1前言
隨著汽輪機組容量的不斷增大,火力發(fā)電廠的熱力系統(tǒng)越來越復(fù)雜,自動化水平也越來越高,為了保證電廠的安全經(jīng)濟運行,必須提高控制系統(tǒng)的靈活性與可靠性。為此,對其調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)中配套的執(zhí)行機構(gòu)提出了大力矩、長行程、高精確度、多功能、快速切斷及快速調(diào)節(jié)等高難度的技術(shù)要求。但目前控制系統(tǒng)中采用的各種閥門執(zhí)行器存在著卡澀、滯后、速度慢等缺陷,嚴重影響了機組的安全經(jīng)濟運行。隨著機電液一體化技術(shù)的發(fā)展,國外已開發(fā)出智能成套式電液執(zhí)行器,該執(zhí)行器沒有外置附屬設(shè)備,系統(tǒng)簡單,運行可靠,操作方便,近幾年來成為美國一些電廠的首選執(zhí)行機構(gòu)。
2智能型閥門電液執(zhí)行器的組成
智能型閥門電液執(zhí)行器是由液動、控制、機電和計算機技術(shù)綜合為一體的特殊智能型電液執(zhí)行器。該執(zhí)行器由兩大部分組成:即機電伺服控制系統(tǒng)和液壓驅(qū)動系統(tǒng)。
2.1機電伺服控制系統(tǒng)
機電伺服控制系統(tǒng)的原理框圖如圖所示,該系統(tǒng)采用數(shù)字化閉環(huán)控制方式。其基本思想是:位置給定指令和位置反饋信號共同對步進電機進行控制,使其成為一較理想的數(shù)字式積分環(huán)節(jié),在此基礎(chǔ)上引入直接檢測運動部件的測量環(huán)節(jié),構(gòu)成包含各種誤差源和非線性環(huán)節(jié)的全閉環(huán)系統(tǒng),并通過計算機控制器對系統(tǒng)的運行進行最少拍控制。這樣,該系統(tǒng)不但可使運動部件的定位精度由檢測環(huán)節(jié)的測量精度決定,而且可對各種干擾和非線性因素對運動部件產(chǎn)生的影響進行有效的動態(tài)校正,使任何時刻運動部件的實際位移量總是嚴格跟隨指令值變化,從而保證運動部件的位移具有較高的動態(tài)精度。

圖1機電伺服控制系統(tǒng)原理框圖
2.2液壓驅(qū)動系統(tǒng)
液壓驅(qū)動系統(tǒng)由雙桿液壓油缸、液壓閥組、雙向內(nèi)嚙合齒輪油泵、高壓電磁閥及彈簧等組成的液壓驅(qū)動回路,系統(tǒng)回路的原理框圖如圖2所示。該回路采用雙向定量內(nèi)嚙合式齒輪油泵,通過改變油泵輸入轉(zhuǎn)速和油流的方向,控制液壓缸的運動方向和速度,回路中壓力的大小取決于負載的大小,因而沒有過剩的壓力和多余的流量,效率較高;赜捅硥嚎芍苯幼饔迷谟捅玫奈肟谏希?yōu)橥苿佑捅眯D(zhuǎn)的動力,減少原動機的功率消耗。當(dāng)換向時由于運動慣性而產(chǎn)生的液壓沖擊,可以被回收變成推動油泵旋轉(zhuǎn)的動力。由于依靠液壓泵改變油流方向,因而換向沖擊小,適合于功率大、換向頻繁的液壓系統(tǒng)。

圖2液壓驅(qū)動回路原理圖
3智能型電液執(zhí)行器的動態(tài)特性分析
3.1機電伺服控制系統(tǒng)的動態(tài)特性分析
機電伺服控制系統(tǒng)的動態(tài)特性主要取決于位置控制器和步進電機的特性。步進電機是將脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移的執(zhí)行元件。步進電機轉(zhuǎn)子的角位移的大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)及其頻率成正比,并在時間上與輸入脈沖同步。圖3為閉環(huán)步進位置控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖,它包括位置控制器、被控對象和反饋通道等部分。

圖3閉環(huán)步進位置控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖
3.1.1位置控制器的傳遞函數(shù)
根據(jù)電液轉(zhuǎn)換器的位置控制特點和最小拍控制理論可得廣義對象傳遞函數(shù)為:

考慮到泄漏系數(shù)可以通過制造精度的提高而減少到不足以引起系統(tǒng)誤差,因而可以忽略泄漏系數(shù)的影響,式(1)變?yōu)椋?/P>

式中:T-位置檢測采樣周期;K-對象增益,(K=KFKθKPKYA)/VC;N=(VC+A2EY)/VC。
3.1.2內(nèi)嚙合齒輪油泵的流量計算及其傳遞函數(shù)
根據(jù)內(nèi)嚙合齒輪油泵的工作原理,油泵的流量為:
Q=dv/dt=KP·dФ1/dt(3)
對式(3)進行拉氏變換,并以油泵流量為輸出,以電機轉(zhuǎn)角變化為輸入,得:
W(s)=Q(s)/Ф(s)=KPs(4)
3.2液壓驅(qū)動回路動態(tài)特性分析
根據(jù)液流的連續(xù)性,考慮到液壓缸的泄漏及油液的壓縮性,并且液壓閥無流量調(diào)節(jié)功能,則回路的流量方程為:

對式(5)進行拉氏變換,并以流量為輸入,以位移為輸出,得:

3.3智能閥門電液執(zhí)行器的動態(tài)穩(wěn)定性分析
根據(jù)前面的理論分析和圖3所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),近似認為泄漏系數(shù)K1=0,可得系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為:
式中Kd=KFKθKPK為系統(tǒng)增益,當(dāng)Kd=280時,根據(jù)式(7)作出的開環(huán)波德圖如圖4所示。
根據(jù)奈魁斯特判據(jù),當(dāng)開環(huán)傳遞函數(shù)在右半S平面沒有極點時,閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是低于增益穿越頻率ωc的頻率范圍內(nèi)開環(huán)相頻率特性不穿越-180o線,相位裕量γ不小于30~60o,增益裕量Kd不小于4dB。
由圖4可知,相位裕量γ為90o,增益裕量Kd為11dB,符合奈魁斯特判據(jù),所以系統(tǒng)是穩(wěn)定的。
4結(jié)論
通過對智能閥門電液執(zhí)行器的動態(tài)特性的分析,可以得出如下主要結(jié)論:
(1)智能閥門電液執(zhí)行器系統(tǒng)穩(wěn)定、系統(tǒng)響應(yīng)速度快。并且減少系統(tǒng)增益、減少液壓油缸的行程和增加阻尼均可增大系統(tǒng)穩(wěn)定裕量。
(2)當(dāng)不考慮智能電液執(zhí)行器的泄漏系數(shù)時,系統(tǒng)無穩(wěn)態(tài)誤差。因此,只要使智能閥門電液執(zhí)行器的泄漏系數(shù)控制在微小值范圍內(nèi),可以改善系統(tǒng)動態(tài)特性,減少穩(wěn)態(tài)誤差。
(3)使用智能閥門電液執(zhí)行器直接調(diào)節(jié)閥門,可以節(jié)省投資、檢修和維修費用,且因其作用力大而無卡澀滯后等缺陷,使調(diào)節(jié)的安全性和可靠性得以大幅度提高。

圖4智能電液執(zhí)行器控制系統(tǒng)開環(huán)波德圖
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