摘要：本文作者认为，电机控制类水轮机调速器综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动和新型机械结构等多方面的技术成果，可大幅度提高调速系统的可靠性，是水轮机调节行业的一次技术革命；同时，电机控制类电／机转换部件构成的系统已形成了具有我国自主知识产权的一类水轮机调速器，它不但具有我国特色，而且符合国情，已得到广泛推广和应用。

关键词：水轮机调速器；电机型电／机转换器；自动复中；自主知识产权

一、概述

水轮机调速器是一个集电气、机械液压一体化的控制设备，而其中用于连接电气控制信号和机械液压部分的电／液转换装置(或电／机转换装置)是水轮机调速器的关键部件之一。

传统的电液转换装置通常采用电气机械位移转换器(电液伺服阀)和电气流量转换器(电液伺服阀)，比较典型的产品有双锥式电液转换器、环喷式电液转换器、喷嘴挡板式电液伺服阀、电液比例阀及比例伺服阀等。它们均由电气／机械转换部件和一级或多级液压放大器组成，其共同特征都是采用小功率级液压放大机构作输出。该小功率级的液压放大机构对油质要求较高，当油质清洁度难以保证时，其故障率较高，在一定程度上影响电力安全生产。

用电机控制类水轮机调速器的电／机转换装置，就是为了解决长期困扰水轮机调速器液压系统的抗油污问题。它是一种采用电机驱动加机械传动部件组成的电／机转换部件，无需液压放大。不但发挥了电机技术的优势，同时彻底解决了油质清洁度要求较高的问题，在很大程度上提高了调速器的可靠性。目前，电机型电／机转换器采用的电机形式主要有直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机及摆动电机。

上世纪90年代中期，我国率先进行了将数控机床发展成熟的电机驱动技术移植到水轮机调速器的研制开发工作。武汉长江控制研究设备所、西安理工大学、宜昌能达公司及武汉三联等厂家，纷纷生产出了各具特色的用电机控制类的水轮机微机调速器，分别在湖北葛洲坝、河南故县及广西合面狮等数百座电厂成功投入运行。用电机控制的水轮机调速器，综合应用了电子计算机、数控、伺服电机驱动技术等多方面的技术成果，大幅度提高调速系统的可靠性，是水轮机调节行业的一次技术革命。目前，我国在电机控制类水轮机调速器方面获得授权专利就有十余项，如“采用伺服电机控制的水轮机调速器”(专利号：95237196.0)等。同时，用电机控制的电／机转换部件构成的系统已形成了具有我国自主知识产权的一类水轮机调速器，它不但技术先进、具有高可靠性，并且符合我国国情，使水轮机调速器制造业发展进入了一个新的历史阶段。

二、产生背景

数字控制机床是一种高效自动化机床，起源于上世纪50年代，发展迅速，技术成熟。数控机床中的进给伺服系统是一个位置控制系统，其定位精度一般可达到±0.02mm，主要由伺服电机、伺服驱动装置及机械传动部件组成。它的作用是：接受数控系统发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动电路作一定的转换和放大后，经伺服驱动装置(直流、交流伺服电机、电液脉冲马达、功率步进电机、电液伺服阀等)和机械传动机构，驱动机床走刀机构工作。然而，数控进给系统的伺服驱动装置所用的驱动电机，曾经历了步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机的进化过程，各阶段的技术十分成熟。每年有数百万台套的产量，伺服电机和驱动器都实现了大批量工业化生产。

由此可见，无论是步进电机、直流或交流伺服电机作为伺服驱动装置都是成熟的技术，将此技术移植到水轮机调速器作为连接电气信号控制和机械液压放大输出的电／机转换装置，其技术水平和质量亦是不容置疑的。鉴于这一指导思路，数控机床的伺服驱动装置中先进的、应用成熟的步进电机和伺服电机驱动就成为了调速器电／机转换部件的首选方案。

三、电机控制类水轮机调速器的构成

目前，我国生产的电机控制类水轮机调速器，基本属于“电子调节器 电机伺服装置 机械液压随动系统结构”和“电子调节器 电液随动系统结构的两种系统结构”。

1．电子调节器 电机伺服装置 机械液压随动系统结构

早期，大多采用的是电子调节器 电机伺服装置 机械液压随动系统结构，其系统结构框图如图1所示。

这类系统结构的调速器由三部分组成，即电子调节器或微机调节器、电机伺服装置和机械液压随动系统，其中，由电机驱动装置 机械传动部件(电／机转换装置)构成电机伺服装置。

这个方案的最大特点是在调速器中采用了无油结构的电机伺服驱动，彻底解决了油液污染问题，大幅度提高了调速器整机可靠性；由于自动控制与手动操作与驱动电机同轴，具有同一输出，这样很好地实现了手自动切换无条件无扰动问题。

对于机械反馈链较短，或布置在水轮机层靠近主接力器附近的“座式调速器”，该系统也是适应的，国外比较流行。当然，由于机械反馈的存在，尤其是反馈链较长或反馈链的刚度不够时，这一环节所存在的机械死区对调速器的静态指标有一定的影响。

2．电子调节器 电液随动系统结构

随着电机控制类调速器开发研究的不断深入，近几年来，研制出了具有复中元件基本特征的用电机驱动的电／机转换装置，可以直接取代传统的电液转换器。这类系统结构的调速器由电子调节器或微机调节器和电液随动系统两大部分组成。即电子调节器 电液随动系统结构，其系统结构框图如图2所示。

如图2可知，在自动调节时，由定位环节控制器稳定状态(静态)，S1使主配压阀处于中间位置(平衡位置)；当系统电源消失，由于传动机构具有纯机械自动复中定位功能(虚线内的电／机转换装置的工作方式与电液转换器完全相同)，因此，S1能保持或恢复在中间位置(平衡位置)。

显然，在第二种系统结构中，采用这种在位置环控制方式下工作的交流伺服电机和具有纯机械自动复中功能的传动机构所构成的电／机转换器，调速器的可靠性水平产生了质的飞跃，同时静态和动态指标均能满足或优于国家水轮机调速器技术标准的要求，在技术性能和指标上完全可以与电液转换器或电液比例阀(电液伺服阀)相媲美，但是，这种转换部件的抗油污能力和可靠性之高是电液转换器(包括电液伺服阀、电液比例阀)不能达到的。

四、电机控制类水轮机调速器共同关注的问题

1．速动性问题

近来，水轮机调节行业、水电设计院及调速器的最终用户对电机驱动的电／机转换的速动性问题十分关注。为说明这个问题，我们将对电机控制类水轮机调速器中用电机驱动的电／机转换器的频率响应特性进行探讨，并与公认速动性很好的电液转换器控制的调速器相比较。

在电／机转换器中，由于采用了多线大导程滚珠螺旋副实现将电机的旋转运动转换成直线位移，电机微机调节器的定位模块，根据PLD调节器输出Vy与主接力器反馈Va的差值，向交流伺服驱动器送出与此差值成比例的有方向的定位信号△V，交流电机同轴的旋转编码器将实际转角(位移)S1以脉冲数的形式送回驱动器，从而形成了一个内置小闭环(步进电机一般外带位置传感器)。在调速转102°即可使下一级引导阀走完全行程(约3mm)。若设置电机的转速为每秒走4圈，那么102°则需要0.07s，引导阀走完全行程亦是0.1s。而常规的电液转换器当输出达到最大值时(双锥式电液转换器为3mm左右)的历时一般为0.15～0.2s。

据此计算出电／机转换器输出运动的最大速度为：

Vmax=3mm／0.07s=42m／s；

而电液转换器输出运动的最大速度为：

Vmax=3mm／0.15s=20mm／s。

结果，电／机转换器大波动时运动速度较电液转换器快。

为了更进一步了解小信号时的速动性，可以实测频率相应特性，并与常规电液转换器相比较。

武汉长江控制设备研究所、长沙星特公司和武汉三联公司生产的双锥式、环喷式电液转换器都曾做过频率相应特性试验，其转折频率大多在3～4Hz，如图3所示。

笔者曾用做电液转换器频率特性类似的方法，对由LYll0—54直流伺服电机驱动的电／机液转换器的频率特性进行测试。当被测装置分别带2kg和20kg重物作负载时，该装置的转折频率分别为3.2Hz、2.9Hz。

图4、图5是上述两种负载下的频率特性曲线。

通过将伺服电机作为电液转换部件与电液转换器的频率特性进行比较和分析，从图4、图5所示频率特性曲线可见，由电机组成电／机转换器的动态特性参数与常用的电液转换器的动态特性参数都在同一数量级上，其速动性指标完全可以满足调速器控制的要求。

2．自复中问题

我们知道，在电机方案研制初期，普遍认为电机本身不具备复中部件的基本特征，因此，大多数电机控制类凋速器都足采用前述的电子调节器 电机伺服装置 机械液压随动系统结构，即中间接力器方案。由于电机作为电液转换部件在抗油污能力和可靠性方面有很大优越性，如果扩大应用到电液随动系统，就要求电／机转换器具有自动复中特性。用电机驱动的电／机转换器实现自复中，其技术难点主要是当电机驱动力矩为零时具有平衡位置或中间位置，并且这个位置是确定的、唯一的。经过多年努力，可以说很好地解决了电机驱动的电／机转换器的自复中问题。

用电机驱动的电／机转换器实现自复中的方式很多，主要是通过机械运动传递环节设置的复中弹簧和定位装置实现自复中，其原理基本相同，见图6。

当控制信号(机械或电气)使电机转换输出向下运动时，上限位板向下移动并复中弹簧自平衡位置产生压缩变形并储存能量。一旦控制信号消失，在弹簧力作用下，上限位板快速回到原平衡位置；当控制信号(机械或电气)使电机转换输出向上运动时，下限位板向—卜移动并复中弹簧自平衡位置产生压缩变形并储存能量。一旦控制信号消失，在弹簧力作用下，下限位板快速回到原平衡位置。测试结果，定位精度小于3mm。事实上，在液压行业中，具有中位机能的手动换向阀亦是采取此方式实现的，因此，这种方式的复中性能和定位精度是很成熟的，完全满足使用要求。

目前，不具备自复中特征的电机控制类水轮机调速器适用于中间接力器方案，具有自复中特征的电机控制类水轮机调速器适用于电液随动系统方案。由此可见，电机控制类水轮机调速器方案已经十分完善。

五、伺服电机控制的水轮机调速器的应用

自1998年～2002年期间，用直流伺服电机、步进电机和交流伺服电机控制的调速器分别通过国家监测中心的电站现场测试及通过行业产品鉴定。表1是一组经“电力部水电站水力设备质量检测中心”现场检测试验报告结果摘录。

近十多年来，电机控制类的调速器已在各种水轮机机型上得到成功应用，并迅速成为主导机型。据不完全统计，目前，该类型大型调速器已占市场份额的60％～70％。仅武汉长江控制设备研究所生产的此类型大中小型调速器就有300余台。

六、结语

微机技术的迅速发展，水电站的电力生产对控制系统高精度、快响应、高效率、多功能的要求，使得控制系统中信息的采集、处理即电／机转换的可靠性要求愈来愈高，局部故障率将可导致整个系统停止运行。因此，水轮机调速器系统的可靠性设计显得非常突出，就是说，高可靠性的电／机转换部件足必需的特征之一。

用电机控制类的水轮机调速器，综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动和新型机械结构等多方面的技术成果，是水轮机调节行业的一次技术革命。十余年来，用电机控制类水轮机调速器已获得授权专利十余项，同时，用电机控制的电／机转换部件已形成了具有我国自主知识产权的一类水轮机调速器，它不但具有我国特色并且符合我国国情，值得广泛推广和应用。

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来源：中国水能及电气化