摘要：調(diào)速器是水電廠參與控制調(diào)節(jié)的重要設(shè)備，關(guān)系到機(jī)組的性能和安全穩(wěn)定性。其核心控制元件包括控制器和電液轉(zhuǎn)換元件，控制元件的選擇和使用應(yīng)結(jié)合機(jī)組結(jié)構(gòu)、使用要求、控制原理、特點(diǎn)等進(jìn)行，在“可靠性、靈敏性、穩(wěn)定性”的基礎(chǔ)上還應(yīng)考慮水電站發(fā)展的需要，包括建設(shè)智能化、數(shù)字化水電站，滿足和適應(yīng)當(dāng)前技術(shù)及發(fā)展的需要，本文主要介紹了多種類型控制器和電液轉(zhuǎn)換元件的原理、特點(diǎn)、性能分析比較、應(yīng)用等，為選擇和使用水輪機(jī)調(diào)速器控制元件提供一定的借鑒，保證水電站的安全、穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

　　關(guān)鍵詞：水輪機(jī)調(diào)速器 控制元件 性能分析

　　1．前言

　　水輪機(jī)調(diào)速器發(fā)展迅速，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)種類較多，其核心控制元件主要是控制器和電液轉(zhuǎn)換元件。控制器使用較多的有單片機(jī)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC）、可編程控制器(PLC)、可編程計(jì)算機(jī)控制器（PCC），電液轉(zhuǎn)換元件包括伺服比例閥、步進(jìn)電機(jī)、數(shù)字閥、電液轉(zhuǎn)換器等。它們之間的不同組合，使水輪機(jī)調(diào)速器控制元件出現(xiàn)了多種結(jié)構(gòu)模式，選擇和使用不當(dāng)往往產(chǎn)生很多問題而影響機(jī)組的性能和正常運(yùn)行，部分機(jī)組多次改造調(diào)速器，造成了資金的浪費(fèi)，產(chǎn)生不利的影響，因此，正確選擇調(diào)速器控制元件非常重要。在控制元件原理、特點(diǎn)、應(yīng)用情況、性能分析比較等多方面加以說明，從而選擇和使用可靠、穩(wěn)定、適用的調(diào)速器控制元件。

　　2．控制器部分

　　水輪機(jī)調(diào)速器控制元件控制器有單片機(jī)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC）、可編程控制器（PLC）、可編程計(jì)算機(jī)控制器（PCC）幾大類。其中單片機(jī)構(gòu)成的控制系統(tǒng)由于可靠性差、故障率高等多方面原因已趨于淘汰，在此僅作簡(jiǎn)單介紹。

　　2．1單片機(jī)

　　單片機(jī)是調(diào)速器控制元件的早期產(chǎn)品，根據(jù)調(diào)速系統(tǒng)任務(wù)需要選擇8051、8086、8096等微控制器（MCU）為硬件基礎(chǔ)來設(shè)計(jì)線路板構(gòu)成控制器。由于缺乏專業(yè)的抗干擾設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝差、元器件篩選過程不夠嚴(yán)格等多方面原因造成可靠性低、抗干擾能力差、故障率高等缺陷，已逐步退出市場(chǎng)，現(xiàn)已趨于淘汰。

　　2．2工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC）

　　2.2.1工業(yè)控制計(jì)算機(jī)定義

　　工業(yè)控制計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱工控機(jī)（IPC）是對(duì)個(gè)人計(jì)算機(jī)的板路、內(nèi)存以及機(jī)箱等進(jìn)行專門電磁兼容、工業(yè)應(yīng)用等進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造，能應(yīng)用于工業(yè)控制環(huán)境的計(jì)算機(jī)。

　　2.2.2工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)

　　工控機(jī)的運(yùn)算速度高，存儲(chǔ)容量大；程序移植性強(qiáng)；能實(shí)現(xiàn)多任務(wù)并發(fā)；有較好的編程方式、網(wǎng)絡(luò)通信、人機(jī)界面等。但由于硬件設(shè)計(jì)還是基于個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）的總線結(jié)構(gòu)，而且軟件平臺(tái)必須基于windows或linux等操作系統(tǒng)上，因此其可靠性還是比完全針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)的控制器少一個(gè)數(shù)量級(jí)。

　　2.2.3工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的應(yīng)用

　　工控機(jī)在調(diào)速器靜特性、空載擺動(dòng)、接力器不動(dòng)時(shí)間等試驗(yàn)中有較好的性能，在水電站調(diào)速器控制系統(tǒng)中有一定應(yīng)用，但因可靠性問題對(duì)發(fā)展形成一定制約。

　　2．3可編程控制器（PLC）

　　2.3.1可編程控制器的定義

　　可編程控制器（PLC）是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來在內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的設(shè)備或生產(chǎn)過程。

　　2.3.2可編程控制器的特點(diǎn)

　　PLC按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體、易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)；采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)和嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性；其硬件配套齊全，具有豐富的I/O接口模塊，功能完善，適用性強(qiáng)；維護(hù)方便、容易修改；有較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)功能和高級(jí)應(yīng)用功能。

　　2.3.3可編程控制器的應(yīng)用

　　PLC的高可靠性已得到廣泛的驗(yàn)證，其控制方式、控制速度、高級(jí)功能等可較好的應(yīng)用于水電廠調(diào)速器控制系統(tǒng)中，以其優(yōu)異的性能立即成為調(diào)速器控制元件的主流方向，廣泛應(yīng)用于各種類型和容量的水電站調(diào)速器控制系統(tǒng)中。

　　2．4可編程計(jì)算機(jī)控制器（PCC）

　　2.4.1可編程計(jì)算機(jī)控制器定義

　　可編程計(jì)算機(jī)控制器（PCC）是可編程控制器的標(biāo)準(zhǔn)控制功能和工業(yè)計(jì)算機(jī)的分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)功能的集成。

　　2.4.2可編程計(jì)算機(jī)控制器的特點(diǎn)

　　PCC具有分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)；可采用高級(jí)語言編寫復(fù)雜的程序；軟硬件獨(dú)特新穎的插拔式模塊結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)具有靈活多樣的擴(kuò)展和組合；高速計(jì)數(shù)模塊有很高的測(cè)頻精度和可靠性；CPU運(yùn)行效率高，存儲(chǔ)器容量大。

　　2.4.3可編程計(jì)算機(jī)控制器的應(yīng)用

　　PCC的特點(diǎn)為水輪機(jī)調(diào)速器控制系統(tǒng)提供了強(qiáng)有力的保證，近年可編程計(jì)算機(jī)控制器在水輪機(jī)調(diào)速器控制系統(tǒng)中逐步的得到擴(kuò)大和發(fā)展，具有很好的增長(zhǎng)空間。

　　2．5可編程控制器（PLC）、可編程計(jì)算機(jī)控制器（PCC）與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC）的性能分析

　　表一控制器對(duì)比表

　　表一為控制器在特點(diǎn)、技術(shù)性能、可靠性、應(yīng)用等方面的比較。

　　2.5.1.在運(yùn)算速度和存儲(chǔ)容量方面，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC）的性能優(yōu)于可編程控制器（PLC）和可編程計(jì)算機(jī)控制器（PCC）。

　　2.5.2工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)全部或部分采用國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的部件，由于硬件設(shè)計(jì)能力和工藝的限制，可靠性較差。可編程控制器和可編程計(jì)算機(jī)控制器在可靠性方面要優(yōu)于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，并且通用性也優(yōu)于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。

　　2.5.3工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的價(jià)格低于可編程控制器和可編程計(jì)算機(jī)控制器。

　　2.5.4在編程方式、網(wǎng)絡(luò)通信、人機(jī)界面等方面，可編程控制器、可編程計(jì)算機(jī)控制器與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的性能沒有明顯的差別。

　　2.5.5可編程控制器、可編程計(jì)算機(jī)控制器是專門為解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境而生產(chǎn)的工業(yè)控制設(shè)備，其高可靠性已得到廣泛的驗(yàn)證。

　　2.5.6實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，可編程微機(jī)控制器與可編程計(jì)算機(jī)控制器已成為比工業(yè)控制計(jì)算機(jī)更加可靠的控制元件。

　　2.5.7現(xiàn)在，以可編程控制器和可編程計(jì)算機(jī)控制器為核心控制元件的調(diào)速器在國(guó)內(nèi)已占據(jù)主流地位，許多電站都將過去的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為核心控制元件的調(diào)速器改造為采用這兩者為核心的調(diào)速器。應(yīng)用于水輪機(jī)調(diào)速器后，以其高可靠性、穩(wěn)定性立即成為調(diào)速器控制元件應(yīng)用的主流方向。目前出現(xiàn)的各種調(diào)速器控制系統(tǒng)還沒有比可編程控制器、可編程計(jì)算機(jī)控制器可靠性更高的，因此宜優(yōu)先選用這兩個(gè)作為水輪機(jī)調(diào)速器的控制元件。

　　3．電液轉(zhuǎn)換元件

　　水輪機(jī)調(diào)速器控制元件依據(jù)電液轉(zhuǎn)換方式分為電液轉(zhuǎn)換器、步進(jìn)電機(jī)、伺服比例閥、數(shù)字閥幾種，其中電液轉(zhuǎn)換器已基本為市場(chǎng)淘汰。

　　3．1伺服比例閥

　　3.1.1伺服比例閥定義

　　伺服比例閥是將輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榱髁枯敵鲂盘?hào)的電磁閥。

　　3.1.2伺服比例閥的特點(diǎn)

　　伺服比例閥結(jié)合了伺服閥和比例閥的優(yōu)點(diǎn)，既有伺服閥的高精度和高響應(yīng)性，又有比例閥的電磁操作力大、抗油污能力較強(qiáng)及“復(fù)中”特性。伺服比例閥也存在控制器模擬電路產(chǎn)生的溫飄和零飄使得控制系統(tǒng)易受溫度變化的影響；本身的非線性因素如死區(qū)、滯環(huán)等難以實(shí)現(xiàn)徹底補(bǔ)償；電磁鐵和力矩馬達(dá)存在著固有的磁泄現(xiàn)象，導(dǎo)致閥的外控制特性表現(xiàn)出2%-8%的滯環(huán)。

　　3.1.3伺服比例閥的應(yīng)用

　　伺服比例閥在各種類型的水輪機(jī)調(diào)速器控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。

　　3．2步進(jìn)電機(jī)

　　3.2.1步進(jìn)電機(jī)定義

　　步進(jìn)電機(jī)每輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，就轉(zhuǎn)過一定的角度，是一種把脈沖變?yōu)槲灰频膱?zhí)行元件。

　　3.2.2步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)

　　步進(jìn)電機(jī)按步進(jìn)的方式工作，沒有積累誤差，具用重復(fù)精度高及無滯環(huán)的優(yōu)點(diǎn)；可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

　　3.2.3步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用

　　步進(jìn)電機(jī)是將控制輸出的綜合電氣信號(hào)轉(zhuǎn)換成具有一定操作力和位移量的機(jī)械位移信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)液壓放大系統(tǒng)，完成對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)。但使用步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速器必須保留有引導(dǎo)閥和主配結(jié)構(gòu)，造成水輪機(jī)調(diào)速器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工件多，不具有良好的通用互換性。步進(jìn)電機(jī)的水輪機(jī)調(diào)速器控制系統(tǒng)較多應(yīng)用于大中型混流式、軸流式、貫流式水輪發(fā)電機(jī)組。

　　3．3數(shù)字閥

　　3.3.1數(shù)字閥定義

　　數(shù)字閥的工作狀態(tài)只有通、斷兩種，也即相當(dāng)于數(shù)字電路的高電平、低電平兩個(gè)狀態(tài)（即1、0），故稱為數(shù)字閥。

　　3.3.2數(shù)字閥的特點(diǎn)

　　由于數(shù)字閥只有通、斷兩個(gè)狀態(tài)，數(shù)字閥與控制系統(tǒng)的接口簡(jiǎn)單；密封較好，在高油壓下無泄漏；當(dāng)測(cè)頻信號(hào)消失及斷電等情況下，具有故障鎖錠的功能。

　　3.3.3數(shù)字閥的應(yīng)用

　　數(shù)字閥的調(diào)速器控制元件可很好的適應(yīng)不同容積的接力器，避免了大型機(jī)組接力器容積與調(diào)速器主油管通徑不匹配時(shí)造成的過調(diào)和欠調(diào)，實(shí)現(xiàn)了精確調(diào)節(jié)。數(shù)字閥應(yīng)用于水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器，能實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)字化，構(gòu)成全數(shù)字式調(diào)速器，應(yīng)用前景十分廣闊。但由于流量、壓力脈動(dòng)等因素的限制，數(shù)字閥在大型調(diào)速器上的應(yīng)用受到一定的限制，目前僅能應(yīng)用于操作功不大的非雙調(diào)機(jī)組的調(diào)節(jié)控制。

　　3．4伺服比列閥、步進(jìn)電機(jī)、數(shù)字閥性能分析

　　伺服比列閥是間接數(shù)字控制系統(tǒng)，采用4～20mA、0～5V、-10～10V的線性電流、電壓作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制器必須通過D/A轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，以模擬量接口實(shí)現(xiàn)控制，伺服比例閥調(diào)速器是一個(gè)典型的間接控制方式的數(shù)字式液壓控制系統(tǒng)，通過D/A接口實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，傳統(tǒng)的各類伺服閥、比例閥也都屬于這類。伺服比列閥存在如下缺點(diǎn)：（1）由于控制器中存在著模擬電路，易產(chǎn)生溫飄和零飄，系統(tǒng)易受溫度變化的影響，使得控制器對(duì)伺服比列閥本身的非線性因素如死區(qū)等難以實(shí)現(xiàn)徹底補(bǔ)償。（2）用于驅(qū)動(dòng)比例閥和伺服閥的比例電磁鐵和力矩馬達(dá)存在著固有的磁泄現(xiàn)象，導(dǎo)致閥的外控制特性表現(xiàn)出2%-8%的滯環(huán)，采用閥芯位置檢測(cè)和反饋等閉環(huán)控制的方法可以基本消除比例閥的滯環(huán)，但卻使閥的造價(jià)大大增加，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性降低。（3）由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所決定，電磁鐵的磁路一般只能由整體式磁性材料構(gòu)成，在高頻信號(hào)作用下，由鐵損引起的溫升較為嚴(yán)重。

　　步進(jìn)電機(jī)和數(shù)字閥均是直接數(shù)字控制的電液轉(zhuǎn)換元件，步進(jìn)電機(jī)按步進(jìn)的方式工作，沒有積累誤差，具用重復(fù)精度高、無滯環(huán)的優(yōu)點(diǎn)；可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，達(dá)到調(diào)速的目的。但是，步進(jìn)式調(diào)速器必須保留有引導(dǎo)閥和主配結(jié)構(gòu)，造成步進(jìn)式調(diào)速器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工件多，不具有良好的通用互換性。相較而言，數(shù)字閥與控制系統(tǒng)的接口更簡(jiǎn)單，且不需要中間環(huán)節(jié)就能構(gòu)成直接數(shù)字控制系統(tǒng)，應(yīng)用前景廣闊，將數(shù)字閥應(yīng)用于水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器，能實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)字化，構(gòu)成全數(shù)字式調(diào)速器。但由于流量、壓力脈動(dòng)等因素的限制，數(shù)字閥在大型調(diào)速器上的應(yīng)用范圍受到一定的限制，目前僅能應(yīng)用于操作功不大的非雙調(diào)機(jī)組的調(diào)節(jié)控制。

　　表二電液轉(zhuǎn)換元件比較表

　　表二為電液轉(zhuǎn)換元件在特點(diǎn)、技術(shù)性能、可靠性、應(yīng)用等方面的比較，由表二及以上所述，基于直接數(shù)字控制的調(diào)速器控制系統(tǒng)優(yōu)于間接數(shù)字控制的調(diào)速器控制系統(tǒng)，中小型調(diào)速器選用數(shù)字閥較為適宜，大型調(diào)速器宜選用步進(jìn)電機(jī)和伺服比列閥。

　　4．結(jié)束語

　　電力系統(tǒng)對(duì)不同水電站有不同要求，例如基荷、腰荷、調(diào)頻、調(diào)峰、事故備用或幾項(xiàng)組合，每個(gè)電站機(jī)組的實(shí)際情況不一樣，如機(jī)組結(jié)構(gòu)、監(jiān)控信號(hào)、頻率、水頭、操作要求等，這些都對(duì)調(diào)速器控制元件的要求不同。必須清楚控制元件的控制原理、特點(diǎn)、應(yīng)用情況等，并且在試驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)行中對(duì)性能進(jìn)行檢驗(yàn)，包括靜特性、開機(jī)、停機(jī)、空載擺動(dòng)、空載擾動(dòng)、甩負(fù)荷等，試驗(yàn)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)需滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。部分元件如步進(jìn)電機(jī)在接力器不動(dòng)時(shí)間、甩負(fù)荷數(shù)據(jù)等性能一般，也與機(jī)械液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相關(guān)，但因特點(diǎn)突出、可靠性好等仍得到廣泛應(yīng)用。因此，需要從多方面進(jìn)行水輪機(jī)調(diào)速器控制元件的選擇和使用，在滿足“可靠性、靈敏性、穩(wěn)定性”的基礎(chǔ)上考慮水電站發(fā)展的需要，包括建設(shè)智能化、數(shù)字化水電站，滿足和適應(yīng)當(dāng)前技術(shù)及發(fā)展的需要，保證水電站的安全、穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

　　作者簡(jiǎn)介

　　姓名：凌勝軍

　　單位：國(guó)投甘肅小三峽發(fā)電有限公司甘肅省白銀市蘭包路738號(hào)大峽水電廠郵編：730900

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