水电厂调速器系统(机械)简介(方仲超)

加显著，因而这类电站的水轮机调节系统的稳定性就更差，同时也恶化
了调节系统的动态品质。 （4）有些水轮机调速器还具有双重调节机构，从而增加了调速器结构的复 杂性 对于低水头的转桨式水轮机和贯流式水轮机，为了提高水轮机的效率，以 确保在不同水头下均能获得较高的运行效率，因此，其不仅要调节导水机构，
还要调节桨叶开度
2.1 水电厂调速器的发展历程 电气液压型调速器
20世纪70~80年代
电子管、晶体管，集 成电路 采用电液转换器替 代了离心摆。增加 了手自动切换，紧 急停机 电子元件/组件质量不过 关，可靠性低
2.1 水电厂调速器的发展历程
指令信号
测速元件
+ + +
综合放大
电液转换器 暂态反馈元件
引导阀
中间接力器
1.4 水轮机调节的功能 水轮机调速器是水电站最重要的控制设备之一，其功能有：

在单机运行时用来维持机组转速恒定（按频率调节）； 承担机组启动、停机、并网和增减负荷等操作； 在并网运行时，按有差特性承担系统的负荷，实现 按功 率调节、按 是水电站与机组的安全监控系统的执行装置之一。事故时通过紧急停
pn f 60
磁极对数由发电机结构确定，发电机确定后磁极对数为 常数。因此，频率仅与机组转速有关。要保证频率在一定范 围内稳定不变，就必须保持水轮发电机组转速稳定不变。
1.2 水轮机调节的任务
d J Mt M g 机组的运动方程 ： dt
GD2 J 4g
Mt
Mg
M
g
机组转动部分惯性力矩 M 水 能 H. Q
t
GD 2 机组飞轮力矩
百度文库

M t 水轮机主动力矩， M g 发电机阻力矩
n 为角速度 30
电 能 U.I .f
g--重力加速度； n--机组转速，r/min。
水轮发电机组示意图
1.2 水轮机调节的任务
要使机组的频率恒定，就要使机组转速恒定，也就是要使角速度增 量dω = 0 ，那么就应当使水轮机的主动力矩M t 能与发电机的阻力矩
微 机 机组频率 调 节 器
电 液 转 换 装 置
机 械 手 动 装 置
紧 急 停 机 电 磁 阀
主 配 压 阀 / 插 装 阀
分 段 关 闭 装 置
接 力 器
油压装置
3.1 调速系统的构成
3.机械液压系统－电/机转换装置
• 电/机转换装置是电－机转换器和电－液转换器的总 称，前者将微机调节器送来的电气信号，转换、放大 成具有一定驱动力的机械位移输出，后者则把微机调 节器送来的电气信号转换、放大为相应的液压流量控 制信号输出。 • 电/机转换装置一般与主配压阀相接口，电－机转换 器与带引导阀的机械位移输入型主配压阀相配合，电 －液转换器则与带辅助接力器的液压控制型主配压阀 接口。
1.3水轮机调节的组成
引水系统 水轮发电机组 电力系统
水轮机调节系统由调速器和
调速器
调节对象组成, 水轮机调节系
统的调节对象是水轮发电机组， 广义地说还应该包括与机组相
导水机构 水能 机 组 电能 转速 给定
连接的引水系统和电力系统。
而调速器严格地说除了其本体 还有油压装置。
执行元件
放大元件
测量元件
液位指示/变送器/开关(压力油箱和回油箱)
空气安全阀 自动补气装置 油混水信号器
3.1 调速系统的构成
3.1.4 油压装置控制柜：
PLC控制单元
人机界面（显示、操作） 输入输出（采集数据、接收指令、反馈状态等） 软启动器 接触器
断路器
柜体、按钮、指示灯
3.1 调速系统的构成
90~00年代
微机调速器趋于成熟， PLC，IPC，PCC，
比例阀，控制电机、数字阀， 等多种电液转换器，标准液 压元件开始选用 功能较为完善，可靠性提高， 能够满足使用要求
一
2.1 水电厂调速器的发展历程 微机调速器
21世纪~ 微机控制器进一步发展，PAC，PCC出现，性能提高，加之 现代控制理论应用以及生产商经验积累。软件功能更加完善， 增加了自诊断，维护，通信等功能 标准化液压元件大量选用，数字阀调速器出现，液压集成技 术使用，可靠性提高，结构美观，主配压阀等零部件结构优 化，使用和维护更加方便。 技术取得了较大进步，但也有市场原因使得结构和性能在倒 退
接力器锁定装置（机组自动化）
管路系统
3.1.1 调速器电气柜：
调速器软件 电源转换回路
控制器（CPU、AI、AO、DI、DO、通讯接口）
3.1 调速系统的构成 测频回路（残压、齿盘、机频、网频） 外围输入输出回路
人机交互（HMI、按钮、指示灯等）
3.1.2 调速器机械柜：
主配压阀 电液转换器 功能切换阀（电液转换器切换、手自动切换等） 保护回路（紧急停机）
反馈元件（紧停/复归、手/自动状态、压力、主阀位移等）
3.1 调速系统的构成
3.1.3 油压装置：
压力油箱 回油箱(注排油接口、滤油接口、空气滤清器) 油泵电机组 插装阀组（单向阀，安全阀，卸荷阀） 压力表、压力开关、压力变送器
3.大型调速器机械液压系统框图：
微 机 机组频率 调 节 器
电 / 机 转 换 装 置
机 械 开 限 / 手 动 装 置
紧 急 停 机 电 磁 阀
手 动 紧 急 停 机 阀
主 配 压 阀
事 故 配 压 阀
导 叶 分 段 关 闭 装 置
接 力 器
油压装置
3.1 调速系统的构成
3.中小型调速器机械液压系统框图：
单调节 混流式机组，轴流定桨式
双调节
贯流式、轴流转桨式
多调节
冲击式、水泵水轮机(多导叶)
2.2 水电厂调速器的分类
2.2.3 按电液转换器分：
比例阀
专业厂家生产的标准化产品，抗油污能力强，动态响应 好，可靠性高，外形美观，易于搭建控制回路，实现冗 余保护逻辑，检修维护方便，成本高 抗油污能力强，可靠性高，动态响应能力较比例阀差， 需将电机的旋转运动转换为直线运动并放大，有复杂转 换机构，结构体积大，维护难度高，成本低
1.3 水轮机调节系统的组成及特点
1.4 水轮机调速器的功能
1.1 水轮机调节的任务
电力系统的负荷总是在不断变化的，其中有些随机变化的负荷是
不可预见的。一天之内有上午、晚上两个高峰和中午、深夜两个低
谷，这种周期性变化负荷是可预见的。而负荷的变化会引起系统频 率的变化。
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
调速器 电气柜 油压装置 控制柜 软启动 控制柜
压力油箱 调速器机械 液压系统 回油箱 插装阀组 油泵电机组
至导叶接力器
水电厂调速器系统的构成
调速器电气柜 计 算 机 监 控 系 统
调速器机械液压部分
调速器控制柜
油温控制 油泵控制
自动锁锭
压油装置 压油泵
机械部分
外部命令
电气部分
3.1 调速系统的构成 调速系统还包括： 过速保护装置(事故配压阀、机械过速) 分段关闭装置
M g 保持平衡，即负荷变化时引起阻力矩变化，应调节机组本身的输
出主动力矩，以维持频率恒定。而水轮机的输出功率与其输出力矩（即 主动力矩M t ）的关系是：Mt= P/ω
d J Mt M g dt
水轮机调节（控制）的基本任务：根据负荷的变化不断地调节（控 制）水轮发电机组的有功功率输出，以维持机组转速（频率）在规定范
成调节滞后并导致过调节 ，这种过调节现象使水轮机调节系统变得不容易稳定；
1.3 水轮机调节的特点
（3）水击的反调效应不仅严重恶化了调节系统的动态品质，而且不利于调 节系统的稳定 水电站因受自然条件的限制，常有较长的压力过水管道，管道长则水 流惯性大；而低水头的转桨式机组，由于水头低而流量大，其水流惯性 也大。水流惯性大即TW大，故水击的反调效应造成的调节滞后作用就更
反馈元件
水轮机自动调节方框图
1.3 水轮机调节的组成
1.3 水轮机调节的特点
（1）水轮机调速器必须具备有足够大的调节功 水电站水头常在几米至几百米的范围内，故水轮机前的压力只有零点几
MPa至几MPa， 因此，为发较多的电功率，常需相当大的流量，水轮机及其
导水机构尺寸也需要相应加大。为推动笨重的导水机构就需要有足够大的调节 功 ，需要设置多级液压放大（通常为两级）和外加能源（油压装置） 。 （2）水轮机调节系统造成的调节滞后易产生过调节，不利于调节系统的稳定 调速器的液压放大执行机构具有较大的时间常数 ，调节对象也具有较大 的惯性时间常数 ，所以，负荷变化时导水机构动作有一定的延迟时间 ，从而造
2.2 水电厂调速器的分类
2.2.1按工作容量分：
特小型 小型 中型 大型 工作容量小于3KN·m 工作容量3-15KN·m
工作容量15-50KN·m
工作容量 50KN·m以上 。
注：按主配压阀直径(80、100、150、200、250mm)来计算
2.2 水电厂调速器的分类
3.2.1按调节对象分：
围内。
1.3 水轮机调节途径
水轮机的输出主动力矩为： M t P /
P 9.81HQ
调节水轮机输出的主动力矩，就是要调节水轮机输出功率，其中最有
效的方法和途径是通过调节（控制）水轮机的流量——改变导水机构
（喷针）的开度 。 对转桨式水轮机还通过协联调节桨叶来调节流量；对冲击式水轮机还 通过协联调节折向器来控制流量。 而实现这种调节（控制）的控制装置 就是水轮机调速器（或称水轮机控制器）。
-
电子调节器式调速器方框图
调节参数的控制与电液随动系统无关，调节规律完备， 机构简单，死区小。
一
2.1 水电厂调速器的发展历程 微机调速器
20世纪80~90年代 微机调速器研发起 步阶段，单板机、 单片机 机械液压系统结构 仍然比较老旧，复 杂 工业水平的制约，整机 硬件可靠性，一致性较 低
微机调速器
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， 若频率偏离额定值过大，就会直接影响用户的产品质量。对大电力
系统要求频率波动值不超过±0.4（±0.2Hz），对于中小型电网，则
要求频率波动值不超过±1％（±0.5Hz）。
1.1 水轮机调节的任务 发电机的频率与转速和磁极对数有以下关系：
开度调节、按频率调节、按水位调节；

机电磁阀或事故配压阀快速关闭导叶（或折向器）切断水流，使机组紧
急停机，保护机组及电站安全。
CONTENT
目 录
调速器的发展及分类 2.1 水轮机调速器的发展 2.2 水轮机调速器的分类
一
2.1 水电厂调速器的发展历程 机械液压型调速器
20世纪50~60年 代
从前苏联购买，仿 制
2.1 水电厂调速器的发展历程
调速器技术发展经历了机械液压型调速器、电气液压
调速器和微机电液调速器3个阶段，在发展过程中不论是 从系统结构、控制规律、功能扩展、硬件设施、液压随动 等各个方面都有所改善，经过大家探索努力，水轮机调速 器技术取得可喜的进展，产品质量和可靠性接近国际先进
水平，基本满足国内水电建设的需求。
+ -
主配压阀
主接力器
机械反馈
永态反馈元件
中间接力器调速器方框图
设置中间接力器，作为一个积分器，主要配合反馈装置行程调节规律； 将液压随动系统与调节规律分开，将死区较大的主配压阀置于调节规律 闭环之外。
2.1 水电厂调速器的发展历程
指令信号 测速元件 + 比例单元 + + 积分单元 + 微分单元 永态反馈元件 硬反馈 + 放大器 电液转换器 局部反馈 辅助接力器 主接力器
水电厂调速系统（机械）简介 水电厂调速系统简介
华电四川宝珠寺水力发电厂机修分公司 方仲超
CONTENT
目 录
水轮机调节的基本概念 调速器的发展及分类 调速器系统的构成及原理 设备常见故障案例分析 调速器相关题库
CONTENT
水轮机调节的基本概念
目 录
1.1 水轮机调节的任务 1.2 水轮机调节的途径
械结构复 杂 控制精度低，调节品质 差
2.1 水电厂调速器的发展历程
指令信号 局部反馈元件
测速元件
+ -
放大元件
主配压阀 暂态反馈元件
主接力器
+
+
永态反馈元件
机械液压调速器方框图 机组的测速采样、反馈机构及调节规律都是通过机械结构来控制， 并将反馈信号和指令信号进行液压放大，以获得足够的操作功。
一
控制电机
快速开关 阀+数字阀
原理上分大小波动调节，对于小型机组，动态响应能力 较好，受结构限制，流量具有阶跃性，系统冲击大，稳 定性和控制精度受到考验。
CONTENT
调速器系统的构成及原理
目 录
3.1 调速系统的构成
3.3 主要功能原件介绍
3.4 几种典型的调速器结构分析
3.1 调速系统的构成
调试工具