水轮机微机调速器
水轮机的基本概念和微机调速器讲座
kI
1 k D s] s
yPID (s) 1 k s [k P k I D ] F (s) s 1 T1v s
图1-8 PID调节器的阶跃输入响应特性
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◆ 水轮机调节系统的静态和动态特性
速动时间常数Tx=bt×Td
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三、水轮机伺服电机调节器 1、交流伺服电机自复中系统原理框图
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交流伺服电机电液转换器/电液执行机构型：
交流伺服电机电液转换器/电液执行机构型调速器框图
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微机调速器自动调节部分框图
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水轮机三种闭环调节模式
• PLC水轮机微机闹速器有3种主要的调
节模式——频率调节模式、开度调节 模式和功率调节模式，这三种调节模 式贯穿于调速器的整个调节过程，其 功能及其相互间的转换都是由微机调 节器完成的。
频率固定的定 位脉冲信号
伺服电机和驱动 器内部形成闭环
15
龚嘴水电站
3、电气/机械直线位移转换装置（伺服电机）
电气/位移转换装臵是将电气信 号连续地、线性地转换成机械位移 信号。 伺服电机是一种新型的直线位移 转换器，采用全数字交流伺服电机， 精密滚珠丝杠传动副，具有线性度 好，输出力大，反应灵敏，操作方 便，可靠性好，结构紧凑等特点。 可以在自动（电气控制）手动 （操作手柄）不同方式间无扰动地 切换，有“无油电液转换器”之称。
图1-1 水轮机调节系统的结构图
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4 水轮机调节的理论基础
• （１）水轮发电机组转动部分的运动方程
7
8
调速系统特点：
操作力大——调速器需要多级液压放大和外加能源 （油压装臵），并采用液压接力器作为执行元件 水轮机过流管道存在水流惯性：
水轮机组调速器(安昭先)
调速器的调节过程及方式
▪ 水轮机自动调节系统以被调节参数(频率)的偏 差作为调节导叶开度的依据。所以在负荷变 动时，总是先产生一定的转速偏差，然后在 调速器作用下逐步消除这一偏差。这个过程 称为调节系统的过渡过程(调节过程)。
▪ 调速器可分为手动调节和自动调节两种。手 动调节是通过运行人员手动进行调节，当发 现机组转速有偏差时，操作机械传动机构改 变导叶开度，使机组转速恢复到规定的数值。 自动调节不需要人为干预。
调速器的基本作用是：
▪ (1)能自动调节水轮发电机组的转速，使其保持在额 定转速允许偏差内运转，以满足电网对频率质量的 要求。
▪ (2)能使水轮发电机组自动或手动快速启动，适应电 网负荷的增减，正常停机或紧急停机的需要。
▪ (3)当水轮发电机组在电力系统中并列运行时，调速 器能自动承担预定的负荷分配，使各机组能实现经 济运行。
▪ 甩负荷试验
▪ ①机组并网带负荷稳定运行30分钟，无任何异常现 象,密切注意分段关闭阀动作情况。
▪ ②按额定负荷的25%、50%、75%、100%分四次 进行甩负荷试验。
▪ ③观察并记录每次甩负荷波形，分析每次的最高频 率、调整时间和涡壳压力上升率，如有异常，应立 即停止试验，重新核对调保计算值。
▪ 故障、事故试验
▪ ①调速器工作于模拟负载状态，自动工况。
▪ ②分别断开网频信号、功率反馈、故障灯应闪烁， 发出故障报警。
▪ ③断开机频信号线，调速器维持原位，同时发出报 警信号。
▪ ④断开导叶反馈信号，桨叶反馈信号（双调机组）， 调速器自动切至机手动，同时发出报警信号。
▪ ⑤PLC程序内置PLC故障位，模拟PLC故障，调速 器自动切至机手动，同时发出报警信号
调速器主要调整试验
调速器(机械方面)
1、压力油罐
压力油罐在正常情况下，有2/3容积为 压缩空气，1/3的液压油。为能反映出罐中 的油位高度，通常装设磁翻柱式油位信号 计，可以直观的反映出压力罐内的油位高 度。 压力罐上一般还安装高精度压力变送 器、压力开关、压力表、自动补气装置、 罐顶安全阀等。
2、回油箱
回油箱上一般设置磁翻柱式油位信号 计、油混水信号计，以检测油位、油温及 油内含水量。根据需要还会设置加热器及 冷却器以控制油温。静电液压过滤系统 （以便进行油的净化）。
三、
Super Automatic Frequency Regulator2000H（SAFR-2000H）型三十二位双微机双通道水 轮机调速器是现代控制理论与微电子技术相结合的 一种新型调节控制器，主要适用于混流式水轮发电 机组、轴流式水轮发电机组和贯流式发电机组的转 速调节以及有功功率调节。 SAFR-2000H型水轮机调速器拥有新型三十二位 硬件核心，采用双微机双通道冗余控制结构，并配 以大屏幕真彩液晶显示屏。作为最终的追求目标， 系统的总体可靠性、配置灵活性、易维护性、易操 作性和广阔的扩展空间在该调速器中得到了完美的 体现。
3、油泵
系统设计时油泵一般为零压起动，所以油泵起 动时压力一般为零。这时油泵出口处的耐震压力表 显示压力为零。当经过N秒钟延时后（注：N为延时 时间，可程序设定），卸荷阀先导电磁阀得电，系 统建压，油泵向压力罐内打油，此时压力罐内的压 力即是油泵出口压力，直至压力升到系统设定的停 泵压力，油泵停止打油。当压力罐内的压力降到系 统设定的启泵压力时，油泵又再次起动打油。 油压装置一般设置多台（根据技术要求确定） 油泵，平时互相轮换。在主泵启动油压及双泵启动 油压分别启动打油；多台油泵可自动轮换工作（轮 换方式可以程序设定）或人工切除进入检修状态。
水轮机调节原理及调速器选择
（3）对轴流转浆式、水斗式水轮机，需增加一套协 调结构，实现双重调节。
三、水轮机调节系统的基本工作原理
导水机构
水能 QH
机
组
电能 UIf
给 定 f f
执行元件
放大元件
测量元件
反馈元件
水轮机自动调节系统方框图
调速器原理图
1—飞摆；2—主配压阀；3—接力器；4、5—活塞；6—节流孔； 7—硬反馈；8、9、10—变速机构；11—移动滑块
(二) 调速器系列(反击式水轮机)
第一部分：基本特性和类型
大型：无代号； 中小型带油压装置：Y； 特小：T
机械液压：无代号； 电动调节：D 单调：无代号； 双调：S 调速器：T 第二部分：工作容量 中小型调速器×9.81N.m；大型指主配阀直径(mm) 第三部分：额定油压
2.5MPa 不加注释
例： YT—300 中型、带油压装置、机调、额定油压2.5MPa，工 作容量300×9.81Nm
二、水轮机调节原理
水轮发电机组的运动方程式为： d Mt Mg J dt 式中：Mt——水轮机主动力矩(水流推动叶片做功)
Mg ——发电机的阻力矩
J ——机组转动部分的转动惯量； d ——角加速度；
dt
d (1) M t M g， 0, c, n ne dt d ( 2) N M g M t M g 0n dt d (3) N M g M t M g 0n dt
d s D1 b0 H max D1
λ为计算系数，查表。b0为导叶高度。 当额定油压为4.0MPa时，接力器直径ds为：
d s d s 1.05 2.5 / 4.0 0.81d s
由计算的接力器直径，查标准接力器系列表，选用相邻 偏大的直径。
水轮机的调速设备—调速设备的特性及其基本原理
➢ 动特性：机组负荷发生变化时，调节过程中机组转速随时间的变化 关系称为调速器的动特性。
6.2.2 调速器基本原理
偏差信号通过信号放大及油压转换元件放大并转换成油压后，再通 过操作元件（主配压阀）利用油压去操纵接力器，以控制导水机构 去关闭或开启导叶，从而达到改变流量，使水轮机的主动力矩与新 的发电机阻抗力矩相适应，使机组转速恢复正常。
6.2.3 水轮机调速系统的构成
• 水轮机调速系统一般由调速柜、接力器和油压装置三部分组成 。
6.2.3 水轮机调速系统的构成
1. 调速柜 调速柜是控制水轮机的主要设备，能感受指令并加以放大，用它来
操作执行机构，使转速保持在额定范围内。调速柜还可进行水轮机开 机、停机操作，并进行调速器参数的整定。 2. 接力器
接力器是调速器的执行机构。接力器控制水轮机调速环（控制环） 调节导叶开度，以改变进入水轮机的流量。 3. 油压装置
油压装置由压力油罐、回油箱、油泵三部分组成 。
6.2.3 水轮机调速系统的构成
6.2.4 调速器的类型和系列
1.调速器类型 （1）按调速器元件结构分： 机械液压(机调)：信号测量、信号综合、信号反馈均由机械环节完成。
6.200
中型、带油压装置、机调、额定油压2.5MPa，工作容量 300×9.81Nm
DST—100A—40
大型、电气液压、双调节调速器；主配阀直径100mm，额定油压 40kg/cm2(4.0MPa)，A是第一次改型后产品。
ZZ、CJ（针阀、折流板转动） （3）按大小（容量） 大型：活塞直径80mm以上 中型：操作功10000Nm~30000Nm 小型：操作功小于10000Nm，特小：小于3000Nm
水轮机调速器结构及工作原理
水轮机调速器结构及工作原理水轮机调速器是水轮机系统中的重要设备，其主要功能是控制水轮机的转速，以满足不同负载工况下的运行要求。
本文将从结构和工作原理两个方面介绍水轮机调速器的基本知识。
一、水轮机调速器的结构水轮机调速器一般由调速机构、液压控制系统和电气控制系统三部分组成。
1. 调速机构调速机构是水轮机调速器的核心部分，它通过改变水轮机的导叶开度来调节水轮机的转速。
调速机构主要由调节器、传动装置和导叶机构组成。
调节器是水轮机调速器的关键部件，它通过接收输入信号，控制传动装置的运动，从而改变导叶的开度。
常见的调节器有液压调节器和电动调节器两种。
传动装置是将调节器的运动转化为导叶运动的装置，常见的传动装置有丝杠传动和液压传动两种。
导叶机构是通过传动装置将调节器的运动传递给导叶，改变导叶的开度。
导叶机构主要由导叶轴、导叶臂和导叶组成。
2. 液压控制系统液压控制系统是水轮机调速器的控制部分，它通过控制液压元件的工作状态，实现对调速机构的控制。
液压控制系统一般由液压泵站、液压缸和液压阀组成。
液压泵站负责提供液压能源，液压缸负责执行调速机构的运动，液压阀负责控制液压缸的工作状态。
3. 电气控制系统电气控制系统是水轮机调速器的辅助部分，它通过控制电气元件的工作状态，实现对液压控制系统的控制。
电气控制系统一般由控制柜、传感器和执行器组成。
控制柜负责接收输入信号和控制输出信号，传感器负责感知水轮机的运行状态，执行器负责执行控制柜的输出信号。
二、水轮机调速器的工作原理水轮机调速器的工作原理主要是通过调节水轮机的导叶开度来改变水轮机的转速。
当负载增加时，调速器接收到输入信号后，调节器会发出相应的指令，通过传动装置将运动转化为导叶的运动，导叶的开度逐渐增大。
导叶开度增大会减小水轮机叶片与水流的夹角，使水轮机的输出功率增加，从而使转速稳定在设定值附近。
当负载减小时，调速器接收到输入信号后，调节器会发出相应的指令，通过传动装置将运动转化为导叶的运动，导叶的开度逐渐减小。
水轮机微机调速器常见故障的处理
所谓常见故障是指调速器投运前或大修后经过调整、试验合格，能投入正常运行，在以后的正常运行中，由于调速器部件产品质量问题，机构松脱变位、机械杂质堵塞、参数设置改变等原因引起的故障。
为帮助运行人员迅速判断故障原因和故障部位及时排除故障，本节列举了可编程调速器运行时可能发生的故障及处理措施.（一）开机、并网及空载运行时常见故障1．上电后出现电气故障无法开机该故障的可能原因有:（1）可编程控制器的运行开关未置于“RUN”位置，“RUN”灯未亮，可编程没有投入运行,可能导致电气故障灯亮。
（2）可编程控制器故障,此时可编程故障灯亮。
导致可编程控制器故障有多种原因，主要的有模块故障,程序运行超时，状态RAM故障,时钟故障等.此时应先切手动，暂停运行，过一会儿再重新启动,一般即可恢复正常。
如果是常驻性故障，应检查相关模块运行指示灯是否正常，对不正常的模块应进行更换。
(3）“电气故障”继电器接点粘连或继电器损坏。
此时可检查可编程控制器“电气故障”端子是否有“电气故障"的信号输出(即观察可编程对应输出端口指示灯是否亮）即可判断是否继电器的问题.（4）测频故障导致“电气故障”灯亮，观察显示屏是否显示“机频故障".2．手动开机并网，切至自动后导叶全关(1）水机自动屏/LCU的停机令未复归。
（2)电气部分连线接触不良、元件损坏。
如PLC的调节输出电压未送至综合放大板，功率管损坏短路，或调节阀的线圈与控制信号线接触不良等。
（3)若调节器输出有开机信号，则可能是电液转换部件卡在关机侧，清除电液转换部件故障.3．发开机令后调速器不响应（1）调速器没有切为自动状态。
手动状态时,切除了电气部分对机械部分的控制，上位机指令不起作用。
(2)紧急停机电磁阀没有复归.由于采用具有定位功能的两位置电磁换向阀，紧急停机信号解除后，电磁换向阀保持在原紧停位置，必须在复位线圈通电后,紧急停机功能才能解除。
（3）水机自动屏/LCU的停机令未复归。
解析水轮机微机调速器控制原理调试及故障处理
解析水轮机微机调速器控制原理调试及故障处理【摘要】水轮机调速器分为以下几种类型：机械和电气液压型采用的是PID 控制方式，但是常规的PID控制难以支持大型水轮机和电网机组调节系统的控制要求，现在所采用的一般是变参数PID、自适应控制盒模糊控制等高级且复杂的控制方法，通过计算机完成水轮机调节系统的控制。
因此对水轮机的微机调速器的控制策略分析，水轮机调节系统是一个具有非线性和变形的系统。
【关键词】水轮机；微机调速器；智能控制1、水轮机调节系统组成水轮机调节系统主要是由调速器和被控对象组成。
水轮机的调速器主要的作用是运用电力系统的负荷变化来调节导叶的开度，从而使水轮机调整发电机的功率输出，并使发电机组的转速维持在规定的调节范围之内。
水轮机的被控对象是由水轮机系统（包括水力系统，如调压井和压引水道等）和发电机系统（包括电气、电压和机械惯性调节三部分）组成。
水轮机的控制系统是一个复杂系统，是集水力、机械和电气一体化系统。
在实际应用中，建立系统化的数学模型需要忽略一些不必要的参数。
2、微机调速器控制结构机械液压型调速器、电气液压型调速器和微机调速器是调速器发展的3个阶段。
随着计算机技术的快速发展，水轮机微机调速器的发展应用也在不断进步。
数字化PID技术可以应用计算机技术进行精度高，运算速度快的测频效，而且具有可靠性高的特点，可以它的控制方式可以由软件编程控制，具有灵活多变的效果，容易对各种结构的控制参数进行调节，方便实现更复杂更高级的控制算法的应用与调节。
计算机的技术的不断推进也对微机调速器的发展起到了推动作用，先后也经历了以下的几种类型：（1）最早的单板机和单片机8位数据传输调节，当时的运算速度还是比较慢。
（2）STD总线工业控制机。
（3）可编程控制器，现在工业应用很广泛，而且相应的技术也比较成熟。
（4）工业PC机。
（5）可编计算机控制器(PCC)。
现在工业中主流的调速器产品就是以PLC为控制器，由PLC图形化编程和数学算法一起实现的，但是面对现代工业发展的情况来看，它的运算速度等一系列的方式都远不及PC机。
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如图所示为开度给定Yc分别等于0.5 和0.75时的两条微机调速器的静特性。从 图中可以看出，两条静特性线是平行线， 故调整给定开度，相当于横向平移静特性; 其间的横坐标距离为0.25。当水轮发电机 组并入电网运行时，可认为电网频率保持 为50Hz，当yc由0.5调整到0.75时，Yc则 由原来的0.5开启到0.75。显然，调整开度 给定y。来改变微机调速器接力器的开度是 正确的方法。
FX 2 N PLC
水轮机微机调速器
水轮机微机调速器国内外发展动态 可编程控制器的发展现状与特点 PLC水轮机微机调速器的系统结构 水轮机微机调速器静特性分析
水轮机微机调速器国内外发展动态
水轮机调速器作为水电站的重要控制设备，历来受到水电界的关 注和重视。众所周知，调速器曾经历了机械液压型、模拟式电气 液压型的漫长历史。电液调速器大都采用了PID调节规律，在性 能上有很大的提高，但是由于它仍用模拟组件或数字电路来实现 其调节规律，故硬件线路复杂，维护也不方便，可靠性受到一定 的影响。同时水轮机调节系统是一个非线性、时变、非最小相位 系统，要想保证系统在不同的工况下都具有优良的动态品质是非 常困难的。 20世纪70年代中期微处理机推向市场，到70年代末，微机控制 技术引入水轮机调节领域，80年代微机调速器经历了诞生、发展 至基本形成的历史。目前，在调速器领域内，发展微机调是针对三菱公司 FX 2 N PLC水轮机 调速器与大家共同分享了关于水轮机微机调速器国内 外发展动态、可编程控制器的发展现状与特点、PLC 水轮机微机调速器的系统结构、水轮机微机调速器静 特性分析四个方便的内容，当然要想把它学好学懂还 需要我们进一步学习和探讨，需要从更多的方便入手 进行深究。 希望这次内容能起到抛砖引玉的作用，激发我们 的学习兴趣！
硬件
控制策略
开发环境
应用领域
单板机
单板单板机 可编程控器(PLC) 工业控制机(IPC)
对常规PID控制 规律作了改进， 提出和应用了 一些新的控制 策略。
机器码、汇编语 言、高级语言
混流式、转浆 式、贯流式、 冲击式、抽水 蓄能机组
面向任务的基于 图形组态的开发 平台;
当前，我国的微机调速器领域正向更先进、更可靠、性能/价格比更优 越的方向发展。
PLC调节器
系统的输入分为 开关量输入(如机 组启动、机组正 常停机等)和模拟 量输入(如来自机 组状态的频率、 开度、电网频率 以及通过用户设 定的各项给定参 数)。系统的主要 输出参量为导叶 接力器控制信号。
PLC水轮机微机调速器结构框图
水轮机微机调速器静特性分析
对于水轮机调节系统来说，最根本的要求是稳定性。在系统稳定的基础上， 还对其动态过渡过程品质也有一定的要求。 我们通常通过调速器静特性试验的方法来进行分析，下面将以一组具体的数 值来分析分析频率给定fc和开度给定Yc对微机调速器的静态特性的影响。
国外发展动态 20世纪80年代，世界上发达国家的著名水轮 机调速器公司均毫无例外地先后研制了微机调 速器。
日本日立公司和东芝公司（率先研制） ABB公司（起步早、发展快） 法国奈尔皮克(NEYRPIC)公司 德国西门子(SIEMENIS)公司 美国伍德华德(WOOD WARD)公司 瑞士埃舍尔维斯(ESCHER WYSS)公司 比利时的ACEC公司 挪威的KBB公司等
如图所示为频率给定分别等于50Hz和50.5Hz 时的两条微机调速器的静特性。从图中可以清楚地 看出，两条静特性线是平行的直线，其间的纵坐标 距离为0.5Hz，故调整频率给定，相当于纵向平移 静特性。当水轮发电机组并入大电网运行时，可认 为电网频率保持为50Hz。当频率给定fc由50Hz调整 y 到50.5Hz时， PID 则由原来的0.5开启到1.0。所以， 此时调整频率给定fc，可以增/减机组所带的负荷。 但是，由于水轮机微机调速器都设有开度给定环节， 因此，一般不采用调整频率给定的方法来增减负荷， 而采用调整开度给定(或功率给定)的方法。
国内发展动态
建国以来，我国调速器制造工业经历了引进、仿制、自 行研制生产的过程。随着微电子技术的发展，我国学者 在20世纪80年代初即开始从事微机控制技术应用于水 轮机调节的研究。 1984年11月，华中理工大学和天津水电控制设备厂合 作研制的我国第一台微机调速器在湖南欧阳海水电站投 入运行。由于微机调速器具有精度高，软件灵活性大， 便于采用先进的控制策略，藉硬、软件的容错、避错等 措施可提高其可靠性等优点，它从一诞生就表现出强大 的生命力。 此后，许多高等院校、科研院所、企业均开展了微机调 速器的研制。
分析：f不变→机组转速恒定（f=np/60） →角速度增量不变→水轮机主动力矩与 发电机阻力矩平衡→调节水轮机输出主 动力矩→调节水轮机输出功率→调节水 轮机流量→改变导叶开度
水轮机调节系统的特点
水轮机调节系统是由水轮机调速器和调节对象(包括引水系统、 水轮机、发电机及负载)共同组成。水轮机调节系统与其他原动机调 节系统相比有以下特点:
反馈通道
与前向通道信息传递方向相反的通道，反馈通道有2-1, 3-1. 2-2, 32和3-3。例如，反馈通道3-1是接力器位移Y经过电肌转换装置转换为电 气量或数字量，再送给微机((PLC)调节器作为反馈信号的通道。
综合比较点
综合比较点是系统中前向通道和反馈通道信息的汇合点。位于 微机(PLC)调节器、电/机转换装置和机械液压系统中的3。图中绘出 了分别个比较点:Al ,A2, A3。在一般情况下，A1是数字量综合比较点， AZ是电气量综合比较点，A3是机械量综合比较点。
可编程控制器的发展现状与特点
可编程控制器的发展现状
1968年，美国通用汽车(GM)公司针对“多品种、小批量”的市 场需求，提出了10项功能指标全新的工业控制装置的设想。1969 年，美国数字公司(DEC)按上述要求研制成功了这种新型工业控制 装置，当时主要是用于逻辑控制，称之为可编程逻辑控制 ((Programmable Logic Controller)，简称PLC o PLC实质上是 一种工业计算机，只不过它比一般的计算机具有更强的与工业过程 相连接的接口和更直接的适应于控制要求的编程语言. 至20世纪90年代中期，全世界约有200多个厂家生产400多个品 种的PLC产品及其网络产品。PLC是工业控制系统中继单片机、 STD总线之后的又一个里程碑。当前，PLC仍然是一种应用非常广 泛、发展十分迅速的技术。
发展方向
适应生产过程和机械自动化需求的智能单元和模块、通信、 现场总线技术、产品的进一步系列化和编程语言的完善化。
可编程控制器的主要特点
1
高可靠性
2
编程方便，易于使用 与外部控制器件接口方便
3
PLC水轮机微机调速器的系统结构
PLC水轮机微机调速器的系统结构
水轮机调节系统的任务
水轮发电机组把水能变成电能供用户使用，用户除要求供电安全可靠外， 还要求电能的频率及电压保持在额定值附近的某一范围内。因此，必须根据 负荷的变化不断调节水轮发电机组的有功功率输出，以维持机组转速(频率) 在规定的范围内。 机组的运动方程
1 2
水轮机调节装置必须具备有足够大的调节功;
水轮机调节装置必须具备有足够大的调节功; 水击的反调效应不仅不利于调节系统的稳定，而且严重恶化了调节 系统的动态品质;
3
4 有些水轮机还具有双重调节机构，从而增加了调速器的复杂性。
典型PLC水轮机微机调速器结构
前 向 通 道
图中由左至右的控制信息的传递通道，是任何一种结构的调速器必 须具备的主通道，包括通道u/N、通道y1和通道Y。 通道u/N是微机(PLC)调节器的输出通道，它的输出可以是电气量u， 也可以是数字量N 。 u/N信号送到电/机转换装置作为其输入信号。 通道y1是电肌转换装置的前向输出通道，它输出的主要是机械位移， 也可以是液压信号，是机械液压系统的输入控制信号。 通道Y是机械液压系统的输出通道，它输出的是接力器的位移，也是 调速器的输出信号。