交流伺服控制型可编程水轮机调速器的研制与应用

    摘　要：20世纪90年代初开发的步进电机或直流伺服电机控制的水轮机调速器存在大负荷下响应速度慢、高速运转时转矩下降或有磨擦并产生火花等问题，因此，有必要研制交流伺服控制型可编程水轮机调速器。介绍了交流伺服控制型可编程水轮机调速器电气部分、电气－机械转换部件和液压系统的结构和工作原理，详细分析了各部分的设计特点和性能。交流伺服控制型可编程水轮机调速器的主要性能指标达到或优于国家标准值，在水电厂的运行情况也表明，该调速器性能良好。
　　关键词：水轮机；调速器；交流伺服电机；电气－机械转换部件；液压系统

Development and application of AC servocontrolled and programmable speed governors for water turbines

ZHAO Suqiong1, CHEN Jianmin2

(1. Guangdong Electric Power School, Guangzhou 510520, China;
2. Guangdong Jianghai Electromechanical Engineering Co., Ltd.,
Guangzhou 510500, China)

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　　Abstract:The step motor or the DC servo motor controlled water turbine governors developed in the 1990s have the problems of slow response at heavy load, reduced torque during fast running or abrasions that lead to sparks, which necessitates the development of AC servocontrolled and programmable speed governors for water turbines. This paper describes the structure and working principles of the electric parts, the electromechanical converter and the hydraulic system of the new governor, analyzing the design features and performance of each part. Major performance indices of the governor are up to or superior to national standard values. Application results in a hydropower plant also prove the good performance of the governor. 
　　Key words:water turbine; speed governor; AC servo motor; electromechanical converter; hydraulic system

　　水轮机调速器是水电站的重要组成部分，主要用于控制水轮发电机组转速与出力，其品质与性能直接影响到电能品质和水电站的安全可靠运行。电气－机械转换部件是调速器的核心部件，因此，解决水轮机调速器中电气－机械转换部件工作可靠性差、抗油污能力弱等问题，是提高水轮机调速器可靠性的关键。

1步进电机或直流伺服电机控制的水轮机调速器存在的缺陷
　　20世纪90年代初期，国内高等院校、科研机构及制造厂家先后开发了电机（步进电机、直流伺服电机）型电气－机械转换部件。步进电机的转动由指令脉冲控制，控制简单；直流伺服电机控制方便，调速范围宽，输出转矩高，过载能力强，动态响应好。因此，以步进电机或直流伺服电机控制的水轮机调速器在大、中型水电站的应用取得了显著的成果，从而解决了电液伺服阀抗油污能力弱、容易发卡、工作可靠性较差等问题。但是，步进电机与直流伺服电机本身存在缺陷，主要表现在：步进电机有一启动频率，造成在大负荷情况下响应速度不能过快，而且在高速运转时转矩下降，遇到卡阻时可能堵转、失步；直流伺服电机存在电刷与换向器的磨擦并产生火花的问题，电刷的磨损会带来故障，同时使其在维护方面较为麻烦。

2交流伺服控制型可编程水轮机调速器的结构和主要特点
　　近年来，随着电子技术的进步，新型功率开关器件、集成电路和控制算法的发展，使交流驱动电源、交流伺服系统的性能大大提高，它除克服了步进电机或直流伺服电机本身的不足，还具有功能强大、控制方式灵活、技术性能好和可靠性高等特点。因此，把由交流伺服电机构成的驱动装置作为水轮机调速器的电气-机械转换部件是功率电子技术、微电子技术、计算机技术及控制原理进步和不断向前发展的必然结果。
2.1结构
　　交流伺服控制型可编程水轮机调速器的电气部分是以可编程控制器（PLC）为硬件核心，软件采用全模块化结构，彩色液晶屏幕显示，具有良好的全中文图形人机界面；电气－机械转换部件采用交流伺服电机，配以滚珠螺旋自动复中装置；液压系统为直连式结构，以交流伺服驱动装置的机械位移直接控制主配压阀。PLC测量水轮发电机组的频率信号偏差，并按一定的调节规律（PID或PI）转换成位置控制的数字电信号；电气－机械转换部件将该数字信号线性地转化为机械位移量，再直接控制由辅助接力器和主配压阀组成的二级液压放大，通过主接力器控制水轮机导水叶开度（或浆叶转角），实现水轮发电机组的调速和负荷控制。
　　交流伺服控制型可编程水轮机调速器的系统原理结构见图1，机械液压系统的结构见图2。
2.2设计特点
2.2.1无油电气－机械转换部件
2.2.1.1交流伺服驱动装置
　　交流伺服驱动装置由交流伺服电机以及与其配套的驱动器组成。在研制、选型和应用中，选用了日本松下公司生产的MSMA交流伺服电机及MSDA交流伺服驱动器。MSMA交流伺服电机的主要特点是惯量小，转矩大，控制精度高，可方便地获得与频率成正比的可变速度，在低速运行时无爬行、无震动，调速范围宽，力矩－频率特性好，同时该电机轴上自带有高分辨率的位置旋转编码器，可方便地将电机轴的实际转角反馈给驱动器，在位置环方式下构成一个闭环位置控制。MSMA交流伺服电机结构简单，体积小，运行可靠，无需维护。与其配套的MSDA交流伺服驱动器是一个功能强大、控制方式灵活、适合多种用途的全数字化驱动装置，它本身带有CPU和人机对话界面，可以对其控制方式（位置控制、速度控制、转矩控制方式或组合控制方式）、工作参数（如位置环增益、速度环增益、速度环积分时间常数、速度前馈等）进行设定，以达到*控制，满足不同工况下调速系统的稳定性要求。

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2.2.1.2自动复中装置
　　自动复中装置主要由大导程滚珠丝杆、滚珠螺母和定位器等组成。交流伺服电机通过联轴器和小手轮（手动操作用）直接连接滚珠丝杆，当电机带动滚珠丝杆正转（或反转）时，与滚珠螺母连成一体的位移输出杆上升（或下降），从而将电气数字信号直接转换为机械位移输出。由于采用了大导程滚珠螺旋副，所以速动性好，磨擦阻力小，传动效率高，死区小，寿命长。同时，在滚珠螺母与位移输出杆的水平对称位置两侧各设有一个定位器，当交流伺服电机失电时，在定位器的作用下，滚珠螺母与位移输出杆立即回复到原始的水平零位，滚珠丝杆也回到原始的中位。因此，在调节过程中，当交、直流电源同时出现故障时，由于交流伺服装置设置具有自动复中功能，可使主配压阀及时复中，使调速器保持稳定，确保机组安全运行。2.2.2机械液压随动系统
　　机械液压随动系统由带有自动复中装置的电气-机械转换部件、引导阀、辅助接力器与主配压阀块、油路模块、紧急停机电磁阀等组成。该系统的结构特点是：采用油路模块，取消连接油管路的明管；采用电气反馈，取消机械反馈杆件及钢丝绳，机柜内无传动杠杆，避免在铰接处产生死行程；实现无扰动手、自动切换，结构紧凑，外形美观，操作简单，维护方便。
2.2.3人-机接口
　　采用彩色液晶触摸屏幕实时显示机组当前运行工况、机组频率、导叶开度、机组功率、水头值和故障信息等各种运行参数和工况，直接通过触摸屏幕进行人-机对话，允许通过菜单实时修改运行参数，显示直观，操作方便，具有良好的全中文图形人机界面。

3交流伺服控制型可编程水轮机调速器在水电站的应用
　　江西省寻乌县斗晏水力发电厂为坝后式水电站，安装有3台12.5 MW的混流式水轮发电机组，调速器为SKDT-80模拟型电液调速器，电液伺服部件采用电液转换器。受斗晏水力发电有限公司的委托，由广东江海机电工程有限公司承接该调速器的技术改造任务。在技术改造中，采用交流伺服可编程控制技术对该调速器进行技术改造，于2001年6月完成改造，并投入运行。

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经过一年多的实际运行，调速器情况良好。开、停机几十次，从机组开机到空载运转的稳定时间短，并网快速，机组空转时间减少，节约用水；调节灵敏，运行可靠。
　　改造后的调速器型号为GKT80-SP，分别于2002年1月和2002年8月通过了电力行业专家的现场鉴定测试和广东省*专家组的鉴定。将改造后的主要鉴定试验结果（见图3、图4和 表1）与GB/T9652.1—1997的数据进行比较，其主要性能指标全部达到或优于国家标准规 定值。

4结束语 　　
　　交流伺服控制型可编程调速器经过了水电站现场真机的运行考验，其调节灵敏，可靠性高，性能好，运行稳定，而且该产品技术*，结构简单、合理，操作简单，维护方便，能为水电站带来较好的经济效益。