调速器的原理及改造与维护

A/D模块 输出模块 输入模块 CPU模块
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三. 调速器的分类 2
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2.按电液转换类型
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伺服电机、步进电机型调速器
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用步进电机、交直流伺 6
服电机作为电液转换装置，实 7
现了无油转换。我国具有自主 8
知识产权。
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1，手轮；2，伺服电机；3，连轴节；4，滚动丝 杆副；5，输出轴；6，导向键；7，上轴承座； 8，复中弹簧；9，下弹簧座；10，机体
Uy为调节器的输出控制信号。
我国调速器标准中要求三项调节参数按 下列范围设置：
Kp：0.5～20 Ki：（0.05～10）1/s Kd：0～5 s
而对缓冲式调速器，调节参数及其参数 范围为：
暂态转差率 bt 1～100% 缓冲时间常数Td 1～20 s 加速时间常数Tn 0～2 s
；
KP
TD Tn btTd
7
3K 1d
Y D (k ) 8 Y D (k 1 )1[ 0 F (k ) F (k 1 )]
采样周期40mS，微分时间常数280mS
频率给定
机组频率
f
测频单元
（ +） （ -）
（ -）
比例运算
积分运算 微分运算
（ +） uy
△u
（ + ）（ + ）
（ +） （ -）
uy
综合 放大器
电 液 s1 前 置 级 s2 主 配 Q 主 接 y
二、水轮机调速器的主要功能
（4）事故数据记录功能 微机调速器在运行中不断地记录和刷新水 轮机调速系统的运行数据。当水轮发电机 组因事故而甩负荷停机时，微机调速器的 这一功能可以记录事故前后一段时间内的 有关数据及过渡过程曲线，供电厂有关人 员作事故分析。
三. 调速器的分类
1.按控制器类型
机械液压调速器
BA
S V
TP
• 比例伺服阀控制主配压阀原理图
2.按电液转换类型 ➢ 关于伺服电机、步进电机型调速器与伺
服比例阀型调速器
电机和伺服比例阀驱动能力小， 必须通过主配的液压放大来驱动主 接力器。
主配是非标产品，加工复 杂、维护不方便。
自复中装置不完善。
静态耗油量大。
适用于低油压调速器。
2.按电液转换类型
⑦友善的人机交互界面 ——数码管、液晶、触摸屏 ——显示数据、设置参数、记录信息
⑧手／自动方式无扰动切换 ⑨自动开／停机及紧急停机
1、基本功能
⑩在线故障诊断及处理 例如： ——并网前机频故障、接力器位置反馈断线： 停机 ——并网前／后网频故障： 跟踪给定频率 ——并网后机频故障、接力器位置反馈断线： 保持当前开度不变 其它：水头信号、随动故障、控制器故障
分
A
段
关
B
闭
阀
三. 调速器的分类 3.按油压等级
低油压型调速器(2.5,4.0,6.3MPa)
高油压型调速器(10MPa、16MPa及 以上)
➢ 关于高油压型调速器
3.按油压等级
充分采用液压行业中先进而成熟 的技术成果，是高油压调速器的主要特点。 传统水轮机调速器及油压装置，工作油压 低，采用价格很高的螺杆泵及小批量生产 的非标准液压件，体积大，用油量大。高 油压调速器的工作油压定为16MPａ，全部 采用了液压行业的各类先进成熟的标准产 品。在压力油源部分，采用了高压齿轮泵、 滤油器、囊式蓄能器及相应的液压阀；在 结构上采用了液压集成块和标准的液压附 件。
机组并网运行时调速器的调节规律及永态转差系数
调速器的静态特性
并入电网后，调速器输入输出关系: Y 1 X
bp
Y为调速器的接力器开度；X为机组相对转速； bp为永态转差系数。
永态转差系数定义为：用相对量表示的调速器静态特性曲线斜率的
负数：bp
X Y
永态转差系数：0~10%，
fcfgbp(ycyP ID )＝ 0
1 K I btTd
KD
Tn bt
机组并网运行时调速器的调节规律及永态 转差系数
水轮发电机组大部分时间是并入电网运行 ，向电网送出电能。电网容量较一台发电 机组的容量大很多，并入电网以后，机组 导叶开度的变化，只能改变自身的出力， 对电网频率的影响很小，此时，机组被电 网拖入同步运转。电网要求并入电网的机 组必须按所要求的永态转差率运行，这时 ，调速器是按有差规律进行调节。
调速器的原理 及改造维护
一、水轮机调速器的基本原理
给定转速
水轮机调速器
n
n 0（ +）
转速测量
（ -）
n
△n
调节器
（转差）
导
y水
电液随动系统
机
构
水轮 n
发电机组
调图 速9 -器2 工水作轮基机本调原速理器图基 本 工 作 原 理 简 图
被调量：转速（频率），功率； 目标：转速给定值（额定转速或频率），功率
二、水轮机调速器的主要功能
（3）计算机辅助调试和试验功能 通常称这种功能为计算机辅助试验功能。试验 信号的发送、试验数据的记录、试验数据的处理、 试验曲线的绘制、参数的整定、试验结果的分析、 试验报告的形成，都是由调速器内置的微机系统 来实现的。这一功能为现场检修维护人员提供了 一种简便易行的调试与整定手段，省去了外部测 试仪器需要接信号传感器和仪器的麻烦，调速器 调试过程做到了省时省力，是调速器试验手段的 一种改革
二、水轮机调速器的主要功能 2．特殊功能 （1）容错控制功能
容错控制功能是指当调速器控制系统中
的部件发生故障时，控制系统自动采取一 些修补措施，允许调速器在降低一些性能 指标的情况下保证机组带负荷继续运行。 这一功能符合我国电网目前还不能允许机 组经常停机的实际要求。我国的大型微机 调速器大多采用的是硬件冗余的措施实现 容错功能控制。目前常用的冗余控制有：
展十分迅速的技术。在全世界的自动 化控制装置中，PLC的产量、销量、 用量位居榜首。PLC、机器人和 CAD/CAM是现代工业自动化的3大支柱。 PLC之所以成为许多工业自动控制设 备和系统的首选产品，是由于它具有 高可靠性。
1.按控制器类型 数字式电液调速器（微机调速器） PLC:
电源模块
D/A模块
数字阀型调速器
油质要求可达到50um；在调节精度上采 取两组甚至三组调节阀的形式，满足大波动小 波动调节。
数字阀完全实现了与微机的数字化接口。
数字阀是液压行业的标准产品，模块化 结构。
驱动能力大，可以直接驱动接力器。
其静态耗油量量可以做到零，完全无渗 漏。
2.按电液转换类型
数字阀型调速器
2.按电液转换类型
测速、稳定及反馈信号用机械液压的方 法产生，经机械液压综合放大后通过放大部分驱 动水轮机接力器。最早的水轮机调速器都是机械 液压调速器，它是随着水电建设发展而在20世纪 初发展起来的。它能满足带独立负荷和中小型电 网中运行的水轮发电机组调节的需要，有较好的 静态特征和动态品质，可靠性高。但是，面临大 机组、大电网提出的高灵敏度、高性能和便于实 现水电站自动化要求，机械液压调速器固有的采 用机械液压方法进行测量、信号综合和稳定调节 的功能就露出明显的缺陷。
1、基本功能
④接受中控室指令，实现AGC功能 ——硬接线、通信 ——操作信号、状态量、模拟量、故障信号 ——AGC是按功率调节的自动发电控制
⑤按水头改变控制参数 ——启动开度、空载开度、开度限制 ——功率限制 ——转桨调节的协联曲线
1、基本功能
⑥多接力器的协联调节与控制 ——转桨式水轮机、冲击式水轮机
转换器 液压放大
压阀
力器
测频单元
永态转差率
（ bp）
调节器
位移传感器 电液随动系统
图 9-3 电 子 调 节 器 及 电 液 随 动 系 统 的 调 速 器 结 构 框 图
电子调节器及电液随动系统的调速器结构框图
二、水轮机调速器的主要功能
1、基本功能 ①频率测量与调节
——并网前自动跟踪网频，实现快速并网； ——孤网运行按给定频率调节 ——并网后实现一次、二次调频 测量方式： 高速计数模块配合中断模块测量 频率信号源：发电机机端电压互感器,交流(0.3～ 150V) 测频范围： 残压测频 (10～90Hz) 齿盘测频： (2～90Hz) 测频分辨率：±0.0015Hz
三. 调速器的分类
伺服电机、步进电机型调速器
u P ID
u
(+ ) (– )
放 大 器
u s
驱 动 电 源
直 流 伺 服 电 机
丝 杆 传y1 动 机 构
位 移 传 感 器
三. 调速器的分类
2.按电液转换类型
比例伺服型调速器 以电控方式实现对流量的节流
控制
国外调速器主要采用的元件。 调节精度高，对油质管理要求高。
Y P ( k ) I Y P D ( k 1 I ) Y P ( k ) Y I ( k ) Y c / P c ( k ) Y D ( k ) YPI(k–1)为前一周期的比例、积分及开环增/减分量之和，即 PID调节的比例积分作用及开环增/减作用分量；在开度调节
或功率调节模式下，YPID(k)=YPI(k)。
1.按控制器类型
➢ 关于机械液压调速器与电气液压调速 器
元器件固定，功能简单单一，扩 展功能受限制，检修维护复杂困难。
改造：更换控制柜、电液转换系统 低油压改高油压、取消主
配、接力器内置改外置
三. 调速器的分类
1.按控制器类型
数字式电液调速器（微机调速器）
20世纪80年代以来随着电子技术及计算 机技术的发展，微机技术被应用到调速器中， 并形成了微机调速器。已经在市场中占主导地 位。
二、水轮机调速器的主要功能
2．特殊功能
（1）容错控制功能 目前常用的冗余控制有：
a）双微机系统冗余 b）双电液转换部件冗余； c）双导叶位置传感器冗余； d）残压测频和齿盘测频冗余。
二、水轮机调速器的主要功能
（2）离线诊断和维护功能 该功能的设置主要为电厂维护检修人员提 供一种快捷简便的检测手段。维护人员可 通过操作一系列有针对性的计算机指令， 由计算机来完成对个硬件模块插件板的检 查，使维护人员迅速了解设备中各硬件电 路的情况，缩短分析查找故障的时间，减 少检修维护工作量
微机分为两种，一种是传统意义的微 机，即单片机系统。另一种是PLC。单片机是 由生产厂家根据要求自己设计生产的电路板， 由于规模、成本上的限制，没有形成标准化、 批量化生产，因而在可靠性及抗干扰性上存在
三. 调速器的分类
1.按控制器类型
数字式电液调速器（微机调速器） PLC是一种应用非常广泛、发
Y P ( k ) K [ F p ( k ) F ( k 1 )]
Y I(k ) K I[ F (k ) b p ( Y /P (k ))]
F(k)FFcn((kk))FFgg((kk))
Y/P(k) Y Pcc((kk)) Y PP g(IkD ()k1)
Yc/Pc(k)是有增/减（开度或功率）操作时的开环增/减分量。
给定值； 引起转速变化的原因：机组负荷扰动或进入水
轮机的水量（水头）的变化。
组成：转速偏差测量机构、调节器和电
液随动系统或执行机构
调节器调节规律：PI，PID（比例+积分+
微分）
PID调节器的输出表达式为：
Uy=ＫpΔn
+ＫI
ndt
+ＫDd
dt
n
式中：Δn 为转速偏差；
Ｋp、ＫI和ＫD为比例项、积分项和 微分项增益；
三. 调速器的分类
1.按控制器类型
电气液压调速器
测速、稳定及反馈信号用电气方法 产生，经电气综合、放大后通过电气液压 放大部分驱动水轮机接力器。20世纪50年 代以后，电气液压调速器获得了较为广泛 的应用。从采用的元件来看，它又经历了 电子管、磁放大器、晶体管、集成电路等 几个发展阶段。
三. 调速器的分类
数字阀型调速器 (a)两电磁铁都不带电
(b)左电磁铁带电
(c)右电磁铁带电
数字阀型调速器
UPID (+)
Байду номын сангаас
Δu (-) US
UK
ΔΔ
UK>0
0
UK
0
UK<0
开
开接
t
关
电磁换向阀 关
力
YS
t
器
US 位移传感器
数字阀型调速器
电机型调速器
机械分段关闭装置
关闭 接力器
P控 T制
阀
主配压阀 事故配压阀
二、水轮机调速器的主要功能
1、基本功能
① 频率调节
F
t f1
高频时钟信号 N
f2
&
f4
f1
放 大 f2
分 频 f3
整形
f3
t T
t
t
f4
T
t NT
1、基本功能
②有功调节 ——并入电网后，按永态转差系数和
频差、 水头自动调整机组出力
③自动改变工作模式与工作状态， 变参数调节
水轮机调速器的节模式
水轮机调速器的工作状态
➢ 关于高油压型调速器
• 高油压调速器应用了电液随动装置等现代 电液控制技术，减少了调速器的液压放大 环节，结构简单，工作可靠，具有优良的 速动性及稳定性。
• 高油压调速器的液压元器件标准化、专业 化、国际知名程度高，均为大批量工业化 生产，具有强大的技术支撑和可靠的质量 保证体系，在国内市场均有丰富的硬件资 源。不仅确保了产品质量，也为采购备品 备件提供了便利。