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2、能变成电能供用户使用，用户除要求供电安全可靠外，还要求电能的频率及电压保持在额定值附近的某一范围内，若频率偏离额定值过大，就会直接影响用户的产品质量。对大电力系统要求频率波动值不超过0.4（0.2Hz），对于中小型电网，则要求频率波动值不超过1（0.5Hz）。,1.1 水轮机调节的任务,发电机的频率与转速和磁极对数有以下关系：,磁极对数由发电机结构确定，发电机确定后磁极对数为常数。因此，频率仅与机组转速有关。要保证频率在一定范围内稳定不变，就必须保持水轮发电机组转速稳定不变。,1.2 水轮机调节的任务,机组的运动方程 ：,n-机组转速，r/min。,水轮机主动力矩， 发电机阻力矩,1.2 水轮
3、机调节的任务,要使机组的频率恒定，就要使机组转速恒定，也就是要使角速度增量d = 0 ，那么就应当使水轮机的主动力矩M t 能与发电机的阻力矩M g 保持平衡，即负荷变化时引起阻力矩变化，应调节机组本身的输出主动力矩，以维持频率恒定。而水轮机的输出功率与其输出力矩（即主动力矩M t ）的关系是：Mt= P/,水轮机调节（控制）的基本任务：根据负荷的变化不断地调节（控制）水轮发电机组的有功功率输出，以维持机组转速（频率）在规定范围内。,1.3 水轮机调节途径,水轮机的输出主动力矩为：,调节水轮机输出的主动力矩，就是要调节水轮机输出功率，其中最有效的方法和途径是通过调节（控制）水轮机的流量改变导水
4、机构（喷针）的开度 。,对转桨式水轮机还通过协联调节桨叶来调节流量；对冲击式水轮机还通过协联调节折向器来控制流量。 而实现这种调节（控制）的控制装置就是水轮机调速器（或称水轮机控制器）。,1.3水轮机调节的组成,水轮机自动调节方框图,水轮机调节系统由调速器和调节对象组成, 水轮机调节系统的调节对象是水轮发电机组，广义地说还应该包括与机组相连接的引水系统和电力系统。而调速器严格地说除了其本体还有油压装置。,1.3 水轮机调节的组成,1.3 水轮机调节的特点,（1）水轮机调速器必须具备有足够大的调节功 水电站水头常在几米至几百米的范围内，故水轮机前的压力只有零点几MPa至几MPa， 因此，为发较多
5、的电功率，常需相当大的流量，水轮机及其导水机构尺寸也需要相应加大。为推动笨重的导水机构就需要有足够大的调节功 ，需要设置多级液压放大（通常为两级）和外加能源（油压装置） 。,（2）水轮机调节系统造成的调节滞后易产生过调节，不利于调节系统的稳定调速器的液压放大执行机构具有较大的时间常数 ，调节对象也具有较大的惯性时间常数 ，所以，负荷变化时导水机构动作有一定的延迟时间 ，从而造成调节滞后并导致过调节 ，这种过调节现象使水轮机调节系统变得不容易稳定；,1.3 水轮机调节的特点,（3）水击的反调效应不仅严重恶化了调节系统的动态品质，而且不利于调节系统的稳定水电站因受自然条件的限制，常有较长的压力过水
6、管道，管道长则水流惯性大；而低水头的转桨式机组，由于水头低而流量大，其水流惯性也大。水流惯性大即TW大，故水击的反调效应造成的调节滞后作用就更加显著，因而这类电站的水轮机调节系统的稳定性就更差，同时也恶化了调节系统的动态品质。,（4）有些水轮机调速器还具有双重调节机构，从而增加了调速器结构的复杂性对于低水头的转桨式水轮机和贯流式水轮机，为了提高水轮机的效率，以确保在不同水头下均能获得较高的运行效率，因此，其不仅要调节导水机构，还要调节桨叶开度,1.4 水轮机调节的功能,水轮机调速器是水电站最重要的控制设备之一，其功能有：,在单机运行时用来维持机组转速恒定（按频率调节）；,承担机组启动、停机、并
7、网和增减负荷等操作；,在并网运行时，按有差特性承担系统的负荷，实现 按功 率调节、按开度调节、按频率调节、按水位调节；,是水电站与机组的安全监控系统的执行装置之一。事故时通过紧急停机电磁阀或事故配压阀快速关闭导叶（或折向器）切断水流，使机组紧急停机，保护机组及电站安全。,目 录,CONTENT,2.1 水轮机调速器的发展2.2 水轮机调速器的分类,调速器的发展及分类,一,2.1 水电厂调速器的发展历程,机械液压调速器方框图,机组的测速采样、反馈机构及调节规律都是通过机械结构来控制，并将反馈信号和指令信号进行液压放大，以获得足够的操作功。,2.1 水电厂调速器的发展历程,一,2.1 水电厂调速器
8、的发展历程,中间接力器调速器方框图,设置中间接力器，作为一个积分器，主要配合反馈装置行程调节规律；将液压随动系统与调节规律分开，将死区较大的主配压阀置于调节规律闭环之外。,2.1 水电厂调速器的发展历程,电子调节器式调速器方框图,调节参数的控制与电液随动系统无关，调节规律完备，机构简单，死区小。,2.1 水电厂调速器的发展历程,一,2.1 水电厂调速器的发展历程,一,2.1 水电厂调速器的发展历程,调速器技术发展经历了机械液压型调速器、电气液压调速器和微机电液调速器3个阶段，在发展过程中不论是从系统结构、控制规律、功能扩展、硬件设施、液压随动等各个方面都有所改善，经过大家探索努力，水轮机调速器
9、技术取得可喜的进展，产品质量和可靠性接近国际先进水平，基本满足国内水电建设的需求。,2.1 水电厂调速器的发展历程,2.2 水电厂调速器的分类,2.2.1按工作容量分：,注：按主配压阀直径(80、100、150、200、250mm)来计算,2.2 水电厂调速器的分类,3.2.1按调节对象分：,2.2 水电厂调速器的分类,2.2.3 按电液转换器分：,目 录,CONTENT,3.1 调速系统的构成3.3 主要功能原件介绍3.4 几种典型的调速器结构分析,调速器系统的构成及原理,3.1 调速系统的构成,水电厂调速器系统的构成,机械部分,电气部分,外部命令,3.1 调速系统的构成,调速系统还包括：,
10、过速保护装置(事故配压阀、机械过速) 分段关闭装置 接力器锁定装置（机组自动化） 管路系统,3.1.1 调速器电气柜：,调速器软件 电源转换回路 控制器（CPU、AI、AO、DI、DO、通讯接口）,3.1 调速系统的构成,测频回路（残压、齿盘、机频、网频） 外围输入输出回路 人机交互（HMI、按钮、指示灯等）,3.1.2 调速器机械柜：,主配压阀 电液转换器 功能切换阀（电液转换器切换、手自动切换等） 保护回路（紧急停机） 反馈元件（紧停/复归、手/自动状态、压力、主阀位移等）,3.1 调速系统的构成,3.1.3 油压装置：,压力油箱 回油箱(注排油接口、滤油接口、空气滤清器) 油泵电机组 插
11、装阀组（单向阀，安全阀，卸荷阀） 压力表、压力开关、压力变送器 液位指示/变送器/开关(压力油箱和回油箱) 空气安全阀 自动补气装置 油混水信号器,3.1 调速系统的构成,3.1.4 油压装置控制柜：,PLC控制单元 人机界面（显示、操作） 输入输出（采集数据、接收指令、反馈状态等） 软启动器 接触器 断路器 柜体、按钮、指示灯,3.1 调速系统的构成,3.大型调速器机械液压系统框图：,3.1 调速系统的构成,3.中小型调速器机械液压系统框图：,3.1 调速系统的构成,3.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
12、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。,3.1 调速系统的构成,3.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
13、器（液压控制型）的主配压阀。,3.1 调速系统的构成,3.机械液压系统比例伺服阀,比例伺服阀的表示符号,比例伺服阀控制主配压阀原理框图,3.机械液压系统比例伺服阀,3.1 调速系统的构成,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,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,四.机械液压系统主配压阀,主配压阀是调速器机械
14、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。,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
15、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。,四.机械液压系统主配压阀,美国GE公司FC主配压阀,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,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
16、置的机械位移。,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,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。,四.机械液压系统主配压阀,主配压阀的自复中,五.两段关闭装置及事故配压阀,在水电站的工程实际中，由于其水工结构、引水管道、机组转动惯量等因素的影响，经过调节保证计算，要求调速器的接力器在紧急关闭时有导叶分段（一般为两段）关闭特性。即在导叶紧急关闭过程中，要求按拐点区分成关闭速度不同的两段（或多段）关闭特性，导叶分段关闭装置就是实现这种特性的。导叶分段关闭装置由导叶分段关闭阀和接力器拐点开度控制机构组，后者包括拐点检测及整定机构和控制阀。拐点开度控制机构可以是基于纯机械液压的工作原理，也可以是由电气与液压相结合的工作原理，前者可称为“机械式”导叶分段关闭装置，后者则是“电气式”导叶分段关闭装置。对于要求具有导叶分段关闭特性的调速器，必需引入接力器位移的机械或电气信号。,
