CN107532564A - 用于可潜水电机驱动控制的控制系统 - Google Patents

用于可潜水电机驱动控制的控制系统 Download PDF

Info

Publication number
CN107532564A
CN107532564A CN201680028287.6A CN201680028287A CN107532564A CN 107532564 A CN107532564 A CN 107532564A CN 201680028287 A CN201680028287 A CN 201680028287A CN 107532564 A CN107532564 A CN 107532564A
Authority
CN
China
Prior art keywords
control
control unit
hydraulic
control signal
electric actuator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201680028287.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107532564B (zh
Inventor
丹尼尔·圣·劳伦
托马斯·弗兰德
塞缪尔·布沙尔
丹尼斯·奥特斯
多纳特·皮克罗恩
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Franklin Empire Ltd
Original Assignee
Franklin Empire Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Franklin Empire Ltd filed Critical Franklin Empire Ltd
Publication of CN107532564A publication Critical patent/CN107532564A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107532564B publication Critical patent/CN107532564B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B15/00—Controlling
    • F03B15/02—Controlling by varying liquid flow
    • F03B15/04—Controlling by varying liquid flow of turbines
    • F03B15/06—Regulating, i.e. acting automatically
    • F03B15/08—Regulating, i.e. acting automatically by speed, e.g. by measuring electric frequency or liquid flow
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B3/00—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto
    • F03B3/16—Stators
    • F03B3/18—Stator blades; Guide conduits or vanes, e.g. adjustable
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B3/00—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto
    • F03B3/16—Stators
    • F03B3/18—Stator blades; Guide conduits or vanes, e.g. adjustable
    • F03B3/183—Adjustable vanes, e.g. wicket gates
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B15/00—Controlling
    • F03B15/02—Controlling by varying liquid flow
    • F03B15/04—Controlling by varying liquid flow of turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B15/00—Controlling
    • F03B15/02—Controlling by varying liquid flow
    • F03B15/04—Controlling by varying liquid flow of turbines
    • F03B15/06—Regulating, i.e. acting automatically
    • F03B15/16—Regulating, i.e. acting automatically by power output
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/006—Means for protecting the generator by using control
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2220/00—Application
    • F05B2220/30—Application in turbines
    • F05B2220/32—Application in turbines in water turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/845—Redundancy
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2270/00—Control
    • F05B2270/10—Purpose of the control system
    • F05B2270/107—Purpose of the control system to cope with emergencies
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2270/00—Control
    • F05B2270/60—Control system actuates through
    • F05B2270/602—Control system actuates through electrical actuators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2270/00—Control
    • F05B2270/60—Control system actuates through
    • F05B2270/604—Control system actuates through hydraulic actuators
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20—Hydro energy
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Fluid-Pressure Circuits (AREA)
  • Control Of Water Turbines (AREA)
  • Other Liquid Machine Or Engine Such As Wave Power Use (AREA)
  • Hydraulic Turbines (AREA)

Abstract

用于控制水电产生系统的操作的系统和方法，水电产生系统包括可操作地连接在导叶操作环的相对的位置以将导叶旋转到所需位置的电气致动器。系统接收指定用于包括可操作地连接至单个流体容器并且配置为一前一后地工作以产生同时并且相反的轴向运动的液压致动器的液压系统的单个控制信号。系统包括适于产生新控制信号的控制接口，每个新信号意图用于不同电气致动器以使电气致动器具有在速度上相同并且在相反方向上的轴向运动以实质上模拟液压致动器对于导叶操作环的精确运动。系统配置为引入阻尼效应以降低在液压系统中有目的地用于克服摩擦和静态效应的突然加速和减速。

Description

用于可潜水电机驱动控制的控制系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年3月19日提交的美国临时专利申请No.62/135327的优先权，其申请文件通过引入并入本文。
技术领域
所公开的主题大体涉及水轮机。
背景技术
用于在水电产生中调节水流的传统涡轮机被使用油基液压电机控制以开启和关闭涡轮机叶片。这些液压系统包括污染物，诸如在用于维持系统的操作所需的压力管线、泵和容器中的液压油。这些污染物大量存在并且在一般的大坝中可以高达30000升。
与这类电机相关联的主要缺点是诸如液压油的污染物泄漏到水中。
在正常操作期间，例如维护期间，或者在由于系统的老化的正常操作中(一些系统已经操作超过75年)，会发生过量的漏油。在泄漏发生时，油释放到环境中，从而污染水源。
另外，主要系统故障(由通过上游过滤的河流碎屑、不规律的水流或者系统中的机械故障)可以造成大的压力逆流，从而淹没整个涡轮机和涡轮机流式控制系统，并且从液压系统中释放显著量的油到河流中，造成严重的环境损害。
因此，仍然需要环境友好并且同时可以潜水的水电产生系统以替代现存系统。
发明内容
共同发明和共同所有的国际专利申请PCT/CA2015/000253(其整体通过引用并入本文)描述了可潜水无油水电产生系统，其用电气致动器替代现存的以活塞工作的液压致动器，电气致动器通过使用螺纹/齿轮组件顺时针旋转一个电气致动器并且同时逆时针旋转另一个来开启和关闭涡轮机的导叶操作环。
然而，在升级具有使用液压系统控制的涡轮机的现存大坝中的控制系统时，存在使用发送给每个涡轮机的液压系统的现存控制信号来控制无油系统的电气致动器的任务。这一控制信号发送自水电厂处的用于如基于电网负载要求、河流源水位和其他因素所需而控制每个涡轮机的中央控制系统。
适应于并且使用现存控制信号的任务是由于若干因素，包括但不限于：
-测试：在新的可潜水无油系统将要测试时，现存的油基液压控制系统被移除以由上述无油水电产生系统替代。因此，新系统必须与现存控制信号兼容，特别是，这样的控制依赖于大坝中若干涡轮机的同时响应，以便控制电力的产生。
-对于电力的恒定需求和通过河流/大坝的恒定水流：规定适用于并且使用现存控制系统的需要的另一因素在于，由于对于电力的不断需求以及河流/大坝中的不断水流，不可能从大坝移除所有的油基液压控制系统。因此，与每个涡轮机相关联的控制系统需要在大坝中的其他涡轮机正在工作的同时逐个地更换。
-其他因素：存在规定使用现存控制信号的许多其他因素，包括但不限于，与改变整个电力产生控制系统和中央控制系统等相关联的成本。
在一个方面，提供了一种系统，用于控制在其中针对液压致动器生成控制信号的液压控制环境中的水电涡轮机的电气致动器系统的操作，所述电气致动器系统包括在相对的位置可操作地连接至导叶操作环的第一和第二电气致动器，所述系统包括：控制接口，配置为接收液压控制信号并且处理所述液压控制信号以生成用于控制所述第一电气致动器的运动的第一控制信号以及用于控制所述第二电气致动器的运动的第二控制信号；其中，所述第一和第二控制信号使所述第一和第二电气致动器具有在速度上相同且在方向上相反的轴向运动，用于将所述导叶操作环旋转到所需位置，从而模拟所述液压致动器的运动。
在另一方面，提供了一种方法，用于改造液压控制环境中的水电涡轮机的电气致动器系统，所述电气致动器系统包括在相对的位置可操作地连接至导叶操作环的第一和第二电气致动器，所述方法包括：接收并且处理指定给液压致动器的单个液压控制信号；基于所接收的液压控制信号，生成用于控制所述第一电气致动器的运动的第一控制信号以及用于控制所述第二电气致动器的运动的第二控制信号；并且所述第一和第二控制信号使所述第一和第二电气致动器具有在速度上相同且在方向上相反的轴向运动，用于将所述导叶操作环旋转到所需位置。
在又一方面，提供了一种系统，用于改造液压控制环境中的水电涡轮机的电气致动器系统，所述系统包括：控制接口，配置为接收针对液压致动器生成的液压控制信号并且处理所述液压控制信号，以生成用于控制第一电气致动器的运动的第一控制信号以及用于控制第二电气致动器的运动的第二控制信号；所述第一和第二电气致动器在相对的位置可操作地连接至导叶操作环，所述导叶操作环连接至所述涡轮机的旋转导叶。所述第一和第二控制信号使所述第一和第二电气致动器具有在速度上相同且在方向上相反的轴向运动，用于将所述导叶操作环旋转到所需位置，从而实质上模拟所述液压致动器响应于所述液压控制信号的精确运动。
根据如在附图中示出的选定实施例的以下详细描述，其主题的特征和优点将变得明显。如将意识到的，公开和请求保护的主题能够在各方面进行修改，只要不偏离权利要求的范围。因此，附图和说明书应视为本质上是说明性的，而不是限制性的，并且主题的整个范围在权利要求中阐述。
附图说明
根据结合附图展开的以下详细描述，本公开的进一步特征和优点将变得明显，其中：
图1a和1b是根据实施例的示出可潜水的水电产生系统的工作环境的3D表示；
图2是根据实施例的示出附接于真实实施方式中的涡轮机的致动器的照片；
图3a示出使用传统液压系统的涡轮机的控制；
图3b示出根据本实施例的使用电气致动器的涡轮机的控制；
图4a示出发送给液压控制系统以控制给定涡轮机的操作的速度控制信号的示例；
图4b示出响应于意图用于液压系统的图4a中示出的速度信号而由EDMCS输出给电气致动器的速度控制信号的示例；
图5示出根据实施例的EDMCS的示例性方框图；
图5a示出在单元之一的A/D发生故障时故障机构的示例性配置；
图6a是根据实施例的EDMCS的前透视图；
图6b是图6a的EDMCS的后视图；以及
图7是用于改造液压控制环境中的水电涡轮机的电气致动器的方法的流程图。
应注意，在整个附图中，类似特征由类似附图标记标示。
具体实施方式
实施例描述了用于改造在使用液压控制环境控制的水电产生系统中的电气致动器系统的系统和方法。系统配置为操作水电产生系统，其包括可操作地连接在导叶操作环的相对的位置用于将导叶旋转到所需位置的电气致动器。系统接收指定用于包括液压致动器的液压系统的单个控制信号。液压致动器可操作地连接至单个流体容器并且配置为产生同时和相反的轴向运动。系统配置为处理单个控制信号以产生新控制信号，每个新信号意图用于不同的电气致动器以使电气致动器以相同速度并且在相反方向上旋转以实质上模拟液压致动器对于导叶操作环的精确运动，例如造成导叶的实质上相同的开启/关闭。系统配置为通过引入意图用于降低突然加速和减速的阻尼效应来修改信号以保护齿轮，突然加速和减速在液压系统中有目的地用于克服摩擦和静态效应并且增大响应性。还描述了故障安全机构以确保在正常操作期间以及紧急情况下不同元件的正确操作。
如上所述，共同发明和共同所有的国际专利申请PCT/CA2015/000253描述了用于控制水电生产厂处的涡轮机操作的可潜水电机驱动致动器。电机驱动致动器替代现存的液压致动器以便防止在异常操作情形下油泄漏到河流中。在实施例中，电机驱动致动器包括两个致动器，涡轮机的导叶操作环在上游和下游位置的每一侧有一个。两个致动器必须一前一后地工作以执行它们的规则功能。以下参照图1a和1b说明示例。
图1a和1b是示出根据实施例的可潜水水电产生系统的工作环境的3D表示。
如图1a和1b所示，工作环境可以包括不可潜水模块，其包括变压器模块、自动馈电模块、控制面板模块以及冷却系统。可潜水水电产生系统包括可潜水涡轮机130以及可潜水涡轮机电气控制致动器系统134。如图1b所示，涡轮机130可以设置在壳体结构中(在不可潜水元件和模块下方)以控制来自流过涡轮机130的入水的电力产生。
图2是示出附接于真实实施方式中的涡轮机的致动器的照片。应提及的是，致动器的直径的尺寸在其整个运动范围内大约为2至4英尺，并且涡轮机的直径大约为12英尺。这仅为说明目的，因为涡轮机和致动器可以取决于水电大坝的生产能力而在尺寸上变化。
在实施例中，致动器134a和134b的控制使用电驱动电机控制系统(EDMCS)来完成，EDMCS可以设置在控制面板内以确保两个致动器134的正确控制。在实施例中，EDMCS(也称为控制接口)用作由电厂处的中央控制系统140发送的现存控制信号(并且其指定用于液压控制环境)与电气致动器134之间的接口。参照图3a和3b提供示例。
图3a示出使用传统液压系统的涡轮机的控制。如图3a所示，中央控制系统140与大坝中的每个涡轮机130-1至130-n通信以控制涡轮机中的叶片的开启和关闭，用于调节水流并且因此调节每个个体涡轮机的速度和电力产生。位置传感器133(图1中示出)设置在每个涡轮机130上以将叶片的位置报告回到中央控制系统140(位置传感器133通常设置在叶片所连接至的导叶操作环上)。中央控制系统使用接收自位置传感器133的信息以确定发送给液压控制系统的信号的速度和持续时间。
返回参照图3a，中央控制系统140包括：中央控制器142，如上所述，其基于电厂需求、水位和其他因素等确定所需的电力总量；以及与每个涡轮机130相关联的速度控制模块143，其配置为基于相关联的中央控制器142的指令确定大坝中的相关联的涡轮机130的开启和关闭，例如使第一涡轮机130开启到全部生产能力和/或开启第二涡轮机到90％生产能力，同时完全关闭第三涡轮机等。不必说，速度控制模块也可以人工配置，用于关闭给定涡轮机以便维护等。速度控制模块144将控制信号发送给每个涡轮机130。控制信号是速度信号，其确定现存液压致动器的速度和运动持续时间。
现存液压致动器用作活塞，其将油压转换为轴向运动，以便开启/关闭叶片(也称为导叶)所附接至的导叶操作环136。例如，如果从控制器142接收到用于控制大坝中的全部涡轮机130以全部生产能力生产的指令，速度控制模块144将基于每个涡轮机的当前位置来确定液压致动器的速度、运动方向以及运动持续时间，以便将该涡轮机的叶片从现存位置开启到完全开启位置。
在典型的涡轮机中，速度控制模块将4至20mA的信号发送给每个涡轮机以便管理该涡轮机的开启和关闭。在12mA时，用于液压控制系统146的指令将液压致动器保持在当前位置。从12.1至14mA，指令针对第一致动器(也称为上游)推并且同时针对第二致动器(也称为下游)拉，以便开启涡轮机。从9至11.9mA，致动器应该做相反的动作(第一致动器拉并且第二致动器推以便关闭涡轮机)。液压系统通常使用液压管线内的脉冲振荡阀来操作以克服原始系统中的许多液压信号阀内产生的静摩擦。在实施例中，小于1mA的振荡被用于提供克服静摩擦所需的必要脉冲。这样的振荡在液压系统中是需要的，但会极大地损害和减少与电气致动器134相关联的齿轮的寿命。
EDMCS的挑战在于其作为如基于电厂负载要求、河源水位和其他因素要求地管理多个涡轮机的现存的整个电厂控制系统内的完全改造的系统的功能。换言之，EDMCS的功能性的主要挑战在于，液压系统的特性完全不同于电气系统。因此，由电厂中的中央控制系统140发送的意图控制液压系统的现存控制信号不能用于控制电气致动器134。EDMCS配置为接收现存控制信号并且将其转换以用于电气致动器。
图3b示出根据本实施例的使用电气致动器的涡轮机的控制。图3b中假定涡轮机130-1已经升级以使用电气致动器134而不是用于控制其他涡轮机130-2至130-n的液压致动器。如图3b所示，EDMCS 148接收意图用于液压致动器的传统控制信号并且将该信号转换为意图用于控制涡轮机130-1的电气致动器系统134的新信号。紧急情况线143可以设置在中央控制站140与每个液压控制单元146和EDMCS 148之间，绕过速度控制模块144以便在诸如速度控制模块144或者任一个模数转换模块152发生故障的紧急情形下使涡轮机130立即关闭。
挑战
如上所述，EDMCS的主要挑战在于其作为指定用于管理使用液压系统控制的多个涡轮机的现存的整个电厂内的完全改造的电气系统的功能，而液压系统的特性完全不同于电气系统。
妨碍现存控制信号适用于电气致动器的主要挑战之一在于，它们急剧的强度变化造成电气致动器的齿轮的过早失效。具体地，由于对活塞接口的油封，液压系统倾向于具有较高的初始表面张力要克服，而电机的最大扭矩发生在速度＝0RPM(对于诸如用于这一配置中的永磁电机来说)。同样，液压系统中的压缩油的本质缓冲效应阻尼了致动器在其停止或开始运动时的震击效应，而电气情况不具有这样的阻尼好处。由于电机系统上的致动器的螺纹的容差，如由电厂的速度传感器指令的致动器的加速和减速将造成撞击和震击，以及由此带来的齿轮组的过早磨损，导致维护问题，这将必然增大由于致动器的开始和停止时的震击效应造成的螺纹的更换频率。参照图4a和4b说明示例。
图4a示出发送给液压控制系统以用于控制相关联的涡轮机的操作的速度控制信号的示例。如图4所示，在A区中，强度在12mA以保持当前位置。在B区，强度已经从12mA增加到14mA以便开启涡轮机，随后在C区，指令用于保持当前位置。在D区中，指令用于关闭涡轮机并且强度从12mA下降到9mA，造成涡轮机的突然关闭。这样的急剧强度变化在液压系统146中是可接受的。事实上，它们被需要以特别用于开始运动并且克服静摩擦，并且它们甚至可以更高以克服静摩擦。然而，电机在零RPM时具有最大扭矩并且强度的突然改变将造成齿轮上的震击并且将降低它们的耐用性。
为了控制电气致动器并且同时减少由于现存速度控制信号的强度的突然变化造成的齿轮上的震击效应，EDMCS 148配置为将接收自速度控制模块144的速度控制信号转换为适用于电气致动器134的新的控制信号并且在每个速度(和强度)的改变处引入阻尼效应，其由电气致动器需要以便避免/减小齿轮上的震击。
图4b示出响应于图4a中示出的意图用于液压系统的速度信号，由EDMCS输出给电气致动器的速度控制信号的示例。如图4b所示，发送给电气致动器的控制信号包括阻尼区，其将运动逐渐引入到电气致动器。例如，在图4a中，A区与B区之间的过渡是突然的，以便克服液压系统中的静摩擦。相对地，图4a中的相应区开始于低强度，其逐渐增加以便减小扭矩并且将运动平滑地引入到齿轮以避免主要由高扭矩的突然运动和齿轮的容差造成的撞击和震击。
同样情况应用于B区与C区之间的停止运动，其中在液压系统中强度从全速度立即下降到全停止。密封和接头中的弹性减少了液压系统中的冲击。然而，为了使停止不会影响电气致动器中的齿轮，EDMCS 148逐渐减小速度控制信号的强度以便减少对于齿轮的震击和撞击效应。
EDMCS应对的其他挑战在于以下事实，即，现存液压系统接收一个控制信号，其转化为液压容器中的液压，以允许两个液压致动器同时运动而无需每个致动器使用单独的控制系统。这些液压致动器用作活塞，其将油压转换为轴向运动以便开启/关闭叶片所附接至的导叶操作环，其中，施加于一个活塞的正压力与施加于另一活塞的负压力相同，从而造成液压致动器的同时和相反的运动。
诸如在共同发明和共同所有的国际专利申请PCT/CA2015/000253中描述的那些的电气致动器不是这个情况。这些致动器需要单独控制以便确保正确的运动。另外，需要实施复杂的系统故障机制以便在一个或多个元件发生故障的情况下采取必要措施，以便避免水电产生系统的周围机械和电气元件的进一步损害。
图5示出根据实施例的EDMCS的示例性方框图并且图5a示出在单元之一的A/D发生故障时故障机构的示例性配置。图6a是根据实施例的EDMCS的前透视图；以及图6b是图6a的EDMCS的后视图。
如图5所示，EDMCS包括两个控制单元150：与第一致动器134a(也称为上游致动器)相关联的第一控制单元150a以及与第二致动器134b(也称为下游致动器)相关联的第二控制单元150b。提供给两个单元150a和150b的指令是完全相同的，并且由这些单元150中的每一个提供的输出也是如此，不同的是致动器之一的驱动系统中的电场的反转使电机在相反方向旋转。这是重要的，因为致动器134需要以相同速度但在不同方向上操作以便开启和关闭导叶操作环。因此，为了避免重复，在此将仅提供这些单元150之一的操作。
参照回到图5，每个控制单元150包括A/D转换器152，其配置为接收在图4a中例示的意图用于液压致动器的方波控制信号并且将该信号转换为数字格式。A/D转换器152a将模拟速度传感器信号(4-20mA)转换为数字格式，用于在运动控制模块154a中处理。该信号的数字版本在运动控制模块154处接收。运动控制模块154a代表处理器，其基于来自工厂的速度传感器的输入来决定是以顺时针还是逆时针方式来旋转致动器以及旋转的持续时间，以便以模拟液压致动器的方式来旋转导叶。
换言之，电气致动器系统应该以与液压致动器系统实质上相同的方式来响应于液压控制信号，以避免中央控制站中的任意改变。运动控制模块154是智能模块，其控制相关联的致动器134的运动。运动控制模块154a配置为处理所接收的信号并且阻尼图4a中例示的信号，以便减少齿轮上的震击并且减少造成突然加速和/或减速的急剧边缘，该突然加速和/或减速损害与致动器相关联的齿轮。控制单元150a包括驱动控制模块156a和驱动系统160a。驱动控制模块156a用作将运动控制的信号输出转化为驱动系统可以理解的信号。驱动系统160a是与电机配套并且包括内部功率放大器的模块，该内部功率放大器允许充足的电流汲取以按照运动控制154a要求的方式来操作电机。
在实施例中，每个控制单元150可以同样包括专用的安全控制系统155a，其功能是用于管理由于涡轮机致动器的异常操作而发生的所有安全超控。在需要时，安全控制系统155超控运动控制模块154并且将安全信号(例如，在所需的安全协议下限制致动器的速度或自动关闭)发送给驱动控制156(通过运动控制模块154)，其必须超控运动控制模块154的信号，并且如安全控制模块155指令地那样动作。在模块之间的通信链路之一发生故障时，该安全控制系统155利用类似于冗余管理系统164的开关156来操作。
控制单元150b的功能完全相同，除了驱动控制和驱动控制系统150b使致动器134b在与致动器134a相反的方向上旋转以外。
如图5所示，开关164设置在两个控制单元150a和150b之间。在实施例中，开关164操作冗余环，其测试(ping)控制单元中的不同模块以确保正确工作并且在通信环发生故障时介入。例如，如果A/D152a停止工作，开关将把A/D 154b的输出提供给运动控制154a，如图5a例示的。
警报/警告可以发送给操作者以警告他们而不造成涡轮机的关机。
然而，在驱动控制156a或驱动系统160a中出现任意故障时，开关164将激活电机134a(未示出)的断电，从而使电机134a凭惯性前进(freewheel)。在这样情况下，致动器134b将在正常模式下操作，使整个涡轮机以自动机械方式关闭(其中，在一个电机工作而另一个不工作时，将自动发生关闭)。警报发送给中央控制站140以警告操作者该情形。
为控制单元150a和150b的每一个提供主电池包170a和170b，其向致动器提供足够能量以在紧急情况下动作。在实施方式的非限制示例中，每个电池包配置为向相关联的致动器供电以在电厂中的失电事件中执行至少3个开启/关闭周期。在主电池包之一失效的事件中，可以提供次备份电池包171。在实施例中，可以提供电池管理系统172a和172b以确保主电池包中的任意故障被检测并且电厂失电事件中的能量要求来自操作的主电池包或者次备份电池包。在实施例中，次备份电池包171可以配置为包括其自己的电池管理系统173以同样地确保次备份电池包中的任意故障被检测。
图7是用于改造液压控制环境中的水电涡轮机的电气致动器系统的方法300的流程图。电气致动器系统包括在相反位置可操作地连接至导叶操作环的第一和第二电气致动器。通过接收并且处理指定用于液压致动器的单个液压控制信号，方法开始于步骤310。在步骤320，方法包括基于所接收的液压控制信号，生成用于控制第一电气致动器的运动的第一控制信号以及用于控制第二电气致动器的运动的第二控制信号。在步骤330，第一和第二控制信号使第一和第二电气致动器具有在速度上相同并且在方向上相反的轴向运动，用于将导叶操作环旋转到所需位置。
虽然以上已经描述并且在附图中示出了优选实施例，对于本领域的技术人员明显的是，在不偏离这一公开的情况下可以做出修改。这样的修改被认为是包括在该公开的范围中的可能变型。

Claims (20)

1.一种用于控制液压控制环境中的水电涡轮机的电气致动器系统的操作的系统，在所述液压控制环境中针对液压致动器生成控制信号，所述电气致动器系统包括在相对的位置可操作地连接至导叶操作环的第一和第二电气致动器，
所述系统包括：
-控制接口，配置为接收液压控制信号并且处理所述液压控制信号以生成用于控制所述第一电气致动器的运动的第一控制信号以及用于控制所述第二电气致动器的运动的第二控制信号；
其中，所述第一和第二控制信号使所述第一和第二电气致动器具有在速度上相同且在方向上相反的轴向运动，用于将所述导叶操作环旋转到所需位置，从而模拟所述液压致动器的运动。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制接口配置为将阻尼效应引入到所述第一和第二控制信号以减小所述液压控制信号的急剧强度变化对所述电气致动器的齿轮的影响。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制接口包括专用于所述第一电气致动器的第一控制单元以及专用于所述第二电气致动器的第二控制单元，所述第一和第二电气单元实质上是相同的并且适于接收相同的液压控制信号以分别产生所述第一和第二控制信号。
4.根据权利要求3所述的系统，还包括可操作地连接在所述第一控制单元和所述第二控制单元之间的第一开关，所述第一开关适于测试所述第一和第二控制单元的元件以由所述第二控制单元中的相应元件超控第一控制单元的功能失常的元件的输出，以确保在给定元件失效时所述电气致动器的正确操作。
5.根据权利要求3所述的系统，其中，每个控制单元包括：
-运动控制模块，适于基于所述液压控制信号确定相应电气致动器的旋转的方向和/或持续时间；
-驱动控制模块，适于将所述运动控制模块的输出转换为兼容于与该相应电气致动器相关联的驱动系统的电气信号。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，每个控制单元包括安全控制模块，适于在紧急情况时超控所述运动控制模块和所述驱动控制模块两者以将紧急情况信号发送至所述驱动系统。
7.根据权利要求6所述的系统，还包括可操作地连接在所述第一和第二控制单元的所述安全控制模块之间的第二开关，所述第二开关适于测试所述安全控制模块以由来自所述第二控制单元的功能正常的安全控制模块的输出超控所述第一控制单元的功能失常的安全控制模块的输出。
8.根据权利要求5所述的系统，还包括：
-专用于每个控制单元的主电池备份；
-配置为备份所述主电池备份中的至少一个的次电池备份；以及
-电池管理模块，可操作地连接在每个控制单元的所述主电池备份与所述次电池备份之间，用于管理在紧急情况时对每个控制单元的电力供应。
9.一种用于改造液压控制环境中的水电涡轮机的电气致动器系统的方法，所述电气致动器系统包括在相对的位置可操作地连接至导叶操作环的第一和第二电气致动器，
所述方法包括：
-接收并且处理指定给液压致动器的单个液压控制信号；
-基于所接收的液压控制信号，生成用于控制所述第一电气致动器的运动的第一控制信号以及用于控制所述第二电气致动器的运动的第二控制信号；
-所述第一和第二控制信号使所述第一和第二电气致动器具有在速度上相同且在方向上相反的轴向运动，用于将所述导叶操作环旋转到所需位置。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括将阻尼效应引入到所述第一和第二控制信号以减小所述液压控制信号的急剧强度变化对所述电气致动器的齿轮的影响。
11.根据权利要求9所述的方法，还包括使用专用控制单元来控制每个电气致动器，其中第一控制单元生成所述第一控制信号并且第二控制单元生成所述第二控制信号。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括在所述第一控制单元和所述第二控制单元之间提供第一冗余开关，用于以所述控制单元之一中的对应元件的输出超控另一控制单元的功能失常的元件的输出。
13.根据权利要求11所述的方法，还包括，在每个控制单元中提供安全控制模块，其适于在紧急情形下超控发送给相应致动器的相应控制信号，以强制所述涡轮机的开启/关闭。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括在所述第一和第二控制单元的所述安全控制模块之间提供第二冗余开关，用于以所述控制单元之一中的安全控制模块的输出超控另一控制单元中的另一功能失常的安全控制模块的输出。
15.根据权利要求11所述的方法，还包括提供：
-专用于每个控制单元的主电池备份；
-配置为备份所述主电池备份中的至少一个的次电池备份；以及
-电池管理模块，可操作地连接在每个控制单元的所述主电池备份与所述次电池备份之间，用于管理在紧急情况时对每个控制单元的电力供应。
16.一种用于改造液压控制环境中的水电涡轮机的电气致动器系统的系统，
所述系统包括：
-控制接口，配置为接收针对液压致动器生成的液压控制信号并且处理所述液压控制信号，以生成用于控制第一电气致动器的运动的第一控制信号以及用于控制第二电气致动器的运动的第二控制信号；所述第一和第二电气致动器在相对的位置可操作地连接至导叶操作环，所述导叶操作环连接至所述涡轮机的旋转导叶；
所述第一和第二控制信号使所述第一和第二电气致动器具有在速度上相同且在方向上相反的轴向运动，用于将所述导叶操作环旋转到所需位置，从而实质上模拟所述液压致动器响应于所述液压控制信号的精确运动。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述控制接口配置为将阻尼效应引入到所述第一和第二控制信号以减小所述液压控制信号的急剧强度变化对所述电气致动器的齿轮的影响。
18.根据权利要求16所述的系统，其中，所述控制接口包括专用于所述第一电气致动器的第一控制单元以及专用于所述第二电气致动器的第二控制单元，所述第一和第二电气单元实质上是相同的并且适于接收相同的液压控制信号以分别产生所述第一和第二控制信号。
19.根据权利要求18所述的系统，还包括在所述第一控制单元和所述第二控制单元之间的冗余开关，用于以所述控制单元之一中的对应元件的输出超控另一控制单元中的功能失常的元件的输出。
20.根据权利要求18所述的系统，还包括：
-专用于每个控制单元的主电池备份；
-配置为备份所述主电池备份中的至少一个的次电池备份；以及
-电池管理模块，可操作地连接在每个控制单元的所述主电池备份与所述次电池备份之间，用于管理在紧急情况时对每个控制单元的电力供应。
CN201680028287.6A 2015-03-19 2016-03-21 用于可潜水电机驱动控制的控制系统 Active CN107532564B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201562135327P 2015-03-19 2015-03-19
US62/135,327 2015-03-19
PCT/CA2016/050319 WO2016145541A1 (en) 2015-03-19 2016-03-21 Control system for submersible electric motor drive control

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107532564A true CN107532564A (zh) 2018-01-02
CN107532564B CN107532564B (zh) 2019-09-06

Family

ID=56918179

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201680028287.6A Active CN107532564B (zh) 2015-03-19 2016-03-21 用于可潜水电机驱动控制的控制系统

Country Status (11)

Country Link
US (1) US10605225B2 (zh)
EP (1) EP3271572B1 (zh)
KR (1) KR102179575B1 (zh)
CN (1) CN107532564B (zh)
AU (1) AU2016232959B2 (zh)
BR (1) BR112017020041B1 (zh)
CA (1) CA2980008C (zh)
MX (1) MX2017011967A (zh)
NZ (1) NZ736542A (zh)
RU (1) RU2702936C2 (zh)
WO (1) WO2016145541A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112523928A (zh) * 2020-12-07 2021-03-19 中国长江电力股份有限公司 导叶开度模拟量分段开环控制与调速器变参数pid闭环控制相结合的控制方法及系统

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102019109118B3 (de) * 2019-04-08 2020-03-12 Voith Patent Gmbh Wasserkraftanlage
WO2020207701A1 (de) 2019-04-08 2020-10-15 Voith Patent Gmbh Wasserkraftanlage
DE102019109992B3 (de) 2019-04-16 2020-06-04 Voith Patent Gmbh Wasserkraftanlage
DE102019117642B3 (de) 2019-07-01 2020-08-06 Voith Patent Gmbh Wasserkraftanlage und Verfahren zum Betrieb
CN110821746B (zh) * 2019-10-15 2021-05-25 西安理工大学 一种转桨式水轮机变转速运行的桨叶协联方法
DE102019132930B3 (de) * 2019-12-04 2020-11-12 Voith Patent Gmbh Wasserkraftanlage
US11552582B2 (en) 2020-06-15 2023-01-10 Woodward, Inc. Setpoint identification on retrofit electric actuation

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3960463A (en) * 1973-12-12 1976-06-01 Hitachi, Ltd. Method of starting operation for a pump or a pump turbine
CN85101368A (zh) * 1985-04-01 1987-01-24 株式会社日立制作所 控制可调速水力发电系统的方法及装置
CN1049396A (zh) * 1989-08-08 1991-02-20 株式会社日立制作所 可变速控制的泵系统
JPH09203373A (ja) * 1996-01-29 1997-08-05 Toshiba Corp 可変速水力機械の揚水運転方法
JP2002349410A (ja) * 2001-05-29 2002-12-04 Toshiba Syst Technol Corp 調速制御装置
CN102725514A (zh) * 2010-01-21 2012-10-10 阿尔斯通水电设备法国公司 用于控制液压机的环形阀的运动的装置以及包括这种装置的液压机
CN202611985U (zh) * 2012-06-14 2012-12-19 丰满发电厂 一种水轮发电机组调速器的分段关闭装置

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2300230A1 (fr) * 1975-02-07 1976-09-03 Neyrpic Creusot Loire Perfectionnements aux distributeurs a aubes pivotantes pour machines hydrauliques
JPS6090991A (ja) * 1983-10-26 1985-05-22 Hitachi Ltd 可変速発電電動装置
JPH0587038A (ja) 1991-09-27 1993-04-06 Hitachi Ltd 水力機械の案内羽根開閉装置
JPH1073071A (ja) 1997-07-22 1998-03-17 Hitachi Ltd 水力発電所の案内羽根開閉装置
US20040101401A1 (en) 2002-11-25 2004-05-27 Gerler Timothy David Electromagnetic coupling device for control of hydraulic turbines
US8253290B2 (en) 2009-01-28 2012-08-28 Innovative Motor Controls, Inc. Electronic retrofit controller for hydraulically adjusted printing press
RU2702312C2 (ru) * 2014-04-16 2019-10-07 Франклин Эмпайр Погружная система, способ управления ее работой и электрический привод (варианты)

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3960463A (en) * 1973-12-12 1976-06-01 Hitachi, Ltd. Method of starting operation for a pump or a pump turbine
CN85101368A (zh) * 1985-04-01 1987-01-24 株式会社日立制作所 控制可调速水力发电系统的方法及装置
CN1049396A (zh) * 1989-08-08 1991-02-20 株式会社日立制作所 可变速控制的泵系统
JPH09203373A (ja) * 1996-01-29 1997-08-05 Toshiba Corp 可変速水力機械の揚水運転方法
JP2002349410A (ja) * 2001-05-29 2002-12-04 Toshiba Syst Technol Corp 調速制御装置
CN102725514A (zh) * 2010-01-21 2012-10-10 阿尔斯通水电设备法国公司 用于控制液压机的环形阀的运动的装置以及包括这种装置的液压机
CN202611985U (zh) * 2012-06-14 2012-12-19 丰满发电厂 一种水轮发电机组调速器的分段关闭装置

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112523928A (zh) * 2020-12-07 2021-03-19 中国长江电力股份有限公司 导叶开度模拟量分段开环控制与调速器变参数pid闭环控制相结合的控制方法及系统
CN112523928B (zh) * 2020-12-07 2022-06-03 中国长江电力股份有限公司 导叶开度模拟量分段开环控制与调速器变参数pid闭环控制相结合的控制方法及系统

Also Published As

Publication number Publication date
US20180245565A1 (en) 2018-08-30
RU2017136557A (ru) 2019-04-19
EP3271572B1 (en) 2019-08-07
MX2017011967A (es) 2018-06-06
BR112017020041A2 (pt) 2018-06-05
US10605225B2 (en) 2020-03-31
KR102179575B1 (ko) 2020-11-18
RU2017136557A3 (zh) 2019-08-13
NZ736542A (en) 2021-07-30
RU2702936C2 (ru) 2019-10-14
EP3271572A1 (en) 2018-01-24
KR20180022632A (ko) 2018-03-06
CA2980008C (en) 2021-11-23
EP3271572A4 (en) 2018-10-24
WO2016145541A1 (en) 2016-09-22
CA2980008A1 (en) 2016-09-22
AU2016232959A1 (en) 2017-11-09
CN107532564B (zh) 2019-09-06
BR112017020041B1 (pt) 2023-03-14
AU2016232959B2 (en) 2020-05-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107532564B (zh) 用于可潜水电机驱动控制的控制系统
JP5364842B1 (ja) 再生エネルギー型発電装置およびその制御方法
CN107781106B (zh) 一种无独立控制器的风力发电机组变桨距系统故障保护方法
CN101033733A (zh) 大中型风力机数字式智能液压刹车系统
CN101660655A (zh) 流体系统、风力涡轮机传动系和促动机械构件的方法
CN103038509A (zh) 流体工作机器以及运行流体工作机器的方法
CN103856129A (zh) 用于从电网意外事件中恢复时操作风机的方法和系统
CN109268347B (zh) 一种发电机组及其汽轮机遮断预警系统
EP3225855B1 (en) Method and system for recovering and utilizing duty energy of crane, and crane
CN103225586A (zh) 一种风力发电机组防飞车安全控制方法
EP1979578B1 (en) An actuator arrangement and a method of operating an actuator
WO2013113317A1 (en) Hydraulic system primarily for pitch control
CN110526052B (zh) 执行机构控制系统
JP4641481B2 (ja) 風力発電装置
NZ737305A (en) Use of ice structuring protein afp19 expressed in filamentous fungal strains for preparing food
CN201606195U (zh) Mw级风力发电机组数字式智能刹车系统
JP3374696B2 (ja) ポンプ水車
EP3058219B1 (en) System for pitch control
CN110821759A (zh) 一种液压变桨故障快速定位和安全停机方法
CN116412066A (zh) 风力发电机组的液压变桨安全链和风力发电机组
JP6841739B2 (ja) 水力発電システム
CN115264158A (zh) 一种用于水轮机筒形阀的电液控制系统
KR101314549B1 (ko) 하이브리드형 밸브 액추에이터 및 그 제어방법
EA042901B1 (ru) Гидроэлектростанция
Haifeng The Speed Control of Marine Main Engine

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant