基于双比例阀和伺服电机的调速器液压控制优化

基于双比例阀和伺服电机的调速器液压控制优化

刘浩

重庆大唐国际武隆水电开发有限公司

摘要：水轮机调速器控制主要是根据频差从而改变水轮机发电机组的运行状态与输出功率，其性能直接影响到电能质量和水电站运行的稳定及安全。随着水电智慧电厂的深入发展，机组设备自动化程度的不断升级，因此要求水轮机调速器要更加稳定、可靠、安全。于是，调速器液压回路控制研究的重点中心转变为提高机械液压回路的稳定性、可靠性、安全性，本文重点介绍银盘电站采用交流伺服电机和比例阀冗余结合的调速器液压回路提高机械液压回路的稳定性、可靠性、安全性方案。

关键词：交流伺服电机；比例伺服阀；液压回路；冗余

1概述

  调速控制系统主要由接力器开度、转速等的信息检测、状态放大、执行机构、信息反馈系统等机构组成,其中的执行机构功能主要是通过调节制动油管的压力油带动主接力器,进而完成对导叶开度的调节。而其中电动-机械的切换装置是调速器驱动执行的核心部件之一，大多数的调速系统都采用比例伺服阀作为控制部分,比例伺服阀以其动作稳定性高而受到青睐。

2存在的缺陷

银盘电站4号机组调速器于2011年10月投产，为双调节调速器，采用双比例阀控制。比例伺服阀对调速器油管内油质要求极高,在运行过程中因油质问题会出现电液转换器经常发卡、导致机组运行时导叶开度来回抽动，造成机组出力大幅度波动或使导叶或桨叶突然全开导致机组飞逸，若处理措施不当，很可能造成机组控制失控，严重时导致电网解列，引起重大损失。而银盘电站采用双比例阀,一旦出现油质问题，发卡故障重现概率极高,急需解决方法，确保机组在油质劣化时，仍能安全稳定的运行，确保水轮机安全。且银盘电站现使用的力士乐电磁阀RPEH6C3B40L-20/G24K0/A1已停产多年,无法购买备件,因此加强液压控制和冗余是电站当前必须考虑的问题。

综上所述问题，银盘电站调速器液压回路的稳定性和安全性急需提高。

3改造方案

3.1交流电机控制原理

可编程控制器（PLC）测量水轮发电机组和网频的频率偏差，经过PID计算后，将控制信号输出转变为丝杆螺母副的直线位移输出信号，计算后的偏差信号由交流伺服驱动板块将信号成正比放大后，驱动交流伺服电机旋转，从而带动丝杆螺母副作上下直线运动。丝杆螺母副的直线位移直接带动机械液压随动装置。当机械液压随动装置处于稳定平衡状态时,引导阀阀芯和主配压阀活塞正好处于中间位置时,此时机械反馈机构的位移反馈值与电-机位移转换装置的输出值相等,主接力器保持在当前开度。交流伺服电机上装有高分辩率、高性能、高可靠性的位置编码器，同时伺服电机留有与上位机的数据交互的通讯接口，因此可利用编码器及通讯口轻易实现力矩控制、位置闭环等控制。但交流伺服电机控制较为复杂，需要现场测试调整驱动器和上位机控制参数后才能精确操纵电机，否则易出现电机控制精度差，控制不稳定等隐患，并且控制伺服电机需要专门的驱动器以及驱动模块，整体还需要更多的接线来进行数据的传输，相对比例阀仅需信号线和控制线而言较为复杂。

3.2比例伺服阀控制原理

比例伺服阀的作用是当调速系统切换为自动和试验电手动控制方式时，将输入的模拟量控制信号成正比的转换并输出精密的流量控制信号。由于比例伺服阀的阀芯位置装有位置控制和反馈信号，使得其调节性能指标极为优秀，并且比例伺服阀由于电源故障等原因导致线圈失电时，比例阀阀具有故障保持功能，将维持当前开度。比例阀缺点是对管路透平油干净度要求高，油中机械杂质不得超过20μm，电液转换器本身存在抗油污能力弱、经常发卡、工作可靠性差等问题,严重危害机组的安全运行。

为兼顾伺服电机和比例阀的优点，增加液压系统的稳定性，银盘电站采用方法为将双比例阀改造为双比例阀+伺服电机控制,在比例阀因油质问题发卡或比例伺服阀本身故障后，可自动切换为伺服电机控制，确保机组安全。比例阀继续采用两套新型号比例阀进一步增加冗余，防止因单套比例阀本体出现故障而使调速器切机。

在基本保持原有液压回路的前提下，设计如下：

（1）增加导叶、桨叶开度控制交流伺服电机，保证控制信号的冗余。

（2）采用双比例阀增加比例阀控制时的冗余，其中两个比例伺服阀可手动切换。

下面就介绍银盘电站液压回路改造方案。

银盘电站调速器液压回路由手自动阀、比例伺服阀、紧急停机阀、主备用切换阀、双精滤油器、主配等组成，优化前的结构如图1所示。保持原有的液压回路不变，改变导叶、桨叶主配上端机构，增加伺服电机和手操机构，同时双比例阀机构保持不变。优化后的图纸如图2所示。

图1优化前的液压图

                                   图2优化后的液压图

3.3 优化后的液压回路控制原理

3.3.1 比例伺服阀控制模式下开机过程

当调速器运行在自动或电手动工况下，手/自动切换阀带电，比例伺服阀的驱动放大器接受来自微机控制器提供的电气信号，比例伺服阀的阀芯进行换位，输出压力控制油。当来自于比例伺服阀换位后的压力控制油进入主配压阀的控制腔时，主配压阀的主阀芯在油压作用下就往下移动，主配压阀输出的压力油进入接力器开启腔，接力器关闭腔接入回油，驱使接力器向开机方向移动。测量主配压阀直线位移的中位传感器，将主阀芯的位移反馈至微机控制器，驱动放大器信号回归中位，这时接力器继续开启。同时，接力器的传感器也将接力器的实际开度值，反馈至微机控制器，当接力器开度至设定值时，主配压阀的阀芯回归中位，接力器稳定在设定开度。

3.3.2 比例伺服阀控制模式下关机过程

关机过程与开机动作过程相反，当手/自动切换阀带电时，调速器处于自动或试验电手动控制下，微机控制器给比例伺服阀的驱动放大器提供关机电气信号，控制比例伺服阀的阀芯换位，输出回油控制油。当主配压阀控制腔通过比例伺服阀通回油时，驱动主配阀芯往上移动，关机腔的孔位被打开，主配压阀输出压力油进入接力器关腔，接力器开腔接入回油，接力器向关机方向运动。测量主配压阀直线位移的中位传感器，将主阀芯的位移反馈至微机控制器，驱动放大器信号回归中位，接力器关腔持续通油，此时接力器仍然继续往关的方向移动。同时，接力器的开度传感器也将接力器的实际开度值，反馈至微机控制器，当接力器开度至设定值时，主配压阀的阀芯回归中位，接力器稳定在设定开度。

3.3.3 伺服电机控制模式下开机过程

当调速器失电或手/自动切换阀切换至伺服电机控制模式时，比例阀伺服的控制油被手/自动切换阀切断，电机通过自复中转换装置带动引导阀阀芯动作，进而控制主配压阀随动。正常开机过程中下，微机控制器给电机提供电气信号，电机输出顺时针方向旋转角位移，自复中转换装置将伺服电机旋转角位移转换为朝下直线位移，带动引导阀阀芯往下动作，经双精滤油器过来的压力控制油经过引导阀直接连通至主配压阀控制腔，主配压阀主阀芯向下移动，主配压阀输出压力油进入接力器开腔，接力器关闭腔接入回油，接力器向开机方向移动。接力器的传感器将接力器的实际开度值，反馈至电机，当接力器动作至设定值时，主配压阀的阀芯回归中位，接力器停止在设定开度。

3.3.4 电机控制模式下关机过程

当调速器失电或手/自动切换阀切换至电机控制模式时，比例伺服阀的控制油被手/自动切换阀切断，电机通过自复中转换装置带动引导阀阀芯动作，进而控制主配压阀随动。正常关机过程中下，微机控制器给电机提供电气信号，电机输出逆时针方向旋转角位移，自复中转换装置将伺服电机旋转角位移转换为朝上直线位移，带动引导阀阀芯往上移动，主配压阀控制腔直接通过引导阀连接回油，主配压阀主阀芯往上移动，主配压阀输出压力油进入接力器关腔管路，接力器开腔管路接入回油，接力器向关机方向移动。接力器的传感器将接力器的实际开度值，反馈至电机，当接力器动作至设定值时，主配压阀的阀芯回归中位，接力器停止在设定开度。

3.3.5紧急停机阀动作关机过程

比例伺服阀和伺服电机控制方式下，都能通过紧急停机电磁阀紧急关闭导叶，当电气停机信号输入至紧急停机阀后，紧急停机阀动作侧线圈得电，驱动阀芯换位，切断比例伺服阀或伺服电机的控制油，同时主配压阀的控制腔立即通回油，主配压阀控制腔直接通过引导阀连接回油，主配压阀主阀芯往关的方向动作，主配压阀输出压力油进入接力器关腔，接力器开腔接入回油，接力器迅速关机。

3.3.6手动操作过程

比例伺服阀和伺服电机控制均配置了手操机构，实现手动操作功能，可根据手柄的动作角度控制接力器开向与关向，手动作为后备保护性操作，其优先级最高，不受机组频率、开度、功率偏差影响。实际运行过程中，机组有功功率无法调节或者因故障不受控制，需要人为干预才能实现对设备的有效控制，才会投入手动运行。手动把手一旦投入，调速器上的电机或比例伺服阀等执行机构被直接切除，此时只能手动调节。

综上所述可知，调速器液压回路采用双比例伺服阀和伺服电机均能稳定完成开机和关机以及调节动作，增加了控制系统的冗余性，在油质劣化可无扰切换为伺服电机，油质未劣化时，主用比例伺服阀故障时，又可将备用比例伺服阀作为主用阀使用，确保机组安全稳定运行。

4 结语

水轮机调速系统是水电机组最核心的控制调节设备之一，其液压系统运行的可靠和安全性对机组尤为重要，通过增加交流伺服电机，使其接受电气控制信号，正向或反向旋转，不用液压油操作，可以在自动控制模式、手动控制模式，两种方式间无扰动地切换，在断电和无操作力的状态下，主配压阀自动回复到中位。同时采用双比例阀增加冗余，兼顾了双比例阀和伺服电机控制的优点，互为补充，解决了因油质问题引起的故障，增加了调速液压系统的稳定性，使水轮机调速器的调节性能的品质和安全有很大提高。

参考文献：

[1] 杨青峰 付骞. 可编程控制器原理及应用[M].工程技术. 2010: 2～4.

[2]杨渝钦.控制电机[M].北京:机械工业出版社

[3]  秦亿.交流伺服控制型可编程水轮机调速器的研制与应用.武汉：华中强工大学出版社，1995