水輪機液壓調(diào)速器是水電站的重要控制設備，可分為機械液壓型和電氣液壓型，其中，TT、YT系列機械液壓型調(diào)速器投運數(shù)萬臺，現(xiàn)在仍有數(shù)千臺在使用。隨著電站控制的自動化水平提高，機械液壓型調(diào)速器已完全不能適應電站控制需要；機械液壓型調(diào)速器的大量生產(chǎn)使用始于20世紀50～60年代，到2000年左右已停產(chǎn)，當前甚至無法提供備品備件，這使得許多機械調(diào)速器設備完全手動運行或停止運行。大量的小水電站容量小，發(fā)電量少，經(jīng)濟效益差，希望提高自動化水平，減少人力成本。而調(diào)速器自動化程度高低是電站自動化的關鍵環(huán)節(jié)之一；調(diào)速器在小水電的設備成本中占有一定比例，機組越小，比重越大。有許多小電站業(yè)主希望用較低的成本將現(xiàn)有機械型的調(diào)速器改造為操作簡單，性能可靠，并滿足無人值班、少人值守的電站自動化控制需要的微機調(diào)速器。目前，國家投入資金對全國的小水電站進行改造；因此，針對機械液壓型水輪機調(diào)速器特點，設計簡單實用的方案，對其進行設計改造有重要意義。
1 液壓系統(tǒng)改造
對機械液壓型調(diào)速器的改造一般采用保留其油壓系統(tǒng)、主接力器及主配壓閥，去掉飛擺杠桿部分?？紤]到兼顧TT型、XT型等多種型號調(diào)速器改造和實際施工及無杠桿化需要，本文的改造設計去掉了飛擺杠桿、主配壓閥，保留其油壓系統(tǒng)、主接力器和機械手動部分。
改機械液壓調(diào)速器為微機調(diào)速器可有多種方案。其關鍵點在于電液轉(zhuǎn)換方式的可靠性及對原設備的充分利用和低成本。
1.1 電液轉(zhuǎn)換方式選擇
（1）步進電機式：特點是便于數(shù)控，線性度好，抗油污性較好，但動態(tài)性能稍差，有停電不回中的問題。
（2）比例閥：特點是動態(tài)性能好，但對油質(zhì)要求高，成本也相對偏高。
（3）數(shù)字開關閥：特點是抗油污性好，調(diào)節(jié)性能中。
大量的TT、YT系列機械液壓型調(diào)速器運行于小水電站，電站維護能力差，而其原設備的濾油部件簡單，本文綜合數(shù)字開關閥和比例閥的特點，設計低成本且可靠的數(shù)字高速開關球閥＋比例液動閥的電液轉(zhuǎn)換器。液壓系統(tǒng)圖見圖1。
1.緊急停機閥2.電磁球閥13.電磁球閥24.邏輯閥5.液動閥
圖1 基于數(shù)字開關比例閥的調(diào)速器液壓控制系統(tǒng)
1.2 數(shù)字開關比例閥工作原理
（1）數(shù)字開關比例閥工作原理
以電磁球閥為先導閥，其輸出控制液動閥，液動閥輸出控制調(diào)速器接力器；電磁球閥的控制輸入是可調(diào)PWM數(shù)字脈沖電壓，球閥工作在開關調(diào)節(jié)狀態(tài)，開關速度是數(shù)十毫秒級，達15000次/小時，改變球閥通斷的占空比，即改變進入液動閥的油流量，改變液動閥閥芯位置，液動閥的閥芯的移動行程與進入的油量成比例，液動閥工作在比例狀態(tài)，也就按比例控制進入接力器的油流量，實現(xiàn)數(shù)字開關比例控制，此系統(tǒng)*大優(yōu)點是壓降小，抗油液污染強，可靠性極高。兼?zhèn)鋽?shù)字開關閥和比例閥的優(yōu)點。
（2）緊急停機閥與液動閥的協(xié)調(diào)和閉鎖
緊急停機閥是由一個二位四通帶定位裝置的電磁換向閥，線圈b通電，電磁球閥1通電，壓力油經(jīng)先導閥并通過電磁球閥進入液動換向閥的左腔，推動滑柱向右移動，主油路打開，壓力油進入接力器油腔，接力器開始工作。電磁球閥斷電，液動閥閥芯在對中彈簧作用下復位，主油路切斷，接力器停止工作。緊急停機閥線圈b通電，電磁球閥2通電時，接力器反向運動。任何狀態(tài)下，緊急停機閥線圈a通電時，壓力油經(jīng)邏輯閥進入液動閥左腔推動閥芯快速移動，實現(xiàn)緊急停機。停機時間可以通過調(diào)節(jié)限位閥的位置整定。其閥塊組裝圖見圖2，實物見圖3。
1.主過渡板2.液動閥安裝板3.液動閥4.限位閥
5.電磁球閥16.電磁球閥27.緊急停機閥
圖2 閥件組裝圖
圖3 閥件組照片
新液壓系統(tǒng)簡化了油壓控制和機械反饋，主要元件采用工業(yè)化標準元器件，以保證設備長期運行的穩(wěn)定性、可靠性，且方便維修與更換。液壓系統(tǒng)保留了原有2.5MPa的供油裝置，儲油罐、接力器油缸、回油箱、接力器反饋桿。
1.3 液動閥流量計算與選擇
調(diào)速器接力器油缸容積為：
V＝S×Y
式中：S為接力器面積，cm2；Y為接力器行程，cm。
接力器調(diào)速功為：
A＝Y(jié)×S×Pr
式中：Pr為油壓，MPa。
液動閥流量為：
Q＝V/t＝（A/Pr/1000/t）×60
式中：t為*短的開關機時間，s。
根據(jù)水輪機調(diào)速器的相關國家標準，調(diào)速器關機時間在3～30s內(nèi)可調(diào)，在選取接力器關機動作時間3s的條件下，計算配YT600的調(diào)速器的液動閥流量如下。
YT600的調(diào)速器調(diào)速功為6000N·m，接力器行程175mm，設計壓力2.5MPa，*短關機時間3s，取安全壓力為0.8倍設計壓力（2MPa）計算。
液動閥*大流量為：
Q1＝（6000/2000/3）×60＝60L/min
YT1000調(diào)速器液動閥*大流量為：
Q2＝（10000/2000/3）×60＝100L/min
在改造YT600時，計算*大流量為60L/min，考慮油路損耗系數(shù)1.2，選用流量60×1.2＝72L/min，選用標準液壓件G04，根據(jù)液動閥G04流量特性曲線查得過流量72L/min時油壓壓降0.15bar，此壓降對調(diào)速功影響極小。
2 電控系統(tǒng)設計
調(diào)速器電氣控制系統(tǒng)應具備以下要求：
（1）遠控通信接口（通常是CANBUS或RS485），能與上位機交換數(shù)據(jù)并接收上位機的通信控制，可以方便電站的計算機監(jiān)控。
（2）對調(diào)速器控制的所需的信號進行采集；如頻率、轉(zhuǎn)速、開度、遠控信號等。
（3）實現(xiàn)給定頻率調(diào)節(jié)、電網(wǎng)頻率跟蹤、出力控制、故障自診斷報警和容錯等功能。
（4）人機界面用觸摸屏。
目前的調(diào)速器采用微機控制方式，通用的是可編程控制器PLC和單片機，這兩種方式有如下特點。
2.1 硬件特點
PLC是一種通用控制器，一般采用積木式結(jié)構，將控制器分為CPU模塊、通信模塊、I/O模塊、A/D模塊等滿足不同用戶需要，如果用于調(diào)速器控制還要單獨設計輸入測量和輸出控制的電路板。硬件和軟件開發(fā)相對簡單，對開發(fā)人員要求較低，但集程度低，成本相對高。
單片機接口豐富，功能全面，在芯片上除CPU外，還集成了通信、I/O口、A/D轉(zhuǎn)換、PWM等功能，而且可將調(diào)速器的輸入輸出控制集成在一塊電路板上，集成度高，抗干擾能力強，成本低，但對開發(fā)人員要求較高。
2.2 軟件特點
PLC軟件通用，編程開發(fā)簡單，但程序執(zhí)行效率低、耗時長，有時會出現(xiàn)不能滿足控制設備實時控制要求，只能采用高頻PLC如PCC等。單片機一般采用匯編語言或匯編語言與C語言混合編程，編程難度較高，但程序執(zhí)行效率高，耗時少，適合實時控制設備。
2.3 調(diào)速器電氣控制系統(tǒng)設計
本文的調(diào)速器電氣控制系統(tǒng)設計采用了單片機微機控制方式，由CPUC主控單元、PWM控制單元、通信單元、A/D轉(zhuǎn)換單元、輸入輸出監(jiān)測單元、頻率測量及轉(zhuǎn)速測量等單元組成，電控系統(tǒng)圖見圖4。
圖4 調(diào)速器電控系統(tǒng)圖
對觸摸屏通信接口使用RS485-2，軟件使用Modbus協(xié)議。
對上微機通信采用現(xiàn)場控制總線CANBUS通信方式，傳輸?shù)男畔绦?，實時性強、可靠性高，對現(xiàn)場眾多的干擾有較強的抗干擾能力，通信頻率可達1MHz，具有較高的數(shù)據(jù)傳輸能力。輸出接口電路見圖5。
圖5 CANBUS接口電路
電磁球閥采用PWM脈寬調(diào)制控制技術，其調(diào)制波產(chǎn)生系單片機集成功能，只需向寄存器寫入脈寬調(diào)制的占空比數(shù)據(jù)。閥電磁鐵驅(qū)動功率約20～30W，采用DC24V電壓，驅(qū)動電流在1A左右，數(shù)字控制是工作在PWM脈寬調(diào)制開關狀態(tài)，輸出驅(qū)動采用高速場效應功率管，選用IRFP460，其工作參數(shù)為：20A/500V，rDS（on）＝0.27Ω/0.35Ω，工作在DC24V/60Hz時，其功耗約0.3W，驅(qū)動電路見圖6。
圖6 PWM驅(qū)動電路
機組頻率測量采用殘壓測頻和測速傳感器測速雙通道，提高測頻可靠性。
調(diào)速器是閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，閉環(huán)穩(wěn)定性和優(yōu)秀的調(diào)節(jié)性能是調(diào)速器重要方面，調(diào)速器常用的傳遞函數(shù)見圖7。
圖7 水輪機調(diào)速器系統(tǒng)原理圖
由液動閥輸出特性圖（PWM占空比－流量曲線，見圖8），可看出液動閥流量非線性度過大，影響調(diào)速器調(diào)節(jié)性能，在程序設計時加一校正函數(shù)e-x，其傳遞函數(shù)如圖9，實際運行測試能增加調(diào)速器穩(wěn)定性。
圖8 PWM占空比－閥流量
3 測試與運行
調(diào)速器的電液轉(zhuǎn)換部分測試曲線見圖8，當PWM的占空比在10%～30%時，液動閥流量輸出為零，實際是由于閥搭接量的影響，在編程時需加一常數(shù)。如前所述，占空比－流量曲線的非線可由程序部分校正。
改造的YT-600調(diào)速器電站實際運行測試見表1，運行電站水頭20m，機組容量為500kW，調(diào)速器甩負荷調(diào)節(jié)時間是甩負荷開始到轉(zhuǎn)速≤±0.25額定轉(zhuǎn)速所經(jīng)歷的時間。
圖9 修正后水輪機調(diào)速器系統(tǒng)原理圖
表1 改造調(diào)速器調(diào)節(jié)性能測試表
對機械液壓調(diào)速器采用數(shù)字比例閥方式進行低成本設計改造，經(jīng)電站實際運行檢驗，其調(diào)節(jié)性能達到國家標準，其電氣控制功能齊全，滿足電站自動化需要。
4 結(jié)束語
本文針對機械液壓調(diào)速器改造，設計一款數(shù)字開關比例閥電液轉(zhuǎn)換器，兼顧開關閥抗油污能力強和比例閥調(diào)節(jié)性能好的優(yōu)點；電控部分運用高性能單片微機系統(tǒng)，集成度高，成本低。改造后的設備性能達到或超過國家標準。
該設計可通用于YT型、TT型、XT型等多種型號的機械液壓調(diào)速器改造，也可用于開發(fā)新型調(diào)速器。
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