水輪機(jī)調(diào)速器設(shè)計(jì)及其選型的相關(guān)研究

孫 毅

（湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,長(zhǎng)沙 410131）

水輪機(jī)調(diào)速器設(shè)計(jì)及其選型的相關(guān)研究

孫 毅

（湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,長(zhǎng)沙 410131）

水輪機(jī)調(diào)速器是控制[控制]導(dǎo)葉開(kāi)度大小進(jìn)而控制水輪機(jī)過(guò)水流量的大小，[這里加上一個(gè)逗號(hào)]從而來(lái)調(diào)整水輪機(jī)轉(zhuǎn)速的重要部件，因此水輪機(jī)調(diào)速器的性能和品質(zhì)也會(huì)對(duì)水電站的安全運(yùn)行具有重要意義。本文將針對(duì)水輪機(jī)調(diào)速器的相關(guān)設(shè)計(jì)內(nèi)容和選型等進(jìn)行分析，希望能夠在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中提供理論指導(dǎo)作用。

水輪機(jī)調(diào)速器；設(shè)計(jì)；選型；研究

水電站的工程項(xiàng)目中包含的機(jī)械類(lèi)型種類(lèi)多樣，水輪機(jī)調(diào)速器則是相對(duì)重要的構(gòu)成部分[1]。當(dāng)前社會(huì)，現(xiàn)代控制理論得到進(jìn)一步的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，硬件設(shè)備的完善都使得水輪機(jī)調(diào)速器的調(diào)節(jié)性指標(biāo)得到不同程度的提升，自身具備的功能也在進(jìn)一步的完善。但是在具體使用水輪機(jī)調(diào)速器的過(guò)程中應(yīng)當(dāng)結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行選型。

1 水輪機(jī)調(diào)速器的特點(diǎn)分析

縱觀我國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的水輪機(jī)調(diào)速器，大都具備比較多的共同點(diǎn)，主要如下：（1）所采用的核心控制元件一般都比較可靠，大多數(shù)廠家所采用的是進(jìn)口的PLC系統(tǒng)或者是編程計(jì)算機(jī)控制器（PCC）系統(tǒng)以及PC系統(tǒng)等，只有一小部分企業(yè)生產(chǎn)的調(diào)速器使用的是MC68322芯片控制單元。（2）調(diào)速器的容錯(cuò)和自診斷功能都比較好；（3）功能比較完善，除了能夠?qū)D(zhuǎn)速進(jìn)行相應(yīng)的控制，還可以根據(jù)用戶的實(shí)際需求來(lái)實(shí)現(xiàn)流量、功率和水位的控制；（4）調(diào)速器的主要系統(tǒng)構(gòu)成為電液隨動(dòng)系統(tǒng)和微機(jī)調(diào)節(jié)器系統(tǒng)；（5）電液轉(zhuǎn)換元件以及液壓冗余等相關(guān)新技術(shù)的使用，使調(diào)速器的抗油污能力得到了進(jìn)一步的提升。

2 水輪機(jī)調(diào)速器具體設(shè)計(jì)內(nèi)容

2.1 水輪機(jī)調(diào)速器測(cè)頻回路設(shè)計(jì)

當(dāng)前我國(guó)國(guó)內(nèi)已經(jīng)投入使用的水輪機(jī)調(diào)速器，所采用的測(cè)頻信號(hào)源大都為電壓互感器，當(dāng)然也有使用永磁機(jī)[2]。但是由于永磁機(jī)在安裝方面存在的問(wèn)題，導(dǎo)致其和主軸相互連接的部位經(jīng)常出現(xiàn)故障，所以使用的范圍也就比較小。采用電壓互感器作為測(cè)頻信號(hào)源的調(diào)速器能夠在正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下滿足基本的需要，但是一旦電壓互感器出現(xiàn)問(wèn)題，調(diào)速器就會(huì)因?yàn)闆](méi)有測(cè)頻信號(hào)，自身的控制功能也就無(wú)法實(shí)現(xiàn)。所以為了解決這個(gè)問(wèn)題需要對(duì)水輪機(jī)調(diào)速器的測(cè)頻信號(hào)源進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，在電壓互感器的基礎(chǔ)上添加了齒盤(pán)測(cè)頻信號(hào)，如果電壓互感器出現(xiàn)問(wèn)題，沒(méi)有信號(hào)，將會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換到齒盤(pán)測(cè)頻信號(hào)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)調(diào)速器的控制功能。但齒盤(pán)測(cè)頻信號(hào)設(shè)備也有自身的缺點(diǎn)，比如精度較低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)調(diào)速器的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。在具體設(shè)計(jì)的過(guò)程中可以借鑒瑞典調(diào)速器的設(shè)計(jì)方法，在電壓互感器的基礎(chǔ)上，引入電流互感器測(cè)頻信號(hào)。圖1為設(shè)計(jì)示意圖。其中圖中的一路電流互感器可以使用5A/0.1A，電阻控制在47Ω，隔離變送器使用AC 220V/220V，具體如圖1所示：

圖1 借鑒瑞典經(jīng)驗(yàn)的調(diào)速器測(cè)頻回路設(shè)計(jì)示意圖

2.2 水輪機(jī)調(diào)速器輔助功能設(shè)計(jì)

2.2.1 頻率跟蹤功能設(shè)計(jì)

頻率跟蹤功能需要承擔(dān)比例積分運(yùn)算的功能，讓機(jī)組的頻率和電網(wǎng)頻率保持一個(gè)固定的偏差[3]。將過(guò)零的次數(shù)控制在每分鐘5次至9次之間，大約每10s鐘會(huì)獲得并網(wǎng)的機(jī)會(huì)。在實(shí)現(xiàn)調(diào)速器這一功能時(shí)需要設(shè)計(jì)兩個(gè)測(cè)頻回路，而且要確定它們能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行跟蹤，兩個(gè)回路還需要保持一致，使機(jī)組并網(wǎng)過(guò)程可以加速。

2.2.2 計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)功能設(shè)計(jì)

一些基于微機(jī)設(shè)計(jì)的水輪機(jī)調(diào)速器會(huì)設(shè)置計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)功能，這一功能實(shí)現(xiàn)的主要前提是做好相關(guān)設(shè)計(jì)。具體為：開(kāi)展機(jī)組充水前或者后的試驗(yàn)時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)對(duì)試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)采集和處理，并以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)繪制結(jié)果曲線，最終將試驗(yàn)結(jié)果打印出來(lái)。計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)功能可以減少試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的人為誤差。在設(shè)計(jì)過(guò)程中到底是這個(gè)功能軟件設(shè)置為獨(dú)立的試驗(yàn)儀還是設(shè)置在調(diào)速器的計(jì)算機(jī)當(dāng)中，當(dāng)前有兩種不同的看法。如果從發(fā)展的角度出發(fā)，將來(lái)很可能會(huì)形成獨(dú)立的試驗(yàn)儀，主要因?yàn)楫?dāng)前我國(guó)缺少相關(guān)的系列產(chǎn)品，隨著調(diào)速器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不斷完善和普及，很可能會(huì)形成專(zhuān)用性比較強(qiáng)的產(chǎn)品。2.2.3 容錯(cuò)功能設(shè)計(jì)

容錯(cuò)功能是提高水輪機(jī)調(diào)速器的關(guān)鍵手段，容錯(cuò)功能就是采用硬件或者軟件的冗余方式，在機(jī)器中的某個(gè)部分發(fā)生功能障礙時(shí)起到使其依然可以持續(xù)工作的作用。當(dāng)前基于計(jì)算機(jī)的水輪機(jī)調(diào)速器中設(shè)置雙模冗余系統(tǒng)，也就是使用硬件冗余方式來(lái)使水輪機(jī)調(diào)速器的可靠性得到提高，雙微機(jī)系統(tǒng)就是一臺(tái)處于備用狀態(tài)，一臺(tái)處于運(yùn)行狀態(tài)。另外容錯(cuò)功能的實(shí)現(xiàn)還可以通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在容錯(cuò)功能設(shè)計(jì)的過(guò)程中應(yīng)當(dāng)考慮一些比較特殊的情況，比如一些重要的地方發(fā)生了故障，為了避免對(duì)整體運(yùn)行結(jié)果產(chǎn)生影響，需要即刻進(jìn)入到停機(jī)或者手動(dòng)處理的狀態(tài)。

3 水輪機(jī)調(diào)速器的選型分析

3.1 水輪機(jī)調(diào)速器電氣--機(jī)械轉(zhuǎn)換部件選型分析

上世紀(jì)九十年代在我國(guó)高校、科研機(jī)構(gòu)的努力下，開(kāi)發(fā)了電機(jī)型的電氣——機(jī)械轉(zhuǎn)換部件。其中包含直流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等，其中步進(jìn)電機(jī)控制比較簡(jiǎn)單，主要是由脈沖控制；直流伺服電機(jī)調(diào)速的范圍比較快，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，過(guò)載能力也很強(qiáng)。所以步進(jìn)電機(jī)或者直流伺服電機(jī)都在水輪機(jī)調(diào)速器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用當(dāng)中起到了重要作用，而且也取得了顯著的成效。但是步進(jìn)電機(jī)和直流伺服電機(jī)自身都存在一定的缺陷，前者的缺點(diǎn)表現(xiàn)為在負(fù)荷較大的情況下響應(yīng)速度較慢，遇到卡阻使可能會(huì)出現(xiàn)失步等；直流伺服電機(jī)則存在摩擦產(chǎn)生火花等問(wèn)題，電刷長(zhǎng)期使用會(huì)導(dǎo)致機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)出現(xiàn)故障，為后期的維護(hù)帶來(lái)諸多麻煩。

當(dāng)前不少?gòu)S家所采用的是伺服閥，將其當(dāng)做水輪機(jī)調(diào)速器的電氣--機(jī)械轉(zhuǎn)換部件。通過(guò)伺服閥來(lái)把電氣柜的輸入信號(hào)變?yōu)檩敵鲂盘?hào)。與直流伺服、步進(jìn)電機(jī)等相比，伺服閥具備抗油污能力高；實(shí)現(xiàn)主配壓閥和引導(dǎo)閥之間的配合優(yōu)化；可靠性較高等優(yōu)點(diǎn)。因此綜合考慮，當(dāng)前在水電廠中應(yīng)當(dāng)采用伺服閥，使設(shè)備運(yùn)行的可靠性得到進(jìn)一步的提高。

3.2 水輪機(jī)調(diào)速器導(dǎo)葉位置反饋元件選型分析當(dāng)前我國(guó)已經(jīng)投入使用的導(dǎo)葉位置反饋元件，可以大概分為以編碼器為基礎(chǔ)的傳感器、電位器、旋轉(zhuǎn)變壓器等。其中電位器是水輪機(jī)調(diào)速器的導(dǎo)葉位置反饋信號(hào)，存在很多問(wèn)題，比如可靠性比較低，誤差大等，所以盡量不應(yīng)當(dāng)使用。以編碼為基礎(chǔ)的傳感器和旋轉(zhuǎn)變壓器有效地克服了電位器自身的缺點(diǎn)，尤其是響應(yīng)靈敏度和測(cè)量精確度方面都發(fā)生了變化，在使用的過(guò)程中應(yīng)當(dāng)遵循靈活原則，結(jié)合實(shí)際需求選擇合適的導(dǎo)葉位置反饋元件。

關(guān)于其具體安裝的位置，當(dāng)前國(guó)內(nèi)所采用的安裝方式是將導(dǎo)葉位置反饋元件安裝在機(jī)組的控制環(huán)上，把位置的變化轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)角度，進(jìn)而將導(dǎo)葉反饋元件安裝在專(zhuān)門(mén)的反饋桿上。不管將導(dǎo)葉位置反饋元件安裝在哪個(gè)部位，都應(yīng)當(dāng)避免一些問(wèn)題，避免出現(xiàn)線性度過(guò)差，反應(yīng)時(shí)間太長(zhǎng)的問(wèn)題。[這里用“筆者”感覺(jué)怪怪的 論文里可以這樣用嗎？]本文通過(guò)研究分析認(rèn)為，應(yīng)當(dāng)將導(dǎo)葉反饋元件安裝在接力器上。但是需要注意的是，水車(chē)室照明條件通常不好，因此在安裝的過(guò)程中避免誤碰到其他的裝置，避免出現(xiàn)水輪機(jī)調(diào)速器誤調(diào)節(jié)現(xiàn)象。

4 總結(jié)

水輪機(jī)調(diào)速器是水電站相關(guān)工作開(kāi)展的根本，其對(duì)于水電站工作順利平穩(wěn)地開(kāi)展所起到的重要作用也是不言而喻的。因此應(yīng)當(dāng)重視與其相關(guān)的工作，本文主要對(duì)水輪機(jī)調(diào)速器的特點(diǎn)、設(shè)計(jì)和選型等相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行分析，旨在為實(shí)際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

[1]劉建.水電站水輪機(jī)調(diào)速器的調(diào)試與維護(hù)[J].山東工業(yè)技術(shù),2017(07):170.

[2]秦曉峰,楊季松,許棟,錢(qián)鳳,馮啟文.水輪機(jī)調(diào)速器功率模式下模型試驗(yàn)參數(shù)測(cè)試方法初探[J].水電廠自動(dòng)化,2017,38(01):56-59.

[3]郭玉琥.水輪機(jī)調(diào)速器設(shè)計(jì)、選型若干問(wèn)題探討[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè),2007(04):20-22.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.01.031