水轮机调节的基本概念和微机调速器

水轮机调节的基本概念

和

数字式（微机）电液调速器

1水轮机调节的基本概念和数字式（微机）电液调速器一.水轮机调节的基本概念二.水轮机数字式（微机）电液调速器三.微机调节器四.机械液压系统五.微机调速器故障分析及对策六.我国数字式（微机）调速器的现状及发展趋势七.思考题2一.水轮机调节的基本概念1.水轮机调节的任务2.水轮机调节系统3.水轮机调节系统的动态和静态特性31.水轮机调节的任务维持机组转速在额定转速附近，满足电网一次调频要求；完成调度下达的功率指令，调节水轮机组有功功率，满足电网二次调频要求；完成机组开机、停机、紧急停机等控制任务；执行计算机监控系统的调节及控制指令。

42.水轮机调节系统系统结构：图1-1水轮机调节系统的结构图5系统特点：操作力大——需要经液压放大操作接力器水流惯性：机械惯性：系统复杂、非线性特性手动水轮机调节

比例操作超前操作积分操作

63.水轮机数字式（微机）调速器

机械液压/电气液压/数字式（微机）电液调速器缓冲式PID结构图1-2电气液压调速器(PID)结构图7PID结构：

图1-3微机调速器结构图

8◆水轮机调节系统的静态和动态特性技术标准GB/T9652.11997GB/T9652.21997静态特性静态特性：

水轮机调节系统静态特性

水轮机调节系统静态特性9永态差值系数：

静速死区：

图1-6转速死区ix

◆水轮机调节系统的静态和动态特性10随动系统不准确度：

图1-7随动系统不准确度ia◆水轮机调节系统的静态和动态特性11◆水轮机调节系统的静态和动态特性

GB/T9652.1—1997主要静态特性指标调速器类型项目大

型中

型小

型特小型电调机调电调机调电调机调转速死区/%ix≤0.04（0.02）≤0.10≤0.08（0.06）≤0.15≤0.10≤0.18≤0.20轮叶随动系统不准确度/ia%≤1.5／bp整定范围bp=0~bPM，最小值不大于0.1%，最大值bPM不小于8%12动态特性调速器PID特性：阶跃输入响应特性：图1-8PID调节器的阶跃输入响应特性◆水轮机调节系统的静态和动态特性13◆水轮机调节系统的静态和动态特性速动时间常数Tx=bt×Td速动时间常数Tx的物理含义是：在bp=0的条件下，若取频率变化相对值为x=1.0，则接力器走全行程的时间就是速动时间常数Tx，它在数值上等于积分增益KI的倒数，也等于暂态差值系数bt与缓冲装置时间常数Td的乘积。

14◆水轮机调节系统的静态和动态特性接力器响应时间常数Ty

图1-9接力器响应时间常数Ty15调速器前向通道放大倍数的整定

图1-10随动系统对单位阶跃输入的响应特性◆水轮机调节系统的静态和动态特性16◆水轮机调节系统的静态和动态特性

曲线1的相对阻尼系数，无超调，但过程缓慢；曲线3的相对阻尼系数，初始段反应快，但有过大的超调；曲线2的相对阻尼系数，有较理想的响应特性，其超调量约为3%。所以，应选择、调整开环放大系数Kop（也就调整了Ty），使随动系统对阶跃输入的响应特性具有3%～5%的超调量。IEC61362标准推荐：导叶接力器Ty=0.1～0.25s；桨叶接力器Ty=0.2～0.8s；冲击式折向器Ty=0.1～0.15s。在我国一般推荐：导叶接力器Ty=0.1～0.2s；桨叶接力器的Ty取为导叶接力器Ty的2～3倍。

17◆水轮机调节系统的静态和动态特性

调速器应保证机组在各种工况和运行方式下的稳定性指标

①手动空载工况（发电机励磁在自动方式下工作）运行时，水轮发电机组转速摆动相对值对大型调速器来说不得超过0.2%；对中、小型和特小型调速器来说均不得超过0.3%。当调速器控制水轮发电机组在空载工况自动运行时，在选择调速器运行参数时，待稳定后所记录3min内的转速摆动值应满足下列要求：

对于大型电气液压调速器，不超过0.15%；

对于大型机械液压调速器和中、小型调速器，不超过0.25%；

对于特小型调速器，不超过0.3%。

②如果机组手动空载时的转速摆动相对值大于规定值（见上），那么其自动空载转速摆动相对值不得大于相应手动空载转速摆动相对值。18◆水轮机调节系统的静态和动态特性

机组甩负荷后应保证的动态品质

①甩100%额定负荷后：

在转速变化过程中，超过3%额定转速以上的波峰不超过两个；

GB/T9652.1—1997规定：从接力器第一次向开启方向移动到机组转速摆动值不超过0.5%为止所经历的时间应不大于40s。IEC61362《水轮机控制系统技术规范导则》规定：在甩负荷中，若记从甩负荷开始至出现最大转速上升值为止的时间为tM，记从甩负荷开始到机组转速摆动值不超过1.0%为止的时间为tE，则tE/tM的推荐值为2.5～4.0（8.0）（对于冲击式机组）和15（对于高水头混流式机组）。

②转速或指令信号按规定形式变化，接力器不动时间：

对于电气液压调速器，不大于0.2s；

对于机械液压调速器，不大于0.3s。19◆水轮机调节系统的静态和动态特性

不动时间试验(公伯峡电站300MW现场试验曲线)

20◆水轮机调节系统的静态和动态特性

开机过程录波(公伯峡电站300MW现场试验曲线)21◆水轮机调节系统的静态和动态特性

空载摆动试验(公伯峡电站300MW现场试验曲线)22◆水轮机调节系统的静态和动态特性

甩100%负荷试验(公伯峡电站300MW现场试验曲线)23

◆水轮机调节系统的静态和动态特性

GB/T9652.1—1997对调速器主要动态参数要求

参数btTd/sTn/sKPKI/s–1KD/s最小值最大值最小值最大值最小值最大值最小值最大值最小值最大值最小值最大值数值≤0.05≥0.80≤2.00≥20.000.00≥2.00≤0.30≥20.00≤0.50≥10.000.00≥5.0024◆水轮机调节系统的静态和动态特性

技术标准对Ta和Tw的规定：

水轮机引水系统水流惯性时间常数Tw：对于PID型调速器，不大于4s；对于PI型调速器，不大于2.5s；

机组惯性时间常数Ta：对于反击式机组，不小于4s；对于冲击式机组，不小于2s。

比值Tw/Ta不大于0.4。25二.水轮机数字式（微机）电液调速器1.水轮机微机调速器的结构2.静态特性3.动态特性4.控制功能26二.水轮机数字式（微机）电液调速器

双比例伺服阀系统原理框图27二.水轮机数字式（微机）电液调速器

交流伺服电机自复中系统原理框图28二.水轮机数字式（微机）电液调速器

步进电机伺服缸系统原理框图29二.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30

二.水轮机数字式（微机）电液调速器

1.水轮机微机调速器的结构

微机调节器、电/机转换装置、机械液压系统

图2-1PLC水轮机微机调速器的总体框图3132二.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33

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34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

35

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

36

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37二.水轮机数字式（微机）电液调速器人工频率死区环节的特性，其数学表达式为：

38二.水轮机数字式（微机）电液调速器人工频率死区取值Ef的一般取值范围相当于频率值为0～0.5Hz在频率转换系数Kf=25000时所对应的范围，即Ef=0～250

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。39永态差值环节和人工死区：三种调节模式：人工开度/功率死区环节特性调节模式间的转换关系二.水轮机数字式（微机）电液调速器

40

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

412.静态特性

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

422.静态特性永态差值系数bp/ep

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。432.静态特性稳态状态-积分输入为零，其表达式为（机组功率）:442.静态特性静态特性主要参数和变量频率给定fc功率给定Pc开度给定yc频率fg开度y永态差值系数bp452.静态特性接力器开度给定是机组频率等于频率给定时的接力器开度；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；46对静态特性的影响

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472.静态特性48

的关系：微机调节器的静态特性（bp=0）2.静态特性49人工频率死区：和人工开度/功率死区

(a)fg、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2.静态特性50

Ey起作用时微机调节器的静态特性2.静态特性512.静态特性52

Ef0、Ey0微机调节器静态特性2.静态特性53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

54

插值节点表553.动态特性(PID传递函数表达式)563.动态特性(PID离散表达式)采样周期

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。准确地知道采样周期的数值，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。573.动态特性(PID离散表达式)比例作用—输出比例于输入，输出对输入的响应没有时间差；离散化时与采样周期无关。杠杆输出位移y(t)比例于（杠杆比k）其输入位移x(t):运算放大器输出Uout(t)比例于（放大系数k）其输入Uin(t):583.动态特性(PID离散表达式)比例作用分量YP

593.动态特性(PID离散表达式)积分作用—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有关。积分的物理概念：在时刻t,被积曲线与横轴之间的面积。汽车行驶路程s(t)是其速度v(t)的积分：接力器位移y(t)是主配压阀活塞偏离中间平衡位置位移Δx(t)的积分：603.动态特性(PID离散表达式)积分作用积分的物理概念：在时刻t,被积曲线与横轴之间的面积。613.动态特性(PID离散表达式)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个矩形面积之和()；

—K时刻一个矩形面积；623.动态特性(PID离散表达式)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，离散化时与采样周期有关。；SX(S)的原函数就是633.动态特性(PID离散表达式)微分作用分量YD式中是采样周期，经整理得到：643.动态特性(PID离散表达式)微分环节离散表达式在阶跃作用下的动作过程（举例）：653.动态特性PI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66PID响应特性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673.动态特性（速动时间常数Tx

）物理含义是：在bp=0的条件下，若取频率变化相对值为x=1.0，则接力器走全行程的时间就是速动时间常数Tx，它在数值上等于积分增益KI的倒数，也等于暂态差值系数bt与缓冲装置时间常数Td的乘积。几个x取值下的接力器走全行程的时间：

683.动态特性（速动时间常数Tx）若记t0.5和t0.1为接力器走50%和10%行程的时间，则有：693.动态特性（PID参数选择）1.5Tw/Ta≤bt≤3Tw/Ta3Tw≤Td≤6TwTn=(0.4—0.6)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。703.动态特性（PID参数选择）0.33Ta/Tw≤KP≤0.67Ta/Tw0.167KP/Tw≤KI≤0.33KP/Tw0.4TwKP≤KD≤0.6TwKP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。713.动态特性（PID参数选择）例如，当Ta＝10s，Tw＝1.5s时，计算可得：0.225≤bt≤0.45，4.5s≤Td≤9.0s，0.6s

≤

Tn

≤0.9s，2.2≤KP≤4.47，0.11KP≤KI≤0.22KP，0.6KP≤KD≤0.9KP

，724.控制功能工作状态：微机调速器工作状态转换图运行方式：自动/手动故障诊断：测频导叶反馈功率/水头变送器73三.微机调节器－机组频率测量

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(10～90Hz)

齿盘测频：(2～90Hz)

测频分辨率：±0.0015Hz74三.微机调节器－机组频率测量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。75三.微机调节器－机组频率测量76三.微机调节器－机组频率测量F必然正比于被测的频率值。例如，取N=2×106Hz，则在被测频率为50Hz时，其T=0.02s，NT=40000；若取式中的常数C=2×109，则求得测量结果为F=50000。若被测频率为48Hz，则求得F=48000。77三.微机调节器－双机交叉冗余78三.微机调节器－双机交叉冗余全冗余双PLC调节器：CPU、输入模块、输出模块、传感器、测频单元、电源均为冗余结构，实现“主机/热备”功能。微机调节器采用两个独立的微机控制器A和B组成，通过现场总线MB+实现双机状态和数据一致；每一个微机调节器与机械液压系统相配合，能独立实现全部控制功能和保证达到全部调节性能要求；当微机调节控制器A或B之一故障时，可发出故障信号并自动、无扰动地切换到正常机工作，故障机可在线更换模块、检修。双机冗余（单元级冗余）79三.微机调节器－双机交叉冗余F模块（FA、FB）：频率测量模块DI模块（DIA、DIB）：开关量输入模块DO模块（DOA、DOB）：开关量输出模块AI模块（AIA、AIB）：模拟量输入模块AO模块（AOA、AOB）：模拟量输出模块C模块（CA、CB）：通信模块交叉冗余（模块级冗余）80三.微机调节器－双机交叉冗余在不増加硬件的条件下，用通信和软件构成交叉冗余控制结构，具有较强的容错能力。当双微机调节器均出现部分模块故障时，这种交叉冗余控制结构可以容忍两个单机的不同名模块故障情况（容错），交叉构成正常的调节器，使调速器能正常工作，实现真正的双机冗余容错结构，进一步提高调速器的可靠性。交叉冗余（模块级冗余）81三.微机调节器－双机交叉冗余记模块变量为MY（X），Y表示A或B调节器，X表示6种模块类型F、DI、DO、AI、AO、C。设定模块＝1时为正常，模块＝0时故障。例如FA＝1，表示微机调节器A的频率测量模块正常；FA＝0表示其故障。82三.微机调节器－应用软件83三.微机调节器－应用软件PID调节参数的整数化84三.微机调节器－应用软件85三.微机调节器－应用软件例子：采样周期=0.02s(=2s)，取T1v=0.14s（T1v=14s），则式成为：86三.微机调节器－适应式变参数调节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。

近年来，国内外都在进行自适应控制、模糊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。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。87三.微机调节器－适应式变参数调节机组转速（频率）适应式变参数PID调节空载运行工况（适应运行水头）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）机组在小（孤立）电网中运行88三.微机调节器－适应式变参数调节功率适应式变参数PI调节适应运行水头和功率偏差大小为了实现机组功率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ΔP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ΔP为H和Y的函数，即ΔP对H和y适应式变参数。否则，在低水头工况整定的ΔP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89三.微机调节器－适应式变参数调节实现机组功率快速、无超调的调节：采用不同斜率的三段调节（适应目标功率与实际功率差值大小）；斜率数值适应机组运行水头；90三.微机调节器－适应式变参数调节电气开度限制L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。91三.微机调节器－适应式变参数调节适应式两段开机特性92三.微机调节器－适应式变参数调节适应式两段开机特性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点机组频率已连续2s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Y093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ΔP（Δy）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2～6Ef＝0Ep＝0Ey＝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并入大电网带指定负荷PIPID参数弱6～8Ef＝0.2HzEp＝1%PrEy＝1%y功率(开度)调节适应水头的特性ΔP（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1～2Ef＝0Ep＝0Ey＝0频率调节适应水头的特性ΔP（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1～4Ef＝0Ep＝0Ey＝0频率调节适应水头的特性ΔP（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，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94三.微机调节器－网络/通讯调速器系统采用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：95三.微机调节器－网络/通讯96三.微机调节器－在线诊断功能—程序出错和CPU模块故障；—模拟／数字转换器和输入通道故障；—数字／模拟转换器和输出通道故障；—通讯模块故障；—开度、功率传感器及其反馈通道故障；—电源系统故障；—水头传感器故障；—紧急停机回路故障；—测速系统故障；97三.微机调节器－在线诊断功能—冗余系统自动切换或电气手动、自动方式切换故障；—液压控制系统故障—液压控制设备故障报警；—高、低液位报警；—高、低油压报警；—油温高报警；—油过滤器堵塞报警；—油过滤器除水元件湿度高报警。—其它98三.微机调节器－离线诊断及调试功能—系统硬件及软件故障检查，包括各硬件模块故障检查；—调节参数检查及调试；—程序检查及调试；—修改和调整程序；—检查、调试和电站计算机的通信及其它接口；—其它。99三.微机调节器调速器运行监控系统100

三.微机调节器－调速器运行监控系统

数字式电液调速器监控系统主界面

101三.微机调节器－调速器运行监控系统

数字式电液调速器状态画面

102三.微机调节器－调速器运行监控系统

数字式电液调速器开关量和模拟量显示103三.微机调节器－调速器运行监控系统

数字式电液调速器参量实时曲线104三.微机调节器－调速器运行监控系统

数字式电液调速器油压装置显示画面105三.微机调节器－机组水轮机调节仿真决策支持系统

MATLAB是MathWorks公司推出的一种数值型计算软件。MATLAB语言具有编程高效、程序设计灵活、图形功能强等特点。MATLAB提供的SIMULINK是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统，也支持多种采样速率的多速率系统。SIMULINK为用户提供了用目标对象传递函数的方框图建模方法。用户可以使用SIMULINK以自动上而下或自动下而上、模块化的层次结构创建研究对象的模型。106三.微机调节器－机组水轮机调节仿真决策支持系统107三.微机调节器－机组水轮机调节仿真决策支持系统108三.微机调节器－机组水轮机调节仿真决策支持系统机组开机过程109三.微机调节器－机组水轮机调节仿真决策支持系统机组空扰特性110三.微机调节器－机组水轮机调节仿真决策支持系统

机组甩负荷特性111四.机械液压系统－大型调速器机械液压系统框图112四.机械液压系统－中小型调速器机械液压系统框图113四.机械液压系统－大型调速器机械液压系统图114四.机械液压系统－大型调速器机械液压系统图115四.机械液压系统－“数字阀”（高压滑阀）

数字式电液调速器机械液压系统框图116四.机械液压系统－电/机转换装置电/机转换装置是电－机转换器和电－液转换器的总称，前者将微机调节器送来的电气信号，转换、放大成具有一定驱动力的机械位移输出，后者则把微机调节器送来的电气信号转换、放大为相应的液压流量控制信号输出。电/机转换装置一般与主配压阀相接口，电－机转换器与带引导阀的机械位移输入型主配压阀相配合，电－液转换器则与带辅助接力器的液压控制型主配压阀接口。117四.机械液压系统－比例伺服阀比例伺服阀是电－液转换器，它是一种电气控制的引导阀，在大型和特大型数字式调速器中得到广泛的应用，由比例伺服阀作为电－液转换器组成的数字式电液调速器在电站的试验运行结果表明，水轮机调节系统具有优秀的静态和动态性能。比例伺服阀的功能是把微机调节器输出的电气控制信号转换为与其成比例的流量输出信号，用于控制带辅助接力器（液压控制型）的主配压阀。118四.机械液压系统－比例伺服阀比例伺服阀的表示符号119四.机械液压系统－比例伺服阀技术参数：型号：NG6(NG10)结构：滑阀，带钢阀套，直接作用式,带集成放大通径：6(10)(mm)最大工作油压：315bar额定输出流量：（阀口压降△p=35bar）4、12、24、40（50、100）（L/min）最大工作压力315bar泄漏（100bar时）<0.18、0.3、0.5、0.9（1.2、1.5）（L/min）安装形式板式ISO4401电磁铁电流max2.7A线圈电阻2.5～2.8Ω功率消耗30（50）（VA）120四.机械液压系统－比例伺服阀比例伺服阀控制主配压阀原理框图121四.机械液压系统－比例伺服阀比例伺服阀构成的机械液压系统结构框图122四.机械液压系统－自复中装置

交流伺服电机自复中装置是电－机转换器，它是一种新型的把交流伺服电机的旋转运动转换成机械直线位移的转换器，用于控制带引导阀（位移控制型）的主配压阀。

交流伺服电机自复中机构123四.机械液压系统－自复中/控制阀交流伺服电机/控制阀装置是一种电－液转换器，用于控制带辅助接力器（液压控制型）的主配压阀。交流伺服电机/控制阀124四.机械液压系统－脉冲阀座阀式电磁换向阀125四.机械液压系统－脉冲阀座阀式电磁换向阀是一种二位三通型方向控制阀，它在液压系统中大多作为先导控制阀使用。座阀式电磁换向阀采用钢球与阀座的接触密封，所以也称为电磁换向球阀，避免了滑阀式换向阀的内部泄漏。座阀式电磁换向阀在工作过程中受液流作用力影响小，不易产生径向卡紧。故动作可靠，且在高油压下也可正常使用；换向速度也比一般电磁换向滑阀快。126四.机械液压系统－脉冲阀电磁换向滑阀127四.机械液压系统－脉冲阀WE型电磁换向阀是电磁操作的换向滑阀，也称电磁换向滑阀，可以控制油流的开启、停止或方向。128四.机械液压系统－主配压阀主配压阀是调速器机械液压系统的功率级液压放大器，它将电/机转换装置机械位移或液压控制信号放大成相应方向的、与其成比例的、满足接力器流量要求的液压信号，控制接力器的开启或关闭。主配压阀的主要结构有两种：带引导阀的机械位移控制型和带辅助接力器的机械液压控制型。对于带辅助接力器液压输入的主配压阀，必需设置主配压阀活塞至电/机转换装置的电气或机械反馈。129四.机械液压系统－主配压阀在主配压阀上整定接力器的最短关闭和开启时间的原理有两种：基于限制主配压阀活塞最大行程的方式和基于在主配压阀关闭和开启排油腔进行节流的方式。大型调速器一般采用限制主配压阀最大行程的原理来整定接力器的最短关闭和开启时间。对于要求有两段关机特性的，在主配压阀上整定的是快速区间的关机速率，慢速区间的关机速率设置，在分段关闭装置上实现。130四.机械液压系统－主配压阀美国GE公司FC主配压阀131四.机械液压系统－主配压阀带引导阀的机械位移控制型主配压阀

位移控制引导阀差压辅助接力器132四.机械液压系统－主配压阀机械位移控制型主配压阀结构原理框图见图。这是一种带有引导阀的、机械位移控制、直联型主配压阀，应采用机械位移输出的电－机转换器对其进行控制。主配压阀的引导阀活塞为微差压式，它始终有一个向上的作用力，因而引导阀活塞随动于电－机转换装置的位移。在引导阀对主配压阀的辅助接力器的控制下，主配压阀活塞的位移等于引导阀活塞位移；所以，主配压阀活塞也就随动于电－机转换装置的机械位移。133四.机械液压系统－主配压阀带辅助接力器的液压控制型主配压阀

液压控制差压辅助接力器134四.机械液压系统－主配压阀机械液压控制型主配压阀结构原理框图。这是一种带有辅助接力器的、液压控制式的主配压阀，与其接口的电/机转换器必需是电－液转换器，比例伺服阀和交流伺服电机自复中装置/控制阀均可以对它进行控制。135四.机械液压系统－主配压阀主配压阀的自复中136四.机械液压系统－主配压阀容量计算已知参数接力器最大工作容积：Vs(m3)接力器最快关闭时间：Tf（s）最小正常工作油压：P0minMPa)最小操作油压：PRMPa)管道内径：d（m）管道长度：L（m）137四.机械液压系统－主配压阀容量计算与调速器相配的外部管道中的设计流速一般不超过5m/s；计算调速器容量的油压，应按正常工作油压的下限考虑；选择的主配压阀的直径和最大窗口，应使接力器最短关闭时间应满足机组提出的要求，且主配压阀最大工作行程应合理。通过主配压阀的压力降等于1.0MPa时的“主配压阀输油流量（L/s）/主配压阀直径(mm)”分别为：“(12~25)/80”、“(25~50)/100”、“(50~100)/150”、“(100~180)/200”、“(180~300)/250”。138接力器两端关闭系统图四.机械液压系统－两段关闭装置139四.机械液压系统－两段关闭装置两端关闭阀140四.机械液压系统－事故配压阀事故配压阀系统框图141四.机械液压系统－事故配压阀142四.机械液压系统－油压装置系统图143四.机械液压系统－螺杆泵144四.机械液压系统－组合阀组合阀是由安全阀、止回阀、卸载阀/旁通阀、插装阀等组成。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。在压力油罐压力的作用，油泵停机后止回阀处于关闭状态。安全阀是为保证压力罐内油压不超过允许值。

145四.机械液压系统－组合阀146四.机械液压系统－压力罐计算压力油箱的容量计算准则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1～2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一次。

147四.机械液压系统－压力罐计算已知基本数据工作油压的上限：工作油压的下限：接力器最低操作油压：调速器接力器容积：

148四.机械液压系统－压力罐计算求压力油罐内工作油压的下限(即事故停机后的油压)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对混流式水轮机对转浆式水轮机

对冲击式水轮机

149四.机械液压系统－压力罐计算工作油压的下限时的空气容积工作油压的上限时的空气容积150四.机械液压系统－压力罐计算求压力油罐总容积VRes－剩余油量VRes＝（0.1～0.2）Vu151四.机械液压系统－油压装置控制界面152五.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0.3～0.4Hz，自动空载频率摆动达0.3～0.6Hz，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、KD整定不合适机组手动空载频率摆动0.2～0.3Hz，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0.2～0.3Hz，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：bt、Td向减小的方向改变，Tn向稍大的方向改变153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①PLCYPID在较大位置

②电液转换器平衡电流（电压）在开启方向

③导叶向关闭方向运动检查并处理电液转换器：

①切换并清洗滤油器

②检查电液转换器并排除卡阻现象机组油开关误动作①PLCYPID与导叶实际开度Yg一致

②机组所带负荷在空载附近

③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①PLCYPID与导叶开度反馈指示表基本一致

②导叶实际开度明显小于YPID

③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①调速器不能开启，但能关闭

②YPID与Yg不相等

③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小154五.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①调速器外部功率较大的电气设备启动/停止

②调速器外部直流继电器或电磁铁动作/断开①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

②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155五.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，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156五.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，导叶接力器的不动时间过长①检查并减小机械液压系统死区

②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①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

②PLC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）157五.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50Hz①人工设定的水头值高于实际水头值，使查表插值得到的YKJ2小于空载开度，需人工设定正确水头值

②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①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

②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158五.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159五.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①是否有不正常的大幅度变动

②相应的“测频不正常”信号出现否①测频环节正常否

②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）①调速器稳定时，应在中间平衡位置

②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①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

②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）160六.我国数字式（微机）调速器的现状及发展趋势1.现状1）1983年我国第一台水轮机微机调速器诞生2）2000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1614）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162

7）市场逐渐规范，形成数个知名调速器生产公司8）科研工作取得了显著成效并已转化为现实生产力9）调速器理论联系实际的科研方法值得强调和提倡六.我国数字式（微机）调速器的现状及发展趋势163六.我国数字式（微机）调速器的现状及发展趋势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、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164六.我国数字式（微机）调速器的现状及发展趋势新要求

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

孤立电网空载大电网（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165六.我国数字式（微机）调速器的现状及发展趋势国家电力调度通讯中心关于电网一次调频对水电机组调速系统的主要技术要求

（功率）永态转差系数3%~4%；频率（转速）死区0.033Hz；响应特性；电网频率变化超过一次调频频率死区时，机组应在15秒内响应机组目标功率，在45秒内机组实际功率与目标功率的功率偏差的平均值应在其额定功率的3%内；稳定时间应小于1min；负荷变化幅度限制：水电机组参与一次调频的负荷变化幅度，不加限制。一次调频功能为必备功能，不得由运行人员切除；不得在开度限制工况下运行。166六.我国数字式（微机）调速器的现状及发展趋势电网二次调频对水电机组调速系统的主要技术要求

机组功率单调、快速趋近目标功率与水电厂（电网）AGC系统完善接口167六.我国数字式（微机）调速器的现状及发展趋势3.国内外数字式（微机）调速器的比较1）调节及控制规律国外调速器适应不同机组工况的变参数PID调节规律。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