一種解決調速器步進電機失步問題的方法

張國勛，徐娜，熊曉蕾，周鑫

（天津電氣科學研究院有限公司，天津300301）

一種解決調速器步進電機失步問題的方法

張國勛，徐娜，熊曉蕾，周鑫

（天津電氣科學研究院有限公司，天津300301）

水輪機調速器作為電站最重要的輔機設備，起著不可或缺的作用，步進電機作為電液轉換元件已經被廣泛應用于調速器中，然而由于種種原因，步進電機失步是每一個調速器生產廠家都會遇到的問題，本文就大坪電站調速器步進電機失步現象和原因展開論述，便于調速器廠家完善此類問題的查找和處理。

步進電機；失步；調速器；接力器

1 問題概述

大坪電站位于河北省石家莊市平山縣，電站選用的是天津電氣科學研究院有限公司TDBYWT-10000-2.5型調速器，初期運行平穩，但是由于電站經常跳閘，導致機組甩負荷現象經常發生，偶爾幾次甩負荷過程中，機組過速收到事故停機命令，等待機組關閉后將事故停機命令復歸的同時，導葉接力器全部打開，只能將調速器切到手動，關閉導葉接力器后再等待開機命令。究其原因是步進電機失步引起的，經過處理后，目前工作正常，而且至今沒有出現上述現象。

2 影響步進電機動作響應的因素

該電站調速器采用的是日本三洋步進電機，步進電機的響應性能在很大程度上依賴于驅動電路的驅動方式、控制脈沖規律及電源電壓等。步進電機啟動時轉子要從靜止狀態很快加速，當加入“突跳”的啟動頻率時，電機的電磁轉矩Mi（i,θ）(它是繞組電流i和轉子整步角θ的非線性函數)除了要克服負載Mf之外，還要產生加速度，其力矩平衡方程如式（1）所示，即

J—電機慣量；

Jf—負載慣量；

D——阻尼系數

另外，步進電機所接收的電氣信號是方波，由于電機繞組有電感，阻礙電流的上升、下降，其電壓平衡方程可用式(2)表示，即

式中R—繞組電阻；

E—繞組輸入端電壓；

L—繞組電感。

從上面的分析可知，影響步進電機響應的因素主要有：①負載轉矩；②電路參數L、R、i；③驅動方式、控制脈沖的規律及繞組輸入端電壓E；④負載慣量Jf及電機慣量J。

3 問題的解析

（1）硬件方面：步進電機帶動絲桿旋轉，使滾珠絲桿的螺母上/下移動，主配壓閥活塞與滾珠絲桿的螺母為剛性聯接，因而主配壓閥活塞也隨之上/下移動，達到控制接力器關/開的目的。

理論上來說，如果步進電機以下的滾珠絲杠以及引導針塞有卡塞，就會要求步進電機產生相應大的力矩旋轉用以帶動它們進行上下動作，如果由于卡塞造成步進電機所需力矩達到或者超過步進電機本身靜態力矩值，很有可能造成以上所說現象，故對該調速器滾珠絲杠和引導針塞進行動作試驗，經手動不同方向旋轉步進電機手輪檢查，均沒有卡阻現象，故排除了滾珠絲杠以及引導針塞卡塞的情況。

通俗的講，大坪電站調速器軟件中控制脈沖頻率的參數稍大，比如甩負荷過程中步進電機向關向旋轉，假設步進電機向關向旋轉100°，等接力器到達指定位置后，步進電機向開向旋轉，回復的角度也應該是100°，但是PLC發出關向旋轉100°所需要的脈沖，可是步進電機實際只轉了90°，而PLC認為步進電機已經到位了，于是步進電機從當前位置向開向回復轉了100°，以使主配壓閥針塞回到中間位置，等于從最初實際向開向轉了10°這樣就造成了失步現象，也就是目前PLC認為的中間位置不是剛剛甩負荷之前的那個中間位置，此時已經偏開向，造成上述接力器全部打開的現象。

當機組帶部分負荷的時候，斷路器跳閘造成的甩負荷，開度不是很大，所以需要步進電機往關向轉的角度小，不會出現失步現象，而當機組滿負荷時，往往開度很大，突然甩負荷的瞬間，需要步進電機往關向轉的角度很大，脈沖很快就發出，一旦控制脈沖頻率稍大，容易造成失步現象，這就解釋了大坪電站即使經常出現斷路器跳閘甩負荷的情況，也不是總能出現這個現象（圖1負載子程序流程圖）。

圖1 負載子程序流程圖

4 工作原理

機組頻率自動跟蹤電網頻率，當電網頻率故障時，機組頻率自動跟蹤頻率給定。

機組頻率值fj和電網頻率fw兩者相減即可得出機組頻率與電網頻率的差值Δf，簡稱頻差。

將Δf值直接送入比例環節和微分環節，并與bp反饋值綜合后送入積分環節進行PID運算，得出接力器開度的計算值y1；

如果接力器開度的計算值大于電開限，則最終輸出的接力器開度的計算值y1等于電開限；

如果接力器開度的計算值y1小于電開限，則接力器開度的計算值y1保持不變，此值與經A/D轉換后接力器開度的反饋信號值y相比較，計算二者之間差值Δy，Δy通過數字放大后，經PLC將脈沖及正反轉信號送至步進電機的驅動單元，驅動單元根據脈沖發生器信號，控制步進電機的轉動角度和旋轉方向（見圖2.調速器PID基本框圖）。

圖2 PID基本框圖

與步進電機相連的自復中裝置將步進電機的轉角轉換成引導閥針塞的上下直線位移，從而控制主配壓閥活塞的上下位移，使接力器朝開或關的方向運動。

當機組頻率高于電網頻率時，接力器開度計算值減小，其值與接力器反饋值之差Δy為負值，經數字放大后的數字信號使步進電機轉動給定轉角，使主配壓閥活塞上移，使壓力油與接力器關閉腔相連，接力器向關閉向移動，減少水輪機的流量，使機組轉速下降，機組頻率趨近并等于電網頻率，且接力器開度y與接力器開度計算值y1相等時進入穩定狀態。當機組頻率低于電網頻率時，動作過程與上述相反，控制接力器的開度增大，增加機組的流量，機組的轉速上升（見圖3調速器機械系統圖）。

圖3 調速器機械系統圖

TK730.4+1

B

1672-5387（2017）04-0036-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.04.010

2016-10-15

張國勛（1984-），男，工程師，從事水輪機調速器設計工作。