对不同种类水轮机调速器的分析和探究

左卫英

摘要:目前，水电厂所使用的水轮机调速器主要是电液伺服阀类、比例伺服阀类以及电机类调速器，在调速系统运行中，不同种类有不同的优缺点，本文主要通过逐一分析讨论，数据比较，并且结合发展方向，确定最为适合的调速器，调高水电行业的整体效率和技术。

关键字：水轮机 调速器 比较

中图分类号: U261.27文献标识码：A文章编号：

引言

水轮机调速器作为水电站的基础设备，它的作用尤为突出，能够合理的选择适合的水轮机调速器很重要。在整个水轮机的系统中，调速器是维持发电机组频率稳定以及负载的重要环节，并且受自动化系统的控制，保证起作用的正常发挥，配合水电站完成发电工作。以下主要介绍水轮机调速器的合理选择性。

1水轮机调速器的概述

水轮机调速器的作用是保证水轮发电机组的频率稳定、维持电力系统负荷平衡,并根据操作控制命令完成各种自动化操作,是水电站的重要基础控制设备。虽然,国内外水轮机微机调速器的型式各异.但总体上都具有如图1 所示的微机调节器、电液转换环节、液压放大环节、位移反馈几个部分,它们与水轮机的接力器油缸共同组成一个闭环的水轮机微机调速系统。

图l水轮机微机调速器的系统构成

其中电液转换环节的作用是将微机调节器的电信号转换成液压信号,处在整个调速器系统的机电结合交点上,是调速系统的关键部件,其性能直接关系到整个调速系统的控制精度、响应性能.也直接制约着整个系统工作的可靠性。按照电液转换型式的不同,目前水电行业内主要有以下三类调速:电液伺服阀类、比例伺服阀类和电机类调速器。

电液伺服阀类调速器出现较早,在经历了数十年使用经验的积累及加工手段的改进后,性能有了较大提高。然而基本结构却没有什么本质变化,抗油污能力没有多少改观,已趋于被市场淘汰。

2比例伺服阀类调速器和电机类调速器的分析比较

2.1 比例伺服阀类调速器

比例伺服阀是在电液伺服阀基础上发展起来的,它输出的流量或压力连续且与输人的电信号成比例。目前国外大多采用该阀作为电液转换环节构成水轮机微机调速器,国内部分厂家如南瑞、东方电机也采用该阀作为电液转换环节。

如图2 所示,比例伺服阀微机调速器采用的是微机调节器+ 电液随动系统型系统结构形式。其中比例驱动电路、电液比例伺服阀及阀芯反馈共同构成电液转换环节,辅助接力器与主配压阀共同构成液压放大环节。

图2比例伺服阀微机调速器系统框图

在电液比例伺服阀调速器系统中,存在两种闭环的反馈控制,如图2 所示,第一种是阀内的小闭环。阀内反馈是阀芯位置反馈。另一种是调速器系统输出量-------一接力器位置的实际值大闭环反馈。

比例伺服阀无控制油流输出;当一端比例电磁铁输人一定的电气信号时,阀芯在比例电磁铁的作用下作相应的移动,并输出一定的流量,输出流量的大小与控制信号成比例。

在正常稳定运行状态下,电液比例阀和手动阀的输出流量为零,主配压阀活塞在压力差的作用下处于平衡位置,主接力器不动。当在比例伺服阀有流量输出时,或在手动工况下手动阀有输出流量时,由于比例伺服阀的负反馈的存在,这些输出流量均可以近似线性地转换成主配压阀活塞的位移,使主配压活塞偏离中位,控制主接力器动作。紧急停机时,紧停阀动作,切断比例伺服阀和手动阀的压力油路,使辅助接力器上腔接通回油,实现紧急停机。

2.2 电机类调速器

步进电机按步序脉冲工作,是数控执行元件,可以接受由计算机、单片机发出的数字步序信号直接控制,而无须经DA转换环节,较伺服电机更具有先进性。电机输出是机械旋转角度信号,不能直接将它应用于调速器的电液转换环节,须加一定的转换机构,将机械旋转角度信号变换为位移信号。将步进电机的机械旋转角度信号变换为位移信号主要有三种方式:(l)凸轮渐开线方式;(2) 滚珠丝杆方式;(3) 步进液压缸方式。其中凸轮渐开线方式和步进液压缸方式构成的电液转换环节,均无良好的“复中”特性.必须设置电液转换环节的小闭环反馈,系统构成较复杂。在此,以具有自动“复中”能力的滚珠丝杆方式说明步进电机类调速器。

步进电机微机调速器也采用的是微机调节器十电液随动系统型系统结构。步进电机驱动器与步进电转构成调速器电液随动系统的电液转换环节,由引导阀和主配压阀构成调速器电液随动系统的液压放大环节,微机调节器通常也以可编程控制器(PLC) 或双路冗余的工控机（IPC）为核心构成。

电液转换环节的原理是,当调节器输出开方向信号时,步进电机带动滚珠丝杆转动,使丝杆轴承副向下运动,同时也压迫着连接体克服弹簧向上的压力带动上环垫随之向下运动;当调节器输出关开方向信号时,步进电机带动滚珠丝杆转动,使丝杆轴承副向上运动,同时也压迫着连接体克服弹簧向下的压力带动下环垫随之向上运动。当控制信号为零时,在弹簧的作用下,使丝杆轴承副回到中间位置。电液转换部件带动引导阀上下动作,通过引导阀带动主配压阀上下运动,控制接力器。

两种水轮机微机调速器的对比

从抗油污能力上比较,比例伺服阀类调速器电转需要用油,对油质有要求。步进电机类调速器整个电液转换部件不用油,对油质无要求,且极大降低了电液随动系统的油耗。

从控制方式上比较,数字式液压伺服系统按电液转换环节接口控制方式主要分为两大类:间接数字控制和直接数字控制。间接数字控制是指电液伺服系统通过D/A 转换环节,以模拟量接口实现数字控制。比例伺服阀采用4~20 m A 的线性电流作为驱动信号,微机调节器必须通过D/A转换环节以模拟量接口实现控制,因此比例伺服阀调速器是一个典型的间接控制方式的数字式液压位置伺服系统。传统的各类伺服阀也都属于这类伺服系统。与间接数字控制方法相反,控制量不通过D/A接口直接以数字开关信号与电液伺服系统接口实现数字控制的方式称为直接数字控制。目前主要有以下两种方式实现。

其一是利用数字执行元件------一步进电机加适当的旋转------直线运动转换机构驱动阀芯实现直接数字控制,由于这类数字控制元件一般按步进的方式工作,因而常称为步进式数字阀或离散式比例阀。通过合理的设计,这类阀具有重复精度高及无滞环的优点。

其二是对高速开关阀的PWM(脉宽调制) 控制。通过控制开关元件的通断时间比,以获得在某一段时间内流量的平均值,进而实现对下一级执行机构的控制。在流体动力系统中,这种控制方式的控制信号是开关量,因而是直接数字控制。目前在中、小型调速器已经有一定应用,但对于大型调速器由于流量限制和“油锤效应”等问题,还不能应用。但随着计算机技术在流体控制系统中的大量应用,数字化成了一种必然的趋势。

3结语

通过本文的探讨与分析，详细的了解了水轮机调速器的工作原理，进一步比较两种不同调速器的工作效率，结合实际工作需要，明确顺利完成水电站工作，符合自动化控制技术的发展，选择电机类调速器作为水电长的水轮机调速器，因为这类调速器明显有优越性。

4参考文献

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[2] 张江滨，姚李孝，杨晓萍，焦尚彬.功能叠加式水轮机微机调速器应用[J].

[3] 廖忠,刘清，沈祖诒c=h.水电机组调速器控制技术发展与应[J].