CN100588835C - 双泵容积式水轮机调速器 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了一种双泵式容积式水轮机调速器，它与传统调速器结构形式截然不同，它是采用油泵直接控制主接力器的容积控制原理构成的。没有加工复杂、制造精度高的引导阀和主配压阀以及由它们带来的节流损失，功率损失减少，具有明显的节能效果，使得体积庞大的油压装置和集油箱大大减少，从而使它具有结构简单、制造方便、体积小、重量轻、成本低的特点。同时采用了容量大小不等的二个油泵分别构成主、副控制系统。由小容量油泵构成的主控制系统承担小偏差信号的连续精确控制，而由大容量油泵构成的副控制系统承担大偏差信号的断续快速控制。两个系统相互配合，相得益彰，使整个调速器的动态和静态性能得到改善和提高。这种调速器适宜于中小型小电站中应用。

Description

双泵容积式水轮机调速器

技术领域：

本发明专利涉及一种由油泵直接控制水轮机主接力器的双泵容积式水轮机调速器，应用于中小型水电站水轮机调速器之中。

背景技术：

水轮机的主接力器的开度是由引导阀和主配压阀等器件构成的调速器来控制的，它是经典的控制方式，也是目前水轮机行业中唯一的控制方式。这种控制系统称为阀控缸节流控制系统。它具有两大结构特点：①采用滑阀副结构，对主接力器的控制是以滑阀副节流边开度大小来实现。②采用由螺杆泵组成的压油装置向调速器供油。数十年来，调速器技术得到长足发展，结构不断改进，性能日趋完善，但这两大传统结构形式始终没有变化，至今为止尚未出现过其他型式的调速器。但这种传统型式的调速器存在着下述的不足之处：

①由于采用滑阀副结构型式，调速器的性能优劣很大程度上取决于滑阀副的加工精度和装配质量。滑阀副节流边轴向搭接量大小是决定了调速器的死区和系统稳定性，滑阀副的径向间隙大小决定了系统的内泄、静态漂移、动作灵活性和工作可靠性。正由于这个原因，调速器中的引导阀和主配压阀成为调速器制造过程两大关键部件，结构复杂、制造精度高、成本高。

②调速器的性能指标有静态和动态两大类。为提高现有调速器的性能而采取的一些措施，往往对静态和动态性能的提高，具有互相制约作用，这对调速器的设计及调试带来一定的难度。

③滑阀副类型的调速器是借助于滑阀副节流边开度大小来实现控制，具有较大的节流损失，能量利用只有2/3左右。为避免调速器油温升高过快，调速器的油源系统容量必须加大，故造成压油装置及集油箱体积庞大。

④现有调速器动态甩负荷很难实现快速无超调过程，调节次数多，过渡过程时间长，这种不良性能更会造成调速器耗油增加，压油装置容量加大。

在液压控制控制领域中还存在另一种调速控制方式，就是由油泵直接控制油缸的控制方式，称为泵控缸容积控制系统。它与前者相比最明显的优点是它不存在滑阀副结构的节流损失，具有明显的节能效果。

水轮机调速器按这种方式来控制，则主接力器的开度，直接由油泵输出排量的积分值所控制。对于定排量的容积泵而言，为达到这个目的，油泵转速必须可变。随着电机调速控制技术的发展和进步，实现油泵转速可变，输出排量可控有了可能。当今变频调速电机和交流伺服电机都是可实现调速的两类可选择的电机型式，变频调速电机尽管控制功率可作得很大，足以覆盖调速器所需求的控制功率的范围，但由于系统的频率响应特性不佳，难以胜任调速器的要求，不适宜作调速器的控制电机。交流伺服电机的频率响应高，非常适宜于调速器的控制电机，但由于控制功率偏小，同时稍大功率的伺服电机成本较高，用户难以接受，因此它的使用范围也受到一定限制。

观察调速器实际运行情况可知，在调速器投运的绝大部分时间里，它均对小偏差信号实施控制，以达到水轮发电机组对电网频率跟踪和功率微调，仅在机组启停及大幅度增减负荷时，调速器才会出现这种大偏差信号的调节，次数少，时间短暂。现把偏差信号大小不等的两种运行状态分别由两个控制系统来承担，主控制系统承担小偏差信号长期、连续和精确控制，而副控制系统承担大偏差信号的断续、快速控制，这种设计方案是完全有可能实现的。两个控制系统配备不同的器件，发挥各自的优势，完成不同的调节任务，做到物尽其用，达到最高的性价比。这就是研发双泵容积式调速的主要原因。

发明内容：

本发明专利就是综合目前技术发展现状而提出的一种调速器，它是以油泵控制主接力器的容积控制原理构成的，采用二台容量不等的容积式油泵组成调速器主、副控制系统，油泵既是系统的控制器件，又是向系统提供动力的组件。主控制系统由交流伺服电机，双向可逆旋转齿轮泵或其他类型的容积泵，双向液控单向阀、补液阀及溢流阀等组成。它的调速精度高，但调速功率有限。因此主控制系统仅承担调速器长长期、连续小偏差信号精确控制。副控制系统由普通三相交流电机，单向旋转齿轮油泵或其他类型的容积油泵，三位四通插装阀组件构成的液动阀、溢流阀、单向阀及蓄压器等组成。该系统控制功率大，但控制精度不高，因此它承担调速器大偏差信号断续、快速控制。

当输入偏差信号较小时，仅主控制系统投入工作。因主控制系统由交流伺服电机控制，它的控制精度高、控制响应快，调速器控制死区小、静态性能指标较为理想。同时在小偏差信号控制时所需的控制功率小，刚好与交流伺服电机的输出功率相匹配，物尽其用，使得交流伺服电机的优点得以充分发挥。

当输入偏差信号大到一定程度，此时主、副控制系统同时投入工作，由于副控制系统控制功率大，油泵输出排量大，主接力器迅速移动，使输入偏差信号急剧减小，实现快速调节。此时系统又回到小偏差信号控制阶段，副控制系统停止工作，最终由主控制系统把主接力器控制到应有的精确位置上，使偏差信号为0，实现了快速与精确的控制，这就是双泵式容积式调速器的优点。

副控制系统投入工作的偏差信号阀值大小是可变的。对于不同类型和规格的水轮机组，其值都是不同的，可根据现场调试而定。

本发明专利的有益效果是：

1.无结构复杂、加工精度高的引导阀和主配压阀，使调速器结构简化，加工方便，成本降低。

2.由于采用油泵直接控制主接力器的容积控制原理，具有明显的节能效果，使得调速器的功耗大大减少。从而大幅度减少调速器压油装置和集油箱的容积，使调速器的体积和重量能成倍下降；

3.由于主副控制系统相互配合，相得益彰，使整个调速器的静态、动态性能得到改善和提高，能实现类似智能化的控制。

附图说明：

下面结合附图对本发明专利进一步说明

图为双泵式容积式水轮机调速器系统原理图

图中1驱动器                              19联轴器

2交流伺服电机                            20单向旋转齿轮油泵或其他类型容积式油泵

3联轴器                                  21溢流阀

4双向旋转齿轮油泵或其他类型容积式油泵    22位移传感器

5补油阀                                  23指令控制箱

6双向液控单向阀                          24电气控制箱

7主接力器                                25管路

8压力表                                  26管路

9溢流阀                                  27管路

10压力表                                 28管路

11溢流阀                                 29管路

12蓄压                                   30导线

13单向阀                                 31导线

14液动阀                                 32导线

15三位四通电磁阀                         33导线

16压力表                                 34导线

17压力继电器                             35导线

18三相交流电动机                         36导线

具体实施方式：

参照附图。

主控制系统：交流伺服电机(2)由驱动器(1)所控制，它借助于联轴器(3)与双向旋转齿轮油泵(4)同轴连接。油泵(4)两侧的A、B油口根据油泵的旋转方向互为进出油口。在油口A和油口B之间，以叠加阀结构连接型式分别连接补油阀(5)和双向液控单向阀(6)。双向液压单向阀(6)的A口和B口分别用油管路(25)和(26)与主接力器(7)相连接。油管路(25)与压力表(8)和溢流阀(9)相连接，油管路(26)与压力表(10)和溢流阀(11)相连接。

副控制系统：三相交流电机(18)借助于联轴器(19)与单向旋转齿轮油泵(20)相连接，油泵(20)的出口与压力表(16)、溢流阀(21)及单向阀(13)相连。单向阀(13)的出口与蓄压器(12)相连接，同时蓄压器(12)又与三位四通电液阀相连。该阀是由4个插装阀插件构成的液动阀(14)和三位四通电磁阀(15)组成。液动阀(14)和三位四通电磁阀(15)的P口与蓄压器的出口，用油管路(29)相连接。液动阀(14)的A口和B口分别用油管路(27)和(28)与主接力器相连接。

主接力器(7)为双出轴平衡式油缸，它的一个输出端连接位移传感器(22)，位移传感器的输出信号用导线(34)送入微机控制的电气控制柜(24)。它的另一个输出端与由行程开关组成的指令控制箱(23)相连，并用导线(35)与电气控制柜(24)相连接。与电气控制柜(24)相连的电气信号线还有三位四通电磁阀(15)的二组电磁铁线圈控制线(31)和(32)，交流伺服电机驱动器(1)的控制线(36)、压力继电器(17)控制线(30)及三相交流电机(18)的控制线(33)。

工作原理：

当水轮发电机组的频率与电网频率相同时，调速器输入的偏差信号为0，主接力器开度不变，水轮机发出的功率与负载达到平衡。一旦平衡破坏便会产生偏差信号，当偏差信号大于调速器死区所对应的阀值，在调速器的控制下，主接力器动作，改变水轮机的开度，调节水轮机的功率输出，以求得与外界负载相平衡。

当偏差信号较少时(即大于调速器死区，而小于副控制系统动作所对应的阀值时)，主控制系统投入运行，交流伺服电机的驱动器(1)不断接受电气控制柜(24)的控制指令信号，驱动交流伺服电机(2)旋转，其旋转方向与增减水轮发电机组输出功率相对应，其旋转转速的大小与偏差信号大小有关，并按一定的调节规律实施控制。由交流伺服电机(2)驱动双向旋转齿轮油泵(4)旋转，并输出流量，通过双向液控单向阀(6)推动主接力器(7)。双向液控单向阀的作用是确保主接力器的正确工作位置，防止主接力器在外界负载作用下发生漂移。此外，由于主接力器正反行程存在一定的容积差和负载泄漏，故在系统中设置了补油阀(5)进行流量补偿。为防止主接力器敲缸，造成油泵(2)输出压力过高和过载，损坏系统，在主接力器(7)的两侧均设置溢流阀(9)和(11)，起溢流保护作用，设置压力表(8)和(10)起显示和监控作用。主接力器(7)为双出轴平衡式油缸，它的一端与位移传感器(22)相连接，通过位移传感器(22)检测主接力器(7)的位移，以电信号形式馈送给电气控制柜(24)，实现位置反馈。其另一端与行程开关组件(23)相连接，行程开关设置位置是根据水轮机组监控和保护等要求而决定。

由于主控制系统的驱动功率有限，它所驱动的双向旋转的齿轮油泵(4)的容量较小，纠偏能力较小，它只能对小偏差信号实施控制。对于突增减负荷时，单靠它就会显得调节过程过于缓慢，不能达到应有的调节性能指标，引入副控制系统的原因便在于此。

副控制系统为实施主接力器(7)正向或反向推动，由三位四通电磁阀(15)和四个插装阀插件构成的液动阀(14)组成的三位四通电液阀来承担。具体实施是通过三位四通电磁阀(15)的二个电磁铁线圈那个通电来决定。当偏差信号大于副控制系统投入运行的阀值时，副控制系统才投入运行。该阀值是通过现场调试来决定。阀值设定得合适，能使调速系统实现快速无超调控制，不仅调节过渡时间短，控制精度高，实现了类似智能化控制。

本系统采用了容积控制方式，实施了快速无超调控制；又采用流动阻力较少的插装阀元件，使得控制过程的能量的消耗大大减少，具有明显节能效果，从而使整个调速器的油压装置和集油箱体积和重量能成倍成倍地减少，这也是本发明专利的主要优点之一。

Claims (3)

1.一种双泵式容积式水轮机调速器，其特征在于：它是以油泵直接控制主接力器的容积控制原理构成的，它采用二台容量不等的齿轮油泵或其他类型容积式油泵分别组成调速器的主、副控制系统；主控制系统由交流伺服电机(2)、双向旋转齿轮油泵或其它类型容积式油泵(4)、双向液控单向阀(6)、补液阀(5)、溢流阀(9)、溢流阀(11)所组成；受驱动器(1)所控制的伺服电机(2)通过联轴器(3)与双向旋转齿轮油泵或者其他类型的容积式油泵(4)相连接，补液阀(5)和双向液控单向阀(6)以叠加阀结构安装形式与双向旋转齿轮油泵或其他类型的容积式油泵(4)相连接，双向液控单向阀(6)的A口和B口为主控制系统的输入口和输出口，并用管路(25)和(26)与主接力器(7)的开侧口和关侧口相连接；由于主控制系统的油泵(4)具有双向旋转功能，因此主控制系统的输入口和输出口与主接力器(7)的开侧口和关侧口的沟通随着油泵旋转方向不同而互变；由于它调速精度高、调速功有限，适宜承担调速器长期连续、小偏差信号的精确控制；副控制系统由三相交流电动机(18)、单向旋转齿轮油泵或者其他类型的容积式油泵(20)、液动阀(14)、三位四通电磁阀(15)、压力表(16)、溢流阀(21)、单向阀(13)、蓄压器(12)、压力继电器(17)组成；三相交流电动机(18)通过联轴器(19)与单向旋转的齿轮油泵或者其他类型的容积式油泵(20)相连接，在油泵(20)出口端与溢流阀(21)、压力表(16)、单向阀(13)的一端相连接，单向阀(13)的另一端与蓄压器(12)、三位四通电磁阀(15)的P口、液动阀(14)的P口相连接，油泵(20)的吸入端插入集油箱，直接从集油箱吸油，液动阀(14)的A口和B口为副控制系统输入口和输出口，用管路(27)和(28)与主接力器(7)的开侧口和关侧口相连接；由于它的调速功较大，但控制精度不及主控制系统，因此它承担调速器短期、断续、大偏差信号的快速控制。

2.如权利要求1.所述的双泵式容积式水轮机调速器，其特征在于：主、副控制系统均受由微型计算机构成的电气控制柜所控制，主控制系统中的伺服电机驱动器(1)、副控制系统中的压力继电器(17)、三位四通电磁阀(15)的二个电磁铁线圈、驱动单向旋转油泵(20)的三相交流电动机(18)、主接力器(7)的位移传感器(22)、主接力器(7)的行程开关组件(23)分别用导线(30)、(31)、(32)、(33)、(34)、(35)、(36)与电气控制箱(24)相连接。

3.如权利要求1.所述的双泵式容积式水轮机调速器，其特征在于：它所驱动的主接力器(7)为双出轴平衡式油缸，它的一个伸出轴端安装位移传感器(21)，而另一个伸出轴端安装行程开关组件(23)。

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