摘要：調速器是水電廠參與控制調節的重要裝置，關係到機組的效能和安全穩定性。其核心控制項包括控制器和電液轉換元件，控制項的選擇和使用應結合機組結構、使用要求、控制原理、特點等進行，在「可靠性、靈敏性、穩定性」的基礎上還應考慮水電站發展的需要，包括建設智慧型化、數位化水電站，滿足和適應當前技術及發展的需要，本文主要介紹了多種型別控制器和電液轉換元件的原理、特點、效能分析比較、應用等，為選擇和使用水輪機調速器控制項提供一定的借鑑，保證水電站的安全、穩定、可靠、經濟執行。
1.前言
水輪機調速器發展迅速，產品結構種類較多，其核心控制項主要是控制器和電液轉換元件。控制器使用較多的有微控制器、工業控制計算機(ipc)、可程式設計控制器(plc)、可程式設計計算機控制器(pcc)，電液轉換元件包括伺服比例閥、步進電機、數字閥、電液轉換器等。它們之間的不同組合，使水輪機調速器控制項出現了多種結構模式，選擇和使用不當往往產生很多問題而影響機組的效能和正常執行，部分機組多次改造調速器，造成了資金的浪費，產生不利的影響，因此，正確選擇調速器控制項非常重要。
在控制項原理、特點、應用情況、效能分析比較等多方面加以說明，從而選擇和使用可靠、穩定、適用的調速器控制項。
2.控制器部分
水輪機調速器控制項控制器有微控制器、工業控制計算機(ipc)、可程式設計控制器(plc)、可程式設計計算機控制器(pcc)幾大類。其中微控制器構成的控制系統由於可靠性差、故障率高等多方面原因已趨於淘汰，在此僅作簡單介紹。
2.1微控制器
微控制器是調速器控制項的早期產品，根據調速系統任務需要選擇8051、8086、8096等微控制器(mcu)為硬體基礎來設計線路板構成控制器。由於缺乏專業的抗干擾設計、生產工藝差、元器件篩選過程不夠嚴格等多方面原因造成可靠性低、抗干擾能力差、故障率高等缺陷，已逐步退出市場，現已趨於淘汰。
2.2工業控制計算機(ipc)
2.2.1工業控制計算機定義
工業控制計算機簡稱工控機(ipc)是對個人計算機的板路、記憶體以及機箱等進行專門電磁相容、工業應用等進行設計、製造，能應用於工業控制環境的計算機。
2.2.2工業控制計算機的特點
工控機的運算速度高，儲存容量大;程式移植性強;能實現多工併發;有較好的程式設計方式、網路通訊、人機介面等。但由於硬體設計還是基於個人計算機(pc)的匯流排結構，而且軟體平台必須基於windows或linux等作業系統上，因此其可靠性還是比完全針對工業現場設計的控制器少乙個數量級。
2.2.3工業控制計算機的應用
工控機在調速器靜特性、空載擺動、接力器不動時間等試驗中有較好的效能，在水電站調速器控制系統中有一定應用，但因可靠性問題對發展形成一定制約。
2.3可程式設計控制器(plc)
2.3.1可程式設計控制器的定義
可程式設計控制器(plc)是一種專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。採用可以編制程式的儲存器，用來在內部儲存執行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，並能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種型別的裝置或生產過程。
2.3.2可程式設計控制器的特點
plc按照易於與工業控制系統形成乙個整體、易於擴充套件其功能的原則而設計;採用現代大規模積體電路技術和嚴格的生產工藝製造，內部採取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性;其硬體配套齊全，具有豐富的i/o介面模組，功能完善，適用性強;維護方便、容易修改;有較強的網路功能和高階應用功能。
2.3.3可程式設計控制器的應用
plc的高可靠性已得到廣泛的驗證，其控制方式、控制速度、高階功能等可較好的應用於水電廠調速器控制系統中，以其優異的效能立即成為調速器控制項的主流方向，廣泛應用於各種型別和容量的水電站調速器控制系統中。
2.4可程式設計計算機控制器(pcc)
2.4.1可程式設計計算機控制器定義
可程式設計計算機控制器(pcc)是可程式設計控制器的標準控制功能和工業計算機的時分復用作業系統功能的整合。
2.4.2可程式設計計算機控制器的特點
pcc具有時分復用作業系統;可採用高階語言編寫複雜的程式;軟硬體獨特新穎的插拔式模組結構使系統具有靈活多樣的擴充套件和組合;高速計數模組有很高的測頻精度和可靠性;cpu執行效率高，儲存器容量大。
2.4.3可程式設計計算機控制器的應用
pcc的特點為水輪機調速器控制系統提供了強有力的保證，近年可程式設計計算機控制器在水輪機調速器控制系統中逐步的得到擴大和發展，具有很好的增長空間。
2.5可程式設計控制器(plc)、可程式設計計算機控制器(pcc)與工業控制計算機(ipc)的效能分析
表一為控制器在特點、技術效能、可靠性、應用等方面的比較。
2.5.1.在運算速度和儲存容量方面，工業控制計算機(ipc)的效能優於可程式設計控制器(plc)和可程式設計計算機控制器(pcc)。
2.5.2工業控制計算機系統全部或部分採用國內設計、生產的部件，由於硬體設計能力和工藝的限制，可靠性較差。
可程式設計控制器和可程式設計計算機控制器在可靠性方面要優於工業控制計算機，並且通用性也優於工業控制計算機。
2.5.3工業控制計算機的**低於可程式設計控制器和可程式設計計算機控制器。
2.5.4在程式設計方式、網路通訊、人機介面等方面，可程式設計控制器、可程式設計計算機控制器與工業控制計算機的效能沒有明顯的差別。
2.5.5可程式設計控制器、可程式設計計算機控制器是專門為解決工業現場惡劣環境而生產的工業控制裝置，其高可靠性已得到廣泛的驗證。
2.5.6實際執行經驗表明，可程式設計微機控制器與可程式設計計算機控制器已成為比工業控制計算機更加可靠的控制項。
2.5.7現在，以可程式設計控制器和可程式設計計算機控制器為核心控制項的調速器在國內已佔據主流地位，許多電站都將過去的工業控制計算機為核心控制項的調速器改造為採用這兩者為核心的調速器。
應用於水輪機調速器後，以其高可靠性、穩定性立即成為調速器控制項應用的主流方向。目前出現的各種調速器控制系統還沒有比可程式設計控制器、可程式設計計算機控制器可靠性更高的，因此宜優先選用這兩個作為水輪機調速器的控制項。
3.電液轉換元件
水輪機調速器控制項依據電液轉換方式分為電液轉換器、步進電機、伺服比例閥、數字閥幾種，其中電液轉換器已基本為市場淘汰。
3.1伺服比例閥
3.1.1伺服比例閥定義
伺服比例閥是將輸入的電訊號轉變為流量輸出訊號的電磁閥。
3.1.2伺服比例閥的特點
伺服比例閥結合了伺服閥和比例閥的優點，既有伺服閥的高精度和高響應性，又有比例閥的電磁操作力大、抗油汙能力較強及「復中」特性。伺服比例閥也存在控制器模擬電路產生的溫飄和零飄使得控制系統易受溫度變化的影響;本身的非線性因素如死區、滯環等難以實現徹底補償;電磁鐵和力矩馬達存在著固有的磁洩現象，導致閥的外控制特性表現出2%-8%的滯環。
3.1.3伺服比例閥的應用
伺服比例閥在各種型別的水輪機調速器控制系統中應用廣泛。
3.2步進電機
3.2.1步進電機定義
步進電機每輸入乙個脈衝訊號，就轉過一定的角度，是一種把脈衝變為位移的執行元件。
3.2.2步進電機的特點
步進電機按步進的方式工作，沒有積累誤差，具用重複精度高及無滯環的優點;可以通過控制脈衝個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的;同時可以通過控制脈衝頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。
3.2.3步進電機應用
步進電機是將控制輸出的綜合電氣訊號轉換成具有一定操作力和位移量的機械位移訊號，從而驅動液壓放大系統，完成對水輪發電機組的調節。但使用步進電機的調速器必須保留有引導閥和主配結構，造成水輪機調速器的結構複雜，加工件多，不具有良好的通用互換性。步進電機的水輪機調速器控制系統較多應用於大中型混流式、軸流式、貫流式水輪發電機組。
3.3數字閥
3.3.1數字閥定義
數字閥的工作狀態只有通、斷兩種，也即相當於數位電路的高電平、低電平兩個狀態(即1、0)，故稱為數字閥。
3.3.2數字閥的特點
由於數字閥只有通、斷兩個狀態，數字閥與控制系統的介面簡單;密封較好，在高油壓下無洩漏;當測頻訊號消失及斷電等情況下，具有故障鎖錠的功能。
3.3.3數字閥的應用
數字閥的調速器控制項可很好的適應不同容積的接力器，避免了大型機組接力器容積與調速器主油管通徑不匹配時造成的過調和欠調，實現了精確調節。數字閥應用於水輪機微機調速器，能實現整個系統的數位化，構成全數字式調速器，應用前景十分廣闊。但由於流量、壓力脈動等因素的限制，數字閥在大型調速器上的應用受到一定的限制，目前僅能應用於操作功不大的非雙調機組的調節控制。
3.4伺服比列閥、步進電機、數字閥效能分析
伺服比列閥是間接數字控制系統，採用4～20ma、0～5v、-10～10v的線性電流、電壓作為驅動訊號，控制器必須通過d/a轉換環節，以模擬量介面實現控制，伺服比例閥調速器是乙個典型的間接控制方式的數字式液壓控制系統，通過d/a介面實現數字控制，傳統的各類伺服閥、比例閥也都屬於這類。伺服比列閥存在如下缺點：(1)由於控制器中存在著模擬電路，易產生溫飄和零飄，系統易受溫度變化的影響，使得控制器對伺服比列閥本身的非線性因素如死區等難以實現徹底補償。
(2)用於驅動比例閥和伺服閥的比例電磁鐵和力矩馬達存在著固有的磁洩現象，導致閥的外控制特性表現出2%-8%的滯環，採用閥芯位置檢測和反饋等閉環控制的方法可以基本消除比例閥的滯環，但卻使閥的造價大大增加，結構複雜，可靠性降低。(3)由於結構特點所決定，電磁鐵的磁路一般只能由整體式磁性材料構成，在高頻訊號作用下，由鐵損引起的溫公升較為嚴重。
步進電機和數字閥均是直接數字控制的電液轉換元件，步進電機按步進的方式工作，沒有積累誤差，具用重複精度高、無滯環的優點;可以通過控制脈衝個數來控制角位移量，達到準確定位的目的;通過控制脈衝頻率來控制電機轉動的速度和加速度，達到調速的目的。但是，步進式調速器必須保留有引導閥和主配結構，造成步進式調速器的結構複雜，加工件多，不具有良好的通用互換性。相較而言，數字閥與控制系統的介面更簡單，且不需要中間環節就能構成直接數字控制系統，應用前景廣闊，將數字閥應用於水輪機微機調速器，能實現整個系統的數位化，構成全數字式調速器。
但由於流量、壓力脈動等因素的限制，數字閥在大型調速器上的應用範圍受到一定的限制，目前僅能應用於操作功不大的非雙調機組的調節控制。
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