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论水轮机调速器控制元件及性能分析
凌胜军 樊建军 王晓
摘要：调速器是水电厂参与控制调节的重要设备，关系到机组的性能和安全稳定性。其核心控制元件包括控制器和电液转换元件，控制元件的选择和使用应结合机组结构、使用要求、控制原理、特点等进行，在“可靠性、灵敏性、稳定性”的基础上还应考虑水电站发展的需要，包括建设智能化、数字化水电站，满足和适应当前技术及发展的需要，本文主要介绍了多种类型控制器和电液转换元件的原理、特点、性能分析比较、应用等，为选择和使用水轮机调速器控制元件提供一定的借鉴，保证水电站的安全、稳定、可靠、经济运行。
关键词：水轮机调速器 控制元件 性能分析
1．前言
水轮机调速器发展迅速，产品结构种类较多，其核心控制元件主要是控制器和电液转换元件。控制器使用较多的有单片机、工业控制计算机（IPC）、可编程控制器(PLC)、可编程计算机控制器（PCC），电液转换元件包括伺服比例阀、步进电机、数字阀、电液转换器等。它们之间的不同组合，使水轮机调速器控制元件出现了多种结构模式，选择和使用不当往往产生很多问题而影响机组的性能和正常运行，部分机组多次改造调速器，造成了资金的浪费，产生不利的影响，因此，正确选择调速器控制元件非常重要。在控制元件原理、特点、应用情况、性能分析比较等多方面加以说明，从而选择和使用可靠、稳定、适用的调速器控制元件。
2．控制器部分
水轮机调速器控制元件控制器有单片机、工业控制计算机（IPC）、可编程控制器（PLC）、可编程计算机控制器（PCC）几大类。其中单片机构成的控制系统由于可靠性差、故障率高等多方面原因已趋于淘汰，在此仅作简单介绍。
2．1单片机
单片机是调速器控制元件的早期产品，根据调速系统任务需要选择8051、8086、8096等微控制器（MCU）为硬件基础来设计线路板构成控制器。由于缺乏专业的抗干扰设计、生产工艺差、元器件筛选过程不够严格等多方面原因造成可靠性低、抗干扰能力差、故障率高等缺陷，已逐步退出市场，现已趋于淘汰。
2．2工业控制计算机（IPC）
2.2.1工业控制计算机定义
工业控制计算机简称工控机（IPC）是对个人计算机的板路、内存以及机箱等进行专门电磁兼容、工业应用等进行设计、制造，能应用于工业控制环境的计算机。
2.2.2工业控制计算机的特点
工控机的运算速度高，存储容量大；程序移植性强；能实现多任务并发；有较好的编程方式、网络通信、人机界面等。但由于硬件设计还是基于个人计算机（PC）的总线结构，而且软件平台必须基于windows或linux等操作系统上，因此其可靠性还是比完全针对工业现场设计的控制器少一个数量级。
2.2.3工业控制计算机的应用
工控机在调速器静特性、空载摆动、接力器不动时间等试验中有较好的性能，在水电站调速器控制系统中有一定应用，但因可靠性问题对发展形成一定制约。
2．3可编程控制器（PLC）
2.3.1可编程控制器的定义
可编程控制器（PLC）是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。采用可以编制程序的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的设备或生产过程。
2.3.2可编程控制器的特点
PLC按照易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则而设计；采用现代大规模集成电路技术和严格的生产工艺制造，内部采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性；其硬件配套齐全，具有丰富的I/O接口模块，功能完善，适用性强；维护方便、容易修改；有较强的网络功能和高级应用功能。
2.3.3可编程控制器的应用
PLC的高可靠性已得到广泛的验证，其控制方式、控制速度、高级功能等可较好的应用于水电厂调速器控制系统中，以其优异的性能立即成为调速器控制元件的主流方向，广泛应用于各种类型和容量的水电站调速器控制系统中。
2．4可编程计算机控制器（PCC）
2.4.1可编程计算机控制器定义
可编程计算机控制器（PCC）是可编程控制器的标准控制功能和工业计算机的分时多任务操作系统功能的集成。
2.4.2可编程计算机控制器的特点
PCC具有分时多任务操作系统；可采用高级语言编写复杂的程序；软硬件独特新颖的插拔式模块结构使系统具有灵活多样的扩展和组合；高速计数模块有很高的测频精度和可靠性；CPU运行效率高，存储器容量大。
2.4.3可编程计算机控制器的应用
PCC的特点为水轮机调速器控制系统提供了强有力的保证，近年可编程计算机控制器在水轮机调速器控制系统中逐步的得到扩大和发展，具有很好的增长空间。
2．5可编程控制器（PLC）、可编程计算机控制器（PCC）与工业控制计算机（IPC）的性能分析

元件        项目

特点

技术性能

可靠性

应用

单片机

抗干扰能力差，生产工艺差

性能一般

可靠性较低

故障率高，已趋于淘汰

工业控制计算机（IPC）

运算速度高，存储容量大

性能较好

可靠性一般，故障率较高

可靠性对应用发展形成一定制约

可编程控制器（PLC）

硬件配套齐全，丰富的I/O接口模块，功能完善，适用性强，维护方便。

性能好

可靠性较好

应用广泛

可编程计算机控制器（PCC）

分时多任务操作系统，高速计数模块，CPU运行效率高，存储器容量大。

性能突出

可靠性高

应用较好，具有很好的增长空间。

表一为控制器在特点、技术性能、可靠性、应用等方面的比较。
2.5.1.在运算速度和存储容量方面，工业控制计算机（IPC）的性能优于可编程控制器（PLC）和可编程计算机控制器（PCC）。
2.5.2工业控制计算机系统全部或部分采用国内设计、生产的部件，由于硬件设计能力和工艺的限制，可靠性较差。可编程控制器和可编程计算机控制器在可靠性方面要优于工业控制计算机，并且通用性也优于工业控制计算机。
2.5.3工业控制计算机的价格低于可编程控制器和可编程计算机控制器。
2.5.4在编程方式、网络通信、人机界面等方面，可编程控制器、可编程计算机控制器与工业控制计算机的性能没有明显的差别。
2.5.5可编程控制器、可编程计算机控制器是专门为解决工业现场恶劣环境而生产的工业控制设备，其高可靠性已得到广泛的验证。
2.5.6实际运行经验表明，可编程微机控制器与可编程计算机控制器已成为比工业控制计算机更加可靠的控制元件。
2.5.7现在，以可编程控制器和可编程计算机控制器为核心控制元件的调速器在国内已占据主流地位，许多电站都将过去的工业控制计算机为核心控制元件的调速器改造为采用这两者为核心的调速器。应用于水轮机调速器后，以其高可靠性、稳定性立即成为调速器控制元件应用的主流方向。目前出现的各种调速器控制系统还没有比可编程控制器、可编程计算机控制器可靠性更高的，因此宜优先选用这两个作为水轮机调速器的控制元件。
3．电液转换元件
水轮机调速器控制元件依据电液转换方式分为电液转换器、步进电机、伺服比例阀、数字阀几种，其中电液转换器已基本为市场淘汰。
3．1伺服比例阀
3.1.1伺服比例阀定义
伺服比例阀是将输入的电信号转变为流量输出信号的电磁阀。
3.1.2伺服比例阀的特点
伺服比例阀结合了伺服阀和比例阀的优点，既有伺服阀的高精度和高响应性，又有比例阀的电磁操作力大、抗油污能力较强及“复中”特性。伺服比例阀也存在控制器模拟电路产生的温飘和零飘使得控制系统易受温度变化的影响；本身的非线性因素如死区、滞环等难以实现彻底补偿；电磁铁和力矩马达存在着固有的磁泄现象，导致阀的外控制特性表现出2%-8%的滞环。
3.1.3伺服比例阀的应用
伺服比例阀在各种类型的水轮机调速器控制系统中应用广泛。
3．2步进电机
3.2.1步进电机定义
步进电机每输入一个脉冲信号，就转过一定的角度，是一种把脉冲变为位移的执行元件。
3.2.2步进电机的特点
步进电机按步进的方式工作，没有积累误差，具用重复精度高及无滞环的优点；可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
3.2.3步进电机应用
步进电机是将控制输出的综合电气信号转换成具有一定操作力和位移量的机械位移信号，从而驱动液压放大系统，完成对水轮发电机组的调节。但使用步进电机的调速器必须保留有引导阀和主配结构，造成水轮机调速器的结构复杂，加工件多，不具有良好的通用互换性。步进电机的水轮机调速器控制系统较多应用于大中型混流式、轴流式、贯流式水轮发电机组。
3．3数字阀
3.3.1数字阀定义
数字阀的工作状态只有通、断两种，也即相当于数字电路的高电平、低电平两个状态（即1、0），故称为数字阀。
3.3.2数字阀的特点
由于数字阀只有通、断两个状态，数字阀与控制系统的接口简单；密封较好，在高油压下无泄漏；当测频信号消失及断电等情况下，具有故障锁锭的功能。
3.3.3数字阀的应用
数字阀的调速器控制元件可很好的适应不同容积的接力器，避免了大型机组接力器容积与调速器主油管通径不匹配时造成的过调和欠调，实现了精确调节。数字阀应用于水轮机微机调速器，能实现整个系统的数字化，构成全数字式调速器，应用前景十分广阔。但由于流量、压力脉动等因素的限制，数字阀在大型调速器上的应用受到一定的限制，目前仅能应用于操作功不大的非双调机组的调节控制。
3．4伺服比列阀、步进电机、数字阀性能分析
伺服比列阀是间接数字控制系统，采用4～20mA、0～5V、-10～10V的线性电流、电压作为驱动信号，控制器必须通过D/A转换环节，以模拟量接口实现控制，伺服比例阀调速器是一个典型的间接控制方式的数字式液压控制系统，通过D/A接口实现数字控制，传统的各类伺服阀、比例阀也都属于这类。伺服比列阀存在如下缺点：（1）由于控制器中存在着模拟电路，易产生温飘和零飘，系统易受温度变化的影响，使得控制器对伺服比列阀本身的非线性因素如死区等难以实现彻底补偿。（2）用于驱动比例阀和伺服阀的比例电磁铁和力矩马达存在着固有的磁泄现象，导致阀的外控制特性表现出2%-8%的滞环，采用阀芯位置检测和反馈等闭环控制的方法可以基本消除比例阀的滞环，但却使阀的造价大大增加，结构复杂，可靠性降低。（3）由于结构特点所决定，电磁铁的磁路一般只能由整体式磁性材料构成，在高频信号作用下，由铁损引起的温升较为严重。
步进电机和数字阀均是直接数字控制的电液转换元件，步进电机按步进的方式工作，没有积累误差，具用重复精度高、无滞环的优点；可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，达到准确定位的目的；通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，达到调速的目的。但是，步进式调速器必须保留有引导阀和主配结构，造成步进式调速器的结构复杂，加工件多，不具有良好的通用互换性。相较而言，数字阀与控制系统的接口更简单，且不需要中间环节就能构成直接数字控制系统，应用前景广阔，将数字阀应用于水轮机微机调速器，能实现整个系统的数字化，构成全数字式调速器。但由于流量、压力脉动等因素的限制，数字阀在大型调速器上的应用范围受到一定的限制，目前仅能应用于操作功不大的非双调机组的调节控制。

元件      项目

特点

技术性能

可靠性

应用

电液转换器

容易出现发卡现象，维护量较大。

性能一般

可靠性较低

已基本淘汰

伺服比例阀

高精度、高响应性、电磁操作力大、抗油污能力较强，存在温飘和零飘，死区、滞环等难以补偿

性能较好

可靠性较好

应用广泛

步进电机

没有积累误差，具用重复精度高及无滞环的优点，调速器的结构较复杂。

性能一般，部分技术要求不符合标准

可靠性较好

应用广泛

数字阀

与控制系统的接口简单，可构成全数字式调速器

性能较好

可靠性较高

因流量、压力脉动等因素，仅应用于操作功不大的非双调机组的调节控制，具有很好的增长空间。

表二为电液转换元件在特点、技术性能、可靠性、应用等方面的比较，由表二及以上所述，基于直接数字控制的调速器控制系统优于间接数字控制的调速器控制系统，中小型调速器选用数字阀较为适宜，大型调速器宜选用步进电机和伺服比列阀。
4．结束语
电力系统对不同水电站有不同要求，例如基荷、腰荷、调频、调峰、事故备用或几项组合，每个电站机组的实际情况不一样，如机组结构、监控信号、频率、水头、操作要求等，这些都对调速器控制元件的要求不同。必须清楚控制元件的控制原理、特点、应用情况等，并且在试验和实际运行中对性能进行检验，包括静特性、开机、停机、空载摆动、空载扰动、甩负荷等，试验的各项数据需满足国家标准要求。部分元件如步进电机在接力器不动时间、甩负荷数据等性能一般，也与机械液压系统结构相关，但因特点突出、可靠性好等仍得到广泛应用。因此，需要从多方面进行水轮机调速器控制元件的选择和使用，在满足“可靠性、灵敏性、稳定性”的基础上考虑水电站发展的需要，包括建设智能化、数字化水电站，满足和适应当前技术及发展的需要，保证水电站的安全、稳定、可靠、经济运行。 10/14/2011

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