調(diào)速器的發(fā)展趨勢(shì)

1、調(diào)速器問(wèn)世百余年來(lái)， 服務(wù)于各廠站的同時(shí)自身也在不斷的發(fā)展、 更新。目前，總體來(lái)說(shuō)調(diào)速器的發(fā)展有三大趨勢(shì)：1、? 由常規(guī)油壓向高油壓發(fā)展。 液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)長(zhǎng)期以來(lái)一直被廣泛用作水輪機(jī)調(diào)速器這種重載伺 服控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它具有能容比大、慣性小、響應(yīng)快、功率放 大系數(shù)大、運(yùn)行平穩(wěn)、負(fù)載剛度大等特點(diǎn)。隨著液壓技術(shù)的發(fā)展，其 他許多采用液壓系統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域早已實(shí)現(xiàn)了高油壓化， 微機(jī)調(diào)速器也 有從常規(guī)油壓（、）向高油壓發(fā)展的趨勢(shì)。采用高油壓的調(diào)速器利于 實(shí)現(xiàn)小型化、集成化、標(biāo)準(zhǔn)化。2、? 機(jī)電轉(zhuǎn)換接口控制方式從間接數(shù)字控制向直接數(shù)字控制發(fā) 展。所謂間接數(shù)字控制是指微機(jī)控制信號(hào)通過(guò) D/A 轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)將數(shù)字

2、信 號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬量信號(hào)（如 0 10V、410mA等）后，再經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng) 電液伺服系統(tǒng)的控制方式。 該方式必須通過(guò) D/A 轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)， 將數(shù)字量 轉(zhuǎn)換為模擬量實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，其主要存在以下問(wèn)題：（ 1）由于控制 器存在模擬電路，易產(chǎn)生溫漂和零漂。 （2）多了 D/A 環(huán)節(jié), 降低了可 靠性。（ 2）閥的外控特性表現(xiàn)出滯環(huán)，消除滯環(huán)使閥的造價(jià)大大增 加，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性降低。（ 3）整體式磁性材料由于鐵損引起的 溫升嚴(yán)重。而直接數(shù)字控制不通過(guò) D/A 接口，微機(jī)控制信號(hào)直接以數(shù) 字開(kāi)關(guān)信號(hào)與電液伺服系統(tǒng)接口實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制， 消除了間接數(shù)字控制 存在的上述問(wèn)題，使整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單化，并實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)字化

3、，應(yīng) 用前景非常廣闊。3、? 整體制造及零配件從各廠家獨(dú)立制造向標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。 長(zhǎng)期以來(lái)，雖然各調(diào)速器生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的調(diào)速器規(guī)格基本一致， 但是調(diào)速器的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)、各零部件不盡相同，不僅給用戶帶來(lái) 檢修、維護(hù)不便，而且無(wú)法實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。水輪機(jī)調(diào)速器的分類方法較多， 按調(diào)節(jié)規(guī)律可分為 PI 和 PID 調(diào)速 器；按系統(tǒng)構(gòu)成分為機(jī)械式調(diào)速器（機(jī)械飛擺式）、電液式調(diào)速器及 微機(jī)調(diào)速器； 實(shí)際應(yīng)用中常用是以下幾種區(qū)分方式：1、按我國(guó)水輪機(jī)調(diào)速器國(guó)家型譜以及調(diào)速器行業(yè)規(guī)范， 調(diào)速器分 為：中、小型調(diào)速器；沖擊式調(diào)速器；大型調(diào)速器等。中、小型調(diào)速 器以調(diào)速功大小來(lái)區(qū)分，沖擊式調(diào)速器以噴針及折向器數(shù)目來(lái)區(qū)分

4、， 大型調(diào)速器以主配壓閥名義直徑來(lái)區(qū)分。調(diào)速器分類表小型調(diào)速器中型調(diào)速器大型調(diào)速器接力器調(diào)速功W<WW>2、微機(jī)調(diào)速器依據(jù)調(diào)節(jié)器（電氣部分）及機(jī)械液壓系統(tǒng)（機(jī)械部分）的不同形式，有以下區(qū)分：按調(diào)節(jié)器的硬件構(gòu)成有單片機(jī)、工控機(jī)、可編程控制器三大類調(diào) 節(jié)器。其中單片機(jī)、單版機(jī)構(gòu)成的調(diào)節(jié)器由于可靠性差、故障率高等 多方面原因，已趨于淘汰。 目前可編程控制器以其高度的可靠性成為 調(diào)節(jié)器構(gòu)成首選。機(jī)械液壓系統(tǒng)依據(jù)電液轉(zhuǎn)換電液轉(zhuǎn)換方式分為：電液轉(zhuǎn)換器類、 電機(jī)類、比例伺服閥類、數(shù)字閥類。其中電液轉(zhuǎn)換器類已基本為市場(chǎng) 淘汰，其他幾種均有不同廠家生產(chǎn)。3、按照調(diào)速器的適用機(jī)組類型分為： 沖擊式調(diào)速

5、器、 單調(diào)、雙調(diào)。 沖擊式調(diào)速器適用于沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組； 單調(diào)適用于無(wú)輪葉調(diào)節(jié)的 混流式、軸流定槳式等水輪發(fā)電機(jī)組； 雙調(diào)適用于有輪葉調(diào)節(jié)的軸流 轉(zhuǎn)槳式、燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組。微機(jī)調(diào)速器的調(diào)節(jié)器（電氣部分）如何選型？目前微機(jī)調(diào)速器的調(diào)節(jié)器硬件構(gòu)成有單片機(jī)、工控機(jī)、可編程控 制器三大類調(diào)節(jié)器。單片機(jī)、單板機(jī)是微機(jī)調(diào)速器早期的調(diào)節(jié)器產(chǎn)品，系各調(diào)速器廠 家根據(jù)調(diào)速系統(tǒng)任務(wù)需要， 選擇如 8051、8086、8096 等微控制器（MCU） 為硬件基礎(chǔ)，自行設(shè)計(jì)線路板構(gòu)成調(diào)節(jié)器。由于可靠性低、抗干擾能 力差等原因，故障率高。為提高調(diào)節(jié)器的可靠性，減少故障率，后提 出以雙機(jī)冗余方式構(gòu)成雙微機(jī)調(diào)節(jié)器，但

6、由于缺乏專業(yè)的抗干擾設(shè) 計(jì)，生產(chǎn)上又缺乏嚴(yán)格的元器件老化、 篩選過(guò)程以及嚴(yán)格的焊接工藝 保證等多方面原因， 未能根本解決可靠性問(wèn)題。 因此逐步退出了市場(chǎng)， 但由于成本低廉，依然有些廠家生產(chǎn)。后隨著基于 IPC（工業(yè)控制微機(jī)）和 PLC（可編程邏輯控制器）等 通用處理器平臺(tái)的不斷發(fā)展完善。 國(guó)內(nèi)迅速的將可靠性能高的 IPC 和 PLC等通用微機(jī)平臺(tái)應(yīng)用于水輪機(jī)調(diào)速器領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了調(diào)節(jié)器的硬件 可靠性的進(jìn)步，放棄了以單板機(jī)、單片機(jī)及基于 8098、8086 等的雙 微機(jī)作為主機(jī)硬件平臺(tái)的專用調(diào)節(jié)器之路。IPC（工業(yè)控制微機(jī)）是通過(guò)對(duì)個(gè)人計(jì)算機(jī)（ PC）的板路、內(nèi)存以 及機(jī)箱等進(jìn)行專門電磁兼容設(shè)計(jì)，

7、使它能應(yīng)用于環(huán)境惡劣的工業(yè)控制 環(huán)境的 PC。其特點(diǎn)是：程序移植性強(qiáng)；能實(shí)現(xiàn)多任務(wù)并發(fā)等。但由 于其硬件設(shè)計(jì)還是基于商用個(gè)人計(jì)算機(jī)（ PC）的總線結(jié)構(gòu)，而且軟件 平臺(tái)必須基于 windows 或 liux 等操作系統(tǒng)上，因此其可靠性還是比 完全針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)的 PLC（可編程邏輯控制器）少一個(gè)數(shù)量級(jí)。 正是由于這個(gè)原因， 近年各 IPC（工業(yè)控制微機(jī)） 廠家紛紛推出按 PLC 總線構(gòu)架的工業(yè)控制微機(jī)（ PCC）。與常規(guī) PLC相比較， PCC最大的 特點(diǎn)在于其類似于大型計(jì)算機(jī)的分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)， 支持多任務(wù)并 發(fā)處理。其可靠性到?jīng)]有很大提高。PLC（可編程邏輯控制器） 是專門為解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)

8、惡劣環(huán)境而誕生 的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)， 其高可靠性已得到廣泛的驗(yàn)證。 國(guó)內(nèi)將其應(yīng) 用于水輪機(jī)調(diào)速器后， 以其優(yōu)異的高可靠性能立即成為調(diào)速器的主流 方向。目前出現(xiàn)的各種調(diào)速器控制系統(tǒng)還沒(méi)有比 PLC可靠性更高的， 因此宜優(yōu)先選用 PLC作為調(diào)速器的調(diào)節(jié)控制核心。調(diào)節(jié)器應(yīng)選用雙微機(jī)系統(tǒng)還是單微機(jī)系統(tǒng)？由于調(diào)節(jié)器硬件平臺(tái)的演變，我國(guó)微機(jī)調(diào)速器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了 從單微機(jī)系統(tǒng)、雙微機(jī)系統(tǒng)到雙通道容錯(cuò)系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程。 一段時(shí)間， 基本上公認(rèn)雙通道容錯(cuò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可靠性較高、 容錯(cuò)能力較強(qiáng)。 但隨 著 PLC（可編程邏輯控制器）的微機(jī)調(diào)速器的問(wèn)世，由于計(jì)算機(jī)主機(jī) 系統(tǒng)的可靠性大幅度提高， 人們對(duì)雙微機(jī)系統(tǒng)的必

9、要性提出了質(zhì)疑？ 為了提高微機(jī)調(diào)速器的可靠性， 國(guó)內(nèi)不少?gòu)S家對(duì)微機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用 了冗余結(jié)構(gòu)。但是，從現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的狀況來(lái)看，其故障絕大部分來(lái)自微 機(jī)系統(tǒng)外部， 元器件特別是大規(guī)模集成電路的故障率畢竟很低， 而出 自軟件內(nèi)部的問(wèn)題，靠冗余無(wú)法解決；對(duì)于雙微機(jī)系統(tǒng)，多一個(gè)雙機(jī) 通訊和檢測(cè)切換電路， 多一個(gè)雙機(jī)切換時(shí)的負(fù)荷擾動(dòng)， 就會(huì)多一個(gè)故 障隱患和不可靠因素。從實(shí)際效果來(lái)看，雙機(jī)系統(tǒng)的硬 / 軟件結(jié)構(gòu)復(fù) 雜，可靠性不一定比單機(jī)系統(tǒng)高。而且從理論上講，結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單可靠 性越高，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可省掉雙機(jī)系統(tǒng)必需的一些通訊、 檢測(cè)和切換 組件，用戶以后的維護(hù)也更加方便。從國(guó)外的水輪機(jī)微機(jī)調(diào)節(jié)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)看，

10、既有單系統(tǒng)、也有雙 系統(tǒng)的。但國(guó)外一些著名的調(diào)速器制造公司， 如 Vioth 、ABB、WOODWARD 等，均采用了信號(hào)測(cè)量和調(diào)節(jié)處理完全分開(kāi)的設(shè)計(jì)思想，即采用多 CPU的結(jié)構(gòu)形式。所以可靠性的提高在于將任務(wù)進(jìn)行合理的劃分，而 不是任務(wù)的集中管理。 同時(shí)， 模塊化的硬件設(shè)計(jì)不僅容易得到可靠性 的保證，而且使得軟件的設(shè)計(jì)具有更大的靈活性和針對(duì)性。調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)隨電液轉(zhuǎn)換方式的不同，分為：電液轉(zhuǎn)換器 類、比例伺服閥類、數(shù)字閥類及電機(jī)類。其中電機(jī)類還分為步進(jìn)電機(jī) 和伺服電機(jī)兩類。水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器是一個(gè)典型的數(shù)字式液壓位置伺服系統(tǒng)，數(shù)字 式液壓位置伺服系統(tǒng)按電液轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)接口控制方式主要分為兩大類

11、： 間接數(shù)字控制和直接數(shù)字控制。間接數(shù)字控制是指電液伺服系統(tǒng)通過(guò) D/A 轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，以模擬量接 口實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。比例伺服閥采用 4 20mA的線性電流作為驅(qū)動(dòng)信 號(hào)，微機(jī)調(diào)節(jié)器必須通過(guò) D/A 轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，以模擬量接口實(shí)現(xiàn)控制，因 此比例伺服閥調(diào)速器是一個(gè)典型的間接控制方式的數(shù)字式液壓位置 伺服系統(tǒng)。傳統(tǒng)的各類伺服閥也都屬于這類伺服系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在流體控制系統(tǒng)中的大量應(yīng)用，數(shù)字化成了一種 必然的趨勢(shì)。與間接數(shù)字控制方法相反，控制量不通過(guò) D/A 接口，直 接以數(shù)字開(kāi)關(guān)信號(hào)與電液伺服系統(tǒng)接口實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制的方式稱為直 接數(shù)字控制。目前主要有以下兩種方式實(shí)現(xiàn)：其一是利用數(shù)字執(zhí)行元件步進(jìn)電機(jī)加適當(dāng)

12、的旋轉(zhuǎn)直線運(yùn)動(dòng) 轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)閥芯實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字控制， 由于這類數(shù)字控制元件一般按 步進(jìn)的方式工作， 因而常稱為步進(jìn)式數(shù)字閥或離散式比例閥。 通過(guò)合 理的設(shè)計(jì)，這類閥具用重復(fù)精度高及無(wú)滯環(huán)的優(yōu)點(diǎn)。其二是對(duì)高速開(kāi)關(guān)閥的（脈寬或脈沖調(diào)制）控制。通過(guò)控制開(kāi)關(guān) 元件的通斷時(shí)間比， 以獲得在某一段時(shí)間內(nèi)流量的平均值， 進(jìn)而實(shí)現(xiàn) 對(duì)下一級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。 在流體動(dòng)力系統(tǒng)中， 這種控制方式的控制 信號(hào)是開(kāi)關(guān)量，因而是直接數(shù)字控制。該控制方式具有不堵塞、抗污 染能力強(qiáng)及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。采用間接控制方式構(gòu)成的系統(tǒng)通過(guò) D/A 接口實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，這種 方法存在如下缺點(diǎn)：（ 1）由于控制器中存在著模擬電路，易于產(chǎn)生 溫

13、飄和零飄，這不僅使得系統(tǒng)易受溫度變化的影響；同時(shí)，也使得控 制器對(duì)伺服閥本身的非線性因素如死區(qū)、滯環(huán)等難以實(shí)現(xiàn)徹底補(bǔ)償。 （2）用于驅(qū)動(dòng)比例閥和伺服閥的比例電磁鐵和力矩馬達(dá)存在著固有 的磁泄現(xiàn)象，導(dǎo)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(cè)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(jià)大大增加，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性降低。（ 3）由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所 決定，比例電磁鐵的磁路一般只能由整體式磁性材料構(gòu)成， 在高頻信 號(hào)作用下， 由鐵損而引起的溫升較為嚴(yán)重。 因此直接數(shù)字控制方式明 顯優(yōu)于間接數(shù)字控制方式。作為直接數(shù)字控制方式的步進(jìn)式數(shù)字閥和開(kāi)關(guān)閥相比較：步進(jìn)式 數(shù)字閥按

14、步進(jìn)的方式工作，具用重復(fù)精度高及無(wú)滯環(huán)的優(yōu)點(diǎn)。但是， 步進(jìn)式數(shù)字閥通過(guò)閥芯的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)將輸入的信號(hào)量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的步 數(shù)（脈沖數(shù)），因而存在著量化誤差，通過(guò)增加閥的工作步數(shù)可以減 小量化誤差，但卻使閥的響應(yīng)速度大大降低。同時(shí)，步進(jìn)式調(diào)速器必 須保留有引導(dǎo)閥和主配結(jié)構(gòu)， 造成步進(jìn)式調(diào)速器的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜， 加工 件較多，不具有良好的通用互換性。相較而言，高速開(kāi)關(guān)閥與控制系統(tǒng)的接口更簡(jiǎn)單，且不需要中間 環(huán)節(jié)就能構(gòu)成直接數(shù)字控制系統(tǒng)， 應(yīng)用前景十分廣闊。 將高速開(kāi)關(guān)閥 應(yīng)用于水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器， 能實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)字化， 構(gòu)成全數(shù)字式 調(diào)速器。但由于流量、壓力脈動(dòng)等因素的限制，數(shù)字閥在大型調(diào)速器上的 應(yīng)用范圍

15、受到一定的限制， 目前僅能應(yīng)用于操作功不大于的非雙調(diào)機(jī) 組的調(diào)節(jié)控制。綜上所訴，中小型調(diào)速器選用數(shù)字閥較為適宜，大型調(diào)速器宜選 用步進(jìn)電機(jī)（但要注意控制方式參見(jiàn)后述關(guān)于電機(jī)類調(diào)速器的比 較說(shuō)明）。伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)類調(diào)速器的區(qū)別與比較？電機(jī)類調(diào)速器分為伺服電機(jī)及步進(jìn)電機(jī)兩種。 伺服電動(dòng)機(jī)又稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把 所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。 分為直流 和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類， 其主要特點(diǎn)是， 當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無(wú)自轉(zhuǎn) 現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。步進(jìn)電機(jī)是一種離散運(yùn)動(dòng)的裝置，它和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本 質(zhì)的聯(lián)系。在目前國(guó)內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中， 步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛。 隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)， 交流伺服電機(jī)也越來(lái)越多地應(yīng)用 于數(shù)字控制系統(tǒng)中。 為了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢(shì)， 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中 大多采用步進(jìn)電機(jī)或全數(shù)字式交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖信號(hào)和方向信號(hào)），但在使用 性能和應(yīng)用場(chǎng)合上存在著較大的差異，從控制精度、低頻特性、距頻 特性、過(guò)載能力、 速度響應(yīng)能力比較起來(lái)，全數(shù)字式交流伺服電機(jī)無(wú) 疑比步進(jìn)電機(jī)優(yōu)異得多。 但步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于