调速器技术培训技巧

1、技术培训教材(微机调速器)第一节 原理及作用1、 水轮机调速器的任务水轮发电机是将水能转换成电能的机械装置，水轮机调速器是控制水轮发电机组在各种工况下，安全运行的控制设备之一，它的任务是：控制水轮发电机组自动开机、停机、转速调节、负荷调整、机组各种运行工况的转换、机组或电力系统故障时紧急停机。必要时还可以通过调速器的手动方式操作机组运行。对转浆式水轮机调速器，还有维持机组在高效区运转的任务。调速器在作转速调节和负荷调整时，其任务的实质是维持进入水轮机的能量和发电机组输出的电能之间的平衡。2、调速器维持发电机组输入和输出能量平衡途径 水轮机发电机组转速部份，是一个围绕固定轴线作旋转运动的刚体，机

2、组转速的运动规律可由下述方程描述： dJ=Mt-Mg dtJ机组的转动部份转动惯量机组的角速度， 机组的角速度，= 30Mt水轮发电机的动力矩Mg发电机组的阻力矩Mg发电机阻力矩包括电负荷产生阻力矩，与发电机输出电流、电压成比例，轴摩擦力、空气阻力及机组损耗产生的阻力。Mt是水轮机的动力矩，由水流对水轮机叶片的作用力形成。水轮机出力的经典计算公式：N=Mt·9.81·Q·H·因此： N 9.81×Q×H× Mt= 式中：Q水轮机的流量m3/sH水头m水轮机效率从式可知当MgMt时，机组的转速就会发生改变。不是加速就是减速。只

3、有MgMt时，机组才能维持匀速稳定运转。Mg是发电机阻力矩，主要来自系统的电力负荷，它是一个随时在改变的量，从（2）可知，水头H，是不能随便改变的，维持Mg=Mt的平衡，只有调节进入水轮机的流量Q。因此在水轮机中，设置有便于控制的导水叶（或喷针机构），调整导水时的开度，就改变进入水轮机的流量，改变了动力矩，维持能量平衡，从而使机组持速保持在规定的范围里。应该指出，在转浆式的贯流式水轮机中，浆叶（轮叶）角度变化不是用来调节流量，而是用来改变机组的能量转换效率的，适当的轮叶角度能保证在相应水头和负荷时，机组由相对较高的效率。3、水轮机调节系统的组成水轮机的调节系统由被控系统和水轮机调速器两大部分组

4、成，如图（1），被控系统由压力过水系统、水轮机、发电机和电力负荷组成。调速器一般由转速（和频率）测量机构，调节决策和执行机构三大部分组成。 水轮发电机组压力引水系统电力网发电机水轮机调节机构 频率(转速)测 量调节决策执行机构被控系统调速器 水轮机调速器4、水轮机调节系统的特点水轮机调节系统是一个典型的自动控制系统，它除了一般闭环控制系统的共性外，还有如下特点：其调节机构控制的是巨大的水流，所需的操作力十分巨大，而控制导水叶开启和关闭的速度又相对快，所以执行机构的操作功率较一般工业控制系统中的执行机构功率大。所以，一般采用液压执行机构。只有在小型水轮机控制中，用电动执行机构。上世纪八十年代，我

5、们将300/600公斤一米的小型调速器的执行机构，用作于冶金、化工自动控制系统中的大型执行机构。水轮机压力过水系统存在着水流惯性，调节水体流量时会发生水锤和水压变化，这种水压变化对转色的影响，正好与调节作用相反。对调节系统的稳定带来不利的影响。引水管道水流惯性时间常数Tw由下式表达 Q L LVTw= =GHr A gHA每段过水管道的汇积（m2）V相应每段水管中的流速（m/s）L每段水管的长度（m）g重力加速的（m/s2）Tw水流惯性时间常数Tw的物理概念是：在额定水头Hr作用下，过水流量Q由O加大到额定值所需时间。Tw越大，对系统稳定越不利，在典型值约1.02.2秒，范围在0.55秒。水轮

6、发电机组存在着机械惯性，可用机组惯性时间常数Ta来表述：Jr GD2 .r2 Ta= Mr 3580· Pr式中：Jr额定转色时机组的惯性矩Kg/m2）Mr机组额定转矩（N·m）GD2机组水轮力矩(KN·m2)r机组额定转色（r/min）Pr机组额定功率（Kw）Ta机组惯性时间常数（s）导水叶关闭速度和规律有严格限制导水叶是控制进入水轮机能量的机构。水轮发电机组输出的电能是随机变化的，而且变化较快。为了维持输入量能与输出电能平衡，导叶开启和关闭本应该快速。但是，由于导叶快速关闭会产生过高的水压上升，会导致压力钢管破裂，危机电站安全。过快开启导水叶会在引水管的某些部

7、分产生负压，导致引水管损坏，所以在调速器中必须设置导水叶关闭和开启速度的调整机构，而且，调速系统投入运行时，首先要将导水叶关闭速度按调节保证计算提供的数据调整好！导水叶关闭速度过慢时，对调节系统稳定不利。甩负荷时，因为导水叶关闭过慢，不能迅速减少进入水轮机的能量，而使水轮机转速升高过快，转速过高。通过调节保证计算，找个恰当的导水叶关闭时间（或速度），保证机组的转速上升和引水管的压力上升值都在允许的范围里。有时，还需要将导水叶关闭速度分成两段，才能使转速上升值和压力上升值满足要求。一般对导水叶开启速度没有提出明确的要求，但一般都遵循与导水叶关闭速度大致相等的原则。对转浆式水轮机和贯流式水轮机，浆

8、叶（和轮叶）的关闭速度，一般都调整为导水叶关闭速度的46倍，甚至更高。浆叶运动速度慢，将对导叶调整干扰小，可以将导叶调节系统当作一个单调节机构的系统处理。1-2、水轮机调速器的工作原理及系统结构从图（1）可知，水轮机调节系统由被调节系统和调速器构成，它是一个典型的闭环自动调节系统，为了保证调节系统稳定和有较好的调节品质，调速器必须准确地测量机组转速（和机组频率）偏差，并按偏差地大小和方向产生调节动作，通过执行机构区改变调节机构地开始，调整进入水轮机地流量，达到使转速偏差迅速消除的目的。转速偏差消除了，即系统的输入和输出能量达到了新的平衡。因此，水轮机调速的必须由三大部分构成，即转速测量部分，调

9、节器部分（即产生调节动作的机构）和执行机构。1、电气液压调速器原理及系统框图在我国上世纪60-80年代，广泛采用的电气液压调速器，大多是在机械液压调速器原理框图的基础上设计的。用电气测速（或测频）回路代替机械飞摆，用电气微分回路代替缓冲装置，用位移传感器输出信号作接力器位移反馈。测速电气信号和反馈电气信号由放大器比较再经放大后，电气信号经电液转换成机械位移，控制引导阀。主配压阀和主接力器，原理框图如图所示引导阀主配压阀电气测频回路放大器电液转换器辅助接力器主接力器Kf111+TyS11+TyIS11+TSY Ubp位移传感器Ks缓冲回路btTdS1+TdS这类电气液压调速器同属缓冲式调速器，其

10、工作原理类似。只是用电气的方法测量机组转速（或频率），用微分电路作软反馈，同样是用反馈的办法形成比例加积分调节规律。调速器的执行机构仍然是主配压阀和主接力器。与机械液压调速器一样，调节规律不准确，当（1/Ty）较大和bt较强时，反馈环路会产生自激振荡，只是电气液压调速器中的信号而不是机械位移，机构向对可以荀化，调整比较方便。2、微机电液调速器或数字式电液调速器原理及系统结构现代微机电液调速器与电气液压、调速器在系统结构上有很大区别，微机电液调速器也有三部分，即频率测量，调节规律形成和执行机构，一般频率测量和调节规律形成由微型计算机或可编程控制器完成。将这部称电气调节器或微机调节器。测量频率和频

11、差一般用脉冲计数的方法，信号均为数字量，因此，形成比例加积分的调节规律，都是直接对频差信号进比例和积分运算获得。作为微机调速器的执行机构，都是电液随动系统。目前我公司的微机调速器有一级电液随动系统和二级随动系统两件：1）电子调节器电液随动系统结构，其系统框图如图所示PID运算测频机频机械液压系统电液转换综合放大器网频PIDVy YU控制器 + -指令信号 Vs位移传感器 电子调节器 电液随动系统这类系统结构的调速器由电子微机调节器和电液随动系统两大部分组成。其主要特点是：系统结构合理，转速死区ix小，其计算公式为：ixbp*iabp为调速器的永态转差系数，检验ix时一般bp6ix为电液随动系统

12、的不准确度，一般容易做到<0.30.5所以这类系统结构的调速器正常情况下ix一般可以大0.020.03的水平。由于采用微机进行PID运算，其调节规律十分准确。加之电液随动系统导叶位置反馈采用电气反馈，可以不设置机械反馈，因此调速器在电站布置灵活、方便，尤其是大型机组的调速器和一些不便于安装机械反馈的特殊调速器，适合采用这类系统结构。近期出现的“四无”型微机调速器就属于这种系统结构，在这种调速器中，电液随动系统，采用了滚珠螺旋丝杆自动复中装置和工作在位控方式的交流伺服电机构成的无油“电液转换器”。其动态和静态特性比环喷式电液转换器更好。2）电子调节器电机伺服装置机械液压随动系统的系统结构，

13、其系统框图如图所示。传动机构伺服电机驱动电路PID运算测频机频机械液压系统网频Vy SY YUU控制器 + _ + _ 指令信号 Vs位移传感器电子调节器 电机伺服装置 机械液压随动系统这类系统结构的调速器一般由三大部分组成，即电子（微机）调节器、由电机组成位置伺服装置和机械液压随动系统。这类系统结构的微机调速器多为用步进电机、直流伺服电机控制。最大特点是由电机组成的位置伺服装置作为电气机械转换部件，提高了调速器的可靠性，由于这类系统固有的特点，易于实现无条件、无扰动的自动至手动运行切换。调速器的机械液压系统结构简单。这类系统结构调速器的转速死区ix一般可达到国家标准的要求，其计算公式为：ix

14、bp*（iaj+ iac）bp调速器永态转差系数检验时bp6iaj为机械液压随动系统的不准确度，一般可做0.5%左右，但难达到电液随动系统的水平。iac为电机伺服装置的死区或不准确度。一般情况下iac< iaj，可以忽略不计。由此可以看到这类系统结构的调速器的转速死区ix不可能做到很小，但都能满足国家调速器标准的要求。这类系统结构的微机调速器，与具有中间接力器的调速器一样，最大的弊病是机械随动系统导叶位置必需采用机械反馈。当反馈链长，传递路径曲折时，不宜采用这类系统结构的微机调速器。如果采用这类微机调速器，一般应将其布置在水轮机层靠近接力器的地方，以缩短机械反馈链。“座式调速器”都是布置

15、在接力器附近，这种布置方式方便、合理，是一种值得推荐的方式，国外比较流星，国内应该提倡和推广这种调速器的布置方式。应该提出，随着计数的进步，不论是微机调节器，还是电液随动系统都有很多新的设计和新品种出现，我公司设计YWT-G系列高油压可编程水轮机就是其中一种，其系列框图如图（）所示。其特点是采用了开关电磁阀作电气/液压转换部件，和采用了较高控制油压调速器的电液随动系统，可以用液压标准部件集成。使水轮机调速器产品生产标准化、工业化。提高了调速器可靠性并降低了生产成本。泵组皮囊式蓄能器 PID Y可编程PID调节器油 缸数字阀PWM机频 U 网频 + -警急停机电磁阀 YFB 操作指令A/D位移传

16、感器（电子调节器）可编程调节器电液随动系统1- 3水轮机调速器的调节规律及调节参数1、经典自动控制理论是研究用被控制量的反馈信息来源来修正系统行为，使之稳定地、快速地、准确地达到预期目标。当测量到反馈量与目标值的偏差X以后，在经典控制理论中调节机构按偏差的比例（P），积（I）、微分（D）规律对被调量进行控制，或者是这些规律的组合进行控制。例如，比例加积分控制，即PI控制；比例加微分控制，即PD控制。PID控制器输出的表达式为： XY=KPX+KIXdt+KD TY调节机构的位置，在水轮调节系统中为导水叶开度X机组转速（频率）与整定转速的偏差相对值KP、KI、KD分别为比例项，积分项和微分项的增

17、益。图（8）是PID调节器输出的阶跃响应曲线。这种控制规律是在早期生产实际和理论研究中形成的，也是人工控制的经念总结XTX×X比例控制的作用能快速消除偏差，使被调量尽快达到定值积分控制，它是一种随着时间逐渐增大控制作用的控制方式，当当常数时，YI=KI··t只要偏差存在控制值YI就不断增大，直到偏差消除，它的作用是消除静差作用比较缓慢能使调节平稳微分控制是一种有见性的控制或提前作用的控制/T这项偏差变化的速度，偏差变化越快，这项的调节量作用变越强即使偏差很小，只要偏差变化快，微分控制作用也很强在调节系统中有很强的抑制系统振荡作用，提高系统的稳定性一般干扰信号变化快

18、，微分调节会增强干扰信号，所以当机组并入电网后，都变切除微分项在经典的控制中，调节参数，KP、KI、KD对调速系统的动态行为有很大的影响选择和整定这些参数是水轮机调节技术中的重要一环尤其是当水轮发电机组运行工况发生变化时，这些调节参数的整定值必须相应调整由于微型计算机具有逻辑判断能力，现代微机它能判断机组运行工况，调节器一般采用适应式调节，当工况发生变化时微机调速器会自动改变（存储在计算机中的）调节参数值和控制规律的组合（或） 目前水轮机调节系统都采用经典的控制规律，在模拟式电液调速器中的调节器，一般用模拟运算电路分别实现比例运算（即放大器）积分运算（积分电路）和微分运算（即微分运算）然后把三

19、项并联相加起来，这种调节器称为并联 在电动单元组合仪表的调节器中，用几个运算环节相串联形成运算，在水轮机调节中常称为串联在微机调速器中，计算机直接对离散信号进行相应的数学运算，调节规律是计算机的程序决定，当然不再存在着串联和并联之分在现代水轮机微机调速器中，也不是任何进修都采用比例加积分加微分（）调节规律一般情况下，在空载工况和带孤立负荷运行时多采用调节规律并入小电网在开度模式和功率模式下一般用调节规律采用调节规律时令微分项的系数KD=0或TN=0 KP比例运算 KPXX KI KIXdt +积分运算 U YPID X + KD KD +微分运算 T水轮机调速器的调节参数与现代微机调速器一般都

20、采用经典的调节规律，其调节参数主要有：KP比例增益，无量纲KI积分增益，量纲为KD微分增益，量纲为我国调速器标准中要求这三项调节参数的按下列范围设置：KP: 0.520KI: 0.05）KD: 而对缓冲式调速器规范中要求调节参数按下列范围设置暂态转差率bt缓冲时间常数Td加速时间常数T缓冲式调速器和电子调节器加电液随动系统结构的调速器都可以是调节规律的调速器，它们调节参数定义和物理意义不相同但是存在着如下关系： Td+T 1 TKP= ; KI= ; KD= btTd btTd bt水轮发电机组并入电网运行时调速器的调节规律及永态转差系数水轮机发电机组大部时间是并入电网运行，向电网送出电能现在

21、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这时的调速器应按什么调节规律控制机组呢？并入电网以后调速器的不再需要按或规律调节机组并入电网以后，就成为了该电网中输送电能的成员之一，它的任务是按电网频率的变化增加或减少机组的出力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其静态特性曲线如图（）所示 X 0%1.0 5%0.950.94 6%50% 100% Y 并入电网后，调速器输入输出关系表述如下： 1Y=- bp调速器的接力器开度机组相对转速bp永态转差系数b

22、p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率的负数 bp=- Y调速器标准中规定，永态转差系数应能在自零至最大值范围内整定，最大值不小于，零刻度不能为负值只有按有差调节的调速器，才能使并入电网的机组自动分配负荷，按无差调整定的调速器，当机组并入电网以后，无法稳定运行值整定不同的调速器，使机组在电网频率发生变化时，所承担负荷也不相同值小机组当电网频率下降时，所增加的负荷就大一般在电网中承担有调频任务的机组的调速器整定较小贯流式机组一般带基荷运行，它的调速器的值整定较大，例如或更大一般在系统中容量相对小的机组，值设置也比较大第二节系统结构和配置电气控制系统 .1简述 电气部分采用高性能

23、PLC可编程控制器作为硬件主体，装置可靠性高，平均无故障时间 MTBF 18000 小时。以彩色触摸式图形操作终端为人机界面，人机交互友好；利用 PLC 的高速计数和中断功能由 PLC 实现测频，外围电路简单，可靠性高；用 PWM 算法实现对机械液压部分电磁阀的控制，从而实现调速器的全数字控制。322微机(1) 调速器应采用高品质可编程控制器PLC。调速器电气装置具有足够的抗电磁干扰能力。调节器的测频回路应采用高速计数测量方式。(2) 调速器CPU字长32位。(3) 可编程控制器质量可靠，可编程控制器及其接口平均无故障时间不小于50000h。(4) 具有足够的模拟量输入输出接口通道数，以满足采

24、样、控制、显示的需要；(5) 有足够的开关量输人输出接口通道数以满足状态监视、控制、信号和报警的需要；(6) 调节器有通信接口以实现与计算机监控系统的数据交换；(7) 调速器工作电源由厂用交流电源和厂内直流电源供给，互为备用，装置的电源电压偏差范围（AC220V士15%，DC220V -20%+10%）内正常工作。主、备电源能自动切换，电源切换时电压波动不影响可编程控制器正常运行，并输出切换信号，在电源消失后自动报警并自动保存存贮器内的内容。(8) 通信接口：调速器按电站监控系统要求，设置I/O接口及RS232/RS485串行通信接口、CAN总线接口。调速器还带有与打印机及便携式计算机的接口设

25、备。(9) 调速器设置英寸的彩色触摸屏，具有在线参数显示、设定及修改功能。(10) 带有时钟同步功能。33液压伺服机构(1) 电液转换装置采用标准的液压元件数字阀，该装置有很强的抗污能力，并在滤油精度为100m时，调速器仍能正常工作。电液转换器直接驱动接力器。(2) 液压伺服机构各部件之间的机械为板式连接，整个电液系统直接安装在接力器上,过滤器可靠，滤网能方便地更换、清扫。见下图在电液调节装置的调节参数、指令信号及输入信号不变的条件下，油压在正常工作范围内变化时，所引起的主接力器位移不得大于全行程的0.5%。(3) 调速器采用刮片双滤油器。(4) 紧急停机电磁阀采用抗油污能力强的球阀控制。34

26、测速装置调速器采用可编程测频，主用残压测频，转速信号取自发电机端PT，其额定值为交流100V电压信号。齿盘测速作备用，调速器采用双探头测速。其测频模块见下35回复机构调速器采用电气回复机构。36控制装置的仪表随调速器提供的控制装置和仪表，安装在相应柜子仪表盘的上面或里面，安装在柜面上的控制装置和仪表便于观测且对称地排列。所有的仪表，控制装置，其尺寸和外观相互协调，完整地用导线与附近的端子接线板连接。a.柜上的控制装置和仪表：(1) 调速器油压表；(2) 导水叶开度限制和导水叶位置指示器；(3) 导水叶开度限位增减器（手动）；(4) 事故停机按钮；(5) 接力器锁定位置指示灯，接力器锁定投、拔按

27、钮；(6) 转速指示器，刻度0240额定转速；(7) 电源电压表；(8) 手动自动状态指示灯；(9) 其它必要的表计。c.电气柜上的控制装置和仪表：见下图(1) 转速指示器，刻度 0240 额定转速；(2) 频率表；(3) 导水叶位置、开度限制指示表，双针指示型；(4) 调速系统故障指示灯；(5) 永态转差率指示器；(6) 发电机有功功率表，刻度0150额定功率；(7) “自动手动”方式选择开关，手动、自动状态指示灯；(8) 电源电压表，电源指示灯；(9) 其它必要的表计。37接线与端子371调速器电气柜和机械柜原理接线及端子接线图我公司负责设计，包括机械柜与电气柜之间的电缆。两个柜对外设备的

28、联接端子都标明用途、走向、电压等级等。电气柜底部（外壳上）留有电缆入口，电缆安装完毕后可封底。372调速设备元件在环境温度040，相对湿度90的条件下能长期可靠运行，空气开关及接触器选用合资厂产品。373所有盘柜端子数量应留有足够的余量。374所有插入式电子元件和印刷电路板的结构和尺寸符合国标的规定。375管道及阀门a调速设备（包括机械液压柜、油压装置、接力器、漏油箱）之间的管道、阀门、管件均由我公司供给。所有4.0MPa及以上阀门采用进口的优质阀门。b管道采用不锈钢无缝管，管道与管件用法兰连接，管道、管件、阀门的压力满足调速器工作要求。39、导叶位移传感器: 导叶位移传感器采用直线式滑动电位

29、器,电位器接线图如图+15V15V-GND反馈信号baW1：与钢卷尺连动的可变电位器，调整零点。W2：调整满度用第三节 技术性能主要性能指标:电气部分主要技术性能频率(转速)测量：机组频率信号: 取自发电机机端电压互感器信号电压正常工作范围:(0.3130)V正常测频范围:(5100)HZ测频精度:±0.002HZ电网频率信号: 取自电网母线电压互感器信号电压正常工作范围:(0.3130)V正常测频范围:(4555)HZ测频精度:±0.002HZ导叶位置反馈信号: 微机调节器提供电压:+15V导叶位置反馈电压: 导叶开度0100%对应于(+0.510)V调节修定值: 频率给定: 4555hz100%量程修改时间: 2040秒功率给定 0100%100%量程修改时间 1020秒开度给定: 0100%100