余振海
广东粤电青溪发电有限责任公司 广东大埔 514200
本文分析了步进电机在水轮机调速器上的使用情况及存在问题，分析了伺服电机的优点，并在调速器电气部分改造时将伺服电机及高精度反馈装置成功运用到水轮机调速器的电控柜中，解决了调速器改造前存在的问题，值得其它电厂在调速柜改造时借鉴。
关键词：步进电机；伺服电机；高精度反馈装置；青溪发电公司；调速器电控柜改造
1 概述
青溪发电公司四台机组调速器于2004年至2010年完成改造，将环喷型电液转换器逐步升级为步进型，解决了因油中有杂质导致电液转换器会卡塞的问题，性能在当时比较先进。
2 改造情况
随着服役时间临近10年，2017年起逐步出现元器件老化等现象，步进电机的小反馈装置及其驱动器、复中装置、触摸屏等故障频次增多，且PLC模块已经停产，备品备件难以采购，已经不能满足机组安全稳定运行的要求。
为此，公司决定对调速器电控柜进行改造，并专门组织人员对改造方案进行了研究和讨论。意识到步进电机作为位移转换装置需要主配位移反馈，而该小反馈容易变位，但伺服电机内置多圈编码器不再需要位移反馈，可以减少故障概率，决定采用伺服电机等先进技术对机组调速器电控柜进行改造。
改造后解决了小反馈变位、驱动器故障、复中装置飘移、触摸屏黑屏等问题，取得了预期效果。
3 伺服型水轮机调速器
（1）改造后调速器柜的电控柜由德国西门子S7-1500系列可编程控制器及其扩展I/O模块、彩色液晶触摸屏、信号隔离器、测频接口模块、伺服电机驱动器、导叶桨叶反馈装置（安培德的高精度拉线反馈装置）及电源模块组成。
（2）具有频率调节（空载及并网）、功率调节（并网）和开度调节（并网）三种调节方式，由可编程控制器根据当前工况自动实现无扰转换，调节方式切换时，接力器的行程变化不超过±1%；
（3）具有抗大扰动时的自适应最优参数控制规律，具有数字协联，能自动按水头选择协联曲线，实现水轮机导叶与桨叶的最优协联，具备一次调频功能满足电网的新要求。内置调试软件，可以自动完成试验、采集数据、计算结果。
（4）调速器机械部分主要由美国Moons伺服电机位移转换装置和自复中装置、引导阀和机械手操机构、主配及紧停电磁阀和导叶桨叶接力器组成。
3.1调速器改造所用主要设备情况
（1）PLC
调速器的控制核心选用德国西门子S7-1500系列PLC，是西门子最新开发的中型PLC，主要特点有：有高速测量计数功能。用于测量、计数及定位输入的模块最高信号频率为1MHz，PLC本体可完成频率信号的测量。测频精度完全超过一次调频和参数建模所需的调速器频率精度。
（2）Moons 34HD伺服电机
电—机位移的转换选用Moons 34HD伺服电机，优点有：
1）高精度闭环控制：伺服电机内置多圈编码器，每圈的精度为1/10000，不再需要主配位移反馈，提高了可靠性和控制精度，减少了故障概率速度响应快：
2）恒矩频区宽：伺服电机恒矩频区宽，额定转速高。
3）抑制低频振动性能好，速度过载能力强、转矩过载性能好。
（3）伺服电机位移转换装置
主要工作过程：
1）综合比较电气输入：机频网频以及其他调节输入信号、接力器的位置反馈信号；
2）电气输出：通过放大回路输出控制信号给伺服电机；
3）机械输入：伺服电机旋转带动相连的自复中装置丝杆产生相应运动；
4）转换1：引导阀直接与伺服电机相连，引导阀产生相应运动；
5）转换2：通过液压放大使主配活塞产生对应运动；
6）机械输出：主配活塞的运动引起接力器随之向开或关的方向运动，直到机频、网频与接力器位置反馈达到动态平衡。
伺服电机驱动力矩大，因此伺服电机的电-机位移转换由纯机械传动来完成。
（4）自复中装置
1）伺服电机的轴与丝杆通过定位销相连结，能实现电气机械位移的转换，将伺服电机的转动输入变成丝杆的位移输出。
2）丝杆与联结套连接。
3）装置电源如果消失则联接套和引导阀立即回到中位,接力器的开度因此保持稳定不变，因此装置具有失电自动复中、回零位的性能。
4）自复中装置没有液压部分，丝杆运动摩擦阻力小、动作可靠，复中机构动作可靠，结构简单，不需维护，具有且复中精度高，无死区的特点，非常适合用于水轮机调速器。
（4）高精度反馈装置
导叶桨叶反馈采用安培德APD-GAX型的高精度拉线反馈装置。该拉线反馈装置抗震能力强，采用1.2mm 多股不锈钢丝绳，输出4-20mA信号，全程精度: 5‰
标定时需进入APD-GMX 文件包操作软件并启用编程模式。
3.2改造试验情况
2019年11月，完成二号机组调速器电控柜改造，改造后按照《水轮机控制系统试验》、《水轮机电液调节系统及装置调整试验导则》完成了调速器各项试验。试验情况如下：
（1）调速器静特性试验：转速死区i x =2.1 %%
（2）空载频率摆动试验：
3min调速器自动频率摆动值:
a、 最大频率：50.09 Hz 最小频率： 49.99 Hz 摆动值： 0.10Hz
b、 最大频率：50.07 Hz 最小频率： 49.96 Hz 摆动值： 0.11 Hz
c、 最大频率：50.08 Hz 最小频率： 49.9Hz 摆动值： 0.09 Hz
三次平均值： 0.1 Hz
结果：机组空载频率摆动最大偏差不超过±0.1Hz
（3）甩负荷试验
a、甩25%负荷：
最高频率： 55.29 Hz，最低频率：49.40 Hz
测得接力器不动时间Tq为 0.16 s ，不超过0.2s。
b、模拟线路甩50%负荷：
最高频率： 57.70 Hz，最低频率：49.20 Hz
证明线路甩负荷时机组调速器能及时正确转到空载运行。
C、甩100%负荷：
最高频率： 58.56 Hz，最低频率：48.11 Hz
测得机组频率上升最高值为 58.56 Hz ,
超过额定转速 3 % 的波峰次数为 2 次 ,
调节时间 16 s 。
（4）试验结论
调速器各项试验指标均符合调速器及油压装置有关国家标准。
3.3 改造出现问题及处理情况
（1）高精度反馈装置与信号隔离器不匹配，造成导叶开度漂移；经分析研究，厂家更换了信号隔离器后解决了问题。
（2）位移传感器拉线安装不垂直，影响测量精度和设备寿命，发现后重新安装纠正。
（3）连接桨叶操作机构和位移传感器拉线的旧钢丝绳扭结，旧钢丝绳扭结影响开度位移传感器的测量精度，发现后进行了更换纠正。
4 结论
伺服电机式的电-机位移转换装置、无油自复中装置以及高精度反馈装置在青溪发电公司二号机组调速器电控柜改造中取得成功。
新电控柜无需液压操作部分，结构简单，动作可靠，不需维护，非常适合用于水轮机调速器，具有优良的动态性能，得到了电厂运维管理人员的认可，值得大力推广使用。
作者： 余振海 1971年生，广东大埔人，电气工程师，从事电气技术和检修、维护管理