CN2581717Y

CN2581717Y - 无液压机构的电动机伺服系统水轮机调速器

Info

Publication number: CN2581717Y
Application number: CN02288632U
Authority: CN
Inventors: 谢森生
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-11-22
Filing date: 2002-11-22
Publication date: 2003-10-22
Anticipated expiration: 2012-11-22

Abstract

本实用新型涉及一种无液压机构的电动机伺服系统水轮机调速器。主要由电控制器、电伺服驱动器、导叶驱动电动机、机械传动机构构成单调节无液压机构的电动机伺服系统水轮机调速器；在上述单调节无液压机构的电动机伺服系统水轮机调速器上增设碳刷组、滑环组、桨叶驱动电动机、机械传动机构构成双调节无液压机构的电动机伺服系统水轮机调速器。本实用新型既无电液转换部件，也无液压机构，是新型的机电一体化结构。与微机、机械液压和电气液压调速器相比，本实用新型具有结构简单、无大型器件、工艺性好、可靠性高；体积小、重量轻；无压力油工作介质、无堵卡故障、故障率低；无易磨易损零部件、近于免维修、维修费用低；可使用水电站的直流电源作备用能源。

Description

无液压机构的电动机伺服系统水轮机调速器

技术领域

本实用新型属于水轮机调速器，特别是涉及一种无液压机构的电动机伺服系统水轮机调速器。

背景技术

水轮机调速器是通过水轮机的导叶机构和浆叶机构来调节水轮机流量及其流态的，这种调节需要很大的动力，即使是小型调速器，也大多要采用机械液压执行机构，并往往采用有一级或二级液压放大的液压执行机构。

目前，国内外公知的水轮机调速器可分为机械液压调速器、电气液压调速器和数字式电液调速器等几种，数字式电液调速器又称微机调速器。迄今为止，所有的水轮机调速器，均无一例外地采用液压机构。在20世纪80年代初，世界各国都开始研制微机(液压)调速器，直到1993年，华中科技大学与有关单位合作，率先完成了“可编程控制器(液压)调速器”的开发和生产，到2000年底，已有近600台“可编程控制器(液压)调速器，，在国内外水电站运行，并成为我国当前的水轮机微机调速器的主导产品。这种新型的主导产品，也采用了电液转换器、机械液压系统和主接力器等结构。

上述几种水轮机调速器都是以电能→液压能→机械能的能量转换模式进行工作的。液压系统的优点是反应快速，运转平稳。但是，水电站使用的液压系统有以下缺点或不足。

(1)结构复杂。调速器的液压系统一般由回油箱、油泵、油泵电动机、安全阀、卸载阀、溢流阀、止回阀、压力罐、截止阀、引导阀、辅助接力器、主配压阀、主接力器、紧急停机阀、开度限制阀、油位计和电接点压力表等上百个零部件组成。

(2)工艺复杂，且需动用大型加工设备。回油箱和压力罐的体积庞大，需动用龙门刨床、立车等大型加工设备；而油泵及上述多种阀门的加工精度要求都很高，且整个液压系统的80％左右的零部件均为非标，必需自制和多工种协作加工制造。

(3)体积大、质量大。小型调速器的液压系统的外形尺寸为1000mm×1700mm×1600mm，其质量约为1.5吨。

(4)需用大量的机油作工作介质。小型调速器需用机油1～2吨，且对介质的含水量、酸度和杂质含量等需定期作专业化验和定期滤油。

(5)运行中故障率高。电液转换器其油路易堵、易卡；油泵磨损严重，输油量逐年下降；主配压阀也常因磨损而品质不断下降。以上三个部件都是易损件，常需更换。

(6)能耗量大。水电站液压机构压力油的滴、跑、冒、漏是常见的现象，很难根治。在待机状态下，油泵也必然会不断启动，以补充压力油的消耗，而更为严重的是，由于油泵的磨损，使其输油量越来越少，导致油泵越来越频繁地启动，而且每次启动后的持续打油时间越来越长，使调速器的无功能耗越来越大。

(7)维护费用大。为了保证调速器的安全运行和其工作介质机油的达标，不仅要定期对机油作专业化验，还要定期滤油。水电厂需要购置价格昂贵的滤油机，还要大量消耗一次性滤纸，亦要经常清洗滤芯或更换滤芯，滤芯是易消耗品。此外，更换价格昂贵的电液转换部件、油泵和主配压阀等，也占有相当大的比例。

(8)污染环境。压力机油的滴、跑、冒、漏在水电站里是司空见惯、不足为奇的现象。而定期大规模滤油时，则往往导致满地油污，这除了污染厂房外，还会有部分油污浸蚀土壤，还可能注入江湖，流归海洋，污染水质。

当前，国内外较先进的数字式电液调速器，又称微机调速器，其结构中的电液转换器，以及机械液压系统中包含的引导阀、主配压阀和主接力器等零部件，也都无一例外地采用液压机构作随动机构和执行机构，而微机电类调速器所存在的主要缺点或不足，也恰恰是其液压机构所造成的，因为，微机电类调速器也是一种由电能→液压能→机械能的能量转换机构。其中，电能转换为液压能的电液转换部件是将电气信号连续地、线性地通过液压放大而转变成相应的机械位移和流量信号的关键元件。因此，电液转换部件是所有微机电类调速器的瓶颈，也是决定微机电类调速器能否安全可靠运行的主要硬件，同时亦是决定微机电类调速器的静态品质和动态品质的主要硬件因素。运行实践证明，造成水轮机调速器不能正常运行的50％以上的硬件故障，均是电液转换部件引发的，应该指出的是：电液转换部件由于其结构和机能的特殊性，它恰恰是一个高故障率的部件。

电液转换部件的种类较多，但都分别存在着各自的缺点或不足。

各种类型的电液转换部件，都无一例外地采用液压机构，因此，电液转换部件必然存在上述液压系统所存在的(1)～(8)条缺点或不足，不仅如此，电液转换部件还存在以下技术问题。

电液转换部件有位移输出和流量输出两种类型。一般输出位移的称为电液转换器，输出流量的称为电液伺服阀。

带有一级液压放大的步进式电液转换器，在供电电源消失后其输出将保持在电源断开时位置，只要是不回到中位，都将导致调速器的主接力器全开或全关的灾难性后果，这是一大技术性的隐患。

另外，动圈式电液转换部件，易被堵塞或被卡阻；环喷式电液转换部件的静态耗油量大，迫使油泵附加启动，能耗大且加速油泵的磨损；比例阀电液转换部件的滞环很大；喷咀挡板式电液转换部件则更加易堵易卡。由上述可知，电液转换部件不仅缺点多，且价格较高，至今，还没有真正理想的适于水电站使用的电液转换部件。因此，彻底甩掉电液转换部件和液压机构，自然成为人们追求的目标。

发明内容

本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种既无电液转换部件和主接力器，也无液压机构的电动机伺服系统水轮机调速器。

本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

一种无液压机构的电动机伺服系统水轮机调速器，它主要由电控制器、电伺服驱动器、导叶驱动电动机与机械传动机构组成单调节无液压机构的电动机伺服系统水轮机调速器；在单调节无液压机构的电动机伺服系统水轮机调速器上增设碳刷组、滑环组、浆叶驱动电动机与机械传动机构后组成双调节无液压机构的电动机伺服系统水轮机调速器，在导叶驱动电动机的出轴上固连一套机械传动机构，该机械传动机构直接连装水轮机导叶；在浆叶驱动电动机的出轴上固连一套机械传动机构，该机械传动机构直接连装水轮机浆叶。

本实用新型还可以采用如下技术措施：

所述的机械传动机构，由电动机的出轴与螺套的内孔固装成一体，螺套另一端内孔装有一根丝杠，丝杠的终端固连一个十字架，十字架安装在固定的导轨内，十字架内还装有一个滑块，滑块的中间轴上再安装一个臂柄，在臂柄的另一端轴孔中固装一根调速轴，从而组成机械传动机构。

所述的机械传动机构，由电动机的出轴与蜗杆另一端的内孔固装为一体，蜗杆啮合蜗轮，蜗轮的轴孔中固装一根蜗轮轴，从而组成机械传动机构。

所述的电伺服驱动器、导叶驱动电动机和浆叶驱动电动机，采用相互配套使用的交流同步电动机伺服驱动器、驱动导叶的交流同步电动机和驱动浆叶的交流同步电动机。

所述的电伺服驱动器、导叶驱动电动机和浆叶驱动电动机，采用相互配套使用的交流异步电动机伺服驱动器、驱动导叶的异步电动机和驱动浆叶的异步电动机。

所述的电伺服驱动器、导叶驱动电动机和浆叶驱动电动机，采用相互配套使用的变频器、驱动导叶的异步电动机和驱动浆叶的异步电动机。

所述的电伺服驱动器、导叶驱动电动机和浆叶驱动电动机，采用相互配套使用的直流电动机伺服驱动器、驱动导叶的直流电动机和驱动浆叶的直流电动机。

所述的电伺服驱动器、导叶驱动电动机和浆叶驱动电动机，还可采用相互配套使用的磁阻电动机伺服驱动器、驱动导叶的磁阻电动机和驱动浆叶的磁阻电动机。

所述的电伺服驱动器、导叶驱动电动机和浆叶驱动电动机，亦可采用相互配套使用的步进电动机伺服驱动器、驱动导叶的步进电动机和驱动浆叶的步进电动机。

本实用新型具有的优点和积极效果是：由电控制器、电伺服驱动器、电动机及机械传动机构组成无液压机构的电动机伺服系统水轮机调速器，它是以电能→机械能的能量转换模式工作的，与公知的机械液压调速器、电气液压调速器和数字液压调速器(又称微机调速器)相比较，本实用新型减少了机/液或电/液的能量转换环节，由于电能较其它能量形式更易传递、控制、处理，所以本实用新型既保留了液压系统反应快速、运转平稳和有备用能源的优点外，而同时又克服了液压机构和电液转换部件的所有缺点或不足。

与公知的水轮机调速器相比，本实用新型具有以下优点和积极效果：无液压机构、结构简单；无压力油工作介质，无堵卡故障，故障率低；无机油的滴、跑、冒、漏现象，不污染环境；体积小、重量轻；无大型器件、工艺性好；无易磨易损零部件，近于免维修，故维修费用低；可使用水电站的直流电源作备用能源。

本实用新型的技术、经济基础是电伺服驱动器与电动机构成的电动机伺服系统与电液压伺服系统具有同样的静态品质和动态品质，所以，无液压机构的电动机伺服系统水轮机调速器在理论上和技术上是可行的。而与公知技术的调速器的容量相同的电动机伺服系统关键部件已经系列化、商品化，市场供应充足，且已在其它行业有成熟的运行、使用经验，只是电动机伺服系统的成本要高一些，但因其能耗低、维护费用小，所以，本实用新型的综合经济效益仍与公知的调速器大体相同，由上述可知，从技术、生产和经济情况来看，本实用新型的调速器是可行的、可以实现的，而且有较好的经济效益和社会效益。

附图说明

图1是本实用新型的水轮机导叶调节装置的示意主视图；

图2是图1的示意俯视图；

图3是本实用新型的水轮机浆叶调节装置的示意主视图；

图4是图3的示意俯视图；

图5是图1及图2的单调节水轮机调速系统的流程图；

图6是图1～图4的双调节水轮机调速系统的流程图。

具体实施方式

为能进一步了解本实用新型的内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1、图2和图5，电伺服驱动器1接收电控制器(A)的控制信号，同时，也通过测量线束2和反馈线束3采样导叶电动机4的有关物理量，并获得来自导叶电动机4的反馈信号，对以上三类信号进行综合，最后通过动力驱动线束5向导叶电动机4输出驱动电流，使其电动机4转动，由于电动机4存在采样电路和反馈电路，所以需要控制电源线束6对电动机4供电。螺套7通过键14和销钉13与电动机4的出轴刚性连接在一起，所以螺套7与电动机4同步转动，螺套7驱动丝杠8作直线位移，丝杠8推拉十字头16沿导轨10作直线位移。当十字头16位移时，十字头内的滑块15与十字头16同时作正交位移，导致臂柄9和调速轴11以调速轴11的轴线为中心一起转动，调速轴11带动水轮机导叶转动，从而完成对水轮机导叶的位置伺服。上述机构构成单调节的水轮机调节装置。

参阅图3和图4，为本实施例的水轮机浆叶调节装置，由水轮机转轮主轴18、滑环组19、转轮动力驱动线束20、浆叶电动机21、蜗杆键22、蜗轮轴23、蜗轮24、蜗杆销钉25、蜗杆26组成机械传动机构B₂，它和水轮机浆叶27均安装在水轮机的转轮内，并与水轮机转轮一起绕水轮机转轮主轴18转动。动力驱动线束5将电伺服驱动器1输出的驱动电流传导给碳刷组17，碳刷组17与安装在水轮机转轮主轴18上的滑环组19密切接触，将电伺服驱动器1输出的驱动电流通过转轮动力驱动线束20导入浆叶电动机21，该电动机21的出轴通过键22和蜗杆销钉25与蜗杆26刚性固装为一体，蜗杆26与电动机21同步转动，并驱动蜗轮24转动，蜗轮轴23随蜗轮24转动，并带动水轮机浆叶27转动，完成对水轮机浆叶的位置伺服。浆叶电动机21随动于导叶电动机4，它不接受电伺服驱动器1的采样，也不向该驱动器1反馈物理量。上述机构构成单调节的水轮机调节装置的随动装置，并与单调节的水轮机调节装置一起组成双节的水轮机调节装置。

参阅图1～图6，本实施例其输入量是水轮机的转速n，其输出量对单调节水轮机调速器是丝杠的位移，对双调节水轮机调速器是丝杠的位移和蜗轮的转角。

参阅图5和图6，本实施例的水轮机转速调节系统的工作原理是：水轮机发电机组F的转速n反馈到A₁处，并与转速给定n₀比较，其差值Δn＝n₀-n送入电控制器，电控制器对该差值Δn按给定的数学模型，以一定的算法进行分析、综合和决策，最后以数字方式或模拟量方式输出控制量，该控制量就是水轮机导叶和水轮机浆叶的位置期望值。电控制器有模拟电路和数字电路两大类型，其算法可以是经典的PID控制算法、最优控制算法、模糊控制算法和自适应控制算法中的一种。电伺服驱动器是线性功放部件，它接收电控制器的控制量，并接收传动机构反馈给它的位置信号，综合之后，以线性方式即时输出驱动电流给电动机。电动机是水轮机调速器的执行部件，它通过机械传动机构驱动水轮机导叶和水轮机浆叶，从而改变水轮机的进水量，进而改变水轮机的转速，完成对水轮机转速的自动调节。事实上，电伺服驱动器和电动机是电控制器的随动系统。从能量转换的观点看，本实用新型的实施例是一个由电能转换为机械能的调节装置，它完全排除了液压机构。

Claims

1.一种无液压机构的电动机伺服系统水轮机调速器，它主要由电控制器、电伺服驱动器、导叶驱动电动机与机械传动机构组成单调节无液压机构的电动机伺服系统水轮机调速器；在单调节无液压机构的电动机伺服系统水轮机调速器上增设碳刷组、滑环组、浆叶驱动电动机与机械传动机构后组成双调节无液压机构的电动机伺服系统水轮机调速器，其特征是：在导叶驱动电动机(4)的出轴上固连一套机械传动机构(B₁)，该机械传动机构(B₁)直接连装水轮机导叶(12)；在浆叶驱动电动机(21)的出轴上固连一套机械传动机构(B₂)，该机械传动机构(B₂)直接连装水轮机浆叶(27)。

2.根据权利要求1所述的无液压机构的电动机伺服系统水轮机调速器，其特征是：所述的机械传动机构(B₁)，由电动机(4)的出轴与螺套(7)的内孔固装成一体，螺套(7)另一端内孔装有一根丝杠(8)，丝杠(8)的终端固连一个十字架(16)，十字架(16)安装在固定的导轨(10)内，十字架内还装有一个滑块(15)，滑块(15)的中间轴上再安装一个臂柄(9)，在臂柄的另一端轴孔中固装一根调速轴(11)，从而组成机械传动机构(B₁)。

3.根据权利要求1所述的无液压机构的电动机伺服系统水轮机调速器，其特征是：所述的机械传动机构(B₂)，由电动机(21)的出轴与蜗杆(26)另一端的内孔固装为一体，蜗杆(26)啮合蜗轮(24)，蜗轮的轴孔中固装一根蜗轮轴(23)，从而组成机械传动机构(B₂)。

4.根据权利要求1所述的无液压机构的电动机伺服系统水轮机调速器，其特征是：所述的电伺服驱动器(1)、导叶驱动电动机(4)和浆叶驱动电动机(21)，采用相互配套使用的交流同步电动机伺服驱动器、驱动导叶的交流同步电动机和驱动浆叶的交流同步电动机。

5.根据权利要求1所述的无液压机构的电动机伺服系统水轮机调速器，其特征是：所述的电伺服驱动器(1)、导叶驱动电动机(4)和浆叶驱动电动机(21)，采用相互配套使用的交流异步电动机伺服驱动器、驱动导叶的异步电动机和驱动浆叶的异步电动机。

6.根据权利要求1所述的无液压机构的电动机伺服系统水轮机调速器，其特征是：所述的电伺服驱动器(1)、导叶驱动电动机(4)和浆叶驱动电动机(21)，采用相互配套使用的变频器、驱动导叶的异步电动机和驱动浆叶的异步电动机。

7.根据权利要求1所述的无液压机构的电动机伺服系统水轮机调速器，其特征是：电伺服驱动器(1)、导叶驱动电动机(4)和浆叶驱动电动机(21)，采用相互配套使用的直流电动机伺服驱动器、驱动导叶的直流电动机和驱动浆叶的直流电动机。

8.根据权利要求1所述的无液压机构的电动机伺服系统水轮机调速器，其特征是：所述的电伺服驱动器(1)、导叶驱动电动机(4)和浆叶驱动电动机(21)，还可采用相互配套使用的磁阻电动机伺服驱动器、驱动导叶的磁阻电动机和驱动浆叶的磁阻电动机。

9.根据权利要求1所述的无液压机构的电动机伺服系统水轮机调速器，其特征是：所述的电伺服驱动器(1)、导叶驱动电动机(4)和浆叶驱动电动机(21)，亦可采用相互配套使用的步进电动机伺服驱动器、驱动导叶的步进电动机和驱动浆叶的步进电动机。