一种解决调速器步进电机失步问题的方法

2017-05-15张国勋徐娜熊晓蕾周鑫

水电站机电技术 2017年4期

关键词：失步调速器开度

张国勋，徐娜，熊晓蕾，周鑫

（天津电气科学研究院有限公司，天津300301）

一种解决调速器步进电机失步问题的方法

张国勋，徐娜，熊晓蕾，周鑫

（天津电气科学研究院有限公司，天津300301）

水轮机调速器作为电站最重要的辅机设备，起着不可或缺的作用，步进电机作为电液转换元件已经被广泛应用于调速器中，然而由于种种原因，步进电机失步是每一个调速器生产厂家都会遇到的问题，本文就大坪电站调速器步进电机失步现象和原因展开论述，便于调速器厂家完善此类问题的查找和处理。

步进电机；失步；调速器；接力器

1 问题概述

大坪电站位于河北省石家庄市平山县，电站选用的是天津电气科学研究院有限公司TDBYWT-10000-2.5型调速器，初期运行平稳，但是由于电站经常跳闸，导致机组甩负荷现象经常发生，偶尔几次甩负荷过程中，机组过速收到事故停机命令，等待机组关闭后将事故停机命令复归的同时，导叶接力器全部打开，只能将调速器切到手动，关闭导叶接力器后再等待开机命令。究其原因是步进电机失步引起的，经过处理后，目前工作正常，而且至今没有出现上述现象。

2 影响步进电机动作响应的因素

该电站调速器采用的是日本三洋步进电机，步进电机的响应性能在很大程度上依赖于驱动电路的驱动方式、控制脉冲规律及电源电压等。步进电机启动时转子要从静止状态很快加速，当加入“突跳”的启动频率时，电机的电磁转矩Mi（i,θ）(它是绕组电流i和转子整步角θ的非线性函数)除了要克服负载Mf之外，还要产生加速度，其力矩平衡方程如式（1）所示，即

J—电机惯量；

Jf—负载惯量；

D——阻尼系数

另外，步进电机所接收的电气信号是方波，由于电机绕组有电感，阻碍电流的上升、下降，其电压平衡方程可用式(2)表示，即

式中R—绕组电阻；

E—绕组输入端电压；

L—绕组电感。

从上面的分析可知，影响步进电机响应的因素主要有：①负载转矩；②电路参数L、R、i；③驱动方式、控制脉冲的规律及绕组输入端电压E；④负载惯量Jf及电机惯量J。

3 问题的解析

（1）硬件方面：步进电机带动丝杆旋转，使滚珠丝杆的螺母上/下移动，主配压阀活塞与滚珠丝杆的螺母为刚性联接，因而主配压阀活塞也随之上/下移动，达到控制接力器关/开的目的。

理论上来说，如果步进电机以下的滚珠丝杠以及引导针塞有卡塞，就会要求步进电机产生相应大的力矩旋转用以带动它们进行上下动作，如果由于卡塞造成步进电机所需力矩达到或者超过步进电机本身静态力矩值，很有可能造成以上所说现象，故对该调速器滚珠丝杠和引导针塞进行动作试验，经手动不同方向旋转步进电机手轮检查，均没有卡阻现象，故排除了滚珠丝杠以及引导针塞卡塞的情况。

通俗的讲，大坪电站调速器软件中控制脉冲频率的参数稍大，比如甩负荷过程中步进电机向关向旋转，假设步进电机向关向旋转100°，等接力器到达指定位置后，步进电机向开向旋转，回复的角度也应该是100°，但是PLC发出关向旋转100°所需要的脉冲，可是步进电机实际只转了90°，而PLC认为步进电机已经到位了，于是步进电机从当前位置向开向回复转了100°，以使主配压阀针塞回到中间位置，等于从最初实际向开向转了10°这样就造成了失步现象，也就是目前PLC认为的中间位置不是刚刚甩负荷之前的那个中间位置，此时已经偏开向，造成上述接力器全部打开的现象。

当机组带部分负荷的时候，断路器跳闸造成的甩负荷，开度不是很大，所以需要步进电机往关向转的角度小，不会出现失步现象，而当机组满负荷时，往往开度很大，突然甩负荷的瞬间，需要步进电机往关向转的角度很大，脉冲很快就发出，一旦控制脉冲频率稍大，容易造成失步现象，这就解释了大坪电站即使经常出现断路器跳闸甩负荷的情况，也不是总能出现这个现象（图1负载子程序流程图）。

图1 负载子程序流程图

4 工作原理

机组频率自动跟踪电网频率，当电网频率故障时，机组频率自动跟踪频率给定。

机组频率值fj和电网频率fw两者相减即可得出机组频率与电网频率的差值Δf，简称频差。

将Δf值直接送入比例环节和微分环节，并与bp反馈值综合后送入积分环节进行PID运算，得出接力器开度的计算值y1；

如果接力器开度的计算值大于电开限，则最终输出的接力器开度的计算值y1等于电开限；

如果接力器开度的计算值y1小于电开限，则接力器开度的计算值y1保持不变，此值与经A/D转换后接力器开度的反馈信号值y相比较，计算二者之间差值Δy，Δy通过数字放大后，经PLC将脉冲及正反转信号送至步进电机的驱动单元，驱动单元根据脉冲发生器信号，控制步进电机的转动角度和旋转方向（见图2.调速器PID基本框图）。

图2 PID基本框图

与步进电机相连的自复中装置将步进电机的转角转换成引导阀针塞的上下直线位移，从而控制主配压阀活塞的上下位移，使接力器朝开或关的方向运动。

当机组频率高于电网频率时，接力器开度计算值减小，其值与接力器反馈值之差Δy为负值，经数字放大后的数字信号使步进电机转动给定转角，使主配压阀活塞上移，使压力油与接力器关闭腔相连，接力器向关闭向移动，减少水轮机的流量，使机组转速下降，机组频率趋近并等于电网频率，且接力器开度y与接力器开度计算值y1相等时进入稳定状态。当机组频率低于电网频率时，动作过程与上述相反，控制接力器的开度增大，增加机组的流量，机组的转速上升（见图3调速器机械系统图）。