劉少文

（四川大唐國際甘孜水電開 發(fā)有限公司，四川 甘孜626001）

1 調(diào)速系統(tǒng)介紹

1.1 調(diào)速器總體結(jié)構(gòu)

黃金坪水電站是位于大渡河干流的第十一級(jí)電站，左岸大廠機(jī)組調(diào)速器由微機(jī)調(diào)節(jié)器和機(jī)械液壓系統(tǒng)兩大部分組成。其中微機(jī)調(diào)節(jié)器為能事達(dá)MGC4004型，采用施耐德公司BMX系列雙可編程控制器構(gòu)成雙微機(jī)交叉冗余配置。機(jī)械液壓系統(tǒng)由雙比例伺服閥+純機(jī)械手動(dòng)自復(fù)中裝置、油壓裝置，兩部分組成。

調(diào)速器型號(hào)：PFWT-150-6.3-STARS油壓裝置型號(hào)：YZ-8.0-6.3

1.2 調(diào)速器整體布置

調(diào)速系統(tǒng)整體采用壓力油罐+回油箱+調(diào)速器機(jī)械部分+調(diào)速器電氣柜的布置型式?；赜拖渎涞厥桨惭b，與壓力油罐之間有管道相連，調(diào)速器電氣柜與調(diào)速器現(xiàn)地電氣控制柜及調(diào)速器現(xiàn)地機(jī)械柜之間由電纜相連。調(diào)速器機(jī)械部分布置于回油箱頂，外設(shè)調(diào)速器現(xiàn)地機(jī)械柜防塵防潮，調(diào)速器現(xiàn)地機(jī)械柜內(nèi)部裝設(shè)導(dǎo)葉開度、機(jī)組轉(zhuǎn)速指針表，便于手動(dòng)操作時(shí)觀察開度。

2 原設(shè)計(jì)方案（雙比例伺服閥+純機(jī)械手動(dòng)）說明

原設(shè)計(jì)的雙比例伺服閥冗余控制方案（圖1），避免了單個(gè)比例閥故障造成機(jī)組停機(jī)。當(dāng)比例閥A工作時(shí)，比例閥B備用。當(dāng)比例閥A故障時(shí)，可通過電氣控制或手動(dòng)操作，使主備用切換閥換向，切至比例閥B主用。缺點(diǎn)：當(dāng)調(diào)速器用油精度不夠或油路不潔凈時(shí)，容易導(dǎo)致單個(gè)比例閥發(fā)卡。即使切換，備用比例閥同樣存在發(fā)卡隱患。一旦控制電源消失，比例閥A、比例閥B、切換閥均不受控制，機(jī)組將停機(jī)或切至機(jī)械手動(dòng)。

圖1 原方案原理圖

2.1 機(jī)械部分工作原理

來自油壓裝置的主壓力油分為兩路，一路為操作油，進(jìn)入主配壓閥的壓力腔和恒壓腔；一路經(jīng)過雙精油濾器輸出控制用油?？刂朴糜徒?jīng)自動(dòng)回路依次通過比例伺服閥、主備用切換閥、手/自動(dòng)切換閥、緊急停機(jī)電磁閥到主配壓閥的控制腔。手動(dòng)回路通過液壓反饋閥、手/自動(dòng)切換閥、緊急停機(jī)電磁閥到主配壓閥的控制腔。

在自動(dòng)或電手動(dòng)工況下，微機(jī)調(diào)節(jié)器給比例伺服閥的驅(qū)動(dòng)放大器提供電氣信號(hào)，比例伺服閥的閥芯換位，輸出壓力信號(hào)油。正常狀態(tài)下手/自動(dòng)切換閥長期帶電，主閥活塞受比例伺服閥流量控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行和電手動(dòng)運(yùn)行；失電時(shí)，手/自動(dòng)切換閥應(yīng)自動(dòng)切到復(fù)中位，切斷了比例伺服閥的控制油源。而始終保持在自復(fù)中位的手操機(jī)構(gòu)驅(qū)使主配活塞回到零位，接力器停止運(yùn)動(dòng)，保持當(dāng)前開度。

2.2 比例伺服閥簡介

比例伺服閥是一種電氣控制的滑閥式結(jié)構(gòu)。比例伺服閥的功能是把微機(jī)調(diào)節(jié)器輸出的電氣控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為成比例的流量輸出信號(hào)，用于控制主配壓閥。

比例伺服閥具有4個(gè)工作位（圖2），通常只用3個(gè)工作位，即開、關(guān)、停。只有當(dāng)比例伺服閥出現(xiàn)故障或失電時(shí)，才處于第4個(gè)工作位，第4個(gè)工作位稱作故障保險(xiǎn)位，處于這個(gè)位時(shí)，主配壓閥的控制腔通回油，此時(shí)接力器關(guān)閉充分保證機(jī)組安全。

圖2 比例伺服閥原理圖

2.3 電氣部分說明

黃金坪水電站微機(jī)調(diào)速器控制部分采用施耐德公司BMX系列PLC的雙微機(jī)控制器，設(shè)有開關(guān)量I/O通道、模擬量I/O通道、測(cè)頻通道和電源通道。當(dāng)自動(dòng)通道系統(tǒng)故障時(shí)能自動(dòng)切換到手動(dòng)運(yùn)行。

微機(jī)調(diào)節(jié)器采用雙微機(jī)控制器A和B、交叉冗余容錯(cuò)系統(tǒng)。微機(jī)控制器A和B的測(cè)頻、輸入、輸出和電源等均相互獨(dú)立，運(yùn)行過程中將其中一個(gè)控制器退出時(shí)不影響調(diào)速系統(tǒng)的正常工作。機(jī)械部分采用雙比例閥控制結(jié)構(gòu)，每套PLC輸出兩路比例閥控制信號(hào)。

3 優(yōu)化方案（比例伺服閥+伺服電機(jī)自復(fù)中轉(zhuǎn)換器）說明

此方案為比例伺服閥和伺服電機(jī)控制自復(fù)中元件的冗余可編程微機(jī)調(diào)速器（圖3）。此方案在比例伺服閥控制和伺服電機(jī)控制的自復(fù)中狀態(tài)時(shí)對(duì)油質(zhì)的要求不同，比例伺服閥控制狀態(tài)時(shí)用油精度為10 μm，伺服電機(jī)控制狀態(tài)時(shí)用油精度為 20 μm，這種方式對(duì)新建電廠以及大修后的機(jī)組安全運(yùn)行擁有較多益處。

圖3 優(yōu)化方案原理圖

3.1 自復(fù)中轉(zhuǎn)換器

自復(fù)中轉(zhuǎn)換器為調(diào)速器中的機(jī)、電相互轉(zhuǎn)換部件，是關(guān)鍵元件，有以下幾種特點(diǎn)：

（1）無發(fā)卡現(xiàn)象：不但徹底克服了液壓伺服裝置始終存在的噪聲、而且改變了油質(zhì)中污物敏感等薄弱環(huán)節(jié)，它對(duì)用油精度要求較低。

（2）表面無漏油：轉(zhuǎn)換器部分無油，僅下部閥體部分需用油，所以無油質(zhì)污染。

（3）機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)態(tài)性能好。

（4）電機(jī)正-反運(yùn)轉(zhuǎn)的交替過程中行程無死區(qū)，尤其是機(jī)組斷電時(shí)能準(zhǔn)確的自動(dòng)復(fù)中，保證機(jī)組安全、可靠運(yùn)行。

該自復(fù)中轉(zhuǎn)換器可通過伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，或者通過操作手柄，經(jīng)傳動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)將傳動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)變?yōu)榫苈菁y的上下位移，達(dá)到控制主配上下精確運(yùn)動(dòng)的目的。

3.2 伺服電機(jī)

伺服電機(jī)具有控制電源電壓保護(hù)、過電壓保護(hù)、主電壓保護(hù)、過流保護(hù)、過熱保護(hù)及過載保護(hù)等自身保護(hù)功能，采用220 V交、直流供電，PLC的定位單元模擬輸出脈沖信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，由于伺服電機(jī)帶有旋轉(zhuǎn)編碼器，其自身組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，定位精度非常高，啟動(dòng)力矩大。由于其性能可靠，可以保證調(diào)速器運(yùn)行的穩(wěn)定性及可靠性。

伺服驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)參數(shù)：交流、直流220 V，IGBT PWM控制（正弦波脈寬控制），最大輸入脈沖頻率500 kp/s，6位數(shù)-7段顯示。

3.3 優(yōu)化方案電氣部分說明

優(yōu)化方案的電氣部分控制原理與原設(shè)計(jì)方案差別不大，只是由于機(jī)械部分增加伺服電機(jī)控制功能，所以要在現(xiàn)有方案基礎(chǔ)上增加一個(gè)定位模塊和伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器（圖 4、5）。

圖4 伺服電機(jī)控制回路

圖5 優(yōu)化方案電氣部分原理圖

3.4 調(diào)速器通道切換工作原理

優(yōu)化方案中調(diào)速器控制器A控制伺服電機(jī)，控制器B控制比例伺服閥，主/備用工作狀態(tài)可以通過手/自動(dòng)切換閥切換。通道切換時(shí)，首先由電氣選擇比例伺服閥或伺服電機(jī)控制自復(fù)中電液轉(zhuǎn)換器主用權(quán)，若比例伺服閥為主用，則手/自動(dòng)切換閥將打開比例伺服閥側(cè)的油路，伺服電機(jī)控制自復(fù)中電液轉(zhuǎn)換器為備用。手/自動(dòng)切換閥為常通電閥，失電將切至純機(jī)械手動(dòng)位，由自復(fù)中電液轉(zhuǎn)換器執(zhí)行其純手動(dòng)功能，同時(shí)可以維持主配處于中位。在任何工況下，動(dòng)作緊急停機(jī)電磁閥可使主配處于關(guān)閉位，來關(guān)閉導(dǎo)葉接力器。

3.5 優(yōu)化方案的優(yōu)點(diǎn)

優(yōu)化方案采用比例伺服閥加伺服電機(jī)自復(fù)中轉(zhuǎn)換器等冗余方式，當(dāng)比例伺服閥失電后可以自動(dòng)切至伺服電機(jī)自復(fù)中轉(zhuǎn)換器，不同控制方式之間可以實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換，并且可以任意選擇比例閥或伺服電機(jī)控制。

優(yōu)化方案在自復(fù)中轉(zhuǎn)換器上方增加一個(gè)伺服電機(jī)控制系統(tǒng)，使自復(fù)中控制系統(tǒng)具備了電動(dòng)功能，完全可以替代比例伺服閥控制系統(tǒng)進(jìn)行日常運(yùn)行控制，是真正的雙套不同原理控制冗余系統(tǒng)。當(dāng)比例閥因故不能正常使用時(shí)可以切換至自復(fù)中控制回路，由伺服電機(jī)來控制機(jī)組運(yùn)行。此方案雖為單比例伺服閥，但由于自復(fù)中電轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)無需用油來操作，所以對(duì)油質(zhì)的要求比比例伺服閥要低得多，而且純手操功能在調(diào)速器失電時(shí)，仍能夠滿足試驗(yàn)、黑啟動(dòng)和黑操作的手動(dòng)運(yùn)行要求。

4 結(jié)語

通過兩種方案的對(duì)比以及優(yōu)化方案的論證研究，優(yōu)化方案具有較多的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)際運(yùn)行可靠性較高。優(yōu)化后的調(diào)速器至今未發(fā)生過因調(diào)速器故障造成機(jī)組停運(yùn)，這對(duì)于黃金坪水電站進(jìn)行電力系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)和投入AGC運(yùn)行具有重要的意義。