中、小型微机高油压调速器的结构解析

 1、概述
      中国的第一台微机调速器是1984年11月在湖南欧阳海电站试运行成功的。从那时开始，我国水电站全自动调速器技术基本是与国外保持同步发展。欧阳海水电站于1975年正式发电运行，当时装机3.6kW，也就是标准的农村水电站。我国很多水电站的高新技术产品都是在农村水电站实验成功的，都适用于农村水电站。
在研制微机调速器的同时，武汉华中工学院、湖南水科院等单位就已经开始了高油压调速器的研究。进而，武汉华中理工大学、武汉市仪表总公司、长江水利委员会等大专院校、国有企业和科研单位集体的投入到高油压微机调速器的研究中,1984年高油压全自动调速器在湖南桃花江水电站投入试运行，然后快速的形成了高油压微机调速器的研制和产品化工作。高油压微机调速器的研究成功是老一代调速器人群体的功劳，在当时的技术水平和技术条件下，任何一个公司都不可能独立的完成高油压微机调速器的研制。武汉地区大专院校、设计研究院所、工厂企业在微机高油压调速器的技术研究领先于其它地区，如大家熟知的刘玉其教授、叶鲁卿教授、魏守平教授、饶培棠教高、周泰经研究员、吴应文研究员等都作出了开创性贡献。
       我国最早的水轮机调速器都是机械液压调速器。 20世纪50年代以后，电气液压调速器获得了较为广泛的应用，经历了电子管、磁放大器、集成电路等几个发展阶段。与微机调节器的发展同步，水轮机调速器的电液转换装置也由原来的单一的专用电液转换器和电液伺服阀，发展成为由通用电磁阀、比例阀或步进电机/伺服电机构成的电液转换装置。
        高油压微机调速器的核心是设计选用了液压行业的标准高压液压产品，工作油压设定为10 Mpa ～16Mpa，而传统的常规油压中、小型水轮机调速器的工作油压一般都被设定为2.5 Mpa～4.0Mpa，大型水轮机调速器的工作油压一般都被设定为6.3Mpa。
       高油压微机调速器由两部分组成，机械部分和电气部分。机械部分也就是液控站部分。我们常说的液压随动系统俗称液压放大系统。又称为液压伺服系统。就是液控站的阀组部分。
       高油压调速器的压力油源部分采用了高压齿轮泵、滤油器、囊式蓄能器；液压控制部分则采用了标准的滑阀、球阀、锥阀、液压缸（接力器）及其他各类液压件；结构上采用了液压集成（油路）块和标准的液压附件；电气部分则采用自制测频电路、通用可编程序控制器（PLC）、自制信号隔离和调整电路、交直流开关电源和中间继电器组成的出口电路等。与传统的常规油压调速器相比，高油压调速器应用现代电液控制技术，减少了液压放大环节，结构十分简单；储能部分采用了囊式蓄能器，胶囊的可靠密封，保证蓄能器一年、甚至几年都无需补气，电站不需要设中压气系统。如果配置减压刹车模块，则还可以取消低压气系统，这样就可以取消电站气系统和相配套的建筑物，可节省一笔可观的气系统设备投资和运行、维护费用。因为采用的液压元器件是大批量工业化生产的通用元件，不仅标准化程度高，质量也可靠，采购更方便。较高的工作油压使调速器的体积可以设计的很小，重量也就能够减轻很多，使电站布置更加方便、美观。我国的中、小型调速器基本都是采用一级液压放大的电液随动系统，可由电液比例阀或电磁换向阀直接控制接力器。
2、高油压微机调速器的基本结构
2.1、电气部分
       高油压微机调速器的的电气部分主要由交直流开关电源、PLC、测频板、信号隔离和调整板、出口继电器和人机界面组成。
2.1.1、交直流开关电源
         但凡数字电路，都少不了交直流开关电源。他的主要作用就是将220V的交直流操作电源变换成24V、12V、5V直流电源供数字电路和出口继电器使用，其次该环节还可以起到隔离作用。这已成为习惯，也成为标配。在低压机组水电站就可以考虑取消调速器直流开关电源，因为低压机组水电站很少配直流系统的。
2.1.2、PLC
       微机调速器的硬件由单板机发展到单片机、可编程序控制器，现在几乎都以PLC作为控制核心。 PLC在微机调速器的主要功能是数据处理和指令发出，调速器的应用软件都装在PLC内，运算和分析都是通过PLC的CPU模块来完成，执行指令都是通过PLC的开出模块发出。由于微机调速器的应用软件基本都是出自华科大教授之手，所以全国的微机调速器采用的PLC基本都是日系产品，大部分是日本三菱的FX2N系列，也有部分厂家采用西门子产品，基本都是组合式结构。
        水电站自动化设备采用PLC并不是最好的选择，是没有办法解决硬件电路抗干扰问题的无奈选择。微机调速器采用PLC作为核心元件也是同样的成因，而不是必须要采用PLC或PLC就是比单片机的好。随着超大规模单片机的问世，单片机取代PLC作为微机调速器的控制核心将是必然趋势
      测频板
     目前我国水电站自动化设备的开发都是各自为阵，数据采集都尽量自己完成，微机调速器也不例外，自己需要的数据自己采集，设计了一套外围电路将所需信号通过自制的测频板采集、整形后传给PLC处理。自制的测频板都是用单片机、阻、容元件构成，根据木桶理论，影响微机调速器可靠性的主要因素之一是自制的测频板，所以宣传PLC调速器比单片机调速器可靠的提法并不科学。
2.1.4、信号隔离和调整板
         微机调速器主要信号隔离部分在调整板，采用1：1的隔离电路，保证PLC接收的信号不受外界的干扰。该环节还完成对数值的归算。
2.1.5、中间继电器
        数字电路受布置结构的影响，电路板上都不可以安装接点容量较大的中间继电器，一般采用小型固态中间继电器，PLC也不例外。PLC的开出信号需通过外部中间继电器放大后去执行操作任务，所以微机调速器电气部分都安装有多个插拔式中间继电器，完成对输入、输出信号的隔离或转换。
2.1.6、人机界面
        常规调速器的人机界面十分简单，二个调整把手和一个开度表。一个调整把手是开度限制，另一个调整把手是开度调节，开度表则反映的是导叶的实际开度和开度限制设定指示。如此简单的人机界面，对运行人员的要求就不是很高。
        微机调速器的应用本应人机界面更加简单，其实不然。微机调速器的人机界面从数码管发展到显示屏，再到触摸屏，还有大量的操作按（旋）扭和指示灯，其复杂程度可想而知，没有受过专门培训很难掌握。其实，采用微机调速器以后，人工调整会更少，人机界面应该更加简单。否则就是倒退。
2.2、机械部分
       微机高油压调速器的的机械部分十分简单，主要由油箱、电机/油泵组、储能罐、电液转换和控制模块组成。
2.2.1、油箱
       调速器的油箱是设备的主要部分，可分为接力器内置式油箱和接力器外置式油箱。调速器油箱的主要功能是储存调速器用油、散发热量、沉淀污物、分离水分及支撑调速器机械部分和电气部分，油箱加上电机/油泵组、储能罐、电液转换和控制模块，液压行业称之为油站，负责提供油源。
        常规中、小型调速器多为内置式油箱结构，大型调速器则为外置式油箱结构。内置式油箱结构与外置式油箱结构的区别仅在于内置式油箱结构是将接力器布置于油箱内，接力器的作用力和反作用力是通过油箱传导到主厂房地板，而外置式油箱结构是油箱与接力器分开布置，接力器的作用力和反作用力是直接传导到主厂房地板。前者结构复杂，浪费材料，维护困难，不利于调速器的布置，同等操作功的调速器设备价格要高出一万多元。
         油箱的容积的大小，液压行业一般是按油泵流量的5--7倍计算，中、小型高油压调速器的油泵一般在8升/分钟左右，且农村水电站基本都与电网相连，并网后每天的调节次数很少，阀组的泄漏也很小，按此计算40升左右就可以满足要求。调速器行业则比较保守，多按5倍接力器来回动作3次的用油量选择储能器的储油量，再乘以20倍来确定调速器的用油量，再将用油量乘3就是油箱需要的容积。由于高油压调速器接力器容积都很小，所以调速器的油箱容积都有很大的富裕。
2.2.2、电机/油泵组
        调速器的油压力都是靠电机驱动油泵打压来实现的，目前都采用高压齿轮泵。过去常油压调速器各部件泄漏严重，需配置单台大功率的油泵或配置多台油泵来抵消泄漏造成的压力下降，且停泵时间很短。现在采用标准的液压件，各部件泄漏很小，且停泵时间很长，耗电量减少很多，也延长了设备的使用寿命，所配置的油泵功率就不需要太大，避免造成不必要的浪费，多台油泵的配置就更没有多少必要。
2.2.3、储能罐
         国产中、小型微机调速器通过自主创新，采用高操作油压（10～16MPa）的皮囊式蓄能器，使得调速器的体积大幅减小。不仅降低了设备成本，也大大减少维护成本。已基本上取代了原有2.5MPa～6.3MPa操作油压。皮囊式蓄能器可以保证胶囊内所充氮气与液压油不发生直接接触，液压油油质不易劣化，使用寿命延长。皮囊式蓄能器的公称容量有0.4～100L十余种规格，公称压力有10MPa、20MPa、31.5MPa三个规格。农村水电站多选用6～30L，20MPa的产品。皮囊式蓄能器的容量一般按5倍接力器来回动作3次的用油量确定储能器的储油量，然后乘3来选择皮囊式蓄能器的容量。一般3000N·m的调速器选择16升，6000N·m的调速器选择25升，10000N·m的调速器选择40升。接入国家电网的小型水电站可以适当减小。
2.2.4、电液转换和控制部分

      a阀块
        调速器使用的电磁阀都是安装在标准的阀块上俗称阀组。阀块有集成式和分离式之分，技术上没有本质区别，区别在液控站安装和维护方式不同，现在大多采用集成式阀块。阀块的钻孔多少体现了厂家的液压设计水平，封堵的孔越少，液压设计的水平越高。调速器的技术水平多体现在阀组的设计，完成同样的功能，用的阀越少越好。
       b压力滤油器
       具有清洁的油质是保证调速器液压阀可靠工作的必要条件，压力滤油器就是保证油质清洁的关键设备。在调速器里就设置有二个压力滤油器，一个粗滤、 一个精滤，以保证油品的质量。粗滤由油泵的吸油滤油器来完成，精滤压力滤油器则装设在供油压力管路上，可以滤除设备加工时混入的机械杂质和液压油本身化学变化所产生的杂质等，防止液压元件阀芯卡死、孔隙堵塞以及过快磨损等故障。

       C液压控制阀
        控制阀的分类：按用途分为方向控制阀，压力控制阀和流量控制阀；按安装连接形式分为管式连接，板式连接，叠加式连接和插装式连接；按控制原理分为开关阀，比例阀，伺服阀和数字阀。
         调速器使用的电磁阀主要有：电磁换向阀，属方向阀，控制接力器对导叶的开度进行调节，是调速器的主要液压阀；是利用电磁铁及复位弹簧推动阀芯来变换液压油流动方向的控制阀。电磁换向阀在调速器中常用作自动调节阀、手自动切换阀、紧急停机阀等。电磁换向阀为滑阀结构，所用的电磁铁多为湿式电磁铁，电磁铁激磁线圈的电压等级有：直流：220V、110V、24V、12V；交流：220V、110V，允许电压波动范围为额定电压的85%～110%。在调速器中，常用的电磁换向阀有二位四通、三位四通等结构形式，其中四通的电磁换向阀也可以当做三通使用。刹车电磁换向阀，也是电磁换向阀，作用是控制刹车油缸的动作；紧急停机两位电磁换向阀，也是电磁换向阀，是控制主接力器在水轮发电机需要紧急停止时可迅速关闭导叶；比例换向阀，常简称比例阀，它可根据输入的电气信号，按比例控制压力油的流量和方向，其阀体部分与普通电磁阀类似。但是比例阀用比例电磁铁取代了电磁阀的普通电磁铁，可将综合放大器输出的电信号转换成与之成比例的位移；比例阀的阀芯有特殊形状的阀口，因而可对油的流量进行连续控制。在调速器中，多采用直动式比例换向阀。

         手动换向阀，是依靠手动操作驱动阀芯运动，从而实现油路通断或切换的方向控制阀。手动换向阀在液压系统中所起的作用与电磁换向阀和电液换向阀相同。由于它操作简便，工作可靠，又能使用在没有电力的场合，因而在调速器中多用于无电源时的手动液压操作。调速器通常采用弹簧复位式手柄操作换向阀，
单向阀属方向阀，调速器用的最多的是单向阀，其功能是限制液压油在管路中只能按一个方向流动；
液压锁属方向阀，由两个单向阀组成的一套液压回路，其作用是在电磁换向阀仍处于中位或液压系统失压时，将主接力器锁定在当时的位置上而不会因外力作用而发生移动；单向节流阀属流量阀，任何一个流量控制阀，都有一个节流部分，称为节流口。改变节流口的同流面积就可以改变通过节流阀的流量。单向节流阀用于调节接力器动作运行速度；
       截止阀属流量阀，可以锁闭蓄能器的油路，长期停机时可保持蓄能器内压力在工作压力范围；
       溢流阀属压力阀，是液压系统中最重要的器件，其作用是调控整个液压系统的压力并保持其压力的稳定；
        减压阀属压力阀，其工作原理与溢流阀相似，其可以在主液压系统的局部调节出比主系统压力低一些的压力子系统。如用于刹车、轴流转浆的调浆。

       3、调速器调速功选择
        水轮机调速器的调速功是依据设计院或主机厂提供的数据进行选择；如果是设备改造原则上按原运行调速器调速功选择。在调速器调速功的选择上设计院、调速器厂家和主机厂家的计算结果都不一样，根据实践经验，按主机厂家提供的调速功选择是比较合适的。
        按水轮机调速器系列型谱[JB/T7072—2004]中小水轮机调速器调速功分：
        3000N·m   (300kg·m)
        6000N·m   (600kg·m)
       10000N·m   (1000kg·m)
       18000N·m   (1800kg·m)
        30000N·m   (3000kg·m)
       一般混流、轴流机组，调速器调速功可按下式进行估算：
        W=2.5～3.0(N/ )其中：W：调速功（kg·m）N：水轮机功率（kW）H：设计水头（m）
4、高油压微机调速器的性能指标要求
4.1、总体要求：
4.1.1、符合国家规程、规范的要求。
4.1.2、适应频繁启停，空载快捷平稳，并网运行安全可靠，小网运行响应迅速。
4.1.3、满足各种运行工况下稳定运行、相互跟踪、切换无扰动、安全可靠性高。
4.1.4、调节控制功能完备、人机界面友好。
4.1.5、试验、事件记录、自诊断、帮助等辅助功能完备。
4.2、主要性能指标：
4.2.1、导叶接力器全关闭时间调整范围为：　   　2～30S
4.2.2、导叶接力器全开启时间调整范围为：     　2～30S
4.2.3、桨叶接力器全关闭时间调整范围为：　  　10～120S
4.2.4、桨叶接力器全开启时间调整范围为：    　10～120S
4.2.5、频率调整范围：                        45～55 Hz
4.2.6、永态转差bp调整范围：                  0～10%
4.2.7、比例增益Kp调整范围：                  0.5～20
4.2.8、 积分增益KI调整范围：                 0.05～10 1/s
4.2.9、微分增益KD调整范围：                 0.0～10 s
4.2.10、人工失灵区调节范围：                0～±1 .5%nr
4.2.11、测至主接力器的转速死区不超过：        0.02  %
4.2.12、水轮机甩25%负荷后，接力器不动时间不超过： 0.2 s
4.2.13、静特性曲线非线性度不超过：                0.5%
4.2.14、自动空载运行3分钟，机组转速相对摆动值不超过 ±0.15% 。
4.2.15、甩100%额定负荷后转速波动超过3%的波动次数不超过  2次，由调速器引起的机组转速持续波动相对值不大于：±0.15％。
4.3、系统可靠性：
4.3.1、自动工况可利用率：　　                 >99.99%
4.3.2、自动＋手动可利用率：　                100%
4.3.3、首次无故障间隔时间（自现场验收起） 不小于35000小时
4.3.4、大修间隔时间：　　　　                  10年
4.3.5、退役前的使用期限：　　                  >20年
5、农村水电站水轮机调节技术的发展趋势
5.1、智能型调速器
        智能型调速器是未来新型调速器的发展方向，其自适应能力较强，各组件更加标准化、模块化，参数可以自动设定，实时自动调整。自检、自恢复功能强大，现场不需要调试和维护。
5.2、单一功能液控站
       我国调速功在3000N·m以下的水电站的数量占全部水电站总量的80%强，不是所有的农村水电站都用得起和有必要使用全自动调速器。未来单一功能液控站和低压机组一体化屏将是解决这一类型水电站自动化的最佳组合。其价格也是用户可以接受的。可以大大提高500kW以下，机端电压400V农村水电站的自动化和安全控制问题。
5.3、智能负荷控制器
         在国外，小机组采用负荷控制器已有多年，国内研究的单位很少，但我国过去使用的水阻就是负荷控制器的初级阶段。现在技术上与国外有较大的差距。随着支流水能资源的被开发和国防的需要，未来小的支流和渠道、河沟资源的利用会被重视，整装和箱式水电站将会大量生产，体积过大、价格过高及技术复杂的全自动调速器将会被智能负荷控制器取代，微型机组也将大量采用智能负荷控制器进行负荷调节，这也包括孤立电网的负荷调节。
5.4、智能型手电动调速器
         最原始的调速器就是手动调速器。随着电气控制技术的发展，产生了手、电动调速器，他体积小、安装方便，价格也能被用户接受。虽然现在全自动自储能调速器价格已经很低，但最小的调速功为3000N·m，其售价也要2.8万元一台。因此，有很大一部分小机组用不起，很多电站运行只有两种状态，开机、停机，配有好的控制系统就可以顺利并网，也就没有必要使用全自动调速器，新型的智能型手电动调速器应运而生。随着材料科学的发展和自动控制技术的进步，智能型手电动调速器将会有很大的一块市场。
6、结语
         高油压微机调速器在一代人的辛勤努力下，完成了一次技术性的革命。产品技术已十分成熟。在很多的中、小型调速器文章、说明书和书籍里面，会经常出现随动系统、主配压阀、大波动阀、小波动阀和一次调频等。大家不必较真，也不需要去研究其概念出处。大家知道液压系统是储能和放大，阀的作用就是控制、调节液体流量就可以了，只要接力器可以移动，调速器基本就没有大的问题，其他问题用户就不必担心，因为控制软件基本都是出自于魏教授之手，十分成熟、可靠，目前还没有发现被人修改过，只是功能添加而已，最多将软件重新再装一遍。
          我们不要去计较阀的多少、电机/油泵组的多少和容量大小、油箱的大小，相信厂家都是计算过的，比我们专业。我们应该去关心阀的速度、泄漏量，储能罐的容量，电磁阀和滤油器的拆卸是否方便，操作、设置是否简单，油质是否干净，这些与现场关系紧密的问题。更主要的是价格是否合理。
在我见到的调速器，最少的是5个阀，很多是7个阀和9个阀，还有更多的，实现的功能都是一样的，技术指标也都符合国家相关标准。所以不要用阀多、阀少来衡量调速器的技术含量。

参考文献：
陈格林  张磊 主编   液压技术与应用    北京电子工业出版社2002
作者简介：
尹 刚  男  1957年2月
《小型水电站技术改造规范》GB/T50700-2011编写者，《小型水电站监控保护设备应用导则》SL692-2014主编。长期从事农村水电厂设计、管理及监控系统研究。现在从智能农村水电站技术研究。
E-mail: yg76531@163.com