调速器技术培训

技术培训教材(微机调速器)第一节原理及作用1、水轮机调速器的任务水轮发电机是将水能转换成电能的机械装置，水轮机调速器是控制水轮发电机组在各种工况下，安全运行的控制设备之一，它的任务是：控制水轮发电机组自动开机、停机、转速调节、负荷调整、机组各种运行工况的转换、机组或电力系统故障时紧急停机。

必要时还可以通过调速器的手动方式操作机组运行。

对转浆式水轮机调速器，还有维持机组在高效区运转的任务。

调速器在作转速调节和负荷调整时，其任务的实质是维持进入水轮机的能量和发电机组输出的电能之间的平衡。

2、调速器维持发电机组输入和输出能量平衡途径水轮机发电机组转速部份，是一个围绕固定轴线作旋转运动的刚体，机组转速的运动规律可由下述方程描述：dωJ———=Mt-MgdtJ——机组的转动部份转动惯量ω——机组的角速度，πŋω——机组的角速度，ω=————30Mt——水轮发电机的动力矩Mg——发电机组的阻力矩Mg发电机阻力矩包括电负荷产生阻力矩，与发电机输出电流、电压成比例，轴摩擦力、空气阻力及机组损耗产生的阻力。

Mt是水轮机的动力矩，由水流对水轮机叶片的作用力形成。

水轮机出力的经典计算公式：N=Mt·ω＝9.81·Q·H·η因此：N 9.81×Q×H×ηMt=———=——————————ωω式中：Q——水轮机的流量m3/sH——水头mη——水轮机效率从式可知当Mg≠Mt时，机组的转速就会发生改变。

不是加速就是减速。

只有Mg＝Mt时，机组才能维持匀速稳定运转。

Mg是发电机阻力矩，主要来自系统的电力负荷，它是一个随时在改变的量，从（2）可知，水头H，是不能随便改变的，维持Mg=Mt的平衡，只有调节进入水轮机的流量Q。

因此在水轮机中，设置有便于控制的导水叶（或喷针机构），调整导水时的开度，就改变进入水轮机的流量，改变了动力矩，维持能量平衡，从而使机组持速保持在规定的范围里。

应该指出，在转浆式的贯流式水轮机中，浆叶（轮叶）角度变化不是用来调节流量，而是用来改变机组的能量转换效率的，适当的轮叶角度能保证在相应水头和负荷时，机组由相对较高的效率。

3、水轮机调节系统的组成水轮机的调节系统由被控系统和水轮机调速器两大部分组成，如图（1），被控系统由压力过水系统、水轮机、发电机和电力负荷组成。

调速器一般由转速（和频率）测量机构，调节决策和执行机构三大部分组成。

4、水轮机调节系统的特点水轮机调节系统是一个典型的自动控制系统，它除了一般闭环控制系统的共性外，还有如下特点：①其调节机构控制的是巨大的水流，所需的操作力十分巨大，而控制导水叶开启和关闭的速度又相对快，所以执行机构的操作功率较一般工业控制系统中的执行机构功率大。

所以，一般采用液压执行机构。

只有在小型水轮机控制中，用电动执行机构。

上世纪八十年代，我们将300/600公斤一米的小型调速器的执行机构，用作于冶金、化工自动控制系统中的大型执行机构。

②水轮机压力过水系统存在着水流惯性，调节水体流量时会发生水锤和水压变化，这种水压变化对转色的影响，正好与调节作用相反。

对调节系统的稳定带来不利的影响。

引水管道水流惯性时间常数Tw由下式表达Q L LVTw=———Σ——=Σ———GHr A gHA——每段过水管道的汇积（m2）V——相应每段水管中的流速（m/s）L——每段水管的长度（m）g——重力加速的（m/s2）Tw——水流惯性时间常数Tw的物理概念是：在额定水头Hr作用下，过水流量Q由O加大到额定值所需时间。

Tw越大，对系统稳定越不利，在典型值约1.0－2.2秒，范围在0.5——5秒。

③水轮发电机组存在着机械惯性，可用机组惯性时间常数Ta来表述：Jr GD2 .ηr2Ta=———=—————Mr 3580·Pr式中：Jr——额定转色时机组的惯性矩Kg/m2）Mr——机组额定转矩（N·m）GD2——机组水轮力矩(KN·m2)ηr——机组额定转色（r/min）Pr——机组额定功率（Kw）Ta——机组惯性时间常数（s）④导水叶关闭速度和规律有严格限制导水叶是控制进入水轮机能量的机构。

水轮发电机组输出的电能是随机变化的，而且变化较快。

为了维持输入量能与输出电能平衡，导叶开启和关闭本应该快速。

但是，由于导叶快速关闭会产生过高的水压上升，会导致压力钢管破裂，危机电站安全。

过快开启导水叶会在引水管的某些部分产生负压，导致引水管损坏，所以在调速器中必须设置导水叶关闭和开启速度的调整机构，而且，调速系统投入运行时，首先要将导水叶关闭速度按调节保证计算提供的数据调整好！导水叶关闭速度过慢时，对调节系统稳定不利。

甩负荷时，因为导水叶关闭过慢，不能迅速减少进入水轮机的能量，而使水轮机转速升高过快，转速过高。

通过调节保证计算，找个恰当的导水叶关闭时间（或速度），保证机组的转速上升和引水管的压力上升值都在允许的范围里。

有时，还需要将导水叶关闭速度分成两段，才能使转速上升值和压力上升值满足要求。

一般对导水叶开启速度没有提出明确的要求，但一般都遵循与导水叶关闭速度大致相等的原则。

对转浆式水轮机和贯流式水轮机，浆叶（和轮叶）的关闭速度，一般都调整为导水叶关闭速度的4—6倍，甚至更高。

浆叶运动速度慢，将对导叶调整干扰小，可以将导叶调节系统当作一个单调节机构的系统处理。

1-2、水轮机调速器的工作原理及系统结构从图（1）可知，水轮机调节系统由被调节系统和调速器构成，它是一个典型的闭环自动调节系统，为了保证调节系统稳定和有较好的调节品质，调速器必须准确地测量机组转速（和机组频率）偏差，并按偏差地大小和方向产生调节动作，通过执行机构区改变调节机构地开始，调整进入水轮机地流量，达到使转速偏差迅速消除的目的。

转速偏差消除了，即系统的输入和输出能量达到了新的平衡。

因此，水轮机调速的必须由三大部分构成，即转速测量部分，调节器部分（即产生调节动作的机构）和执行机构。

1、电气液压调速器原理及系统框图在我国上世纪60-80年代，广泛采用的电气液压调速器，大多是在机械液压调速器原理框图的基础上设计的。

用电气测速（或测频）回路代替机械飞摆，用电气微分回路代替缓冲装置，用位移传感器输出信号作接力器位移反馈。

测速电气信号和反馈电气信号由放大器比较再经放大后，电气信号经电液转换成机械位移，控制引导阀。

主配压阀和主接力器，原理框图如图所示引导阀主配压阀电气测频回路放大器电液转换器辅助接力器主接力器－这类电气液压调速器同属缓冲式调速器，其工作原理类似。

只是用电气的方法测量机组转速（或频率），用微分电路作软反馈，同样是用反馈的办法形成比例加积分调节规律。

调速器的执行机构仍然是主配压阀和主接力器。

与机械液压调速器一样，调节规律不准确，当（1/Ty）较大和bt较强时，反馈环路会产生自激振荡，只是电气液压调速器中的信号而不是机械位移，机构向对可以荀化，调整比较方便。

2、微机电液调速器或数字式电液调速器原理及系统结构现代微机电液调速器与电气液压、调速器在系统结构上有很大区别，微机电液调速器也有三部分，即频率测量，调节规律形成和执行机构，一般频率测量和调节规律形成由微型计算机或可编程控制器完成。

将这部称电气调节器或微机调节器。

测量频率和频差一般用脉冲计数的方法，信号均为数字量，因此，形成比例加积分的调节规律，都是直接对频差信号进比例和积分运算获得。

作为微机调速器的执行机构，都是电液随动系统。

目前我公司的微机调速器有一级电液随动系统和二级随动系统两件：1）电子调节器＋电液随动系统结构，其系统框图如图所示电子调节器 电液随动系统这类系统结构的调速器由电子微机调节器和电液随动系统两大部分组成。

其主要特点是：系统结构合理，转速死区i x 小，其计算公式为：i x ＝b p *i ab p －为调速器的永态转差系数，检验i x 时一般b p ＝6％i x －为电液随动系统的不准确度，一般容易做到<0.3％~0.5％所以这类系统结构的调速器正常情况下i x 一般可以大0.02％~0.03％的水平。

由于采用微机进行PID 运算，其调节规律十分准确。

加之电液随动系统导叶位置反馈采用电气反馈，可以不设置机械反馈，因此调速器在电站布置灵活、方便，尤其是大型机组的调速器和一些不便于安装机械反馈的特殊调速器，适合采用这类系统结构。

近期出现的“四无”型微机调速器就属于这种系统结构，在这种调速器中，电液随动系统，采用了滚珠螺旋丝杆自动复中装置和工作在位控方式的交流伺服电机构成的无油“电液转换器”。

其动态和静态特性比环喷式电液转换器更好。

2）电子调节器＋电机伺服装置＋机械液压随动系统的系统结构，其系统框图如图所示。

电子调节器 电机伺服装置 机械液压随动系统这类系统结构的调速器一般由三大部分组成，即电子（微机）调节器、由电机组成位置伺服装置和机械液压随动系统。

这类系统结构的微机调速器多为用步进电机、直流伺服电机控制。

最大特点是由电机组成的位置伺服装置作为电气机械转换部件，提高了调速器的可靠性，由于这类系统固有的特点，易于实现无条件、无扰动的自动至手动运行切换。

调速器的机械液压系统结构简单。

这类系统结构调速器的转速死区i x 一般可达到国家标准的要求，其计算公式为：i x ＝b p *（i aj + i ac ）b p －调速器永态转差系数检验时b p ＝6％i aj －为机械液压随动系统的不准确度，一般可做0.5%左右，但难达到电液随动系统的水平。

i ac －为电机伺服装置的死区或不准确度。

一般情况下i ac < i aj ，可以忽略不计。

由此可以看到这类系统结构的调速器的转速死区i x 不可能做到很小，但都能满足国家调速器标准的要求。

这类系统结构的微机调速器，与具有中间接力器的调速器一样，最大的弊病是机械随动系统导叶位置必需采用机械反馈。

当反馈链长，传递路径曲折时，不宜采用这类系统结构的微机调速器。

如果采用这类微机调速器，一般应将其布置在水轮机层靠近接力器的地方，以缩短机械反馈链。

“座式调速器”都是布置在接力器附近，这种布置方式方便、合理，是一种值得推荐的方式，国外比较流星，国内应该提倡和推广这种调速器的布置方式。

应该提出，随着计数的进步，不论是微机调节器，还是电液随动系统都有很多新的设计和新品种出现，我公司设计YWT-G系列高油压可编程水轮机就是其中一种，其系列框图如图（７）所示。

其特点是采用了开关电磁阀作电气/液压转换部件，和采用了较高控制油压调速器的电液随动系统，可以用液压标准部件集成。

使水轮机调速器产品生产标准化、工业化。

提高了调速器可靠性并降低了生产成本。

1-3水轮机调速器的调节规律及调节参数1、经典自动控制理论是研究用被控制量的反馈信息来源来修正系统行为，使之稳定地、快速地、准确地达到预期目标。