调速器培训教程

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1、微机水轮机调速器 培训教材,2005年11月,第一章 水轮机调节概述 1.1 水轮机调节的基本任务,当电力系统负荷发生变化、机组转速出现偏差时，通过调速器相应的改变流入水轮机流量，以使水轮机转矩与发电机负荷转矩达到新的平衡，以维持频率在规定的范围之内(如0.2 Hz)。,1.2 水轮发电机组的运动方程式,水轮发电机组的转速由作用在机组转轴上的转矩决定，其运动方程式可写为： 式中J为水轮机转动部分的转动惯量，为机组旋转角速度，Mt为水轮机转矩，Mg为发电机负荷阻力转矩。上式表明，只有在水轮机转矩与负荷阻转矩相等的时候，机组的转速才能稳定。,1.3 PID调节控制,其传递函数为： PID控制主要适

2、用于低阶、不太复杂的线性系统，它物理概念清晰、易于实现，目前也是水轮机调速器中应用最广泛、技术最成熟的一种控制规律，由于微处理器在水轮机调速器上的大量使用，PID控制目前大多数由软件来实现。,1.3.1 经典PID结构图,1.3.2 改进PID结构图,1.3.3 PID调节的作用,Kp -比例系数用于提高控制系统的响应速度,以减少静态偏差; Ti -积分时间常数用于消除静态误差; Td -微分时间常数用于改善系统的动态性能。,1.3.4 SAFR2000调节控制原理,左边的PID调节框图称为频率主环，BP为调差系数，空载时，BP为零，死区为零，PID调节参数采用空载参数，并网时，BP和死区为设

3、定值，PID调节参数采用负载参数，功率一般都通过监控系统来调节，直接作用于导叶位置输出，右边的PI调节框图称为导叶副环，它是通过软件来实现导叶闭环控制，最终控制输出的实际上是对应导叶偏差的增量信号。 该信号经过DA（模数）转换后施加到电液转换器上。,1.4 调速器装置的发展,机械液压型 电气液压型 微机型调速器,1.5 微机型调速器的优点(一）：,(1) 调节规律用软件程序实现，不仅可以实现PI、PID调节规律，还可以实现其他更复杂的调节规律，如前馈控制、自适应调节等。 (2) 调节参数的整定和修改方便，运行状态的查询和转换灵活。 (3) 机组的开、停机规律可方便地用软件程序实现。即停机过程可

4、根据调保计算要求，灵活地实现折线关闭规律。,1.5 微机型调速器的优点(二）：,(4) 简化了操作回路；各种运行操作相互间的逻辑关系均可以用软件程序完成，取消了相应的继电器，降低了成本，也提高了可靠性。 (5) 便于与电厂中控室或区域电力系统中心调度所的上位机相连接，提高水电厂和电力系统的自动化水平。,第二章 水轮机调节系统的静态和动态特性,水轮机调节系统在工作过程中，有两种工作状态：静态（稳态）和动态（暂态）。调节系统的静态又称为稳定状态，是指机组在恒定负荷、给定信号和水头下运行，水轮机调节系统的所有变量都处于平衡状态的运行状态。当调节系统受到负荷、水头等扰动作用，或给定信号变化时，调节系统

5、将出现相应的运动，经过一段时间后，在新的条件下进入了新的稳定状态。从原稳定状态到新稳定状态的运动过程就称为水轮机调节系统的动态。在实际运行中，水轮机调节系统的稳定状态是相对的、暂时的，其动态则是绝对的、长期的。,2.1 水轮机调节系统的国家标准, GB/T9652.11997水轮机调速器与油压装置技术条件，开始实施日期是1998年4月1日。 GB/T9652.21997水轮机调速器与油压装置试验验收规程，开始实施日期是1998年4月1日。 GB/T819195水轮机调速器与油压装置术语。 此外，还可以参照下列国际标准： 水轮机控制系统规范导则IEC61362。 水轮机调速系统试验规范IEC60

6、308（征求意见稿）。,2.2 水轮机调节系统静态特性（一）,1、永太转差系数bp: 在水轮机调节系统静特性曲线上，取某一规定点，过该点作一切线，其切线斜率的负数就是该点的永太转差系数bp。 2、 转速死区ix: 给定信号恒定时，被控参量的变化不起任何调节作用的两个值间的最大区间，称为死区，当被控量为转速时，即为转速死区ix。 3、随动系统不准确度ia: 随动系统中，对于所有不变的输入信号，相应输出信号的最大变化区间的相对值。,2.2 水轮机调节系统静态特性（二）,2.3 水轮机调节系统动态特性（一）,（1）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、手动空载工况运行时，水轮发电

7、机组转速摆动相对值对大型调速器来说不得超0.2%。 2、自动控制空载工况运行时，在选择调速器运行参数时，待稳定后记录3min内的转速摆动值对大型调速器来说不得超过 0.15%。,2.3 水轮机调节系统动态特性（二）,（2）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； 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。,2.3 水轮机调节系统动态特性（三）,2、接力器不动时间： 其定义为:定子电流消失时至接力器关闭动作之间的时间(甩25%负荷). 对于电气液压调速器，不大于0.2s；

8、 对于机械液压调速器，不大于0.3s。,2.3 水轮机调节系统动态特性（四）,3、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，不大于4s； 对于冲击式机组，不大于2s； 比值Tw /Ta不大于0.4。,第三章 微机水轮机调速器电气调节装置,3.1 SAF2000微机水轮机调速器简介（一） SAFR2000微机水轮机调速器电气控制柜采用了摩托罗拉公司的32位CPU MC68332作为控制核心，高级C语言编程，其CPU内部集成了QSPI同步串行总线模块和TPU定时处理模块以

9、及MCU计算处理模块等。通过QSPI同步串行总线可以和许多串行芯片，如A/D，D/A，D/I，D/O等器件接口，可处理有功功率、水头、水压等信号采集，导叶及桨叶模拟量输出，增减令、开机令、停机令等开入信号采集，故障开出信号处理等。TPU模块则可处理导叶及桨叶行程采样，频率测量和控制输出等，MCU模块则可处理PID调节计算等，该CPU集成度高，功能完善，可以充分提高系统的调节性能。,3.1 SAF2000微机水轮机调速器简介（二）,装置硬件基本配置： 32位CPU主机模件2块 信号测量采集模件2块 控制输出通道模件2块 开关量输入/输出模件2块 双机切换及通讯模件1块 交直流双重供电模件2块 组

10、合开关电源模件2块 控制及信号继电器部件16个 液晶显示工控机（人机界面）1套,3.1 SAF2000微机水轮机调速器简介（三）,软件基本配置： 实时变参数、改进型PID调节及开停机、发电控制程序 实时离线及在线维护诊断程序 Windows-NT界面下全中文智能调试程序（测试、录波等） Windows-NT界面下全中文智能运行程序（显示、设置等）,3.2 SAFR2000微机调速器硬件系统,系统硬件主要包括A、B两套控制插箱；工业控制机显示部分；操作输出继电器部分等。下面就对各部分分别介绍。,3.2.1 系统控制插箱简介(一）,A、B两套系统均为标准8U插箱，A系统右侧比B系统多一块双机切换模

11、件，除此之外两套系统完全一样，以A套系统插箱为例，其插箱面板如图所示：,3.2.1 系统控制插箱简介(二）, 双重供电模件： 插件上有3个显示灯，自上而下，为“AC220V交流输入”，“DC220V直流输入”，和“OUT整流电源输出”分别显示电源当前状态。下方有2个按键开关，分别控制交流电源和直流电源的通断。,3.2.1 系统控制插箱简介(三）, 组合电源模件： 插件上有3个显示灯，自上而下为“+5V输出”，“+12V输出”和“-12V输出”，分别显示电源当前状态。面板下方有1个按键开关，用来控制电源的输出。,3.2.1 系统控制插箱简介(三）, 主机模件： 插件上有8个显示灯，自上而下为“C

12、AN总线指示”，“VCC电源指示”，“RXD1串口1接收”，“TXD1串口1发送”，“RXD0串口0接收”，“TXD0串口0发送”，“RUN运行”和“STAT状态指示”。 串口1（ RXD1、TXD1）主要用于和监控系统通讯，通讯时RXD1、TXD1将闪烁；RXD0、TXD0主要用于和工控机通讯，通讯时RXD0、TXD0将闪烁；运行时RUN灯将闪烁，调试状态时熄灭；STAT状态灯表示装置故障/正常情况，其闪烁频率指示了当前系统状态，正常时频率为1HZ，一般故障时频率为2HZ，严重故障时频率为3HZ。 面板下方左侧的调试窗内有1个调试串行口，1个BDM调试接口和复位键，用作在线编程调试。,3.2

13、.1 系统控制插箱简介(四）,采样模件： 插件上有8个显示灯，自上而下为“+12V电源”，“-12V电源”，“+5V电源”，“-5V电源”，“VCC电源”及3个备用灯，分别显示电源当前状态。 控制模件： 插件上有8个显示灯，自上而下为“+12V电源”，“-12V电源”，“+5V电源”，“-5V电源”，“VCC电源”及3个备用灯，分别显示电源当前状态。,3.2.1 系统控制插箱简介(五）, 数字模件： 插件上有8个显示灯，自上而下为“开机令”，“停机令”，“导叶手动”，“调相令”，“增加令”，“减少令”和“油开关”，分别显示各开关量输入信号状态。 切换模件： 插件上有3个显示灯，自上而下为“A套

14、主机”，“B套主机”和“切换电源”。切换电源灯用来指示切换模件的电源状态，当A套为主机时，A套主机灯亮，B套主机灯灭；当B套为主机时，A套主机灯灭，B套主机灯亮。面板下方有1个切换键，用于控制主/从机切换。,3.2.2 继电器层简介,继电器层分为两层，各为8个继电器，各继电器定义如下: WJ1-WJ4受A套脉冲增减控制； WJ9-WJ12受B套脉冲增减控制； WJ5，WJ13分别为导叶、轮叶自动/脉冲切换； WJ6-WJ7为模拟量输出切换，WJ14-W15备用，WJ8，WJ16备用。 交流电消失报警与直流电消失报警继电器安装在后面；,3.3 装置硬件基本工作原理(一）,主机模件： 主机模件是整

15、个装置的核心，其性能优劣是装置能否长期稳定运行的关键。,SAFR-2000型调速器的实时控制软件以及智能调试软件的下位机部分均在主机模件中运行处理。,3.3 装置硬件基本工作原理(二),采样模件的功能特点： 采样模件主要完成整个装置的多种控制反馈信号的采集工作。它具有以下功能特点： 采样模件可对机组频率（共四个通道）、系统频率、导叶中间接力器行程、导叶主接力器行程及轮叶中间接力器行程信号进行采集，其中机组频率又可分别通过残压测频和齿盘测频两种方式采样处理。 采样模件专用一路独立电源，采用光电耦合器件，使核心控制系统与外部在电气上隔离。,3.3 装置硬件基本工作原理(三）,采样模件的工作原理：

16、系统频率、残压测频信号经隔离变压器输入后，经过滤波、整形、隔离后送主机模件的TPU模块直接处理。,3.3 装置硬件基本工作原理(四）,导叶行程测量原理 ： 通过在定子线圈上施加励磁电压（方波信号），从而在转子上感应出相同频率的方波信号。通过传动机构将接力器直线位移转换成角度变化（0360范围），只需测量旋转变压器定子波形和转子波形的相位差，就可测得接力器的位移 。,3.3 装置硬件基本工作原理(五）,控制模件： 控制模件主要完成控制信号和位移变送器励磁信号的输出控制工作。,3.3 装置硬件基本工作原理(六）,控制模件的工作原理： 主机模件上的MC68332微控制器通过PID调节计算，得到导叶、轮叶输出量，由TPU模块分别产生2路周期固定且占空比与控制量成正比的方波信号，再经过控制模件上的隔