调速与平衡
水力发电机组的调速控制策略
水力发电机组的调速控制策略水力发电机组是一种将水能转化为电能的装置，通过调整水轮机的转速来控制发电机的输出功率。
而水力发电机组的调速控制策略则是为了实现水力发电的稳定运行和优化能量转换效率而制定的一系列技术方案和措施。
本文将介绍水力发电机组的调速控制策略，包括常见的控制方法和技术手段。
一、调速控制的基本原理水力发电机组的调速控制基于以下两个基本原理：1. 功率平衡原理：水力发电机组的输出功率应与负荷需求平衡，即通过调整水轮机的转速来匹配负荷变化。
2. 调速器原理：调速器是指控制水轮机转速的装置，通过调整调速器的开度或采用其他控制手段实现转速的调整。
二、常见的调速控制方法1. 机械调速控制：机械调速控制是一种传统的调速方式，通过机械装置来调整水轮机的转速。
常见的机械调速装置有调速器和调速齿轮等。
这种调速控制方法简单可靠，但精度较低。
2. 液压调速控制：液压调速控制采用液压系统来调整水轮机的转速。
通过控制液压调速器或液压控制阀的开度来实现转速的调整。
这种调速控制方法精度较高，但需要有较复杂的控制系统和液压装置。
3. 电液调速控制：电液调速控制是一种结合了电气和液压技术的调速方法。
通过电液调速器和电液控制阀来控制水轮机的转速。
这种调速控制方法具有精度高、响应快的特点，但需要较复杂的电气和液压控制系统。
4. 数字调速控制：数字调速控制是一种基于数字技术的调速方法。
通过采集和处理水轮机转速、负荷需求等参数，实现对控制算法的优化和自动调整。
这种调速控制方法可实现自动化管理和精确控制，但需要较复杂的数字控制系统和软件。
三、优化调速控制策略除了上述常见的调速控制方法外，还可以通过优化调速控制策略来提高水力发电机组运行的效率和稳定性。
以下是一些优化调速控制策略的例子：1. 功率先导策略：根据负荷变化的情况，提前预测负荷需求，并通过调整水轮机的转速来实现功率的平衡，从而减少调速过程中的波动和能量损耗。
2. 模型预测控制策略：基于数学模型和预测算法，通过对水轮机的转速、负荷需求和水位等参数进行模拟和预测，实现精确的调速控制。
机械设计基础-第八章平衡和调速
显然，动能变化量相同时，飞轮的转动惯量越大，角速度 波动越小。
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Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
2、非周期性速度波动
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措施：安装转动惯量较大的回转件——飞轮（转动惯量较大 的盘形零件）。 原理：盈功时飞轮储存能量，飞轮的动能增加，使主轴 角速度上升的幅度减小； 亏功时飞轮释放其能量，飞轮动能减少，使主轴 角速度下降的幅度减小
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机械设计基础
之
第八章 调速和平衡
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《电力系统分析》第五章 电力系统有功功率的平衡和频率调整
PG 2
0.53 0.18 0.0036
97
PL PG1 PG2 197
因此，负荷继续增加时，增加的负荷应由发电设备2承担， 两套设备的综合耗量微增率也就取决于发电设备2。
（b）PL 100MW，按最优分配时，有
PL
PG1
PG 2
0.25
0.0028
0.18
（以下简称负荷）时刻都在 作不规则变化，如右图所示。 对系统实际负荷变化曲线的 分析表明，系统负荷可以看 作是由三种具有不同变化规 律的变动负荷所组成：第一 种变化幅度很小，变化周期 短，负荷变动有很大的偶然 性；第二种是变化幅度大， 变化周期较长；第三种是变 化缓慢的持续变动负荷。
第五章 电力系统有功功率的平衡和频率调整
第五章 电力系统有功功率的平衡和频率调整
2、水力发电厂的特点 （1）必须释放水量－－强迫功率。 （2）出力调节范围比火电机组大，启停费用低，且操作简
单。 （3）不需燃料费，但一次投资大，水电厂的运行依水库调
节性能的不同在不同程度上受自然条件的影响。
第五章 电力系统有功功率的平衡和频率调整
3、原子能发电厂的特点 （1）最小技术负荷小，为额定负荷10～15％。 （2）启停费用高；负荷急剧变化时，调节费用高；启停 及急剧调节时，易于损坏设备。 （3）一次投资大，运行费用小。
飞轮的调速原理
飞轮的调速原理飞轮调速原理是机械传动中常用的调速方式之一，它利用飞轮的惯性作用来平衡负载的变化，从而使机器的输出速度保持稳定。
下面将从飞轮的基本原理、调速机构和工作过程三个方面详细介绍飞轮调速的原理。
一、飞轮的基本原理飞轮是一种具有高速旋转惯性的机械装置，通常由涡轮、转轮等组成。
其基本原理是物体在运动时具有惯性，根据牛顿第一定律，如果外力作用于一个物体时，如果没有任何外力作用于它，它将继续沿原来的轨道直线运动。
因此，飞轮通过旋转产生的惯性作用可以平衡负载的变化。
二、调速机构根据不同的机械传动，飞轮调速机构可以分为两种：机械调速和液压调速。
1.机械调速机械调速采用机械连接器来平衡负载的变化。
例如，在纺织机械中，一些飞轮通过钢带或链条连接到某些轴，当负载变化时，这个机构使飞轮的角速度发生变化，从而使整个机器的输出速度保持稳定。
2.液压调速液压调速采用流体力学的原理平衡负载的变化。
例如，在某些水泵中，当流量变化时，调速器控制阀门的开度，以便调整飞轮的角速度，从而使水泵的输出流量保持稳定。
三、工作过程在运行过程中，飞轮调速系统一般分为三个阶段：加速阶段、稳定阶段和减速阶段，具体如下：1.加速阶段：当机器处于刚开始运转时，需要加速到设定的速度。
在这个阶段，调速器会打开流量阀，增加输入能量，使飞轮逐渐加速。
2.稳定阶段：当机器达到设定的速度时，调速器会调整流量阀门，在旋转的飞轮上产生滞后力，平衡负载的变化，使机器的输出速度保持稳定。
3.减速阶段：当机器需要停机时，调速器将关闭流量阀门，飞轮因阻力停止逐渐减速，完成整个工作过程。
总之，飞轮调速原理是一种普遍应用于机械传动中的调速方式，其基本原理是利用飞轮惯性作用平衡负载的变化，通过机械或液压机构完成调速的过程。
对于工程师和机械师来说，了解飞轮调速原理非常重要，可以有效地解决机器负载变化带来的问题。
《机械原理》试题及答案
《机械原理》试题及答案试题 13、转动副的自锁条件是驱动力臂≤摩擦圆半径。
一、选择题（每空 2 分，共 10 分）4、斜齿轮传动与直齿轮传动比较的主要优点：啮合性能好，重合度大，结构紧凑。
1、平面机构中，从动件的运动规律取决于D。
A 、从动件的尺寸B 、机构组成情况C 、原动件运动规律D 、原动件运动规律和机构的组成情况2、一铰链四杆机构各杆长度分别为30mm ，60mm ，80mm ，100mm ，当以 30mm 5、在周转轮系中，根据其自由度的数目进行分类：若其自由度为 2，则称为差动轮系，若其自由度为 1，则称其为行星轮系。
6、装有行星轮的构件称为行星架（转臂或系杆）。
7、棘轮机构的典型结构中的组成有：摇杆、棘爪、棘轮等。
三、简答题（15 分）1、什么是构件？的杆为机架时，则该机构为A 机构。
答：构件：机器中每一个独立的运动单元体称为一个构件；从运动角度讲是不可再分的A 、双摇杆B 、双曲柄C 、曲柄摇杆单位体。
2、何谓四杆机构的“死点”？答：当机构运转时，若出现连杆与从动件共线时，此时γ=0，主动件通过连杆作用于从 D 、不能构成四杆机构动件上的力将通过其回转中心，从而使驱动从动件的有效分力为零，从动件就不能运动，3、凸轮机构中，当推杆运动规律采用C时，既无柔性冲击也无刚性冲击。
A 、一次多项式运动规律B 、二次多项式运动规律C 、正弦加速运动规律D 、余弦加速运动规律4、平面机构的平衡问题中，对“动不平衡”描述正确的是B 。
A 、只要在一个平衡面内增加或出去一个平衡质量即可获得平衡B 、动不平衡只有在转子运转的情况下才能表现出来机构的这种传动角为零的位置称为死点。
3、用范成法制造渐开线齿轮时，出现根切的根本原因是什么？避免根切的方法有哪些？答：出现根切现象的原因：刀具的顶线（不计入齿顶比普通齿条高出的一段c*m ）超过了被切齿轮的啮合极限点 N 1，则刀具将把被切齿轮齿根一部分齿廓切去。
生产线平衡及线速的调整
生产线平衡及线速的调整1. 引言生产线平衡及线速的调整是指在生产线上不同工序之间进行合理的任务分配和线速调整，以确保生产线的高效运转和产量的最大化。
通过合理的生产线平衡和线速调整，企业可以提高生产效率，降低生产成本，提供更高质量的产品。
本文将重点介绍生产线平衡的概念、目的和方法，以及线速调整的原理和实施过程。
2. 生产线平衡2.1 概念和目的生产线平衡是指在生产线上合理分配任务，使各个工序在完成任务的时间上达到最优化，从而实现整个生产线的平衡。
其目的是使生产线上的所有工序都能够以相同的速度运转，避免出现工序之间的阻塞和空闲。
2.2 方法生产线平衡的方法有很多种，其中比较常用的方法包括时间研究法、实力法和直观法。
2.2.1 时间研究法时间研究法是通过观察和记录生产线上各个工序的时间，然后根据工序之间的关系，确定每个工序的任务时间，并进行任务的分配。
这种方法需要对生产线进行详细的观察和数据收集，然后利用数学模型进行计算。
2.2.2 实力法实力法是根据工人在某个时间段内完成的标准工作量，来进行任务的分配。
该方法适用于工序之间的关系较为简单的生产线。
2.2.3 直观法直观法是根据经验和直觉进行任务的分配，不需要进行详细的观察和数据收集。
这种方法相对简单，但在复杂的生产线上可能效果不佳。
3. 线速调整3.1 概念和原理线速是指生产线上各个工序的速度，通常用单位时间内完成的产品数量来表示。
线速调整是根据市场需求和生产线的实际情况，对各个工序的线速进行调整，以实现产量的最大化。
线速调整的原理是通过调整生产线上各个工序的工作时间、工人数量和设备效率等因素，来达到最佳的产量和效益。
较高的线速可以提高产量，但也会增加资源消耗和生产成本。
3.2 实施过程线速调整通常需要以下几个步骤：1.收集数据：收集生产线上各个工序的产量、工作时间和资源消耗等数据，以了解当前的线速情况。
2.分析数据：对数据进行分析，找出工序之间的关系和瓶颈。
电力系统的有功功率平衡和频率调整
PG ( f )
发电机两者的调节效应.考虑一台 P2 ΔPD0 ΔPD
发电机和一个负荷的情况.
ΔPG P1
P’D ( f ) PD ( f )
假定系统的负荷增加ΔPD0
负荷的实际增量：
PGPD0PD
o
f2 f1
f
< 负荷的实际增量应与发电机组的功率输出的增量相等 >
13.2 电力系统的频率特性
三.电力系统的 P–f 静态特性
13-3 电力系统的频率调整
系统调频
➢负荷变化时通常首先由主调频电厂进行 二次调频力图恢复系统频率. ➢若仍有功率缺额则由配置了调速器的机 组进行一次调频.
13.3 电力系统的频率调整
1. 频率的一次调整
发电机组的调速器,根据系统频率的偏移,改变机组的出力,使有 功功率重新达到平衡,这就是频率的一次调整.
13.3 电力系统的频率调整
5. 互联系统的频率调整
二 功负次 率荷调 增增频 量量
频率调整可能引起网络潮流的重新分布
A
B
PDAPABPGAKAf PDBPABPGBKBf
ΔPDA ΔPGA
KA
ΔPAB
ΔPDB ΔPGB
KB
f P D A P D B P G A P G B P D P G= 0, 则: △f = 0
说的频率调整
同步器平行移动发电机 的功频静特性来调节频率和 分配机组间的有功功率
P3 ΔPD0
P2
P1
o
PG ( f ) ΔPD ΔPG
P’D ( f ) PD ( f )
f2 f1
f
13.3 电力系统的频率调整
3. 发电机的分类
有可调容量的机组均参加频率的一次调整 只有一台或少数几个机组参加频率的二次调整 主调频机组：参与二次调频的机组,条件：有足够大的调频容量和 调节范围,出力调整速度应满足系统负荷变化速度的要求等. 辅助调频机组：只有在系统频率超过某一规定的偏移范围时才参 与频率调整 非调频机组：按调度中心预先给定的负荷曲线运行,不参与频率的 二次调整
交流调速的基本方法
交流调速的基本方法交流调速是指在交流电力系统中，通过改变发电机的励磁电流或调整变压器的变比，使得发电机的输出频率保持稳定。
调速的目的是保证系统中的发电机和负荷之间的电力平衡，以及稳定系统的频率和电压，保证电能的供应质量。
交流调速的基本方法有以下几种：1. 励磁调速方法：通过改变发电机的励磁电流来调整发电机的输出频率。
励磁电流越大，发电机的转速就越高，输出频率也就越大。
励磁调速方法适用于具有较大惯性的系统，调速响应时间较长。
2. 变压器调速方法：通过调整变压器的变比来改变发电机的输出频率。
变压器调速方法适用于具有较小惯性的系统，调速响应时间较短。
这种调速方法通常用于小型发电机组或分布式发电系统中。
3. 负载调速方法：通过改变负载的大小来调整发电机的输出频率。
负载增大时，发电机的转速会下降，输出频率也会减小。
负载调速方法适用于具有大幅度负载波动的系统，调速响应时间较快。
4. 水轮机调速方法：对于水轮机发电机组，可以通过控制水轮机的进水量来调整发电机的输出频率。
进水量越大，发电机的转速就越高，输出频率也就越大。
这种调速方法适用于水力发电系统。
5. 发电机组调速方法：对于多台发电机组并联运行的情况，可以通过调整各个发电机组的励磁电流或负载来实现调速。
这种调速方法适用于大型电力系统。
以上是交流调速的基本方法，不同的方法适用于不同的电力系统和发电机组。
在实际应用中，可以根据系统的需求和运行状态选择合适的调速方法，以保证系统的稳定运行和电能供应质量。
需要注意的是，在进行交流调速时，需要考虑系统的稳定性和安全性。
调速过程中，应及时监测和控制发电机的输出频率、电压和负载，以确保系统的稳定运行。
同时，还需要进行合理的调度和管理，以最大限度地提高系统的效率和可靠性。
交流调速是电力系统中非常重要的一项技术，可以有效地控制发电机的输出频率和电压，保证系统的稳定运行。
通过合理选择和应用调速方法，可以实现电能的高质量供应，满足不同负载的需求。
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挠性转子的平衡： n>(0.6~0.75)nc、弹 性变形不可忽略
m1
❖ 机构的平衡(机构在机架上的平衡)
往复直线运动的构件和复杂平面运动 的构件
FI m
FI3
FI2
m3
m2
机械设计基础——机械的调速和平衡
4 机械平衡的方法
(1) 平衡设计 ❖ 设计阶段从结构上采取措施，进行平衡设计 (2) 平衡试验 ❖ 通过试验的方法加以平衡
min a b cd e
max a
或 Amax W2 W3 W4 350 (-80) 330 600N m
机械设计基础——机械的调速和平衡
3 飞轮主要尺寸的确定
❖ 根据飞轮的转动惯量确定飞轮的具体结构尺寸
机械设计基础——机械的调速和平衡
5-2 机械的平衡
一、机械平衡的目的及内容 二、刚性转子的平衡计算 三、刚性转子的平衡实验
机械设计基础——机械的调速和平衡
二、刚性转子的平衡计算
1 刚性转子的不平衡类型 2 刚性转子的静平衡计算 3 偏心质量的等效平衡 4 刚性转子的动平衡计算
机械设计基础——机械的调速和平衡
1 刚性转子的不平衡类型
1 静不平衡 (b /D 1/5) ❖ 静平衡 ❖ 平面汇交力系 ❖ 单面平衡
2 动不平衡 (b/D>1/5) ❖ 动平衡 ❖ 空间力系 ❖ 双面平衡
机械设计基础——机械的调速和平衡
例：
设偏心质量m=10kg，偏心距e =1mm，
=314 rad/s
则：
惯性力：F = me2=101x10-33142=986 N
重量： G = mg=10 9.8=98 N
可见 ：F>>G, F
惯性力的方向随构件的转动而作周期性变化
F
e
机械设计基础——机械的调速和平衡
实际工况
作用在机器执行构件的生产阻力形式是各种各样的，绝 大多数机器受到的生产阻力是变化的(时大时小，时有时无, 突然加载，毫无规律等)，作用在构件上的摩擦力和摩擦力 矩随着机器的运转也在不断变化。因此，绝大多数机械系统 运转时，其主轴的速度是波动的。
机械设计基础——机械的调速和平衡
有害影响
主轴速度过大的波动变化会影响机器的正常工作，增大 运动副中的动载荷，加剧运动副的磨损，降低机器的工作精 度和传动效率，缩短机器的使用寿命。周期性的速度波动还 会激发机器振动，产生噪声，甚至引起机器共振，造成意外 事故。
Ｐ
P1
l1
Ｐ2
l2
P P1 P2
P1
P
l1
l2
l2
P2
P
l1
l1
l2
机械设计基础——机械的调速和平衡
4 刚性转子的动平衡计算
❖ 条件：b /D 1/5，不能认为质量分布在同一平面 ❖ 实例：电动机的转子、汽轮机的转子、多缸内燃机曲轴…
m3
F
m1
m2
m
c
不能认为质量分布在同一平面
m
静平衡而动不平衡
GG
F1
F1
m1 S m2
F2
F2
机械设计基础——机械的调速和平衡
2 刚性转子的静平衡计算
F
F2
条件：b /D 1/5, 所有惯性力可认 为在同一个平面上
惯性力为平面汇交力系：
Hale Waihona Puke F1 m1 r1m2r2 m3 F3 r3
Fi
miri 2
rb r4 m4
其合力
mb
F Fi 0
F4
Fb
平衡方法：在合力P的反向加mb, 使
的运转越平稳。
机械设计基础——机械的调速和平衡
五、飞轮的设计
1 飞轮设计的基本原理 2 最大盈亏功Amax的确定 3 飞轮主要尺寸的确定
机械设计基础——机械的调速和平衡
1 飞轮设计的基本原理
JF
关键：根据m、[ ]确定飞轮的JF.
最大盈亏功Amax与动能的增量的关系：
Amax
Emax Emin
1 2
(Je
JF
)(m2ax
2 min
)
(Je JF )m2
[]
[ ]
Amax
2 m
(
J
e
JF )
JF
Amax
2 m
Je
JF Je
JF
Amax
2 m
900 Amax
2n2[ ]
❖分析：(1) Amax、ωm=const.→JF -δ成反比 -----不宜选取过小的[δ] -----不能完全消除系统周期性速度波动
动能 ，速度
Md=Mr时=0，出现min 和 max(如图示)
min min(b) max max(e)
在b到e区间外力对系统作的功称为最大盈亏 功 Amax
Amax Emax Emax Emin
a
W 0 ( Med Mer )d E
JF
Amax
2 m
900 Amax
2n2[ ]
机械设计基础——机械的调速和平衡
一、机械平衡的目的及内容
1 惯性力及其影响 2 机械平衡的目的 3 机械平衡的分类 4 机械平衡的方法
机械设计基础——机械的调速和平衡
1 惯性力及其影响
❖ 运动的构件按运动形态可分为三类： 定轴转动、往复直线运动、复杂平面运动 除：1）等速直线运动的构件
2）质量分布对其转动轴线完全对称的等速转动构件 其它构件在运动过程中都将产生惯性力或惯性力偶矩 ❖ 举例说明 ❖ 不平衡后果：电风扇、砂轮磨削、轴的塑性变形 产生附加动压力 摩擦、磨损、效率、振动噪音... 影响机械的工作精度、可靠性、寿命... 造成破坏性事故
四、周期性速度波动的衡量指标
1. 绝对不均匀度 max min
2.
平均角速度
m
T d 0 T
m
max
min
2
m
n
30
m
min
max
(T)
(T)
可反映机械速度波动的绝对量，但不能反映机械运转 的不均匀程度。
✓例如：当max- min=5rad/s时，对于m =10 rad/s 和m =100rad/s的
m1r1 m2r2 m3r3 m4r4 mbrb 0
rb
mb
r4 m4
❖ 质径积矢量方程： me
mi ri mbrb 0
F4
Fb
机械设计基础——机械的调速和平衡
静平衡结论
F
❖ 产生静不平衡的原因是合惯性力不为
零
F1 m1
❖ 静平衡的条件：分布于转子上的各
r1
F2
m2
r2 m3 F3 r3
机械设计基础——机械的调速和平衡
二、机械系统运转过程（功、能转换）
1 起动阶段(0 m)
特点：Wd>Wc =m
2 稳定运转阶段(m)
特点：Wd=Wc m=c
❖ 匀速稳定运转: =C
❖ 变速稳定运转：
❖ 周期性的速度波动, C ❖ 非周期性波动: mC
3 停车阶段(m 0)
特点： Wd<Wc =0
“停车”或“飞车” ❖ W d＞Wr“盈飞功车“ 动能
❖ Wd＜Wr 亏功 动能
“闷车“
❖ 调节方法：
❖ 自调节——原动机的驱动力矩是速度的 函数，且具有下降的趋势时
❖ 调速器——调节驱动力
机械设计基础——机械的调速和平衡
调速器工作原理图
油箱供油
发动机燃烧室
机械设计基础——机械的调速和平衡
Fb F
则 F Fi Fb 0
平衡：去重或配重
机械设计基础——机械的调速和平衡
质径积表达方式
F
❖ 平衡方程： F1 F2 F3 F4 Fb 0
F1
m1r1 2 m2r2 2 m3r3 2 m4r4 2 mbrb 2 0
m1
r1
F2
m2
r2 m3 F3 r3
❖ 质径积矢量方程：
个偏心质量的离心惯性力的合力为零， rb r4 m4
或质径积的向量和为零
mb
❖ 对于静不平衡的刚性转子，无论它 有多少个偏心质量，只要适当增加
F4
Fb
（或减小）一个平衡质量，就能使其
获得平衡。即对静不平衡的转子，需
加平衡质量的最少数目为1
机械设计基础——机械的调速和平衡
3 偏心质量的等效平衡
❖ 力学基础：力的平行分解 ❖ 即以P1、P2等效代替P ❖ 应满足：力等效、力矩等效
T
max
min b cd e
a
ce
d
能量指示图
a
a
b
机械设计基础——机械的调速和平衡
例题：
假设：W1=-100，W2=350，W3=-80， W4=330，W5=-500
M
T
Mvd
Mvr
– + –+
–
W1 W2
W3 W4
W5
250 500
170
0
0
-100
Amax Wd Wr Emax Emin 500 (100) 600N m
m2’’,
F2 r2’’
F2’’
m2' m2 l2'' l2 m2'' m2 l2' l2
平面1
mi'ri' mb' rb' 0 平面2
机械设计基础——机械的调速和平衡
第5章 机械的调速和平衡
5-1 机械速度波动的调节 5-2 机械的平衡
基本要求: • 了解机械功、能和原动件运动速度的特点 • 掌握飞轮调速原理及飞轮设计的基本方法 • 了解非周期性速度波动的基本概念和方法 • 了解机械平衡的目的及分类 • 熟练掌握刚性转子静、动平衡的原理和方法