第一章水轮机调节的基本原理

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：下支持块； 8：转动套
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
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。
式
中
T ：缓冲装置时间常数，T 与节流孔对油流的阻力系数等有关。 Z ：缓冲装置输出信号，从动活塞位移量。
d d 2
Z
：缓冲装置输出信号，主动活塞位移量。 f 1 ：主动活塞面积
1
f ：从动活塞面积
2
（1）当 T d =0时，节流孔全开，可以近似认为油流阻力系数为零，节流孔对油流几乎 不产生阻力，这种情况无论输入信号如何变化，都不产生输出信号，即 2 =0. （2）当 T d 时，节流孔全关，节流孔对油流阻力趋于无穷大，当给主动活塞一 个位移 Z 1 时，从化活塞也产生一个位移 ，由于节流孔堵住，从动活塞无法回复，则 2 缓冲装置相当于硬反馈的情况。
Z
Z
第一章 水轮机调节的基本原理
第三节调速系统的工作 水轮机原理
按照调节对象执行元件多少，调速系统可分为： 单调节调速系统、双调节调速系统 一、单调节调速系统工作原理 第一阶段：负荷突然减少时，M t 速开始上升，，；
> M
g
，机组转
第二阶段：，，，，机组转速开始下降； 第三阶段：由于转速下降，离心摆转速随之下降，转 动套下移。，，，
为分析简便，常用调速系统Ymax永态转差率bs表示：
式中
nmax——Y=0时转速； nmin ——Y=Ymax时转速； Ymax——接力器最大行程。 bp=bs时，调速系统静态性近似为直线。
bp是调速系统静态性的一个参数，只与调速系统构造有关，和 机组特性及H运行无关。 ex是调节系统静态性的一个参数，既与调速系统构造有关，还 与机组特性及H运行有关。
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
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。 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。
第一章 水轮机调节的基本原理
第四节 调节系统静态与动态特性
前言： 1.调速器是机组最重要控制设备之一，其担负着机组转 速（f）调整、机组开机、停机、并网及有功负荷调整等 任务。 2.调速器性能的好坏直接关系到机组运行的稳定和可靠 性，甚至关系到电网的稳定。 3.调速器性能品质指标衡量指标： 调速器静态特性/动态特性，及其相关参数 一、调节系统的静态特性及品质指标
二、双调节调速系统工作原理
双调节系统：同时输出两个满足一定协联关系的调节 动作的调整系统。主要用于轴流转桨式、贯流转桨式和水 斗式水轮机。
综上所述双调节调速系统都只有一个测量元件—— 离心摆，根据机组转速的变化而使液压放大机构动作， 在输出一个调节动作的同时，经过协联器驱动另一套 液压放大系统，再输出一个与之配合的调节动作。 第二套液压系统只有硬反馈机构，跟随第一个调 节动作而动作。 软反馈机构及操作控制元件都设在第一套机构内， 以便形成一定的调节规律并实现多种功能。
（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
▲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；
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：
Q vS vbh
式中 v：转动套窗口油流速度； △S：引导阀窗口开度； b：转动套窗口宽度； △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；
（三）接力器 组成：接力器缸、活塞、活塞杆。活塞两侧油孔分别与主配压阀上、下控 制油孔连接，受主配压阀活塞控制。
y udt T
y
1
y :接力器位移量相对值，y等于接力器活塞位移量△Y与接力器活塞最大位移Y m 的比值； T y ：接力器反应时间，表明配压阀在最大开口时，接力器活塞走完全行程所用 的时间； u :配压阀控制油口开度相对值，等于配压阀活塞行程△S与配压阀最大行程 Sm 的比值； 接力器位移量的相对值y与配压阀控制油口开度相对值u的积分成正比。 三、反馈元件：改善系统稳定性并形成一定调节规律的元件。 反馈：把系统或环节的输出信号的一部分反送回输入端，我们将这种联系成 为反馈。
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：
M J
dw dt
d dt
J-机组转动部分 的转动惯量，kg•m²； —机组角加速度
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， M t；2. 发电机阻力 矩 M g。 发电机阻力矩 M g 随着用电负荷变化而变。当 M t 和M g 不相等时， 将失去平衡，机组的转速也将发生变化。 M t > M g ，dw （1） >0，负荷减少，转速上升，频率升高，应减小 dt 机组动力矩 ，使两个力矩相等，频率恢复正常范围。 （2） M t = M g ，机组转速不变。 dw (3) M < ， <0，负荷增加，转速下降，频率下降，应增 M g t dt 加机组动力矩，使频率恢复正常范围。 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 QH 9.81HQ Mt 因此，改变动力矩可通过改变Q、H和η 来实现。
或用最大功率调差率表示：机组空载时的转速nmax与额定 功率时的转速nmin之差与额定转速nr的比值，用ex表示。
简化分析时：ep=es，此时调节系统静态性近似认为是一条直线
调速系统静态特性：n（测速元件输入信号）随Y（接力器行程） 变化的曲线，以bp（永态转差率）表示。用相对量表示的调速系统 静态性某一规定运行点处斜率的负数。
❊ 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。
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。
(一)调节系统静态特性（静特性）：是指调节系统处于 平衡状态时，机组转速与发电机出力之间的关系。 分为：无差静特性、有差静特性
调节系统静态性 调差率：用相对量表示的调节系统静态性某一规定运行点处斜率的 负数，用 ep表示。
e e
p p
=0时，即 dx =0，系统为无差静态性。 >0时，即 dx 0，系统为有差静态性，n随着P增加而减小。
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
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。
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。
式 中
1)引导阀处于平衡位置时， p1 A1 p( A2 A3) 辅助接力器和主配 压阀都不动； 2)转速升高， p 1 0 ，在F作用下，辅 助接力器与主配压阀都上移，压力油 进入接力器左腔； 3)转速降低，引导阀接通压力油 时，p p ,因 A1 A2 A3，所以 1 , 辅助接力器与主配压阀下移， F F 1 压力油进入主接力器右腔，从而控制 主接力器左右移动。
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； 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； 调速器中一般采用负反馈。 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 局部反馈是一种硬反馈。
局部反馈作为液压放大装置（第一级液压放大）的内部校正，故称局部反馈。 调差机构也是一种硬反馈，除了具 有反馈作用，还有其他作用。
电网
水力发电生产过程：
压力引水 水库 道 L=0
发电机
功率 整流 屏 机械液 压执行 机构
励磁 调节 器 调 速 器
水轮机
尾水
频率与机组转速的关系（电机学而知）：f pn 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、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。
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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 ， h1 h2 、 h3 h4 ，上 孔封闭，下排孔打开， B腔油与排油相通； 3)转速下降， 、 ，上 孔打开，下排孔封闭， h1 h2 h3 h4 B腔油接通压力油。