组静态特性

组静态特性

1．汽轮机调速系统特性

1.1 机械液压式调速系统

1784年，瓦特应用离心式直接作用调速器（图1-1）控制蒸汽机。

当转速升高时，重锤在离心力的作用下向外张开，使滑环向上移动 通过刚性的杠杆关小调节汽阀，使转速下降

当转速降低时，动作过程相反

在这种情况下，调节的任务就在于：随着机组角速度的变化，来增加或减少蒸汽流量，以此来保持能量平衡。直接调节系统的控制方框图见图1-2图1-1 直接调节系统图1-2 直接调节系统方块图

汽轮机的负荷都是通过转速（电网频率）的变化来调节的

调速器滑环的位置与汽轮机的阀门位置是一个固定的对应关系

也就是说一定的汽轮机转速与汽轮机的功率是一一对应的

因此就产生了一定的不均匀度。

这表现为虽然采用了调速器，但只能维持转速在一定的范围内，而不能保证转速的恒定。

图1-3所示为带有一级放大的间接调节系统。在调速器和汽轮机阀门之间增加了用于放大的油动机滑阀4，此时：

调速器带动的是油动机滑阀，而由压力油来驱动阀门

当转速升高时，滑环向上移动，通过刚性的杠杆带动油动机滑阀向上移动，油口a打开，压力油进入油动机上部，同时油口b打开，油动机下部的油排回油，油动机5活塞向下移动，关小调节汽阀，使转速下降

同时反过来，油动机5活塞向下移动带动滑阀4向下移动，当油动机滑阀4回到原来的中间位置时，油口a、b关闭，油动机恢复到静止状态

当转速降低时，动作过程相反。

图1-3 间接调节系统图1-4 间接调节系统方块图

在间接调节系统中：

调速器带动的不是阀门，而是一个断流式的滑阀，而由油动机活塞上下的压差来驱动阀门，因此，可以通过增大油动机的活塞面积或供油压力，以产生足够的力来带动阀门运动。

由于阀门停止运动时，滑阀4必须回到中间位置，因此调速器滑环的位置与汽轮机的阀门位置仍然是一个固定的对应关系。也就是说一定的汽轮机转速与汽轮机的功率是一一对应的，因此也存在不等率。

1.2 全液压式调速系统

哈尔滨汽轮机厂生产的液压调节系统如图1-5 所示，由高速弹性调速器1、随动滑阀2、分配滑阀3、油动机滑阀4、反馈滑阀5、油动机6、同步器7等组成。其特点是采用由汽轮机主轴直接带动的无铰链的调速器，将转速的变化转换为挡油板的位移，取消了原来离心式调速器的摩擦副和铰链机构，减小了摩擦和卡涩，具有较高灵敏度。为进一步提高灵敏度，减少主油泵出口压力波动的影响，

一般取脉动油压力为主油压力的1/2。但是由于高速弹性调速器刚性连接在主油泵的轴上，当汽轮机的主轴有轴向窜动时，可能引起转速和负荷的波动。

图1-5 哈汽厂生产的液压调速系统

上海汽轮机厂生产的液压调节系统如图1-6 所示，由主油泵1、旋转阻尼

2、转速变换器

3、错油门

4、继动器

5、油动机6等组成。其特点是采用了旋转

阻尼和碟阀式放大器。旋转阻尼的出口油压可近似看作与转速的平方成正比，其转速的测量无机械移动部件，可靠性较高。碟阀式放大器比滑阀式放大器更不易卡涩。

图1-6 上汽厂生产的全液压调速系统

东方汽轮机厂生产的调节系统如图1-7 所示，由信号油泵1、滤网2、压力变换器3、油动机滑阀4、反馈滑阀5、油动机6、同步器7等组成。

图1-7 东汽厂生产的全液压调速系统

在全液压调节系统中，一次脉冲油压力与二次油压，或汽轮机的阀门位置仍然是一个固定的对应关系。也就是说一定的汽轮机转速与汽轮机的功率是一一对应的，因此也存在不等率。

机械液压调速系统或全液压调速系统的特点：

本质上是一个比例调节器，因而是有差调节系统

转速与负荷之间的静态关系是由其固有结构决定的，因此一次调频的功能是无法切除的

迟缓率较大，控制精度较低，存在回差

调整困难，难以调整一次调频特性

不等率曲线难以兼顾启动升速、同期、并网运行

1.3 工频电液调节系统

随着电子技术和计算机技术的发展，汽轮机调节系统中的测量、控制与转换部分逐步采用模拟电子和数字电子器件，代替原机械与液压部件，并增加了功率信号，使之成为功频电液调节系统，但其基本控制原理不变，如图（1-8）所示。

图1-8 功频电液调节系统

图1-9 汽轮机调速系统简图

采用电液调节系统后，尤其是采用数字计算机和高压抗燃油执行机构，其特点是：

系统时间常数小，可以快速响应电网频率的变化

系统迟缓率小，控制精度高，频率响应的准确性较高

静态特性可根据需要任意设定，满足各种工况需要

2. 汽轮机调节系统静特性

从前面的叙述中，可以看出，无论直接调节系统或是间接调节系统，它们产生的控制作用都不能够使汽轮机的转速维持在一个恒定的值上，而是和汽轮机的功率具有一定的对应关系。这种对应关系就称为调节系统的静特性。

设汽轮机在空载时的转速为，额定功率时的转速为，汽轮机额定转速为，则将与的差值与之比来表征汽轮机转速与功率的对应关系称为

速度不等率，也称速度变动率，不均匀度等：

（1-1）

调速系统的静特性表明了整个调速系统的固有特性。其产生的原因在于采

用了比例调节的有差系统。速度不等率的倒数即为系统增益系数。一般速度不等率取为3-6%，并可根据需要进行调整。

调速系统是由检测元件、放大执行机构、控制对象等组成的，如图1-8。

因此，可以通过单独分析各个部分的特性，然后将各个部分特性组合的办法得到调速系统的总特性

图1-9 调速系统特性四象限图1-10 有差系统与无差系统

对于采用带有积分特性的调节器，可以实现转速变化后，经过调节过程，达到转速恢复原来定值的功能，所以其速度不等率。不等率等于零的系统称为无差调节系统。在静特性曲线图上，可表示为与横轴平行的一根直线，见图1-10 。

在速度不等率四象限图中，可以看到，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ象限中任一曲线的变化，都会改变速度不等率特性。对于图1-3所示的间接调速系统，较方便的方法是改变飞锤调速器的弹簧刚度，即改变Ⅱ象限的调速器特性，也可以改变油动机滑阀在杠杆上的连接点，即改变Ⅲ象限的放大执行机构特性；对于哈汽厂高速弹性调速系统可以通过改变斜铁角度来实现；上汽厂旋转阻尼调速系统可以通过改变反馈杠杆比例来实现。这两种方法均属于改变放大执行机构特性的方法。而油动机的开度与阀门的开度关系，以及阀门开度与汽轮机功率的关系基本无法改变。

虽然具有速度不等率的系统不能保证转速的恒定，但人们正是利用了调速系统的这一特性来调整发电机组的频率的。因此，在具有先进控制特性的电液控制系统中，仍然保留了速度不等率的功能。速度不等率的设置更加灵活，通过计算机软件，可以任意设定速度不等率的数值。一般在电液控制系统中是以增量的形式来表示的。由于计算机系统的精确性，当阀门非线性修正准确的情况下，可以保证调节系统的不等率为一根直线。如图1-11 所示。

但在液调系统中，由于液压调节器及液压部件的非线性，使得速度不等率不是一根直线而是一根曲线，所以静特性曲线在不同的区段具有不同的斜率。这里采用局部速度不等率的概念来表示：

（1-2）而速度不等率只能表示在汽轮机从空负荷到全负荷时的平均值，因此，又称为平均速度不等率。

图1-11 数字电液调节系统不等率曲线图1-12 实际静特性的曲线（迟缓率）

在分析电网频率调节问题时，经常采用发电机组调差系数的概念，它表示机组出力从空载到满载变化时，频率的变化量：

写成相对量的形式：

因此，相对调差系数就是调速系统的不等率。调差系数的倒数，称为机组的单位

调节功率：

在前面静态特性曲线的讨论和绘制过程中，假定调速系统的每个部件的特性都是线性的，因此经过合成得到的转速与负荷之间也是单值对应的，没有考虑系统的中存在的迟缓现象。实际上，铰链之间存在间隙、摩擦；滑阀与套筒之间存在着间隙和油口重叠；即使是电液调节系统，也存在着滑阀结构，以及A/D、D/A变换的精度带来的误差。因此，一般情况下，调速系统中的各检测、放大、执行元件均具有不同程度的迟缓。

这些迟缓造成当机组转速上升时，沿着曲线2的特性线，而转速下降时，沿着曲线1的特性线。如图1- 12所示。在同一功率下，转速上升的N-n曲线和