给水泵汽轮机直驱式电液伺服油动机的研究

第52卷第5期2010年LO月汽轮机技术TURBINETECHN0L0GYV0152NO5OC2010给水泵汽轮机直驱式电液伺服油动机的研究陈建华，万保中，常虹，马琛俊。，姜继海，刘庆和1上海汇益液压控制系统工程有限公司，上海201711；2北京华德液压工业集团有限责任公司，北京100176；3哈尔滨工业大学流体传动及控制研究所，哈尔滨150001摘要介绍了给水泵汽轮机工作原理，分析了给水泵汽轮机传统阀控式调速方式的优缺点，阐述了直驱式电液伺服系统的原理、组成和特点，并对直驱式电液伺服系统进行了结构设计、理论分析和试验研究。试验研究表明，用直驱式容积控制电液伺服系统控制油动机，其性能指标能够达到给水泵汽轮机调速系统的指标要求，并具有可靠性高、节能高效、操作与控制简单、小型集成化等诸多优点，对发电行业的发展具有重要的意义。关键词给水泵汽轮机；调速系统；直驱式容积控制；油动机分类号TP2732文献标识码A文章编号10015884201005036303RESEARCHONDIRECTDRIVEVOLUMECONTROLELECTROHYDRAULICSERVOCYLINDEROFFEEDWATERPUMPTURBINECHENJIANHUA，WANBAOZHONG，CHANGHONG，MACHENJUN，JIANGJIHAI，LIUQINGHE1SHANGHAIHUIYIHYDRAULICCONTROLSYSTEMENGINEERINGCOMPANYLIMITED，SHANGHAI201711，CHINA；2BEIJINGHUADEHYDRAULICINDUSTRIALGROUPCOMPANYLIMITED，BEIJING100176，CHINA；3INSTITUTEOFFLUIDPOWERTRANSMISSIONCONTROL，HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY，HARBIN150001，CHINAABSTRACTACCORDINGTOTHEWORKINGPRINCIPLEOFFEEDWATERPUMPTURBINE，THISPAPERANALYZESTHEADVANTAGESANDDISADVANTAGESOFTRADITIONALVALVECONTROLFORMSINFEEDWATERPUMPTURBINETHROUGHCOMPARISONWITHDIRECTDRIVEVOLUMECONTROLELECTROHYDRAULICSERVOSYSTEM，THEPAPEREXPOUNDSTHEPRINCIPLES，COMPOSITION，THEADVANTAGESANDDISADVANTAGESOFDIRECTDRIVEVOLUMECONTROLELECTROHYDRAULICSEITOSYSTEMALSOMAKINGADESIGN，THEORETICALANALYSISANDEXPERIMENTALSTUDIESABOUTDIRECTDRIVEVOLUMECONTROLELECTROHYDRAULICSERVOSYSTEMEXPERIMENTALSTUDIESHAVESHOWNTHATUSINGDIRECTDRIVEVOLUMECONTROLELECTROHYDRAULICSEITOSYSTEMCONTROLLINGTHEOILCYLINDER，ITSPERFORMANCECANBEACHIEVEDTOTHETARGETOFTHESPEEDCONTROLSYSTEMINFEEDWATERPUMPTURBINE，ANDITHASHIGHRELIABILITY，ENERGYEFFICIENCY，OPERATIONANDCONTROLSIMPLY，SMALLSCALEINTEGRATEDANDMANYOTHERADVANTAGESRESEARCHINGONTHEDEVELOPMENTOFDIRECTDRIVEVOLUMECONTROLELECTROHYDRAULICSERVOSYSTEMHASANIMPORTANTSIGNIFICANCETOOURPOWERINDUSTRYKEYWORDSFEEDWATERPUMPTURBINE；THESPEEDCONTROLSYSTEM；DIRECTDRIVEVOLUMECONTROL；THEOILCYLINDER0前言锅炉给水泵是发电厂的重要辅机设备，它的运行状况直接影响着锅炉的正常运行，从而也就影响着整个机组的正常发电。锅炉给水泵是电厂内主要的耗电设备。根据小型火力发电厂设计技术规定，锅炉给水泵出口的总容量为锅炉在最大连续蒸发量时所需的给水量，并留有10的裕量，由此计算出给水泵的铭牌功率约占热电厂发电量的4TL。国内电站锅炉给水泵驱动方式主要有电动和汽动两种。电动给水泵会使锅炉、汽轮机及有关辅助设备的裕量过大，匹配不当，机组效率下降，同时电动给水泵消耗了大量厂用电。汽动给水泵是通过一个单独的小汽轮机驱动给水泵。汽动调速给水泵利用锅炉部分富裕蒸发量驱动给水泵汽轮机，使供电量增加，提高了机组运行效率。给水泵汽轮机的工作原理如图1所示。油动机汽动给水泵汽给水泵汽轮机图1给水泵汽轮机的工作原理锅炉给水泵汽轮机构成给水系统的一部分，汽动给水泵由给水泵汽轮机直接驱动，通过控制汽轮机的进汽量改变汽轮机的转速，从而调节汽动给水泵的转速，以控制锅炉给水泵的给水流量。收稿日期20091208一作者简介陈建华1964，男，高级工程师，从事发电领域液压控制系统研发和生产制造。汽轮机技术第52卷1给水泵汽轮机调速方式11传统阀控式电液伺服系统给水泵汽轮机调速系统多采用高压抗燃油纯电液调节方式，即传统的阀控式电液伺服控制系统。其调速系统采用MEHMICROPROCESSORELECTRICHYDRAULIC电液控制系统，MEH控制系统接受4MA一20MA阀位指令信号和来自油动机LVDT的位移反馈信号，MEH产生的控制信号作用于电液伺服阀，使电液伺服阀开启或关闭，进而控制油动机的行程，最终实现调速汽门开度的调节，以控制进入汽轮机的蒸汽量。阀控式电液伺服系统原理图如图2所示。图2阀控式电液伺服系统原理图其工作原理是MEH将阀位指令信号与来自油动机的LVDT阀位反馈信号相比较之后输出操作信号到电液伺服阀。电液伺服阀根据指令控制液压油进入油动机活塞的上腔或下腔，活塞上下运动带动调节汽阀上升或下降。当阀位指令信号与LVDT反馈信号相加后为零时，伺服阀滑阀回到中间位置零位，则停止向油动机进排油，油动机活塞处于某一位置，活塞杆停止移动，此时，蒸汽阀门已经到达了所需要的开度，完成了电信号一液压力一机械位移的转换过程。随着阀位指令信号的变化，油动机不断地调节蒸汽阀门的开度，实现蒸汽阀阀位的控制。阀控式电液伺服系统具有大输出功率、高精度、高频响等优良控制特性，但是由于电液伺服阀本身固有的结构特点，使电液伺服系统有如下固有缺点1对油液污染特别敏感。工作油的污染将加快电液伺服阀磨损，严重的导致伺服阀卡涩失灵，发生故障，从而导致电液伺服系统工作可靠性和性能稳定性的降低。2需要一套恒压油源，因此增大系统的体积和复杂程度，增加系统的成本，同时也限制了其更广泛应用。3伺服阀提供的负载压力最大只有油源压力的三分之二，因此系统能量浪费严重。4能量损耗严重，节流发热较大，效率低。5伺服阀加工精度高，价格贵，维修不方便。综上所述，电液伺服系统以其传动平稳、驱动功率大、精度高等优良特性在许多领域获得了广泛的应用，但是它的缺点也限制了其更广泛的应用。因此，节能和小型化、一体化及高可靠性一直是电液伺服系统的主要研究方向。12直驱式容积控制电液伺服系统在近十几年来，由于液压技术领域中容积控制系统的发展和交流伺服电机广泛应用，出现了直接驱动容积控制电液伺服系统DIRECTDRIVEVOLUMECONTROL，简称DDVC或无阀电液伺服系统J。直驱式容积控制电液伺服系统是交流伺服技术和液压技术相结合的产物，通过改变交流伺服电机的转速和转向来改变定量液压泵的输出油液的流量和运动方向，最终控制油动机活塞杆的位置，电机限转矩来控制回路中的最大油压。由于这种系统不用电液伺服阀，因而克服了阀控电液伺服控制系统的诸多缺点。在传统的阀控液压系统中所用的控制方向、速度、压力的三大阀类，在直驱式系统中全部去掉，其功能全部由交流伺服电动机实现。直驱式容积控制电液伺服系统原理图如图3所示。厂、密闭油箱交流伺服电动机双旋向定量泵吸排阀锁阀A非对称液压缸B图3直驱式容积控制电液伺服系统原理图直驱式容积控制电液伺服系统采用闭式回路，如果电机正转时，液压缸活塞杆伸出，活塞杆腔B腔中的排出油量不够活塞腔A腔所需油量，此时液压泵的入口处除接受B腔排出的油量外，还必须从油箱经吸排阀向A腔补充油量，才能平稳运行；当电机反转时，液压缸活塞杆缩回，改变主回路中的高压腔和低压腔。A腔排出的油量比过B腔所需的油量多，此时通过吸排阀，将多余的油量排人油箱。若当执行元件为对称缸或摆动马达时，其工作腔没有容积差，但液压泵肯定有内泄漏和外泄漏，因此直驱式电液伺服系统的吸排阀不可缺少。吸排阀是并联在主回路上的两个液控单向阀。液压锁是串联在主回路上的两个液控单向阀。在停机的情况下，液压锁能锁住活塞杆不动。这4个液控单向阀安装上以后无需调节。直驱式容积控制电液伺服系统的主要优点有1节能高效。系统没有节流元件，能够避免阀控电液伺服系统的节流损耗和溢流损耗，功率损失小，发热量小。2可靠性高，寿命长。选用了可靠性高的定量泵，而且由于电动机工作在额定转速以下，定量泵的磨损大大减少，寿命长。3伺服电机控制灵活，当执行元件不工作时，伺服电机停止工作，而传统阀控系统的液压泵站始终处于工作状态，这样可大大提高资源的利用率。4系统元件数目少，可实现集成一体化、体积小、重量轻、效率高。5管道布置减少，极大地消除管道对伺服系统的影响。直驱式容积控制电液伺服系统的主要不足是系统动态第5期陈建华等给水泵汽轮机直驱式电液伺服油动机的研究365特性不高，表现为响应速度不够快，响应频率不够高。系统中液压执行机构输出的控制仍是通过改变定量液压泵的输出来实现的，不同于传统泵控系统改变的是变量泵的排量，其改变的是定量泵的转速，所以直驱式容积控制电液伺服系统仍属于容积调速系统，由于交流伺服电机和液压动力机构的动态特性不高，导致系统动态特性不高。2直驱式电液伺服油动机的建模图4是直驱式电液伺服油动机控制系统原理图。计算机通过位移传感器的反馈信号与输入信号比较后给电机驱动器，使其控制交流伺服电机的转速，以驱动液压缸到达相应的位移。由上述分析可以得到直驱式容积控制电液伺服油动机图4直驱式电液伺服油动机控制系统原理图的传递函数框图如图5所示，其中控制器的传递函数用K代替。一油缸活塞位移，；K，一频率电压转换系数，VHZ；一电压频率转换系数，H置V；一电动机极对数；一电动机折算到定子侧的转子每相电阻，N；J一系统折算到电动机转子轴上的转动惯量，KGM；一电机转轴阻尼系数，NMSRAD；DP一定量泵的排量，M3；田一机械传动效率；C一系统总的泄漏系数，MPS；非对称液压缸油腔的总容积，M；口一液压油的体积弹性模量，NM；A一液压油缸工作腔面积，M；肘一液压缸活塞杆的质量，KG；B一粘性阻力系数，NMS；F一负载力，N。昌潍图5直驱式电液伺服油动机传递函数方框图一卜卜一L2II_IL_L_IL_IRRI时间S幅值50RAM，负载为零F2时间，SD，斜率10MMS,负载10KN8。G75706560一LI时间，S幅值50RAM，负载10KN时间，S频率05HZ，幅J20MM，负载为零一712345时间，S频率IHZ，幅值10RAM，负载为零暑80，。趟60I1。、20123456时间，S斜率10MMS，负载为零_时间，S频率05IIZ，幅值20MM，负载10KN厂、厂、7II一、蒴融一_1、时间，S频率LHZ，幅值10RAM，负载10KN图6直驱式电液伺服油动机实验曲线下转第400页400汽轮机技术第52卷0OOOLNIOG91G28ZO；N20G28XOYO；N30T1M06；N40G54G49G80G90GO0ZIO00；N50G43H1；N60LVL03S2000N70M08调用1号刀具长度补偿N80G9OGOX一155O693Y一456139Z889909AL318329N9OG9OCOX一1550693Y一456140Z477183AL318329N11OG91G1X0OOOOYO0OOLZ一5000O0AO00O0F100O动态速度N120X00436Y294864Z55273A0OOO0FLOOON13OX00OL8Y11639Z一0O95OA12543F1074NL4OX0O013Y16729Z一0O612A一16278F972N150X00OL7Y17565Z0O2L4A1525869NL510XOOO53Y一20392Z22857A一53431FL744N1520X00000Y00002Z742386A00000F1000N1530M09；N1540G90G49COOZIO0N1550M05；N1560M304结束语本后置处理软件经过试验论证，完全达到了最初的设计目的，通过该后置处理软件生成的NC代码在进出汽边处加大进给速度，而在内背弧处，明显降低切削速度，实现了整个切削过程的恒功率状态，明显地改善了刀具寿命和加工工件表面粗糙度，有效地提高了加工效率。通过该后置处理程序的开发，探索出了基于通用软件平台编制专用后置处理程序的方法，为设计更为复杂的后置处理程序提供了借鉴。目前，该后置处理软件已在某汽轮机厂国产多轴机床上成功运用于透平叶片型面的加工。参考文献1魏勇后置处理算法研究及通用后置处理的实现途径J东方汽轮机，200222232袁哲俊，刘雄伟，刘华明五坐标端铣数控加工计算理论分析J机械工程学报，199331373潘晓弘，王正肖五坐标数控编程中旋转角的自动处理J机电工程，199644464钟成明叶片专用动态加速后置处理开发PTC公司论文征集活动组编产品至上创新协同推动中国制造业M北京机械工业出版社，20045龚沛曾，杨志强，陆慰民VISUALBASIE程序设计教程M北京高等教育出版社，2007上接第365页3直驱式电液伺服油动机系统的试验研究在系统空载和加载两种情况下，对直驱式电液伺服油动机系统输入了阶跃，斜坡与正弦信号。图6是直驱式电液伺服油动机实验曲线。图中曲线1为给定信号曲线，曲线2为响应曲线。图6中的A和6分别为阶跃信号幅值为50RAM，负载为零和LOKN的曲线图；图6中的C和D分别为斜坡信号斜率为LOMMS，负载为零和LOKN的曲线图；图6中的E和分别为正弦信号频率为05HZ，幅值为20RAM，负载为零和LOKN的曲线图；图6中的G和H分别为正弦信号频率为1HZ，幅值为LOMM，负载为零和LOKN的曲线图。从图6中的。和6中可以看出，对于幅值为50RAM的阶跃信号的响应，加载后系统的跟踪曲线变化不大，系统的定位精度、上升时间与空载时接近，整个响应过程无超调，无振荡，这说明系统抗负载能力较强。从图6中的C和D中可以看出，系统加载时的跟踪趋势与空载时基本一致，空载时系统对斜坡信号的响应能力较好，随着阻力负载的加大，系