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在水轮机调速器中，常用的电气－机械/液压转换元件有：喷嘴挡板伺服阀、电液转换器、比例阀、比例伺服阀、微型电机、电磁换向阀、高频快速开关阀等。目前，使用较多的是比例阀、比例伺服阀、微型电机、电磁换向阀、高频快速开关阀等。 》喷嘴挡板伺服阀 在一些早期进口调速器设备中，我们能看到喷嘴挡板伺服阀的身影，由于对油液清洁度要求十分苛刻，采购成本与维护费用较高，系统能耗也大，长期使用的可靠性普遍较低，未能在我国水电行业得到广泛应用与普及。 》电液转换器 过去我们常见的十字弹簧式电液转换器、环喷式电液转换器、双锥式电液转换器、动圈滑阀式工业伺服阀属于工业伺服阀的范畴，实际就是廉价伺服阀，属单件小批量、非标准产品，水电行业习惯性地称这类阀为“电液转换器”。目前在水电行业已很少生产与使用。 》微型电机 微型电机属于电气－机械转换元件的范畴，它在水轮机调节行业的成功应用较好地解决了电液转换器对油质要求高、长期使用可靠性得不到保证的缺点。但它自身也存在一些不足，例如发热大、长期工作的润滑问题与机械磨损、不适于频繁启停等；可以想象，它作为一个旋转机构输出角位移与力矩，然后转换为直线位移与作用力去推动主配引导阀，当从正转向反转变化时，电机的转速和方向也要有个变化，也就是先要减速，然后又要反向加速；似乎没有动圈或电磁铁直接控制阀芯作直线运动那么灵活快捷。 》比例阀 比例阀控制流体属于模拟式流体控制，比例阀是介于普通工业液压阀和电液伺服阀之间的一种液压阀。一般由比例电磁铁与相应机能的阀件组成。比例电磁铁由线圈、铁芯、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。比例电磁铁巧妙地利用了磁性材料磁通密度的饱和特性，使电磁作用力与电流成比例。由于比例阀铁芯的电磁力与输入比例线圈的电流成正比，而铁芯的反作用力则由复位弹簧来平衡，这就决定了电流与铁芯位移之间具有一定比例关系。而比例阀的阀芯则由电磁铁铁芯带动，从而实现对液压参量的比例控制。至于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)。 比例阀的发展大体经历了3个阶段：上世纪60年代末～70年代初为比例阀诞生阶段，此时的比例阀仅仅将比例电磁铁用于普通工业液压阀，以代替普通开关电磁铁或操作手柄，阀件的结构原理和设计准则几乎没有变化，不含受控参量的反馈闭环，其工作频宽仅在(1～5)Hz之间，稳态滞环在(4～7)%之间，只能用于开环控制。 1975年～1980年间比例阀发展进入了第二阶段，采用各种内反馈原理的比例元件大量问世，耐高压比例电磁铁和比例放大器在技术上也日趋成熟，比例阀的工作频宽已达(5～15)Hz，稳态滞环亦减小到3%左右。其应用领域日渐扩大，不仅用于开环控制，也被应用于闭环控制。 上世纪80年代初至今，比例阀发展进入第三阶段，比例阀设计原理进一步完善，采用了压力、流量、位移内反馈、动压反馈及电校正等手段，使阀的稳态精度、动态响应和稳定性都有了进一步的提高。其中，值得一提的是，德国Bosch公司在90年代对常规比例方向流量阀进行了一系列的改进与技术更新，推出了所谓比例伺服阀，其主要性能实际已达到了伺服阀的各项指标。另一项重大进展是，比例技术和插装阀相结合，推出了不同功能和规格的比例插装阀，形成了电液比例插装技术。同时，由于传感器和电子器件的小型化，还出现了电液一体化的比例阀，比例技术逐渐形成了集成化的趋势。 比例阀在水轮机调速器中的应用，主要是比例方向流量控制阀、比例伺服阀，后者其实是特殊形式的高性能比例方向流量控制阀，也称闭环比例阀。 1）比例方向流量控制阀的特点及分类 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，它具有下列主要特点： ⑴滑阀配合间隙仅和一般换向阀相当，因此对油质要求较低； ⑵比例电磁铁的输入功率较大，比伺服阀大一个数量级，这是提高其工作可靠性的技术措施之一； ⑶比例方向流量阀的额定工作压差比伺服阀低一个数量级，与普通换向阀相当，单阀口压降约(0.25～0.8)MPa，其系统能耗和温升远比采用伺服阀的系统低； ⑷中位搭叠量较大，这是为降低成本而作出的一种抉择。但因此也成了一个附带的优点，在失电时能保证受控负载的位置不漂移； ⑸可以象普通换向阀一样，采用不同的滑阀中位机能； ⑹存在着(3～5)%的静态滞环、较大的非线性，且动态响应要比伺服阀低； ⑺由于存在较大的中位搭叠量，对中弹簧又具有一定的预压缩量，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，可分为节流控制型和流量控制型两大类。前者受控量只是阀芯位移即阀口开度，输出流量受负载及供油压力变化的影响；后者采用压力补偿或流量反馈，其被控流量只取决于控制电流，而与负载及供油压力变化无关。为降低使用要求、简化控制环节，在水轮机调速器中常采用前者作为电液转换元件。 2）直控式比例方向流量阀 图4.2-1为不带位置反馈的直控式比例方向流量阀的结构示意图，属于节流控制型方向流量阀。图中，进油口为P、出油口为A/B、回油口为T。 图4.2-1. 不带位置反馈的直控式比例方向流量阀 当比例电磁铁不通电时，阀芯由复位弹簧保持在中位，当向左侧电磁铁输入一个电流信号时，电磁铁就会产生一定的推力，推动阀芯克服弹簧力向右移动一定距离，阀芯相对于阀体的控制台阶移动一定的开口量，P腔到B腔、A腔到T腔流过一定的流量。若输入连续的电流信号，则开口量就会随之呈线性变化，使通过阀的液流流量成比例变化。右侧电磁铁输入电流信号时，也会产生类似的变化，只不过液流方向相反。改变左、右比例电磁铁的信号，就可使液流改变方向和流量。而普通的电磁铁换向阀只有左、中、右3个位置，不可能在中间任一位置停留。 不带位置反馈的直控式比例方向流量阀由于受摩擦力及阀口液动力等干扰的影响，阀芯定位精度不高，尤其在高压大流量情况下，液动力的影响更加突出。为提高阀口开度控制精度，可采用带位移电反馈的比例方向流量阀。 如果在图4.2-1所示的比例电磁铁末端加装位移传感器，就可构成电反馈比例方向流量阀。参见图4.2-2，位置传感器可以检测电磁铁铁芯的位置，即阀芯的确切位置，若有一定的位置误差，就会产生一个反馈信号给放大器，输入信号和反馈信号在放大器内比较，两个数值比较后，产生一个偏差信号输入电磁铁，以补偿干扰产生的阀口开度误差；此时阀口开度仅取决于输入的电流信号，而与摩擦力、液动力等干扰无关。 图4.2-2. 带位置反馈的直控式比例方向流量阀zyclxmzsw
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