摘要：调速器在水电站设备中具有核心地位，它的功能好与坏直接关系到发电机组和电网的安全稳定，直接影响到发电的经济收入。潇湘电站2#发电机调速器在运行中多次出现无征兆地溜负荷和步进电机严重发热、步进电机发卡、主配发卡和油压装置油泵频繁启停等问题。为此，根据设备工作原理和设备现场状态分析查找故障发生的原因，通过技术改造，消除故障，简化操作，使得改造后的调速器更为方便控制、反馈灵敏、应急处理更为简便快捷、维护更为方便、运行调节更为安全可靠。
关键词：调速器 故障 查找原因 技术改造 安全可靠
0引言
潇湘电站为径流式中型水电站，机组类型为灯泡贯流式，设计总装机容量为4×13MW，十余年前，电站2#机调速器采用步进式可编程微机控制实现开机、停机、负荷调节和甩负荷等功能，它配备了有油步进电机电液转换器，为防止导叶自行开启和人为误操作，在机械控制部分中增设了“电机机械开限及定位手动操作机构”，以机械行程限制电气行程，实践运行中出现过不少故障，现以2#机调速器为例，浅谈在运行中引起装置油泵频繁启停、步进电机发卡、电机严重过热、烧坏、步进电机驱动力不足和调速器反馈断线、无征兆溜负荷等故障的原因以及设备进行技术改造的一些举措。
1、调速器控制、小反馈等故障设备的配置和工作原理
它是由调速器CPU控制器、驱动器、步进电机、先导阀、位移传感器（滑行电阻和传动杆）组成，工作原理是：在调速器CPU控制器接收命令后，向驱动器发出脉冲信号动作步进电机带动先导阀上、下移动作用于主配压阀过油，实现开度等调节功能。这个过程的动作数据由先导阀的机械行程转换成电气信号反馈给CPU控制器再由CPUPID进行比对、运算，通过实际动作量与模拟设定量比对，当实际量达到设定量，即平衡后，CPU控制器停止发令，若实际量未能达到设定量时，CPU控制器会反复发出动作指令，步进电机等设备反复动作直到实际量达到设定量平衡为止。
2、故障现象和问题
故障现象问题一：开机、并网过程中反馈数据不稳定，机组频率波动大、稳定时间短，油压装置油泵频繁启停，步进电机发热严重，并网时间长、并网瞬间对6.3KV出口开关和机组冲击大。
故障现象问题二：上游水位96.8米，水头6.8米，2#发电机处在额定负荷13MW并网运行，导叶开度100%，浆叶开度100%，机组处于正常运行时有功在没有递减指令的情况下突然从额定负荷13MW跌至5MW，调速器显示屏显示导叶开度60%，浆叶开度100%，机组协联曲线遭到破坏，机组振动大。
3、故障原因分析
经对设备原理、配置和故障现象分析，引起上述故障的原因如下：
原因一、油压装置油泵采用螺杆泵为调速器提供操作油，经放大后由接力器驱动导叶开关，由于在放大过程中反馈的实际数值未能与设定数值平衡，调速器CPU将不断发令动作，例如油压装置油泵在低于工作值时就会启动，在频繁的启动打压中螺杆泵会有一定的磨损，产生金属碎沬，这些金属碎沬较多时在通过主配时会增加动作阻力从而增加步进电机的动作负载，引起电机发卡，导致步进电机转动不到位，为使步进电机转动到位，操作人员人为调节驱动器齿轮比增加脉冲量，步进电机转速得以提高，但驱动力因此下降了，直接导致步进电机驱动力不足，造成实际导叶开度达不到设定开度，频率上下波动。
原因二、步进电机未能与反馈系统形成闭环控制，步进电机是你推一把，它走一步，它只管动作，不管动作是否到位，更不管动作数值反馈，反馈数值是依靠先导阀上的反馈杆穿过一塑料位移传感器在先导阀受步进电机驱动后上下移动时由塑料位移传感器捕捉机械行程变化将其转变为模拟电压量传输给CPU控制器，在调速器CPU控制器接收命令后，向驱动器发出脉冲信号动作步进电机带动先导阀上、下移动作用于主配压阀过油，实现开度等调节功能。这个过程的动作数据仍是由先导阀的机械行程转换成电气信号反馈给CPU控制器，再由CPUPID进行运算、对比，通过实际动作量与模拟设定量比对，当实际量达到设定量，即平衡后，CPU控制器停止发令，若实际量未能达到设定量时，CPU控制器会反复发出动作指令，步进电机等设备反复动作直到实际量达到设定量平衡，而在设备现场发现反馈杆上存在一定的积油和积尘，在小反馈和反馈杆相互运动时油尘会阻隔数据传递增大自身摩擦，从而导致了反馈断线和位移传感器烧坏，造成反馈不稳定，引发实际量与设定量反复比对、计算，CPU控制器反复指令动作设备的恶性循环，乃至步进电机过热直接烧坏步进电机和位移传感器，严重时还会引发机组频率、负荷波动，出现无征兆溜负荷。
综上所述引发系列故障的关键原因是有油式步进电机的驱动不足、反馈系统未有效形成闭环控制，因而改造工作以电气部分为主，重点将有油式步进电机电液转换器改为无油式伺服电机电液转换器同时还需建立闭环控制的反馈系统。
4、技术改造情况
改造工作如下，一是：将有油式步进电机电液转换器改为无油式伺服电机电液转换器。两者特点如下，前者抗油污能力低、转矩固定、驱动力小易卡阻，控制精度低，价格相对便宜。后者抗油污能力强、转动力矩大不易卡阻，控制精度高，价格相对较高。
具体改造即将驱动力不足的步进电机和未有效实现闭环控制的系统改造为一套由自带高分辨率编码器的交流伺服电机和带细分技术和电流控制的数字式驱动器等部件组成的伺服控制系统。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆电机本身并不发出脉冲，因而在电机的轴上增加了编码器，编码器通过磁场变化和产生提供电机转子绝对位置再反馈给数字式驱动器，数字式驱动器利用细分原理把编码器反馈的每个脉冲分成N份以降低步距角，根据反馈值通过电流控制算法与设定值进行比较对驱动电流进行控制，调整转子转动的角度，它与编码器互为交融形成一体实现反馈闭环控制，即驱动器在得到编码器模拟量数据后迅速计算和比较，在满足系统平衡时CPU向驱动器发出电脉冲信号，指令伺服电机动作完成电气控制信号转换与其比例的流量信号带动中间接力器实现频率和负荷调节。
二是：接力器大反馈系统采用电压模拟量输出反馈，改造中为了使大反馈与CPU控制器电流控制单元相匹配，就在大反馈和CPU控制器之间加装了一套电压电流变换器，将原来的0—10V电压模拟量转换为4—20MA的电流模拟量，加宽了动作调节精度，满足了CPU电流控制单元相匹配要求。
三是：充分利用控制模块通道，增加了一套比例阀控制方式，实现了双重控制保障，是在无油式伺服电机电液转化器改造后的基础上，增加了一套比例阀控制系统，将比例阀控制与伺服电机控制融于一体，两者间可互为手、自动无扰动切换，它不但可以用伺服电机上的手轮操作机构实现人为操作，也可以用电信号来进行自动控制，以及远方操作。其特点为：速动性好、机械防卡性能好、对油质要求低。
四是：去掉了机械开限装置，设置了独立的停机联锁功能，简化了操作步骤，提高了常规操作和事故处理速度，使得机组更为安全。
改造后具有以下几种操作方式：
（1）伺服电机控制方式为主用，比例阀控制方式为备用
当电气检测到比例阀出现故障，包括行程开关断线、控制环节故障等，自动将伺服电机作为自动方式运行，比例阀作为备用运行方式并同时报警。
（2）比例阀控制方式为主用，伺服电机控制为备用
当电气检测到伺服电机控制方式出现故障，包括行程开关断线、控制环节故障等，自动将比例阀作为自动方式运行，伺服电机作为备用运行方式并同时报警。
（3）纯手动方式
当电气控制完全失效的情况下，人为手动操作伺服阀电机上手操机构，开启调速系统，作为辅助操作控制机构。
5、技术改造后设备的特点：
将有油式步进电机电液转换器改为无油式伺服电机电液转换器通过采用数字式驱动器和自带编码器的交流伺服电机与CPU控制器合为一体，形成了一个完整的反馈闭环控制伺服系统，具有以下特点：
1、数字式驱动器采用细分技术并具有8路数字量输入、4路数字量输出，拥有先进的电流控制算法，整个控制部件无需任何调整。
2、高分辨率的编码器，具有自动检测编码器信号，读取电机转子的位置，提供堵转检测和失步补偿功能。
3、交流伺服电机抗油污能力强、转动力矩大不易卡阻，控制精度高，响应速度高、过载能力强，价格相对较高。
4、操作过程无需液压油，避免了因油质问题出现的主配发卡现象。
6、改造后的成效
在改造后通过调速器的静态特性试验、空载频率扰动试验、空载频率摆动试验和甩负荷试验，确定了合理的参数并检验了改造后调速器的品质及功能，并达到了以下效果：
1、建立了完整的反馈闭环控制系统，增大了伺服电机的驱动力，提升了步进控制精度；设备动作位置到位精确、反馈数据精准稳定，开机时频率波动变小、缩短了并网时间，减小了并网瞬间对机组的冲击，机组运行更为稳定。
2、在常规运行模式下步进电机不再发卡、步进电机不再严重过热，调节负荷更准确了，再未出现溜负荷现象，负荷调节更平稳。
3、充分利用了控制通道，增加资源备份，增加比例阀控制方式，实现多重保障，机组运行更为安全。
4、减小了设备损耗，降低了设备故障率，延长了设备使用寿命。
5、简化了操作步骤，实现了手自动无扰动切换，提高了事故处理速度。
6、减小了厂用电损耗，每年可节约电费2万余元。
7、结束语
潇湘电站四台发电机的2#机及4#机都采用了伺服可编程微机控制调速器,调速器控制系统采用无油伺服电机为核心的电液转换器，提高了发电机组和电网的安全、高效运行。在后续工作中计划将1#机和3#机调速器也按上述技改措施进行完善。
参考文献：
1、潇湘电站 运行发电部运行日志、设备保障部检修日志
2、魏 守 平 现代水轮机调节技术 武汉 华中科技大学出版社
作者简介：蒋小庄，湖南东安人，工程师，潇湘电站副站长，从事水电站安全生产、技术管理和水电工程建设工作。
作者简介：蒋小庄（出生于1978年10月-），男，汉族，湖南东安县人，大学本科，工程师，主要从事水力发配电的安全生产、技术管理以及水电工程建设工作。
论文作者:蒋小庄
论文发表刊物:《电力设备》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/14
标签：调速器论文; 反馈论文; 步进电机论文; 动作论文; 控制器论文; 机组论文; 伺服电机论文; 《电力设备》2018年第19期论文;