水輪機調速器的自動化及其發展前景

胥善友

摘 要：本文主要對水輪機調節系統的基本組成、種類及其相應的原理進行了研究，并對調速器自動化的使用及其未來道路上的發展情況進行了深入探討，并依據具體案例作為主要論述對象，對水輪機調速器的具體特征及其運作效果進行分析，旨在可以推動我國水輪機調速器朝著更好的方向發展。

關鍵詞：水輪機調節系統；調速器；直流伺服；交流伺服；PLC

通常情況下，水輪機調節系統具有一定的繁瑣性，其中外部干擾主要分為以下兩種類型：一種是微小變化；另一種是大幅變化。所謂微小變化，簡單的說是當水輪機調節體系經過微小產生干擾的情況下，系統里面存在的不同參數都不會產生較大的浮動，這樣就需要把調節體系中的每一個環節做好適當的完善，也就是通過線性微分方程式對不同環節及其具有的動態特征進行描述；所謂大幅變化可以理解為是對水輪機調節體系受到較大的影響，這樣會致使系統參數產生較大的改變，當系統已經大于規定的范圍，所以在這里不需要對線性進行處理，也就是系統無法依據線性系統進行對待。微小變化產生的影響簡單的說是促使水輪機調節系統工作實現穩定的目的，也就是所產生電能的整體水平；而產生的大幅變化不但會對生產的電能水平帶來不利影響，而且也在負荷出現突然改變的情況下會對水壓、轉速等相關參數帶來不利影響。由于水輪機調節工作效率的好壞都會對水電站及其生產電能效率帶來直接的影響。

1 水輪機調速器的類型及發展

1.1 步進電機或直流伺服電機控制的水輪機調速器

無論是對于步進電機來說，還是就機械轉換部件而言，作為最早研制出來的一種產品。所謂步進電機的轉動簡單的說是通過指令脈沖加以控制的，控制方式較為簡便；由于直流伺服電機在控制的時候較為簡便，調速范圍會不斷拓寬，輸出轉矩不低，有著較強的過載能力，這樣得到的動態相應會更好些。所以，相關人員在采取步進電機亦或是直流伺服電機對水輪機調速器進行控制的過程中，無論是大型水電站還是中型水電站的使用得到了顯著的效果，進而對電液伺服閥抗油污能力沒有較強的能力、很容易出現發卡等情況。然而，不管是對于步進電機來說，還是就直流伺服電機而言自身都存在不足之處，通常體現在：步進電機會存在啟動的頻率，這樣在大負荷的狀態下產生的影響速度不能太慢，而且在進行高速運轉的過程中轉矩處于下降的狀態，遇到卡阻的過程中容易發生堵轉、失步的情況；就直流伺服電機而言，不管是在電刷還是在換向器加以摩擦的時候出現火花的情況，電刷在磨損的時候會發生故障的情況，與此同時促使其在維護手段具有一定的繁瑣性。

1.2 交流伺服控制型可編程水輪機調速器

1.2.1 結構。交流伺服控制型可編程水輪機調速器的電氣部分是以可編程控制器（PLC）為硬件核心，軟件采用全模塊化結構，彩色液晶屏幕顯示，具有良好的全中文圖形人機界面；電氣-機械轉換部件采用交流伺服電機，配以滾珠螺旋自動復中裝置；液壓系統為直連式結構，以交流伺服驅動裝置的機械位移直接控制主配壓閥。PLC測量水輪發電機組的頻率信號偏差，并按一定的調節規律（PID或PI）轉換成位置控制的數字電信號；電氣-機械轉換部件將該數字信號線性地轉化為機械位移量，再直接控制由輔助接力器和主配壓閥組成的二級液壓放大，通過主接力器控制水輪機導水葉開度（或漿葉轉角），實現水輪發電機組的調速和負荷控制。

1.2.2 機械液壓隨動系統。機械液壓隨動系統由帶有自動復中裝置的電氣-機械轉換部件、引導閥、輔助接力器與主配壓閥塊、油路模塊、緊急停機電磁閥等組成。該系統的結構特點是：采用油路模塊，取消連接油管路的明管；采用電氣反饋，取消機械反饋桿件及鋼絲繩，機柜內無傳動杠桿，避免在鉸接處產生死行程；實現無擾動手、自動切換，結構緊湊，外形美觀，操作簡單，維護方便。

1.2.3 人機界面。采用彩色液晶觸摸屏幕實時顯示機組當前運行工況、機組頻率、導葉開度、機組功率、水頭值和故障信息等各種運行參數和工況，直接通過觸摸屏幕進行人-機對話，允許通過菜單實時修改運行參數，顯示直觀，操作方便，具有良好的全中文圖形人機界面。

2 交流伺服控制型可編程水輪機調速器應用實例

某省發電廠作為壩后式水電站，一共安裝了3臺大概為12.5MW規格參數的混流式水輪發電機組。對于原調速器來說，主要是使用SKDT-80模擬型電液調速器，而電液伺服部件主要采取電液轉換器。當相關人員利用交流伺服可編程控制手段加以完善，是在2014年10月的時候已經改造完畢，并開始投入到實際運作中。通過具體運作的情況來看，調速器狀況處于良好的狀態。在經過開機亦或是停機大概十幾次的情況下，就會從機組開機一直到空載運轉的時候沒有較長時間的穩定性，并且網速較快。劇組空轉時間不長的時候，可以起到節約用水的作用；調節具有靈敏性，有著較強的運行。相關人員在進行改造以后得到的型號是GKT80-SP，安排專業人士在現場做好相應的測試。當經過改造以后的鑒定結果，具體結果請看圖1和表1。相關人員通過將得到的結果和GB/T9652.1-1997得到的數據進行認真對比以后，相關指標達到亦或是高于規定的參數。

結束語

通過以上內容的論述，可以得知：相關人員在對交流伺服控制型可編程調速器通過具體試驗以后有著較多的優勢，例如較強的穩定性、良好的性能等。隨著當前我國水電站水輪機調節體系自動化水平的日益完善下，所得到的電能水平得到了不斷的完善，從而為水電站電能水平獲得了豐厚的經濟效益。由此可以得知：調速器的自動化使用會在未來的發展道路上得到更好的發展。

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