交流伺服控制型可編程水輪機(jī)調(diào)速器的研制與應(yīng)用

1、交流伺服控制型可編程水輪機(jī)調(diào)速器的研制與應(yīng)用本文介紹了交流伺服控制型可編程水輪機(jī)調(diào)速器電氣部分、電氣機(jī)械轉(zhuǎn)換部件和液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，詳細(xì)分析了各部分的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和性能。交流伺服控制型可編程水輪機(jī)調(diào)速器的主要性能指標(biāo)達(dá)到或優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)值，在水電廠的運(yùn)行情況也表明，該調(diào)速器性能良好。 水輪機(jī)調(diào)速器是水電站的重要組成部分，主要用于控制水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速與出力，其品質(zhì)與性能直接影響到電能品質(zhì)和水電站的安全可靠運(yùn)行。電氣機(jī)械轉(zhuǎn)換部件是調(diào)速器的核心部件，因此，解決水輪機(jī)調(diào)速器中電氣機(jī)械轉(zhuǎn)換部件工作可靠性差、抗油污能力弱等問題，是提高水輪機(jī)調(diào)速器可靠性的關(guān)鍵。 1步進(jìn)電機(jī)或直流伺服電機(jī)控制的水輪機(jī)調(diào)速器

2、存在的缺陷 20世紀(jì)90年代初期，國內(nèi)高等院校、科研機(jī)構(gòu)及制造廠家先后開發(fā)了電機(jī)（步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)）型電氣機(jī)械轉(zhuǎn)換部件。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)由指令脈沖控制，控制簡單；直流伺服電機(jī)控制方便，調(diào)速范圍寬，輸出轉(zhuǎn)矩高，過載能力強(qiáng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。因此，以步進(jìn)電機(jī)或直流伺服電機(jī)控制的水輪機(jī)調(diào)速器在大、中型水電站的應(yīng)用取得了顯著的成果，從而解決了電液伺服閥抗油污能力弱、容易發(fā)卡、工作可靠性較差等問題。但是，步進(jìn)電機(jī)與直流伺服電機(jī)本身存在缺陷，主要表現(xiàn)在：步進(jìn)電機(jī)有一啟動(dòng)頻率，造成在大負(fù)荷情況下響應(yīng)速度不能過快，而且在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)矩下降，遇到卡阻時(shí)可能堵轉(zhuǎn)、失步；直流伺服電機(jī)存在電刷與換向器的磨擦并產(chǎn)生火花的

3、問題，電刷的磨損會(huì)帶來故障，同時(shí)使其在維護(hù)方面較為麻煩。 2交流伺服控制型可編程水輪機(jī)調(diào)速器的結(jié)構(gòu)和主要特點(diǎn) 近年來，隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，新型功率開關(guān)器件、專用集成電路和控制算法的發(fā)展，使交流驅(qū)動(dòng)電源、交流伺服系統(tǒng)的性能大大提高，它除克服了步進(jìn)電機(jī)或直流伺服電機(jī)本身的不足，還具有功能強(qiáng)大、控制方式靈活、技術(shù)性能好和可靠性高等特點(diǎn)。因此，把由交流伺服電機(jī)構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)裝置作為水輪機(jī)調(diào)速器的電氣-機(jī)械轉(zhuǎn)換部件是功率電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及控制原理進(jìn)步和不斷向前發(fā)展的必然結(jié)果。 2.1結(jié)構(gòu) 交流伺服控制型可編程水輪機(jī)調(diào)速器的電氣部分是以可編程控制器（PLC）為硬件核心，軟件采用全模塊化結(jié)構(gòu)，彩

4、色液晶屏幕顯示，具有良好的全中文圖形人機(jī)界面；電氣機(jī)械轉(zhuǎn)換部件采用交流伺服電機(jī)，配以滾珠螺旋自動(dòng)復(fù)中裝置；液壓系統(tǒng)為直連式結(jié)構(gòu)，以交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置的機(jī)械位移直接控制主配壓閥。PLC測(cè)量水輪發(fā)電機(jī)組的頻率信號(hào)偏差，并按一定的調(diào)節(jié)規(guī)律（PID或PI）轉(zhuǎn)換成位置控制的數(shù)字電信號(hào)；電氣機(jī)械轉(zhuǎn)換部件將該數(shù)字信號(hào)線性地轉(zhuǎn)化為機(jī)械位移量，再直接控制由輔助接力器和主配壓閥組成的二級(jí)液壓放大，通過主接力器控制水輪機(jī)導(dǎo)水葉開度（或漿葉轉(zhuǎn)角），實(shí)現(xiàn)水輪發(fā)電機(jī)組的調(diào)速和負(fù)荷控制。交流伺服控制型可編程水輪機(jī)調(diào)速器的系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)見圖1，機(jī)械液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見圖2。圖1 交流伺服控制型可編程水輪機(jī)調(diào)速器的系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖圖2

5、 交流伺服控制型可編程水輪機(jī)調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 2.2 設(shè)計(jì)特點(diǎn) 2.2.1 無油電氣機(jī)械轉(zhuǎn)換部件 2.2.1.1 交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置 交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置由交流伺服電機(jī)以及與其配套的驅(qū)動(dòng)器組成。在研制、選型和應(yīng)用中，選用了日本松下公司生產(chǎn)的MSMA交流伺服電機(jī)及MSDA交流伺服驅(qū)動(dòng)器。MSMA交流伺服電機(jī)的主要特點(diǎn)是慣量小，轉(zhuǎn)矩大，控制精度高，可方便地獲得與頻率成正比的可變速度，在低速運(yùn)行時(shí)無爬行、無震動(dòng)，調(diào)速范圍寬，力矩頻率特性好，同時(shí)該電機(jī)軸上自帶有高分辨率的位置旋轉(zhuǎn)編碼器，可方便地將電機(jī)軸的實(shí)際轉(zhuǎn)角反饋給驅(qū)動(dòng)器，在位置環(huán)方式下構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)位置控制。MSMA交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，體積小，

6、運(yùn)行可靠，無需維護(hù)。與其配套的MSDA交流伺服驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)功能強(qiáng)大、控制方式靈活、適合多種用途的全數(shù)字化驅(qū)動(dòng)裝置，它本身帶有CPU和人機(jī)對(duì)話界面，可以對(duì)其控制方式（位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制方式或組合控制方式）、工作參數(shù)（如位置環(huán)增益、速度環(huán)增益、速度環(huán)積分時(shí)間常數(shù)、速度前饋等）進(jìn)行設(shè)定，以達(dá)到最優(yōu)控制，滿足不同工況下調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求。 2.2.1.2 自動(dòng)復(fù)中裝置 自動(dòng)復(fù)中裝置主要由大導(dǎo)程滾珠絲桿、滾珠螺母和定位器等組成。交流伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器和小手輪（手動(dòng)操作用）直接連接滾珠絲桿，當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲桿正轉(zhuǎn)（或反轉(zhuǎn)）時(shí)，與滾珠螺母連成一體的位移輸出桿上升（或下降），從而將電氣數(shù)字信號(hào)直接

7、轉(zhuǎn)換為機(jī)械位移輸出。由于采用了大導(dǎo)程滾珠螺旋副，所以速動(dòng)性好，磨擦阻力小，傳動(dòng)效率高，死區(qū)小，壽命長。同時(shí)，在滾珠螺母與位移輸出桿的水平對(duì)稱位置兩側(cè)各設(shè)有一個(gè)定位器，當(dāng)交流伺服電機(jī)失電時(shí)，在定位器的作用下，滾珠螺母與位移輸出桿立即回復(fù)到原始的水平零位，滾珠絲桿也回到原始的中位。因此，在調(diào)節(jié)過程中，當(dāng)交、直流電源同時(shí)出現(xiàn)故障時(shí)，由于交流伺服裝置設(shè)置具有自動(dòng)復(fù)中功能，可使主配壓閥及時(shí)復(fù)中，使調(diào)速器保持穩(wěn)定，確保機(jī)組安全運(yùn)行。2.2.2 機(jī)械液壓隨動(dòng)系統(tǒng) 機(jī)械液壓隨動(dòng)系統(tǒng)由帶有自動(dòng)復(fù)中裝置的電氣-機(jī)械轉(zhuǎn)換部件、引導(dǎo)閥、輔助接力器與主配壓閥塊、油路模塊、緊急停機(jī)電磁閥等組成。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：采用油

8、路模塊，取消連接油管路的明管；采用電氣反饋，取消機(jī)械反饋桿件及鋼絲繩，機(jī)柜內(nèi)無傳動(dòng)杠桿，避免在鉸接處產(chǎn)生死行程；實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)手、自動(dòng)切換，結(jié)構(gòu)緊湊，外形美觀，操作簡單，維護(hù)方便。 2.2.3 人-機(jī)接口 采用彩色液晶觸摸屏幕實(shí)時(shí)顯示機(jī)組當(dāng)前運(yùn)行工況、機(jī)組頻率、導(dǎo)葉開度、機(jī)組功率、水頭值和故障信息等各種運(yùn)行參數(shù)和工況，直接通過觸摸屏幕進(jìn)行人-機(jī)對(duì)話，允許通過菜單實(shí)時(shí)修改運(yùn)行參數(shù)，顯示直觀，操作方便，具有良好的全中文圖形人機(jī)界面。3 交流伺服控制型可編程水輪機(jī)調(diào)速器在水電站的應(yīng)用 江西省尋烏縣斗晏水力發(fā)電廠為壩后式水電站，安裝有3臺(tái)12.5 MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，調(diào)速器為SKDT-80模擬型電液

9、調(diào)速器，電液伺服部件采用電液轉(zhuǎn)換器。受斗晏水力發(fā)電有限公司的委托，由廣東江海機(jī)電工程有限公司承接該調(diào)速器的技術(shù)改造任務(wù)。在技術(shù)改造中，采用交流伺服可編程控制技術(shù)對(duì)該調(diào)速器進(jìn)行技術(shù)改造，于2001年6月完成改造，并投入運(yùn)行。 經(jīng)過一年多的實(shí)際運(yùn)行，調(diào)速器情況良好。開、停機(jī)幾十次，從機(jī)組開機(jī)到空載運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定時(shí)間短，并網(wǎng)快速，機(jī)組空轉(zhuǎn)時(shí)間減少，節(jié)約用水；調(diào)節(jié)靈敏，運(yùn)行可靠。 改造后的調(diào)速器型號(hào)為GKT80-SP，分別于2002年1月和2002年8月通過了電力行業(yè)專家的現(xiàn)場鑒定測(cè)試和廣東省水利廳專家組的鑒定。將改造后的主要鑒定試驗(yàn)結(jié)果（見圖3、圖4和 表1）與GB/T9652.11997的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，其主要性能指標(biāo)全部達(dá)到或優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。圖3 GKT80-SP型調(diào)速器甩25%負(fù)荷時(shí)的試驗(yàn)曲線圖4 GKT80-