水轮机结构组成和控制原理讲座

1、 2 水轮机调速器的结构组成和控制原理 o 一. 水轮机调速器的电气结构组成 o 二. 水轮机调速器的机械结构组成 o 三. 水轮机调速器的控制原理 o 四. 水轮机调速器液压系统介绍 o 五. 水轮机调速器故障分析 o 六. 水轮机调速器现状和发展趋势 3 一. 水轮机调速器的电气结构 1. 供电电源及操作电源 2. 核心控制器 3. 测频部分 4. 反馈测量部分 5. 驱动部分 6. 人机界面 7. 通讯 8.其他元器件 4 1.调速器的供电电源和操作电源 冗余供电系统： 交流电源输入：AC85V264V，4070HZ 直流电源输入：DC120V240V 操作电源：DC24V 5 2.核心

2、控制器 核心控制器的主要类型： 1.德国西门子PLC(具有本体高精度测频） 2.法国施耐德PLC 3.日系PLC 4.国产PLC 6 l系统频率： l机组频率（冗余测频） 1.残压测频 2.齿盘测频(SSG) 3.测频部分 4.反馈测量部分 导叶反馈测量 桨叶反馈测量（轴流转桨式，灯泡式机组） 喷针、折向器反馈测量（冲击式机组） 功率反馈测量 水头反馈测量 主配反馈 流量反馈测量 功率给定测量 开度给定测量 转速给定测量 流量给定测量 常用的测量信号源：0-10V,4-20mA，+-10V 8 光电耦合器 ：数字阀驱动 步进电机驱动器 伺服驱动器 比例阀驱动器 5.驱动部分 9 l 触摸屏 用

3、于调速器的数据显示，参数设置，故障追 忆，点量监视，流程显示等 6.人机界面 10 7.通讯 常用的通讯的物理口： RS485，RS232，RS422，以太网 常用的通讯的规约： Modbus，profibus，MPI，MB+，TCP/IP 11 继电器 开关 端子 旋钮 指示灯 a i 8.其他元器件 12 二 . 水轮机调速器机械结构组成 主配压阀 按流道通经分为： 16、 32、50、 80、 100、 150、 200、 250 按控制结构分为：引导阀式、直驱式(无引导 阀） 电液转换器 比例阀式、数字阀式、步进电机式、伺服电 机式、冗余式 13 数字阀式 特点： 采用PWM控制方 式

4、，带有微调控制， 操作简单，维护方 便，一般用于中小 型水电机组调速器 14 步进电机式 o 该装置包括筒体，与筒体 连接的电机，电机轴通过连结 装置与滚珠丝杆副穿入筒体中， 滚珠丝杆通过丝杆螺母与联结 套连接。联结套穿过两彼此分 开的具有一段行程的弹簧套， 复中弹簧设在弹簧套中，筒体 设有两弹簧套的限位装置。电 一位移转换过程由纯机械传动 完成，滚珠丝杆运动灵活、可 靠、摩擦阻力小，并且能可逆 运行。传动部分无液压件，无 油耗。 15 比例数字冗余式 调速器机械液压系统由主配压阀1、 先导控制级2、底板3、阀盖4、压 力油过滤器5、压力表开关及压力 表6、主配位移传感器7、开机时 间调整螺母

5、8、关机时间调整螺母 9、比例伺服阀10、带手动操作的 关机电磁球阀11、带手动操作的 开机电磁球阀12、比例阀或电磁 球阀为主用的功能分选阀13、紧 急停机电磁阀14、先导控制级活 塞15等组成 16 比例数字冗余式 o 主配压阀1由阀体、衬套及活塞组成，活塞 上行为开机组接力器，活塞下行为关机组接 力器，其活塞的位移控制由先导级来实现。 主配压阀活塞采用液压反馈定位复中，不需 要调整机械零位。 o 先导控制级2由缸体及活塞组成，其活塞位 移的控制由比例伺服阀或电磁球阀来完成。 17 主配压阀（引导阀式） o 主配压阀为锻件整体加工 件料均优质合金钢40CrM，粗 加工后进行高温时效处理（消

6、 除心部应力，提高切削性能）， 半精加工后进行渗碳、淬火处 理（提高表面硬度和耐磨性）， 最后进行精加工和表面防锈处 理或手动研磨。这样加工出的 零件既具有好的心部韧性，又 有高的表面硬度和耐磨性，表 面洛氏硬度处理可达HRC:60- 64度。主配压阀加工精度高， 无泄漏，外形美观，耐磨损、 抗油污。 18 主配压阀（直驱式） 19 三.调速器控制原理 o 调速器控制系统图调速器控制系统图 o 调速器控制流程调速器控制流程 o 水轮机调速器静态个动态特性水轮机调速器静态个动态特性 o 调速器控制调速器控制PID算法算法 o 调速器测频原理调速器测频原理 20 调速器控制系统图（冗余式） 21

7、调速器控制系统图（双比例阀） 22 水轮机数字式（微机）电液调速器 步进电机系统原理框图 23 水轮机数字式（微机）电液调速器 比例伺服阀自复中系统原理框图 24 水轮机数字式（微机）电液调速器 典型结构 步进电机（速度环）电液转换器/机械液压随动系统型 步进电机电液转换器/机械液压随动系统型调速器框图 25 调速器控制流程 26 水轮机调节系统的静态和动态特性 o 技术标准对技术标准对Ta和和Tw的规定的规定： o l 水轮机引水系统水流惯性时间常数Tw： o 对于PID型调速器，不大于4s； o 对于PI型调速器，不大于2.5s； o l 机组惯性时间常数Ta： o 对于反击式机组，不小于

8、4s； o 对于冲击式机组，不小于2s。 o l 比值Tw/Ta不大于0.4。 27 步进电机电液转换器/机械液压随动系统型调速器方块图 二. 水轮机数字式（微机）电液调速器 28 交流伺服电机电液转换器/电液执行机构型： 交流伺服电机电液转换器/电液执行机构型调速器框图 二. 水轮机数字式（微机）电液调速器 29 交流伺服电机电液转换器/电液执行机构型调速器方块图 二. 水轮机数字式（微机）电液调速器 30 二. 水轮机数字式（微机）电液调速器 微机调速器自动调节部分框图 31 二. 水轮机数字式（微机）电液调速器 o 人工频率死区环节的特性，其数学表达式为：人工频率死区环节的特性，其数学表

9、达式为： F=0， F=FEf， F=F+Ef， 当EfFEf 时 当 EfF时 Ef F F Ef 0 32 二. 水轮机数字式（微机）电液调速器 o 人工频率死区取值人工频率死区取值 o Ef的一般取值范围相当于频率值为00.5Hz在频 率转换系数Kf=25000时所对应的范围，即 Ef=0250 o Ef可由程序按调速器的运行工况和调节模式自 动地被设定：机组在“空载”工况运行时，设定 Ef=0；机组在并入电网方式下运行，且调速器在 “频率调节”模式下时，设定Ef=0；调速器在 “开度调节”和“功率调节”模式下时，设定 Ef=0.033Hz。 33 l永态差值环节和人工死区： l三种调节

10、模式： （218） l l （219） 人工开度人工开度/ /功率死区环节特性功率死区环节特性 调节模式间的转换关系调节模式间的转换关系 二. 水轮机数字式（微机）电液调速器 ()0D=-+- cgpcPID Iffbyy ()0D=-+- cgpcg Iffepp 34 1. 水轮机微机调速器的基本调节模式 二. 水轮机数字式（微机）电液调速器 35 二. 水轮机数字式（微机）电液调速器 o1. 水轮机微机调速器的基本调节模式 o频率调节模式：机组空载或在孤立电网中运行； o功率调节摸式：机组并入大电网运行； o开度调节模式：机组并入大电网运行，功率传感器故障或未装功 率传感器； o机组空载

11、：频率调节模式； o机组并入大电网：功率调节摸式或开度调节模式； o机组在小电网（带孤立负荷）：频率调节模式； 36 2.静态特性 频率给定； 电网频率； 机组频率； 开度给定； l 稳态状态-积分输入为零，其表达式为(接力器开度): 微机调节器的静态特性 ()()0D= D+D= D+- ppcPID Ifbyfbyy ()0D=-+- cgpcPID Iffbyy D=- ng fffD=- cg fff c f g f c y n f 37 2.静态特性 o 永态差值系数bp/ep o bp是指导叶接力器行程永态差值系数， 用于“频率调节”和“开度调节”模式；ep 是指机组功率的永态差值

12、系数；部分调速器 往往只引入bp的概念，即在“功率调节”模 式下，也采用永态差值系数bp。 38 2.静态特性 l 稳态状态-积分输入为零，其表达式为（机组功率）: l 功率永态差值系数 l 机组功率给定 l 机组功率 ()0D= D+- pcg Ifepp ()0D=-+- cgpcg Iffepp p e c p g p 39 2.静态特性 静态特性主要参数和变量 o 频率给定fc o 功率给定Pc o 开度给定yc o 频率fg o 接力器开度y o 机组功率Pg o 永态差值系数bp o 功率差值系数ep 40 2.静态特性 o 接力器开度给定 是机组频率 等于频率给定 时的接力 器开

13、度 ；当机组频率基本不变时（机组并入大电网）， 应该调节开度给定来调节机组负荷； o 频率给定 是接力器开度 等于接力器开度给定 时 的 机组频率 ； o 当机组在孤立电网工况工作，bp应取为（0.51.0）， 机组功率由负荷决定，此时调节开度给定没有明显作用。 c y c y g f c f PID y PID y c f g f ()0D=-+- cgpcPID Iffbyy 41 2.静态特性 cgpc 50 ()ffbyyD- D= -D- D 空载工况下调整频率给定空载工况下调整频率给定fc和开度给定和开度给定yc的定性分析的定性分析 导叶接力器行程变化所引起的机组频率变化为： 式中

14、： f单位是HZ，y单位是相对值（0100）； gyf fKy D=D + fcfg + yc y Kyf 1 50bp 42 2.静态特性 o空载或孤立电网工况下调整频率给定空载或孤立电网工况下调整频率给定fc和开度给定和开度给定yc的定性分析的定性分析 pyf gc yfp p c yfp 50 50 50 50 b K fy Kb b yy Kb D=D + D=D + yf gc pyf c pyf 50 1 50 K ff bK yf bK D=D + D=D + 当fc=0时，调节开度给定yc，易得： 当 时，调节频率给定fc,，易得：0 c y ： 43 2.静态特性 o 空载或

15、孤立电网工况下调整频率给定空载或孤立电网工况下调整频率给定fc和开度给定和开度给定yc的的 定性分析定性分析 o取一组具体参量的数值，用上面公式进行计算：取一组具体参量的数值，用上面公式进行计算： o bp=0.02； Kyf=100（的物理概念是：导叶接力器行程变 化0.01，机组频率变化1Hz）； =0.5Hz； =0.5（即开度 给定变化50%） o1。机组自动空载或孤立电网工况下，调整频率给定fc的作用 o计算结果表明：计算结果表明：当频率给定变化0.5Hz时，被控机组的频率相应 变化了0.495Hz；但是，接力器行程仅仅变化了0.495%。 g 1000. 5 0. 495 500.

16、 02100 f D= + 0. 5 0. 495% 500. 02100 yD= + c fD c yD 44 2.静态特性 o 空载空载或孤立电网或孤立电网工况下调整频率给定工况下调整频率给定fc和开度给定和开度给定yc的定的定 性分析性分析 o2。机组自动空载或孤立电网工况下，调整开度给定Yc的作用 o计算结果表明：计算结果表明：当变化开度给定yc达0.5(即50%)时，才能达到与变化频 率给定0.5Hz的同样效果。实际上，由于bp=0.02对应于接力器全行程 （y：01.0）的永态频率差值为1.0Hz，因此，只有开度给定yc变化半 全行程（yc=0.5）时才能使被控机组频率变化0.5H

17、z。然而，由于机组 在空载工况下，其空载开度一般很小（15%30%），yc向下的调整空 间太小，故不能满足用调整yc的方法改变被控机组频率fg的要求。机组在 自动空载工况下，一般不采用调整开度给定yc的方法来改变机组频率fg。 g 500. 02100 0. 50. 495 500. 02100 f 创 D= + 500. 02 0. 50. 495% 500. 02100 y D= + 45 对静态特性的影响 l 调整频率给定和开度给定后的微机调节器静态特性 2.静态特性 ()0D=-+- cgpcPID Iffbyy cc yf 、 46 2.静态特性 fc =50.5Hz，yc=0.5，

18、bp=0.04 (b) fc=50Hz，yc=0.5，bp=0.04 (a) 0 fg(Hz) y1.00.5 49.0 50.0 51.0 0 fg (Hz) y1.00.5 49.5 50.5 51.5 fc=50Hz，yc=0.5，bp=0.02 (d) fc=50Hz，yc=0.25，bp=0.04 (c) 0 fg(Hz) y 1.00.25 48.5 50.0 50.5 0 fg(Hz) y1.00.5 49.5 50.0 50.5 47 pcgc byyff、l 的关系： 微机调节器的静态特性（bp=0） 2.静态特性 48 l 人工频率死区： 和人工开度/功率死区 (a) fg

19、、Ef以赫兹表示的特性 (b) ef以相对值表示的特性 Ef起作用时微机调节器的静态特性 F E pF E / 2. 静态特性 49 Ey起作用时微机调节器的静态特性 2. 静态特性 50 2. 静态特性 51 Ef0、Ey0微机调节器静态特性 2. 静态特性 52 l 协联特性： 微机调节器采用的水轮机协联曲线 二. 水轮机数字式（微机）电液调速器 53 插值节点表 54 3. 动态特性(PID传递函数表达式) PIDD PI 1v ( )1 ( )1 YSK S KK F SST S 骣 =+ D+桫 PIDdnnt tdtd1v ( )11(/) ( )1 YSTTTb S F SbTb

20、TST S 骣 + =+ D+桫 dn P td I td n D t 1 TT K bT K bT T K b + = = = 55 3. 动态特性(PID离散表达式) o 采样周期采样周期 o 若要将PID调节规律用软件实现，则必须进行离散计算。 采样周期 是离散计算过程中极为重要的一个量。由 PLC（可编程控制器）或其他工业控制计算机作为硬、 软件主体构成的水轮机微机调速器，都是一种借助程序 实现调节和控制功能的数字电子装置。可编程控制器是 以巡回扫描的原理或定时处理的原理工作的。可编程控 制器完整地执行一次可编程控制器系统、用户程序所占 用的时间，称之为采样周期。 o 准确地知道采样周

21、期的数值，对于准确地应用离散 PID算法来实现PID调节规律是十分重要的。 56 3. 动态特性(PID离散表达式) o 比例作用比例作用输出比例于输入输出比例于输入，输出对输入的响应没有时间差；输出对输入的响应没有时间差；离散化离散化 时与采样周期时与采样周期 无关。无关。 o杠杆输出位移y(t)比例于（杠杆比k）其输入位移x(t): o运算放大器输出Uout(t)比例于（放大系数k）其输入Uin(t): ( )( )=y tkx t ( )( )= outin UtkUt 57 3. 动态特性(PID离散表达式) o 比例作用分量YP PP PP ( )( ) (1)(1) YkKF k

22、YkKF k =D -=D- PPP ( )( )(1)YkYkYkD=- PPP PP ( )( )(1) ( )( )(1) YkYkYk YkKF kF k = D+- D=D- D- 58 3. 动态特性(PID离散表达式) o 积分作用积分作用输入为零，输出保持常数；输入为常数，输出等速输入为零，输出保持常数；输入为常数，输出等速 变化；输出取决于输入和时间，离散化时与采样周期变化；输出取决于输入和时间，离散化时与采样周期 有关。有关。 o积分的物理概念：在时刻积分的物理概念：在时刻t,被积曲线与横轴之间的面积。被积曲线与横轴之间的面积。 o汽车行驶路程汽车行驶路程s(t)是其速度是

23、其速度v(t)的积分：的积分： o接力器位移接力器位移y(t)是主配压阀活塞偏离中间平衡位置位移是主配压阀活塞偏离中间平衡位置位移x(t)的积分：的积分： 0 ( )( )= t s tv t dt 0 ( )( )=D t y tx t dt 59 3. 动态特性(PID离散表达式) o 积分作用积分的物理概念：在时刻积分的物理概念：在时刻t,被积曲线与横轴之间的面积。被积曲线与横轴之间的面积。 0 ( )( )=D t II y tKI t dt 60 3. 动态特性(PID离散表达式) o 积分分量 是采样周期； 在时刻t,曲线与横轴之间的面积； K个矩形面积之和（ ）； K-1个矩形面

24、积之和( )； K时刻一个矩形面积； 0 ( )( )=D t II y tKI t dt 1 ()( )t = = =D nK II n Y KKI n 1 1 (1)( )t =- = -=D nK II n Y KKI n 1 11 ()( )( )()ttt =- = D=D-D=D 邋 iKiK IIII ii Y KKI iKI iKI K ()(1)()=-+ D III Y KY KY K tK (1)tK t 61 3. 动态特性(PID离散表达式) o 微分作用微分作用输出比例于输入的变化速度；输入为常数，输出为零，离输出比例于输入的变化速度；输入为常数，输出为零，离 散化

25、时与采样周期散化时与采样周期 有关。有关。 ； oSX(S)的原函数就是 ( )( ) ()( ) D D dx(t) 取极限得对 求导数 ，的拉普拉斯变换为； dt x tdx t xSX S tdt D D dxx dtt tD 就是采样周期 ；t ()(1)D=-；xx Kx k ( )(1) t D- = D 所以：； xx kx k t t 62 3. 动态特性(PID离散表达式) o 微分作用分量YD D 1v 1v ( ) ( )1 = D+ 式中是微分衰减时间常数； D YSK S T F ST S DD D1vD ( )(1)( )(1) ( ) YkYkF kF k YkT

26、K tt -D- D- += 1vD DD 1v1v ( )(1)( )(1) TK YkYkF kF k TTtt =-+D- D- + 式中式中 是采样周期，经整理得到：是采样周期，经整理得到： t 63 3. 动态特性(PID离散表达式) nn DD tt 62627 ( )(1)( )(1) 8 D TT YkYkF kF kK bb 记 o微分环节离散表达式在阶跃微分环节离散表达式在阶跃 作用下的动作过程（举例）：作用下的动作过程（举例）： 0 F 64 3. 动态特性 lPI响应特性： PI调节器的阶跃输入响应特性 二. 水轮机数字式（微机）电液调速器 65 l PID响应特性 l

27、开环增量环节的作用 PID调节器的阶跃输入响应特性 PID调节器的阶跃输入响应 3. 动态特性 66 3. 动态特性（PID参数选择 ） o 1.5Tw/Tabt3Tw/Ta 3TwTd6Tw Tn=(0.40.6)Tw 式中：被控机组为混流式可取较小的bt、Td、 Tn初始值，为轴流式时可取bt、Td、Tn范围 内的中间值作为其初始值、为贯流式则要取 较大的bt、Td、Tn初始值；对于同一机组， 水头高时要取较大的bt、Td、Tn值。 67 3. 动态特性（PID参数选择 ） o 0.33Ta/TwKP0.67Ta/Tw o 0.167KP/TwKI0.33KP/Tw o 0.4Tw KPK

28、D0.6 Tw KP o 表明:应先确定比例系数KP再据上式确定积 分系数KI和微分系数KD。KP、KI和Tw呈近 似反比的关系。 KD与Tw呈近似正比的关系。 68 3. 动态特性（PID参数选择 ） o 例如，当Ta10s，Tw1.5s时，计算可得： 0.225 bt 0.45 ， 4.5s Td 9.0s ， 0.6s Tn 0.9s， 2.2KP 4.47 ， 0.11KPKI0.22KP， 0.6KPKD0.9KP ， 69 4.控制功能 l工作状态： 微机调速器工作状态转换图 l运行方式： 自动/手动 l故障诊断： 测频 导叶反馈 功率/水头变送器 70 三.微机调节器机组频率测量

29、 测量方式： 高速计数模块配合中断模块测量（全 可编程测频） 频率信号源：发电机机端电压互感器,交流(0.3 150V) 齿盘测频的非接触式接近开关（NPN型，DC24V 供电） 测频范围： 残压测频 (10100Hz) 齿盘测频： (2100Hz) 测频分辨率：0.000312Hz 71 三.微机调节器机组频率测量 o 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。 72 三.微机调节器机组频

30、率测量 PLC 本机测频时钟源为8MHz，时基为125ns，其在额定频率50Hz时的周期 采样值为：20ms/125us=160000 个脉冲 测频分辨率为50Hz/160000=0.0003125Hz 73 三.微机调节器应用软件 首次运行初始化 频率测量处理 特殊模块输入/输出 调用检错子程序 调用协联插值子程序 调用模式、状态子程序 调用增加/减少子程序 调用 PID 调节子程序 调用显示子程序 调用通信子程序 P 子程序： P I 中断服务程序： I 中断服务程序 中断服务程序 检错子程序 通信子程序 74 三.微机调节器应用软件 o PID调节参数的整数化 pp tt dd nn /

31、100 /100 /10 bb bb TT TT = = = = dndn P tdtd I tdtd nn D tt 10010 1100 10 TTTT K bTbT K bTbT TT K bb + = = = 1v1v /100 /100TT tt = = 75 三.微机调节器应用软件 PPP PP ( )(1)( ) ( )( )(1) YkYkYk YkKF kF k =-+ D D=D- D- III I I ( )(1)( ) ( ) 100 YkYkYk K YkI t =-+ D D=D 1vD DD 1v1v 100 ( )(1)( )(1) TK YkYkF kF k

32、TTtt =-+D- D- + p cPID ( ) ( )(1) 100 b IF kYkYk D= D+- 76 三.微机调节器应用软件 o 例子：采样周期=0.02s(=2s)，取 T1v=0.14s（T1v=14s），则式成为： IpCPID td 1 ( ) 100( )( )(1) 50 YkF kb YkYk bT D=D+- n DD t 762 ( )(1)( )(1) 8 T YkYkF kF k b =-+D- D- 77 三.微机调节器适应式变参数调节 o 国内外水轮机数字式电液调速器均采用PID或以 PID为基础的调节规律。 o 近年来，国内外都在进行自适应控制、模糊

33、控制等 调节规律在水轮机调节中应用的仿真研究与应用探 索，取得了一些初步理论结果，但尚无采用这些调 节规律的数字式电液调速器在水电站试验成功的报 道。 o 鉴于水轮机调节系统的复杂性，强非线性和多运行 工况，对运行工况、技术要求和运行条件适应的变 参数调节，是经过实践检验并得到广泛成功运用的 调节方式。 78 三.微机调节器适应式变参数调节 o 机组转速（频率）适应式变参数PID调节空载运 行工况（适应运行水头） o 机组并入大电网运行（适应大网/小网工况和频 率/功率调节模式） o 机组在小（孤立）电网中运行 79 三.微机调节器适应式变参数调节 功率适应式变参数PI调节 a. 适应运行水头

34、和功率偏差大小 b. 为了实现机组功率Pg对AGC系统下达的功率给定Pc 的快速、单调跟踪，必须采用有开环增量P的功率 调节模式。由于机组功率Pg是机组水头H和导叶开 度Y的函数，在编程时一定要使P为H和Y的函数， 即P对H和y适应式变参数。否则，在低水头工况整 定的P值，将使在高水头下的功率调节出现大的超 调和振荡。 c. 为了适应机组运行水头、水轮机导叶开度/机组功率 和功率偏差值的不同情况，采用适应式变参数机组 功率的PI调节 80 三.微机调节器适应式变参数调节 o 电气开度限制电气开度限制L的适应式变参数的适应式变参数 为了保证水轮发电机组合理安全运行，必须根 据水轮机特性，适应机组

35、运行水头，设定与之 对应的导叶最大开度值。同上，可在微机调节 器内写入Lmax（H）的节点表，由运行水头插值 求得相应最大电气开度限制Lmax。 81 三.微机调节器适应式变参数调节适应式变参数调节 适应式两段 开机特性： yKJ1、yKJ2和y0一般 应符合下式的关系： K J20 K J1K J2 (0. 05 0. 10) (1. 5 1. 8) yy yy =+ = 82 三.微机调节器适应式变参数调节适应式变参数调节 适应式两段开机特性 o 调速器接到开机指令后，即通过电气开度限制L0 将导叶开启至第一开机开度YKJ1（图中的A点）经 过一段时间 开始测量机组转速（频率），设在C 点

36、机组频率已连续50ms大于45Hz，则通过电气 开限L将导叶压至第二开机开度YKJ2， 调速器转入 空载运行工况，由PID调节导叶至空载开度Y0 对调速器主要 要求 适应式运 行工况 项 目 调节规律PID参数 永态 插值 系数 bp（%） 人工死区 Ef、 Ep、 Ey 调节 模式 开环功率 给定增量 P（y） 电气开限Lmax 转速（频率） 调节器；频率 摆动小，便于 并网 空载PIDPID参数强， 适应水头 区域的PID 变参数 26Ef0 Ep0 Ey 0 频率 调节 适应水头的空载 开限L0（H） 机组功率控制 器；以快速、 单调受控于水 电厂AGC 并 入 大 电 网 带 指 定

37、负 荷 PIPID参数弱68Ef0.2Hz Ep1%Pr Ey1%y 功率 (开度) 调节 适应水头 的特性 P（H） 适应水头的最大 开限Lmax（H） 转速调节器； 受控于水电厂 AGC的机组 功率控制器 承 担 调 频 任 务 PIDPID参数弱12Ef0 Ep0 Ey 0 频率 调节 适应水头 的特性 P（H） 适应水头的最大 开限Lmax（H） 转速（频率） 调节器 并入小电 网 PIDPID参数强14Ef0 Ep0 Ey 0 频率 调节 适应水头 的特性 P（H） 适应水头的最大 开限Lmax（H） 在机组运行范 围内，使机组 在允许加速度 范围内，机组 转速快速单调 到达额定值，

38、 转入空载 机 组 开 机 两 段 开 机 开环程序 控制 适应水头的两段 开机开度ykj1 （H）和ykj2 （H） 三 段 闭 环 开 机 闭环机组 加速度控 制 84 三.微机调节器网络/通讯 o 调速器系统采用MB+通讯的网络连接。MB+作 为一个判定性令牌传递网络，以一个兆波特的 速率进行通讯，快速的存取过程数据。调速器 实现内部信息传输的网络化，所有的控制核心 器件包括微机调节器A、微机调节器B、工控机、 电气手动、油压装置控制PLC等均可挂接在 MB+网络上，进行点对点的数据通讯。网络系 统图如下： 85 三.微机调节器网络/通讯 86 三.微机调节器在线诊断功能 o 程序出错和

39、CPU模块故障； o 模拟数字转换器和输入通道故障； o 数字模拟转换器和输出通道故障； o 通讯模块故障； o 开度、功率传感器及其反馈通道故障； o 电源系统故障； o 水头传感器故障； o 紧急停机回路故障； o 测速系统故障； 87 三.微机调节器离线诊断及调试功能 o 系统硬件及软件故障检查，包括各硬件模块故 障检查； o 调节参数检查及调试； o 程序检查及调试； o 修改和调整程序； o 检查、调试和电站计算机的通信及其它接口； o 其它。 88 三.微机调速器流程画面 89 三.微机调速器操作画面 90 三.微机调速器主显示画面 91 四.机械液压系统两段关闭装置 两端 关闭

40、阀 节流块弹簧体 活塞 调节螺栓 关机液流方向 关机液流方向 A孔B孔上盖 92 四.机械液压系统事故配压阀 主配压阀 事故配压阀 接力器 事故停机电磁阀 控制阀 A PT 过速检测 事故配压阀系统框图 93 四.机械液压系统事故配压阀 主配压阀开启腔主配压阀关闭腔 PT B A 接力器关闭腔接力器开启腔 限位螺钉 94 四.机械液压系统油压装置系统图 压力表 95 四.机械液压系统螺杆泵 96 四.机械液压系统组合阀 o 组合阀是由安全阀、止回阀、卸载阀/旁通 阀、插装阀等组成。 o 采用卸载阀/旁通阀，使油泵为低油压起动，可以使螺 杆泵起动时处于卸荷状态。 o 在压力油罐压力的作用，油泵停

41、机后止回阀处于关闭状 态。 o 安全阀是为保证压力罐内油压不超过允许值 。 97 四.机械液压系统组合阀 Ap b T B a 压力油罐 压力开关 止回阀 安全阀 单向阀 冷却器回油 卸载/旁通阀 油泵 98 四.机械液压系统压力罐计算 o 压力油箱的容量计算准 则 o 压力油罐中输出的最大油量，是根据可能发生的、最不 利的接力器调节过程来决定的。以转浆式水轮机为例来 介绍，因它是双重调节并具有一定代表性。可能发生的 最不利的调节过程是:机组甩去100负荷,在这个过程 中导叶接力器摆动了12次,轮叶接力器进行了1次全 行程的关闭,接着机组并入电网带上100负荷；因而 导叶和轮叶接力器又重新全开

42、一次。 99 四.机械液压系统压力罐计算 o 已知基本数据 o 工作油压的上限： o 工作油压的下限： o 接力器最低操作油压： o 调速器接力器容积： )( max0 MPaP )( max0 MPaP )( min0 MPaP )(MPaP R VsVsruVsgdeVsnz 100 四.机械液压系统压力罐计算 o 求压力油罐内工作油压的下限(即事故停机 后的油压) o 求压力油箱中的压力降低到事故停机后油压 值时，压力油罐的应有的可用油容积 o 对混流式水轮机 o 对转浆式水轮机 o 对冲击式水轮机 R RR PPP=+ D 3 us VV 3(1. 5 2) ussru VVV+ 3(

43、1. 5 2) usgdesnz VVV+ 101 四.机械液压系统压力罐计算 o 工作油压的下限 时的空气容积 o 工作油压的上限 时的空气容积 min0 P max0 P 0m i n 1. 31 u air R V V p P = m ax 0m i n 1. 3 0m ax air air V V p P - = 102 四.机械液压系统压力罐计算 o 求压力油罐总容积 o VRes剩余油量 VRes（0.10.2）Vu R eHairus VVVV=+ Res V 103 五. 微机调速器故障分析及对策 机组自动空载频率摆动值大 原 因现 象处理方法 机组手动空载频率摆动 大 机组手

44、动空载频率摆动达0.5 1.0Hz，自动空载频率摆动为0.3 0.6Hz 进一步选择PID调节参数（bt、Td、Tn或KP、KI、KD）和调整接力器 反应时间常数Ty，尽量减小机组自动空载频率摆动值 接力器反应时间常数Ty 值过大或过小 机组手动空载频率摆动0.30.4Hz， 自动空载频率摆动达0.30.6Hz， 且调整PID调节参数bt、Td、Tn或 KP、KI、KD无明显效果 调整电液（机械）随动系统放大系数，从而减小或加大接力器反应 时间常数Ty。当调节过程中接力器出现频率较高的抽动和过调时， 应加大Ty值；若接力器动作迟缓，则应减小Ty值。 PID调节参数bt、Td、Tn 或KP、KI

45、、KD整定不合 适 机组手动空载频率摆动0.20.3Hz， 自动空载频率摆动小于上述值， 但未达到国家标准要求 合理选择PID调节参数值，特别注意它们之间的配合。例如，取 bt=0.7、Td=4s、Tn=1.0s就会明显地搭配不当。 接力器至导水机构和/或 导水机构机械/电气反馈 有过大的死区 机组手动空载频率摆动0.20.3Hz， 自动空载频率摆动大于等于上述 数值，调PID参数无明显改善 处理机械液压系统和反馈机构死区 被控机组待并入的电网 是小电网，电网频率摆 动大 PLC微机调速器使被控机组频率 跟踪于待并电网频率，后者摆动 大而导致机组频率摆动大 调整PLC微机调速器的PID调节参数

46、：bt、Td向减小的方向改变，Tn 向稍大的方向改变 104 原 因现 象处理方法 电网频率升高，调速器 接静态特性（bp）减小 负荷 接力器开度（机组所带负荷）与 电网频率的关系正常，调速器由 开度/功率调节模式自动切至频 率调节模式工作 如果被控机组并入大电网运行，且不起电网调频作用，可取较大 的bp值，并使调速器在开度模式或功率模式下工作 电液转换器卡阻 PLC YPID在较大位置 电液转换器平衡电流（电压） 在开启方向 导叶向关闭方向运动 检查并处理电液转换器： 切换并清洗滤油器 检查电液转换器并排除卡阻现象 机组油开关误动作 PLC YPID与导叶实际开度Yg一 致 机组所带负荷在空

47、载附近 机组二次回路电源消失或切换 检查送入PLC微机调速器的机组油开关辅助接点，保证机组二次 回路电源不间断。 有的微机调速器在机组油开关断开时，即将电气开限以一定速度 减至空载，或者立刻将其关至空载位置 导叶行程电气反馈移位 PLC YPID与导叶开度反馈指示 表基本一致 导叶实际开度明显小于YPID 调速器发出“导叶故障”信号 检查导叶行程变送器，将调速器切至手动运行，调整并可靠固定 变送器锁紧定位螺钉 综合放大器开启方向放 大器件失效 调速器不能开启，但能关闭 YPID与Yg不相等 平衡表有开启信号 检查并排除综合放大器故障 五. 微机调速器故障分析及对策 机组并网运行接力器开度自行减

48、小 105 五. 微机调速器故障分析及对策 调速器接力器抖动 原 因现 象处理方法 调速器外部干扰 调速器外部功率较大的电气设 备启动/停止 调速器外部直流继电器或电磁 铁动作/断开 检查并妥善处理PLC微机调速器的机柜和微机调节器壳体的接 地 外部直流继电器或电磁铁线圈加装反向并接（续流）二极管； 接点两端并接阻容吸收器件（100电阻与630V，0.1F电容器串 联） 机组频率信号源干扰多出现于开机过程中，机组转速 未达到额定转速，残压过低；或 机组空载，未投入励磁、机组大 修后第一次开机，残压过低 机组频率信号（残压信号和/或齿盘信号）均应采用各自的带屏蔽 的双绞线接至PLC微机调速器，屏

49、蔽层应可靠地在一点接地。频 率信号线不要与强动力电源线或脉冲信号线平行、靠近布置 接线松动、接触不良抖动现象无明显规律，似乎与机 组运行振动区、运行人员操作有 一定联系 检查PLC调速器接线端子、电流转换器等电/机转换装置、导叶接 力器变送器、机组功率变送器、水头变送器及调速器内部接线的 连接情况，并加以相应的处理 导叶接力器反应时间常 数Ty值偏小 调速器在较大幅度运动时主配压 阀跳动、油管抖动、接力器运动 出现过头现象 减小电液（机械）随动系统的放大系数，从而使接力器反应时间 常数Ty取较大数值 106 五. 微机调速器故障分析及对策 调节模式自动切换 原 因现 象处理方法 机组功率变送器

50、有故 障或断线 调速器由在并入电网、功率调 节模式下工作，自动切换至开 度调节模式下工作 检查切换后的开度调节模式下的PLC微机调速器读入的机组 功率值，若与机组实际功率有较大差别，与导叶开度不相适 应，则可确认为机组功率变送器有故障或断线，应检查并排 除其故障 电网频率变化过大或 测频环节有故障 调速器由在并入电网、功率调 节或开度调节模式下工作，自 动切换至频率调节模式工作 被控机组所并入的是小电网或带孤立负荷，这种切换是合理 的，若电网频率变化过大，不必强行切换至功率调节或开度 调节模式下工作 被控机组所并入的是大电网，若电网频率十分稳定，则这种 切换应引起足够的重视观察电网频率变化情况

51、，并检查 PLC微机调速器的频率测量及显示结果。可将其切换至开度 调节/功率调节模式工作，观察一段时间，以确认频率测量环 节的工作是否正常 107 五. 微机调速器故障分析及对策 甩负荷故障 原 因现 象处理方法 PID调节程序中负限幅 过于靠近导叶接力器零 值 甩100%负荷过程中，导叶接力 器关闭到最小开度后，开启过快， 使机组频率超过3%额定频率的 波峰数过多、调节时间过长 见图4 -15，使程序中负限幅3750（15%）减小，（例如， 5000（20%），从而使导叶接力器关闭到最小开度后的停留 时间加长 PID调节程序中负限幅 过于离开导叶接力器零 值 甩100%负荷过程中，导叶接力

52、器关闭到最小开度后，开启过于 迟缓，使机组频率低于额定值的 负波峰过大，调节时间过长 见图4-15，使程序中负限幅3750（15%）增大（例如，2500 （10%），从而使导叶接力器关闭到最小开度后的停留时间 缩短 导叶接力器关闭时间过 短 甩75%额定负荷过程中的水压 上升值过大 按调节保证计算，加长导叶接力器关闭时间值 导叶接力器关闭时间过 长 甩75%额定负荷过程中的机组 转速上升值过大 按调节保证计算，缩短导叶接力器关闭时间 两段关闭特性不合要求甩75%额定负荷过程中的水压 上升和/或机组转速上升值过大 按调节保证计算，调整两段关机速度及拐点 调速器转速死区ix偏大甩25%额定负荷时，

53、导叶接力 器的不动时间过长 检查并减小机械液压系统死区 加大Tn（加速度时间常数）或KD（微分系数）值 机组油开关接点误动作 （断开） 机组油开关未动作，仍在“合上” 位置，但送给调速器的机组油开 关接点断开，导致甩负荷或减负 荷 完善机组二次回路电源接线，防止机组油开关辅助继电器误动 作 PLC微机调速器程序中对油开关辅助接点进行断开延时处理 （参见图4-2a） 108 五. 微机调速器故障分析及对策 与水头有关的故障 原 因现 象处理方法 开机特性YKJ2（图2-36） 小于空载开度 开机过程中，机组频率到不了额 定频率50Hz 人工设定的水头值高于实际水头值，使查表插值得到的YKJ2小于

54、 空载开度，需人工设定正确水头值 程序中的YKJ2=f(H)曲线节点值偏小，应据电站实际空载开度， 修正上述节点值 电气开度限制增大不到 应有的最大值 导叶接力器增大不到合理的最大 开度 人工设定的水头值高于实际水头值，使查表插值得到的电气开 限最大值偏小，应人工设定正确水头值 程序中的电气开度限制最大值的节点值小于应有的值，应修正 上述节点值 双调整调速器协联关系 不正常 机组效率低，运行中振动偏大人工设定的水头值不等于实际水头值，使插值得到的协联关系不 正确，应人工设定正确水头值 109 五. 微机调速器故障分析及对策 微机调速器自行检出的故障 原 因现 象处理方法 测频环节故障或频率信

55、号断线 微机调速器显示“测频不正常”检查测频环节及频率信号线信号及接线 导叶（桨叶）接力器变 送器断线 微机调速器显示“导叶不正常”检查并修复导叶（轮叶）接力器开度变送器 功率变送器故障微机调速器显示“测功不正常”检查并修复机组功率变送器 交流（直流）电源消失微机调速器交流（直流）电源指 示灯灭 检查并恢复交流（直流）电源供电 110 五. 微机调速器故障分析及对策 微机调速器运行时的监视参量 参量名称主要现象监视的目的及对策 机组频率 是否有不正常的大幅度变动 相应的“测频不正常”信号出 现否 测频环节正常否 如出现“测频不正常”指示，则采取相应措施，并检查测频环 节 微机计算的YPID与导

56、叶 接力器实际位置指针表 指示值 调速器稳定时，两者是否相等？ 或者是否偏差很小 如果偏差过大，说明电/机转换装置零位偏移，应在适当时机调整 该零点 电/机转换装置平衡电流 （电压表） 调速器稳定时，应在中间平衡 位置 其偏移开启/关闭方向应与导 叶接力器开启/关闭运动方向相 一致 如果调速器稳定时，指针偏离中间平衡位置过大，说明电/机转 换装置零位偏移，应在适当时机调整该零点 如果平衡电流（电压）偏向开启（关闭）方向、而导叶接力器 不向开启（关闭）方向运动，这说明电/机转换装置卡阻，应进行 相应处理 PID调节参数bt、Td、Tn 或KP、KI、KD及bp的运 行值 是否是原来整定的值如不是原来整定的值，应加以修正 机组水头值是否与机组实际值相符如有较大差别，则检查水头变送器（水头自动）或修正设定值 （水头手动） 111 六.我国数字式（微机）调速器的现状及发展趋势 1.1.现状 1）1983年我国第一台水轮机微机调速器诞生 2）3000台左右在国内外运行 3）技术与国际先进水平基本保持同步 112 4）适应式变参数PID调节、电机式电/机转换、 双机交叉冗余和机组功率控制模式上处于国际领 先地位 5）可靠性、产品质量、工艺水平与国外产品有 一定差距 6）出现了用国产调速器替换进口产品的苗头 六.我国数字式（微机）调速器的现状及发展趋势 1