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1、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
2、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
3、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
4、。 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
5、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,p,0,0,p,0,1、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）、硬反馈元件（杠杆AB）。,C DA B关,p,0,0,p,0,2、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。,C DA B关,p,0,0,p,0,当转速升高-离心摆下支持块上移-带动引导阀转
6、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,p,0,0,p,0,当转速下降的调节过程？,C DA B关,p,0,0,p,0,例如，机组在n0下运行，当电网负荷减少时，MtMg,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 n
7、1,3、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
8、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
9、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
10、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。,k,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。,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 = Mg,k,接力器停止移动后，受活塞弹簧的作用，主、从动活
11、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
12、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
13、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。,
