基于数字开关比例阀的机械液压型水轮机调速器改造设计

　　水轮机液压调速器是水电站的重要控制设备，可分为机械液压型和电气液压型，其中，TT、YT系列机械液压型调速器投运数万台，现在仍有数千台在使用。随着电站控制的自动化水平提高，机械液压型调速器已完全不能适应电站控制需要；机械液压型调速器的大量生产使用始于20世纪50～60年代，到2000年左右已停产，当前甚至无法提供备品备件，这使得许多机械调速器设备完全手动运行或停止运行。大量的小水电站容量小，发电量少，经济效益差，希望提高自动化水平，减少人力成本。而调速器自动化程度高低是电站自动化的关键环节之一；调速器在小水电的设备成本中占有一定比例，机组越小，比重越大。有许多小电站业主希望用较低的成本将现有机械型的调速器改造为操作简单，性能可靠，并满足无人值班、少人值守的电站自动化控制需要的微机调速器。目前，国家投入资金对全国的小水电站进行改造；因此，针对机械液压型水轮机调速器特点，设计简单实用的方案，对其进行设计改造有重要意义。

　　1 液压系统改造

　　对机械液压型调速器的改造一般采用保留其油压系统、主接力器及主配压阀，去掉飞摆杠杆部分。考虑到兼顾TT型、XT型等多种型号调速器改造和实际施工及无杠杆化需要，本文的改造设计去掉了飞摆杠杆、主配压阀，保留其油压系统、主接力器和机械手动部分。

　　改机械液压调速器为微机调速器可有多种方案。其关键点在于电液转换方式的可靠性及对原设备的充分利用和低成本。

　　1.1 电液转换方式选择

　　（1）步进电机式：特点是便于数控，线性度好，抗油污性较好，但动态性能稍差，有停电不回中的问题。

　　（2）比例阀：特点是动态性能好，但对油质要求高，成本也相对偏高。

　　（3）数字开关阀：特点是抗油污性好，调节性能中。

　　大量的TT、YT系列机械液压型调速器运行于小水电站，电站维护能力差，而其原设备的滤油部件简单，本文综合数字开关阀和比例阀的特点，设计低成本且可靠的数字高速开关球阀＋比例液动阀的电液转换器。液压系统图见图1。

　　1.紧急停机阀2.电磁球阀13.电磁球阀24.逻辑阀5.液动阀

　　图1 基于数字开关比例阀的调速器液压控制系统

　　1.2 数字开关比例阀工作原理

　　（1）数字开关比例阀工作原理

　　以电磁球阀为先导阀，其输出控制液动阀，液动阀输出控制调速器接力器；电磁球阀的控制输入是可调PWM数字脉冲电压，球阀工作在开关调节状态，开关速度是数十毫秒级，达15000次/小时，改变球阀通断的占空比，即改变进入液动阀的油流量，改变液动阀阀芯位置，液动阀的阀芯的移动行程与进入的油量成比例，液动阀工作在比例状态，也就按比例控制进入接力器的油流量，实现数字开关比例控制，此系统最大优点是压降小，抗油液污染强，可靠性极高。兼备数字开关阀和比例阀的优点。