比例阀控制型调速器(机械部分)课件.ppt

1、GLT系列比例阀控制型调速器就是专为贯流式水轮发电机组研制的新型电液调速器，其机械部分采用了武汉长江控制设备研究所研制的“水轮机调速器的电液比例随动装置”。机械部分由比例集成式电液随动装置配以相应的油压装置，构成一个完整的电液调速器。其相关内容介绍如下：一、主要技术参数导叶主配压阀直径 150mm桨叶主配压阀直径 100mm工作油压 6.3 MPa压力油罐容积 10.0m3滤油精度 20m二、液压阀的应用与改进二、液压阀的应用与改进 就水轮机调速器的电液随动系统而言，高档伺服阀(如喷嘴挡板伺服阀)、工业伺服阀(如动圈滑阀式伺服阀)的正式应用起步于上世纪70年代，到90年代中期已十分普及；自90

2、年代后期比例阀、高速开关阀也已开始逐渐得到应用，如今这类系统已得到大量使用，并得到水电行业用户的广泛认可与采纳。比例阀控制流体属于模拟式流体控制，比例阀是介于普通工业液压阀和电液伺服阀之间的一种液压阀。一般由比例电磁铁与相应机能的阀件组成。比例电磁铁由线圈、铁芯、固定件组成，而由其推动的阀件可以是压力阀、流量阀、方向/流量阀或复合阀。比例电磁铁巧妙地利用了磁性材料磁通密度的饱和特性，使电磁作用力与电流成比例。由于比例阀铁芯的电磁力与输入比例线圈的电流成正比，而铁芯的反作用力则由复位弹簧来平衡，这就决定了电流与铁芯位移之间具有一定比例关系。而比例阀的阀芯则由电磁铁铁芯带动，从而实现对液压参量的比

3、例控制。至于比例阀的电气操纵方式，可以使用模拟信号，也可采用耗电小和电流放大简单的脉宽调制信号(PWM信号)。比例阀在水轮机调速器中的应用，主要是比例方向流量控制阀、比例伺服阀，后者其实是特殊形式的高性能比例方向流量控制阀，也称闭环比例阀。1）比例方向流量控制阀的特点及分类 比例方向流量控制阀是一种能按输入电流信号连续控制液流方向和流量的电液控制阀，它具有下列主要特点：滑阀配合间隙仅和一般换向阀相当，因此对油质要求较低；比例电磁铁的输入功率较大，比伺服阀大一个数量级，这是提高其工作可靠性的技术措施之一；比例伺服阀比例方向流量阀的额定工作压差比伺服阀低一个数量级，与普通换向阀相当，单阀口压降约(

4、0.250.8)MPa，其系统能耗和温升远比采用伺服阀的系统低；中位搭叠量较大，这是为降低成本而作出的一种抉择。但因此也成了一个附带的优点，在失电时能保证受控负载的位置不漂移；可以象普通换向阀一样，采用不同的滑阀中位机能；存在着(35)%的静态滞环、较大的非线性，且动态响应要比伺服阀低；由于存在较大的中位搭叠量，对中弹簧又具有一定的预压缩量，因此其零位控制死区很大，其起始控制电流值可达额定控制电流的(1020)%.比例方向流量控制阀按其流量控制方式，可分为节流控制型和流量控制型两大类。前者受控量只是阀芯位移即阀口开度，输出流量受负载及供油压力变化的影响；后者采用压力补偿或流量反馈，其被控流量只

5、取决于控制电流，而与负载及供油压力变化无关。为降低使用要求、简化控制环节，在水轮机调速器中常采用前者作为电液转换元件。2）直控式比例方向流量阀图1为不带位置反馈的直控式比例方向流量阀的结构示意图，属于节流控制型方向流量阀。图中，进油口为P、出油口为A/B、回油口为T。图1.不带位置反馈的直控式比例方向流量阀比例伺服阀图1.不带位置反馈的直控式比例方向流量阀出油口进油口出油口回油口 当比例电磁铁不通电时，阀芯由复位弹簧保持在中位，当向左侧电磁铁输入一个电流信号时，电磁铁就会产生一定的推力，推动阀芯克服弹簧力向右移动一定距离，阀芯相对于阀体的控制台阶移动一定的开口量，P腔到B腔、A腔到T腔流过一定

6、的流量。若输入连续的电流信号，则开口量就会随之呈线性变化，使通过阀的液流流量成比例变化。右侧电磁铁输入电流信号时，也会产生类似的变化，只不过液流方向相反。改变左、右比例电磁铁的信号，就可使液流改变方向和流量。而普通的电磁铁换向阀只有左、中、右3个位置，不可能在中间任一位置停留。不带位置反馈的直控式比例方向流量阀由于受摩擦力及阀口液动力等干扰的影响，阀芯定位精度不高，尤其在高压大流量情况下，液动力的影响更加突出。为提高阀口开度控制精度，可采用带位移电反馈的比例方向流量阀。如果在图1所示的比例电磁铁末端加装位移传感器，就可构成电反馈比例方向流量阀。参见图2，位置传感器可以检测电磁铁铁芯的位置，即阀

7、芯的确切位置，若有一定的位置误差，就会产生一个反馈信号给放大器，输入信号和反馈信号在放大器内比较，两个数值比较后，产生一个偏差信号输入电磁铁，以补偿干扰产生的阀口开度误差；此时阀口开度仅取决于输入的电流信号，而与摩擦力、液动力等干扰无关。图2.带位置反馈的直控式比例方向流量阀比例伺服阀图2.带位置反馈的直控式比例方向流量阀3）先导式比例方向流量阀 与普通换向阀一样，大通径比例方向流量阀由于主阀芯运动所需的操纵力很大，需要采用先导结构。图3的结构系减压型先导阀主阀弹簧定位型比例方向流量阀，这种结构比较常见。与直控式比例阀的主要区别在于增加了先导阀，图中的导阀系比例电磁铁操作的压力控制阀(三通减压

8、阀)，用减压阀作导阀的好处是不必持续消耗控制油。主阀采用单弹簧对中，弹簧有预压缩量，当先导阀无输入信号时，主阀芯2的两端无压力，主阀芯对中。其大致工作过程是：电液比例减压型先导阀电磁铁接收输入的电流信号，输出与之成比例的控制压力信号，与输入信号极性相对应的两个出口压力(左侧电磁铁控制右出口压力，右侧电磁铁控制左出口压力)，分别引至主阀芯2的两端，利用它在两个端面上所产生的液压作用力与对中弹簧3的弹簧力平衡，而使主阀芯2与输入信号成比例地定位。这种阀的优点是对制造和安装无特殊要求，通用性好、调整方便。其主要缺点是主阀芯的阀口开度易受摩擦力、液动力等干扰的影响，即主阀芯定位精度不高。为提高阀口开度

9、控制精度、优化整阀的动态特性，可采用带主阀芯位置电反馈结构的先导式比例方向流量阀，或在主阀芯位置电反馈的基础上，给先导阀也增设位置电反馈，构成先导级及主级二级位置电反馈。由于这两种改进型结构的先导式比例方向流量阀在水轮机调速器中的应用极少，故不在此专门介绍了。图3.先导式比例方向流量阀图3.先导式比例方向流量阀4）比例伺服阀 由于一般情况下比例阀存在着(35)%的静态滞环、(1020)%的零位遮盖、较大的非线性等不足，因此只是大量应用于开环控制的场合，如果将其直接应用于调速器这样的闭环系统，有时控制性能难以满足要求。随着电子技术的飞速发展，比例阀的改进出现了质的飞跃。其中，比较有代表性的就是上

10、世纪90年代初Bosch公司推出的比例伺服阀，这种阀在性能上已达到了伺服阀的各项指标，使得用比例伺服阀代替伺服阀变得可行。它与普通比例阀有所区别，图4为其结构示意图。比例伺服阀 比例伺服阀液压部分也是滑阀式结构，内有一四通阀芯，可在精密加工并淬硬的阀套内滑动，具有很高的遮盖精度，采用矩形全周控制口。阀套被压入五腔阀体内，阀芯由集成感应式位置传感器的比例电磁铁直接驱动，采用单电磁铁、单平衡弹簧结构 其工作原理类似于普通方向比例阀，所不同的是比例伺服阀在断电时，在单平衡弹簧的作用下被推向第4工作位置(安全位)，而不是中间位置，第4工位只有两种机能可供选择，一种是4个油口都关断型，另一种机能是压力油

11、口P关断、控制口A/B同时与回油T沟通；正常工作过程中的阀芯位置调整由单电磁铁控制，而不是由双电磁铁控制。比例伺服阀 比例伺服阀具有以下主要特点：(1)精度高（滞环、重复精度0.1%）、动态响应好（响应频宽不小于10Hz，最大可达4080Hz，阶跃信号调整时间不超过10ms）;(2)与伺服阀先导控制级弱信号（一般为数十至数百毫安）控制不同，比例伺服阀为强信号（最大电流2.5A）控制、功率大（最大功率25 VA以上）、阀芯操作力大，提高了工作可靠性和耐油污能力；(3)阀体采用五槽镶套结构，精确制造的硬质阀芯、阀套，保证了零开口工作状态，其轴向配合精度0.002mm。硬质耐磨的工作棱边，即使长期工

12、作后，也无明显磨损，仍能保证陡峭的压力增益特性和平直的流量增益特性，在断电时，能进入安全的第4工位，避免断电时对系统构成的潜在危险。由于比例伺服阀的诸多优良性能，比例伺服阀已在许多工业控制领域取代了伺服阀、比例阀，成为液压控制的一个发展方向之一。比例伺服阀在水轮机调速器行业的应用开始于上世纪90年代中期，如今已得到广泛使用，并得到水电厂用户的普遍认可。图4.比例伺服阀图4.比例伺服阀比例伺服阀三、系统构成与特点 该电液随动装置由滤油器、紧急停机电磁阀、电液比例阀（或双电液比例阀）、切换阀、手动操作阀等部件构成。控制阀均为板式结构，全部集成于主配压阀的上部。桨叶部分除紧急停机电磁阀以外其余与导叶

13、部分相同。其主要特点：1、采用电液比例阀、手动操作阀直接控制主配压阀,结构简单，调整方便。2、自动控制通道采用德国BOSCH电液比例阀作为电液转换组件，提高了工作可靠性。电液随动装置集成示意图如图1。图1电液随动装置集成示意图比例伺服阀3、手动控制通道采用手动操作阀作为电液转换组件执行组件，当自动信道故障或调试时，则用截止阀切换到手动控制方式。4、采用具有液压内反馈的自复中主配压阀，主配压阀的控制信号为控制油流量，由比例阀直接控制主配。当电源消失或电气故障时，可保持机组故障前工况。5、采用液压集成无渗漏设计，所有液压件都设计安装在液压集成块上，液压件之间的联接由集成块内部的油道完成，全部取消明

14、管，从而可大大提高操作油压力。四、主要部件简介1、电液比例阀电液比例阀是由两个比例电磁铁推动的3位4通液压换向阀，其输出流量的大小，与输入比例电磁铁的电气控制信号成比例。与一般电液伺服阀相比，该阀具有体积小、电磁力大、可靠性高、抗油污能力强等优点。如下图2所示图2：电液比例阀图2-1.不带位置反馈的直控式比例方向流量阀图2-2.带位置反馈的直控式比例方向流量阀图2-3.先导式比例方向流量阀图32、主配压阀主配压阀与传统的结构不同，其引导阀芯被可靠地固定于中位，不能上下运动。参见图3。正常运行时，主配压阀的引导阀接通压力油。当通往辅助接力器上腔的控制油路被切断时，主配活塞必然与引导阀芯一样处于中

15、位，以使其辅助接力器上腔的油压力与该活塞进油腔的差压力相平衡。当通往辅助接力器上腔的控制油路与排油接通时，主配活塞受其进油腔差压力的作用而向上偏离中位，使得辅助接力器上腔通过引导阀接通压力油。当进入辅助接力器上腔的压力油流量与排油流量相等时，主配活塞将稳定在中位上方的某一位置。显然，辅助接力器上腔的排油量越大，使主配活塞稳定所需的压力油流量就越大，因而 主配活塞偏离中位的距离也越大。如果控制油路又被切断，而辅助接力器上腔却仍与来自引导阀的压力油相通，由于辅助接力器上腔的工作面积大于主配活塞差压面积，因而主配活塞将在辅助接力器上腔油压力的作用下迅速回到中位，以使作用于它的油压力重新平衡。同样，当

16、辅助接力器上腔与压力油接通时，主配活塞将在辅助接力器上腔油压力作用下向下偏离中位，辅助接力器上腔将通过引导阀接通排油。同样，主配活塞也会稳定在中位下方某一位置，且偏离距离与进入辅助接力器上腔的压力油流量成比例。一旦控制油路又被切断，主配活塞将在其进油腔差压力作用下重新回到中位。从原理上讲，由于辅助接力器在偏离中位时，与引导阀共同形成了与输入流量相反的流量负反馈,且流量负反馈的大小,在一定范围内与辅助接力器偏离中位的距离成比例，因而辅助接力器这一积分环节，由于流量负反馈的存在，便成为一个受输入流量控制的比例环节了。综上所述：主配活塞在控制油路正、负流量输入主配活塞在控制油路正、负流量输入（即接通

17、压力油或排油）的作用下将产生向下、向上的位移，其位移量的作用下将产生向下、向上的位移，其位移量与输入的流量在一定范围内成比例；一旦控制油路被切断，主与输入的流量在一定范围内成比例；一旦控制油路被切断，主配活塞将迅速复中。配活塞将迅速复中。五、电液随动装置系统工作原理调速器及油压装置工作原理如下：如图4所示。本电液随动系统导叶和桨叶组成（压力油源系统在后面介绍）。此处以导叶控制系统为例说明（桨叶系统与导叶基本相同），导叶控制系统由自动信道和手动信道组成。压力油经滤油器过滤后，通过紧急停机电磁阀，一路进入主配引导阀，另一路进入两个电液比例阀手动操作阀，三阀并联，还有一路通过单向阀进入辅助接力器。比

18、例阀为自动工况使用，手动操作阀为手动工况使用，其中两个电液比例阀冗余控制，互为备用，由双系统切换阀进行切换。自动和手动工况的选择由截止阀进行切换。图4正常运行时，紧急停机电磁阀与手自动切换阀均为通路，主配引导阀接通压力油。电气控制信号与主接力器位置信号之差为零时，电液比例阀阀芯在复位弹簧作用下复中，切断辅助接力器控制腔的油路，主配压阀准确地稳定于中位，主接力器也将稳定不动。当电气控制信号减小时，电液比例阀向关机方向运动，使辅助接力器控制腔接通排油时，主配压阀自中间位置向上移动一定距离，主接力器向关机方向运动。同时带动位移传感器移动，直到与电气控制信号相等，两差值信号为零时，电液比例阀和主配压阀

19、便随之复中，主接力器便停止运动。反之，如电气控制信号增大时，电液比例阀向开机方向运动，使辅助接力器控制腔接通压力油时，主接力器将向开机方向运动。这样，主接力器将按一定比例随动于微机调节器控制信号，构成了电液随动系统。当电气控制部份发生故障时，调速器切至手动状态，辅助接力器可由手动操作阀控制，实现手动操作。在事故情况下，紧急停机电磁阀动作,使辅助接力器上腔接通排油,同时切断了控制油路的压力油源，使主配活塞快速上移，实现紧急停机。3、双系统切换阀 双系统切换阀和手自动切换阀采用的是带湿式直流电磁铁的2位3通液压换向阀。动作双系统切换阀，可选择两套电液比例阀的工作和备用状态。4、手动操作阀 手动操作

20、阀采用的是用手柄操作的3位4通液压换向阀。调速器在手动工况运行时，电液比例阀出口控制油被切断，辅助接力器将受手动操作阀正、负流量输出的控制。5、紧急停机电磁阀 紧急停机电磁阀采用的是带湿式直流电磁铁的2位4通液压换向阀。正常运行时，紧急停机电磁阀仅作为油路通道，压力油经过紧急停机电磁阀后，分别进入引导阀和各液压控制阀，及通过单向阀进入辅助接力器。在事故情况下,紧急停机电磁阀动作,单向阀开启，使辅助接力器上腔接通排油,同时切断了各液压控制阀的压力油源，如此，主配活塞快速上移，实现紧急停机。正常运行时，压力油经过紧急停机电磁阀进入辅助接力器上腔和控制油路。在事故情况下,紧急停机电磁阀动作,使辅助接

21、力器上腔接通排油,同时切断了控制油路的压力油源，使主配活塞快速上移，实现紧急停机。6、滤油器 双联滤油器系指滤油器有两只滤器，其中一只工作另一只备用，并且两只滤器切换时不断流，以保证用油系统供油的连续，进行在线（机组运行中）切换。其设计原则是，具有足够大的通油能力，压力损失小；过滤精度满足设计要求；滤芯具有足够的强度和纳污容量；滤芯能在规定温度下长期工作以及滤芯的更换、清洗及维护方便。（1）结构及工作原理 双联滤油器主要由滤前、滤后压力表；锁紧螺钉；不断流阀芯；精密滤芯和滤筒组成。参见图5。图5 双联滤油器结构示意图（2）工作参数滤芯过滤精度：20m双筒过流量：225L/min；滤芯前后报警压差：0.35Mpa阀芯伸出端一侧为工作滤芯。正常情况下，一个滤芯工作，另一个滤芯备用。从滤前、滤后压力表上可直接读出滤芯前后的压力差，时时跟踪油质工况。如果安装压差发讯器，那么，当滤芯前后压差达到0.35MPa，发讯器就点亮机柜面板上的指示灯报警，提示更换正在使用的这只滤芯。当需要更换滤网时，只要把不断流阀芯通过端部把手将其推向另一侧（备用侧），并将不断流阀芯锁紧，即可在机组正常运转的情况下安全更换脏滤芯。7、电气反馈装置 反馈装置机构的作用是把接力器的位移转换成相应的电气信号，反馈至电气控制装置，与调节信号相比较。该机构采用精密耐用电位器作为转换组件。谢 谢 大 家！