第二节 高油压调速器概述
一、高油压调速器的发展历程
水轮机电液调速器的技术基础是电子技术和液压技术。纵观我国电调的发展过程，可以发现其电气部分善于及时应用电子行业的新技术、新产品。计算机和可编程控制器刚刚问世，就在电调上得到应用，有力地推动了水轮机调节技术的发展。然而，电调的机械液压部分却与数十年前的机调无明显差别，工作油压仍维持在2.5MPa 或4.0MPa的水平上，与现代液压技术存在着巨大差距。对于一些中小型水电站来说，常规油压的调速器油压装置要得到压力油，一般都需要一套单独的压缩空气系统作支撑，结构复杂，维护工作量大。另外，由于操作压力较低，调速器及油压装置和元件的结构复杂、尺寸大，造价高，检修维护工作量大，空间占用大，调速器现场布置不灵活。
现代液压技术拥有大量先进而成熟的技术成果，系统而完备的理论体系和计算方法；液压件为大批量工业化生产，品种齐全，标准化、系列化、集成化程度高，工作油压早已达到16~31.5MPa。在冶金、矿山、起重、运输及工程机械等行业中得到广泛的应用。因而及时采用液压行业的新技术、新产品，是调速器机械液压部分加快技术进步、实现产品更新换代的正确途径。
正是基于这样的认识，在科技人员的不懈努力下，1997年初，第一台操作功为50000N·m的高油压电液调速器在四川都江堰双柏电站投入运行。短短20年时间，操作功自3000N·m到50000N·m的中小型高油压调速器，已在全国投产2万余台。因其运行性能优良，受到各类小型水电站、设计单位及安装单位的广泛好评，成为现代调速器小型化的一种发展趋势。
二、高油压调速器的技术经济优势
与传统的低油压调速器及油压装置相比，高油压调速器具有显著的技术经济优势：
（1）采用了电液比例阀、高速开关阀（即数字阀）等现代电液控制技术，减少了液压放大环节，结构简单，工作可靠，具有优良的速动性及稳定性。
（2）采用囊式蓄能器储能，胶囊内所充氮气与液压油不接触，油质不易劣化；胶囊密封可靠，长期运行亦不需补气，电站还可省去高压气系统及相应的副厂房。
（3）液压件为大批量工业化生产，标准化、系列化、集成化程度高，质量可靠，性价比高。
（4）接力器一般采用分离式，取消调速轴，且工作油压高，因而体积小，重量轻，用油量少，电站布置方便、美观。
（5）便于采用先进的调节控制技术，从而保证水轮机调速系统具有优良的静、动态特性。不仅可实现PID调节规律，还可以实现前馈控制、预测控制、模糊控制和自适应控制等复杂规律，从而可得到更好的动态调节品质。也便利用通信功能直接与厂级或系统级上位机连接，实现全厂的综合控制，提高自动化水平。
基于以上技术经济优势，高油压水轮机调速器在中小型水电站得到了广泛应用，在国家新技术规范和全国农村水电站增效扩容改造项目机电设备选型导则中都作了明确建议，在新建、改建、扩建的中小型水电站中推广作用高油压水轮机调速器，既是水电站控制的需要，也可起到节能降耗的作用。
三、高油压调速器的主要功能及特点
（1）测量机组和电网频率，实现机组空载及孤立运行时的频率调节。
（2）空载时机组频率自动跟踪电网频率，便于快速自动准同期。
（3）手动开停机、增减负荷及带负荷运行。
（4）自动开停机，并网后根据永态转差率（bp）自动调整机组出力。
（5）无条件、无扰动地进行自动和手动的相互切换。
（6）采集机频、网频、导叶开度、手动、自动等调速器的主要参数及运行状态，并在触摸屏（或液晶屏）上显示。
（7）能通过触摸屏（或液晶屏）整定调速器的运行参数。
（8）检测到电气故障时，能自动地切为手动，并将负荷固定于故障前的状态。
（9）采用高可靠性可编程控制器（PLC），体积小，抗干扰能力强，平均无故障时间达30万h以上。
（10）采用软件测频，可满足测频适时性和测频精度的要求。
（11）采用PID智能控制，具有良好的稳定性及调节品质。
（12）具有可扩展通信接口，便于与上位机通信。
四、高油压调速器的主要技术参数和技术指标
（1）比例系数P：0.5~20。
（2）积分系数I：0.05~10 1/s。
（3）微分系数D：0~5s。
（4）频率给定FG：45～55Hz，可简称为频给。
（5）功率给定PG：0～100%。
（6）永态转差系数bp：1%～10%。
（7）人工死区E：0～1%。
（8）机频、网频信号电压：AC 0.3～110V。
（9）交流电源：AC 200V。
（10）直流电源：DC 220V或DC 110V。
（11）最大工作油压：16MPa。
（12）转速死区ix：≤0.04%（大），≤0.08%（中），≤0.10%（小）。
（13）自动空载3min转速摆动相对值：≤±0.15%（大），≤±0.25%（中、小）。
（14）接力器不动时间Tq：≤0.2s。
（15）平均故障间隔时间：≥8000h。
五、高油压调速器的组成
高油压调速器主要由三部分组成：①电气控制部分；②液压阀组部分；③油压装置部分。
（一）电气控制部分
电气控制部分主要包括测频部分、PLC（PCC）控制器、综合放大部分、触摸屏、电气操作回路等。
1.测频部分
（1）测频原理。微机调速器一般采用测周法测量机组频率，测周法是测量频率信号的周期的倒数，即可得到被测信号的频率。数字测频，通过测频模块将机组频率转换成具有一定周期的脉冲数字信号，脉冲信号周期倒数即为机组频率。电液调速器的测频信号源大多采用机端电压互感器输出的电压信号，也有采用残压与齿盘脉冲测频互为备用的双信号方案，如图4-4所示。
（2）测频特点。残压信号的有效电压范围为0.3~160V，可测出的频率范围为5~99.99Hz，齿盘测速的电压峰值范围为4.5~24V，可测出的频率范围为0.5~99.99Hz。
作为微机调速器的控制核心——微机控制器，随着计算机技术的不断发展，经历了单片机、单板机到工业控制计算机、可编程控制器和可编程计算机的阶段。
2.控制器
（1）可编程控制器PLC。可编程控制器（Programmable Logic Controller，PLC），PLC作为一种新型的工业控制装置，它是适应现代工业生产要求控制方案能随生产品种灵活改变的需要研制出来的，其主要功能是实现逻辑控制，从而取代传统继电器的硬接线控制逻辑，克服传统继电器触点控制故障率高、系统维护量大、容易出现触点竞争和时序失配等问题。目前PLC的功能日益增强，不仅能进行一般的逻辑控制，还具备了数据运算、传送和处理的功能，可以进行模拟量控制、位置控制和实现远程通信，PLC已成为现代工业控制的主要设备之一。目前，微机调速器常用PLC一般采用西门子、三菱、欧姆龙、莫迪康等公司产品，不同调速器厂家选择不一样。
图4-4 微机调速器测频原理图
（2）可编程计算机控制器PCC。可编程计算机控制器（Programmable Logic Controller Computer，PCC）是PLC的升级产品，PCC可实现多任务操作系统，这是PCC与PLC的一大区别；并且支持梯形图、C语言等各种高低级编程语言，它采用B&R高级语言，是基于Windows操作系统的一种高级语言，更易于编程；此外，它还可以支持多个主CPU同时工作，具有智能处理器，如专门的时间处理单元（Time Processor Unit，TPU）。可以看出，PCC不是简单对PLC的更新换代，它在很多方面突破了传统做法，在可编程控制器中引入新的控制思想和编程思想，更易于实现越来越复杂的控制要求，同时性能比PLC更强大、更稳定。目前，PCC产品由奥地利贝加莱公司一家生产。
3.综合放大部分
综合放大板主要作用是对输入的液压缸位移反馈信号进行调零调幅处理；对输入的调节器信号进行缓冲处理；将两信号进行比较；将比较后的信号放大整形，进行脉冲宽度调制；再将调制后的脉冲信号用MOS功率管进行功率放大，以便驱动比例阀或数字开关阀的线圈。
（1）信号要求。
1）对输入的接力器反馈信号进行处理。
2）对输入放大板的调节信号进行缓冲综合处理。
3）将调节信号与反馈信号进行比较叠加。
4）将叠加后的信号放大整形，进行脉冲带宽调制。
5）将调制后脉冲信号用MOS管功率放大，驱动比例阀或数字开关阀线圈。
（2）功能要求。
1）具有死区补偿功能，应设有专门的死区补偿电路，用以抵消机构死区。
2）应具有振动分量，具有三角波振荡电路，使调节信号为零时，三角波信号使比例阀芯产生一定频率微振，减小机械死区。
3）调制及功率放大，增大操作力，驱动电磁阀芯移动，给接力器配压。
（3）系统原理。调节器的输出信号经过缓冲电路处理后，与经过调零、调幅电路处理的导叶接力器反馈信号比较，其差值信号经过放大后分为两路：一路调制为开关信号并经过功率放大，推动并联阀组中的大波动开关阀；另一路被三角波调制为脉宽信号，经过功率放大后推动并联阀组中的小波动比例阀。综合放大部分系统原理如图4-5所示。
图4-5 综合放大部分系统原理
4.触摸屏
触摸屏一般配置原则是大型调速器采用大尺寸彩色触摸屏，中型调速器采用较小尺寸的彩色触摸屏，小型调速器采用文本型显示器，也可采用触摸屏，显示调速器各项性能参数，并可通过触摸屏进行调速器参数调整、试验等操作。
5.电气操作回路
电气操作回路由相应的继电器、按钮、指示灯等组成，与显示器共同实现调速器的人机对话功能。
（1）采用厂用直流操作电源的操作回路有紧急停机回路、手动按钮切换回路；采用开关电源的操作操作回路有增、减给定回路。
（2）电气柜面板上按钮有增、减给定，手自动切换按钮，在自动调节状态下，并网时增、减给定，将使功率给定相应增加或减少，空载时增、减给定，频率将增加或减少。
（3）电气柜面一般还应有交、直流电源指示灯，紧急停机及电气故障指示灯等。
（4）大、中型调速器一般还应有液压锁定装置，操作回路中相应有锁定投入和锁定拔出回路及对应的控制阀，锁定回路的电源一般也同厂用直流电供电。
6.电气反馈装置
微机调速器的电气反馈装置的作用是将接力器的位移信号转换成反馈回路的电压变化信号（0～10V），反馈至电气部分，以构成闭环调节。主要有精密绕线旋转电位器、绕线式直线位移传感器、磁致伸缩式直线位移传感器。
7.电源系统
（1）电源的构成。开关电源、变压器、电源转换模块、空气开关及指示灯。交直流电源经过电源转换模块再送给开关电源，向可编程控制器提供电源，交直流电源可实现无中断、无扰动切换，如图4-6所示。
图4-6 电源的构成
（2）开关电源。开关电源具有体积小、重量轻、效率高等优点，当输入电压波动较大时，输出电压比较稳定，在微机监控系统中得到普遍采用。常用品牌是台湾明纬。
（3）电源过压保护。调速器开关电源可以经受电源线输入的最大值为1kV，但如遇强雷击时仍可能损坏。应在厂用变低压侧就近装入三相第一级电涌保护装置，在交流电源屏上装置第二级电涌保护装置。当电源电压大于264V的过压持续数秒以上将损坏电子元件，如电容爆裂、压敏电阻烧裂、电路板烧毁。
（二）液压阀组部分
高油压调速器的液压阀组主要包括小波动调节阀、大波动开关阀、手自动切换阀、手动操作阀、锁锭阀、紧急停机阀、液压缸（接力器）等。
1.小波动调节阀
一般采用直动式三位四通比例换向阀，是调速器电液转换的核心元件，它是在机组正常工作时小波动调节时工作，它根据电气部分输出的电气调节信号按比例控制接力器动作。
2.大波动开关阀
一般采用直流湿式弹簧复位式三位四通开关阀，它是在机组大波动，如正常开机、停机、负荷增减较大时工作。大波动开关阀与小波动调节阀何时启动，将由PLC根据调节信号的强弱和类别而发出指令。
3.手动操作阀
手动操作阀是一个三位四通的手动换向阀，可在手动工况或调速器电气部分故障情况下，人为手动操作该阀，实现接力器的开关机或负荷调整动作。
4.手自动切换阀
手自动切换阀是一个二位四通电磁换向阀，自动工况下该阀是一个通路，在手动或紧急停机时切断比例阀供油油路。该阀有三种控制方式，一是电气部分故障或事故停机时，由电控柜自动将该阀由自动切为手动，二是通过电控柜按钮，人为进行手动、自动相互切换，三是该阀两端有手动应急按钮，在无直流电源时，可直接进行手动、自动相互切换。
5.紧急停机阀
紧急停机阀采用二位四通电磁换向阀。正常情况下，紧急停机阀处于复归状态，油路不通；当发生紧急停机事故时，紧急停机阀动作，控制接力器紧急停机。该阀两端有手动应急按钮，在无直流电源的情况下，可直接用手操作。
6.双液控单向阀（液压锁）
双液控单向阀安装在调节阀之后，在手自动切换阀处于手动位置时，能可靠切断比例至接力器油路。
7.单向节流阀
安装在调节阀通往接力器的油管上，用于调整接力器的开、关机时间。
8.接力器（液压缸）
液压缸，也叫接力器，是调速器输出动作的执行元件，接力器活塞杆在液压的作用下发生移动，通过水轮机导叶传动机构，控制导叶的开度，从而调节水轮机的输入流量。
9.液压锁锭装置
液压锁锭装置由锁锭电磁阀及液压锁锭阀组成。锁锭电磁阀解除时，液压锁锭阀为一通路，不影响液压缸动作；在每一次停机完成后，微机监控系统或人为会向调速器发出锁锭信号，由于锁锭电磁阀是一单向阀，投入后，不影响接力器的关机动作，但接力器全关后即不可再开机，起到锁锭作用，保证停机后的安全。下次开机时，应先退出液压锁锭，才能开机。
（三）油压装置部分
油压装置是给调速器提供压力油源的设备，分为组合式和分离式。组合式油压装置是将调速器电气控制柜、液控阀组等直接安装油压装置上，中小型高油压调速器一般采用这种型式。分离式油压装置一般用于大中型高油压调速器，调速功大，蓄能器多，尤其是双调节的转桨式水轮机调速器，调速器分成三部分，一是标准尺寸电气控制柜，可布置在机旁屏位置，二是液控柜，由液控阀组和油压装置回油箱组成，一般布置在机组旁，三是蓄能器组，根据容量液压等级，集中布置若干个蓄能器，可灵活布置，用管路与液控柜连接。
无论是分离式还是组合式油压装置，其组成部分是基本一致的，主要由回油箱、油泵组、安全阀、滤油器、供油阀、单向阀、蓄能器、监测仪表等组成。
1.高压油压装置
高压液压装置用于向调速器、操作器及阀门控制柜等提供清洁、可靠而稳定的高压油。它由回油箱、电机泵组、油源阀组、囊式蓄能器和压力定计等部分构成。回油箱用于储存液压油，并作为电机泵组、油源阀组、压力表计、控制阀组等的安装机体。电机泵组由电机、高压齿轮泵、吸油滤油器等组成，用于产生压力油。囊式蓄能器是一种油气隔离的压力容器，钢瓶上部有一只充有压缩氮气的丁腈橡胶囊，压力油从下部输入钢瓶后，压缩囊内的氮气，从而存储能量。压力表用于指示油源压力，电接点压力表用于控制油泵电机的启停。
图4-7为高压油压装置系统图，该系统由回油箱、两套电动机泵组及油源阀组、两个100L蓄能器及一组接点压力表构成。电动机为油压装置的动力源，当蓄能器和系统的油压降至工作压力的下限时，电接点压力表动作，通过控制电路使电动机启动运转，经传动装置带动油泵开始工作，自回油箱内吸油。
图4-7 GY-200高压油压装置系统原理图
1—油箱；2—液位计；3—吸油滤油器；4—安全阀；5—电机；6—油泵；7—滤油器；8—单身阀；9—放油阀；10—囊式蓄能器；11—电接点压力表；12—压力表开关；13—主供油阀
液压油经吸油滤油器滤去较大颗粒的机械杂质，经油泵获得能量成为压力油，再经滤油器精滤成为清洁的压力油。压力油经单身阀和高压管路向蓄能器中充油，压缩气囊而储能、升压，当蓄能器和系统的油压升至工作压力的上限时，电接点压力表动作，通过控制电路使电动机泵组停止工作。
单向阀隔在蓄能器和滤油器之间，既可防止电动机停转时压力油倒流导致电动机泵组反转，又使得蓄能器保持油压的条件下，可以进行滤油器清洗等工作。安全阀的整定压力稍高于工作压力上限，如果电接点压力表或控制电路出现故障，造成油压升至工作压力上限后电动机泵组仍不能停止工作，安全阀即开启泄油，确保系统压力不会过度升高而导致事故。
2.囊式蓄能器
囊式蓄能器是高压油压装量的重要组成部分，它具有储存能量、稳定压力、吸收冲击和消除振动等作用。囊式蓄能器是利用气体（氮气）的可压缩性来储存能量的。在使用前，首先经顶部的充气阀向蓄能器中的气囊充以预定压力的氮气，然后用液压泵经底部的油口向蓄能器充油。在压力油的作用下，顶开菌形阀，油进入容器内，压缩气囊，当气腔和液腔的压力相等时，气囊处于平衡状态。当系统需要用油时，在气体压力作用下，气囊膨胀，输出压力油。
囊式蓄能器的典型结构如图4-8所示，它是由上部的充气阀、壳体、胶囊和下部的菌形阀总成等组成。壳体是均质无缝的调制压力容器，形状为两端呈球形的圆柱体。其上端有个容纳充气阀的开口。由合成橡胶制成的完全封闭的梨形气囊模压在气门嘴上，形成一个封闭的空间。气囊经壳体下端开口置入后，借助于止动螺母固定在壳体的上部。菌形阀总成由阀体座、菌形阀及其下面的弹簧组成，其作用是防止油液全部排出时，气囊膨胀出壳体之外。该阀用一对半圆支承环卡住阀体座的台肩，装在壳体的下部。橡胶托环和密封环构成阀体座与壳体的密封，用壳体外面的螺母经压环拧紧固定。
图4-8 囊式蓄能器的典型结构图
1—阀防护罩；2—充气阀；3—止动螺母；4—壳体；5—胶囊；6—菌形阀；7—橡胶托环；8—支承环；9—密封环；10—压环；11—阀体座；12—螺堵
六、高油压调速器典型的机械液压系统
1.系统组成
如图4-9所示为GKT系列高油压调速器的机械液压系统原理。该电液比例伺服系统主要由比例换向阀16、手/自动切换阀17、紧急停机电磁阀20、单向节流阀21、液压缸23、电气反馈装置24、液控单向阀25及两段关闭装置22等构成。左侧为高油压装置部分，右侧为机械液压部分，来自囊式蓄能器输送来的压力油，经过压力表后分为上、下两条油路。
图4-9 GKT-80型高油压调速器机械液压系统原理图
1—油箱；2—油位计；3—吸油滤油器；4—安全阀；5—电动机；6—油泵；7—滤油器；8—单向阀；9—放油阀；10—截止阀；11—囊式蓄能器；12—电接点压力表；13—压力表开关；14—主供油阀；15—压力表；16—比例换向阀；17—手/自动切换阀；18—开关换向阀；19—手动换向阀；20—紧急停机电磁阀；21—单向节流阀；22—两段关闭装置；23—液压缸；24—位移反馈装置；25—液控单向阀；26—锁定电磁阀；27—刹车控制回路
上面一路油管到高油压调速器液压控制回路，该控制回路由左、中、右三条并联的油路构成。左边油路是自动调节回路，由手自动切换阀17、小波动阀（即比例换向阀）、大波动阀（即开关换向阀）构成，其中大波动阀与小波动阀互相并联，手自动切换阀17则是与大、小波动阀相串联；右边油路是由紧急停机电磁阀20构成的紧急停机回路；中间油路是由手动换向阀19构成的手动操作回路。上述三条并联油路的控制阀各自有两个输出工作油口，所有控制液压缸开启的油口并为一条油管，经单向节流阀21，两段关闭装置22及液控单向阀25与液压缸23的开启腔相连；所有控制液压缸关闭的油口并联，经一条油管、单向节流阀、液控单向阀与液压缸的关闭腔相连。另一路压力油向锁定电磁阀及刹车电磁阀供油。锁定电磁阀26用以控制由液控单向阀构成的液压锁定阀组；虚线框内为刹车控制回路，压力油经减压后用以控制刹车液压缸。位移反馈装置24用于向调速器电气部分反馈液压缸的位移信号。
2.系统调节控制原理
GKT-80型调速器的高油压系统的自动调节功能由大波动阀与小波动阀并联构成的自动调节阀组实现，简称大小阀调节模式，此种调节模式调节性能好。大波动时大小阀同时动作，液压缸按整定的最大速度运动，以保证系统的速动性；小波动时仅小波动阀动作，液压缸以较慢的速度运动，以保证系统的稳定性，使调速器同时具有良好的速动性与稳定性。
在GKT-80型高油压调速器中，大波动阀采用电磁换向阀或电液换向阀，小波动阀则采用电液比例换向阀或数字开关阀。
自动运行时，手动换向阀19处于中位，紧急停机电磁阀20复归（在右位），切断了各自的油路。手/自动切换阀17的阀芯处于左位，即自动位置，接通了自动调节阀组的供、排油路，使调速器处于自动运行工况。在小波动工况下，当机组增负荷时，根据控制信号比例换向阀16的阀芯处于左位，向液压缸开启腔提供压力油，导叶开度增大；反之，机组减负荷时，比例换向阀16的阀芯处于右位，液压缸开启腔排油，关闭腔进压力油，导叶开度减小。在大波动工况下，当机组增大负荷时，比例换向阀16和开关换向阀18的阀芯同时处于左位，压力油可迅速进入液压缸开启腔，使水轮机导叶迅速开大；反之，当机组甩负荷时，阀16和阀18的阀芯同时在右位，压力油可迅速进入液压缸关闭腔，导叶迅速关闭。
手动运行时，先将手/自动切换阀17切换至右位，即手动位置，切断自动调节阀组的供、排油路；紧急停机电磁阀仍处于复归状态，这时操作手动换向阀19即可控制液压缸开关动作。
当机组事故需紧急停机时，紧急停机电磁阀20动作，手动换向阀19处于中位，手/自动切换阀17同时切换为手动工况，切断自动调节阀组的供、排油路；液压缸即在紧急停机电磁阀20控制下紧急关机。
3.开关机时间调整及两段关闭装置
高油压调速器的开关机时间调整，通常用调整液压缸油路上的单向节流阀（又称调速阀）实现。串联于液压缸开启油路上的单向节流阀用于调整液压缸的关闭时间；串联于液压缸关闭油路上的单向节流阀则用于调整液压缸的开启时间，开关机时间连续可调。
4.液压锁及低压油源
液压锁定可在机组停机后投入，以防止液压缸向开机侧爬行而导致机组误开机。由GKT-80型高油压调速器的系统原理图可知，正常运行时，锁定电磁阀26输出的压力油进入液控单向阀25的控制腔，将液控单向阀打开，使之成为通路，不影响液压缸的正常动作。机组停机后，锁定电磁阀26动作，液控单向阀25的控制油路接通排油，这时液控单向阀的机能与单向阀相同，因而液压缸便被锁住。
手动操作时，为防止液压缸爬行导致溜负荷，也可在操作后投入液压锁定。如果在手动操作时接到紧急停机令，紧急停机令将会首先解除液压锁定，以保证液压缸迅速关机。机组紧急停机后，液压锁定将自动投入。另外，有些机组要求高油压调速器提供刹车控制装置及某些自动化元件所需的低压油源。由于所需油量较少，通常采用设置减压阀的方法满足上述要求。