基于液动换向阀的电液伺服系统研究

董惠珍 孟博凤 王渊源

【摘 要】电液伺服系统是水轮机调速器的执行机构，它的性能直接影响调速器的性能。据统计调速器的故障主要由电液伺服系统引起，严重影响水电站的安全运行。因此，研究开发具有新型的可靠性高、标准化的电液伺服系统已势在必行。本文提出的基于液动换向阀的电液伺服系统，采用液压标准元件，不仅提高了可靠性，还使系统体积变小成本降低，采用高速电磁阀作为电液转换元件，使控制和驱动更加简单可靠。电站试验与运行表明其性能指标满足或优于国标GB/T9652.2-2007的要求、可靠高。

【关键词】调速器，电液伺服系统，液动换向阀

【中图分类号】F407.42【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）07-0401-01

水轮机调速器是水电站重要的基础控制设备，其质量的好坏直接影响到电能品质和电站安全及经济运行。因此，性能优良的高可靠的水轮机调速器的研究一直是世界各国电力行业的一个重要课题，而电液伺服系统是水轮机调速器的执行机构，它的性能直接影响甚至决定整个调速器的性能。据统计调速器的故障主要由电液伺服系统引起，这些故障严重影响水电站的正常安全运行，因此，研究开发具有新型的、可靠性高、抗油污能力强的电液伺服系统已势在必行。

1. 水轮机调速器电液伺服系统的现状

近年来水轮机调速器的研究与开发取得了明显的进步，却主要集中于电器部分，机械液压部分虽有改进，但其液压元件与数十年的前机械液压调速器一样，工作油压仍然维持在2.5MPa、4MPa、6.3MPa几个较低的等级上，未采用标准，依然是单件、小批量的生产模式，因此液压系统制造费用高、可靠性低，液压件损坏后，替代品不易购买，与现代液压技术存在着巨大差距，也严重影响水轮发电机组的安全可靠运行。因此，研制采用标准液压件的集成化高油压电液伺服系统已成为当务之急。

2. 基于液动换向阀的电液伺服系统

图1为基于液动换向阀的高油压电液伺服系统原理图，主要由压力油源系统和电液伺服系统两部分组成。系统额定工作油压为16Mpa，高油压是系统所需的流量降低，油源系统和控制系统都可采用液压标准元件，使系统的可靠性提高，同时使系统体积变小降低了制造成本，采用高速电磁阀作为电液转换元件，使其控制器和驱动更加简单可靠。

压力油源系统由油箱1、溢流阀2、电机3、油泵4、单向阀5、双筒滤油器6及蓄能器7构成，电接点压力表8根据系统压力控制油泵的启停。油源系统取消了传统的压力油罐，改用标准的气囊式蓄能器储能，使蓄能器中的油气分离，避免液压油受到污染，同时调速器无需再设气源，降低电站成本。

电液伺服系统由关机阀9、开机阀12、液控换向阀10、紧急停机电磁阀 11、液压锁13、导叶接力器（油缸）14，两段关闭装置15组成。调速器的控制器输出脉宽调制脉冲控制开关阀12、9的开启及持续时间，从而控制液控换向阀10的开启方向和持续时间，进而控制导叶接力器14的运动方向和速度。通过限位可以调节液控换向阀的最大流量，从而实现调节水轮机开关机时间的目的。当紧急事故发生时，通过紧急停机电磁阀11上电，使发电机组紧急停机，避免事故扩大，图1状态为调速器正常运行时停机阀所处位置，此时其作为停机阀9的回油路及开机阀12压力油路的一部分，当紧急停机电磁阀11换向时，关机阀9 T口通压力油、开机阀12 P口通回油，无论两支阀是否开启，总使关机阀的输出为压力油而开机阀的输出为回油，从而实现可靠的紧急停机。液压锁13是为防止系统中位漏油，两段关闭装置15可实现机组折线关闭。

3.液动换向阀的驱动

基于液动换向阀的电液伺服系统中，对开关阀的PWM控制方式是靠软件来实现的。根据调速器PID控制器的输出iy与接力器反馈iry的差值idy确定脉冲的方向和脉冲高电平的宽度h_pulse，脉冲低电平的宽度l_pulse由脉冲周期h_p_max减去高电平宽度得到。将计算所得的h_pulse，l_pulse作为参量调用可编程计算机控制器PCC功能块LTXdpwm，通过具有TPU（时间处理单元）功能的数字量输出模块DO135实现脉冲的输出。PCC数字量输出模块DO135设两个输出通道，分别控制关机阀9、开机阀12开启和持续时间，当脉冲输出为零时，电磁阀靠复中弹簧回到中位。在程序中设置偏置量以克服了开关阀的死区，在程序中可以通过调整脉冲周期和占空比可获得较优的控制品质。

4.电站试验

采用本文研制的基于液动换向阀的电液伺服系统的PCC水轮机调速器于2007年3月在实验室样机进行了性能测试，主要技术指标均达到或优于国标要求。2008年1月，安装在陕西魏家堡水电站2号机，并进行了调速器的试验，试验结果表明其主要性能指标满足或优于国标GB/T9652.2-2007的要求。其中主要特性试验结果如下：

1） 测至主接力器的转速死区0.06%，非线性度0.13%，均优于国标；

2） 接力器不动时间测定值为0.17秒，小于国标规定的0.2秒；

3） 甩100%负荷时调节时间为39.7秒，满足国标40秒要求。

参考文献

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[2] 冯雁敏，张雪源.？？水轮机调速器特性研究综述[J].水电能源科学.2009（03）

[3] 潘熙和，贾宝良，吴应文.我国水轮机控制技术最新进展与展望[J].中国水能及电气化.2007（Z1）.