水力机械及其控制方法
【专利摘要】在一个实施例中，一种水力机械包括：环形闸门，提供在布置于水流入其中的外壳的内圆周侧的固定叶片与布置于固定叶片的内圆周侧的导流叶片之间。该机械进一步包括配置为驱动环形闸门的一个或多个液压伺服电机，以及配置为对液压伺服电机供应压力油以及回收从液压伺服电机排出的压力油的压力油设备。该机械进一步包括一个或多个第一阀，配置为具有第一额定流量并切换对相应的液压伺服电机的供油以及来自相应的液压伺服电机的排油；以及一个或多个第二阀，配置为具有等于或小于所述第一额定流量的第二额定流量，并切换对相应的液压伺服电机的供油和来自相应的液压伺服电机的排油。该机械进一步包括配置为控制第一和第二阀的控制设备。
【专利说明】水力机械及其控制方法
【技术领域】
[0001]本文所述的实施例涉及水力机械及其控制方法。
【背景技术】
[0002]通常，诸如混流式水轮机的水力机械包括布置在水在其中流动的外壳的内圆周侧的固定叶片、布置在固定叶片的内圆周侧的导流叶片以及设置在固定叶片与导流叶片之间的环形闸门(ring gate)。通过环形闸门的向上和向下移动来打开和关闭固定叶片与导流叶片之间的通道。
[0003]环形闸门的打开和关闭操作由连接到环形闸门的一个或多个液压伺服电机控制。每一个液压伺服电机都连接到控制阀，该控制阀切换来自压力油设备(供油)的压力油的供应和压力油到压力油设备的排出(排油)，以控制液压伺服电机的操作方向，并进行同步液压伺服电机的操作量的同步控制。控制阀的操作以来自控制设备的电信号来控制。
【专利附图】
【附图说明】
[0004]图1是显示第一实施例的水力机械的结构的横截面图；
[0005]图2是显示第一实施例的水力机械中的环形闸门控制系统的结构的示意图；
[0006]图3是用于解释第一实施例的水力机械的优点的曲线图；
[0007]图4是显示第二实施例的水力机械中的控制设备的结构的方框图；以及
[0008]图5A到5E显示第一实施例的环形闸门的开度(aperture)、第二阀的流量及第一阀的流量的时间变化。
【具体实施方式】
[0009]现在将参考附图来解释实施例。
[0010]然而，传统的水力机械具有与控制阀的额定流量的选择有关的问题。例如，如果使用具有大流量的控制阀，则环形闸门的驱动控制的精度恶化，这可能导致环形闸门的倾斜。如果使用具有小流量的控制阀，则环形闸门的驱动速度降低，这会延长用于打开和关闭环形闸门的时间。
[0011]在一个实施例中，水力机械包括环形闸门，其提供在布置在水流入其中的外壳的内圆周侧的固定叶片与布置在固定叶片的内圆周侧的导流叶片之间。该机械进一步包括一个或多个液压伺服电机，被配置为驱动环形闸门；以及压力油设备，被配置为向液压伺服电机提供压力油以及回收从液压伺服电机排出的压力油。该机械进一步包括一个或多个第一阀，被配置为具有第一额定流量并切换对相应液压伺服电机的供油及来自相应液压伺服电机的排油；以及一个或多个第二阀，被配置为具有等于或小于第一额定流量的第二额定流量并切换对相应液压伺服电机的供油和来自相应液压伺服电机的排油。该机械进一步包括控制设备，被配置为控制第一和第二阀。
[0012](第一实施例)[0013]图1是显示第一实施例的水力机械的结构的横截面图。尽管图1的水力机械是混流式水轮机，但本实施例还可以应用于除了混流式水轮机之外的水力机械(例如泵)。
[0014]图1的水力机械包括水流入其中的外壳1、布置在外壳I的内圆周侧的固定叶片
2、布置在固定叶片2的内圆周侧的导流叶片3及提供于固定叶片2与导流叶片3之间的环形闸门4。本实施例的环形闸门4由圆柱形阀盘4a形成。在图1的水力机械中，通过环形闸门4的向上和向下移动来打开和关闭固定叶片2与导流叶片3之间的通道5。
[0015]图1的水力机械进一步包括提供在固定叶片2与导流叶片3之上的上盖6、提供在导流叶片3之下的下盖7以及驱动环形闸门4的一个或多个液压伺服电机8。
[0016]当环形闸门4完全打开时，阀盘4a全部容纳在上盖6中，并且通道5开启。当环形闸门4完全关闭时，阀盘4a插入于固定叶片2与导流叶片3之间，并且阀盘4a的下端与下盖7接触。此时，阀盘4a的下端挤压提供在下盖7上的下垫料7a，而阀盘4a的上端上提供的钳夹部挤压在上盖6上提供的上垫料6a。以此方式，当环形闸门4完全关闭时，通道5关闭，以防止水流入水力机械。
[0017]图1显示所述一个或多个液压伺服电机8中的一个液压伺服电机8的横截面。如图1所示，每一个液压伺服电机8包括圆柱体11、活塞杆12、活塞13、杆侧盖14、头侧盖15、打开侧活塞腔16及关闭侧活塞腔17。
[0018]活塞杆12的下端连接到阀盘4a，而活塞杆12的上端连接到圆柱体11中的活塞
13。杆侧盖14和头侧盖15分别安装在圆柱体11的下纟而和上纟而上。结果，打开侧活塞腔16形成于圆柱体11中的下部中，而关闭侧活塞腔17形成于圆柱体11中的上部中。
[0019]在每一个液压伺服电机8中，当将压力油供应至打开侧活塞腔16中时，活塞13向上移动。与此相反，当将压力油供应至关闭侧活塞腔17中时，活塞13向下移动。在图1的水力机械中，通过同步地向上或向下移动一个或多个液压伺服电机8的活塞13而在垂直方向上驱动环形闸门4。
[0020]图2是显示第一实施例的水力机械中的环形闸门控制系统的结构的示意图
[0021]图2显示连接到环形闸门4的一个或多个液压伺服电机8。根据阀盘4a的尺寸来确定液压伺服电机8的数量。例如，在本实施例中，液压伺服电机8的数量是四个。但在阀盘4a尺寸相对较大的情况下，环形闸门4可以由五个或更多个(例如六个)液压伺服电机8来驱动。
[0022]在图2中，阀盘4a连接到两对液压伺服电机8，在与阀盘4a的中心轴点对称地布置各自的两对液压伺服电机8。结果，在阀盘4a的圆周方向上以规则的间隔(90度间距)布置图2的四个液压伺服电机8。这种布置可以防止阀盘4a的倾斜，并可以使阀盘4a平滑地向上或向下移动。
[0023]除了图1中所示的组件外，本实施例的水力机械还包括压力油设备21、控制设备22、一个或多个液压伺服电机控制单元23i到234、压力油供应管线24和压力油回收管线25。由于液压伺服电机控制单兀ZS1到234以一对一的关系与液压伺服电机8相对应,本实施例的水力机械包括对应于四个液压伺服电机8的四个液压伺服控制单元23i到234。
[0024]压力油设备21被配置为向液压伺服电机8供应压力油，并回收从液压伺服电机8排出的压力油。将压力油通过压力油供应管线24及相应的液压伺服电机控制单元23供应至每一个液压伺服电机8。通过压力油回收管线25及相应的液压伺服电机控制单元23回收从每一个液压伺服电机8排出的压力油。
[0025]控制设备22被配置为通过液压伺服电机控制单元23i到234的控制，来控制压力油至液压伺服电机8的供应及来自液压伺服电机8的压力油的排出。具体地，控制设备22控制提供在液压伺服电机控制单元23i到234中的阀31和32的操作。稍后将详细地说明阀31和32。控制设备22可以通过阀31和32的控制，控制压力油的供应和排出，来控制环形闸门4的打开和关闭操作。
[0026](I)液压伺服电机控制单元23i到234的细节
[0027]接下来，将再次参考图2给出液压伺服电机控制单元23i到234的细节的说明。
[0028]每一个液压伺服电机控制单元23包括电磁操纵控制阀31 (其是第一阀的实例)、伺服阀32 (其是第二阀的实例)、第一流量调节阀33和第二流量调节阀34。
[0029]电磁操纵控制阀31是控制阀，被配置为切换对相应液压伺服电机8的供油及来自相应液压伺服电机8的排油，并具有第一额定流量。电磁操纵控制阀31具有连接到压力油供应管线24的端口 P、连接到压力油回收管线25的端口 T、连接到相应液压伺服电机8的打开侧活塞腔16的端口 A及连接到相应液压伺服电机8的关闭侧活塞腔17的端口 B。
[0030]基于来自控制设备22的命令信号，电磁操纵控制阀31被切换到第一到第三状态的其中之一。在第一状态中，端口 P和T分别与打开侧活塞腔16 (端口 A)和关闭侧活塞腔17 (端口 B)连通。在第二状态中，端口 P和T分别与关闭侧活塞腔17 (端口 B)和打开侧活塞腔16 (端口 A)连通。在第三状态中，端口 P和T两者与打开侧活塞腔16和关闭侧活塞腔17不连通。
[0031]本实施例的电磁操纵控制阀31是启闭阀，其可以控制是否将压力油供应至与端口 P连通的活塞腔。基于来自控制设备22的输入信号来控制电磁操纵控制阀31的打开和关闭。在将压力油供应至与端口 P连通的活塞腔时，也同时从与端口 T连通的活塞腔排出压力油。
[0032]伺服阀32是控制阀，被配置为切换对相应液压伺服电机8的供油及来自相应液压伺服电机8的排油，并具有等于或小于第一额定流量的第二额定流量。第一额定流量与第二额定流量的比率例如是95%到5%。在电磁操纵控制阀31的情况下，伺服阀32具有连接到压力油供应管线24的端口 P、连接到压力油回收管线25的端口 T、连接到相应液压伺服电机8的打开侧活塞腔16的端口 A和连接到相应液压伺服电机8的关闭侧活塞腔17的端Π B。
[0033]基于来自控制设备22的命令信号,将伺服阀32切换到第一到第三状态之一。在第一状态中，端口 P和T分别与打开侧活塞腔16 (端口 A)和关闭侧活塞腔17 (端口 B)连通。在第二状态中，端口 P和T分别与关闭侧活塞腔17 (端口 B)和打开侧活塞腔16 (端口A)连通。在第三状态中，端口 P和T两者与打开侧活塞腔16和关闭侧活塞腔17不连通。
[0034]本实施例的伺服阀32是流量调节阀，其可以调节要供应至与端口 P连通的活塞腔的压力油的流量，以及要从与端口 T连通的活塞腔排出的压力油的流量。基于来自控制设备22的输入信号来控制伺服阀32的开度。当将压力油供应至与端口 P连通的活塞腔时，同时也从与端口 T连通的活塞腔排出压力油。伺服阀32控制作为输入信号的函数的流量。本实施例的伺服阀32例如可以是比例控制阀，其与输入信号的值成比例地控制流量。
[0035]如图2所示，电磁操纵控制阀31与伺服阀32彼此平行地布置在相应液压伺服电机8与压力油设备21之间。
[0036]如上所述，本实施例的每一个液压伺服电机控制单元23包括两个控制阀，它们是电磁操纵控制阀31和伺服阀32，并通过使用这些控制阀来切换对相应液压伺服电机8的供油及相应液压伺服电机8的排油。在本实施例中，电磁操纵控制阀31用作主控阀，其对供油和排油进行总体控制，而伺服阀32用作辅助控制阀，其对供油和排油进行特定控制。
[0037]结果，根据本实施例，可以通过使用具有大流量的电磁操纵控制阀31来增大环形闸门4的驱动速度。此外，根据本实施例，可以通过使用具有小流量的伺服阀32，抑制由于仅使用具有大流量的电磁操纵控制阀31造成的环形闸门4的驱动控制的精度恶化。
[0038]因此，根据本实施例，可以实现环形闸门4的驱动控制的提高的精度和增大的驱动速度。
[0039]在本实施例中，不对一个或多个液压伺服电机8的同步控制作出贡献的具有大流量(例如95%的流量需求)的电磁操纵控制阀31用作第一阀，而将进行一个或多个液压伺服电机8的同步控制的具有小流量(例如5%的流量需求)的伺服阀32用作第二阀。例如，如果仅布置有伺服阀32，而不布置电磁操纵控制阀31，伺服阀32就变为具有大流量的大尺寸阀(解决100%的流量需求)，从而使伺服阀32的响应能力降级，这导致液压伺服电机8的同步控制的精度恶化。然而，在本实施例中，电磁操纵控制阀31负责大部分流量，用于产生液压伺服电机8所必需的运行速度，而伺服阀32仅负责小流量，用于同步液压伺服电机8所必需的调节。这使得可以缩小伺服阀32的尺寸。根据本实施例，由于这个伺服阀32以高速进行响应，可以以高精度控制一个或多个液压伺服电机8。
[0040]本实施例的每一个液压伺服电机控制单元23都可以包括三个或更多个控制阀，用于控制压力油的供应和排出。例如，每一个液压伺服电机控制单元23都可以包括具有大流量的第一阀、具有中等流量的第二阀和具有小流量的第三阀。
[0041]图3是用于解释第一实施例的水力机械的优点的曲线图。
[0042]图3中所示的曲线C1表示在仅以大尺寸的伺服阀控制压力油的供应和排出的情况下的流量变化。相对地，曲线C2表示如本实施例中的以大尺寸的电磁操纵控制阀31和小尺寸的伺服阀32控制压力油的供应和排出的情况下的流量变化。
[0043]如果仅以大尺寸的伺服阀控制压力油的供应和排出，则由于伺服阀的低精度而出现过冲，并且会花费长时间来稳定流量(曲线C1X相对地，如果以电磁操纵控制阀31和伺服阀32控制压力油的供应和排出，则由于伺服阀32的精度高而在短时间内稳定流量(曲线C2X根据本实施例，可以通过在短时间内稳定压力油的流量，来执行稳定的环形闸门控制。
[0044]由于当环形闸门4开始从完全关闭状态打开或者开始从完全打开状态关闭时产生振动和扰动，期望在这些时间以低速度操作环形闸门4。因此，如图5A所示，本实施例的控制设备22控制电磁操纵控制阀31和伺服阀32，以使得当环形闸门4的开度处于完全关闭与第一开度“X”之间或第二开度“Y”与完全打开之间的范围中时，环形闸门4的打开和关闭速度低于当环形闸门4的开度处于第一开度“X”与第二开度“Y”之间的范围中时，环形闸门4的打开和关闭速度，其中“X”〈 “Y”。图5A显示第一实施例的环形闸门4的开度的时间变化。这使得可以防止驱动环形闸门4的一个或多个液压伺服电机8的同步控制由于振动或扰动而不稳定。
[0045](2)第一和第二流量调节阀33、34的细节[0046]接下来，再次参考图2给出第一和第二流量调节阀33和34的细节的说明。
[0047]如图2所示，每一个液压伺服电机控制单元23都包括第一和第二流量调节阀33和34。第一和第二流量调节阀33和34分别布置在位于电磁操纵控制阀31与液压伺服电机8之间的打开操作管与关闭操作管上。
[0048]由于在本实施例中电磁操纵控制阀31是启闭阀，不能控制通过电磁操纵控制阀31的压力油的流量。因此，在本实施例中，第一和第二流量调节阀33和34布置在电磁操纵控制阀31与液压伺服电机8之间，以便可以调节该压力油的流量。这样的结构是有效的，例如，在期望调节在电磁操纵控制阀31侧的流量的情况下。
[0049]电磁操纵控制阀31可以由比例控制阀代替，比例控制阀控制流量与输入信号的值成比例。这个结构是有效的，例如，用于稳定切换环形闸门4的打开和关闭速度的增大和减小的控制。
[0050]当第一阀是电磁操纵控制阀31时，在第一阀中的压力油的流量是0%或者100%。因此，当环形闸门4从完全关闭状态打开时，伺服阀32逐渐打开，而同时电磁操纵控制阀31的所有端口都阻塞在正常位置。随后，一旦环形闸门4的开度达到第一开度“X”(参见图5A)，电磁操纵控制阀31被打开，以增大压力油的总流量，以便增大环形闸门4的打开速度。然而，由于当电磁操纵控制阀31打开时，来自电磁操纵控制阀31的大流量是逐步增加的，有可能使一个或多个液压伺服电机8借助其伺服阀32的同步控制不稳定。
[0051]图5B和5C分别显示对应于图5A的环形闸门4的开度的、伺服阀32的流量q和电磁操纵控制阀31的流量Q的时间变化。相对地，图和5E分别显示在以比例控制阀代替电磁操纵控制阀31的情况下，对应于图5A的环形闸门4的开度的、伺服阀32的流量q和比例控制阀的流量Q的时间变化。
[0052]当第一阀是比例控制阀时，可以通过逐渐增大输入信号，与输入信号成比例地缓和增大流量，如图5E所示。结果，当环形闸门4的开度达到第一开度“X”时，可以抑制一个或多个液压伺服电机8借助其伺服阀32的同步控制的不稳定。这在环形闸门4的开度达到第二开度“Y”时也适用。当以比例控制阀代替电磁操纵控制阀31时，可以省略第一和第二流量调节阀33和34。
[0053](3)第一实施例的效果
[0054]以下将说明第一实施例的效果。
[0055]如上所述，本实施例的每一个液压伺服电机控制单元23都包括具有第一额定流量的电磁操纵控制阀31，和具有等于或小于第一额定流量的第二额定流量的伺服阀32，并通过这些阀31和32切换对相应液压伺服电机8的供油和从相应液压伺服电机8的排油。因此，根据本实施例，可以实现环形闸门4的驱动控制的提高的精度和增大的驱动速度。
[0056](第二实施例)
[0057]图4是显示第二实施例的水力机械中的控制设备22的结构的方框图。
[0058]图4中所示的参考标记到314分别表示液压伺服电机控制单元ZS1到234中的电磁操纵控制阀31。参考标记32i到324分别表示液压伺服电机控制单元23i到234中的伺服阀32。在以下说明中，对应于液压伺服电机控制单元23i到234的液压伺服电机8分别由参考标记S1到84表示。
[0059]本实施例的控制设备22包括指示位置计算块101，被配置为计算液压伺服电机8变化率确定单元116中。变化率确定单元:率。由变化率确定单元116确定的变化率1在操作时间内对变化率进行积分，以计算
I拟输出转换器119。在打开方向上移动环寻标设定值输入到第一模拟输出转换器119拓侧触点114闭合，全闭目标设定值输入到
全开目标设定值或输入的全闭目标设定值当输入全开目标设定值时，将电磁操纵控制司门4在打开方向上操作。相反，当输入全受定为处于第二状态。结果，环形闸门4在明。
，其计算由指示位置计算块101计算的冲程勺冲程测量位置127之间的差异。[0072]如上所述，在本实施例中，基于多个预设设定值之一来控制第一阀的操作，并基于冲程指示位置118与冲程测量位置127之间的差异来控制第二阀的操作。
[0073]因此，根据本实施例，代替进行复杂的反馈控制的伺服阀，可以通过使用通过开关操作进行打开和关闭控制的电磁操纵控制阀，或者控制流量以与输入信号的值成比例的比例控制阀作为第一阀，控制为了以高速增大环形闸门4的驱动速度而提供的第一阀的操作，并准确控制为提高环形闸门4的驱动控制的精度而提供的第二阀的操作。因此，根据本实施例，可以可靠地实现环形闸门4的驱动控制的提高的精度和增大的驱动速度。
[0074]尽管说明了某些实施例，但这些实施例仅是作为实例而提出的，并非旨在限制本发明的范围。实际上，本文所述的创新的机械和方法可以以各种其他形式来体现；而且，在不脱离本发明的精神的情况下，可以在本文所述的机械和方法的形式中进行许多省略、替换和改变。所附权利要求书及其等价物旨在覆盖这种形式或修改，如同落入本发明的范围和精神内。
[0075]符号说明
[0076]1:外壳、2:固定叶片、3:导流叶片
[0077]4:环形闸门、4a:阀体、5:流路、6:上盖、6a:上垫料
[0078]7:下盖、7a:下垫料、8:液压伺服电机
[0079]11:圆柱体、12:活塞杆、13:活塞
[0080]14:杆侧盖、15:头侧盖
[0081]16:打开侧活塞腔、17:关闭侧活塞腔
[0082]21:压油设备、22:控制设备、23:液压伺服电机控制单元
[0083]24:压油供应管线、25:压油回收管线
[0084]31:电磁切换阀(第一阀)、32:伺服阀(第二阀)
[0085]33:第一流量调节阀、34:第二流量调节阀
[0086]101:指示位置计算块、102:反馈块
[0087]111:全开目标设定部、112:全闭目标设定部
[0088]113:全开侧触点、114:全闭侧触点
[0089]115:第一加减器、116:变化率确定单元、117:积分计算单元
[0090]118:冲程指示位置、119:第一模拟输出转换器
[0091]121:冲程位置检测器、122:第二加减器
[0092]123:比例设备、124:增益切换信号
[0093]125:第二模拟输出转换器、126:伺服阀操作命令信号
[0094]127:冲程测量位置、128:绝对值计算单元、129:差异的绝对值
【权利要求】
1.一种水力机械，包括: 环形闸门，提供在布置于水流入其中的外壳的内圆周侧的固定叶片与布置于所述固定叶片的内圆周侧的导流叶片之间； 一个或多个液压伺服电机，配置为驱动所述环形闸门； 压力油设备，配置为对所述液压伺服电机供应压力油以及回收从所述液压伺服电机排出的压力油； 一个或多个第一阀，配置为具有第一额定流量，并切换对相应的液压伺服电机的供油及来自相应的液压伺服电机的排油； 一个或多个第二阀，配置为具有等于或小于所述第一额定流量的第二额定流量，并切换对相应的液压伺服电机的供油和来自相应的液压伺服电机的排油；以及 控制设备，配置为控制所述第一阀和所述第二阀。
2.根据权利要求1所述的水力机械，其中，所述第一阀是电磁操纵控制阀。
3.根据权利要求1所述的水力机械，其中，所述第一阀是配置为控制流量以与输入信号的值成比例的比例控制阀。
4.根据权利要求1所述的水力机械，其中，所述第二阀是配置为控制流量以作为输入信号的函数的伺服阀。
5.根据权利要求1所述的水力机械，其中，所述第二阀是配置为控制流量以与输入信号的值成比例的比例控制阀。
6.根据权利要求1所述的水力机械，进一步包括分别提供在所述第一阀与所述液压伺服电机之间的打开操作管和关闭操作管上的第一流量调节阀和第二流量调节阀。
7.根据权利要求1所述的水力机械，其中，所述控制设备配置为控制所述第一阀和所述第二阀，以使得当所述环形闸门的开度处于完全关闭与第一开度之间或处于第二开度与完全打开之间的范围中时所述环形闸门的打开和关闭速度低于当所述环形闸门的开度处于所述第一开度与所述第二开度之间的范围中时所述环形闸门的打开和关闭速度。
8.根据权利要求1所述的水力机械，其中，所述控制设备配置为基于多个预设设定值中的一个预设设定值控制所述第一阀的操作。
9.根据权利要求1所述的水力机械，其中，所述控制设备配置为基于液压伺服电机的冲程的指示位置与测量位置之间的差异，控制每一个第二阀的操作。
10.一种控制水力机械的方法，所述水力机械包括提供在布置于水流入其中的外壳的内圆周侧的固定叶片与布置于所述固定叶片的内圆周侧的导流叶片之间的环形闸门，以及配置为驱动所述环形闸门的一个或多个液压伺服电机，所述方法包括: 由压力油设备对所述液压伺服电机供应压力油； 由配置为具有第一额定流量的一个或多个第一阀和配置为具有等于或小于所述第一额定流量的第二额定流量的一个或多个第二阀，切换对所述液压伺服电机的供油和来自所述液压伺服电机的排油；以及 由所述压力油设备回收从所述液压伺服电机排出的压力油。
【文档编号】F03B15/04GK103842643SQ201380002153
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2013年5月9日 优先权日:2012年5月21日
【发明者】后藤基伊, 富安久幸 申请人:株式会社东芝