伺服電機及高精度反饋裝置在青溪發(fā)電公司調(diào)速器電控柜改造中的應(yīng)用

伺服電機及高精度反饋裝置在青溪發(fā)電公司調(diào)速器電控柜改造中的應(yīng)用

本文分析了步進電機在水輪機調(diào)速器上的使用情況及存在問題，分析了伺服電機的優(yōu)點，并在調(diào)速器電氣部分改造時將伺服電機及高精度反饋裝置成功運用到水輪機調(diào)速器的電控柜中，解決了調(diào)速器改造前存在的問題，值得其它電廠在調(diào)速柜改造時借鑒。Keys：步進電機；伺服電機；高精度反饋裝置；青溪發(fā)電公司；調(diào)速器電控柜改造1概述青溪發(fā)電公司四臺機組調(diào)速器于2004年至2010年完成改造，將環(huán)噴型電液轉(zhuǎn)換器逐步升級為步進型，解決了因油中有雜質(zhì)導(dǎo)致電液轉(zhuǎn)換器會卡塞的問題，性能在當(dāng)時比較先進。2改造情況隨著服役時間臨近10年，2017年起逐步出現(xiàn)元器件老化等現(xiàn)象，步進電機的小反饋裝置及其驅(qū)動器、復(fù)中裝置、觸摸屏等故障頻次增多，且PLC模塊已經(jīng)停產(chǎn)，備品備件難以采購，已經(jīng)不能滿足機組安全穩(wěn)定運行的要求。為此，公司決定對調(diào)速器電控柜進行改造，并專門組織人員對改造方案進行了研究和討論。意識到步進電機作為位移轉(zhuǎn)換裝置需要主配位移反饋，而該小反饋容易變位，但伺服電機內(nèi)置多圈編碼器不再需要位移反饋，可以減少故障概率，決定采用伺服電機等先進技術(shù)對機組調(diào)速器電控柜進行改造。改造后解決了小反饋變位、驅(qū)動器故障、復(fù)中裝置飄移、觸摸屏黑屏等問題，取得了預(yù)期效果。3伺服型水輪機調(diào)速器（1）改造后調(diào)速器柜的電控柜由德國西門子S7-1500系列可編程控制器及其擴展I/O模塊、彩色液晶觸摸屏、信號隔離器、測頻接口模塊、伺服電機驅(qū)動器、導(dǎo)葉槳葉反饋裝置（安培德的高精度拉線反饋裝置）及電源模塊組成。（2）具有頻率調(diào)節(jié)（空載及并網(wǎng)）、功率調(diào)節(jié)（并網(wǎng)）和開度調(diào)節(jié)（并網(wǎng)）三種調(diào)節(jié)方式，由可編程控制器根據(jù)當(dāng)前工況自動實現(xiàn)無擾轉(zhuǎn)換，調(diào)節(jié)方式切換時，接力器的行程變化不超過±1%；（3）具有抗大擾動時的自適應(yīng)最優(yōu)參數(shù)控制規(guī)律，具有數(shù)字協(xié)聯(lián)，能自動按水頭選擇協(xié)聯(lián)曲線，實現(xiàn)水輪機導(dǎo)葉與槳葉的最優(yōu)協(xié)聯(lián)，具備一次調(diào)頻功能滿足電網(wǎng)的新要求。內(nèi)置調(diào)試軟件，可以自動完成試驗、采集數(shù)據(jù)、計算結(jié)果。（4）調(diào)速器機械部分主要由美國Moons伺服電機位移轉(zhuǎn)換裝置和自復(fù)中裝置、引導(dǎo)閥和機械手操機構(gòu)、主配及緊停電磁閥和導(dǎo)葉槳葉接力器組成。3.1調(diào)速器改造所用主要設(shè)備情況（1）PLC調(diào)速器的控制核心選用德國西門子S7-1500系列PLC，是西門子最新開發(fā)的中型PLC，主要特點有：有高速測量計數(shù)功能。用于測量、計數(shù)及定位輸入的模塊最高信號頻率為1MHz，PLC本體可完成頻率信號的測量。測頻精度完全超過一次調(diào)頻和參數(shù)建模所需的調(diào)速器頻率精度。（2）Moons34HD伺服電機電—機位移的轉(zhuǎn)換選用Moons34HD伺服電機，優(yōu)點有：1）高精度閉環(huán)控制：伺服電機內(nèi)置多圈編碼器，每圈的精度為1/10000，不再需要主配位移反饋，提高了可靠性和控制精度，減少了故障概率速度響應(yīng)快：2）恒矩頻區(qū)寬：伺服電機恒矩頻區(qū)寬，額定轉(zhuǎn)速高。3）抑制低頻振動性能好，速度過載能力強、轉(zhuǎn)矩過載性能好。（3）伺服電機位移轉(zhuǎn)換裝置主要工作過程：綜合比較電氣輸入：機頻網(wǎng)頻以及其他調(diào)節(jié)輸入信號、接力器的位置反饋信號；電氣輸出：通過放大回路輸出控制信號給伺服電機；機械輸入：伺服電機旋轉(zhuǎn)帶動相連的自復(fù)中裝置絲桿產(chǎn)生相應(yīng)運動；轉(zhuǎn)換1：引導(dǎo)閥直接與伺服電機相連，引導(dǎo)閥產(chǎn)生相應(yīng)運動；轉(zhuǎn)換2：通過液壓放大使主配活塞產(chǎn)生對應(yīng)運動；機械輸出：主配活塞的運動引起接力器隨之向開或關(guān)的方向運動，直到機頻、網(wǎng)頻與接力器位置反饋達到動態(tài)平衡。伺服電機驅(qū)動力矩大，因此伺服電機的電-機位移轉(zhuǎn)換由純機械傳動來完成。（4）自復(fù)中裝置1）伺服電機的軸與絲桿通過定位銷相連結(jié)，能實現(xiàn)電氣機械位移的轉(zhuǎn)換，將伺服電機的轉(zhuǎn)動輸入變成絲桿的位移輸出。2）絲桿與聯(lián)結(jié)套連接。3）裝置電源如果消失則聯(lián)接套和引導(dǎo)閥立即回到中位,接力器的開度因此保持穩(wěn)定不變，因此裝置具有失電自動復(fù)中、回零位的性能。4）自復(fù)中裝置沒有液壓部分，絲桿運動摩擦阻力小、動作可靠，復(fù)中機構(gòu)動作可靠，結(jié)構(gòu)簡單，不需維護，具有且復(fù)中精度高，無死區(qū)的特點，非常適合用于水輪機調(diào)速器。（4）高精度反饋裝置導(dǎo)葉槳葉反饋采用安培德APD-GAX型的高精度拉線反饋裝置。該拉線反饋裝置抗震能力強，采用1.2mm多股不銹鋼絲繩，輸出4-20mA信號，全程精度:5‰標(biāo)定時需進入APD-GMX文件包操作軟件并啟用編程模式。3.2改造試驗情況2019年11月，完成二號機組調(diào)速器電控柜改造，改造后按照《水輪機控制系統(tǒng)試驗》、《水輪機電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)及裝置調(diào)整試驗導(dǎo)則》完成了調(diào)速器各項試驗。試驗情況如下：調(diào)速器靜特性試驗：轉(zhuǎn)速死區(qū)ix=2.1%%空載頻率擺動試驗：3min調(diào)速器自動頻率擺動值:a、最大頻率：50.09Hz最小頻率：49.99Hz擺動值：0.10Hzb、最大頻率：50.07Hz最小頻率：49.96Hz擺動值：0.11Hzc、最大頻率：50.08Hz最小頻率：49.9Hz擺動值：0.09Hz三次平均值：0.1Hz結(jié)果：機組空載頻率擺動最大偏差不超過±0.1Hz（3）甩負(fù)荷試驗a、甩25%負(fù)荷：最高頻率：55.29Hz，最低頻率：49.40Hz測得接力器不動時間Tq為0.16s，不超過0.2s。b、模擬線路甩50%負(fù)荷：最高頻率：57.70Hz，最低頻率：49.20Hz證明線路甩負(fù)荷時機組調(diào)速器能及時正確轉(zhuǎn)到空載運行。甩100%負(fù)荷：最高頻率：58.56Hz，最低頻率：48.11Hz測得機組頻率上升最高值為58.56Hz,超過額定轉(zhuǎn)速3%的波峰次數(shù)為2次,調(diào)節(jié)時間16s。（4）試驗結(jié)論調(diào)速器各項試驗指標(biāo)均符合調(diào)速器及油壓裝置有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)。3.3改造出現(xiàn)問題及處理情況（1）高精度反饋裝置與信號隔離器不匹配，造成導(dǎo)葉開度漂移；經(jīng)分析研究，廠家更換了信號隔離器后解決了問題。（2）位移傳感器拉線安裝不垂直，影響測量精度和設(shè)備壽命，發(fā)現(xiàn)后重新安裝糾正。（3）連接槳葉操作機構(gòu)和位移傳感器拉線的舊鋼絲繩扭結(jié)，舊鋼絲繩扭結(jié)影響開度位移傳感器的測量精度，發(fā)現(xiàn)后進行了更換糾正。4結(jié)論伺服電機式的電-機位移轉(zhuǎn)換裝置、無油自復(fù)中裝置以及高精度反饋裝置在青溪發(fā)電公司二號機組調(diào)