【图文】水轮机调速器基本知识讲解
水轮机微机调速器PPT课件
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
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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:
➢ 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。
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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。
FX2N PLC
水轮机微机调速器
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❖ 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
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水轮机微机调速器国内外发展动态
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❖ 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。
须具备的主通道，包括通道u/N、通道y1和通道Y。
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
水轮机调速器2022
水轮机调节及调速器基本知识基本概念⏹国际电工委员会对调速系统的定义：用来检测转速偏差x，并将它按一定特性转换成主接力器的偏差y的一些装置和机构的组合体。
⏹y的变化就是导叶开度的变化，开度的变化导致流量Q的变化，从而改变了水轮机主动力矩M t，以力图减小或消除转速偏差x，以使转速保持恒定。
调节的途径水轮机调节系统●系统结构：水轮机调节系统的结构图调速器主要元件作用⏹测量元件负责测量机组输出电能的频率，并与频率给定值比较，当测得的频率偏离给定值时，发出调节信号。
⏹放大元件负责把调节信号放大，然后通过执行元件去改变导水机构的开度，使偏离恢复到给定值。
⏹反馈元件的作用是使调节系统的工作稳定。
调速器主要作用⏹未并网前：调整机组转速⏹并网后：通过调整导叶开度调整机组有功出力。
⏹正常开停机。
⏹电气事故情况下紧急关闭导叶，以防止事态扩大。
步进电机调速器组成系统结构图机械结构⏹柜内部布置有上搁板、底板。
上搁板上布置有步进电机、驱动器、位移传感器、开度指示机构、手操机构等。
底板上安装有滤油器，紧急停机电磁配压阀、压力表，检修阀门等。
引导阀、主配压阀布置在底板下。
⏹刮片式滤油器供给引导阀及应急阀块用油，压力表指示滤油器后部的压力值。
工作原理⏹正常运行时,步进电机驱动器接受电气控制信号，驱动步进电机旋转，步进电机带动丝杠运动，丝杆将电机的转动变成直线位移：位移传感器将丝杠位移信号送至PCC，当丝杆的位置与PCC 所要求的值相同时，步进电机停止转动，电--位移伺服系统完成闭环调节。
⏹丝杠的位移信号经过杠杆带动引导阀，控制辅助接力器，主配压阀，驱动主接力器运动，主接力器的位移信号经机械反馈机构，杠杆送至引导阀，使引导阀回中，液压随动系统完成跟随调节。
⏹紧急停机时，紧急停机电磁阀接受停机信号，切断导叶引导阀的油源,实现紧急停机。
⏹手操机构用于检修，试验和纯机械手动运行时的控制。
正常运行的开度限制由PLC通过步进电机实现，手操机构放到经验位置。
调速器的原理及改造与维护_图文
四、冲击式水轮机调速器的调节与控制
现代冲击式水轮机微机调速器的调节与控制方式: （1）用PID电子调节器加电液随动系统的系统结构； （2）偏流板不再与针阀开度协调动作，而是将其作为 一个保安装置来用。开机后偏流板全开，停机时，偏流 板全关； （3）当转速上升至某个整定值时，偏流板自动关闭， 当转速低于整定值时，若此时调速器处于自动工况，偏 流板自动开到全开位置。因此，偏流板只有全开和全关 两个位置，而且是按机组转速和工况来控制。
微机分为两种，一种是传统意义的微机，即 单片机系统。另一种是PLC。单片机是由生产 厂家根据要求自己设计生产的电路板，由于规 模、成本上的限制，没有形成标准化、批量化 生产，因而在可靠性及抗干扰性上存在缺陷。
三. 调速器的分类
1.按控制器类型
数字式电液调速器（微机调速器） PLC是一种应用非常广泛、发展十
分迅速的技术。在全世界的自动化控 制装置中，PLC的产量、销量、用量 位居榜首。PLC、机器人和CAD/CAM 是现代工业自动化的3大支柱。PLC之 所以成为许多工业自动控制设备和系 统的首选产品，是由于它具有高可靠 性。
1.按控制器类型 数字式电液调速器（微机调速器） PLC:
电源模块
D/A模块
A/D模块 输出模块 输入模块 CPU模块
三. 调速器的分类
2.按电液转换类型
伺服电机、步进电机型调速器
用步进电机、交直流伺 服电机作为电液转换装置，实 现了无油转换。我国具有自主 知识产权。
三. 调速器的分类
伺服电机、步进电机型调速器
三. 调速器的分类
2.按电液转换类型
比例伺服型调速器 以电控方式实现对流量的节流控制 国外调速器主要采用的元件。调节
测速、稳定及反馈信号用机械液压的方法产生 ，经机械液压综合放大后通过放大部分驱动水轮 机接力器。最早的水轮机调速器都是机械液压调 速器，它是随着水电建设发展而在20世纪初发展 起来的。它能满足带独立负荷和中小型电网中运 行的水轮发电机组调节的需要，有较好的静态特 征和动态品质，可靠性高。但是，面临大机组、 大电网提出的高灵敏度、高性能和便于实现水电 站自动化要求，机械液压调速器固有的采用机械 液压方法进行测量、信号综合和稳定调节的功能 就露出明显的缺陷。
水轮机调速器基本知识讲解
机/电转换 ——带通信接口的数字式传感器、变送器（位移、功率、水头······）
第四十六页，共83页。
❖ 通信接口
高可靠性
不同通信规约的适应性
❖ 全数字式水轮机微机调速器 调节回路中无模拟信号传输
测量、传感、变送、执行
三.发展趋势
第二十一页，共83页。
❖ 电机转换器
机—电转换器 ❖ 角位移传感器
❖ 直线位移传感器
❖ 旋转编码器
2.我国数字式电液调速器概况
第二十二页，共83页。
❖ 机械液压系统
主配压阀（位移控制型、液压控制型）
分段关闭阀（机械液压动作、电气液压动作） 事故配压阀（单独装置、与主配压阀结合）
2.我国数字式电液调速器概况
第四十七页，共83页。
❖ 辅助功能
辅助调试功能
事件、事故记忆功能
水轮机控制系统仿真决策支持系统
三.发展趋势
第四十八页，共83页。
水轮机控制系统仿真决策支持系统
三.发展趋势
第四十九页，共83页。
空载频率波动 仿真
三.发展趋势
第五十页，共83页。
空载扰动波动 仿真
三.发展趋势
第五十一页，共83页。
开创了我国水轮机调节领域的新的篇章；
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以可编程控制器为主体的微机调节器研制成功则极大地促进了我国数字式（微机）调速器的广泛应用和迅速发展。
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四.国内外微机调速器概述 ❖ 到2002年，据不完全统计，我国自行设计制造的数字式（微机）电液调速器已有1500多台在国内外大
中小型水电站投入运行。近年来，已经有不少用国产调速器更换进口产品取得成功的范例（例如二滩电站）。我国的数字式 电液调速器的技术性能和功能都与水轮机调节技术的国际先进水平基本上保持同步状态；在机械液压系统的可靠性方面，国 内产品还有待进一步提高。
调速器知识
一调理系统参数1水流惯性时间常数 T w水流惯性时间常数是指在额定工况下，表征过水管道中水流惯性的特色时间，其表达式22LV为T a J r GD n r T w Q r LM r3580N r gH r S gH r式中 T w为水流惯性时间常数，Q r为水轮机设计流量，H r为水轮机设计水头，S为每段过水管道的截面面积，L为相应每段过水管道的长度，V为响应每段过水管道的流速，G为重力加快度T w表示过水管道水流的惯性，它是水轮机主动力矩变化存在滞后的主要原由，也是造成调理系统不稳固和动向质量恶化的主要要素。
在其余条件不变时，T w越大，水流惯性越大，水击作用越显着，则调理过程的振幅越大，振荡次数越多，调理时间越长，以致最后高出稳固范围。
2机组惯性时间常数机组惯性时间常数是指机组在额定转速时的动量矩与额定转矩之比。
其表达式为式中 T a为机组惯性时间常数，Jωr为额定转速机遇组的动量矩，2GD为机组飞轮力矩，M r为机组额定转矩，N r为发电机额定功率，n r为机组额定转速T a的物理意义是：在与发出额定功率相当的额定转矩下，机组由静止达到额定转速所需要的时间。
T a越大，越有益于调理系统的稳固，并且在调理过程中能够奏效转速的偏差和减缓转速的变化，但有可能使调理时间变长。
若T a过小，将使调理系统难以稳固。
3 永态转差系数b p、永态调差系数e p调理系统的静特征有两种状况：图1（ a）为无差静特征，表示机组卖力无论为什么值，调理系统均保持机组转速n0，即静态偏差为零。
图1（ b）为有差静特征，当机组卖力增大时，调理系统将保持较低的机组转速，即静态偏差不为零，永态调差系数e p定义为调速系统静特征曲线图上某一规定点的斜率的负数。
（反应为功率反应）图 1（ c）也为有差静特征，它以接力器行程Y 为横坐标，以机组转速n 为纵坐标（反应为导叶反应）。
永态转差系数b p为x f x fb p e p0 1.0y=Y/Y max0 1.0p=P/P r图1（b）有差静特征图1（c）有差静特征永态转差系数b p 是电力系统各机组负荷分派的重点参数，依据电厂在系统的作用不一样，各电厂调速器的b p 有所不一样。
水轮机调速器培训课件
油压装置系列 油压装置型号由三部分组成，中间用横 线隔开，形式为：
油压装置系列 例：YZ-20A/2-40，表示为分离式油压 装置，压力油箱总容量为20m3，两个 油箱，额定油压40×105Pa(4.0Mpa)， 第一次改型产品。 HYZ-4，表示组合式油压装置，压力油 箱容积为4m3，一个油箱，额定油压为 2.5MPa。 无第三部分表示压力油罐数为一个，额 定油压小于2.5MPa，油压装置系列型谱 见表。
水轮机调节的任务是通过调速器来完成 的。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方 式进行调节 ，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，这种情 况可由以下的方框图表示：
水轮机调节的任务
导水机构
水能 Q、H
机组
电能U、I、f
电力系统
三、调速器的相关参数、类型、 系列
1、调速器的类型 （1）根据测速元件的不同，调速器可分 为机械液压型与电气液压型和微机液压 型调速器三大类。 （2）按调节机构数目不同，分为单调 节和双调节。
单调节：接力器只调节导叶开度， 如ZZ、XL，但当尾水管水击压力不 足安放空放阀时，为双调节；双调 节：接力器调节导叶开度、叶片装 置角，调节针阀行程、折流器，如 CJ。（3）按调速器容量大小不同， 可分为大型与中小型调速器。
二、水轮机调速系统的组成及作 用
一般由调速柜、接力器、油压装置三 部分组成。 1、调速柜 控制水轮机的主要设备，能感受指令 并加以放大，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 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 由压力油罐，回油箱，油泵三部分组成。 中小型调速器的调速柜，接力器和油压 装置组合在一起，称为组合式；大型调 速器分开设置，称为分离式。
小知识水轮机调速系统
什么是水轮机调速器？水轮机调速器的作用是什么？答：水轮机调节是通过水轮机调节系统根据机组转速的变化不断地改变水轮机过流量来实现的。
水轮机调节系统是由调节控制器、液压随动系统和调节对象组成的闭环控制系统（如图1-1）。
通常把调节控制器和液压随动系统统称为水轮机调速器。
水轮机调速器调速器有哪些类型？如何划分？水轮机调速器的分类方法较多，按调节规律可分为PI和PID调速器；按系统构成分为机械式调速器（机械飞摆式）、电液式调速器及微机调速器；实际应用中常用是以下几种区分方式：1、按我国水轮机调速器国家型谱以及调速器行业规范，调速器分为：中、小型调速器；冲击式调速器；大型调速器等。
中、小型调速器以调速功大小来区分，冲击式调速器以喷针及折向器数目来区分，大型调速器以主配压阀名义直径来区分。
1000Kg.m＜W≤7500Kg.m3、按照调速器的适用机组类型分为：冲击式调速器、单调、双调。
冲击式调速器适用于冲击式水轮发电机组；单调适用于无轮叶调节的混流式、轴流定桨式等水轮发电机组；双调适用于有轮叶调节的轴流转桨式、灯泡贯流式水轮发电机组。
调速器德操作功如何计算？调速器的大小依据操作功确定，操作功的计算有多种方法，最简单的估算公式为：注：冲击式不能用该公式Q：机组额定流量，m3/s计，生产上又缺乏严格的元器件老化、筛选过程以及严格的焊接工艺保证等多方面原因，未能根本解决可靠性问题。
因此逐步退出了市场，但由于成本低廉，依然有些厂家生产。
后随着基于IPC（工业控制微机）和PLC（可编程逻辑控制器）等通用处理器平台的不断发展完善。
国内迅速的将可靠性能高的IPC和PLC等通用微机平台应用于水轮机调速器领域，实现了调节器的硬件可靠性的进步，放弃了以单板机、单片机及基于8098、8086等的双微机作为主机硬件平台的专用调节器之路。
IPC（工业控制微机）是通过对个人计算机（PC）的板路、内存以及机箱等进行专门电磁兼容设计，使它能应用于环境恶劣的工业控制环此宜优先选用PLC作为调速器的调节控制核心。