摘要：調速器是水電廠參與控制調節(jié)的重要設備，關系到機組的性能和安全穩(wěn)定性。其核心控制元件包括控制器和電液轉換元件，控制元件的選擇和使用應結合機組結構、使用要求、控制原理、特點等進行，在“可靠性、靈敏性、穩(wěn)定性”的基礎上還應考慮水電站發(fā)展的需要，包括建設智能化、數(shù)字化水電站，滿足和適應當前技術及發(fā)展的需要，本文主要介紹了多種類型控制器和電液轉換元件的原理、特點、性能分析比較、應用等，為選擇和使用水輪機調速器控制元件提供一定的借鑒，保證水電站的安全、穩(wěn)定、可靠、經濟運行。

　　關鍵詞：水輪機調速器 控制元件 性能分析

　　1．前言

　　水輪機調速器發(fā)展迅速，產品結構種類較多，其核心控制元件主要是控制器和電液轉換元件?？刂破魇褂幂^多的有單片機、工業(yè)控制計算機（IPC）、可編程控制器(PLC)、可編程計算機控制器（PCC），電液轉換元件包括伺服比例閥、步進電機、數(shù)字閥、電液轉換器等。它們之間的不同組合，使水輪機調速器控制元件出現(xiàn)了多種結構模式，選擇和使用不當往往產生很多問題而影響機組的性能和正常運行，部分機組多次改造調速器，造成了資金的浪費，產生不利的影響，因此，正確選擇調速器控制元件非常重要。在控制元件原理、特點、應用情況、性能分析比較等多方面加以說明，從而選擇和使用可靠、穩(wěn)定、適用的調速器控制元件。

　　2．控制器部分

　　水輪機調速器控制元件控制器有單片機、工業(yè)控制計算機（IPC）、可編程控制器（PLC）、可編程計算機控制器（PCC）幾大類。其中單片機構成的控制系統(tǒng)由于可靠性差、故障率高等多方面原因已趨于淘汰，在此僅作簡單介紹。

　　2．1單片機

　　單片機是調速器控制元件的早期產品，根據(jù)調速系統(tǒng)任務需要選擇8051、8086、8096等微控制器（MCU）為硬件基礎來設計線路板構成控制器。由于缺乏專業(yè)的抗干擾設計、生產工藝差、元器件篩選過程不夠嚴格等多方面原因造成可靠性低、抗干擾能力差、故障率高等缺陷，已逐步退出市場，現(xiàn)已趨于淘汰。

　　2．2工業(yè)控制計算機（IPC）

　　2.2.1工業(yè)控制計算機定義

　　工業(yè)控制計算機簡稱工控機（IPC）是對個人計算機的板路、內存以及機箱等進行專門電磁兼容、工業(yè)應用等進行設計、制造，能應用于工業(yè)控制環(huán)境的計算機。

　　2.2.2工業(yè)控制計算機的特點

　　工控機的運算速度高，存儲容量大；程序移植性強；能實現(xiàn)多任務并發(fā)；有較好的編程方式、網(wǎng)絡通信、人機界面等。但由于硬件設計還是基于個人計算機（PC）的總線結構，而且軟件平臺必須基于windows或linux等操作系統(tǒng)上，因此其可靠性還是比完全針對工業(yè)現(xiàn)場設計的控制器少一個數(shù)量級。

　　2.2.3工業(yè)控制計算機的應用

　　工控機在調速器靜特性、空載擺動、接力器不動時間等試驗中有較好的性能，在水電站調速器控制系統(tǒng)中有一定應用，但因可靠性問題對發(fā)展形成一定制約。

　　2．3可編程控制器（PLC）

　　2.3.1可編程控制器的定義

　　可編程控制器（PLC）是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。采用可以編制程序的存儲器，用來在內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的設備或生產過程。

　　2.3.2可編程控制器的特點

　　PLC按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體、易于擴展其功能的原則而設計；采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術和嚴格的生產工藝制造，內部采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性；其硬件配套齊全，具有豐富的I/O接口模塊，功能完善，適用性強；維護方便、容易修改；有較強的網(wǎng)絡功能和高級應用功能。

　　2.3.3可編程控制器的應用

　　PLC的高可靠性已得到廣泛的驗證，其控制方式、控制速度、高級功能等可較好的應用于水電廠調速器控制系統(tǒng)中，以其優(yōu)異的性能立即成為調速器控制元件的主流方向，廣泛應用于各種類型和容量的水電站調速器控制系統(tǒng)中。

　　2．4可編程計算機控制器（PCC）

　　2.4.1可編程計算機控制器定義

　　可編程計算機控制器（PCC）是可編程控制器的標準控制功能和工業(yè)計算機的分時多任務操作系統(tǒng)功能的集成。

　　2.4.2可編程計算機控制器的特點

　　PCC具有分時多任務操作系統(tǒng)；可采用高級語言編寫復雜的程序；軟硬件獨特新穎的插拔式模塊結構使系統(tǒng)具有靈活多樣的擴展和組合；高速計數(shù)模塊有很高的測頻精度和可靠性；CPU運行效率高，存儲器容量大。

　　2.4.3可編程計算機控制器的應用

　　PCC的特點為水輪機調速器控制系統(tǒng)提供了強有力的保證，近年可編程計算機控制器在水輪機調速器控制系統(tǒng)中逐步的得到擴大和發(fā)展，具有很好的增長空間。

　　2．5可編程控制器（PLC）、可編程計算機控制器（PCC）與工業(yè)控制計算機（IPC）的性能分析

　　表一控制器對比表

　　表一為控制器在特點、技術性能、可靠性、應用等方面的比較。

　　2.5.1.在運算速度和存儲容量方面，工業(yè)控制計算機（IPC）的性能優(yōu)于可編程控制器（PLC）和可編程計算機控制器（PCC）。

　　2.5.2工業(yè)控制計算機系統(tǒng)全部或部分采用國內設計、生產的部件，由于硬件設計能力和工藝的限制，可靠性較差。可編程控制器和可編程計算機控制器在可靠性方面要優(yōu)于工業(yè)控制計算機，并且通用性也優(yōu)于工業(yè)控制計算機。

　　2.5.3工業(yè)控制計算機的價格低于可編程控制器和可編程計算機控制器。

　　2.5.4在編程方式、網(wǎng)絡通信、人機界面等方面，可編程控制器、可編程計算機控制器與工業(yè)控制計算機的性能沒有明顯的差別。

　　2.5.5可編程控制器、可編程計算機控制器是專門為解決工業(yè)現(xiàn)場惡劣環(huán)境而生產的工業(yè)控制設備，其高可靠性已得到廣泛的驗證。

　　2.5.6實際運行經驗表明，可編程微機控制器與可編程計算機控制器已成為比工業(yè)控制計算機更加可靠的控制元件。

　　2.5.7現(xiàn)在，以可編程控制器和可編程計算機控制器為核心控制元件的調速器在國內已占據(jù)主流地位，許多電站都將過去的工業(yè)控制計算機為核心控制元件的調速器改造為采用這兩者為核心的調速器。應用于水輪機調速器后，以其高可靠性、穩(wěn)定性立即成為調速器控制元件應用的主流方向。目前出現(xiàn)的各種調速器控制系統(tǒng)還沒有比可編程控制器、可編程計算機控制器可靠性更高的，因此宜優(yōu)先選用這兩個作為水輪機調速器的控制元件。

　　3．電液轉換元件

　　水輪機調速器控制元件依據(jù)電液轉換方式分為電液轉換器、步進電機、伺服比例閥、數(shù)字閥幾種，其中電液轉換器已基本為市場淘汰。

　　3．1伺服比例閥

　　3.1.1伺服比例閥定義

　　伺服比例閥是將輸入的電信號轉變?yōu)榱髁枯敵鲂盘柕碾姶砰y。

　　3.1.2伺服比例閥的特點

　　伺服比例閥結合了伺服閥和比例閥的優(yōu)點，既有伺服閥的高精度和高響應性，又有比例閥的電磁操作力大、抗油污能力較強及“復中”特性。伺服比例閥也存在控制器模擬電路產生的溫飄和零飄使得控制系統(tǒng)易受溫度變化的影響；本身的非線性因素如死區(qū)、滯環(huán)等難以實現(xiàn)徹底補償；電磁鐵和力矩馬達存在著固有的磁泄現(xiàn)象，導致閥的外控制特性表現(xiàn)出2%-8%的滯環(huán)。

　　3.1.3伺服比例閥的應用

　　伺服比例閥在各種類型的水輪機調速器控制系統(tǒng)中應用廣泛。

　　3．2步進電機

　　3.2.1步進電機定義

　　步進電機每輸入一個脈沖信號，就轉過一定的角度，是一種把脈沖變?yōu)槲灰频膱?zhí)行元件。

　　3.2.2步進電機的特點

　　步進電機按步進的方式工作，沒有積累誤差，具用重復精度高及無滯環(huán)的優(yōu)點；可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。

　　3.2.3步進電機應用

　　步進電機是將控制輸出的綜合電氣信號轉換成具有一定操作力和位移量的機械位移信號，從而驅動液壓放大系統(tǒng)，完成對水輪發(fā)電機組的調節(jié)。但使用步進電機的調速器必須保留有引導閥和主配結構，造成水輪機調速器的結構復雜，加工件多，不具有良好的通用互換性。步進電機的水輪機調速器控制系統(tǒng)較多應用于大中型混流式、軸流式、貫流式水輪發(fā)電機組。

　　3．3數(shù)字閥

　　3.3.1數(shù)字閥定義

　　數(shù)字閥的工作狀態(tài)只有通、斷兩種，也即相當于數(shù)字電路的高電平、低電平兩個狀態(tài)（即1、0），故稱為數(shù)字閥。

　　3.3.2數(shù)字閥的特點

　　由于數(shù)字閥只有通、斷兩個狀態(tài)，數(shù)字閥與控制系統(tǒng)的接口簡單；密封較好，在高油壓下無泄漏；當測頻信號消失及斷電等情況下，具有故障鎖錠的功能。

　　3.3.3數(shù)字閥的應用

　　數(shù)字閥的調速器控制元件可很好的適應不同容積的接力器，避免了大型機組接力器容積與調速器主油管通徑不匹配時造成的過調和欠調，實現(xiàn)了精確調節(jié)。數(shù)字閥應用于水輪機微機調速器，能實現(xiàn)整個系統(tǒng)的數(shù)字化，構成全數(shù)字式調速器，應用前景十分廣闊。但由于流量、壓力脈動等因素的限制，數(shù)字閥在大型調速器上的應用受到一定的限制，目前僅能應用于操作功不大的非雙調機組的調節(jié)控制。

　　3．4伺服比列閥、步進電機、數(shù)字閥性能分析

　　伺服比列閥是間接數(shù)字控制系統(tǒng)，采用4～20mA、0～5V、-10～10V的線性電流、電壓作為驅動信號，控制器必須通過D/A轉換環(huán)節(jié)，以模擬量接口實現(xiàn)控制，伺服比例閥調速器是一個典型的間接控制方式的數(shù)字式液壓控制系統(tǒng)，通過D/A接口實現(xiàn)數(shù)字控制，傳統(tǒng)的各類伺服閥、比例閥也都屬于這類。伺服比列閥存在如下缺點：（1）由于控制器中存在著模擬電路，易產生溫飄和零飄，系統(tǒng)易受溫度變化的影響，使得控制器對伺服比列閥本身的非線性因素如死區(qū)等難以實現(xiàn)徹底補償。（2）用于驅動比例閥和伺服閥的比例電磁鐵和力矩馬達存在著固有的磁泄現(xiàn)象，導致閥的外控制特性表現(xiàn)出2%-8%的滯環(huán)，采用閥芯位置檢測和反饋等閉環(huán)控制的方法可以基本消除比例閥的滯環(huán)，但卻使閥的造價大大增加，結構復雜，可靠性降低。（3）由于結構特點所決定，電磁鐵的磁路一般只能由整體式磁性材料構成，在高頻信號作用下，由鐵損引起的溫升較為嚴重。

　　步進電機和數(shù)字閥均是直接數(shù)字控制的電液轉換元件，步進電機按步進的方式工作，沒有積累誤差，具用重復精度高、無滯環(huán)的優(yōu)點；可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，達到準確定位的目的；通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，達到調速的目的。但是，步進式調速器必須保留有引導閥和主配結構，造成步進式調速器的結構復雜，加工件多，不具有良好的通用互換性。相較而言，數(shù)字閥與控制系統(tǒng)的接口更簡單，且不需要中間環(huán)節(jié)就能構成直接數(shù)字控制系統(tǒng)，應用前景廣闊，將數(shù)字閥應用于水輪機微機調速器，能實現(xiàn)整個系統(tǒng)的數(shù)字化，構成全數(shù)字式調速器。但由于流量、壓力脈動等因素的限制，數(shù)字閥在大型調速器上的應用范圍受到一定的限制，目前僅能應用于操作功不大的非雙調機組的調節(jié)控制。

　　表二電液轉換元件比較表

　　表二為電液轉換元件在特點、技術性能、可靠性、應用等方面的比較，由表二及以上所述，基于直接數(shù)字控制的調速器控制系統(tǒng)優(yōu)于間接數(shù)字控制的調速器控制系統(tǒng)，中小型調速器選用數(shù)字閥較為適宜，大型調速器宜選用步進電機和伺服比列閥。

　　4．結束語

　　電力系統(tǒng)對不同水電站有不同要求，例如基荷、腰荷、調頻、調峰、事故備用或幾項組合，每個電站機組的實際情況不一樣，如機組結構、監(jiān)控信號、頻率、水頭、操作要求等，這些都對調速器控制元件的要求不同。必須清楚控制元件的控制原理、特點、應用情況等，并且在試驗和實際運行中對性能進行檢驗，包括靜特性、開機、停機、空載擺動、空載擾動、甩負荷等，試驗的各項數(shù)據(jù)需滿足國家標準要求。部分元件如步進電機在接力器不動時間、甩負荷數(shù)據(jù)等性能一般，也與機械液壓系統(tǒng)結構相關，但因特點突出、可靠性好等仍得到廣泛應用。因此，需要從多方面進行水輪機調速器控制元件的選擇和使用，在滿足“可靠性、靈敏性、穩(wěn)定性”的基礎上考慮水電站發(fā)展的需要，包括建設智能化、數(shù)字化水電站，滿足和適應當前技術及發(fā)展的需要，保證水電站的安全、穩(wěn)定、可靠、經濟運行。

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