比例阀在冲击式水轮机调速器中的应用

价值工程
1概述
比例阀是介于普通工业液压阀和电液伺服阀之间的一种电液压阀，其构成上一般由比例电磁铁和相应机能的阀件组成，比例电磁铁由铁芯、线圈以及固定件组成，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。

比例阀是阀内比例电磁铁输入电压信号产生相应动作，使工作阀阀芯产生位移，阀口尺寸发生改变并以此完成与输入电压成比例压力、流量输出元件。

阀芯位移也可以以机械、液压或电形式进行反馈。

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）。

由于比例阀具有形式种类多样、容易组成使用电气及计算机控制各种电液系统、控制精度高、安装使用灵活以及抗污染能力强等多方面优点，因此应用领域日益拓宽。

2常见比例阀特点
常见的比例阀主要有比例方向流量控制阀和比例伺服阀。

其中，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，它具有如下主要特点：
①比例电磁铁的输入功率较大，推力大，不容易造成活塞卡阻；
②比例方向流量控制阀的流量在与比例伺服阀同样的压差情况下，其输出流量要大于比例伺服阀，单阀口压降约（0.25~0.8）Mpa ，其系统能耗和温升远比采用比例伺服阀的系统低；
③比例方向流量控制阀在中位有较大的搭叠量，处在中位时没有漏油量，接力器在工作中不会频繁调节，可以保证受控负载的位置不漂移；④可以象普通换向阀一样，采用不同的滑阀中位机能；
⑤存在（3~5）%的静态滞环、较大的非线性，且动态响应低；
⑥由于存在较大的中位搭叠量，对弹簧又具备了一定的预压缩量，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（10~20
）%。

比例方向流量控制阀按其流量控制方式，可分为开度控制型和流量控制型两大类。

前者受控量是阀芯的位移，输出流量受到负载压力及供油压力的影响；后者采用压力补偿或流量反馈，其被控量取决于控制电流，而与负载压力及供油压力变化无关。

为简化控制环节、提高可靠性，在水轮机调速器中常采用前者作为电液转换元件。

比例伺服阀如图1所示，液压部分采用的是滑阀式、直动、带钢阀套结构，驱动方式采用的是带位置控制的比例电磁铁，外部放大器。

精密加工的阀芯具有很高的遮盖精度，阀芯的驱动是受比例电磁铁控制，单平衡弹簧随动，通过阀芯的位移P 腔的压力油可以成比例的从A 、B 腔输出，同时T 腔回油。

比例伺服阀具有以下主要特点：①精确度高、动态响应好（响应频宽不小于10Hz ，最
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—作者简介：郭艳艳（1970-），女，湖北武汉人，现武汉铁路职业技
术学院机车车辆工程系教师，副教授，研究方向为机
电工程。

比例阀在冲击式水轮机调速器中的应用
Application of Proportional Valve in Impact Type Hydraulic Turbine Governor
郭艳艳①GUO Yan-yan ；熊艳霞②XIONG Yan-xia
（①武汉铁路职业技术学院，武汉430205；②武汉三联水电控制设备有限公司，武汉430223）
（①Wuhan Railway Vocational College of Technology ，Wuhan 430205，China ；②Wuhan Sanlian Hydropower Control Equipment Co.，Ltd.，Wuhan 430223，China ）
摘要：本文阐述了比例阀的工作原理，并针对两种常用的比例阀，即比例方向流量控制阀和比例伺服阀的特点进行了介绍，进一
步对比例方向流量控制阀和比例伺服阀在大型冲击式水轮机调速器的应用情况作了比较。

Abstract:This paper expounds the working principle of proportional valve,and is aimed at two kinds of commonly used proportional valve,namely proportional flow control valve and a proportional servo valve are introduced,and further makes comparison on the applications of the proportional flow control valve and a proportional servo valve in large impact type hydraulic turbine governor.
关键词：比例阀；比例方向流量控制阀；比例伺服阀；冲击式水轮机电液调速器
Key words:proportional valve ；proportional flow control valve ；proportional servo valve ；impact water wheel hydraulic governor 中图分类号：TV734
文献标识码：A
文章编号：1006-4311（2012）
30-0028-02
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Value Engineering
大可达40~80Hz，阶跃信号调整时间不超过10ms）；
②比例伺服阀驱动器接收的电压信号-10V～+10V或者电流信号4～20mA，并输出给比例伺服阀电磁铁较大的电流信号（最大电流为2.7A），可产生功率25W以上，这样阀芯的操作力大，即可提高工作的可靠性，也能够增强抗油污能力；
③阀体采用的是精密衬套结构，阀芯与阀套的配合为零开口，轴向配合精度0.002mm。

硬质耐磨的工作表面，即使长期工作，也不会造成磨损，能够长期保证精确地增益特性和流量增益特性，在断电后，第四工作位为安全工作位，避免由于断电对液压系统造成的危害；
④比例伺服阀在中位无搭叠量，在运行中比例伺服阀会频繁的调节，造成较大的漏油量。

3比例阀在冲击式水轮机电液调速器中的应用
电液转换的电液伺服阀是电液随动装置的核心部分，它的性能直接影响甚至决定整个装置的性能。

比例式冲击式水轮机调速器，如图2所示，其电液随动装置部分采用比例阀，独立的机械液压控制回路分别控制折向器和喷针。

取消了传统复中的机械协联框、齿轮和连杆传动机构，从而使结构大为简化。

由于控制喷针及折向器所需流量较小，采用比例阀即可直接控制接力器，不需要主配压阀等液压放大，使控制精度大幅提高，而且动态优良。

用电磁换向阀作为控制单元的手动操作，也可由电气控制，对比例阀流量进行补充。

采用每个喷针都由微机单独控制、PLC自动协联。

协联曲线可任意修改，从而使多个喷针具有很高的同步精度，并可根据需要任意设置和修改喷针的运行方式。

比例方向流量控制阀和比例伺服阀均接收PLC模拟量输出信号（-10～+10）V或者（4～20）mA控制信号。

比例伺服阀阀芯搭叠量小，控制精度高，但静态油耗较大，需要在油源系统中配置循环油泵及油冷却装置，或增大油罐容积，增大了系统成本，在冲击式调速器中的使用少于比例方向流量控制阀。

比例方向流量控制阀阀芯搭叠量大，但静态油耗较小，在控制中进行适当的补偿，可提高控制精度，用于调速器中有较高的性价比。

从多喷嘴冲击式水轮机的运行特性上看，在稳定工况下，对于多喷嘴冲击式水轮机的对称两喷针接力器的位置偏差，在全行程范围内均不大于2%。

喷针和折向器接力器机构在全行程运行范围内，任何两个喷针或两个折向器接力器之间的偏差小于全行程的1%。

从甩满负荷起，至机组转速相对偏差维持在±1%以下的调节时间t E与从甩负荷开始至最高转速所经历的时间t M的比值不大于15。

图3所示为五喷五折冲击式水轮机调速器甩10%负荷试验图形：
图4所示为五喷五折冲击式水轮机调速器甩100%负荷试验图形：
4结束语
由于比例伺服阀、比例方向流量控制阀的可靠性、精确性、响应速动性比一般伺服阀高，因此比例伺服阀、比例方向流量控制阀在许多工业控制领域广泛应用，并得到用户的普遍认可。

参考文献：
[1]李晃，杨远生.冲击式水轮机调速系统分析中国电机工程学会水电设备专委会第三专委会第十次学术讨论会论文集，1991，P312-319.
[2]GB/T9652.1-1997水轮机调速器与油压装置技术条件.
[3]IEC61362(1998)Guide Specification of Hydraulic Turbine Control Systems.
[4]ANSI/IEEE std125-1988IEEE Recomeded Practice for Preperation of Equipment Specifications for Speed-governing of Hydraulic Turbines Intended to Drive Electric
Generators.
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