水轮机调速器是水电站的重要组成部分，主要用于控制水轮发电机组转速与出力，其品质与性能直接影响到电能品质和水电站的安全可靠运行。电气－机械转换部件是调速器的核心部件，因此，解决水轮机调速器中电气－机械转换部件工作可靠性差、抗油污能力弱等问题，是提高水轮机调速器可靠性的关键。
1 步进电机或直流伺服电机控制的水轮机调速器存在的缺陷
20世纪90年代初期，国内高等院校、科研机构及制造厂家先后开发了电机（步进电机、直流伺服电机）型电气－机械转换部件。步进电机的转动由指令脉冲控制，控制简单；直流伺服电机控制方便，调速范围宽，输出转矩高，过载能力强，动态响应好。因此，以步进电机或直流伺服电机控制的水轮机调速器在大、中型水电站的应用取得了显著的成果，从而解决了电液伺服阀抗油污能力弱、容易发卡、工作可靠性较差等问题。但是，步进电机与直流伺服电机本身存在缺陷，主要表现在：步进电机有一启动频率，造成在大负荷情况下响应速度不能过快，而且在高速运转时转矩下降，遇到卡阻时可能堵转、失步；直流伺服电机存在电刷与换向器的磨擦并产生火花的问题，电刷的磨损会带来故障，同时使其在维护方面较为麻烦。
2 交流伺服控制型可编程水轮机调速器的结构和主要特点
近年来，随着电子技术的进步，新型功率开关器件、专用集成电路和控制算法的发展，使交流驱动电源、交流伺服系统的性能大大提高，它除克服了步进电机或直流伺服电机本身的不足，还具有功能强大、控制方式灵活、技术性能好和可靠性高等特点。因此，把由交流伺服电机构成的驱动装置作为水轮机调速器的电气-机械转换部件是功率电子技术、微电子技术、计算机技术及控制原理进步和不断向前发展的必然结果。
2.1 结构
交流伺服控制型可编程水轮机调速器的电气部分是以可编程控制器（PLC）为硬件核心，软件采用全模块化结构，彩色液晶屏幕显示，具有良好的全中文图形人机界面；电气－机械转换部件采用交流伺服电机，配以滚珠螺旋自动复中装置；液压系统为直连式结构，以交流伺服驱动装置的机械位移直接控制主配压阀。PLC测量水轮发电机组的频率信号偏差，并按一定的调节规律（PID或PI）转换成位置控制的数字电信号；电气－机械转换部件将该数字信号线性地转化为机械位移量，再直接控制由辅助接力器和主配压阀组成的二级液压放大，通过主接力器控制水轮机导水叶开度（或浆叶转角），实现水轮发电机组的调速和负荷控制。
交流伺服控制型可编程水轮机调速器的系统原理结构见图1，机械液压系统的结构见图2。
图1 交流伺服控制型可编程水轮机调速器的系统原理结构框图
图2 交流伺服控制型可编程水轮机调速器机械液压系统的结构
2.2 设计特点
2.2.1 无油电气－机械转换部件
2.2.1.1 交流伺服驱动装置
交流伺服驱动装置由交流伺服电机以及与其配套的驱动器组成。在研制、选型和应用中，选用了日本松下公司生产的MSMA交流伺服电机及MSDA交流伺服驱动器。MSMA交流伺服电机的主要特点是惯量小，转矩大，控制精度高，可方便地获得与频率成正比的可变速度，在低速运行时无爬行、无震动，调速范围宽，力矩－频率特性好，同时该电机轴上自带有高分辨率的位置旋转编码器，可方便地将电机轴的实际转角反馈给驱动器，在位置环方式下构成一个闭环位置控制。MSMA交流伺服电机结构简单，体积小，运行可靠，无需维护。与其配套的MSDA交流伺服驱动器是一个功能强大、控制方式灵活、适合多种用途的全数字化驱动装置，它本身带有CPU和人机对话界面，可以对其控制方式（位置控制、速度控制、转矩控制方式或组合控制方式）、工作参数（如位置环增益、速度环增益、速度环积分时间常数、速度前馈等）进行设定，以达到最优控制，满足不同工况下调速系统的稳定性要求。
2.2.1.2 自动复中装置
自动复中装置主要由大导程滚珠丝杆、滚珠螺母和定位器等组成。交流伺服电机通过联轴器和小手轮（手动操作用）直接连接滚珠丝杆，当电机带动滚珠丝杆正转（或反转）时，与滚珠螺母连成一体的位移输出杆上升（或下降），从而将电气数字信号直接转换为机械位移输出。由于采用了大导程滚珠螺旋副，所以速动性好，磨擦阻力小，传动效率高，死区小，寿命长。同时，在滚珠螺母与位移输出杆的水平对称位置两侧各设有一个定位器，当交流伺服电机失电时，在定位器的作用下，滚珠螺母与位移输出杆立即回复到原始的水平零位，滚珠丝杆也回到原始的中位。因此，在调节过程中，当交、直流电源同时出现故障时，由于交流伺服装置设置具有自动复中功能，可使主配压阀及时复中，使调速器保持稳定，确保机组安全运行。
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