摘　要：20世紀90年代初開發的步進電機或直流伺服電機控制的水輪機調速器存在大負荷下響應速度慢、高速運轉時轉矩下降或有磨擦并產生火花等問題，因此，有必要研制交流伺服控制型可編程水輪機調速器。介紹了交流伺服控制型可編程水輪機調速器電氣部分、電氣－機械轉換部件和液壓系統的結構和工作原理，詳細分析了各部分的設計特點和性能。交流伺服控制型可編程水輪機調速器的主要性能指標達到或優于國家標準值，在水電廠的運行情況也表明，該調速器性能良好。 　　Development and application of AC servocontrolled and programmable speed governors for water turbines 　　ZHAO Suqiong1, CHEN Jianmin2 　　（1. Guangdong Electric Power School, Guangzhou 510520, China; 　　2. Guangdong Jianghai Electromechanical Engineering Co., Ltd., 　　Guangzhou 510500, China） 　　Abstract:The step motor or the DC servo motor controlled water turbine governors developed in the 1990s have the problems of slow response at heavy load, reduced torque during fast running or abrasions that lead to sparks, which necessitates the development of AC servocontrolled and programmable speed governors for water turbines. This paper describes the structure and working principles of the electric parts, the electromechanical converter and the hydraulic system of the new governor, analyzing the design features and performance of each part. Major performance indices of the governor are up to or superior to national standard values. Application results in a hydropower plant also prove the good performance of the governor.  　　Key words:water turbine; speed governor; AC servo motor; electromechanical converter; hydraulic system 　　水輪機調速器是水電站的重要組成部分，主要用于控制水輪發電機組轉速與出力，其品質與性能直接影響到電能品質和水電站的安全可靠運行。電氣－機械轉換部件是調速器的核心部件，因此，解決水輪機調速器中電氣－機械轉換部件工作可靠性差、抗油污能力弱等問題，是提高水輪機調速器可靠性的關鍵。 1.步進電機或直流伺服電機控制的水輪機調速器存在的缺陷 　　20世紀90年代初期，國內高等院校、科研機構及制造廠家先后開發了電機（步進電機、直流伺服電機）型電氣－機械轉換部件。步進電機的轉動由指令脈沖控制，控制簡單；直流伺服電機控制方便，調速范圍寬，輸出轉矩高，過載能力強，動態響應好。因此，以步進電機或直流伺服電機控制的水輪機調速器在大、中型水電站的應用取得了顯著的成果，從而解決了電液伺服閥抗油污能力弱、容易發卡、工作可靠性較差等問題。但是，步進電機與直流伺服電機本身存在缺陷，主要表現在：步進電機有一啟動頻率，造成在大負荷情況下響應速度不能過快，而且在高速運轉時轉矩下降，遇到卡阻時可能堵轉、失步；直流伺服電機存在電刷與換向器的磨擦并產生火花的問題，電刷的磨損會帶來故障，同時使其在維護方面較為麻煩。 2.交流伺服控制型可編程水輪機調速器的結構和主要特點 　　近年來，隨著電子技術的進步，新型功率開關器件、專用集成電路和控制算法的發展，使交流驅動電源、交流伺服系統的性能大大提高，它除克服了步進電機或直流伺服電機本身的不足，還具有功能強大、控制方式靈活、技術性能好和可靠性高等特點。因此，把由交流伺服電機構成的驅動裝置作為水輪機調速器的電氣-機械轉換部件是功率電子技術、微電子技術、計算機技術及控制原理進步和不斷向前發展的必然結果。 　　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。 　　交流伺服控制型可編程水輪機調速器的系統原理結構見圖1，機械液壓系統的結構見圖2。 　　2.2設計特點 　　2.2.1無油電氣－機械轉換部件 　　2.2.1.1交流伺服驅動裝置 　　交流伺服驅動裝置由交流伺服電機以及與其配套的驅動器組成。在研制、選型和應用中，選用了日本松下公司生產的MSMA交流伺服電機及MSDA交流伺服驅動器。MSMA交流伺服電機的主要特點是慣量小，轉矩大，控制精度高，可方便地獲得與頻率成正比的可變速度，在低速運行時無爬行、無震動，調速范圍寬，力矩－頻率特性好，同時該電機軸上自帶有高分辨率的位置旋轉編碼器，可方便地將電機軸的實際轉角反饋給驅動器，在位置環方式下構成一個閉環位置控制。MSMA交流伺服電機結構簡單，體積小，運行可靠，無需維護。與其配套的MSDA交流伺服驅動器是一個功能強大、控制方式靈活、適合多種用途的全數字化驅動裝置，它本身帶有CPU和人機對話界面，可以對其控制方式（位置控制、速度控制、轉矩控制方式或組合控制方式）、工作參數（如位置環增益、速度環增益、速度環積分時間常數、速度前饋等）進行設定，以達到最優控制，滿足不同工況下調速系統的穩定性要求。 　　 　　2.2.1.2自動復中裝置 　　自動復中裝置主要由大導程滾珠絲桿、滾珠螺母和定位器等組成。交流伺服電機通過聯軸器和小手輪（手動操作用）直接連接滾珠絲桿，當電機帶動滾珠絲桿正轉（或反轉）時，與滾珠螺母連成一體的位移輸出桿上升（或下降），從而將電氣數字信號直接轉換為機械位移輸出。由于采用了大導程滾珠螺旋副，所以速動性好，磨擦阻力小，傳動效率高，死區小，壽命長。同時，在滾珠螺母與位移輸出桿的水平對稱位置兩側各設有一個定位器，當交流伺服電機失電時，在定位器的作用下，滾珠螺母與位移輸出桿立即回復到原始的水平零位，滾珠絲桿也回到原始的中位。因此，在調節過程中，當交、直流電源同時出現故障時，由于交流伺服裝置設置具有自動復中功能，可使主配壓閥及時復中，使調速器保持穩定，確保機組安全運行。2.2.2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。 　　2.2.3人-機接口 　　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。 3.交流伺服控制型可編程水輪機調速器在水電站的應用 　　江西省尋烏縣斗晏水力發電廠為壩后式水電站，安裝有3臺12.5 MW的混流式水輪發電機組，調速器為SKDT-80模擬型電液調速器，電液伺服部件采用電液轉換器。受斗晏水力發電有限公司的委托，由廣東江海機電工程有限公司承接該調速器的技術改造任務。在技術改造中，采用交流伺服可編程控制技術對該調速器進行技術改造，于2001年6月完成改造，并投入運行。 　　 　　 　　 　　經過一年多的實際運行，調速器情況良好。開、停機幾十次，從機組開機到空載運轉的穩定時間短，并網快速，機組空轉時間減少，節約用水；調節靈敏，運行可靠。 　　改造后的調速器型號為GKT80-SP，分別于2002年1月和2002年8月通過了電力行業專家的現場鑒定測試和廣東省水利廳專家組的鑒定。將改造后的主要鑒定試驗結果（見圖3、圖4和 表1）與GB/T9652.1—1997的數據進行比較，其主要性能指標全部達到或優于國家標準規 定值。 4.結束語 　　交流伺服控制型可編程調速器經過了水電站現場真機的運行考驗，其調節靈敏，可靠性高，性能好，運行穩定，而且該產品技術先進，結構簡單、合理，操作簡單，維護方便，能為水電站帶來較好的經濟效益。