機械部分比例閥控制型調(diào)速器培訓課件

一、主要技術(shù)參數(shù)二、液壓閥的應用三、系統(tǒng)構(gòu)成與特點

四、主要部件簡介

五、電液隨動裝置系統(tǒng)工作原理主要內(nèi)容:GLT系列比例閥控制型調(diào)速器就是專為貫流式水輪發(fā)電機組研制的新型電液調(diào)速器，其機械部分采用了武漢長江控制設備研究所研制的“水輪機調(diào)速器的電液比例隨動裝置”。

機械部分由比例集成式電液隨動裝置配以相應的油壓裝置，構(gòu)成一個完整的電液調(diào)速器。其相關內(nèi)容介紹如下：

一、主要技術(shù)參數(shù)

導葉主配壓閥直徑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

二、液壓閥的應用與改進

就水輪機調(diào)速器的電液隨動系統(tǒng)而言，高檔伺服閥(如噴嘴擋板伺服閥)、工業(yè)伺服閥(如動圈－滑閥式伺服閥)的正式應用起步于上世紀70年代，到90年代中期已十分普及；自90年代后期比例閥、高速開關閥也已開始逐漸得到應用，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。一般由比例電磁鐵與相應機能的閥件組成。比例電磁鐵由線圈、鐵芯、固定件組成，而由其推動的閥件可以是壓力閥、流量閥、方向/流量閥或復合閥。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系。而比例閥的閥芯則由電磁鐵鐵芯帶動，從而實現(xiàn)對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，也可采用耗電小和電流放大簡單的脈寬調(diào)制信號(PWM信號)。

比例閥在水輪機調(diào)速器中的應用，主要是比例方向流量控制閥、比例伺服閥，后者其實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及分類

比例方向流量控制閥是一種能按輸入電流信號連續(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：

⑴滑閥配合間隙僅和一般換向閥相當，因此對油質(zhì)要求較低；

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

比例伺服閥⑶比例方向流量閥的額定工作壓差比伺服閥低一個數(shù)量級，與普通換向閥相當，單閥口壓降約(0.25～0.8)MPa，其系統(tǒng)能耗和溫升遠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。但因此也成了一個附帶的優(yōu)點，在失電時能保證受控負載的位置不漂移；

⑸可以象普通換向閥一樣，采用不同的滑閥中位機能；

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

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

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，輸出流量受負載及供油壓力變化的影響；后者采用壓力補償或流量反饋，其被控流量只取決于控制電流，而與負載及供油壓力變化無關。為降低使用要求、簡化控制環(huán)節(jié)，在水輪機調(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

比例伺服閥圖1.不帶位置反饋的直控式比例方向流量閥出油口進油口出油口回油口當比例電磁鐵不通電時，閥芯由復位彈簧保持在中位，當向左側(cè)電磁鐵輸入一個電流信號時，電磁鐵就會產(chǎn)生一定的推力，推動閥芯克服彈簧力向右移動一定距離，閥芯相對于閥體的控制臺階移動一定的開口量，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，則開口量就會隨之呈線性變化，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時，也會產(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，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，液動力的影響更加突出。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，就會產(chǎn)生一個反饋信號給放大器，輸入信號和反饋信號在放大器內(nèi)比較，兩個數(shù)值比較后，產(chǎn)生一個偏差信號輸入電磁鐵，以補償干擾產(chǎn)生的閥口開度誤差；此時閥口開度僅取決于輸入的電流信號，而與摩擦力、液動力等干擾無關。

圖2.帶位置反饋的直控式比例方向流量閥

比例伺服閥圖2.帶帶位置反饋饋的直控式式比例方向向流量閥3）先導式式比例方向向流量閥與與普通換換向閥一樣樣，大通徑徑比例方向向流量閥由由于主閥芯芯運動所需需的操縱力很大大，需要采用先導結(jié)結(jié)構(gòu)。圖3的結(jié)結(jié)構(gòu)系減壓壓型先導閥閥＋主閥彈彈簧定位型比例例方向流量量閥，這種結(jié)構(gòu)構(gòu)比較常見見。與直控控式比例閥閥的主要區(qū)區(qū)別在于增加了先導導閥，圖中的導導閥系比例例電磁鐵操操作的壓力控制閥閥(三通減減壓閥)，用減壓壓閥作導閥閥的好處是是不必持續(xù)消消耗控制油油。主閥采用用單彈簧對對中，彈簧簧有預壓縮縮量，當先導閥無輸輸入信號時，主閥芯芯2的兩端端無壓力，，主閥芯對中中。其其大致致工作過程程是：電液液比例減壓壓型先導閥閥電磁鐵接收輸入的的電流信號號，輸出與與之成比例例的控制壓壓力信號，與輸入信信號極性相相對應的兩個出口壓壓力(左側(cè)電磁磁鐵控制右右出口壓力力，右側(cè)電電磁鐵控制制左出口壓壓力)，分別引至主主閥芯2的的兩端，利用它在兩兩個端面上上所產(chǎn)生的的液壓作用用力與對中中彈簧3的的彈簧力平平衡，而使主閥芯2與輸入信信號成比例地定定位。這種閥的優(yōu)優(yōu)點是對制造和安安裝無特殊殊要求，通用性好、、調(diào)整方便便。其主要缺缺點是主閥芯的閥閥口開度易易受摩擦力力、液動力力等干擾的影響響，即主閥芯芯定位精度不不高。為提高閥口開度控制精度、優(yōu)化整閥的動態(tài)特性，可采用帶主閥芯位置置電反饋結(jié)結(jié)構(gòu)的先導式比例例方向流量量閥，或在主閥閥芯位置電電反饋的基基礎上，給給先導閥也增增設位置電電反饋，構(gòu)成先導導級及主級級－二級位置電電反饋。由于這兩兩種改進型型結(jié)構(gòu)的先先導式比例例方向流量量閥在水輪機調(diào)調(diào)速器中的的應用極少少，故不在此此專門介紹紹了。圖3.先先導式比例例方向流量量閥圖3.先先導式比例例方向流量量閥4）比例伺伺服閥由由于一般情況下下比例閥存在著(3～5)%的靜態(tài)滯滯環(huán)、(10～20)%的零零位遮蓋、、較大的非非線性等不不足，因此此只是大量應應用于開環(huán)環(huán)控制的場場合，如果將其直接應應用于調(diào)速速器這樣的的閉環(huán)系統(tǒng)統(tǒng)，有時控控制性能難難以滿足要要求。隨著電子子技術(shù)的飛飛速發(fā)展，，比例閥的的改進出現(xiàn)了了質(zhì)的飛躍躍。其其中中，比較有代表性的的就是上世紀90年代初Bosch公司推出出的比例伺服閥閥，這種閥在在性能上已已達到了伺伺服閥的各各項指標，，使得用比例伺服服閥代替伺伺服閥變得可行。。它與普通通比例閥有有所區(qū)別，，圖4為其其結(jié)構(gòu)示意意圖。比例伺服閥比例伺服閥閥液壓部分也也是滑閥式式結(jié)構(gòu)，內(nèi)有一四四通閥芯，，可在精密密加工并淬淬硬的閥套套內(nèi)滑動，，具有很高的遮蓋蓋精度，采用矩形全周控控制口。閥套被壓壓入五腔閥閥體內(nèi)，閥閥芯由集成感應應式位置傳傳感器的比比例電磁鐵鐵直接驅(qū)動動，采用單電電磁鐵、單單平衡彈簧簧結(jié)構(gòu)其其工作原理類類似于普通通方向比例例閥，所不同的是比例伺服閥閥在斷電時，在單平衡衡彈簧的作作用下被推向第4工作位置置(安全位)，而不是中間位位置，第4工位位只有兩種機機能可供選擇，，一種是4個個油口都關關斷型，另一種機能能是壓力油油口P關斷斷、控制口A/B同時時與回油T溝通；正常工作過過程中的閥芯位位置調(diào)整由單電磁鐵鐵控制，而不是由由雙電磁鐵鐵控制。比例伺服閥★比例伺服閥閥具有以下下主要特點：

(1)精度高（滯環(huán)、重重復精度0.1%））、動態(tài)響應好好（響應頻寬寬不小于10Hz，，最大可達達40～80Hz，，階躍信號號調(diào)整時間間不超過10ms））;(2)與伺伺服閥先導導控制級弱弱信號（一一般為數(shù)十十至數(shù)百毫毫安）控制制不同，比比例伺服閥閥為強信號（最大電流流2.5A）控制、功率大（最大功率率25VA以上））、閥芯操作力大，提高了工工作可靠性和耐油污能力；(3)閥閥體采用五槽鑲套結(jié)結(jié)構(gòu)，精確制造造的硬質(zhì)閥閥芯、閥套套，保證了了零開口工作狀態(tài)，，其軸向配配合精度0.002mm。硬質(zhì)耐磨磨的工作棱棱邊，即使使長期工作作后，也無無明顯磨損損，仍能保證陡峭的的壓力增益益特性和平平直的流量量增益特性性，在斷電時，能進入安全的的第4工位位，避免斷電電時對系統(tǒng)統(tǒng)構(gòu)成的潛潛在危險。。由于比例伺服閥閥的諸多優(yōu)優(yōu)良性能，比例伺服服閥已在許許多工業(yè)控控制領域取代了伺服服閥、比例例閥，成為液壓壓控制的一一個發(fā)展方方向之一。。比例伺服閥閥在水輪機機調(diào)速器行行業(yè)的應用開始始于上世紀紀90年代代中期，如如今已得到廣泛泛使用，并得到水電廠廠用戶的普普遍認可。

圖4.比例伺伺服閥圖4.比比例伺服閥閥比例伺服閥三、系統(tǒng)構(gòu)構(gòu)成與特點點該電液隨動動裝置由濾油器、緊急停機電磁閥、電液比例閥（或雙電液液比例閥））、切換閥、手動操作閥等部件構(gòu)成成?？刂崎y閥均為板式式結(jié)構(gòu)，全全部集成于主配配壓閥的上上部。槳葉部分分除緊急停停機電磁閥閥以外其余余與導葉部部分相同。。其其主要特點點：1、、采用電液液比例例閥閥、手動動操作作閥直接接控制制主配配壓壓閥閥,結(jié)構(gòu)構(gòu)簡簡單單，，調(diào)調(diào)整整方方便便。。2、、自自動動控控制制通通道道采采用用德國國BOSCH電電液液比比例例閥閥作為為電電液液轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換組組件件，，提提高高了了工工作作可靠靠性。。電電液液隨隨動動裝裝置置集集成成示示意意圖圖如如圖圖1。。圖1電電液隨隨動裝裝置集集成示示意圖圖比例伺服閥3、手手動控控制通通道采采用手手動操操作閥閥作為為電液轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換組件執(zhí)行組件，，當自自動信信道故障或調(diào)試時，則則用截截止閥閥切換換到手動控控制方式。。4、采采用具具有液液壓內(nèi)內(nèi)反饋饋的自復中中主配配壓閥，，主配配壓閥閥的控制信信號為控制制油流量量，由比比例閥閥直接接控制制主配配。當當電源消消失或電氣氣故障障時，，可保持機組故障前前工況況。5、采采用液液壓集集成無滲漏漏設計，，所有有液壓壓件都都設計計安裝裝在液液壓集成塊塊上，液液壓件件之間間的聯(lián)接由集成成塊內(nèi)部的的油道道完成成，全部部取消消明管管，從從而可可大大大提高高操作作油壓壓力。。四、主主要部部件簡簡介1、電電液比比例閥閥電電液比比例閥閥是由由兩個個比例例電磁磁鐵推推動的的3位4通液液壓換換向閥閥，其輸出流流量的大小小，與與輸入入比例例電磁磁鐵的的電氣氣控制信信號成比例例。與與一般般電液液伺服服閥相相比，，該閥閥具有有體積積小、、電磁磁力大大、可可靠性性高、、抗油油污能能力強強等優(yōu)優(yōu)點。。如下下圖2所示示圖2：：電液比比例閥閥圖2-1.不不帶位位置反反饋的的直控控式比比例方方向流流量閥閥GLT系列列比例例閥控控制型型調(diào)速速器（（機械械部分分）圖2-2.帶帶位置置反饋饋的直直控式式比例例方向向流量量閥圖2-3.先先導式式比例例方向向流量量閥圖32、主配壓閥主主配配壓閥閥與傳傳統(tǒng)的的結(jié)構(gòu)構(gòu)不同同，其其引導導閥芯被可靠靠地固定于于中位位，不能能上下下運動動。參參見圖圖3。。正常運運行時，主主配壓壓閥的的引導閥閥接通通壓力油油。當當通往往輔助助接力力器上腔的控制油油路被被切斷斷時，主配活塞必必然與與引導導閥芯芯一樣樣處于中中位，以使使其輔輔助接接力器器上腔的油壓力與該活活塞進油腔腔的差壓力相平衡。當通通往輔輔助接接力器器上腔的控制制油路路與排油接通時時，主配活塞受受其進進油腔腔差壓壓力的的作用用而向上偏偏離中中位，使得得輔助助接力力器上上腔通通過引引導閥閥接通通壓力力油。。當進進入輔輔助接接力器器上腔的的壓力力油流流量與排油流流量相相等時，主主配活活塞將將穩(wěn)定在中位位上方的某一一位置置。顯然，，輔助助接力力器上腔的的排油油量越大，使主配活塞穩(wěn)定所需的的壓力油油流量量就越大，因而而主配活塞偏離中中位的距離離也越越大。如果果控制油油路又被切斷，而輔輔助接接力器器上腔腔卻仍仍與來來自引引導閥閥的壓壓力油油相通通，由由于輔輔助接接力器器上腔腔的工工作面面積大大于主主配活活塞差差壓面面積，，因而而主配活塞將將在輔輔助接接力器器上腔腔油壓壓力的的作用用下迅迅速回到中位，以以使作作用于于它的的油壓壓力重重新平平衡。。同同樣，，當輔輔助接接力器器上腔與與壓力力油接接通時，主配活塞將將在輔輔助接接力器器上腔腔油壓壓力作作用下下向下偏偏離中中位，輔助助接力力器上上腔將將通過過引導導閥接接通排排油。。同樣，，主配配活塞塞也會會穩(wěn)定定在中中位下下方某某一位位置，，且偏離距距離與進入入輔助助接力力器上腔的的壓力力油流流量成成比例例。一旦控制油油路又又被切斷，主配配活塞塞將在在其進進油腔腔差壓壓力作作用下下重新新回到中中位。從從原理理上講講，由由于輔助接接力器器在偏偏離中中位時，與與引導閥閥共同形形成了了與輸入流流量相相反的的流量量負反反饋,且流流量負負反饋饋的大大小,在一定定范圍圍內(nèi)與與輔助助接力力器偏偏離中中位的的距離離成比比例，，因而輔輔助接接力器器這一一積分分環(huán)節(jié)節(jié)，由由于流流量負負反饋饋的存存在，，便成為一一個受受輸入入流量量控制制的比比例環(huán)環(huán)節(jié)了。綜綜上上所述述：主配活活塞在在控制制油路路正、、負流流量輸輸入（即接接通壓壓力油油或排排油））的作用用下將將產(chǎn)生生向下下、向向上的的位移移，其其位移移量與與輸入入的流流量在在一定定范圍圍內(nèi)成成比例例；一一旦控控制油油路被被切斷斷，主主配活活塞將將迅速速復中中。五、電電液隨隨動裝裝置系系統(tǒng)工工作原原理調(diào)速器器及油油壓裝裝置工工作原原理如如下：：如圖圖4所所示。。本本電液液隨動動系統(tǒng)統(tǒng)導葉葉和槳槳葉組組成（（壓力力油源源系統(tǒng)統(tǒng)在后后面介介紹））。此此處以以導葉葉控制制系統(tǒng)統(tǒng)為例例說明明（槳槳葉系系統(tǒng)與與導葉葉基本本相同同），，導葉控控制系系統(tǒng)由由自動動信道道和手手動信信道組組成。壓力力油經(jīng)經(jīng)濾油油器過過濾后后，通通過緊緊急停停機電電磁閥閥，一路進進入主主配引引導閥閥，另一路路進入入兩個個電液液比例例閥手手動操操作閥閥，三閥閥并聯(lián)聯(lián)，還還有一路通通過單單向閥閥進入入輔助助接力力器。比例例閥為為自動動工況況使用用，手手動操操作閥閥為手手動工工況使使用，，其中中兩個電電液比比例閥閥冗余余控制制，互為為備用用，由由雙系系統(tǒng)切切換閥閥進行行切換換。自自動和和手動動工況況的選選擇由由截止止閥進進行切切換。。圖4正常運運行時，緊急停機電磁磁閥與與手自動動切換換閥均為通路路，主配配引導閥閥接通通壓力力油。電氣氣控制制信號號與主主接力力器位置信信號之之差為為零時時，電液液比例例閥閥閥芯在在復位位彈簧簧作用用下復中，切斷輔助接接力器器控制腔腔的油油路，主配壓閥準確地地穩(wěn)定定于中中位，主接接力器器也將將穩(wěn)定定不動動。當當電氣氣控制信信號減減小時，電電液比比例閥閥向關機機方向向運動，，使輔助接接力器器控制制腔接接通排排油時時，主主配壓壓閥自自中間間位置置向上上移動動一定定距離離，主主接力力器向向關機機方向向運動動。同時時帶動動位移傳傳感器器移動，，直到與與電氣氣控制制信號號相等等，兩差差值信信號為為零時時，電液比比例閥閥和主主配壓壓閥便隨之之復中，主接接力器器便停停止運運動。。反之之，如如電氣氣控制信信號增增大時，電電液比比例閥閥向開機機方向向運動，，使輔助接接力器器控制制腔接接通壓壓力油油時，，主接接力器器將向向開機機方向向運動動。這樣樣，主主接力力器將將按一定定比例例隨動動于微微機調(diào)調(diào)節(jié)器器控制制信號號，構(gòu)成了了電液隨動動系統(tǒng)。當電氣控制制部份發(fā)發(fā)生故障障時，調(diào)速速器切至至手動狀態(tài)，輔輔助接力力器可由手動操操作閥控控制，實現(xiàn)手手動操作作。在在事故情況況下，緊急停機電磁閥閥動作,使輔助助接力器器上腔接通通排油,同時切切斷了控控制油路路的壓力力油源，，使主配活塞塞快速上上移，實現(xiàn)緊急停機機。3、雙系系統(tǒng)切換換閥雙雙系統(tǒng)統(tǒng)切換閥閥和手自自動切換換閥采用用的是帶濕式直直流電磁磁鐵的2位3通通液壓換換向閥。動作雙雙系統(tǒng)切切換閥，，可選擇擇兩套電電液比例例閥的工工作和備備用狀態(tài)態(tài)。4、手動動操作閥閥手手動操作作閥采用用的是用手柄操操作的3位4通通液壓換換向閥。調(diào)速器器在手動工況況運行時時，電液液比例閥閥出口控控制油被被切斷，，輔助接接力器將將受手動動操作閥閥正、負負流量輸輸出的控控制。5、緊急急停機電電磁閥緊緊急急停機電電磁閥采采用的是是帶濕式直直流電磁磁鐵的2位4通通液壓換換向閥。正常運行時，，緊急急停機電電磁閥僅僅作為油油路通道道，壓力油油經(jīng)過緊緊急停機機電磁閥閥后，分分別進入入引導閥閥和各液液壓控制制閥，及及通過單單向閥進進入輔助助接力器器。在事故情況況下,緊緊急停機機電磁閥閥動作,單向閥閥開啟，，使輔助助接力器器上腔接接通排油油,同時時切斷了了各液壓壓控制閥閥的壓力力油源，，如此，，主配活活塞快速速上移，，實現(xiàn)緊緊急停機機。正常運行行時，壓壓力油經(jīng)經(jīng)過緊急急停機電電磁閥進進入輔助助接力器器上腔和和控制油油路。在在事故情情況下,緊急停停機電磁磁閥動作作,使輔輔助接力力器上腔腔接通排排油,同同時切斷斷了控制制油路的的壓力油油源，使使主配活活塞快速速上移