水轮机调节原理及调速器选择
水轮机调节的基本概念和凌津滩电厂调速器系统简介
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三.微机调节器－机组频率测量
测量频率一般采用测量周期法（简称测周法） 或测量频率法（简称测频法）。测频法是指： 通过测量单位时间内被测信号的频率数来测量 频率。显然，对于额定频率为50Hz的水轮发电 机组的频率来说，用这种方法是不合适的，它 只适合于测量处于高频段的频率信号。
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三.微机调节器－机组频率测量
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2.水轮机调节的基本原理和特点
机械液压/电气液压/数字式（微机）电液调速器 缓冲式PID结构
图1-3 电气液压调速器(PID)结构图
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2.水轮机调节的基本原理和特点
PID结构 ：
图1-4 微机调速器结构图
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3.水轮机调节系统的静态和动态特性
3. 1 水轮机调节系统的静态特性 静态特性： b p (bs )
F
高频时钟信号 N & f1 放大 整形 f2 分频 f3 f4
f1 f2 f3 f4 NT T
t
t T t
t
t
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三.微机调节器－机组频率测量
F必然正比于被测的频率值。例如，取 N=2×106Hz，则在被测频率为50Hz时，其 T=0.02s，N×T=40000；若取式中的常数 C=2×109，则求得测量结果为F=50000。若 被测频率为48Hz，则求得F=48000。
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2.水轮机调节的基本原理和特点
水轮机自动调节的基本原理
从调节规律看，现有的调速器大多属于比例积分（PI）或比例积分微 分（PID）式的。典型调速器方块图中常用的符号： X＝（n/nr）＝（f/fr）―― 转速（频率）相对量 y＝Y/Ym＝Z/Zm ―― 接力器行程相对量 Bp――――――永态转差系数 Bt――――――暂态转差系数 Td――――――缓冲装置时间常数 Tn――――――加速时间常数 Ty1――――――中间接力器（辅助接力器）反应时间常数 Ty2、Ty――――――接力器反应时间常数 S ―――――拉普拉斯算子
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。
第一章 水轮机调节的基本原理
电网
水力发电生产过程：
压力引水 水库 道
发电机
功率 整流 屏 L=0 机械液
水轮机
励磁 调节 器
调 速 器
压执行 机构
尾水
频率与机组转速的关系（电机学而知）：f p n 60 f——发电机输出交流电频率，Hz； p——发电机的磁极对数； n——发电机的转速，r/min 。 p对于加工好的机组是一个常数（定值），因此f只与n有关（正比）。 水轮机调节的基本任务：要保证频率在规定的范围内，就要根 据电力系统负荷的变化不断地调节水轮发电机组的有功功率的输出， 并维持机组转速在规定的范围内。
（二）缓冲装置：又称软反馈元件， 主要用于调速系统反馈校正，其性 能好坏直接关系到调速系统的稳定， 是调速器的重要部件之一。 组成：壳体、主动活塞、从动活 塞、节流孔、弹簧等。
节流孔是上、下腔唯一的通道，调整节流孔大小可以调节油流阻力。 主接力器活塞杆通过杠杆、拉杆等作用于主动活塞，从动活塞通过拉杆、杠杆作用于 引导阀针塞。 1）主动活塞没有受到接力器反馈锥体反馈作用时，主、从动活塞都处于相对中间位 置，从动活塞的上端没有位移输出； 2）主动活塞受到接力器反馈锥体反馈作用而向下移动时，由于油是不可压缩液体， 且活塞下腔的油不能马上由节流孔进入上腔，因此下腔油压升高，迫使从动活塞上移，输 出一个位移信号，并作用于引导阀针塞，同时压缩弹簧。下腔压力油经节流孔进入活塞上 腔，在弹簧恢复力作用下，经过一段时间，上、下腔压力平衡，从动活塞逐渐回复到中间 位置，使输出位移消失。反之，当主动活塞受力上移时，主动活塞下部产生真空，由于上 腔油来不及通过节流孔到下腔，从动活塞被向下吸引，产生一个向下的位移，并作用于针 塞向下移动。随后在弹簧恢复力作用下，上腔的油通过节流孔流入下腔，从动活塞回复中 间位置，输出位移信号消失。 缓冲装置输出位移只在调节过程中存在，调节过程结束后，反馈位移自动消失，因此 这种反馈称为软反馈或暂态反馈。
水轮机调节
2、水轮机调节原理 调节流量的途径：
反击式：通过改变(gǎibiàn)导叶开度a0 ，ZZ：同时改 变(gǎibiàn)叶片转角
冲击式：通过改变(gǎibiàn)喷嘴开度（针阀行程）。 水轮机调节的定义：
随着电力系统负荷变化，水轮机相应地改变 (gǎibiàn)导叶开度(或针阀行程)，使机组转速恢复并 保持为额定转速的过程，称为水轮机调节。
精品资料
（3）电液转换器（步进电机）结构原理及 作用
电液转换器的作用是将电气部分信号输出 的综合信号，转换成具有一定操作(cāozuò) 力的机械位移信号或具有一定压力的流量信 号。
电液转换器有电气位移转换信号和液压放 大两部分组成。
精品资料
工作线圈：实现控制(kòngzhì)操作 线圈
振荡线圈：防止卡阻，提高工作可靠性
精品资料
（2）油压设备 当油压降低(jiàngdī)到正常工作油压下限
(2.3~2.7MPa)时，油泵自动启动，将回油箱 内的油泵入压力油罐，油压达到正常工作油 压上限时，油泵停止工作。 （3）接力器 接力器是调速器的执行元件，控制导叶开度， 改变流量，大型电站设两个或两个以上接力 器。
精品资料
油压装置(zhuāngzhì)
电液转换器中一般有两个线圈，一个工作 线圈，一个振荡线圈。工作线圈通的是工作电 流，振荡线圈通入振荡电流。通入工作电流后 ，使控制(kòngzhì)套产生位移，使下一级随 动。振荡电流使线圈和控制(kòngzhì)套产生 微小振动，以提高控制(kòngzhì)套的灵敏度 ，防止卡阻。
精品资料
（4）紧急停机电磁阀 属于(shǔyú)保护设施之一 动作的条件：机组运行中，几乎所有
化
化→发电机调速器动作→发电机的转速恢
葛洲坝电厂调速器介绍 (精简版)
一、水轮机调节的基本知识
1、水轮机调节的任务 ◆ 水轮机调节
水轮机是一种以水为介质的动力机械，与其他动力 机械相比，它具有高效、成本低、能源可再生、环保便 于利用等优点。水轮发电机组就是水轮机将水体的能量 转换为旋转的机械能，通过主轴传递能量，主轴带动发 电机转子旋转，在定子内感应出电势，带上外负荷后便 有电流输出。而“水轮机调节”就是指对构成水轮发电 机组的水轮机的调节。
放大后，通过电气液压放大部分驱动水轮机接力器的的 调速器，称为电气液压调速器。
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一、水轮机调节的基本知识
▪ 电气液压调速器概述 20世纪50年代后是电气液压调速器迅速发展时期，电
气液压调速器获得了广泛的应用。从采用的元件来看，它 又经历了电子管、晶体管、集成电路运算放大器三个发展 阶段。但是电气液压调速器既所谓的电调实际上就是机械 调速器的翻版，其控制部分没有根本的变化。
◆ 由于水流存在着较大的水流惯性，这种惯性不仅阻止调节中需要的 水流速度的迅速改变，而且在水系中引起水锤效应，产生与调节相反 的作用，从而恶化调节过程，使水轮机调节变得较为复杂。所以现代 水轮机的调速器均设有增强稳定的校正元件，以提高水轮机调节的稳 定性；
◆ 水轮机调节系统是一个复杂的、非线性控制系统；
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一、水轮机调节的基本知识
◆ 调节对象——水轮机型式多种多样（混流式、轴流定桨 式、轴流转桨式、贯流式、冲击式等等）； ◆ 水轮机特性式非线性的； ◆ 由于水轮发电机组有多种工作状态：机组开机、机组停 机、同期并网和从电网解列后的空载、孤立电网运行等等， 所以水轮机调速器应具有多种自动操作和控制的能力。
20世纪80年代以前，电子器件的快速发展已经有了质 的飞跃，由集成电路模拟式器件已经发展到了微机数字式 器件，出现了不同档次、不同功能、不同性质指标的微机 电路板来作为半成品出现，为各种工业产品应用数字技术 创造了条件，现在很少有生产电气液压调速器的厂家了。
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。
第五章 水轮机调速设备
第五章 水轮机调速设备第一节 调速设备的目的与作用一、水轮机调节的任务通过调节流入水轮机流量的大小，是机组出力与外界负荷相适应，保证机组在额定转速下运行，从而保证机组发出的电流频率满足电力系统的要求。
水轮机调节的具体任务是：1、随外界负荷的变化，迅速改变机组的出力。
2、保持机组转速和频率变化在规定范围内。
3、启动、停机、增减负荷，对并入电网的机组进行成组调节(负荷分配)。
二、调节途径水轮发电机组的运动方程式为g t M M dtd J -=ω （5—1） 式中：J ——机组转动部分的惯性矩，对一定机组为常数；ω——机组转动角速度，60n πω=dt d ω——机组转动角加速度； t M ——水轮机的主动力矩，由水流对水轮机叶片作用形成，推动机组转动，ωηrQH M t =；g M ——发电机的阻力矩，发电机定子对转子作用力矩与t M 方向相反。
机组型号确定后则J 为定值，当t M =g M 时dtd ω=0，则转速稳定，机组稳定工作。
若电力系统负荷变化时，则引起发电机g M 变化，g M ≠t M ，就会使dt d ω≠0，会引起两种结果：1、g M ＞t M ，增负荷，则dtd ω＜0，水轮机转速降低； 2、g M ＜t M ，减负荷，则dtd ω＞0，水轮机转速升高， 从1、2可知，只要g M ≠t M 必会引起水轮机转速变化，而水轮机转速变化将会引起电流频率的变化，若频率f 不变只需dt d ω=0即t M =g M 这就需要不断调整水轮机主力矩t M 来适应不断变化的发电机阻力矩g M 。
水轮机引入流量的改变是通过调节水轮机导叶开度来实现的。
水轮机随着机组负荷的变化而相应地改变导叶开度（或针阀行程），使机组转速恢复并保持为额定值或某一预定值的过程称为水轮机调节。
(N 变化 —— a 0变化—— Q 变化 —— n=n e )调节实质：调节转速水轮机调节所用的调节装置称为水轮机调速器。
第二节 水轮机调速设备组成、类型及选型一、调节设备的特性在水轮机调节系统适应负荷变化而保持转速不变的过程中，其工作状态有两种：一是转速不变的稳定状态，二是调节过程的调节状态。
水轮发电机组调速器的应用与选型
水轮发电机组调速器的应用与选型摘要：水轮机调节系统是由调速系统和调节对象组成的闭环系统，其中，调速系统包括调速器电气部分、电液随动系统以及油压装置，调节对象包括水轮机及其有压过水系统、发电机及电网。
水轮机调速器是水电站进行机组出力调节的重要设备，也是水电站中自动化控制的关键设备之一，其基本任务是供水轮发电机组稳定地以额定转速运行，在机组负荷变化或其他外扰作用下，保证机组的转速变化不超过一定的范围，并能迅速地稳定在新的工况下运行。
此外调速器还具有对机组进行正常的控制操作，保证机组安全、经济运行等功能。
关键词：水轮机；调速器；技术；选型1 水轮发电机组中调速器的作用就我国的现有情况来说，从各种资源条件的对比中，大力建设水电站是最为明智的选择，可以说，水电站的建设在我国的经济发展中作出了非常重要的贡献。
水电站的电能供应不仅能够保证人们的日常电量的供应，同时还是一种非常清洁的能源，这对于日益严重的环境污染的现状来说，无疑是一种明智之举。
而水电站的要想实现自身的正常运转就不能离开水轮发电机，水轮发电机是水电站发电的核心部分，在水电站提供电量时，水轮发电机的运行对其电压和频率都有着非常重要的影响。
但是，在水轮发电机运行的时候也需要进行一定的有效控制，否则就有可能会出现由于水轮机转速过快而出现机组飞逸的情况，这种状况对于水电站来说无疑是重大的打击。
而一些水电站为了能够有效的控制水轮发电机的转速，对水轮发电机安装了一定的保护系统，这个系统在水轮发电机转速过快的情况下对其实现停机保护操作。
在这种情况之下，水轮发电机停止运行，水电站的电量供应就会出现供电的不稳定，这也会给水电站造成一定的负面的效应。
同时水轮发电机在运行的过程中受到水流的速度和大小的影响，因此，水轮发电机的转速和水流的速度是有直接的关系的，当进水的速度出现了增快的情况之时，水轮发电机的转速也会相应的提高，如果转速过快就会导致保护系统的启动，这又需要一定的人员对进水闸来进行调整，水电站才能够重新投入使用，这种情况也是会影响水电站的电量供应的稳定性的。
水轮机调节的基本概念和微机调速器
水轮机调节系统静态特性
水轮机调节系统静态特性
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◆ 水轮机调节系统的静态和动态特性
➢ 永态差值系数： bp (bs )
➢ 静速死区： ix
图1-6 转速死区ix
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◆ 水轮机调节系统的静态和动态特性
➢ 随动系统不准确度 ： y1(输入)
ia
·
·
ia
0
1.0 y2(输出)
图1-7 随动系统不准确度ia
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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
➢ 速动时间常数Tx的物理含义是：在bp=0的条件下，若取频 率变化相对值为x=1.0，则接力器走全行程的时间就是 速动时间常数Tx，它在数值上等于积分增益KI的倒数，也 等于暂态差值系数bt与缓冲装置时间常数Td的乘积。
t1.0 t1.0
调整频率给定和开度给定后的微机调节器静态特性
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2.静态特性
fg(Hz)
51.0 50.0 49.0
fg (Hz)
51.5 50.5 49.5
0
0.5
1.0
y
fc=50Hz，yc=0.5，bp=0.04 (a)
fg(Hz)
50.5 50.0
48.5
0
0.25
1.0 y
fc=50Hz，yc=0.25，bp=0.04 (c)
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◆ 水轮机调节系统的静态和动态特性
➢ 调速器前向通道放大倍数的整定
图1-10 随动系统对单位阶跃输入的响应特性
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◆ 水轮机调节系统的静态和动态特性
曲线1的相对阻尼系数，无超调，但过程缓慢；曲线3的相对阻尼 系数，初始段反应快，但有过大的超调；曲线2的相对阻尼系数， 有较理想的响应特性，其超调量约为3%。所以，应选择、调整开 环放大系数Kop（也就调整了Ty），使随动系统对阶跃输入的响应 特性具有3%～5%的超调量。
水轮机调速系统应用与故障维修探究
水轮机调速系统应用与故障维修探究水轮机是一种利用水流能量转换为机械能的设备，广泛应用于水力发电厂、水库等水利工程中。
为了提高水轮机的效率和性能，调速系统成为其关键部件之一。
调速系统能够调节水轮机的转速和输出功率，使其适应不同的工况和输出需求。
本文将探讨水轮机调速系统的应用与故障维修，帮助读者深入了解水轮机的调速原理和维护方法。
一、水轮机调速系统的应用1. 调速系统的基本原理水轮机调速系统的基本原理是通过调节进水流量或改变叶片角度来控制转速和功率输出。
通常采用液压调速和电子调速两种方式，液压调速主要依靠油压柱塞和阀门调节水轮机的进水量，电子调速则是通过传感器和控制器实现对水轮机的转速监测和调节。
两种调速方式各有优劣，可以根据具体的工程要求和经济性进行选择。
2. 调速系统的主要组成水轮机调速系统主要包括液压系统（或电子系统）、调速器、控制器和传感器等组成部分。
液压系统主要负责控制进水量，调速器负责将液压信号转化为机械控制，控制器负责整个调速系统的监测和控制，传感器则用于监测水轮机的转速和运行状态。
3. 调速系统的应用场景水轮机调速系统广泛应用于各类水利工程和水电站，如以集中调度为主的调速系统、分散式调度为主的调速系统等。
在特定的工程中还可能应用到数字化调速系统、自适应调速系统等先进的调速技术，以满足不同的工程需求和技术要求。
1. 常见故障类型水轮机调速系统的常见故障类型包括：液压系统漏油、阀门堵塞或卡死、调速器失灵、控制器故障、传感器故障等。
这些故障可能会导致水轮机的转速和输出功率失控，影响水轮机的正常运行和安全性。
2. 故障排查和维修方法在水轮机调速系统出现故障时，需要及时排查并进行维修。
首先需要对液压系统进行检查，清洗液压油箱、更换密封圈和滤芯等，保证液压系统的正常运行。
对阀门进行检查和维护，确保阀门的灵活性和密封性。
对调速器、控制器和传感器进行检测和调试，排除故障原因并进行修复。
需要注意的是，对于一些电子调速系统，需要专业的维修人员进行维修和调试，以免造成更大的损害。
第五章 水轮机调速器
水轮机调速器大致可分为： 1、机械调速器 2、机械液压调速器 3、电气液压调速器 4、微机调速器
二、调速器的基本工作原理
三、调速器的静、动特性曲线
调节系统的静特性：
调节前和调节后稳定状态下各参数之间的对应 关系；
调节系统的动特性：
从调节开始到调节终了各相关参数随调节时间 变化的过渡状态的对应关系；
第五章 水轮机调速器
第一节 水轮机调节的基本概念 第二节 调速器的类型及工作原理 第三节 调速器的主要设备及选择
第一节 水轮机调节的基本概念
水轮机调节使水轮机的工作（转速）处在一 个动态平衡过程中
dw Mt M g J dt
水轮机调节的主要任务:
迅速改变机组出力使之适应于外界负荷的变 化，以保证机组的转速即供电频率恢复或保持 在允许范围以内
（一）调节系统的静特性关系线 调差率
（残留不均匀度0~8% ）
（二）调节系统的动特性关系线
第三节 调速器的主要设备及选择
一、调速器的主要设备 调速器的主要设备包括： 调速柜（控制、电器、微机）、油压 设备和接力器三个部分 1、组合式（适用于大部分小型水电站） 2、分体式（适用于大、中和部分小一型水电 速器的系列
（二）调速器选择的一般原则 调速器选择的一般原则有以下几点： （1）根据水轮机的出力和水头等有关参数， 对中小型机组，确定出所需的调速功；对大 型机组，确定出接力器直径和容量、主配压 阀直径及压力油箱（罐）的总容积，从而选 出相应的调速器。 （2） 对于大型水电站及中小型水电站中容量 相对较大、在小电网中担任调频任务、单机 带孤立负荷的运行方式、对电能品质要求较 高或在系统中有较大冲击负荷的电站，应选 择调节品质好、自动化程度高的调速器。
水轮机的调速设备—调速设备的选择
接力器最大行程Smax可由经验公式求出： Smax=(1.4~1.8)a0max
a0max为水轮机导叶的最大开度，由模型水轮机导叶最大开度a0Mmax换算得出： a0max= a0Mmax(D0Z0M/D0MZ0)
其中，D0和Z0分别为水轮机导叶轴心园的直径和水轮机的导叶数目。将Smax的单位 转换为m，即可求出两个接力器的总容积：
➢ 大型调速器以主配压阀直径为表征而组成系列，计算出d以后，就可以查表选择调 速器型号了。对于双调节的转浆式水轮机，通常使转轮叶片的主配压阀直径与导 水机构的主配压阀直径相等。
6.3.2 大型调速器的选择
(三)油压装置的选择
油压装置的工作容量以压力油罐的总容积为表征，故首先应按经验公式求出 压力对油于罐HL的水总轮容机积：Vk：Vk (18 ~ 20)Vs
6.3.1 中小调速器的选择
• 中小型调速器是根据计算水轮机所需调速功A查调速器系列型谱表来选择。
• 反击型水轮机调速功的经验公式为：
• 调速功：接力器活塞上的油压力与其行程的乘积。
• 反击式水轮机的调速功： A (200 ~ 250)Q H maxD1
• 式中：Q为最大水头下额定出力时的流量。
ds D1
b0 D1
H m ax
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：
ds ds 1.05 2.5/ 4.0 0.81ds
• 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。
6.3.2 大型调速器的选择
(一) 接力器的选择 1、导叶接力器的选择
•
冲击式水轮机的调速功：
A9.81Z0 (d0源自d03 H max 6000
水轮机调速器原理
⽔轮机调速器原理什么是⽔轮机调速器？⽔轮机调速器的作⽤是什么？⽔轮机调速器的发展历程是怎样的？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。
图1-1 ⽔轮机调节系统构成图⽔轮机调速器作⽤是保证⽔轮发电机的频率稳定、维持电⼒系统负荷平衡，并根据操作控制命令完成各种⾃动化操作，是⽔电站的重要基础控制设备。
⽔轮机调速器问世以来，⽔轮机调速器先后经历了三代的发展：⽔压放⼤、油压放⼤式的机械式液压调速器（20世纪初-20世纪50年代）、模拟电路加液压随动系统构成的电液式调速器（20世纪50年代-20世纪80年代）和微机调节器配以相应的机械液压系统构成的微机调速器（20世纪80年代⾄今）。
⽬前微机调速器以可靠性⾼、操作简便全⾯取代其他类型的调速器。
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。
调速器分类表⼩型调速器中型调速器⼤型调速器W≤1000Kg.m接⼒器调速功1000Kg.m＜W≤7500Kg.mW>7500Kg.m2、微机调速器依据调节器（电⽓部分）及机械液压系统（机械部分）的不同形式，有以下区分：2.1按调节器的硬件构成有单⽚机、⼯控机、可编程控制器三⼤类调节器。
其中单⽚机、单版机构成的调节器由于可靠性差、故障率⾼等多⽅⾯原因，已趋于淘汰。
⽬前可编程控制器以其⾼度的可靠性成为调节器构成⾸选。
水轮机调节原理及调速器选择演示教学
要使 C，一般不能改变H和效率η，而是通过 改变Q而达到改变主动力矩Mt的目的。
❖ 调节流量的途径： 反击式：通过改变导叶开度a0 ，ZZ：同时改变叶 片转角。
冲击式：通过改变喷嘴开度。
❖ 水轮机调节的定义： 随着电力系统负荷变化，水轮机相应地改变导叶 开度(或针阀行程)，使机组转速恢复并保持为额定 转速的过程，称为水轮机调节。
五、调速器的类型与系列
(一) 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。现在很少使用。 ❖ 电气液压(电调)：用电气回路代替机调中的机械元
件。调节性能优良，灵敏度和精确度高，成本低， 便于安装调整。目前还有不少电站在使用。 ❖ 微机调速器：用工业控制计算机代替电子调速器， 赋予了调速器更多的控制功能，性能更优良。
❖ 放大机构：(引导阀+辅助接力器、主配阀+主接力 器，二级放大)：位移变化→油压变化。
❖ 反馈机构：缓冲器和杠杆机构，当调节使=时，反 馈信号使调节停止。
❖ 油压设备的作用：供给调速器压力油，传递操作力。 由压力油罐、回油箱、油泵、输油管、附件等组成。
❖ 额定工作油压分为两种：有的电站采用低油压，为 2.5MPa；有的电站采用高油压，为4.0MPa。
四、水轮机调节系统的组成
❖ 调速器的作用： 以转速偏差为依据，迅速自动地调节导叶开度，已 达到改变出力恢复转速的目的。
❖ 水轮机自动调节系统: 调速柜+油压设备+接力器。其中中小型水轮机调速 器将这三部分组合成一个整体，称为组合式，运行 方便。
调速系统
油压装置
调速柜主要有以下几个部分组成：
❖ 测量机构：测量机组转速偏差，并把偏差信号转变 为位移信号，然后输出。
水轮机调节及频率调整概述
xf
xf1 ep xf2 xf3
A
C
② Pc2 ① Pc1
B
O
p1
p2
p3
p
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上图中，A点的机组目标功率为Pc1，机组实际功率为P1=Pc1 ， 机组频率为f1，速度变动率为ep，如果此时负荷突然增加到P3，功率 缺额为P3-P1。 负荷突然增加，发电机来不及调整出力，系统功率失去平衡，发 电机转速下降，系统频率下降，若不进行调节，系统频率将沿静态特 性曲线①Pc1下降至f3，各机组根据频率偏差进行一次调频，机组增 发功率P2-P1，系统频率为f2（图中的B点），由于一次调频是一个有 差调节，调节过程会引起频率的变化，（且仅根据bp或ep进行偏差计算， 系统必然存在稳态偏差）系统频率不可能恢复到扰动前的f1。 若电网二次调频将讨论的机组目标功率由Pc1修正为Pc2，水轮机 调节系统静态特性曲线变为②Pc2，其中Pc2=P3，最后的调节结果为 图中的C点，此时功率得到了补偿，系统频率也恢复到扰动前的f1。
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控制原理
机频 信号 网频 信号
信号 整形
电液转 换器
机械液 压系统
现地开关、 按钮操作 二次及监控 系统送来的 开关量指令
监控及AGC 等送来的数 字量指令
可 编 程 计 算 机 控 制 器 P C C
传感 器
变送 器 人机对 话单元
微机调节器包括外部信号处理， 通信，PID调节等模块，最后输 出模拟电压信号。 电液转换器通过驱动器、步进 电机可以完成电气信号至机械 液压信号的转换。 机械液压系统由引导阀、主配 压阀及接力器及其它辅助机构 构成导叶控制部分。 微机调速器工作时，通过测量 比较环节输入频率差或其它信 号，信号经过整形处理后，输 入到PID控制环节，得到一个消 除偏差的信号，该信号在电液 转换器中完成电信号到位移信 号的转换，达到控制机械液压 系统的目的，完成频率调整。
第二章水轮机调节系统工作原理
调节对象
水力系统
水库 尾水
水能 Q、H 导水机构 水轮发电机组
电能 U、I、f 电力系统
调节器 （调速器）
执行元件 放大元件
转速 给定 + 反馈元件 测量元件
图 1-12 水轮机转速自动调节系统框图
水轮机转速自动调节系统是从蒸汽机转速自动调节系统发展 而来。下面以直观易懂的机械液压型调速器构成的水轮机调节 系统为例来说明其工作原理，图2-1为水轮机调节系统原理简 图，左侧是调速器部分，右侧是水轮发电机组部分。
p0 F
若要向关闭方向移动，水推力RW为主动力，阻力R=(PI-PII)F+T， 配压阀向上位移S12
RW ( pI pII ) F T
(pI pII )F RW T
(pI pII )F kt q 2S11 F RW T
( RW T )l S 12 p0 F
输入 ②钢带 ③限位架 ④重块
⑤调节螺母
⑥弹簧 ⑦下支持块 输出
（3）动作 a.初始为某一平衡位置， 折算离心力与弹簧力相等； b.当飞摆转速升高时，折 算离心力大于弹簧力向外张 开，下支持块向上处于较高 位置； c.当飞摆转速下降时，折 算离心力小于弹簧力向内收 缩，下支持块向下处于较低 位置；
(2-22)
式中：m接力器活塞及一起移动的零部件质量（包括与接力器 活塞一起运动的所有零部件，如推拉杆、控制环、连杆、拐臂 和导叶等）； D 为液体阻尼系数；△ Y 为接力器活塞相对原平 衡位置的偏移量。 当调节系统波动较小时，△S亦较小，接力器移动速度较慢， 运动质量力、液体摩擦阻力相对于水阻力、油压力小的多，运 动方程可近似认为 R p p R ( p p ) F 或 与静止式（2-15）相
《水轮机调节的基本概述与工作原理》
根据负荷的变化不断调节水轮发电机组的出力并维持机组 转速在规定范围内。
除以上的基本任务外，水轮机调节的任务尚有机组的起动、 并网和停机等。
调节系统除应满足稳定性的要求外，其过渡过程曲线还应该有比较好的 形状，即具有良好的品质。对过渡过程品质的要求概括起来有以下几个方面 ：
(1)调节时间Tp要短(十几秒~几十秒，越小越好)，即从被调节参数偏离 初始平衡状态达到新的平衡状态的时间要短。从理论上讲，过渡过程振荡的 完全消失要很长的时间，但对于实际工程，当转速ｎ与额定转速n0的偏离值 小于(0.2％～O.4％)n0 ,即可认为进入新的平衡状态。
第四章 水轮机调节
第一节 水轮机调节的任务 第二节 水轮机调节的基本概念 第三节 水轮机调速器的工作原理 第四节 水轮机调速器的类型 第五节 油压装置
第一节 水轮机调节的任务
水轮发电机组将水能转换为电能，输送给电力系统， 供用户使用。电力系统向用户提供的电能应满足一定的质 量要求，频率和电压的变化不能太大，应保持在额定值附 近的某一范围内，否则将影响各用电部门的工作质量。例 如，电能频率的变化将引起用电设备电动机的转速变化， 从而影响电钟计时的准确性、车床加工零件的精度、布匹 纤维的均匀性等。我国规定的电力系统频率为50Hz，其偏 差，大系统不得超过±O.2Hz，小系统不得超过±0.5Hz。
二、调节系统的静特性 调节系统的静特性指稳定工况(平衡状态)时各参数之间的关
系，通常用机组转速n与出力N的关系表示。
调节系统的静特性有以下两种：
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2012年5月
第五章
水轮机的调速设备
一、水轮调节的任务 系统负荷变化→系统电压发生变化→发
系 统 负 荷 变 化
电机励磁装置动作→发电机的端电压恢
复并保持在许可范围内。
系统负荷变化→系统电流的频率f发生变 化，由于f是磁极对数p和转速n的函数→
发电机调速器动作→发电机的转速恢复
并保持在许可范围内。
a0max= a0Mmax(D0Z0M/D0MZ0)
其中，D0和Z0分别为水轮机导叶轴心园的直径和
水轮机的导叶数目。
将Smax的单位转换为m，即可求出两个接力器的 总容积： V 2 d s S 1 d 2 S (m3 ) s s max max
2
2
2
② 转浆式水轮机转轮叶片接力器的计算 转浆式水轮机除了选择导叶接力器以外，还要 选择转轮叶片接力器(位于轮毂内部)。 其直径dc、最大行程Scmax、容积Vc可按经验公式 估算。 dc=(0.3~0.45)D1(2.5/P0)1/2
所以当负荷变化时，应调节Mt，使Mt=Mg，n=ne QH 又： M t QH M t
Hale Waihona Puke 要使 C ，一般不能改变H和效率η，而是通过
改变Q而达到改变主动力矩Mt的目的。
调节流量的途径：
反击式：通过改变导叶开度a0 ，ZZ：同时改变叶 片转角。 冲击式：通过改变喷嘴开度。 水轮机调节的定义： 随着电力系统负荷变化，水轮机相应地改变导叶 开度(或针阀行程)，使机组转速恢复并保持为额定 转速的过程，称为水轮机调节。 调节实质：调节转速 水轮机调节所用的调节装置称为水轮机调速器。
油压设备的作用：供给调速器压力油，传递操作力。 由压力油罐、回油箱、油泵、输油管、附件等组成。
额定工作油压分为两种：有的电站采用低油压，为 2.5MPa；有的电站采用高油压，为4.0MPa。
调速器工作时的高油压来自油罐，低压侧的油通过 回油管路进入回油箱。 当油压降低到正常工作油压下限(2.3~2.7MPa)时， 油泵自动启动，将回油箱内的油泵入压力油罐，油 压达到正常工作油压上限时，油泵停止工作。 接力器是调速器的执行元件，控制导叶开度，改变 流量，大型电站设两个或两个以上接力器。
配压阀直径与导水机构的主配压阀直径相等。
（3） 油压装置的选择
油压装置的工作容量以压力油罐的总容积为表征，故首先 应按经验公式求出压力油罐的总容积Vk： Vk=(18~20)Vs 对于HL水轮机 Vk=(18~20)Vs+(4~5)Vc 对于ZZ水轮机 Vs和Vc分别为前面计算出的接力器容积。 若油压装置需要供给空放阀接力器用油，则Vk需要增加
（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
Q为最大水头下额定出力时的流量。
冲击式水轮机的调速功：
A=9.81Z0(d0+d03Hmax/6000)
Z0为喷嘴数目 d0为额定流量时的射流直径。
2、大型调速器的选择
(1) 接力器的选择 ① 导叶接力器的选择 通常采用两个接力器操作导水机构 当额定油压为2.5MPa时，接力器直径ds为：
Scmax=(0.036~0.072)D1
Vc=0.25πdc2 Scmax
(2) 主配压阀直径的选择
通常主配压阀的直径与通向主接力器的油管直径相
等。通过主配压阀油管的流量为：
Q=Vs/Ts Ts为导叶的直线关闭时间。 则由管内油的流速(4~5m/s)确定油管直径d。 大型调速器以主配压阀的直径为表征而组成系列， 计算出d以后，就可以查表选择调速器型号了。 对于双调节的转浆式水轮机，通常使转轮叶片的主
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
数字式电液调速器监控系统主界面
数字式电液调速器油压装置显示画面
2、按调节机构数分 单调：一个导叶起闭机构，如混流和轴流定浆机组 双调：有两个调节机构(导叶开度，叶片转置角)，
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
水轮机调节系统的特点：
（1）水轮机的工作流量较大，水轮机及其导水机构 的尺寸也较大，需要较大的力才能推动导水机构， 因此，调速器需要有放大元件和强大的执行元件。 （2）水轮发电机组以水为介质，与蒸汽等相比，水 有较大的密度，同时，水电站的输水道一般较长， 其中的水体有较大的质量，水轮机调节过程中的 流量变化将引起很大的压力变化。
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。
接力器最大行程Smax可由经验公式求出： Smax=(1.4~1.8)a0max a0max为水轮机导叶的最大开度，由模型水轮机导 叶最大开度a0Mmax换算得出：
(9~10)Vt，Vt为空放阀接力器的容积。
若油压装置需要供给进水阀接力器用油，则Vk需要再增加 3Vf，Vf为进水阀接力器的容积。
计算出压力油罐总容积后，可查表选择油压装置。
调速功)为表征组成标准系列。用调速功来进行选 择。 对大型调速器，三者是分开的，并且互不配套， 需要分别进行选择。大型调速器的表征值是主配 压阀直径，因此需要先求出主接力器容积，再计 算主配压阀直径。
1、中小型调速器的选择
调速功：接力器活塞上的油压力与其行程的乘积。
反击式水轮机的调速功：
A=(200~250)Q(HmaxD1)1/2
五、调速器的类型与系列
(一) 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。现在很少使用。
电气液压(电调)：用电气回路代替机调中的机械元 件。调节性能优良，灵敏度和精确度高，成本低， 便于安装调整。目前还有不少电站在使用。
微机调速器：用工业控制计算机代替电子调速器， 赋予了调速器更多的控制功能，性能更优良。
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 A、B、C为改型次数，系列型谱见表5—1。
六、水轮机调速设备的选择
包括：调速柜、接力器、油压装置 中小型调速器是将上面的三部分结合在一起，成
为一个整体设备，以主接力器的工作容量(也称为
四、水轮机调节系统的组成 调速器的作用：
以转速偏差为依据，迅速自动地调节导叶开度，已
达到改变出力恢复转速的目的。
水轮机自动调节系统:
调速柜+油压设备+接力器。其中中小型水轮机调速
器将这三部分组合成一个整体，称为组合式，运行
方便。
调速系统
油压装置
调速柜主要有以下几个部分组成：
测量机构：测量机组转速偏差，并把偏差信号转变 为位移信号，然后输出。 放大机构：(引导阀+辅助接力器、主配阀+主接力 器，二级放大)：位移变化→油压变化。 反馈机构：缓冲器和杠杆机构，当调节使=时，反 馈信号使调节停止。
(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
水轮机调节的任务：
1. 随外界负荷的变化，迅速改变机组的出力。
2. 保持机组转速和频率变化在规定范围内，最大偏 差不超过±0.5Hz，大电力系统不超过±0.2Hz。 3. 启动、停机、增减负荷，对并入电网的机组进行 成组调节(负荷分配)，以达到经济合理的运行。
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)