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1、 现代水轮机调速系统 机械液压专题 概 述 现代水轮机调速系统主要有以下部分组成: 微机调速器 油压装置 事故配压阀(或重锤关机) 分段关闭装置 主接力器 现代水轮机调速系统机械液压部分专题 一、调速器电液随动系统 二、油压装置 三、机组过速保护 四、典型调速器 五、高油压调速器 六、常见故障及故障处理 七、我国调速器机械液压部分的现状及发展趋势 八、其它: 常用阀类液压元件的结构 几点值得注意的问题 一、调速器电液随动系统 1-1 调速器电液随动系统的二种基本系统结构 1) 电子调节器型的电液随动系统 2) 中间接力器型机械液压随动系统 1-2 电液转换装置 1) 电液比例阀 2) 电液伺服
2、阀 3) 数字阀 4) 电机转换器 1-3 主配压阀 1) 位移型主配压阀 2) 流量型主配压阀 3)进口主配压阀 1-1 调速器电液随动系统的二种基本系统结构 国内外调速器的形式很多,种类也很繁杂,从 本上看调速器的组成、原理和功用基本上无大差 异。 现代国内外微机调速器大多属于下面的二种 系统结构: 1)一种是电子调节器电液随动系统(电 子调节器); 2)一种是电子调节器电机伺服装置机 械液压随动装置(中间接力器型)。 1)电子调节器电液随动系统(电子调节器型) 主要特点: 采用具有复中特性电液转换元件。 采用电气反馈,取消机械反馈 转速死区小 主要方式: 流量输出型 位移输出型 流量输出
3、型主要特点: 采用具有复中特性、流量输出型电液转换元件。 如电液比例阀、比例伺服阀、数字阀 或流量输 出电液转换器 。 控制流量输入型放大执行件或直接控制主接力器。 标准化程度高,易于集成。 1)电子调节器电液随动系统(电子调节器型) 1)电子调节器电液随动系统(电子调节器型) 流量输出类系统框图(比例阀、伺服阀、数字阀) 例1:比例阀控制的大型调速器液压系统 1)电子调节器电液随动系统(电子调节器型) 例2:比例阀控制的高油压调速器液压系统 1)电子调节器电液随动系统(电子调节器型) 例3:比例阀控制的高油压调速器液压系统 1)电子调节器电液随动系统(电子调节器型) 位移输出型主要特点: 采
4、用具有复中特性、位移输出型电液转换元件。 如交流伺服电机、直流伺服电机等。 控制位移输入型放大执行件。 无油结构,彻底规避油液污染问题,整机可靠 性得到大幅提高。 1)电子调节器电液随动系统(电子调节器型) 位移输出类系统框图(伺服电机控制) 1)电子调节器电液随动系统(电子调节器型) 例1:电机控制的大型调速器液压系统 1)电子调节器电液随动系统(电子调节器型) 2)电子调节器电机伺服装置机械液压随动装置 (中间接力器型) 主要特点: 电液转换元件采用直流伺服电机或交流伺服电 机构成电机伺服装置 导叶位置采用机械反馈(钢丝、钢带、杠杆) 无油结构,规避油质污染问题 耗油量小,减少了油泵启动次
5、数 主要方式: 位移输出 2)电子调节器电机伺服装置机械液压随动装置 (中间接力器型) 系统框图(伺服电机控制) 例1:带中间接力器的大型调速器液压系统(座式调速器) 2)电子调节器电机伺服装置机械液压随动装置 (中间接力器型) 例2:带中间接力器的大型调速器液压系统 2)电子调节器电机伺服装置机械液压随动装置 (中间接力器型) 例2:电机控制的小型调速器液压系统 2)电子调节器电机伺服装置机械液压随动装置 (中间接力器型) 1-2电液转换装置 电液转换装置的功能是将电子调节器微弱的电气 信号线性地转换成具有一定操作力的机械位移或转换 为具有一定压力的流量输出。 电液转换装置是调速器电气部分与
6、机械液压部 分的接合体是电液随动系统十分重要的部件,对调 速器的可靠性及调节品质起着至关重大作用。 1-2电液转换装置 电液转换装置一般与主配压阀相接口: 与带引导阀的机械位移输入型主配压阀相配合,控制引导阀 。 与带辅助接力器的流量控制型主配压阀接口,控制辅助接力器 。 目前,调速器的电液转换部件大多以如下三种方式存在: A、电液转换器(包括双锥式、环喷式) B、电液比例阀(包括电液伺服阀、数字阀) C、电机转换器(包括步进电机、直流伺服电机、交流伺服 电机、摆线电机等) 1-2电液转换装置 -电液转换器 这里提到的电液转换器是指依赖调速器制造厂家研制生 产的专用电液转换元件,如早期的控制套
7、式电液转换器,八 十年代的双锥式、环喷式等电液转换器。双锥式、环喷式电 液转换器这两种伺服阀是从工作原理上和结构上保证没有卡 阻和失效的可能而沿用至今。 虽然,它们的共同之处对油质污染非常敏感,但至今可 以说仍然是一种响应性很好的电液转换元件。 由于,目前应用很少,略述。 1-2电液转换装置 -电液比例阀(包括电液伺服阀、数字阀 ) 特点: 液压工业成熟的电液转换控制元件。 具有较好的调节性能指标,完全满足水轮机调速系统 的调节要求。 抗油污能力比电液伺服阀强,滤油精度20m。 批量和规格化生产,避免了自制电液转换元件因小批 量加工工艺难度和加工设备引起的制造缺陷。 集成度和标准化程度高,机构
8、简单并且互换性好。 电液比例方向阀 电液比例控制阀是七十年代初人们为了解决液压控制系 统在工业环境中的应用,并克服伺服阀在工业应用中的一些 缺点,在伺服阀的基础上才发展起来的。 它是介于比例伺服阀和开关阀的控制元件,具有伺服阀 良好的工作性能和开关阀的抗油污能力。 除仍保留了中位死区,以减小中位(无信号状态时阀芯 的自然位置)泄漏,其稳态特性已与伺服阀不相上下,频宽 达1025Hz。 1-2电液转换装置 -电液比例阀(包括电液伺服阀、数字阀 ) 电液比例阀方向结构示意图 1-2电液转换装置 -电液比例阀、包括电液伺服阀、数字阀 ) 比例伺服阀 比例伺服阀,又称高频响比例阀,是比例技术与伺服技
9、术进一步结合的产物。它是在比例阀的基础上,将比例阀中 的比例电磁铁和伺服阀的阀芯+阀套加工技术有机结合起来 获得的。与比例阀相比,他最重要的特征就是当阀芯处于中 位时,阀口是零开口(发口的遮程几乎为零),这意味着比 例伺服阀的控制特性具有死区为零的特点。由于阀口的零开 口特性,故比例伺服阀在零位的线性好。 1-2电液转换装置 -电液比例阀、包括电液伺服阀、数字阀 ) 比例伺服阀结构示意图 1-2电液转换装置 -电液比例阀、包括电液伺服阀、数字阀 ) 数字阀 数字阀严格说,是用脉宽调制控制的高速开关阀,也称脉冲阀 。 并非一简单的开关信号,而是通常用计算机进行控制,利用来调整 单位时间内高(低)
10、电平所占的比例来控制阀的流量大小,进而控 制调速器接力器的线性工作,这一过程称之为断续工作的线性化。 通常采用座阀式电磁换向阀,也称为电磁换向球阀。采用钢球 与阀座的接触密封,所以避免了滑阀式换向阀的内部泄漏。座阀式 电磁换向阀在工作过程中受液流作用力影响小,不易产生径向卡紧 。 故动作可靠,且在高油压下也可正常使用;换向速度也比一般电磁 换向滑阀快。 1-2电液转换装置 -电液比例阀、包括电液伺服阀、数字阀 ) 数字阀结构 1-2电液转换装置 -电液比例阀、包括电液伺服阀、数字阀 ) 1-2电液转换装置 -电机转换器 电机转换器作为水轮机微机调速器转换元件的应用是在 20世纪九十年代初,是为
11、了解决长期困扰水轮机微机调速器 液压系统的抗油污问题应运而生的。它不但彻底规避了油液 污染,同时还发挥了控制电机技术的优势,可以说在很大程 度降低了调速器转换元件的故障率,提高了可靠性。是水轮 机微机调速器行业的一次成功的技术革命和巨大的技术成果 。 电/机转换器,它是采用伺服电机驱动装置+机械传动部 件的构成的电气机械转换部件。一般有步进电机、直流伺 服电机、交流伺服电机和摆动电机等,放大部分采用螺杆传 动。 电机伺服装置(本身不具备复中功能) 1-2电液转换装置 -电机转换器 具有自复中特性的电机转换器 1-2电液转换装置 -电机转换器 应用环境 -油质问题 水轮机形式 -常规机组和特殊机
12、组 操作力和输出流量 1-2电液转换装置 -选择与应用 1-3主配压阀 主配压阀是水轮机调速器专用的、不可缺少的 重要液压放大部件,亦是水轮机控制设备中体积较 大,加工精度较高的部件。 目前,主配压阀按其前置级的反馈方式不同有 二种结构。 一种是流量控制型主配压阀(流量输入); 一种是位移控制型主配压阀(位移输入)。 流量输入型的主配压阀的特点 前置级输入为流量的主配压阀,是将引导阀固定于中位, 以流量输入方式作用于辅助接力器的上腔(即控制腔),使辅 助接力器运动。而辅助接力器的运动,又通过引导阀衬套(引 导阀衬套与辅助接力器联为一体)产生一个与输入流量相反的 流量进入辅助接力器上腔构成内反馈
13、,当输入流量与反馈流量 相等时,辅助接力器停止运动,构成了一个液压内反馈的闭环 系统,具有主配自复中功能。 这是一个很有特点的结构形式,国内外好多厂家为了达到 这个目的,是靠在主配上加装位移传感器才得以实现主配的复 中的。与其接口的电液转换装置必须是电液比例阀、比例伺服 阀和数字阀等流量输出对它进行控制。 1-3主配压阀 -流量输入型 前置级为流量输入的主配压阀 1-3主配压阀 -流量输入型 前置级为流量输入的主配压阀 1-3主配压阀 -流量输入型 前置级输入为位移的主配压阀,是以机械位 移输入方式作用于引导阀针塞使之离开过流窗口 。引导阀针塞产生的输出流量控制辅助接力器的 运动,其输出通过引
14、导阀衬套(引导阀衬套与辅 助接力器联为一体)构成1:1的内反馈,当输入 流量与反馈流量相等时,辅助接力器停止运动。 很多伺服电机控制的调速器都是采用这种方 式,是一个机械位置反馈的闭环系统。 1-3主配压阀 -位移输入型 1-3主配压阀 -位移输入型 1-3主配压阀 -位移输入型 进口主配压阀(美国GE公司) 进口主配压阀(法国阿尔斯通) 主配压阀的选择原则 与调速器相配的外部管道中的设计流速一 般不超过5m/s; 计算调速器容量的油压,应按正常工作油 压的下限考虑; 选择的主配压阀的直径和最大窗口,应使 接力器最短关闭时间应满足机组提出的要 求,且主配压阀最大工作行程应合理。 主配压阀几个重
15、要参数 搭叠量:引导阀单边0.10.15毫米 活塞单边0.30.4毫米 配合间隙:0.020.03毫米 二、油压装置 油压装置是向水轮发电机的调速系统供给压力 油的能源设备,是调苏系统的重要组成部分。同时 也可作为进水阀的压力油源。油压装置的工作能力 是由压力容器的额定工作油压及总容积来标志。 油压装置主要包括回油箱、压力油罐、油泵 电机、阀组和测控元件。 油压装置系统构成 二、油压装置 油压装置主要包括回油箱、压力油罐、油泵 电机、阀组和测控元件。这里主要介绍 (1)压力容器 (2)油泵-电机 (3)组合组 (4)测控元件 (5)其它 各种压力整定值和油位的确定(供参考) 二、油压装置 二、油压装置 -压力油罐 压力油罐,是在有压力的条件下工作的一种容器。在 水轮机调速系统油压装置中,压力油罐使用的正常工 作压力等级,按型谱规定有2.5Mpa,4.0Mpa, 6.3Mpa三种规格。 它的工作介质是压缩空气和汽轮机透平油。 压力油罐为钢制容器,它主要由筒体,封头,法兰, 密封元件,开孔与接管及支座组成。其设计、制造、 试验、探伤、验收均按GB150钢制压力容器中的 要求进行,也可根据需要执行美国ASIM标准的。 罐体顶部和侧壁安装有安全阀及液位和压力的测量、 传感等自动化元件。 二、油压装置 -压力油罐 二、油压装置 -囊式