摘要：介紹陜西省石頭河水庫壩后水電站應用的強驅動、力反饋式水輪機調速器的組成特點和運行效果，著重介紹該型調速器電液隨動系統采用的新穎關鍵組成部分—強驅動、力反饋集成式電液主配壓閥。

關鍵詞：水輪機 調速器 電液隨動系統 集成式電液主配壓閥

１概述

石頭河壩后電站裝機四臺，４號機配備西安啟元自控技術研究所研制的ＱＹＤＴ／１００００型調速器；１、２、３號機原配備ＣＴ／４０型調速器，２０００年起由該所先后對３號和１號機調速器進行改造。這三臺調速器的整體結構均屬“電子調節器＋電液隨動系統”類型，其中電子調節器３號和４號機為數字模擬混合型，１號機為ＰＣＣ（可編程計算機控制器）型；電液隨動系統均為強驅動、力反饋集成式。

三臺調速器突出的特點是采用了新型強驅動、力反饋集成式電液主配壓閥，大大簡化了電液隨動控制系統的結構，有效地提高了系統的隨動精度、反應速度和工作的可靠性，為水輪機調速器整機性能指標的進一步提高奠定了優良的基礎。

該隨動系統是一種新式輔助接力器型電液隨動系統。它不僅具有傳統的輔助接力器型電液隨動系統可以取消中間接力器型隨動系統中必設的主接力器的機械反饋機構、消除或減小其機械反饋機構的剛度和主配壓閥的死區對控制精度所產生的不利影響等優點，而且由于所采用的強驅動、力反饋集成式電液主配壓閥是集電—機轉換器、液壓先導級、輔助接力器、主配壓閥和事故停機機構于一體的電液集成塊，替代了傳統系統中多個分散布置的元件和機構，因而在系統的結構上更加簡單、合理；同時由于該系統的中間環節較少，各環節給系統造成的誤差就更小，信號傳遞所需的時間就更短，故障率也就更低，因而系統的隨動精度、反應速度和工作可靠性更高。具有廣泛的推廣應用前景。

２電液隨動系統

電液隨動系統框圖如圖１所示。

由圖可見，這是一種非常簡單的電液隨動系統，它將由調節器輸入的電氣指令信號精確地轉換為主接力器的機械位移輸出。其中關鍵的組成部分是強驅動、力反饋集成式電液主配壓閥，以下予以重點介紹。

３強驅動、力反饋集成式電液主配壓閥

強驅動、力反饋集成式電液主配壓閥伺服部分的原理框圖如圖２所示。在圖中，擺動電機將從驅動放大器輸入的功率驅動信號轉變為相應的力去驅動先導閥；先導閥在該力作用下輸出流量，使輔助接力器產生位移；輔助接力器的位移一方面使主配壓閥輸出流量，去推動主接力器，另一方面通過位移——力變換器將其位移變換為力，反饋給先導閥，促使先導閥復中；穩定后先導閥所受輔助接力器的反饋力與擺動電機的驅動力大小相等、方向相反，從而處于中位，輔助接力器及主配壓閥則處于與驅動力成正比的位移位置。在這個過程中，先導閥的位移量實際上很小，因而可以應用輸出位移雖然不大但輸出力卻很大的電——機轉換器，如擺動電機、比例電磁鐵、步進電機等，以產生很強的驅動力，進一步提高其抗油污能力；而輔助接力器及主配壓閥的位移量并不受先導閥位移量的限制，可以在相當大的范圍內根據需要進行設計：因為在同樣的驅動力下輔助接力器及主

配壓閥所對應的位移量與反饋彈簧的剛度有關，剛度大位移量小，剛度小則位移量大。因而該方案具有寬廣的適用范圍。下面結合圖３較詳細地介紹該方案的基本結構和工作原理。圖３是強驅動、力反饋集成式電液主配壓閥的原理結構圖。圖中，主配壓閥及其與輔助接力器的連接、開機時間及關機時間的調整機構等都是常規的，不再贅述。

核心部分的基本結構是：擺動電機（其本體部分未在圖中示出）的偏心輸出軸通過滾動軸承、連接件、軸銷與先導閥閥芯的上端連接；先導閥的輸出油路通輔助接力器的上腔；輔助接力器活塞的上部同心的裝有位移——力變換器；位移——力變換器由反饋彈簧、上彈簧座、下彈簧座和反饋桿組成，反饋桿的上端與先導閥閥芯的下端固接。

核心部分的工作原理是：擺動電機在功率驅動信號的作用下產生相應的角位移，通過其偏心輸出軸、滾動軸承、連接件、軸銷使先導閥閥芯產生對應的軸向直線位移，例如擺動電機在視圖的順時針方向上產生角位移，那么先導閥閥芯則產生向下的直線位移，先導閥閥芯的控制閥盤上沿開啟，將輔助接力器的上腔與回油接通，輔助接力器活塞在主配壓閥閥芯向上作用力的推動下產生向上的位移，位移——力變換器的上彈簧座與內螺套分離，反饋彈簧的壓縮力即通過反饋桿反饋給先導閥閥芯，該反饋力是向上的，將使先導閥閥芯向中位方向移動，穩定后反饋力與驅動力相等，先導閥閥芯恢復到中位，控制閥盤將閥口關閉，此時輔助接力器活塞及主配壓閥閥芯向上的的位移量與先導閥閥芯所受向下的驅動力成正比。

反之，擺動電機在反時針方向上產生角位移——先導閥閥芯向上位移——先導閥閥芯的控制閥盤下沿開啟——輔助接力器的上腔與壓力油接通——輔助接力器活塞在上腔油壓的作用下克服主配壓閥閥芯向上的作用力而產生向下的位移——位移—力變換器的下彈簧座與輔助接力器活塞中安裝位移—力變換器的腔體下部臺階分離

——反饋彈簧的壓縮力通過反饋桿以向下的方向反饋給先導閥閥芯——先導閥閥芯向中位移動——穩定后反饋力與驅動力相等，先導閥閥芯恢復到中位，控制閥盤將閥口關閉，此時輔助接力器活塞及主配壓閥閥芯向下的位移量與先導閥閥芯所受向上的驅動力成正比。

由上可見，該結構具有以下幾個特點：

（１）輔助接力器活塞及主配壓閥閥芯的位移并由此決定的主配壓閥輸出流量的大小和方向與擺動電機的輸出力的大小和方向一一對應。

（２）先導閥閥芯在工作過程中的位移量很小，而輔助接力器活塞及主配壓閥閥芯的位移量卻可以很大，這取決于反饋彈簧的剛度，剛度大位移量小，剛度小則位移量大。因此，相同的伺服控制機構可以配備不同的主配壓閥。

（３）先導閥閥芯所受驅動力遠比阻力大，能夠有效地提高伺服系統的伺服精度。

（４）反饋彈簧有一定的預壓縮量，用以克服先導閥閥芯在零態時所受的阻力，使該伺服機構在零態時變為直接位置反饋式，從而提高了伺服機構的零態精度，即減小了其零點漂移和滯環。

（５）由于先導閥閥芯在工作過程中的位移量很小，因而可以在不增加電——機轉換器功率的前提下大大增強作用于先導閥閥芯的驅動力，從而顯著提高了整個伺服系統的抗油污能力；并且，從系統設置來看，它取消了常規系統中在輔助接力器活塞內設置的引導針塞這個中間環節，從而使系統的零點漂移和滯環明顯降低，伺服精度、傳遞速度和可靠性進一步提高。

（６）由于在其液壓伺服機構中傳遞的是力信號，故從擺動電機至先導閥閥芯之間的裝配間隙對其伺服精度的影響甚小，因而能放寬有關零部件加工裝配及檢修的工藝要求，更重要的是能夠延長其使用壽命。

（７）采用擺動電機作電——機轉換器，它比比例電磁鐵的摩擦力和滯環小，比常用的力/力矩馬達的功率大，并且可以通過簡單的偏心機構方便地獲得很強的驅動力；同時，也可以方便地在其伸出外部的軸上安裝手操旋鈕，以便精細地進行機構調整和手動操作。

（８）反饋彈簧有一定的預壓縮量，將會給伺服系統引入較大的死區，需要在擺動電機的驅動放大器中采取合適的補償措施。

（９）設置有事故停機電磁鐵，當電磁鐵線圈通電時，其輸出桿通過連接件將先導閥閥芯壓下，實現事故停機。這與常規配置方式不同，常規方式是單獨配置事故停機電磁閥，由于電磁閥在機組正常運行時長期處于不動作的狀態，閥芯容易生繡發卡，并且不便于在機組正常運行中進行檢查，從而給機組的保護造成隱患。而本配置方式則可以完全消除此類隱患。因為其先導閥閥芯在機組正常運行中是處于經常動作狀態的，不存在生繡

問題，即使由于油質嚴重劣化導致先導閥閥芯阻滯，也能被及時發現——調速器反應遲鈍、死區大，從而能夠得到及時處理。同時，在其事故停機電磁鐵動作時，是以撞擊方式作用于先導閥閥芯的，撞擊力非常大，即使先導閥閥芯的滯阻故障未來得及消除（但并非卡死——從滯阻到卡死一般要經歷較長的時間），也能保證機組可靠停機。又由于事故停機電磁鐵對先導閥閥芯作用的行程很短，此時電磁鐵的氣隙很小，電磁力本身就相當大，更有利于事故停機的實現。因此，這是一種優化的配置方式，從整體上把調速器的可靠性和抗油污能力提高到更新的水平。

（１０）本結構未設置濾油器。因為其抗油污能力極強，一般的油污染不會導致明顯的不良后果，雖然油質嚴重劣化所產生的膠狀粘性物質會導致先導閥閥芯、輔助接力器、主配壓閥等發生阻滯甚至粘著故障，但通常設置的濾油器并不能有效地阻擋這樣的粘性物質。要預防油中生成粘性物質，必須從選用優質油、精心維護、定期處理等方面加以保證。

４主要技術性能指標試驗結果

試驗結果見表１所示：

５運行方式及效果

該調速器有自動和手動兩種運行方式。自動運行時電子調節器工作，手、自動切換開關置于自動位置；手動運行時手、自動切換開關于置于手動位置或電子調節器退出工作，通過手操旋紐對主接力器進行操作。由于電子調節器具有自動跟蹤的功能，兩種運行方式相互切換時一般不必附加其它條件，因此操作非常方便。但對大多數小型調速器而言，因為還有一種依靠人力通過手輪進行操作的手動運行方式，當其投入時自動調節將不起任何作用，因而在自動運行時必須將其退出。

就運行效果而言，三臺調速器自投運以來從未發生電液主配壓閥發卡的問題，證明其可靠性和抗油污能力極高。

４號機調速器在投運之初，由于主配壓閥閥芯的搭接量不足，曾出現調速器壓油裝置打油頻繁和液壓手動運行時主接力器漂移等現象，后更換了閥芯，解決了問題。

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｈｅｓｔｒｉｖｅｄｒｉｖｅ，ｆｏｒｃｅｆｅｅｄｂａｃｋｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｈｙｄｒａｕｌｉｃ｛ｔｕｒｂｉｎｅ

ｔｏｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒｓｔａｔｉｏｎｂｅｈｉｎｄｔｈｅＳｈｉｔｏｕｈｅＤａｍ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒｓｔａｔｉｏｎｅｑｕｉｐｐｅｄｗｉｔｈｓｔｒｉｖｅｄｒｉｖｅ，

ｆｏｒｃｅｆｅｅｄｂａｃｋｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｈｙｄｒａｕｌｉｃ／ｔｕｒｂｉｎｅｂｅｈｉｎｄｔｈｅｄａｍｏｆＳｈｉｔｏｕｈｅＲｅｓｅｒｖｏｉｒａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｗｉｔｈ

ｔｈｅｅｍｐｈａｓｅｓｏｎｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｌｉｑｕｏｒｃｈａｐｅｒｏｎａｇｅｏｆｓｐｅｅｄｒｅｇｕｌａｔｏｒ，ａｎｄｔｈｅｋｅｙｐａｒｔｓ／ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｖａｌｖｅ

ｏｆｓｔｒｉｖｅｄｒｉｖｅ，ｆｏｒｃｅｆｅｅｄｂａｃｋｔｙｐｅ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ／ｔｕｒｂｉｎｅ；ｓｐｅｅｄｒｅｇｕｌａｔｏｒ；ｅｌｅｃｔｒｉｃｌｉｑｕｏｒｃｈａｐｅｒｏｎａｇｅ；ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｅｌｅｃｔｒｉｃｌｉｑｕｏｒ