水輪機調速器設計及其選型的相關研究

孫 毅

（湖南水利水電職業技術學院,長沙 410131）

水輪機調速器設計及其選型的相關研究

孫 毅

（湖南水利水電職業技術學院,長沙 410131）

水輪機調速器是控制[控制]導葉開度大小進而控制水輪機過水流量的大小，[這里加上一個逗號]從而來調整水輪機轉速的重要部件，因此水輪機調速器的性能和品質也會對水電站的安全運行具有重要意義。本文將針對水輪機調速器的相關設計內容和選型等進行分析，希望能夠在實際運行當中提供理論指導作用。

水輪機調速器；設計；選型；研究

水電站的工程項目中包含的機械類型種類多樣，水輪機調速器則是相對重要的構成部分[1]。當前社會，現代控制理論得到進一步的發展，計算機技術的發展，硬件設備的完善都使得水輪機調速器的調節性指標得到不同程度的提升，自身具備的功能也在進一步的完善。但是在具體使用水輪機調速器的過程中應當結合實際情況進行選型。

1 水輪機調速器的特點分析

縱觀我國內生產的水輪機調速器，大都具備比較多的共同點，主要如下：（1）所采用的核心控制元件一般都比較可靠，大多數廠家所采用的是進口的PLC系統或者是編程計算機控制器（PCC）系統以及PC系統等，只有一小部分企業生產的調速器使用的是MC68322芯片控制單元。（2）調速器的容錯和自診斷功能都比較好；（3）功能比較完善，除了能夠對轉速進行相應的控制，還可以根據用戶的實際需求來實現流量、功率和水位的控制；（4）調速器的主要系統構成為電液隨動系統和微機調節器系統；（5）電液轉換元件以及液壓冗余等相關新技術的使用，使調速器的抗油污能力得到了進一步的提升。

2 水輪機調速器具體設計內容

2.1 水輪機調速器測頻回路設計

當前我國國內已經投入使用的水輪機調速器，所采用的測頻信號源大都為電壓互感器，當然也有使用永磁機[2]。但是由于永磁機在安裝方面存在的問題，導致其和主軸相互連接的部位經常出現故障，所以使用的范圍也就比較小。采用電壓互感器作為測頻信號源的調速器能夠在正常運轉的情況下滿足基本的需要，但是一旦電壓互感器出現問題，調速器就會因為沒有測頻信號，自身的控制功能也就無法實現。所以為了解決這個問題需要對水輪機調速器的測頻信號源進行進一步的優化，在電壓互感器的基礎上添加了齒盤測頻信號，如果電壓互感器出現問題，沒有信號，將會自動轉換到齒盤測頻信號設備上實現水輪機調速器的控制功能。但齒盤測頻信號設備也有自身的缺點，比如精度較低，無法實現調速器的穩定調節。在具體設計的過程中可以借鑒瑞典調速器的設計方法，在電壓互感器的基礎上，引入電流互感器測頻信號。圖1為設計示意圖。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 借鑒瑞典經驗的調速器測頻回路設計示意圖

2.2 水輪機調速器輔助功能設計

2.2.1 頻率跟蹤功能設計

頻率跟蹤功能需要承擔比例積分運算的功能，讓機組的頻率和電網頻率保持一個固定的偏差[3]。將過零的次數控制在每分鐘5次至9次之間，大約每10s鐘會獲得并網的機會。在實現調速器這一功能時需要設計兩個測頻回路，而且要確定它們能夠準確地進行跟蹤，兩個回路還需要保持一致，使機組并網過程可以加速。

2.2.2 計算機輔助實驗功能設計

一些基于微機設計的水輪機調速器會設置計算機輔助實驗功能，這一功能實現的主要前提是做好相關設計。具體為：開展機組充水前或者后的試驗時，計算機會對試驗中的數據進行自動采集和處理，并以數據為基礎繪制結果曲線，最終將試驗結果打印出來。計算機輔助實驗功能可以減少試驗過程中出現的人為誤差。在設計過程中到底是這個功能軟件設置為獨立的試驗儀還是設置在調速器的計算機當中，當前有兩種不同的看法。如果從發展的角度出發，將來很可能會形成獨立的試驗儀，主要因為當前我國缺少相關的系列產品，隨著調速器系統實驗設備的不斷完善和普及，很可能會形成專用性比較強的產品。2.2.3 容錯功能設計

容錯功能是提高水輪機調速器的關鍵手段，容錯功能就是采用硬件或者軟件的冗余方式，在機器中的某個部分發生功能障礙時起到使其依然可以持續工作的作用。當前基于計算機的水輪機調速器中設置雙模冗余系統，也就是使用硬件冗余方式來使水輪機調速器的可靠性得到提高，雙微機系統就是一臺處于備用狀態，一臺處于運行狀態。另外容錯功能的實現還可以通過計算機軟件技術來實現。在容錯功能設計的過程中應當考慮一些比較特殊的情況，比如一些重要的地方發生了故障，為了避免對整體運行結果產生影響，需要即刻進入到停機或者手動處理的狀態。

3 水輪機調速器的選型分析

3.1 水輪機調速器電氣--機械轉換部件選型分析

上世紀九十年代在我國高校、科研機構的努力下，開發了電機型的電氣——機械轉換部件。其中包含直流伺服電機、步進電機等，其中步進電機控制比較簡單，主要是由脈沖控制；直流伺服電機調速的范圍比較快，動態響應好，過載能力也很強。所以步進電機或者直流伺服電機都在水輪機調速器的設計和應用當中起到了重要作用，而且也取得了顯著的成效。但是步進電機和直流伺服電機自身都存在一定的缺陷，前者的缺點表現為在負荷較大的情況下響應速度較慢，遇到卡阻使可能會出現失步等；直流伺服電機則存在摩擦產生火花等問題，電刷長期使用會導致機器的正常運轉出現故障，為后期的維護帶來諸多麻煩。

當前不少廠家所采用的是伺服閥，將其當做水輪機調速器的電氣--機械轉換部件。通過伺服閥來把電氣柜的輸入信號變為輸出信號。與直流伺服、步進電機等相比，伺服閥具備抗油污能力高；實現主配壓閥和引導閥之間的配合優化；可靠性較高等優點。因此綜合考慮，當前在水電廠中應當采用伺服閥，使設備運行的可靠性得到進一步的提高。

3.2 水輪機調速器導葉位置反饋元件選型分析當前我國已經投入使用的導葉位置反饋元件，可以大概分為以編碼器為基礎的傳感器、電位器、旋轉變壓器等。其中電位器是水輪機調速器的導葉位置反饋信號，存在很多問題，比如可靠性比較低，誤差大等，所以盡量不應當使用。以編碼為基礎的傳感器和旋轉變壓器有效地克服了電位器自身的缺點，尤其是響應靈敏度和測量精確度方面都發生了變化，在使用的過程中應當遵循靈活原則，結合實際需求選擇合適的導葉位置反饋元件。

關于其具體安裝的位置，當前國內所采用的安裝方式是將導葉位置反饋元件安裝在機組的控制環上，把位置的變化轉化為旋轉角度，進而將導葉反饋元件安裝在專門的反饋桿上。不管將導葉位置反饋元件安裝在哪個部位，都應當避免一些問題，避免出現線性度過差，反應時間太長的問題。[這里用“筆者”感覺怪怪的 論文里可以這樣用嗎？]本文通過研究分析認為，應當將導葉反饋元件安裝在接力器上。但是需要注意的是，水車室照明條件通常不好，因此在安裝的過程中避免誤碰到其他的裝置，避免出現水輪機調速器誤調節現象。

4 總結

水輪機調速器是水電站相關工作開展的根本，其對于水電站工作順利平穩地開展所起到的重要作用也是不言而喻的。因此應當重視與其相關的工作，本文主要對水輪機調速器的特點、設計和選型等相關問題進行分析，旨在為實際應用提供理論指導。

[1]劉建.水電站水輪機調速器的調試與維護[J].山東工業技術,2017(07):170.

[2]秦曉峰,楊季松,許棟,錢鳳,馮啟文.水輪機調速器功率模式下模型試驗參數測試方法初探[J].水電廠自動化,2017,38(01):56-59.

[3]郭玉琥.水輪機調速器設計、選型若干問題探討[J].水電自動化與大壩監測,2007(04):20-22.

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