐过渡到全截止状态，其等效电阻逐渐由0ω上升到接近无穷大；同时负载端的电压和限流电阻r1的端电压也逐渐下降到0；

电力电子开关q1过渡到全截止状态后，到另一时刻直流接触器k1释放，关机过程结束，负载端被从电路中切除。

作为进一步的限定，当电力电子开关q1故障短路时，相当于一个电阻式直流电机启停装置的关机过程，此是装置的限流电阻为r1，限流时间t可调。

作为进一步的限定，当电力电子开关q1故障开路时，关机过程为强制关断过程。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

1、由于电阻式和buck变换式直流电机启停装置在电路结构上时级联的，这保证了本公开所述装置，在启停时，回路阻抗特性基本等同于buck变换式装置的回路阻抗特性---回路电阻由大渐变到小或由小渐变到大，实现了电机的平滑启停。

2、由于电阻式和buck变换式直流电机启停装置两者在电路结构上级联的，这保证了本公开所述装置的三个接触器k1/k2/k3的触点都能零电流断开；考虑到接触器的绝大多数故障是在触点切断时，由回路感性电流产生的飞弧造成的，由此本公开所述装置中的接触器的零电流关断就彻底消除了触点飞弧问题，从而大幅延长了接触器的使用寿命，进而也从实质意义上提高了本公开所述装置的可靠性、使用寿命和安全等级。

3、由于电阻式和buck变换式直流电机启停装置两者在电路结构上级联的，电力电子开关q1工作时，其回路中串入了限流电阻r1，从而显著降低的q1开关时产生的瞬态电流和电压的峰值，从大幅提升到了q1的可靠性，进而也从实质意义上提高了本公开所述装置的可靠性、使用寿命和安全等级。

4、本公开所述装置中，虽然电阻式和buck变换式直流电机启停装置在电路结构上级联的，但是在运行逻辑上却是并联的，这就意味着即使相对脆弱的buck变换式直流电机启停装置因意外出故障，本公开所述装置仍然会照常完成直流电机启停，只不过只是以电阻式直流电机启停装置的模式运行而已，可见这种运行逻辑上的并联模式，提高了本公开所述装置的可靠性和安全等级。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本公开的装置结构图；

图2是本公开的装置开机过程示意图；

图3是本公开的装置关机过程示意图；

图4是本公开的q1故障短路时的开机过程示意图；

图5是本公开的q1故障短路时的关机过程示意图；

图6是本公开的q1故障开路时的开机过程示意图；

图7是本公开的q1故障开路时的关机过程示意图；

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”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，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

本实施例提供的汽轮机危急直流润滑油泵启停装置是一种电阻式直流电机启停装置和buck变换式直流电机软启停装置的巧妙融合，两者在电路结构上级联的，并共用一个母线总开关k1。

具体的，如图1所示，一种汽轮机应急直流润滑油泵复合型启停装置包括：主接触器模块、buck变换电路模块和限流电阻模块，并且依图1所示顺序级联。

本公开所述主接触器模块为直流接触器k1，其中k1-1和k1-2为其主触点，k1-1用于切断或接通图中标号为“+”的母线，k1-2用于切断或接通图中标号为“-”的母线。

本公开所述buck变换电路模块是一个buck变换电路单元；本模块内部包含如下三部分。第一部分为直流接触器k2与电力电子开关q1的并联结构；本并联结构即可如图所示串入标号为“+”的母线，也可串入标号为“-”的母线，同时q1和k1的位置可上下互换。第二部分为一个保险丝f1和续流二极管d1串联结构；此串联结构位于k2和q1并联结构的右侧，并接于母线“+”和“-”之间；如果d1在上，d1的阳极接母线“+”，如果f1在上，d1阴极接母线“-”。第三部分为母线电容c1，起滤波作用，位于k2和q1并联结构的左侧，并接于母线“+”和“-”之间，且其正极与母线“+”连接。

本公开所述限流电阻模块是一个直流接触器k3与功率电阻r1的并联结构；此并联结构可如图所示串入母线“-”，也可串入母线“+”，两者在电路功能上等效；其中r1的取值范围应为rl阻值的3％-10％之间。

本公开所述直流电机m1为后接汽轮机危急直流润滑油泵(直流电机类负载)；考虑到其励磁绕组与本公开无关，图中仅画出与本公开有关的m1的电枢绕组；为方便后述内容，在此定义m1运行时的实际输出功率对应的等效电阻为rl。

本公开所述电力电子开关q1为全控电子电子器件igbt，其控制信号为占空比可调的pwm脉冲信号，可用专用pwm脉冲生成电路实现，也可用小型mcu系统经过编程实现。

本公开所述保险丝f1和续流二极管d1串联电路结构是后接直流润滑油泵m1的续流电路，当q1关断期间为m1提供续流回路；当d1因过流或过压导致其短路时，保险丝f1熔断，避免整个回路出现短路而崩溃。

本公开所述直流接触器k1为一个受断电延时继电器控制的直流接触器，k1包含两个主触点k1-1和k1-2，k1动作逻辑为：当控制信号产生时，其常开触点k1-1和k1-2立即吸合；当控制信号消失时，k1-1和k1-2延时t秒释放，延时可调。

本公开所述直流接触器k2为一个受通电延时继电器控制的直流接触器，其动作逻辑为：当控制信号产生时，其常开触点延时n秒吸合，延时可调；当控制信号消失时，其常开触点立即释放。

本公开所述直流接触器k3为一个受通电延时继电器控制的直流接触器，其动作逻辑为：当控制信号产生时，其常开触点延时s秒吸合，延时可调；当控制信号消失时，其常开触点立即释放。

本公开所述直流接触器k1/k2/k3的控制系统与q1的控系统是各自独立的，他们之间只有时序上的联系，逻辑上没有联系。

上述汽轮机危急直流润滑油泵复合型启停装置的控制方法与过程如下：

1.开机过程(如图2所示)：

a、远方或当地发出开机指令(图中高电平)后，接触器k1的两个常开触点k1-1、k1-2立刻吸合(图中低转高电平)；此时接触器k2、k3仍然开路，电力电子开关q1仍关断。

b、随之q1在pwm控制信号的控制下不断做开/关动作，且其占空比逐渐由0→1，并由全截止状态逐渐过渡到全导通状态，其等效电阻逐渐由接近∞下降到0ω；随之m1的电枢电压和限流电阻r1的端电压也由零逐渐增加。

c、q1过渡到全导通状态之后，到t2时刻接触器k2吸合；这时q1被k2短路，电流全部从k2触点通过。

d、到t3时刻接触器k3吸合，此时m1的电枢电压会随之产生一个小的阶跃性上升，上升幅度可通过r1的取值算出。

关机过程(如图3所示)：

a、远方或当地发出关机指令后，接触器k2、k3的常开触点立即释放；此时m1的电枢电压会随之有一个小幅阶跃性下降，而r1的端电压由零产生一个小幅阶跃性上升，其升幅等于前者降幅。

b、随之q1在pwm控制信号的控制下不断做开/关动作，且其占空比逐渐由1→0，由全导通状态逐渐过渡到全截止状态，其等效电阻逐渐由0ω上升到接近∞；同时m1的电枢电压和限流电阻r1的端电压也逐渐下降到0。

c、q1过渡到全截止状态后，到t2时刻k1释放，关机过程结束，m1被从电路中切除。

当q1故障短路时的开机过程(如图4所示)：

q1为igbt，在出现过压或过流时，容易出现内部短路。假定t0时刻起q1就已短路(最恶劣情况)，此时本公开所述装置的开机过程如图4，并说明如下：

a、远方或当地发出开机指令后，接触器k1的常开触点k1-1、k1-2立刻吸合。

b、q1由于短路失去线性调压作用，随之m1的电枢电压产生阶跃性突升，但此过程中m1的启动电流受r1限制，r1越大峰值越小。

c、s秒后到t2时刻，接触器k2吸合，q1被短路，电流全部从k2流过。

d、到t3时刻接触器k3吸合，随之m1的电枢电压会随之产生一个小幅阶跃性上升，上升幅度可通过r1的取值算出；整个开机过程结束。

可见当q1短路，本公开所述装置，在开机时，不再具有电压渐升的软启动功能，相当于一个电阻式直流电机启停装置的开机过程，此时装置的限流电阻为r1，限流时间s可调。

当q1故障短路时的关机过程(如图5所示)：

仍假定最恶劣情况(t0时刻起q1就已因故障而短路)，本公开所述装置的关机过程如图5，说明如下：

a、远方或当地发出关机指令后，接触器k2、k3的常开触点立即释放，m1的电枢电压会随之有一个小幅阶跃性下降，而r1的端电压随之会产生一个等幅跃升。

b、此后t秒内，q1由于短路失去调压作用，m1的电枢电压会保持稳定。

c、直到t1时刻k1释放，m1被强制关断，其剩余磁能量经f1和d1续流后逐渐释放；至此整个关机过程结束，m1被完全从电路中切除。

可见当q1短路，本公开所述装置，在关机时，不再具有电压渐升的软停止功能，相当于一个电阻式直流电机启停装置的关机过程，此是装置的限流电阻为r1，限流时间t可调。

当q1故障开路时的开机过程(如图6所示)：

q1很少出现开路情况，但作为一种故障情况列出。仍假定最恶劣情况，此时本公开所述装置的开机过程如图6，解释如下：

a、远方或当地发出开机指令后，接触器k1的两个常开触点k1-1、k1-2立刻吸合。

b、此后s秒内由于q1开路，m1的电枢仍然开路，相当于装置延时s秒启动。

c、到t2时刻接触器k2吸合，q1被k2短路，m1的电枢电压和电流产生阶跃性突变，启动电流受r1阻值限制。

d、到t3时刻k3吸合，m1的电枢电压会随之产生小幅跃升，上升幅度可经r1取值算出，至此整个关机过程结束。

可见当q1开路时，本公开所述装置，在开机时，相当于一个电阻式直流电机启动装置在延时s秒后开机，且装置的限流电阻r1的限流时间为s-n秒，限流时间仍然可调。

当q1故障开路时的关机过程(如图7所示)：

仍假定最恶劣情况，此时本公开所述装置的关机过程如图7，说明如下：

a、远方或当地发出关机指令后，接触器k2、k3的常开触点立即释放；由于q1已经开路，m1直接被强制断电，d1和f1的串联负责m1的后续续流工作。

b、t秒后的t1时刻k1释放，整个关机过程结束。

可见当q1开路时，本公开所述装置的关机过程就是一个强制关断过程。

当f1故障开路时，其开机过程和关机过程：

当f1因d1短路而熔断后，本公开所述装置中q1注定会因为没有续流通路的存在而被关断瞬间的感应高压击穿，所以f1一旦开路，本公开所述装置就注定只是一个电阻式的直流电机启停装置，其开机过程和关机过程等同图6、图7。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。