比例閥控制型調(diào)速器(機(jī)械部分)

比例閥控制型調(diào)速器(機(jī)械部分)第一頁，共41頁。GLT系列比例閥控制型調(diào)速器就是專為貫流式水輪發(fā)電機(jī)組研制的新型電液調(diào)速器，其機(jī)械部分采用了武漢長江控制設(shè)備研究所研制的“水輪機(jī)調(diào)速器的電液比例隨動(dòng)裝置”。

機(jī)械部分由比例集成式電液隨動(dòng)裝置配以相應(yīng)的油壓裝置，構(gòu)成一個(gè)完整的電液調(diào)速器。其相關(guān)內(nèi)容介紹如下：

一、主要技術(shù)參數(shù)

導(dǎo)葉主配壓閥直徑φ150mm

槳葉主配壓閥直徑φ100mm

工作油壓6.3MPa

壓力油罐容積10.0m3

濾油精度≤20μm

第二頁，共41頁。二、液壓閥的應(yīng)用與改進(jìn)

就水輪機(jī)調(diào)速器的電液隨動(dòng)系統(tǒng)而言，高檔伺服閥(如噴嘴擋板伺服閥)、工業(yè)伺服閥(如動(dòng)圈－滑閥式伺服閥)的正式應(yīng)用起步于上世紀(jì)70年代，到90年代中期已十分普及；自90年代后期比例閥、高速開關(guān)閥也已開始逐漸得到應(yīng)用，如今這類系統(tǒng)已得到大量使用，并得到水電行業(yè)用戶的廣泛認(rèn)可與采納。

比例閥控制流體屬于模擬式流體控制，比例閥是介于普通工業(yè)液壓閥和電液伺服閥之間的一種液壓閥。第三頁，共41頁。

一般由比例電磁鐵與相應(yīng)機(jī)能的閥件組成。比例電磁鐵由線圈、鐵芯、固定件組成，而由其推動(dòng)的閥件可以是壓力閥、流量閥、方向/流量閥或復(fù)合閥。比例電磁鐵巧妙地利用了磁性材料磁通密度的飽和特性，使電磁作用力與電流成比例。由于比例閥鐵芯的電磁力與輸入比例線圈的電流成正比，而鐵芯的反作用力則由復(fù)位彈簧來平衡，這就決定了電流與鐵芯位移之間具有一定比例關(guān)系。而比例閥的閥芯則由電磁鐵鐵芯帶動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓參量的比例控制。至于比例閥的電氣操縱方式，可以使用模擬信號(hào)，也可采用耗電小和電流放大簡單的脈寬調(diào)制信號(hào)(PWM信號(hào))。

第四頁，共41頁。

比例閥在水輪機(jī)調(diào)速器中的應(yīng)用，主要是比例方向流量控制閥、比例伺服閥，后者其實(shí)是特殊形式的高性能比例方向流量控制閥，也稱閉環(huán)比例閥。

1）比例方向流量控制閥的特點(diǎn)及分類

比例方向流量控制閥是一種能按輸入電流信號(hào)連續(xù)控制液流方向和流量的電液控制閥，它具有下列主要特點(diǎn)：

⑴滑閥配合間隙僅和一般換向閥相當(dāng)，因此對(duì)油質(zhì)要求較低；

⑵比例電磁鐵的輸入功率較大，比伺服閥大一個(gè)數(shù)量級(jí)，這是提高其工作可靠性的技術(shù)措施之一；

比例伺服閥第五頁，共41頁。⑶比例方向流量閥的額定工作壓差比伺服閥低一個(gè)數(shù)量級(jí)，與普通換向閥相當(dāng)，單閥口壓降約(0.25～0.8)MPa，其系統(tǒng)能耗和溫升遠(yuǎn)比采用伺服閥的系統(tǒng)低；

⑷中位搭疊量較大，這是為降低成本而作出的一種抉擇。但因此也成了一個(gè)附帶的優(yōu)點(diǎn)，在失電時(shí)能保證受控負(fù)載的位置不漂移；

⑸可以象普通換向閥一樣，采用不同的滑閥中位機(jī)能；

⑹存在著(3～5)%的靜態(tài)滯環(huán)、較大的非線性，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)要比伺服閥低；

⑺由于存在較大的中位搭疊量，對(duì)中彈簧又具有一定的預(yù)壓縮量，因此其零位控制死區(qū)很大，其起始控制電流值可達(dá)額定控制電流的(10～20)%.

第六頁，共41頁。

比例方向流量控制閥按其流量控制方式，可分為節(jié)流控制型和流量控制型兩大類。前者受控量只是閥芯位移即閥口開度，輸出流量受負(fù)載及供油壓力變化的影響；后者采用壓力補(bǔ)償或流量反饋，其被控流量只取決于控制電流，而與負(fù)載及供油壓力變化無關(guān)。為降低使用要求、簡化控制環(huán)節(jié)，在水輪機(jī)調(diào)速器中常采用前者作為電液轉(zhuǎn)換元件。

2）直控式比例方向流量閥

圖1為不帶位置反饋的直控式比例方向流量閥的結(jié)構(gòu)示意圖，屬于節(jié)流控制型方向流量閥。圖中，進(jìn)油口為P、出油口為A/B、回油口為T。

圖1.不帶位置反饋的直控式比例方向流量閥

比例伺服閥第七頁，共41頁。圖1.不帶位置反饋的直控式比例方向流量閥出油口進(jìn)油口出油口回油口第八頁，共41頁。

當(dāng)比例電磁鐵不通電時(shí)，閥芯由復(fù)位彈簧保持在中位，當(dāng)向左側(cè)電磁鐵輸入一個(gè)電流信號(hào)時(shí)，電磁鐵就會(huì)產(chǎn)生一定的推力，推動(dòng)閥芯克服彈簧力向右移動(dòng)一定距離，閥芯相對(duì)于閥體的控制臺(tái)階移動(dòng)一定的開口量，P腔到B腔、A腔到T腔流過一定的流量。若輸入連續(xù)的電流信號(hào)，則開口量就會(huì)隨之呈線性變化，使通過閥的液流流量成比例變化。右側(cè)電磁鐵輸入電流信號(hào)時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生類似的變化，只不過液流方向相反。改變左、右比例電磁鐵的信號(hào)，就可使液流改變方向和流量。而普通的電磁鐵換向閥只有左、中、右3個(gè)位置，不可能在中間任一位置停留。

不帶位置反饋的直控式比例方向流量閥由于受摩擦力及閥口液動(dòng)力等干擾的影響，閥芯定位精度不高，尤其在高壓大流量情況下，液動(dòng)力的影響更加突出。第九頁，共41頁。

為提高閥口開度控制精度，可采用帶位移電反饋的比例方向流量閥。

如果在圖1所示的比例電磁鐵末端加裝位移傳感器，就可構(gòu)成電反饋比例方向流量閥。參見圖2，位置傳感器可以檢測(cè)電磁鐵鐵芯的位置，即閥芯的確切位置，若有一定的位置誤差，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反饋信號(hào)給放大器，輸入信號(hào)和反饋信號(hào)在放大器內(nèi)比較，兩個(gè)數(shù)值比較后，產(chǎn)生一個(gè)偏差信號(hào)輸入電磁鐵，以補(bǔ)償干擾產(chǎn)生的閥口開度誤差；此時(shí)閥口開度僅取決于輸入的電流信號(hào)，而與摩擦力、液動(dòng)力等干擾無關(guān)。

圖2.帶位置反饋的直控式比例方向流量閥

比例伺服閥第十頁，共41頁。圖2.帶位置反饋的直控式比例方向流量閥第十一頁，共41頁。3）先導(dǎo)式比例方向流量閥

與普通換向閥一樣，大通徑比例方向流量閥由于主閥芯運(yùn)動(dòng)所需的操縱力很大，需要采用先導(dǎo)結(jié)構(gòu)。圖3的結(jié)構(gòu)系減壓型先導(dǎo)閥＋主閥彈簧定位型比例方向流量閥，這種結(jié)構(gòu)比較常見。與直控式比例閥的主要區(qū)別在于增加了先導(dǎo)閥，圖中的導(dǎo)閥系比例電磁鐵操作的壓力控制閥(三通減壓閥)，用減壓閥作導(dǎo)閥的好處是不必持續(xù)消耗控制油。主閥采用單彈簧對(duì)中，彈簧有預(yù)壓縮量，當(dāng)先導(dǎo)閥無輸入信號(hào)時(shí)，主閥芯2的兩端無壓力，主閥芯對(duì)中。

其大致工作過程是：電液比例減壓型先導(dǎo)閥電磁鐵接收輸入的電流信號(hào)，輸出與之成比例的控制壓力信號(hào)，與輸入信號(hào)極性相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)出口壓力(左側(cè)電磁鐵控制右出口壓力，右側(cè)電磁鐵控制左出口壓力)，第十二頁，共41頁。

分別引至主閥芯2的兩端，利用它在兩個(gè)端面上所產(chǎn)生的液壓作用力與對(duì)中彈簧3的彈簧力平衡，而使主閥芯2與輸入信號(hào)成比例地定位。

這種閥的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)制造和安裝無特殊要求，通用性好、調(diào)整方便。其主要缺點(diǎn)是主閥芯的閥口開度易受摩擦力、液動(dòng)力等干擾的影響，即主閥芯定位精度不高。

為提高閥口開度控制精度、優(yōu)化整閥的動(dòng)態(tài)特性，可采用帶主閥芯位置電反饋結(jié)構(gòu)的先導(dǎo)式比例方向流量閥，或在主閥芯位置電反饋的基礎(chǔ)上，給先導(dǎo)閥也增設(shè)位置電反饋，構(gòu)成先導(dǎo)級(jí)及主級(jí)－二級(jí)位置電反饋。由于這兩種改進(jìn)型結(jié)構(gòu)的先導(dǎo)式比例方向流量閥在水輪機(jī)調(diào)速器中的應(yīng)用極少，故不在此專門介紹了。

圖3.先導(dǎo)式比例方向流量閥

第十三頁，共41頁。圖3.先導(dǎo)式比例方向流量閥第十四頁，共41頁。4）比例伺服閥

由于一般情況下比例閥存在著(3～5)%的靜態(tài)滯環(huán)、(10～20)%的零位遮蓋、較大的非線性等不足，因此只是大量應(yīng)用于開環(huán)控制的場(chǎng)合，如果將其直接應(yīng)用于調(diào)速器這樣的閉環(huán)系統(tǒng)，有時(shí)控制性能難以滿足要求。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，比例閥的改進(jìn)出現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。

其中，比較有代表性的就是上世紀(jì)90年代初Bosch公司推出的比例伺服閥，這種閥在性能上已達(dá)到了伺服閥的各項(xiàng)指標(biāo)，使得用比例伺服閥代替伺服閥變得可行。它與普通比例閥有所區(qū)別，圖4為其結(jié)構(gòu)示意圖。

比例伺服閥第十五頁，共41頁。

比例伺服閥液壓部分也是滑閥式結(jié)構(gòu)，內(nèi)有一四通閥芯，可在精密加工并淬硬的閥套內(nèi)滑動(dòng)，具有很高的遮蓋精度，采用矩形全周控制口。閥套被壓入五腔閥體內(nèi)，閥芯由集成感應(yīng)式位置傳感器的比例電磁鐵直接驅(qū)動(dòng)，采用單電磁鐵、單平衡彈簧結(jié)構(gòu)

其工作原理類似于普通方向比例閥，所不同的是比例伺服閥在斷電時(shí)，在單平衡彈簧的作用下被推向第4工作位置(安全位)，而不是中間位置，第4工位只有兩種機(jī)能可供選擇，一種是4個(gè)油口都關(guān)斷型，另一種機(jī)能是壓力油口P關(guān)斷、控制口A/B同時(shí)與回油T溝通；正常工作過程中的閥芯位置調(diào)整由單電磁鐵控制，而不是由雙電磁鐵控制。

比例伺服閥第十六頁，共41頁。

★比例伺服閥具有以下主要特點(diǎn)：

(1)精度高（滯環(huán)、重復(fù)精度0.1%）、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好（響應(yīng)頻寬不小于10Hz，最大可達(dá)40～80Hz，階躍信號(hào)調(diào)整時(shí)間不超過10ms）;

(2)與伺服閥先導(dǎo)控制級(jí)弱信號(hào)（一般為數(shù)十至數(shù)百毫安）控制不同，比例伺服閥為強(qiáng)信號(hào)（最大電流2.5A）控制、功率大（最大功率25VA以上）、閥芯操作力大，提高了工作可靠性和耐油污能力；

(3)閥體采用五槽鑲套結(jié)構(gòu)，精確制造的硬質(zhì)閥芯、閥套，保證了零開口工作狀態(tài)，其軸向配合精度0.002mm。硬質(zhì)耐磨的工作棱邊，即使長期工作后，也無明顯磨損，仍能保證陡峭的壓力增益特性和平直的流量增益特性，在斷電時(shí)，能進(jìn)入安全的第4工位，避免斷電時(shí)對(duì)系統(tǒng)構(gòu)成的潛在危險(xiǎn)。第十七頁，共41頁。

由于比例伺服閥的諸多優(yōu)良性能，比例伺服閥已在許多工業(yè)控制領(lǐng)域取代了伺服閥、比例閥，成為液壓控制的一個(gè)發(fā)展方向之一。比例伺服閥在水輪機(jī)調(diào)速器行業(yè)的應(yīng)用開始于上世紀(jì)90年代中期，如今已得到廣泛使用，并得到水電廠用戶的普遍認(rèn)可。

圖4.比例伺服閥

圖4.比例伺服閥第十八頁，共41頁。比例伺服閥三、系統(tǒng)構(gòu)成與特點(diǎn)

該電液隨動(dòng)裝置由濾油器、緊急停機(jī)電磁閥、電液比例閥（或雙電液比例閥）、切換閥、手動(dòng)操作閥等部件構(gòu)成?？刂崎y均為板式結(jié)構(gòu)，全部集成于主配壓閥的上部。槳葉部分除緊急停機(jī)電磁閥以外其余與導(dǎo)葉部分相同。

其主要特點(diǎn)：

1、采用電液比例閥、手動(dòng)操作閥直接控制主配壓閥,結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便。

2、自動(dòng)控制通道采用德國BOSCH電液比例閥作為電液轉(zhuǎn)換組件，提高了工作可靠性。

電液隨動(dòng)裝置集成示意圖如圖1。

第十九頁，共41頁。圖1電液隨動(dòng)裝置集成示意圖第二十頁，共41頁。比例伺服閥3、手動(dòng)控制通道采用手動(dòng)操作閥作為電液轉(zhuǎn)換組件執(zhí)行組件，當(dāng)自動(dòng)信道故障或調(diào)試時(shí)，則用截止閥切換到手動(dòng)控制方式。

4、采用具有液壓內(nèi)反饋的自復(fù)中主配壓閥，主配壓閥的控制信號(hào)為控制油流量，由比例閥直接控制主配。當(dāng)電源消失或電氣故障時(shí)，可保持機(jī)組故障前工況。

5、采用液壓集成無滲漏設(shè)計(jì)，所有液壓件都設(shè)計(jì)安裝在液壓集成塊上，液壓件之間的聯(lián)接由集成塊內(nèi)部的油道完成，全部取消明管，從而可大大提高操作油壓力。

第二十一頁，共41頁。四、主要部件簡介

1、電液比例閥

電液比例閥是由兩個(gè)比例電磁鐵推動(dòng)的3位4通液壓換向閥，其輸出流量的大小，與輸入比例電磁鐵的電氣控制信號(hào)成比例。與一般電液伺服閥相比，該閥具有體積小、電磁力大、可靠性高、抗油污能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。如下圖2所示

第二十二頁，共41頁。圖2：電液比例閥第二十三頁，共41頁。圖2-1.不帶位置反饋的直控式比例方向流量閥第二十四頁，共41頁。GLT系列比例閥控制型調(diào)速器（機(jī)械部分）圖2-2.帶位置反饋的直控式比例方向流量閥第二十五頁，共41頁。圖2-3.先導(dǎo)式比例方向流量閥第二十六頁，共41頁。圖32、主配壓閥

主配壓閥與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不同，其引導(dǎo)閥芯被可靠地固定于中位，不能上下運(yùn)動(dòng)。參見圖3。第二十七頁，共41頁。正常運(yùn)行時(shí)，主配壓閥的引導(dǎo)閥接通壓力油。當(dāng)通往輔助接力器上腔的控制油路被切斷時(shí)，主配活塞必然與引導(dǎo)閥芯一樣處于中位，以使其輔助接力器上腔的油壓力與該活塞進(jìn)油腔的差壓力相平衡。當(dāng)通往輔助接力器上腔的控制油路與排油接通時(shí)，主配活塞受其進(jìn)油腔差壓力的作用而向上偏離中位，使得輔助接力器上腔通過引導(dǎo)閥接通壓力油。當(dāng)進(jìn)入輔助接力器上腔的壓力油流量與排油流量相等時(shí)，主配活塞將穩(wěn)定在中位上方的某一位置。第二十八頁，共41頁。顯然，輔助接力器上腔的排油量越大，使主配活塞穩(wěn)定所需的壓力油流量就越大，因而主配活塞偏離中位的距離也越大。如果控制油路又被切斷，而輔助接力器上腔卻仍與來自引導(dǎo)閥的壓力油相通，由于輔助接力器上腔的工作面積大于主配活塞差壓面積，因而主配活塞將在輔助接力器上腔油壓力的作用下迅速回到中位，以使作用于它的油壓力重新平衡。

同樣，當(dāng)輔助接力器上腔與壓力油接通時(shí)，主配活塞將在輔助接力器上腔油壓力作用下向下偏離中位，輔助接力器上腔將通過引導(dǎo)閥接通排油。第二十九頁，共41頁。同樣，主配活塞也會(huì)穩(wěn)定在中位下方某一位置，且偏離距離與進(jìn)入輔助接力器上腔的壓力油流量成比例。一旦控制油路又被切斷，主配活塞將在其進(jìn)油腔差壓力作用下重新回到中位。

從原理上講，由于輔助接力器在偏離中位時(shí)，與引導(dǎo)閥共同形成了與輸入流量相反的流量負(fù)反饋,且流量負(fù)反饋的大小,在一定范圍內(nèi)與輔助接力器偏離中位的距離成比例，因而輔助接力器這一積分環(huán)節(jié)，由于流量負(fù)反饋的存在，便成為一個(gè)受輸入流量控制的比例環(huán)節(jié)了。

綜上所述：主配活塞在控制油路正、負(fù)流量輸入（即接通壓力油或排油）的作用下將產(chǎn)生向下、向上的位移，其位移量與輸入的流量在一定范圍內(nèi)成比例；一旦控制油路被切斷，主配活塞將迅速復(fù)中。

第三十頁，共41頁。五、電液隨動(dòng)裝置系統(tǒng)工作原理

調(diào)速器及油壓裝置工作原理如下：如圖4所示。

本電液隨動(dòng)系統(tǒng)導(dǎo)葉和槳葉組成（壓力油源系統(tǒng)在后面介紹）。此處以導(dǎo)葉控制系統(tǒng)為例說明（槳葉系統(tǒng)與導(dǎo)葉基本相同），導(dǎo)葉控制系統(tǒng)由自動(dòng)信道和手動(dòng)信道組成。壓力油經(jīng)濾油器過濾后，通過緊急停機(jī)電磁閥，一路進(jìn)入主配引導(dǎo)閥，另一路進(jìn)入兩個(gè)電液比例閥手動(dòng)操作閥，三閥并聯(lián)，還有一路通過單向閥進(jìn)入輔助接力器。比例閥為自動(dòng)工況使用，手動(dòng)操作閥為手動(dòng)工況使用，其中兩個(gè)電液比例閥冗余控制，互為備用，由雙系統(tǒng)切換閥進(jìn)行切換。自動(dòng)和手動(dòng)工況的選擇由截止閥進(jìn)行切換。

第三十一頁，共41頁。圖4第三十二頁，共41頁。正常運(yùn)行時(shí)，緊急停機(jī)電磁閥與手自動(dòng)切換閥均為通路，主配引導(dǎo)閥接通壓力油。電氣控制信號(hào)與主接力器位置信號(hào)之差為零時(shí)，電液比例閥閥芯在復(fù)位彈簧作用下復(fù)中，切斷輔助接力器控制腔的油路，主配壓閥準(zhǔn)確地穩(wěn)定于中位，主接力器也將穩(wěn)定不動(dòng)。當(dāng)電氣控制信號(hào)減小時(shí)，電液比例閥向關(guān)機(jī)方向運(yùn)動(dòng)，使輔助接力器控制腔接通排油時(shí)，主配壓閥自中間位置向上移動(dòng)一定距離，主接力器向關(guān)機(jī)方向運(yùn)動(dòng)。同時(shí)帶動(dòng)位移傳感器移動(dòng)，直到與電氣控制信號(hào)相等，兩差值信號(hào)為零時(shí)，電液比例閥和主配壓閥便隨之復(fù)中，主接力器便停止運(yùn)動(dòng)。反之，如電氣控制信號(hào)增大時(shí)，電液比例閥向開機(jī)方向運(yùn)動(dòng)，使輔助接力器控制腔接通壓力油時(shí)，主接力器將向開機(jī)方向運(yùn)動(dòng)。這樣，主接力器將按一定比例隨動(dòng)于微機(jī)調(diào)節(jié)器控制信號(hào)，構(gòu)成了電液隨動(dòng)系統(tǒng)。第三十三頁，共41頁。當(dāng)電氣控制部份發(fā)生故障時(shí)，調(diào)速器切至手動(dòng)狀態(tài)，輔助接力器可由手動(dòng)操作閥控制，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作。

在事故情況下，緊急停機(jī)電磁閥動(dòng)作,使輔助接力器上腔接通排油,同時(shí)切斷了控制油路的壓力油源，使主配活塞快速上移，實(shí)現(xiàn)緊急停機(jī)。第三十四頁，共41頁。3、雙系統(tǒng)切換閥

雙系統(tǒng)切換閥和手自動(dòng)切換閥采用的是帶濕式直流電磁鐵的2位3通液壓換向閥。動(dòng)作雙系統(tǒng)切換閥，可選擇兩套電液比例閥的工作和備用狀態(tài)。

4、手動(dòng)操作閥

手動(dòng)操作閥采用的是用手柄操作的3位4通液壓換向閥。調(diào)速器在手動(dòng)工況運(yùn)行時(shí)，電液比例閥出口控制油被切斷，輔助接力器將受手動(dòng)操作閥正、負(fù)流量輸出的控制。

第三十五頁，共41頁。5、緊急停機(jī)電磁閥

緊急停機(jī)電磁閥采用的是帶濕式直流電磁鐵的2位4通液壓換向閥。正常運(yùn)行時(shí)，緊急停機(jī)電磁閥僅作為油路通道，壓力油經(jīng)過緊急停機(jī)電磁閥后，分別進(jìn)入引導(dǎo)閥和各液壓控制閥，及通過單向閥進(jìn)入輔助接力器。在事故情況下,緊急停機(jī)電磁閥動(dòng)作,單向閥開啟，使輔助接力器上腔接通