張國(guó)勛，徐娜，熊曉蕾，周鑫

（天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津300301）

一種解決調(diào)速器步進(jìn)電機(jī)失步問題的方法

張國(guó)勛，徐娜，熊曉蕾，周鑫

（天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津300301）

水輪機(jī)調(diào)速器作為電站最重要的輔機(jī)設(shè)備，起著不可或缺的作用，步進(jìn)電機(jī)作為電液轉(zhuǎn)換元件已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于調(diào)速器中，然而由于種種原因，步進(jìn)電機(jī)失步是每一個(gè)調(diào)速器生產(chǎn)廠家都會(huì)遇到的問題，本文就大坪電站調(diào)速器步進(jìn)電機(jī)失步現(xiàn)象和原因展開論述，便于調(diào)速器廠家完善此類問題的查找和處理。

步進(jìn)電機(jī)；失步；調(diào)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(xué)研究院有限公司TDBYWT-10000-2.5型調(diào)速器，初期運(yùn)行平穩(wěn)，但是由于電站經(jīng)常跳閘，導(dǎo)致機(jī)組甩負(fù)荷現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，偶爾幾次甩負(fù)荷過程中，機(jī)組過速收到事故停機(jī)命令，等待機(jī)組關(guān)閉后將事故停機(jī)命令復(fù)歸的同時(shí)，導(dǎo)葉接力器全部打開，只能將調(diào)速器切到手動(dòng)，關(guān)閉導(dǎo)葉接力器后再等待開機(jī)命令。究其原因是步進(jìn)電機(jī)失步引起的，經(jīng)過處理后，目前工作正常，而且至今沒有出現(xiàn)上述現(xiàn)象。

2 影響步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作響應(yīng)的因素

該電站調(diào)速器采用的是日本三洋步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)的響應(yīng)性能在很大程度上依賴于驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)方式、控制脈沖規(guī)律及電源電壓等。步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子要從靜止?fàn)顟B(tài)很快加速，當(dāng)加入“突跳”的啟動(dòng)頻率時(shí)，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Mi（i,θ）(它是繞組電流i和轉(zhuǎn)子整步角θ的非線性函數(shù))除了要克服負(fù)載Mf之外，還要產(chǎn)生加速度，其力矩平衡方程如式（1）所示，即

J—電機(jī)慣量；

Jf—負(fù)載慣量；

D——阻尼系數(shù)

另外，步進(jìn)電機(jī)所接收的電氣信號(hào)是方波，由于電機(jī)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(jìn)電機(jī)響應(yīng)的因素主要有：①負(fù)載轉(zhuǎn)矩；②電路參數(shù)L、R、i；③驅(qū)動(dòng)方式、控制脈沖的規(guī)律及繞組輸入端電壓E；④負(fù)載慣量Jf及電機(jī)慣量J。

3 問題的解析

（1）硬件方面：步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)，使?jié)L珠絲桿的螺母上/下移動(dòng)，主配壓閥活塞與滾珠絲桿的螺母為剛性聯(lián)接，因而主配壓閥活塞也隨之上/下移動(dòng)，達(dá)到控制接力器關(guān)/開的目的。

理論上來說，如果步進(jìn)電機(jī)以下的滾珠絲杠以及引導(dǎo)針塞有卡塞，就會(huì)要求步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)大的力矩旋轉(zhuǎn)用以帶動(dòng)它們進(jìn)行上下動(dòng)作，如果由于卡塞造成步進(jìn)電機(jī)所需力矩達(dá)到或者超過步進(jìn)電機(jī)本身靜態(tài)力矩值，很有可能造成以上所說現(xiàn)象，故對(duì)該調(diào)速器滾珠絲杠和引導(dǎo)針塞進(jìn)行動(dòng)作試驗(yàn)，經(jīng)手動(dòng)不同方向旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)手輪檢查，均沒有卡阻現(xiàn)象，故排除了滾珠絲杠以及引導(dǎo)針塞卡塞的情況。

通俗的講，大坪電站調(diào)速器軟件中控制脈沖頻率的參數(shù)稍大，比如甩負(fù)荷過程中步進(jìn)電機(jī)向關(guān)向旋轉(zhuǎn)，假設(shè)步進(jìn)電機(jī)向關(guān)向旋轉(zhuǎn)100°，等接力器到達(dá)指定位置后，步進(jìn)電機(jī)向開向旋轉(zhuǎn)，回復(fù)的角度也應(yīng)該是100°，但是PLC發(fā)出關(guān)向旋轉(zhuǎn)100°所需要的脈沖，可是步進(jìn)電機(jī)實(shí)際只轉(zhuǎn)了90°，而PLC認(rèn)為步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)到位了，于是步進(jìn)電機(jī)從當(dāng)前位置向開向回復(fù)轉(zhuǎn)了100°，以使主配壓閥針塞回到中間位置，等于從最初實(shí)際向開向轉(zhuǎn)了10°這樣就造成了失步現(xiàn)象，也就是目前PLC認(rèn)為的中間位置不是剛剛甩負(fù)荷之前的那個(gè)中間位置，此時(shí)已經(jīng)偏開向，造成上述接力器全部打開的現(xiàn)象。

當(dāng)機(jī)組帶部分負(fù)荷的時(shí)候，斷路器跳閘造成的甩負(fù)荷，開度不是很大，所以需要步進(jìn)電機(jī)往關(guān)向轉(zhuǎn)的角度小，不會(huì)出現(xiàn)失步現(xiàn)象，而當(dāng)機(jī)組滿負(fù)荷時(shí)，往往開度很大，突然甩負(fù)荷的瞬間，需要步進(jìn)電機(jī)往關(guān)向轉(zhuǎn)的角度很大，脈沖很快就發(fā)出，一旦控制脈沖頻率稍大，容易造成失步現(xiàn)象，這就解釋了大坪電站即使經(jīng)常出現(xiàn)斷路器跳閘甩負(fù)荷的情況，也不是總能出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象（圖1負(fù)載子程序流程圖）。

圖1 負(fù)載子程序流程圖

4 工作原理

機(jī)組頻率自動(dòng)跟蹤電網(wǎng)頻率，當(dāng)電網(wǎng)頻率故障時(shí)，機(jī)組頻率自動(dòng)跟蹤頻率給定。

機(jī)組頻率值fj和電網(wǎng)頻率fw兩者相減即可得出機(jī)組頻率與電網(wǎng)頻率的差值Δf，簡(jiǎn)稱頻差。

將Δf值直接送入比例環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)，并與bp反饋值綜合后送入積分環(huán)節(jié)進(jìn)行PID運(yùn)算，得出接力器開度的計(jì)算值y1；

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

如果接力器開度的計(jì)算值y1小于電開限，則接力器開度的計(jì)算值y1保持不變，此值與經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后接力器開度的反饋信號(hào)值y相比較，計(jì)算二者之間差值Δy，Δy通過數(shù)字放大后，經(jīng)PLC將脈沖及正反轉(zhuǎn)信號(hào)送至步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)單元，驅(qū)動(dòng)單元根據(jù)脈沖發(fā)生器信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和旋轉(zhuǎn)方向（見圖2.調(diào)速器PID基本框圖）。

圖2 PID基本框圖

與步進(jìn)電機(jī)相連的自復(fù)中裝置將步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成引導(dǎo)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(guān)的方向運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)機(jī)組頻率高于電網(wǎng)頻率時(shí)，接力器開度計(jì)算值減小，其值與接力器反饋值之差Δy為負(fù)值，經(jīng)數(shù)字放大后的數(shù)字信號(hào)使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)給定轉(zhuǎn)角，使主配壓閥活塞上移，使壓力油與接力器關(guān)閉腔相連，接力器向關(guān)閉向移動(dòng)，減少水輪機(jī)的流量，使機(jī)組轉(zhuǎn)速下降，機(jī)組頻率趨近并等于電網(wǎng)頻率，且接力器開度y與接力器開度計(jì)算值y1相等時(shí)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)機(jī)組頻率低于電網(wǎng)頻率時(shí)，動(dòng)作過程與上述相反，控制接力器的開度增大，增加機(jī)組的流量，機(jī)組的轉(zhuǎn)速上升（見圖3調(diào)速器機(jī)械系統(tǒng)圖）。

圖3 調(diào)速器機(jī)械系統(tǒng)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(guó)勛（1984-），男，工程師，從事水輪機(jī)調(diào)速器設(shè)計(jì)工作。