水轮机调节 3 罗远福上节课知识回顾： 1、什么是调速器？随着负荷的改变，相应改变导水机构(喷嘴 或导叶等)的实际有效流量，以使水轮发电机组 的转速维持在某一预定值，或按某一预定的规 律变化的设备。上节课知识回顾： 2、离心摆的工作过程？上节课知识回顾： 3、引导阀的工作过程？上节课知识回顾： 4、辅助接力器与主配 压阀的工作过程？本节课知识重点： 1、水轮机调速系统工作原理。第三节 水轮机调速系统的工作原理 一、无反馈的调速系统：1、系统组成：离 心摆（测速元件 ）、引导阀（一 级放大元件）、 辅助接力器与主 配压阀（二级放 大元件）、接力 器（执行元件） 和水轮机（调节 对象）。水轮机2、工作原理 当转速为额 定转速时，引 导阀与转动套 、辅助接力器 与配压阀在相 对中间位置。当转速升高- 离心摆下支持块 带动引导阀转动套 上移-引导阀中 间腔室与排油相通 ，腔内油压 辅助接力器与配压 阀活塞接通-压 力油进入接力器左 腔，同时右腔接通 排油- 接力器活塞右移 关小导叶，减小流 量。 Mt=Mg 此时接力器继续 关闭，导致n0n1关当转速降低-离 心摆下支持块下移 -带动引导阀转 动套下移-引导 阀中间油腔与压力 油相通- 辅助接 力器与主配压阀活 塞下移-压力油 进入接力器右腔， 同时左腔接通排油 - 接力器活塞左 移-开大导叶， 增加流量。 Mt=Mg 此时接力器继续 打开，导致n1n0开3、存在问题？当一个调节过程结束后 ，动力矩和阻力矩相平 衡时，引导阀针塞、辅 助接力器与主配压阀活 塞不能及时回到相对中 间位置，控制油口不能 及时关闭。当机组转速升 高，系统通过调节使转 速降到n0后，接力器活 塞仍继续推动导叶移动 ，会产生过调节现象： 使转速进一步降低于额 定转速，当低到一定值 时，系统又会按转速过 低去调整反复不断 调整。4、结论：稳定的系统：如果机组改变了原来的平衡状态，经过调节 ，机组能达到新的平衡状态。显然，是一个不稳定系统。5、如何改进？经上述工作过程分析 ，造成系统不稳定的 原因是过调现象。所 以要改进系统就必须 ：在转速恢复到额定 值（即动力矩与阻力 矩相平衡）时，设法 使引导阀与转动套、 辅助接力器与配压阀 活塞回到相对中间位 置。 即：引入硬反馈与软 反馈二、反馈元件1、自动控制基本概念: 反馈：把系统或环节的输出信号的一部分反送回输 入端。 反馈元件-用于改善系统稳定性，并形成一定调 节规律的元件。负反馈：反馈信号的作用方向与原输入信号 的作用方向反馈相反的反馈。正反馈：反馈信号的作用方向与原输入信号 的作用方向相同的反馈。硬 反馈（又称比例反馈） ：反馈元件的输出信 号与反馈输入信号成比例关系。 软反馈（又称暂态反馈）：反馈信号只在调节过 程中存在，调节过程结束后，反馈信号自动消失的 反馈。（一）硬反馈 1、在水轮机调速系统中，局部反馈和调差机构（见 P10系统图）都属于硬反馈。局部反馈：它在系统中的作用是作为第一级液压 放大机构的内部校正，所以对于整个控制系统而 言只起到局部反馈的作用。（见图P10系统图）硬反馈特点：1、当有输入的时候，就有输出。 2、输入与输出成比例关系（见书P8）。三、具有硬反馈的调速系统工作原理C DA B关p00p01、系统组成： 离心摆（测速元 件）、引导阀（ 放大元件）、辅 助接力器与主配 压阀（放大元件 ）、接力器（执 行元件）和水轮 机（调节对象） 、硬反馈元件（ 杠杆AB）。C DA B关p00p02、工作原 理 当转速为 额定转速时 ，引导阀与 转动套、辅 助接力器与 配压阀在相 对中间位置 。C DA B关p00p0当转速升高-离心摆下 支持块上移-带动引导阀 转动套上移-引导阀中间 腔室与排油相通，腔内油压 降低- 辅助接力器与配压 阀活塞上移- 压力油进入 接力器左腔，同时右腔接通 排油-接力器活塞右移- 关小导叶，减小流量。同时 ，当辅助接力器上移时，带 动反馈杠杆的B端上移-A 端下移，C端随之下移，同 时使D端上移-使引导阀 针塞上移，使针塞与转动套 回到相对中间的位置。C DA B开p00p0当转速下降的调节过程？C DA B关p00p0例如，机组在n0下运行 ，当电网负荷减少时，Mt Mg,机组转速上升，调 速系统开始动作，使进入 水轮机的流量减少，最终 使MtMg ，转速停止上 升，此时机组在转速n1下 稳定，但此时的 n1nmax. 即n0 n13、存在问题？4、结论：具有硬反馈的调速系统解决了过调现象，但 是存在有差调节。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。（二）缓冲装置（又称软反馈元件）1、作用和意义：用于调速系统的反馈校正，其性能 直接影响调速系统的稳定性。缓冲装置的壳体分为上、下2个腔室，其内部充油 ，节流孔是上、下腔之间的唯一通道；主动活塞受 主接力器活塞控制，从动活塞作用于引导阀针塞。2、结构及其特点：3、工作原理： 当主动活塞受到主接力器反馈体的作用向下移动时， 下腔油压升高-从动活塞上移-输出从动活塞位移 信号，并作用于引导阀针塞；同时压缩从动活塞弹簧。 在此期间，因下腔油压高于上腔油压，下腔油经调节阀 进入上腔室，在主动活塞弹簧恢复力作用下，上、下腔 油压差越来越小，直至压差为0，从动活塞在自身弹簧 恢复力作用下，回复到中间位置。当主动活塞受到主接力器反馈体的作用向上移动 时，上腔油压升高-从动活塞下移-输出从动 活塞位移信号，并作用于引导阀针塞；同时向下拉 伸从动活塞弹簧。在此期间，因上腔油压高于下腔 油压，上腔油经调节阀进入下腔室，在主动活塞弹 簧恢复力作用下，上、下腔油压差越来越小，直至 压差为0，从动活塞在自身弹簧恢复力作用下，回复 到中间位置。由上述分析可知：缓冲装置的输出信号（从动活塞 位移量）只在调节过程中存在，调节过程结束后就 自动消失，所以也称软反馈元件。4、输出量（从动活塞位移量）与输入量（主动活 塞的位置量）的关系：5、缓冲装置的2种特殊情况：当Td=0时，即节流孔全开（可极限地认为上下两 油腔全通成一个整体），油流阻力系数为0，此时无 论输入信号怎样变化，都不产生输出信号，即Z2=0. 这是因为不管主动活塞上移或是下移，连成一体的 上下腔油压无压差，所以从动活塞位置不变。当Td 时，节流孔全关，当给主动活塞 一个位移Z1时，从动活塞也产生一个位移Z2， 由于节流孔堵住，上下腔油压无法平衡，所以 从动活塞无法回复，此时的缓冲装置相当于一 个硬反馈元件。k四、具有软反馈的调速系统1、系统组成： 离心摆（测速元 件）、引导阀（ 放大元件）、辅 助接力器与主配 压阀（放大元件 ）、接力器（执 行元件）和水轮 机（调节对象） 、软反馈元件。k2、工作原理 当转速为 额定转速时 ，引导阀与 转动套、辅 助接力器与 配压阀在相 对中间位置 。k当转速升高- 离心摆下支持块 上移-带动引导 阀转动套上移- 引导阀中间腔室 与排油相通，腔 内油压下降-辅 助接力器与配压 阀活塞 压力油进入接力 器左腔，同时右 腔接通排油- 接力器活塞右移- -关小导叶，减小 流量。k当接力器右移时， 反馈锥体使杠杆的 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 上移与转动套回到 相对中间位置，使 接力器停止移动。 此时Mt = Mgk接力器停止移动 后，受活塞弹簧 的作用，主、从 动活塞逐渐向中 间位置回复，同 时使引导阀针塞 稍有下移。引导阀针塞下移 的结果是什么？k引导阀针塞稍有 下移，使导叶进 一步关小，使Mt Mg，进一步 降低转速，这时 ，离心摆有所下 移，带动转动套 下移，使转动套 与针塞回到相对 中间位置，使得 已上升了的转速 降回到原来的额 定值，并保持转 速稳定。k转速降低过程?4、结论：不管是负荷增加使转速下降还是负荷减少 使转速上升，经过系统调整后，机组能恢复到原来 的额定转速并稳定下来，即实现无差调节。无差调节：不论机组负荷增加还是减少，调节后的稳定转速都 保持不变。总结：调速系统中，为了具有稳定性，必须引入反 馈环节；引入硬反馈环节，系统存在有差调节；引入软反馈环节，系统可实现无差调节。因这两种反馈均有它们自身的优点，所以在 实际系统中，一般2 种反馈均同时采用，以实现 系统的更好的调节品质。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？作业：四、调速器的发展1.发展状况 1）最早的调速器是机械型调速器，它利用测速元件 直接控制进汽阀。19世纪末至20世纪30年代，主要的调速器是机 械液压型调速器。它主要是用液压放大元件作为功 率放大设备。20世纪40年代中其，出现了电气液压型调速器 。它早期是用电气回路代替一些机械元件；后来直 到出现电子调速器，电气液压型调速器有了独立的 模式。20世纪80年代以来，出现了微机液压调速器。 它具有优良的稳定性和速动性。我国在此期间也研 制出了多种液压微机调速器，其技术已跻身于世界 先进国家行列。 2）1983年我国第一台水轮机微机调速器诞生 3）技术与国际先进水平基本保持同步4）可靠性、产品质量、工艺水平与国外产品有一 定差距5）出现了用国产调速器替换进口产品的苗头 6）市场逐渐规范，形成数个知名调速器生产公 司7）调速器理论联系实际的科研方法值得强调和 提倡2. 现代电网、水电厂的新发展及对水轮机调速器的 要求新发展1）区域电网形成（华北、华中、华东、西北、 东北 ）、总功率日趋增大、区域电网间联网2）电网、水电厂广泛采用调度自动化、计算机 监控系统和自动发电控制（AGC）3）电网、水电机组运行可靠性大幅度提高新要求1）调节控制目标原来：机组、电网频率（转速）调节器现在：机组、电网频率（转速）调节器 孤立电网大电网（一次调频）机组功率控制器（二次调频）调度自动化、AGC的有功功率末 端控制器3.国内外数字式（微机）调速器的比较 1）国内调速器我国的数字式电液调速器的调节及控制在国际 上处于领先地位。2）微机调节器 硬件 国外调速器各公司采用自行设计生产的专用微机控制器，相 互之间没有共同的技术标准，差异较大；控制器生产批量不大，备品备件必需依赖原生产 厂家，升级换代困难；可靠性高。2）微机调节器 硬件 国内调速器多采用国际知名公司的可编程控制器（PLC）， 不同公司PLC产品的装置要求、试验、编程语言、用 户指南和技术条件等均是按照国际电工委员会（IEC ）的可编程控制器（PLC）技术标准设计生产的；生产批量很大，备品备件获取方便，升级换代有 保证；采用PLC及国际知名品牌器件系统集成，可靠性高 。 软件调速器的调节和控制性能及功能主要由微机调 节器的应用程序实现和保证。 国外调速器调速