摘　要：20世紀(jì)90年代初開發(fā)的步進(jìn)電機(jī)或直流伺服電機(jī)控制的水輪機(jī)調(diào)速器存在大負(fù)荷下響應(yīng)速度慢、高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)矩下降或有磨擦并產(chǎn)生火花等問(wèn)題，因此，有必要研制交流伺服控制型可編程水輪機(jī)調(diào)速器。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(guó)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。 　　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） 　　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(wèn)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)速器存在的缺陷 　　20世紀(jì)90年代初期，國(guó)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(jiǎn)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(guò)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(wèn)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(guò)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)生火花的問(wèn)題，電刷的磨損會(huì)帶來(lái)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(lái)，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(guò)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。 　　2.2設(shè)計(jì)特點(diǎn) 　　2.2.1無(wú)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(wú)爬行、無(wú)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(jiǎn)單，體積小，運(yùn)行可靠，無(wú)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(guò)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(zhǎng)。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(guò)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(wú)傳動(dòng)杠桿，避免在鉸接處產(chǎn)生死行程；實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)手、自動(dòng)切換，結(jié)構(gòu)緊湊，外形美觀，操作簡(jiǎn)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(guò)觸摸屏幕進(jìn)行人-機(jī)對(duì)話，允許通過(guò)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(guò)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(guò)了電力行業(yè)專家的現(xiàn)場(chǎng)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/T9652.1—1997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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī) 定值。 4.結(jié)束語(yǔ) 　　交流伺服控制型可編程調(diào)速器經(jīng)過(guò)了水電站現(xiàn)場(chǎng)真機(jī)的運(yùn)行考驗(yàn)，其調(diào)節(jié)靈敏，可靠性高，性能好，運(yùn)行穩(wěn)定，而且該產(chǎn)品技術(shù)先進(jìn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、合理，操作簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，能為水電站帶來(lái)較好的經(jīng)濟(jì)效益。