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摘要：在小型水电站中水轮机调速设备是其核心部件的主要组成之一，同时亦是自动控制型小水电站的重要组成部分。正确合理的选择与小型水电站相符合的调速器，不仅可以为电站节省部分经济开支，还能够在一定程度上提高电站设备的安全性。本文主要阐述小型水轮电机调速设备自动化方案，包括保护电源，电机选择以及调速机构等方面的研究。
关键字：小型水轮电机；自动化；调速设备；方案研究
Abstract: In small hydropower station in hydro turbine governor is one of the main components of the core components, but also is an important part of automatic control of small hydropower station. The governor with the right choice and small hydropower station, not only can save part of the economic expenditure for the power station, also can improve the safety of power plant equipment in a certain extent. This paper mainly expounds the small hydraulic motor speed regulation equipment automation solutions, including the protection of power, motor and speed regulating mechanism.
Keywords: small hydraulic motor; automation; control devices; scheme study
中图分类号：TM3
0 引言
最早出现的水轮机调速设备是一种直接动作式的调速器，主要是通过采用测速元件来进行对水轮机执行机构的直接操作。到了八十年代，随着科学技术的不断发展，为了保障调速器的调速质量提高调速水平和运行稳定性，相关技术人员、制造单位以及科研人员开始进行微机调速器的研制。直到九十年代，微型电业调速器的得到了新一批大型水电站的亲睐，得到了广泛的使用，同时也发现其控制质量和水平比较理想[1]。因此对于小水电站而言，综合其经濟效益以及使用成本，应尽可能降低气、油系统的使用率。另一方面，对于已经合并到大型电网中的小型水电站而言，其调速器只要能够完成基本的减导叶开度以及运行时增，在特殊状态下及时安全的断掉导叶就可以满足要求，所以往往小型水电站可以考虑不适用机械液压调速设备。
目前，尽管小型水电站中大多数都使用电动手动调速控制，但是其调速控制并没有正真达到自动控制的高度，这就在一定程度上对值班人员的劳动量有了更高的要求，同时也增加了跟踪变化负荷的难度，直接导致电能水平的降低。本文综合考虑现在我过小型水电站调速设备控制现状和水电站尽可能减少开支，提出了小型水轮电机调速设备自动化方案，为实现调速器的全自动控制研究提供理论参考[2]。
1 电动机的确定
直流电动机的性能有点在于它能够在运行过程中很好的控制调速以及起动等。但是因为其安装电刷换向器，使得电动机仅能采用直流电源、成本比较高、运行不稳定，结构复杂等，这就直接使得直流系统的扩容量明显扩增，使用成本增加。而异步电机相比于直流电动机，具备以下优点：价格低廉、效率较高、坚固耐用、结构简单、制造容易、运行可靠以及优异的工作特性。
异步电动机主要分为鼠笼型异步电动机以及绕线型异步电动机。绕线型异步电动机采用的启动方式为电阻启动，且其三相转子串是完全对称的，这样的结构的可以使电机的启动电流能够明显降低，转子滑差以及启动转矩率增大。但是其相比于鼠笼型异步电动机，绕线型的价格较贵并且结构复杂，在运行稳定性上也没有鼠笼型可靠。所以，综合考虑鼠笼型异步电动机具备维修方便、价格便宜、结构简单以及运行稳定等优点，在本方案中确定鼠笼型异步电动机为调速装置的动力设备。
2 减速机构的确定
在电动机一般运行状态中，其拥有较快转速，在此为了便于它与导叶开度调节相互配合和适应，考虑安装一个减速机构。如图 1 所示，采用在现场运行电机中安装齿轮进行连接的方式，就可以达到对导叶开度的速度减慢进行调节的目的。
图1 改装减速机构实物图
3 保护电源的确定
小型水电站通常情况下没有后备电源，电站一般在一侧发电机上安装有控制以及保护等电源，同时设备的供电都依靠机端电压，一旦发电机励磁系统不能正常工作或者运行时，机端电压就无法供给调速器与其他自动化部件，自动化操作无法实现[3]。
本装置的电源分别是电网以及发电机。当发电机提供供电正常时，以发电机电压机端当做总电压电源；当励磁系统不运行或者发电机不工作时，水电站的电源则是通过电网提供的。相比于没有后备电源的供电形式，这样设计的两个电源能够保障装置供电的稳定性，比较可靠。
图2 电源引出装置原理图
4 导叶开度的调节
导叶的开度受电机自身控制，当电机正转时，导叶开启；反转情况下，导叶关闭。因此，可以通过控制电机的正反转来调节导叶的开度。而对于电机的正反转的控制，可以改变交流电源的相序方法实现电机的正反转，进而实现导叶开度的调节，交流电机接电相序原理如图3所示，
图3 交流电动机接线图
由图3可知，C1和C2为两个交流接触器，当C1接通时，进入电机的电流相序分别为A-B-C，电机实现正转；当C2接通时，进入电机的电流相序分别为A-C-B，电动机实现反转。由图可以看出，当接触器C1和C2同时接通时，电源出现短路状态。因此，交流接触器C1和C2只能有一个处于接通状态，因此，在电动机接入电源时，需要加一短路保护装置，对电路图进行改进，其设计原理如图4所示，
图4 电动机开关原理接线图
如图4所示，KA为一个控制开关，如果系统发出一个调速指令后，KA开关闭合，此时，电动机电路才能接通，开始运转。其中，GA1和GA2开关分别为控制电机正转和反转。如果需要电动机正转时，首先，系统发出一个KA关闭指令，其次，发出一个GA1关闭的脉冲，电动机正转电路接通，此时，交流接触器C1接通后关闭，在此情况下，即使再发出一个GA1开启脉冲，交流接触器C1任能保持关闭状态，保证电动机的正转运行。此时，接触器C1处于断开状态，即使GA2关闭，接触器C2将不会开启，这就可以保证C1和C2不能同时开通，通过KA的断开，实现电动机停止运转。而对于电动机反转，则需要发送一个GA2开启的脉冲指令。由于电动机运转惯性比较大，容易出现超调现象。因此，在KA开关闭合后，系统自动发出一个闭合时间控制指令，从KA关闭开始计时，设置一定的时间，之后KA开关断开。对于电动机正反转调换时，需设置一个时间间隔，克服电机的旋转惯性，如果系统自动检测电动机的转速，如果不满足调换要求，需重新发送调速指令。对于KA的闭合控制和调节时间间隔的初始设置如表1所示，
表1 KA的闭合控制时间和调节时间间隔的出厂设置表
由表2可以看出，由于电机应用工矿不同，电机的调速控制时间间隔有所不同。因此，为了满足实际应用要求，需对控制时间间隔进行修正，满足工作要求。
5 结束语
水轮机调速设备是自动控制型小水电站的重要组成部分之一。正确合理的选择与小型水电站相符合的调速器，不仅可以为电站节省部分经济开支，还能够在一定程度上提高电站设备的安全性。本文综合考虑现在我过小型水电站调速设备控制现状和水电站尽可能减少开支，提出了小型水轮电机调速设备自动化方案，为实现调速器的全自动控制研究提供理论参考。
参考文献：
[1]田毅，黄奕华.水轮机调节[M].北京：中国水利水电出版社,1996:1-2.
[2]魏守平.现代水轮机调节技术[M].武汉：华中科技大学出版社,2002:1-4.
[3]沈祖治.水轮机调节[M].北京：水利电力出版社,1988：45-126.
关键字：小型水轮电机；自动化；调速设备；方案研究
Abstract: In small hydropower station in hydro turbine governor is one of the main components of the core components, but also is an important part of automatic control of small hydropower station. The governor with the right choice and small hydropower station, not only can save part of the economic expenditure for the power station, also can improve the safety of power plant equipment in a certain extent. This paper mainly expounds the small hydraulic motor speed regulation equipment automation solutions, including the protection of power, motor and speed regulating mechanism.
Keywords: small hydraulic motor; automation; control devices; scheme study
中图分类号：TM3
0 引言
最早出现的水轮机调速设备是一种直接动作式的调速器，主要是通过采用测速元件来进行对水轮机执行机构的直接操作。到了八十年代，随着科学技术的不断发展，为了保障调速器的调速质量提高调速水平和运行稳定性，相关技术人员、制造单位以及科研人员开始进行微机调速器的研制。直到九十年代，微型电业调速器的得到了新一批大型水电站的亲睐，得到了广泛的使用，同时也发现其控制质量和水平比较理想[1]。因此对于小水电站而言，综合其经濟效益以及使用成本，应尽可能降低气、油系统的使用率。另一方面，对于已经合并到大型电网中的小型水电站而言，其调速器只要能够完成基本的减导叶开度以及运行时增，在特殊状态下及时安全的断掉导叶就可以满足要求，所以往往小型水电站可以考虑不适用机械液压调速设备。
目前，尽管小型水电站中大多数都使用电动手动调速控制，但是其调速控制并没有正真达到自动控制的高度，这就在一定程度上对值班人员的劳动量有了更高的要求，同时也增加了跟踪变化负荷的难度，直接导致电能水平的降低。本文综合考虑现在我过小型水电站调速设备控制现状和水电站尽可能减少开支，提出了小型水轮电机调速设备自动化方案，为实现调速器的全自动控制研究提供理论参考[2]。
1 电动机的确定
直流电动机的性能有点在于它能够在运行过程中很好的控制调速以及起动等。但是因为其安装电刷换向器，使得电动机仅能采用直流电源、成本比较高、运行不稳定，结构复杂等，这就直接使得直流系统的扩容量明显扩增，使用成本增加。而异步电机相比于直流电动机，具备以下优点：价格低廉、效率较高、坚固耐用、结构简单、制造容易、运行可靠以及优异的工作特性。
异步电动机主要分为鼠笼型异步电动机以及绕线型异步电动机。绕线型异步电动机采用的启动方式为电阻启动，且其三相转子串是完全对称的，这样的结构的可以使电机的启动电流能够明显降低，转子滑差以及启动转矩率增大。但是其相比于鼠笼型异步电动机，绕线型的价格较贵并且结构复杂，在运行稳定性上也没有鼠笼型可靠。所以，综合考虑鼠笼型异步电动机具备维修方便、价格便宜、结构简单以及运行稳定等优点，在本方案中确定鼠笼型异步电动机为调速装置的动力设备。
2 减速机构的确定
在电动机一般运行状态中，其拥有较快转速，在此为了便于它与导叶开度调节相互配合和适应，考虑安装一个减速机构。如图 1 所示，采用在现场运行电机中安装齿轮进行连接的方式，就可以达到对导叶开度的速度减慢进行调节的目的。
图1 改装减速机构实物图
3 保护电源的确定
小型水电站通常情况下没有后备电源，电站一般在一侧发电机上安装有控制以及保护等电源，同时设备的供电都依靠机端电压，一旦发电机励磁系统不能正常工作或者运行时，机端电压就无法供给调速器与其他自动化部件，自动化操作无法实现[3]。
本装置的电源分别是电网以及发电机。当发电机提供供电正常时，以发电机电压机端当做总电压电源；当励磁系统不运行或者发电机不工作时，水电站的电源则是通过电网提供的。相比于没有后备电源的供电形式，这样设计的两个电源能够保障装置供电的稳定性，比较可靠。
图2 电源引出装置原理图
4 导叶开度的调节
导叶的开度受电机自身控制，当电机正转时，导叶开启；反转情况下，导叶关闭。因此，可以通过控制电机的正反转来调节导叶的开度。而对于电机的正反转的控制，可以改变交流电源的相序方法实现电机的正反转，进而实现导叶开度的调节，交流电机接电相序原理如图3所示，
图3 交流电动机接线图
由图3可知，C1和C2为两个交流接触器，当C1接通时，进入电机的电流相序分别为A-B-C，电机实现正转；当C2接通时，进入电机的电流相序分别为A-C-B，电动机实现反转。由图可以看出，当接触器C1和C2同时接通时，电源出现短路状态。因此，交流接触器C1和C2只能有一个处于接通状态，因此，在电动机接入电源时，需要加一短路保护装置，对电路图进行改进，其设计原理如图4所示，
图4 电动机开关原理接线图
如图4所示，KA为一个控制开关，如果系统发出一个调速指令后，KA开关闭合，此时，电动机电路才能接通，开始运转。其中，GA1和GA2开关分别为控制电机正转和反转。如果需要电动机正转时，首先，系统发出一个KA关闭指令，其次，发出一个GA1关闭的脉冲，电动机正转电路接通，此时，交流接触器C1接通后关闭，在此情况下，即使再发出一个GA1开启脉冲，交流接触器C1任能保持关闭状态，保证电动机的正转运行。此时，接触器C1处于断开状态，即使GA2关闭，接触器C2将不会开启，这就可以保证C1和C2不能同时开通，通过KA的断开，实现电动机停止运转。而对于电动机反转，则需要发送一个GA2开启的脉冲指令。由于电动机运转惯性比较大，容易出现超调现象。因此，在KA开关闭合后，系统自动发出一个闭合时间控制指令，从KA关闭开始计时，设置一定的时间，之后KA开关断开。对于电动机正反转调换时，需设置一个时间间隔，克服电机的旋转惯性，如果系统自动检测电动机的转速，如果不满足调换要求，需重新发送调速指令。对于KA的闭合控制和调节时间间隔的初始设置如表1所示，
表1 KA的闭合控制时间和调节时间间隔的出厂设置表
由表2可以看出，由于电机应用工矿不同，电机的调速控制时间间隔有所不同。因此，为了满足实际应用要求，需对控制时间间隔进行修正，满足工作要求。
5 结束语
水轮机调速设备是自动控制型小水电站的重要组成部分之一。正确合理的选择与小型水电站相符合的调速器，不仅可以为电站节省部分经济开支，还能够在一定程度上提高电站设备的安全性。本文综合考虑现在我过小型水电站调速设备控制现状和水电站尽可能减少开支，提出了小型水轮电机调速设备自动化方案，为实现调速器的全自动控制研究提供理论参考。
参考文献：
[1]田毅，黄奕华.水轮机调节[M].北京：中国水利水电出版社,1996:1-2.
[2]魏守平.现代水轮机调节技术[M].武汉：华中科技大学出版社,2002:1-4.
[3]沈祖治.水轮机调节[M].北京：水利电力出版社,1988：45-126.