基于液動換向閥的電液伺服系統研究

董惠珍 孟博鳳 王淵源

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

【關鍵詞】調速器，電液伺服系統，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

水輪機調速器是水電站重要的基礎控制設備，其質量的好壞直接影響到電能品質和電站安全及經濟運行。因此，性能優良的高可靠的水輪機調速器的研究一直是世界各國電力行業的一個重要課題，而電液伺服系統是水輪機調速器的執行機構，它的性能直接影響甚至決定整個調速器的性能。據統計調速器的故障主要由電液伺服系統引起，這些故障嚴重影響水電站的正常安全運行，因此，研究開發具有新型的、可靠性高、抗油污能力強的電液伺服系統已勢在必行。

1. 水輪機調速器電液伺服系統的現狀

近年來水輪機調速器的研究與開發取得了明顯的進步，卻主要集中于電器部分，機械液壓部分雖有改進，但其液壓元件與數十年的前機械液壓調速器一樣，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、小批量的生產模式，因此液壓系統制造費用高、可靠性低，液壓件損壞后，替代品不易購買，與現代液壓技術存在著巨大差距，也嚴重影響水輪發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已成為當務之急。

2. 基于液動換向閥的電液伺服系統

圖1為基于液動換向閥的高油壓電液伺服系統原理圖，主要由壓力油源系統和電液伺服系統兩部分組成。系統額定工作油壓為16Mpa，高油壓是系統所需的流量降低，油源系統和控制系統都可采用液壓標準元件，使系統的可靠性提高，同時使系統體積變小降低了制造成本，采用高速電磁閥作為電液轉換元件，使其控制器和驅動更加簡單可靠。

壓力油源系統由油箱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構成，電接點壓力表8根據系統壓力控制油泵的啟停。油源系統取消了傳統的壓力油罐，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，同時調速器無需再設氣源，降低電站成本。

電液伺服系統由關機閥9、開機閥12、液控換向閥10、緊急停機電磁閥 11、液壓鎖13、導葉接力器（油缸）14，兩段關閉裝置15組成。調速器的控制器輸出脈寬調制脈沖控制開關閥12、9的開啟及持續時間，從而控制液控換向閥10的開啟方向和持續時間，進而控制導葉接力器14的運動方向和速度。通過限位可以調節液控換向閥的最大流量，從而實現調節水輪機開關機時間的目的。當緊急事故發生時，通過緊急停機電磁閥11上電，使發電機組緊急停機，避免事故擴大，圖1狀態為調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，總使關機閥的輸出為壓力油而開機閥的輸出為回油，從而實現可靠的緊急停機。液壓鎖13是為防止系統中位漏油，兩段關閉裝置15可實現機組折線關閉。

3.液動換向閥的驅動

基于液動換向閥的電液伺服系統中，對開關閥的PWM控制方式是靠軟件來實現的。根據調速器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）功能的數字量輸出模塊DO135實現脈沖的輸出。PCC數字量輸出模塊DO135設兩個輸出通道，分別控制關機閥9、開機閥12開啟和持續時間，當脈沖輸出為零時，電磁閥靠復中彈簧回到中位。在程序中設置偏置量以克服了開關閥的死區，在程序中可以通過調整脈沖周期和占空比可獲得較優的控制品質。

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的PCC水輪機調速器于2007年3月在實驗室樣機進行了性能測試，主要技術指標均達到或優于國標要求。2008年1月，安裝在陜西魏家堡水電站2號機，并進行了調速器的試驗，試驗結果表明其主要性能指標滿足或優于國標GB/T9652.2-2007的要求。其中主要特性試驗結果如下：

1） 測至主接力器的轉速死區0.06%，非線性度0.13%，均優于國標；

2） 接力器不動時間測定值為0.17秒，小于國標規定的0.2秒；

3） 甩100%負荷時調節時間為39.7秒，滿足國標40秒要求。

參考文獻

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