基于液動換向閥的電液伺服系統(tǒng)研究

董惠珍 孟博鳳 王淵源

【摘 要】電液伺服系統(tǒng)是水輪機調(diào)速器的執(zhí)行機構(gòu)，它的性能直接影響調(diào)速器的性能。據(jù)統(tǒng)計調(diào)速器的故障主要由電液伺服系統(tǒng)引起，嚴重影響水電站的安全運行。因此，研究開發(fā)具有新型的可靠性高、標準化的電液伺服系統(tǒng)已勢在必行。本文提出的基于液動換向閥的電液伺服系統(tǒng)，采用液壓標準元件，不僅提高了可靠性，還使系統(tǒng)體積變小成本降低，采用高速電磁閥作為電液轉(zhuǎn)換元件，使控制和驅(qū)動更加簡單可靠。電站試驗與運行表明其性能指標滿足或優(yōu)于國標GB/T9652.2-2007的要求、可靠高。

【關(guān)鍵詞】調(diào)速器，電液伺服系統(tǒng)，液動換向閥

【中圖分類號】F407.42【文獻標識碼】A【文章編號】1672-5158（2013）07-0401-01

水輪機調(diào)速器是水電站重要的基礎(chǔ)控制設(shè)備，其質(zhì)量的好壞直接影響到電能品質(zhì)和電站安全及經(jīng)濟運行。因此，性能優(yōu)良的高可靠的水輪機調(diào)速器的研究一直是世界各國電力行業(yè)的一個重要課題，而電液伺服系統(tǒng)是水輪機調(diào)速器的執(zhí)行機構(gòu)，它的性能直接影響甚至決定整個調(diào)速器的性能。據(jù)統(tǒng)計調(diào)速器的故障主要由電液伺服系統(tǒng)引起，這些故障嚴重影響水電站的正常安全運行，因此，研究開發(fā)具有新型的、可靠性高、抗油污能力強的電液伺服系統(tǒng)已勢在必行。

1. 水輪機調(diào)速器電液伺服系統(tǒng)的現(xiàn)狀

近年來水輪機調(diào)速器的研究與開發(fā)取得了明顯的進步，卻主要集中于電器部分，機械液壓部分雖有改進，但其液壓元件與數(shù)十年的前機械液壓調(diào)速器一樣，工作油壓仍然維持在2.5MPa、4MPa、6.3MPa幾個較低的等級上，未采用標準，依然是單件、小批量的生產(chǎn)模式，因此液壓系統(tǒng)制造費用高、可靠性低，液壓件損壞后，替代品不易購買，與現(xiàn)代液壓技術(shù)存在著巨大差距，也嚴重影響水輪發(fā)電機組的安全可靠運行。因此，研制采用標準液壓件的集成化高油壓電液伺服系統(tǒng)已成為當務(wù)之急。

2. 基于液動換向閥的電液伺服系統(tǒng)

圖1為基于液動換向閥的高油壓電液伺服系統(tǒng)原理圖，主要由壓力油源系統(tǒng)和電液伺服系統(tǒng)兩部分組成。系統(tǒng)額定工作油壓為16Mpa，高油壓是系統(tǒng)所需的流量降低，油源系統(tǒng)和控制系統(tǒng)都可采用液壓標準元件，使系統(tǒng)的可靠性提高，同時使系統(tǒng)體積變小降低了制造成本，采用高速電磁閥作為電液轉(zhuǎn)換元件，使其控制器和驅(qū)動更加簡單可靠。

壓力油源系統(tǒng)由油箱1、溢流閥2、電機3、油泵4、單向閥5、雙筒濾油器6及蓄能器7構(gòu)成，電接點壓力表8根據(jù)系統(tǒng)壓力控制油泵的啟停。油源系統(tǒng)取消了傳統(tǒng)的壓力油罐，改用標準的氣囊式蓄能器儲能，使蓄能器中的油氣分離，避免液壓油受到污染，同時調(diào)速器無需再設(shè)氣源，降低電站成本。

電液伺服系統(tǒng)由關(guān)機閥9、開機閥12、液控換向閥10、緊急停機電磁閥 11、液壓鎖13、導(dǎo)葉接力器（油缸）14，兩段關(guān)閉裝置15組成。調(diào)速器的控制器輸出脈寬調(diào)制脈沖控制開關(guān)閥12、9的開啟及持續(xù)時間，從而控制液控換向閥10的開啟方向和持續(xù)時間，進而控制導(dǎo)葉接力器14的運動方向和速度。通過限位可以調(diào)節(jié)液控換向閥的最大流量，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)水輪機開關(guān)機時間的目的。當緊急事故發(fā)生時，通過緊急停機電磁閥11上電，使發(fā)電機組緊急停機，避免事故擴大，圖1狀態(tài)為調(diào)速器正常運行時停機閥所處位置，此時其作為停機閥9的回油路及開機閥12壓力油路的一部分，當緊急停機電磁閥11換向時，關(guān)機閥9 T口通壓力油、開機閥12 P口通回油，無論兩支閥是否開啟，總使關(guān)機閥的輸出為壓力油而開機閥的輸出為回油，從而實現(xiàn)可靠的緊急停機。液壓鎖13是為防止系統(tǒng)中位漏油，兩段關(guān)閉裝置15可實現(xiàn)機組折線關(guān)閉。

3.液動換向閥的驅(qū)動

基于液動換向閥的電液伺服系統(tǒng)中，對開關(guān)閥的PWM控制方式是靠軟件來實現(xiàn)的。根據(jù)調(diào)速器PID控制器的輸出iy與接力器反饋iry的差值idy確定脈沖的方向和脈沖高電平的寬度h_pulse，脈沖低電平的寬度l_pulse由脈沖周期h_p_max減去高電平寬度得到。將計算所得的h_pulse，l_pulse作為參量調(diào)用可編程計算機控制器PCC功能塊LTXdpwm，通過具有TPU（時間處理單元）功能的數(shù)字量輸出模塊DO135實現(xiàn)脈沖的輸出。PCC數(shù)字量輸出模塊DO135設(shè)兩個輸出通道，分別控制關(guān)機閥9、開機閥12開啟和持續(xù)時間，當脈沖輸出為零時，電磁閥靠復(fù)中彈簧回到中位。在程序中設(shè)置偏置量以克服了開關(guān)閥的死區(qū)，在程序中可以通過調(diào)整脈沖周期和占空比可獲得較優(yōu)的控制品質(zhì)。

4.電站試驗

采用本文研制的基于液動換向閥的電液伺服系統(tǒng)的PCC水輪機調(diào)速器于2007年3月在實驗室樣機進行了性能測試，主要技術(shù)指標均達到或優(yōu)于國標要求。2008年1月，安裝在陜西魏家堡水電站2號機，并進行了調(diào)速器的試驗，試驗結(jié)果表明其主要性能指標滿足或優(yōu)于國標GB/T9652.2-2007的要求。其中主要特性試驗結(jié)果如下：

1） 測至主接力器的轉(zhuǎn)速死區(qū)0.06%，非線性度0.13%，均優(yōu)于國標；

2） 接力器不動時間測定值為0.17秒，小于國標規(guī)定的0.2秒；

3） 甩100%負荷時調(diào)節(jié)時間為39.7秒，滿足國標40秒要求。

參考文獻

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