水輪機(jī)液壓調(diào)速器是水電站的重要控制設(shè)備，可分為機(jī)械液壓型和電氣液壓型，其中，TT、YT系列機(jī)械液壓型調(diào)速器投運(yùn)數(shù)萬臺(tái)，現(xiàn)在仍有數(shù)千臺(tái)在使用。隨著電站控制的自動(dòng)化水平提高，機(jī)械液壓型調(diào)速器已完全不能適應(yīng)電站控制需要；機(jī)械液壓型調(diào)速器的大量生產(chǎn)使用始于20世紀(jì)50～60年代，到2000年左右已停產(chǎn)，當(dāng)前甚至無法提供備品備件，這使得許多機(jī)械調(diào)速器設(shè)備完全手動(dòng)運(yùn)行或停止運(yùn)行。大量的小水電站容量小，發(fā)電量少，經(jīng)濟(jì)效益差，希望提高自動(dòng)化水平，減少人力成本。而調(diào)速器自動(dòng)化程度高低是電站自動(dòng)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一；調(diào)速器在小水電的設(shè)備成本中占有一定比例，機(jī)組越小，比重越大。有許多小電站業(yè)主希望用較低的成本將現(xiàn)有機(jī)械型的調(diào)速器改造為操作簡(jiǎn)單，性能可靠，并滿足無人值班、少人值守的電站自動(dòng)化控制需要的微機(jī)調(diào)速器。目前，國(guó)家投入資金對(duì)全國(guó)的小水電站進(jìn)行改造；因此，針對(duì)機(jī)械液壓型水輪機(jī)調(diào)速器特點(diǎn)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單實(shí)用的方案，對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)改造有重要意義。
1 液壓系統(tǒng)改造
對(duì)機(jī)械液壓型調(diào)速器的改造一般采用保留其油壓系統(tǒng)、主接力器及主配壓閥，去掉飛擺杠桿部分?？紤]到兼顧TT型、XT型等多種型號(hào)調(diào)速器改造和實(shí)際施工及無杠桿化需要，本文的改造設(shè)計(jì)去掉了飛擺杠桿、主配壓閥，保留其油壓系統(tǒng)、主接力器和機(jī)械手動(dòng)部分。
改機(jī)械液壓調(diào)速器為微機(jī)調(diào)速器可有多種方案。其關(guān)鍵點(diǎn)在于電液轉(zhuǎn)換方式的可靠性及對(duì)原設(shè)備的充分利用和低成本。
1.1 電液轉(zhuǎn)換方式選擇
（1）步進(jìn)電機(jī)式：特點(diǎn)是便于數(shù)控，線性度好，抗油污性較好，但動(dòng)態(tài)性能稍差，有停電不回中的問題。
（2）比例閥：特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)性能好，但對(duì)油質(zhì)要求高，成本也相對(duì)偏高。
（3）數(shù)字開關(guān)閥：特點(diǎn)是抗油污性好，調(diào)節(jié)性能中。
大量的TT、YT系列機(jī)械液壓型調(diào)速器運(yùn)行于小水電站，電站維護(hù)能力差，而其原設(shè)備的濾油部件簡(jiǎn)單，本文綜合數(shù)字開關(guān)閥和比例閥的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)低成本且可靠的數(shù)字高速開關(guān)球閥＋比例液動(dòng)閥的電液轉(zhuǎn)換器。液壓系統(tǒng)圖見圖1。
1.緊急停機(jī)閥2.電磁球閥13.電磁球閥24.邏輯閥5.液動(dòng)閥
圖1 基于數(shù)字開關(guān)比例閥的調(diào)速器液壓控制系統(tǒng)
1.2 數(shù)字開關(guān)比例閥工作原理
（1）數(shù)字開關(guān)比例閥工作原理
以電磁球閥為先導(dǎo)閥，其輸出控制液動(dòng)閥，液動(dòng)閥輸出控制調(diào)速器接力器；電磁球閥的控制輸入是可調(diào)PWM數(shù)字脈沖電壓，球閥工作在開關(guān)調(diào)節(jié)狀態(tài)，開關(guān)速度是數(shù)十毫秒級(jí)，達(dá)15000次/小時(shí)，改變球閥通斷的占空比，即改變進(jìn)入液動(dòng)閥的油流量，改變液動(dòng)閥閥芯位置，液動(dòng)閥的閥芯的移動(dòng)行程與進(jìn)入的油量成比例，液動(dòng)閥工作在比例狀態(tài)，也就按比例控制進(jìn)入接力器的油流量，實(shí)現(xiàn)數(shù)字開關(guān)比例控制，此系統(tǒng)*大優(yōu)點(diǎn)是壓降小，抗油液污染強(qiáng)，可靠性極高。兼?zhèn)鋽?shù)字開關(guān)閥和比例閥的優(yōu)點(diǎn)。
（2）緊急停機(jī)閥與液動(dòng)閥的協(xié)調(diào)和閉鎖
緊急停機(jī)閥是由一個(gè)二位四通帶定位裝置的電磁換向閥，線圈b通電，電磁球閥1通電，壓力油經(jīng)先導(dǎo)閥并通過電磁球閥進(jìn)入液動(dòng)換向閥的左腔，推動(dòng)滑柱向右移動(dòng)，主油路打開，壓力油進(jìn)入接力器油腔，接力器開始工作。電磁球閥斷電，液動(dòng)閥閥芯在對(duì)中彈簧作用下復(fù)位，主油路切斷，接力器停止工作。緊急停機(jī)閥線圈b通電，電磁球閥2通電時(shí)，接力器反向運(yùn)動(dòng)。任何狀態(tài)下，緊急停機(jī)閥線圈a通電時(shí)，壓力油經(jīng)邏輯閥進(jìn)入液動(dòng)閥左腔推動(dòng)閥芯快速移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)緊急停機(jī)。停機(jī)時(shí)間可以通過調(diào)節(jié)限位閥的位置整定。其閥塊組裝圖見圖2，實(shí)物見圖3。
1.主過渡板2.液動(dòng)閥安裝板3.液動(dòng)閥4.限位閥
5.電磁球閥16.電磁球閥27.緊急停機(jī)閥
圖2 閥件組裝圖
圖3 閥件組照片
新液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)化了油壓控制和機(jī)械反饋，主要元件采用工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)元器件，以保證設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性，且方便維修與更換。液壓系統(tǒng)保留了原有2.5MPa的供油裝置，儲(chǔ)油罐、接力器油缸、回油箱、接力器反饋桿。
1.3 液動(dòng)閥流量計(jì)算與選擇
調(diào)速器接力器油缸容積為：
V＝S×Y
式中：S為接力器面積，cm2；Y為接力器行程，cm。
接力器調(diào)速功為：
A＝Y(jié)×S×Pr
式中：Pr為油壓，MPa。
液動(dòng)閥流量為：
Q＝V/t＝（A/Pr/1000/t）×60
式中：t為*短的開關(guān)機(jī)時(shí)間，s。
根據(jù)水輪機(jī)調(diào)速器的相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)速器關(guān)機(jī)時(shí)間在3～30s內(nèi)可調(diào)，在選取接力器關(guān)機(jī)動(dòng)作時(shí)間3s的條件下，計(jì)算配YT600的調(diào)速器的液動(dòng)閥流量如下。
YT600的調(diào)速器調(diào)速功為6000N·m，接力器行程175mm，設(shè)計(jì)壓力2.5MPa，*短關(guān)機(jī)時(shí)間3s，取安全壓力為0.8倍設(shè)計(jì)壓力（2MPa）計(jì)算。
液動(dòng)閥*大流量為：
Q1＝（6000/2000/3）×60＝60L/min
YT1000調(diào)速器液動(dòng)閥*大流量為：
Q2＝（10000/2000/3）×60＝100L/min
在改造YT600時(shí)，計(jì)算*大流量為60L/min，考慮油路損耗系數(shù)1.2，選用流量60×1.2＝72L/min，選用標(biāo)準(zhǔn)液壓件G04，根據(jù)液動(dòng)閥G04流量特性曲線查得過流量72L/min時(shí)油壓壓降0.15bar，此壓降對(duì)調(diào)速功影響極小。
2 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
調(diào)速器電氣控制系統(tǒng)應(yīng)具備以下要求：
（1）遠(yuǎn)控通信接口（通常是CANBUS或RS485），能與上位機(jī)交換數(shù)據(jù)并接收上位機(jī)的通信控制，可以方便電站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控。
（2）對(duì)調(diào)速器控制的所需的信號(hào)進(jìn)行采集；如頻率、轉(zhuǎn)速、開度、遠(yuǎn)控信號(hào)等。
（3）實(shí)現(xiàn)給定頻率調(diào)節(jié)、電網(wǎng)頻率跟蹤、出力控制、故障自診斷報(bào)警和容錯(cuò)等功能。
（4）人機(jī)界面用觸摸屏。
目前的調(diào)速器采用微機(jī)控制方式，通用的是可編程控制器PLC和單片機(jī)，這兩種方式有如下特點(diǎn)。
2.1 硬件特點(diǎn)
PLC是一種通用控制器，一般采用積木式結(jié)構(gòu)，將控制器分為CPU模塊、通信模塊、I/O模塊、A/D模塊等滿足不同用戶需要，如果用于調(diào)速器控制還要單獨(dú)設(shè)計(jì)輸入測(cè)量和輸出控制的電路板。硬件和軟件開發(fā)相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)開發(fā)人員要求較低，但集程度低，成本相對(duì)高。
單片機(jī)接口豐富，功能全面，在芯片上除CPU外，還集成了通信、I/O口、A/D轉(zhuǎn)換、PWM等功能，而且可將調(diào)速器的輸入輸出控制集成在一塊電路板上，集成度高，抗干擾能力強(qiáng)，成本低，但對(duì)開發(fā)人員要求較高。
2.2 軟件特點(diǎn)
PLC軟件通用，編程開發(fā)簡(jiǎn)單，但程序執(zhí)行效率低、耗時(shí)長(zhǎng)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)不能滿足控制設(shè)備實(shí)時(shí)控制要求，只能采用高頻PLC如PCC等。單片機(jī)一般采用匯編語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言與C語(yǔ)言混合編程，編程難度較高，但程序執(zhí)行效率高，耗時(shí)少，適合實(shí)時(shí)控制設(shè)備。
2.3 調(diào)速器電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本文的調(diào)速器電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了單片機(jī)微機(jī)控制方式，由CPUC主控單元、PWM控制單元、通信單元、A/D轉(zhuǎn)換單元、輸入輸出監(jiān)測(cè)單元、頻率測(cè)量及轉(zhuǎn)速測(cè)量等單元組成，電控系統(tǒng)圖見圖4。
圖4 調(diào)速器電控系統(tǒng)圖
對(duì)觸摸屏通信接口使用RS485-2，軟件使用Modbus協(xié)議。
對(duì)上微機(jī)通信采用現(xiàn)場(chǎng)控制總線CANBUS通信方式，傳輸?shù)男畔绦?，?shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)眾多的干擾有較強(qiáng)的抗干擾能力，通信頻率可達(dá)1MHz，具有較高的數(shù)據(jù)傳輸能力。輸出接口電路見圖5。
圖5 CANBUS接口電路
電磁球閥采用PWM脈寬調(diào)制控制技術(shù)，其調(diào)制波產(chǎn)生系單片機(jī)集成功能，只需向寄存器寫入脈寬調(diào)制的占空比數(shù)據(jù)。閥電磁鐵驅(qū)動(dòng)功率約20～30W，采用DC24V電壓，驅(qū)動(dòng)電流在1A左右，數(shù)字控制是工作在PWM脈寬調(diào)制開關(guān)狀態(tài)，輸出驅(qū)動(dòng)采用高速場(chǎng)效應(yīng)功率管，選用IRFP460，其工作參數(shù)為：20A/500V，rDS（on）＝0.27Ω/0.35Ω，工作在DC24V/60Hz時(shí)，其功耗約0.3W，驅(qū)動(dòng)電路見圖6。
圖6 PWM驅(qū)動(dòng)電路
機(jī)組頻率測(cè)量采用殘壓測(cè)頻和測(cè)速傳感器測(cè)速雙通道，提高測(cè)頻可靠性。
調(diào)速器是閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，閉環(huán)穩(wěn)定性和優(yōu)秀的調(diào)節(jié)性能是調(diào)速器重要方面，調(diào)速器常用的傳遞函數(shù)見圖7。
圖7 水輪機(jī)調(diào)速器系統(tǒng)原理圖
由液動(dòng)閥輸出特性圖（PWM占空比－流量曲線，見圖8），可看出液動(dòng)閥流量非線性度過大，影響調(diào)速器調(diào)節(jié)性能，在程序設(shè)計(jì)時(shí)加一校正函數(shù)e-x，其傳遞函數(shù)如圖9，實(shí)際運(yùn)行測(cè)試能增加調(diào)速器穩(wěn)定性。
圖8 PWM占空比－閥流量
3 測(cè)試與運(yùn)行
調(diào)速器的電液轉(zhuǎn)換部分測(cè)試曲線見圖8，當(dāng)PWM的占空比在10%～30%時(shí)，液動(dòng)閥流量輸出為零，實(shí)際是由于閥搭接量的影響，在編程時(shí)需加一常數(shù)。如前所述，占空比－流量曲線的非線可由程序部分校正。
改造的YT-600調(diào)速器電站實(shí)際運(yùn)行測(cè)試見表1，運(yùn)行電站水頭20m，機(jī)組容量為500kW，調(diào)速器甩負(fù)荷調(diào)節(jié)時(shí)間是甩負(fù)荷開始到轉(zhuǎn)速≤±0.25額定轉(zhuǎn)速所經(jīng)歷的時(shí)間。
圖9 修正后水輪機(jī)調(diào)速器系統(tǒng)原理圖
表1 改造調(diào)速器調(diào)節(jié)性能測(cè)試表
對(duì)機(jī)械液壓調(diào)速器采用數(shù)字比例閥方式進(jìn)行低成本設(shè)計(jì)改造，經(jīng)電站實(shí)際運(yùn)行檢驗(yàn)，其調(diào)節(jié)性能達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，其電氣控制功能齊全，滿足電站自動(dòng)化需要。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文針對(duì)機(jī)械液壓調(diào)速器改造，設(shè)計(jì)一款數(shù)字開關(guān)比例閥電液轉(zhuǎn)換器，兼顧開關(guān)閥抗油污能力強(qiáng)和比例閥調(diào)節(jié)性能好的優(yōu)點(diǎn)；電控部分運(yùn)用高性能單片微機(jī)系統(tǒng)，集成度高，成本低。改造后的設(shè)備性能達(dá)到或超過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
該設(shè)計(jì)可通用于YT型、TT型、XT型等多種型號(hào)的機(jī)械液壓調(diào)速器改造，也可用于開發(fā)新型調(diào)速器。
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