我国水轮机调速器电液转换部件应用分析

聂 伟 王丽娟 潘熙和

(长江科学院长江控制设备研究所,湖北武汉 430010)

1 概 述

品中通用的标准化液压元件在水轮机调速器中的应用仍受到限制。

我国水轮机调速器设备从建国初期由仿制苏联设备开始,到近几十年来不断自主设计研发、制造,走出了一条具有中国特色的水电控制设备发展道路,在机械液压控制部分的研制和应用方面取得了飞速发展,各种产品形式不断出现,并且特色鲜明,形成了百家争鸣的格局。在水电站机组运行实践中,不断有产品被新的系统所取代。

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的转速与出力,其品质与性能直接影响到电网品质和水电站运行的安全可靠性。电液转换部件是调速器的核心部件,因此改善和提高水轮机调速器中电液转换部件工作的可靠性和抗油污能力,是确保水轮机调速器可靠性的关键。尽量使用工业领域内成熟液压标准元件,减少自制液压元件的使用已经成为水轮机调速器行业发展的大趋势。目前已有大量的调速器在控制油路中采用了标准液压阀,如电液比例阀、伺服比例阀、电磁换向阀、插装阀等。但由于水电行业对控制系统工作的可靠性和抗油污能力的苛刻要求,使一些液压产

2 几种常用的电液转换系统

2.1 电液伺服阀

电液伺服阀是一种接受模拟量电控制信号,输出随电控制信号的大小及极性变化、且快速响应的模拟量流量或压力的液压控制阀。与电液比例阀相比,电液伺服阀具有快速的动态响应及良好的静态特性,如分辨率高、滞环小、线性度好等。图1所示为电液伺服阀结构。该阀是一种高性能、高精度的电液控制部件,是电液伺服系统的关键部件,其性能及正确使用,直接关系到整个系统的控制精度和响应特性,也直接影响到系统工作的可靠性和寿命。因此在使用电液伺服阀时需注意以下问题。

(1)油源。电液伺服阀通常采用定压液压源供油,伺服阀供油口前需接入过滤精度不低于10 μ m的滤油器。

(2)使用。伺服阀系统对油质的要求非常高,其使用寿命和可靠性与工作液的污染度密切相关。工作液不清洁,轻则影响产品性能,缩短寿命,重则使产品不能工作。因此使用者对系统工作液的污染度应予以特别重视。使用伺服阀的液压系统必须做到:①对安装伺服阀的液压系统必须彻底清洗,系统的过滤精度应能达到好于伺服阀使用说明书规定的工作液污染度的等级要求。首次使用伺服阀时,新安装的液压系统管路或更换原有管路时,应进行严格清洗。②在伺服阀进油口前必须配置过滤精度不低于10 μ m的滤油器,这些滤油器应是全流量的非旁通型滤油器。③应定期检查工作液的污染度。

(3)定期维护。伺服阀应定期返回制造厂进行调整。对于有些伺服阀,用户可按说明书的规定,定期对其内部滤油器和外调零机构进行更换,或清洗内部滤油器,或按使用情况调节伺服阀零偏。此外,用户不得分解伺服阀。如伺服阀发生故障,应将其返回制造厂、研究所或由这些单位设立的维修中心进行修理、排障、调整。

图1 电液伺服阀结构

2.2 电液比例控制阀

长期以来,在大多数工业液压控制系统中,当需要高性能的位置或速度控制时,首先想到的、也曾经是唯一的解决办法,就是采用电液伺服阀的闭环控制系统。但由于电液伺服阀是一种高技术条件下的方向和流量控制阀,不可避免地会带来一定的制造难度,并导致制造成本高、维护不方便等弊端。因此在并不需要伺服阀的全部性能和潜力的应用场合,这些问题就可能成为主要缺点。电液比例控制阀是20世纪70年代初为了解决液压控制系统在工业环境中的应用,并克服伺服阀在工业应用中的一些缺点,而在伺服阀的基础上发展起来的。经过20～30 a的发展,除仍保留中位死区处,其稳态特性已与伺服阀不相上下,频宽达10～25 Hz,从而使电液比例控制阀获得了远比伺服阀更为广泛的工业应用范围。

按其控制功能来分类,可将电液比例控制阀分为比例压力控制阀、比例流量控制阀、比例方向控制阀和比例复合阀。前两者为单参数控制阀,后两者为多参数控制阀(如同时控制压力、流量和油流方向)。比例方向阀属于两参数控制阀,能同时控制流体运动的方向和流量,在压差恒定的条件下,通过它的流量与输入的电信号成比例,而液流方向则取决于控制阀两个比例电磁铁中被激励的一个。

按液压放大极的级数,又可将电液比例控制阀分为直动式和先导式。直动式是由电-机转换元件直接推动液压功率级,由于受电-机转换元件输出力的限制,直动式比例阀能控制的功率有限,一般控制流量在50 L/min以下。先导控制式比例阀由直动式比例阀与能输出较大功率的主阀级构成,目前,二级比例阀可以控制的流量通常在500 L/min以下。

图2为直控式比例方向流量阀的结构示意,属于节流控制型方向流量阀。图中,进油口为P、出油口为A/B、回油口为 T。

图2 直控式比例方向流量阀

当比例电磁铁不通电时,阀芯由复位弹簧保持在中位;当向左侧电磁铁输入一个电流信号时,电磁铁就会产生一定的推力,推动阀芯克服弹簧力向右移动一定距离,相对于阀体的控制台阶,阀芯移动一定的开口量,且从P腔到B腔、从A腔到T腔流过一定的流量。若输入连续的电流信号,则开口量就会随之呈线性变化,使通过阀的液流流量成比例地变化。右侧电磁铁输入电流信号时,也会产生类似的变化,只不过液流方向相反。改变左、右比例电磁铁的信号,就可使液流改变方向和流量,而普通的电磁铁换向阀只有左、中、右3个位置,不可能在中间任一位置停留。

电液比例控制阀在调速器的电液随动系统中,不仅直接替代了传统的电液转换器,而且因其为批量和规格化生产,避免了专用电液转换器小批量加工的工艺难度和加工设备引起的制造缺陷,可靠性有了很大提高。目前通常是采用直动式电液比例方向阀,直接或间接(作为先导级)地实现对液压放大执行元件流量和方向的控制。

2.3 伺服比例阀

20世纪90年代初,德国的博世公司推出了一种新型高频响比例阀产品,这种产品在工作原理和性能上介于电液伺服阀与普通比例阀之间,称为伺服比例阀。

伺服比例阀液压部分以滑阀式结构为主,相对阀套移动形成的矩形全周控制口,滑阀可同时控制液流的压力、流量和流向。这种阀的电磁推力大,线圈匝数小、电流大,采用了具有快速工作特性的精密电子放大器;同时减小了机械摩擦的副摩擦力,消除了零位死区。因此其动态特性大为改善,频宽可达40～80 Hz,并且可达到滞环和重复精度小于0.1%的高稳态控制精度,完全可以取代伺服阀而用于闭环控制系统。

伺服比例阀配置了新型阀用电控制器,均采用PID控制方法,并有位置控制、速度控制、力控制、同步控制等常用电/液控制系统的电控制器。电控制器直接安装在伺服比例阀上,结构紧凑,用户只要按主机工艺要求,操纵一台工业控制机,就可实现控制要求,且安装极为方便。图3所示为伺服比例阀典型结构。

图3 伺服比例阀典型结构

伺服比例阀的结构较伺服阀简单,因而价格低于伺服阀;控制环节少,因而工作可靠,对工作介质无苛刻要求。由于这些优良特性,在国外,伺服比例阀已取代伺服阀被用于许多工业控制领域,成为液压控制产品的一个研制发展方向。

2.4 快速开关式数字阀

快速开关数字阀又称脉宽调制式数字阀。其数字信号控制方式为脉宽调制,控制液压阀的信号是一系列幅值相等、且在每一周期内宽度不同的脉冲信号。快速开关数字阀结构示于图4中。

图4 快速开关数字阀结构

快速开关式数字阀的控制方式以及液压阀的工作原理与比例阀、普通开关阀和增量式数字阀均有较大不同,它是一个快速切换的开关,只有全开、全闭两种工作状态,因此其液压阀结构也与其他阀的不同。但驱动部件仍以电磁式电、机转换器为主,主要是力矩马达和各种电磁铁。

快速开关式数字阀的控制系统是以计算机根据控制要求发出脉冲信号,经脉宽调制放大器调制放大,作用于电/机放大器,电/机转换器驱动液压阀工作。系统多为开环控制,也可用于闭环控制。该阀的主要优点是:结构简单;成本低;对油液污染不敏感,工作可靠、维修方便;阀口压降小,功耗低;元件死区对控制性能影响小;抗干扰能力强;与计算机连接方便,控制程序容易编制。

该阀的主要缺点是:因为元件工作不连续,衔铁的撞击运动和液流的脉冲运动会产生较大噪声,被控参量的目标值是以开关阀的平均值来代替,瞬时流量和压力的脉动较大,这样会影响元件和系统的使用寿命和控制精度。为得到高频开、关动作,电/机转换器和阀的行程都会受到限制,因此这种阀的流量均不大,只能控制小流量,或用作先导级来控制大流量。

快速开关阀动作滞后的原因主要是电滞后、磁滞后和机械滞后。

2.5 无油自复中电液转换器

图5 步进电机式电/机转换器

无油自复中电/机转换器主要由电气、机械传动和复中机构三大部分组成。其中电气部分为步进电机或伺服电机,设置在上部;机械传动为滚珠螺旋副,设置在中部;复中机构为单弹簧复中机构,设置在下部。其最大特点是:

(1)当电源消失后,能靠单弹簧自复中机构自动复中(恢复平衡位置);

(2)与液压放大机构构成电液随动装置,完全是在常用的电液转换器方式下工作;

(3)无油控制。

以步进电机为例,对其进行较为详细的介绍。

调速器由可编程输出脉冲信号来控制步进电机旋转目标的角度,旋转量通过机械传动转化为主配压阀先导级(引导阀芯)的直线位移量,再经过主配压阀内部的液压放大后,向接力器油腔供油。

一种基于摄影测量的悬垂控制器采用不透明的长方体结构，该结构的横截面积是正方形.管道顶点位置内置八个LED灯，八个LED灯在空间上呈正方体分布，摄像头位于LED3、LED4、LED7和LED8所在平面的中心位置，外部光照无法进入悬垂控制器内部，因此，此结构保证了目标电缆的背景简单且光照均匀.

步进电机组成自复中电/机转换器的电气部分,可采用日本三洋公司产品,配以日本乐兹电机驱动器。三洋步进电机与乐兹驱动器配合使用,具有控制精度高,输出力矩大,力矩特性好,惯量小,而且结构坚固、性能可靠。步进电机的控制原理示于图6。

图6 步进电机控制原理

步进电机具有以下控制特点:

(1)脉冲数字控制,方便可靠;

(2)电源结构简单,无需逆变装置,满足双重供电要求;

(3)采用闭环控制(闭环到丝杆输出),可以电气补偿丝杆间隙;

(4)采用细分步控制,定位精度高。

机械部分包括机械传动机构和自复中机构。其中机械传动机构是通过滚珠丝杠副实现把电机的旋转运动转换成直线运动的重要环节。滚珠丝杠副的结构形式是在丝杠轴和螺母之间塞进了钢珠,这些钢珠在螺纹道槽中循环滚动。它具有以下特征:

(1)因为是滚动的球接触,所以启动力矩小,可在低速下点动作精细的微动操作;

(2)因为采用的是精选材料(螺母和丝杆材料为烙钼合金钢)和经过了优化热处理(渗碳后淬火硬度达HRC58～62),所以具有出色的耐久性;

(3)润滑简单,在正常运行条件下,只需定时加润滑脂;

(4)传动效率极高(通常 ＞90%),直线运动很容易地即可转换为旋转运动。

由此可见,滚珠丝杠副所具有的这些特征能够保证电/机转换器在转换过程中运动传递的可靠性和精确性。图7为自复中型位移转换装置的结构示意。

图7 自复中型位移转换装置结构示意

自复中机构设置在电-机转换器的下部,其中关键零件是用于复中的压缩弹簧。首先该压缩弹簧的材料是采用合金弹簧钢丝,因为恒弹性合金热膨胀系数很小,弹性模量在-50～+100℃之间基本无变化。热处理工艺除了进行消除应力回火处理,对表面还进行了喷丸处理,以清除弹簧表面的疵病,从而消除或减少疲劳源,提高疲劳寿命。然后进行压缩弹簧的疲劳试验,目的是检验其疲劳强度或寿命是否达到要求,从而保证弹簧的耐久性。最后确定弹簧的工作特性范围,以使弹簧能在最佳线性区间工作。

自从步进电机或伺服电机控制自复中电液转换调速器诞生以来,在大型调速器(主配压阀直径Φ 80、Φ 100、Φ 150)上已得到广泛应用,在水轮机调速器的市场中所占份额也越来越大。

3 结 语

综上所述,本文分别对目前国内水轮机调速器市场上使用较广的5类电液转换部件进行了介绍。从中不难发现,这些元件都是在工业控制和工业液压领域内得到广泛应用后而被引入到水轮机调速器行业来的。随着液压元件向高性能、高质量、高可靠性、系统成套以及向低能耗、低噪声、低振动、无泄漏以及污染控制的方向发展,结合调速系统的自身特点和特殊要求,通过不断研究和改进,相信会有更多的工业控制产品和液压标准元件将会在水轮机调速器中得到应用。

[1] 魏守平.我国水轮机数字式电液调速器评述[J].水电自动化与大坝监测,2003,5.

[2] 潘熙和.可编程计算机水轮机调速器研制及技术特点分析[J].长江科学院院报,2003,2.

[3] 李 晃.我国水轮机调速器行业产品概况及发展趋势[J].电器工业,2002,9.

[4] 王丽娟.几种常见电液转换元件的特点与比较[C]∥中国水电控制设备论文集.2004.