第一章-水轮机调节的基本原理
水轮机控制工程第一章水轮机调节的基本概念
y
– 永态差值装置
转速调
nc 整机构
1
bp
缓冲装置 btTdS 1+TdS
图 1-2 机械液压调速器结构方块图 1
② 中间接力器反馈、取速度信号、有暂态反馈的 PI（比例-积分）调速器（图 1-3）。
机组 ng 转速
飞摆 1
转速调
nc 整机构
1
引导阀 辅助接力器
–
1
+–
TyS
– 永态差值装置
bp
缓冲装置 btTdS 1+TdS
Mt——水轮机转矩（N·m）；
Mg——发电机负荷阻力矩（负载转矩）（N·m）。
式（1-1）清楚地表明，机组转速(频率)保持恒值的条件是 d dt
0 ，即要求 M t
ห้องสมุดไป่ตู้
Mg
，
否则就会导致机组转速(频率)相对于额定值升高或降低，从而出现转速(频率)偏差。
水轮机转矩
Mt
QH t
（1-2）
式中：
Q——通过水轮机的流量（m3/s）；
水轮机调速器是水电站水轮发电机组的重要辅助设备，它与电站二次回路或计算机监 控系统相配合，完成水轮发电机组的开机、停机、增减负荷、紧急停机等任务。水轮机调 速器还可以与其他装置一起完成自动发电控制（AGC）、成组控制、按水位调节等任务。
第二节 水轮机调节系统
一、水轮机调节系统的结构
水轮机调节系统是由水轮机控制设备（系统）和被控制系统组成的闭环系统。水轮机、 引水和泄水系统、装有电压调节器的发电机及其所并入的电网称为水轮机调节系统中的被 控制系统；用来检测被控参量（转速、功率、水位、流量等）与给定量的偏差，并将其按 一定特性转换成主接力器行程偏差的一些装置组合，称为水轮机控制设备（系统）。水轮机 调速器则是由实现水轮机调节及相应控制的机构和指示仪表等组成的一个或几个装置的总 称。
水轮机调节ppt课件
水轮机的调节系统具有以下特点： 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(即前述的接力器)。 水轮发电机组以水为发电介质，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(即水锤)，从而给水轮机 调节带来很大困难。 对于轴流转桨式水轮机的导叶和转轮叶片、水斗式水轮机的喷 嘴和折流板、带减压阀的混流式水轮机等，需增加一套协调机构， 对两个对象进行调节，使调节更为困难。
11
02
水轮机调节的基本概念
12
12
水轮机调节系统的组成元件及各元件的相互关系可见下图
导水机构
水能 QH
机组
执行元件
放大元件
电能 UIf
给 定 f
f
测量元件
反馈元件
水轮机调节系统方框图
13
13
图中的方块表示水轮机调节系统的元件： 箭头表示元件间信号的传递关系： 箭头朝向方块表示信号的输入， 箭头离开方块表示信号的输出，前一个元件的输出是后一个元件的
各参数随时间的变化情况，及在经过一段时间以后是否能达到 新的平衡状态(即稳定工况)，与调节系统的特性有关，这种特性 称调节系统的动特性。
若在经过一段时间之后系统能够达到新的平衡状态，那么新平 衡状态与原平衡状态的关系，即各参数是否能回复到初始状态， 亦与调节系统的特性有关，这种特性称调节系统的静特性。
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。
第一章 水轮机调节的基本原理
随着电力系统容量扩大、自动化水平提高，对水轮机调速器稳 定性、速动性、准确性提出了越来越高的要求，调速器的操作功能、 自动控制不断完善，已成为水电站综合自动化必不可少的自动装置。 四、调速器的发展 最早调速器是蒸汽机调速器。20世纪30年代出现了完善的机械液 压调速器。20世纪40年代中期出现了电气液压型调速器。20世纪 80年代初，出现在了常规油压和高油压微机调速器。
式 中
负反馈—— 反馈信号的作用方向与原输入信号的方向相反的反馈； 负反馈 正反馈—— 反馈信号的作用方向与原输入信号的方向相同的反馈； 正反馈 调速器中一般采用负反馈 负反馈。 负反馈 在机械液压调速器中常见的反馈有两种：一种是硬反馈；另一种是软反馈。 （一）硬反馈 硬反馈 局部反馈是一种硬反馈。
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。
水轮机调速器结构及工作原理
水轮机调速器结构及工作原理水轮机调速器是水轮机系统中的重要设备，其主要功能是控制水轮机的转速，以满足不同负载工况下的运行要求。
本文将从结构和工作原理两个方面介绍水轮机调速器的基本知识。
一、水轮机调速器的结构水轮机调速器一般由调速机构、液压控制系统和电气控制系统三部分组成。
1. 调速机构调速机构是水轮机调速器的核心部分，它通过改变水轮机的导叶开度来调节水轮机的转速。
调速机构主要由调节器、传动装置和导叶机构组成。
调节器是水轮机调速器的关键部件，它通过接收输入信号，控制传动装置的运动，从而改变导叶的开度。
常见的调节器有液压调节器和电动调节器两种。
传动装置是将调节器的运动转化为导叶运动的装置，常见的传动装置有丝杠传动和液压传动两种。
导叶机构是通过传动装置将调节器的运动传递给导叶，改变导叶的开度。
导叶机构主要由导叶轴、导叶臂和导叶组成。
2. 液压控制系统液压控制系统是水轮机调速器的控制部分，它通过控制液压元件的工作状态，实现对调速机构的控制。
液压控制系统一般由液压泵站、液压缸和液压阀组成。
液压泵站负责提供液压能源，液压缸负责执行调速机构的运动，液压阀负责控制液压缸的工作状态。
3. 电气控制系统电气控制系统是水轮机调速器的辅助部分，它通过控制电气元件的工作状态，实现对液压控制系统的控制。
电气控制系统一般由控制柜、传感器和执行器组成。
控制柜负责接收输入信号和控制输出信号，传感器负责感知水轮机的运行状态，执行器负责执行控制柜的输出信号。
二、水轮机调速器的工作原理水轮机调速器的工作原理主要是通过调节水轮机的导叶开度来改变水轮机的转速。
当负载增加时，调速器接收到输入信号后，调节器会发出相应的指令，通过传动装置将运动转化为导叶的运动，导叶的开度逐渐增大。
导叶开度增大会减小水轮机叶片与水流的夹角，使水轮机的输出功率增加，从而使转速稳定在设定值附近。
当负载减小时，调速器接收到输入信号后，调节器会发出相应的指令，通过传动装置将运动转化为导叶的运动，导叶的开度逐渐减小。
水轮机调节及水车自动控制讲义(修改)
第一章 调速系统基础知识1.水轮机调节的根本任务 水轮发电机组把水能转化为电能供用户使用。
用户除要求供电安全可靠外，还要求电能 的频率和电压保持在额定值附近的某范围内。
频率偏离额定值过大对用户不利，可能使用户的产品质量降低。
按规定：系统频率应保持在50HZ ，其偏差不得超过±0.5HZ ：对于大容量系统，频率的偏差不得超过±0.2HZ 。
此外，还应保持电钟指示与标准时间的偏差在任何时候不大于1分钟；对于大容量系统，不得大于30秒。
同时，电力系统的负荷是不断变化的，存在周期为几秒至几十分钟的负荷波动，这种不可预见的负荷波动幅值可达电力系统总容量的2~3%。
此外，一天之内系统负荷有早、晚两个高峰和中午、深夜两个低谷，这种负荷变化基本上是可预见的。
电力系统负荷的不断变化将导致系统频率的波动。
因此，必须根据负荷的变动不断地调节水轮发电机组的有功功率输出，并维持机组的转速（频率）在规定范围内。
这就是水轮机调节的根本任务。
2.实现水轮机调节的途径 通过什么方法与途径完成“水轮机调节”的基本任务呢？为简明起见，仅对一台水轮发电机组带负荷的情况进行讨论。
如图示是水轮发电机组示意图。
水轮发电机组示意图 水轮发电机转动部分是一个围绕固定轴线做旋转运动的刚体，它的运动可由下列方程描述：式中J ----机组惯性矩；ω---角速度，ω=p n/30（n 为机组转速）；t M ---水轮机动力矩； g M ---水轮机阻力矩。
水轮机动力矩由水流对水轮机叶片的作用力形成，它推动机组转动，其大小决定于：水头H ，导叶开度a （流量Q ），机组转速等。
由上式可见，实现水轮机调节的途径就是改变水轮机导叶的开度。
3.水轮机调节的特点 水轮机调节具有以下特点： 决定机组出力最基本的因素是水头和流量； 具有两套调节机构的水轮机，在对它们进行调节时，为了达到某种预期的目的，在两套机构之间设有相应的协联机构。
当导叶启闭时由水流的惯性所产生的水击作用通常是与导水机构的调节作用是相反的。
水轮机调节的基本概念
水轮机调节系统的新技术和新应用
智能控制技术：实现水轮机调节的自动化和智能化 远程监控技术：实现水轮机调节的远程监控和故障诊断 节能技术：提高水轮机调节的效率和节能效果 环保技术：减少水轮机调节对环境的影响实现绿色环保
水轮机调节系统的挑战和机遇
挑战：技术难度大需要不断研发和创新 挑战：市场竞争激烈需要不断提高产品质量和性能 机遇：绿色能源需求增长水轮机调节系统市场前景广阔 机遇：政策支持有利于水轮机调节系统的推广和应用
03 水轮机调节的种类
机械调节
机械调节原理：通过改变水轮机叶 片角度或导叶开度来调节流量
机械调节特点：响应速度快、调节 精度高、稳定性好
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机械调节方式：叶片角度调节、导 叶开度调节、桨叶调节等
机械调节应用：广泛应用于水电站、 泵站等水轮机调节系统中
电气调节
原理：通过改变发电机的励磁电流来调节水轮机的转速 优点：响应速度快调节精度高 缺点：需要额外的励磁设备成本较高 应用：适用于大中型水轮机特别是调频调峰场合
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汇报人：
调速器：控制水轮机转速的 装置
水轮机：将水流的动能转化 为机械能的设备
控制系统：实现水轮机调节 的自动化控制
传感器：监测水轮机运行状 态的设备
执行器：根据控制信号调整 水轮机运行状态的设备
水轮机调节的基本原理
水轮机调节的目的是控制水流量以保持稳定的发电量 水轮机调节的基本原理是通过改变水轮机的叶片角度改变水流量 水轮机调节的基本原理是通过改变水轮机的叶片角度改变水流量 水轮机调节的基本原理是通过改变水轮机的叶片角度改变水流量
水力发电站：调节水轮机转速控制发 电量
水力发电站：调节水轮机转速控制发 电量
水轮机调节系统基本原理及应用
目录第一章水轮机调节系统概述及对电力系统中的影响 (2)第一节水轮机调节系统概况 (2)第二节水轮机调节系统对电力系统运行的影响 (6)第二章水轮机调速系统的基本原理 (9)第一节水轮机调速系统的原理及分类 (9)第二节水轮机调速系统的调差参数及不灵敏区 (11)第三章电力系统对调速系统的控制 (13)第一节电力系统频率控制的基本概念 (13)第二节频率的一次调节 (17)第三节自动发电控制（AGC） (18)第一节电力系统频率的二次调节 (24)第四章电力系统的自动发电控制系统 (31)第一节、调度端自动发电控制系统概述 (31)第二节自动发电控制系统（AGC） (32)第三节水电机组的调节能力 (35)第四节水电厂自动控制系统 (38)第一章水轮机调节系统概述及对电力系统中的影响第一节水轮机调节系统概况一、水轮机调节的任务和特点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。
系统负荷发生变化时，对机组产生两方面的影响：系统负荷变化→系统电压发生变化→发电机励磁装置动作→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。
水轮机调节的任务：随外界负荷的变化，迅速改变机组的出力。
维持机组转速在额定转速附近，满足电网一次调频要求；完成调度下达的功率指令，调节水轮机组有功功率，满足电网二次调频要求；完成机组开机、停机、紧急停机等控制任务；执行计算机监控系统的调节及控制指令。
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。
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。
水轮机调节的特点：1．必须具备有足够大的调节功能水轮发电机组是把水能转换成电能的机械．而水能因受自然条件的限制，通常水电站水头在几米至几百米的范围内，水轮机上的压力只有零点儿MPa至几MP,因此，发出较多的电功率，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。
水轮机调节应知应会
水轮机调速器期末复习资料第一章水轮机调节的基本概念水轮机调节系统由被控制系统（调节对象）和被控制系统（调节器）所组成，对水电站而言，调节器就是调速器。
由于水电站是一个水、机、电综合系统，一方面机组与压力引水道有水力上的联系，另一方面又与电力系统有电气上的联系。
因而调节对象包括机组（水轮机和发电机）、引水道和电网。
国家电力部门规定，电网的额定频率为50Hz（赫兹），大电网（容量大于3000MW）允许的频率偏差为±0.2Hz，小电网（容量小于3000MW）允许的频率偏差为±0.5。
水轮机调节的任务就是解决如何能使机组转速（频率）保持在额定值附件的某个范围之内。
水轮机调节的实质就是：根据偏离额定值的转速（频率）偏差信号，调节水轮机的导水机构和轮叶机构，维持水轮发电机机组功率与负荷功率的平衡。
调节进入水轮机的流量，对于混流式水轮机，采用改变导叶开度的办法；对于转桨式水轮机，采用同时协联改变导叶开度和转轮叶片角度的办法；对冲击式水轮机，采用同时协联改变喷针行程和折向器开度的办法来实现。
水轮机调速器是水电站水轮发电机组重要的辅助设备之一，它除了控制机组的转速之外，还与电站二次回路或微机监控系统相配合，完成如下的工作：（1）进行机组的正常操作：机组的开停机、增减负荷以及发电、调相等各种工况的相互切换。
（2）保证机组的安全运行：在各种事故情况下，机组甩掉全部负荷后，调速系统应能保证机组迅速稳定在空载转速或根据指令信号，可靠地紧急停机。
（3）实现机组的经济运行：按要求自动分配机组间的负荷。
按调速器元件结构分类——可分为机械液压型和电气液压型两大类。
按调速器容量的大小分类——可分为大型调速器、中小型调速器和特小型调速器。
按调速器调节规律分类——可分为PI型和PID型调速器。
按调速器所用油压装置和接力器是否单独设置分类——可分为独立式和分离式调速器。
YT－6000；YDT－18000；WST－100型号的含义。
水轮机概论及工作原理
2. 工程措施：合理选择安装高程，采取防 沙、排沙措施，防止有害泥沙进入水轮机。
3. 运行方面：避开低负荷、低水头运行， 合理调度，必要时向尾水管补气。
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水轮机的吸出高度
汽蚀系数 吸出高度 水轮机安装高程
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汽蚀系数
水能→机械能→电能
5
水轮机的工作参数
1.工作水头 ，又称净水头，等于毛水头减去引水系统水头损失。
差。
毛水头也叫装置水头，等于水电站上下游水位
2.流量
表示水流在单位时间内通过水轮机的 体积。
3.功率
输入功率为水流对水轮机每秒钟付出的机械能。
轮机的出力。
输出功率为水轮机轴输出的机械功率，也叫水
通常所说的水轮机功率，指水轮机输出功率。
按推力轴承位置分：立式发电机又分为悬式和 伞式两种。
推力轴承位于转子上方的发电机称为悬式发电机， 它适用于转速在100r/min以上。
推力轴承位于转子下方的发电机称为伞式发电机， 无上导的称为全伞式，有上导的称为半伞式，它适 用于转速在150r/min以下。
按冷却方式分：可分为空气冷却和水冷却两种 。
2
容积式：依靠运动元件改变 工作容积来实现能量转化 。
（2）按结构分
叶片式 ：依靠高速旋转叶片 与流体之间力的相互作用来 转换能量，又称透平机械 。
3
■水力原动机：以水流为原动力，并将水流能
（ 水轮机 ） 流
量转换为机械能的装置，水
水流能量
经过水力原动机时，
将减少。
■水力工作机：将机械能转换为液体的能量，
适用范围：适用H: 2～25m,小型河床电站。
第一张水轮机调节的基础
第一章水轮机调节的基本概念§1-1 水电站的生产过程图1-1 典型水电站示意图从图1-1我们可以看到，为了利用河流的能量来发电，必须在建设水电站的地点集中河段的落差，用筑坝的方式实现。
通过压力引水道输送水能到水轮机，将水能转变成机械能。
水轮机作为交流发电机的原动力，带动发电机旋转，将机械能转变为电能。
这种电能自发电机输出送往电网，然后电能又被送到用户，用户根据自己的需要，将电能转变成各种形式的能量：机械能、光能、热能等等。
可以看出，水电站生产的全过程是水、机、电的联合生产过程，如图1-2所示。
图1-2 水电站生产过程图60pnf §1-2 水轮机调节系统简介水轮机调节系统由被控制系统（调节对象）和被控制系统（调节器）所组成，对水电站而言，调节器就是调速器。
由于水电站是一个水、机、电综合系统，一方面机组与压力引水道有水力上的联系，另一方面又与电力系统有电气上的联系。
因而调节对象包括机组（水轮机和发电机）、引水道和电网。
根据调节对象的各组成单元和调速器之间的关系，可以画出水轮机调节系统如图1-3所示。
§1-3 水轮机调节的任务水轮发电机组将水能转变成电能供工业、农业、商业及人民生活等使用。
用户在用电过程中除要求供电安全可靠外，对电网电能质量也有十分严格的要求。
按我国电力部门规定，电网的额定频率为50Hz （赫兹），大电网（容量大于3000MW ）允许的频率偏差为±0.2Hz ，小电网（容量小于3000MW ）允许的频率偏差为±0.5。
对我国的中小电网来说，系统负荷波动有时会达到其总容量的5%~10%，而且即使是大的电力系统，其负荷波动也往往会达到其总容量的2%~3%。
电力系统负荷的变化，导致了系统频率的波动。
水轮机调节的任务就是解决如何能使机组转速（频率）保持在额定值附件的某个范围之内。
水轮发电机组能否满足上述要求呢？ 发电机组所产生的电流频率由下式确定： （1-1）式（1-1）中：f ——电流的频率（Hz ）；图1-3 水轮机调节系统g t M M dtd J-=ω30nπω=ωηρQH M t =n ——发电机转速（r/min ）； p ——发电机磁极对数。
水轮机自动调节_第1章 水轮机调节基本概念
使用教材
水轮机自动调节 程远楚 张江滨 主编
中国水利水电出版社
授课教师：程远楚
武汉大学动力与机械学院
学习安排
• 理论学习 41学时 讲授内容: 1,2章 3,4章 5章 6.3.3,6.3.4 7章 9.3,9.4 • 实验 4学时 • 课程设计 1周
学习 安排
学习要求
复习并掌握先修课的有关内容 课堂：听讲与理解、适当笔记 课后：认真读书、完成作业 实验：充分准备、勇于实践 总成绩＝考试成绩 ＋实验成绩＋平时成绩 学习 方法
•
第一章 水轮机调节基本概念
四 水轮机调节的实现途径与方法
J d Mt M g dt
α ,Q
⑴ Mt、Mg与n的关系
① Mt：Mt是机组动力矩 图1-2 水轮机调节示意图 a) 当水头一定，开度一定（如a=a3）时， n↑↓→Mt↓↑。 a点 b'点 ② Mg：Mg是负荷力矩，与负载性质 有关，它代表不同用户设备组 b) 当水头一定，转速n相同时， a点 c'点 合后的总负荷力矩。 a↑↓→Mt↑↓(如 下,a、b、c三点)。 a ) 对同一负荷特性曲线， n0 n↑↓→Mg↑↓（见图1-2中红 线）； b) 在n一定时，对不同的负荷特 性曲线→Mg不同（见图1-2中a、
第一章 水轮机调节基本概念
四
•
水轮机调节的实现途径与方法
水轮发电机组的转动部分是一个围绕固定轴线作旋转 运动的刚体，它的运动可由如下方程来描述
J d Mt M g dt
M t 9.81 / f ( H , Q, n) QH
•
•
水轮机主动力矩Ｍt由水 流对水轮机叶片的作用力 形成，它推动机组转动， 其大小决定于水头H和流 量Q。 由图可见，导叶开度一 定时，力矩随转速增加而 减小;当转速一定时，力 矩随导叶开度增加而增加。
水轮机调速系统的工作原理ppt课件
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上节课知识回顾：
问题：
如果系统负荷降低， 接力器调节导水机构，还 没有使Mt=Mg，硬反馈 就使针塞与转动套回到了 相对中间位置，调节系统 会如何动作？
系统会多次调整， 最终停止。
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上节课知识回顾：
结论：
有差调节：经过一个调节 过程后，机组转速不能回 到原来的转速下平衡，而 是回到一个新的转速实现 平衡。
作业：
三、总结
1、调速系统是如何引入软反馈与硬反馈的？ 引入后起到了什么作用、存在什么问题？
第三节 水轮机调速系统的工作原理 1、什么是单调节调速系统？
2、系统组成：离心摆、引导阀、辅助接力器与主配 压阀、主接力器、反馈锥体、调差机构P16、转速 调整机构P17、硬反馈杠杆、缓冲装置（软反馈元 件）。
第三阶段： 转速下降，引导阀转动套随之下移，此时，缓 冲阀上下腔油压在节流孔作用下已达平衡，从 动活塞在自身弹簧回复力作用下向下回中，通 过连杆作用，带动引导阀针塞下移，与转动套 回到相对中间位置。
但由于所有环节都没有使接力器左移（即增加 水轮机有效进水流量），因此：
机组转速继续降低……进入下一个调节周期
k端上移-- f端下移
---缓冲装置主动
活塞受向下的力，
使从动活塞上移,
推动引导阀针塞上
k
移与转动套回到相
对中间位置以上，
使接力器停止移动。
使Mt = Mg
接力器停止移动
后，受活塞弹簧
及节流孔排油的
作用，主、从动
活塞逐渐向中间
位置回复，同时
k
使引导阀针塞稍
有下移。
引导阀针塞下移 的结果是什么？
水轮机的调节
第一节 水轮调节的基本概念
一、
水轮机调节任务
电压变化→发电机电压调节系统完成 （自动)使U=U 系统负荷变化 频率变化f ，f =k (p,n)，p不变，只有 调节转速n→f 稳定(f=50Hz),水轮机调 速器完成。 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。 3、启动、停机、增减负荷，负荷分配。
二、水轮机调节原理
(一)、原理：水轮发电机组的运动方程式为 d Mt Mg J dt Mt ：水轮机主动力矩(水流推动叶片做功)； Mg ：发电机的阻力矩(发电机定子对转子的作 用力矩，与Mt相反)； J ：机组惯性矩； ω ：角速度；
(1) 当Mt = Mg 时， dω/dt =0，ω=常数 (2) N↓（负荷）→ Mt >Mg → dω/dt > 0 →n↑ (3) N↑（负荷）→Mt <Mg → dω/dt < 0→n↓ 所以当负荷变化时，应调节Mt ，使Mt = Mg dω/dt =0， n维持额定转速， f=50Hz
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
（二）、调速器系列（反击式水轮机）
由三部分组成： 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
调速器的工作原理
四、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)和电气液压(电调) 电调比机调的优越性：调节性能优良，灵敏 度和精确度高，成本低，便于安装调整。 电气液压：在自动控制部分用电气元件代替 机调中的机械元件。
水轮机调节
（5）阀组（安全阀、逆止阀、减载阀）
安全阀的作用是保证压力油罐内油 压不超过允许值，防止油泵与压力油罐 过载。
减载阀的作用是保证油泵电动机在 低负载下启动，缩短启动时间，减少启 动电流。
逆止阀用来防止压力油罐内的压力 油在油泵停止运行时倒流
6、调速器的类型与系列
（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。
二 调节系统的特性
1、调节系统的静态特性
（1）无差调节：调节前后 机组转速不变，如图5-1a。 （2）有差调节：调节前后 机组转速有一小的偏差， 如图5-1b。
对单机运行的机组，才有可能采取无差调节的方式； 多台机组并列运行时，各台机组反应时间和动作快慢 不同，需采用有差调节的运行方式。
（2）有差调节
（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 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。
工作线圈：实现控制操作 线圈
振荡线圈：防止卡阻，提高工作可靠性
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 ，使控制套产生位移，使下一级随动。振荡电 流使线圈和控制套产生微小振动，以提高控制 套的灵敏度，防止卡阻。
成一个整体，称为组合式，运行方便。
（1）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。
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。
《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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水轮机调节：在电力系统中，为了使水轮发电机组的供电频率
稳定在某一范围内而进行的调节。
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电网
水力发电生产过程:
压力引水
水库
道
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发电机
L=0
水轮机
尾水
功率
励磁
整流
调节
屏
器
机械液
调
压执行
速
机构
器
3
频率与机组转速的关系（电机学而知）: f p n
f——发电机输出交流电频率,Hz;
M g 与工作水头、水轮机导叶开度（即流量）和角速度有关,因此
Mt Q H9.81HQ
因此,改变动力矩可通过改变Q、H和η来实现。
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水轮机调节的途径:改变导叶开度或喷针行程。 具体做法:利用调速器按负荷变化引起的机组转速或频率的偏差,调 整水轮机导叶或喷针开度,使水轮机动力矩和发电机阻力矩及时恢复 平衡，从而使转速和频率保持在规定的范围内。 三、水轮机调节的特点
上式表明:若把下支持块位移量△L看成离心摆的输出量,把转速变化量的相对值x看成输入 量,则离心摆的输出量与输入量成正比。
二、液压放大元件及工作原理 (一)引导阀:液压放大装置元件之一。 组成:阀体、转动套、针塞。
转动套与离心摆下支持块连成整体,位置高低反映了转速和大小。转动套上 3排孔,上孔与压力油相通，中孔通过油管与辅助接力器相连，下孔与排油相连。
M J d dt
J-机组转动部分 的转动惯量,kg•m²;
dw dt
20—21/机2/11组角加速度
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M—作用于机组转动部分的和外力矩。
合外力矩包括:1.水流推动水轮机的主动力矩,
矩M g。
J ddtMt Mg
;M2. t 发电机阻力
发电机阻力矩M g 随着用电负荷变化而1
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一、转速测量元件及工作原理
调速系统中测量元件是离心摆。 组成:上支持块1、下支持块7、菱形钢带2、2个重块4、弹簧6等。
转速不变
转速上升
转速下降
1:上支持块 ; 2:钢带 ;3：限位块 ； 4：重块 ；5：限位螺杆 ；6：弹簧；
7：2下02支1/2持/11块； 8：转动套
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在忽略惯性力、液摩阻力时,离心摆的输入信号与输出信号之间成正比关系: 式中
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随着电力系统容量扩大、自动化水平提高,对水轮机调速器稳定 性、速动性、准确性提出了越来越高的要求,调速器的操作功能、自 动控制不断完善，已成为水电站综合自动化必不可少的自动装置。
四、调速器的发展 最早调速器是蒸汽机调速器。20世纪30年代出现了完善的机械液
压调速器。20世纪40年代中期出现了电气液压型调速器。20世纪 80年代初,出现在了常规油压和高油压微机调速器。
第一章 水轮机调节的基本原理
第一节 水轮机调节的基本概念
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一.水轮机调节的任务
1.水力发电生产过程:由水轮机将水能转变为机械能,再有发电机将机
械能转变为电能,送入电力系统供给用户使用。
电能是一种特殊商品。
电力系统中，发电、供电、用电是同时完成，系统负荷是随即
变化的，变化周期几十秒到几十分钟不等，变化幅值可达系统总容
量的2%~3%。
系统负荷变化导致频率变化。
用户要求:供电安全、可靠、经济，电能频率、电压保持在额定
值附近某一范围内。
频率、电压波动太大，可造成机加工工件精度不达标，发电机
组和电力系统自身工作稳定也会受到影响。
我国电力系统规定：电力系统频率应保持50Hz。容量小于
3000MW的地方电网，偏差不超过±0.5Hz。
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1)上下两盘处于中间 位置时,上下排油孔被 法盘堵,B腔没有油通 过;
2)转速上升 ，
h 1 h 2 、 h 3 h 4 ，上
孔封闭，下排孔打开，
B腔油与排油相通;
3)转速下降，
、
，上
孔h 1打 h开2 ，h下3 排 h孔4 封闭，
B腔油接通压力油。
通过引导阀的油流量与针塞阀盘和转动套相对位移量关系:
QvSvbh
式中 v:转动套窗口油流速度; △S:引导阀窗口开度;
2021/2/11 b：转动套窗口宽度；
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△h：针塞阀盘与转动套窗口的相对位移。
（二）辅助接力器与主配压阀 组成:阀体、辅助接力器活塞、主配压阀活塞等。 辅助接力器活塞是差动活塞,上盘上部通压力油,下部通排油; 主配压阀活塞2个阀盘，上盘面积大、下盘面积小;
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第一章 水轮机调节的基本原理
第二节 水轮机调速系统基本元件
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单调节水轮机调速系统组成:控制对象、测量元件、液压放大元件、反馈元 件等组成。
调节过程:当用户负荷变化时,引起被控对象水轮发电机组转速改变,测量元 件—离心摆检测到转速的变化后发出信号，使机组转速恢复稳定。
将失去平衡,机组的转速也将发生变化。
（1）M t >M g , d w >0,负荷减少，转速上升，频率升高，应减小机组
动力矩 ，使d t 两个力矩相等，频率恢复正常范围。
（2）M t = M g ，机组转速不变。 (3) M <t M g ，d w <0，负荷增加，转速下降，频率下降，应增
加机组动力矩，d t 使频率恢复正常范围。
▲机组以水为工作介质,谁能开发受到自然条件限制,且单位工作介 质小，发出同样的电能需要通过较大的流量，配备的导水机构也较 大，需要配置较大液压操作机构，但液压元件非线性和时间滞后性 会影响水轮机调节系统的动态品质;
❊ 因开发方式不同，一些水轮机需要采用双重调节;
❊ 受自然条件限制，有些水电站具有较长的引水管道。管道长， 水流惯性大，水轮机突然开启或关闭导叶时会在压力管道中产生水 击。若延长关机时间，会使机组转速过高。这些都会对水轮机调节 系统动态品质产生不利影响。
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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.水轮机调节的途径和方法
若我们把机组转动部分认为是一个绕定 轴转动的刚体,由理论力学可知:
式中
1)引导阀处于平衡位置时,
p1A1p(A2A3) 辅助接力器和主配
压阀都不动;