水轮机调节

水轮机调节 主讲人：黄 丹,概述地位：如果把水轮机比喻成为人体，它所包括的各个系统：如本体系统、调速系统、油气水系统等就对应地像我们人体的躯干系统、神经系统和各辅助系统。所以，调速系统是水轮机中最难、最复杂、最关键的核心系统。也就是说，只有学好水轮机调节，才能算是真正懂得水轮机。意义：学好水轮机调节系统，可以让我们深入地了解水轮机的调节原理、调节规律，进而深入地学习和理解水轮机工作特性，便于我们在运行中更好地进行负荷调整、重大事故的分析、处理及预防。学习方法：采用“分合”的学习方法。即先学习调速系统的各个元件，再学习整个调速系统的工作原理（工作过程）。,第一章 水轮机调节的基本原理第一节 水轮机调节的基本概念一、水轮机调节的任务 1、水力发电的生产流程：,2、水力发电的特点： 电能是一种特殊的商品：它不能实现中间储存。所以，发电、供电和用电是同时完成的，也就是说，有多少的电能必须用完多少；又或者说，要用多少电能，就只能发出多少。所以，从水电站的角度来说：必须根据用户的用电量来调节水轮机的负荷。 在现实中，用户的用电量（即电网负荷）是不断变化的，而且负荷变化必定导致频率变化。 我们都知道：电压和频率是表示电能品质的2个基本参数。用户在用电时必须保证电压和频率在规定范围内，否则会影响到安全性和经济性。水轮机调节： 在电力系统中，为了使水轮发电机组的供电频率稳定在某一规定范围内而进行的调节。,3、水轮机调节的任务：由电机学可知： 在式（11）中，发电机的磁极对数p取决于发电机结构，对于已制造好的发电机来说，p是一个常数。因此，要稳定频率f在规定值，只能通过稳定转速n来实现。所以，水轮机的调节任务是：根据电网负荷的变化调节水轮发电机组的有功功率，并维持机组转速在规定的范围内，保证频率在规定范围内。,二、水轮机调节的途径和方法水轮发电机组（即把水轮机和发电机连成一个整体）如下图：,把机组转动部分视为一个绕定轴转动的刚体，则根据理论力学有：对于水轮机而言，上式的M应包括2部分：水流推动水轮机的主动力矩 ; 发电机阻力矩 。所以，得出下式,发电机阻力矩 是随着用电负荷变化而变化的。当动力矩和阻力矩去平衡时，机组转速n会随之变化。具体变化有3种情况：（1）（2）（3）由以上分析可知，当 发生变化时，必须调节 ，否则会引起机组转速或电网频率的变化。,当MtMg时， ，说明电网负荷 ，机组转速 ，电网频率 。所以要减小 Mt，使Mt=Mg，使电网频率恢复到正常范围。,当Mt=Mg时，机组转速保持不变。,当MtMg时， ，说明电网负荷 ，机组转速 ，电网频率 。所以要减小 Mt，使Mt=Mg，使电网频率恢复到正常范围。,水轮机动力矩 的调节方法和途径： 与水轮机的工作水头H、水轮机流量Q（表现为导叶度）、角速度 有关。 根据水轮机由上式可知，从理论上，改变流量Q、工作水头H和效率 ，可改变 。但实际在水电站正常运行中，工作水头H和效率 是无法改变的。只有Q可以改变。所以水轮机的调节思路是：通过改变流量Q来调节水轮机动力矩 。,不同形式的水轮机具有不同的调节流量设备。如反击式水轮机通过调节导叶开度来调节流量Q，从而改变动力矩 ；而冲击式水轮机通过改变喷针行程来调节动力矩 。所以，水轮机调节的途径是：改变导叶开度或喷针行程。调节的方法是：利用调速器按负荷变化引起的机组转速或频率的偏差，调整水轮机导叶或喷针开度，使水轮机的动力矩和阻力矩及时恢复平衡，从而使转速和频率保持在规定的范围内。,三、水轮机调节的特点：1、水轮机调速器的液压操作机构较庞大，所以其非线性和滞后性对于调节系统的动态品质影响较大。2、因机组形式不同，有的水轮机需要采用双重调节，调速系统更复杂，增加了系统的滞后性。3、受自然条件限制，有的水电站的引水管道较长，水流惯性大，如果开启或关闭导叶过快，会在管道中产生冲击；如果动作过慢，又会使机组转速过高，使调节系统的动态品质产生不利影响。4、从电力系统的发展趋势看，对水轮发电机组调速器的稳定性、速动性、准确性的要求越来越高；调速器的操作功能、自动控制功能也不断完善。,四、调速器的发展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。2、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。3、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。4、20世纪80年代以来，出现了微机液压调速器。它具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。,第二节 水轮机调速系统基本元件下图是一个单调节水轮机系统方框图：,方框图：表示电路、程序、工艺流程等内在联系的图形。方框内表示各独立部分的性能、作用等，方框之间用线连接起来，表示各部分之间的相互关系。简称框图。也叫方块 图。,其调节过程：,用户负荷 电网频率 水轮发电机组转速,（二）辅助接力器和主配压阀1、结构图2、主要构件：辅助接力器活塞、主接力器活塞、阀体。,3、结构特点：（1）辅助接力器活塞是个差动阀（即活塞的上、下底接触油的面积不同，上小下大），活塞的上部油口-引导阀的中间油腔(压力为p1；活塞的下部油口-排油管。所以，它的受力为： F1=p1A1 （方向向下）（2）主配压阀活塞有上、下2个阀盘，且上大下小；主配压阀体有上、中、下3个油口和底部1个油口，上油口-主接力器左腔，下油口-主接力器右腔，中间油口-压力油(压力为p)，底部油口-接油管。 当主配压阀活塞平衡在某个位置时，所受的力为： F=p(A2-A3) （方向向上）,4、工作原理： 如果把辅助接力器和主配压阀视为一个整体，它的工作状态取决于F1和F的对比，具体如下：当引导阀处于平衡状态时（对应的机组转速为额定转速），通过参数设计使F=F1，此时，辅助接力器和主配压阀不动。当转速升高时，离心摆下支持块上移，同时带动引导阀转动套上移，引导阀油腔接通排油，此时， p1 =0，即F1= 0，所以辅助接力器和主配压阀在F的作用下，其活塞上移，压力油通过上油口进入主接力器左腔。转速降低时，离心摆下支持块下移，同时带动引导阀转动套下移，引导阀油腔接通压力油，此时， p1 =p，因为A1(A2-A3)，即F1（向下） F（向上），所以辅助接力器和主配压阀的活塞下移，压力油通过下油口进入主接力器右腔。5、功能：接受来自引导阀油腔油压变化信号，去控制接力器的左右移动。,（三）接力器（是执行元件）1、结构图：2、主要构件:接力器缸、活塞、活塞杆。3、结构特点：活塞两侧的缸体上各有1个油口，左侧油口-主配压阀上油口，右侧油口-主配压阀下油口。所以接力器活塞的运动受主配压阀控制。,4、工作过程：当主配压阀活塞上移，压力油通过上油口进入接力器的左腔室，同时右腔室接通排油，所以活塞右移，推动导叶机构向关小方向运动。当主配压阀活塞下移，压力油通过下油口进入接力器的右腔室，同时左腔室接通排油，所以活塞左移，推动导叶机构向开大方向运动。5、功能：通过主配压阀活塞的上、下移动，通过活塞与油口的配合，控制接力器活塞的左、右移动，从而实现对导叶开度（或喷针行程）的调节。 接力器活塞移动速度取决于主配压阀油口开度的大小和打开油口的时间长短。6、输出量（接力器活塞的位移）与输入量（主配压阀油口开度）的关系：,接力器位移量的相对值y与主配压阀油口开度相对值u的积分成正比。,三、反馈元件1、基本: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。反馈：把系统或环节的输出信号的一部分反送回输入端。 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。以局部反馈为例说明硬反馈的工作原理：（如下图所示，系统中的局部反馈是一个杠杆）,局部反馈：它在系统中的作用是作为第一级液压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）,输入信号（A端位移量 ）与输出信号（B端位移量 ）有如下关系： =K ，K比例系数由上式可知，硬反馈元件的输出信号和输入信号是一种比例关系，所以也可称为比例反馈元件。 （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。2、结构及其特点：,结构特点：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。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 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 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：结合上式，说明缓冲装置的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。,第三节 水轮机调速系统的工作原理一、无反馈的调速系统原理： 关,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）。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。当转速 离心摆下支持块 带动引导阀转动套 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 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。,当转速 离心摆下支持块 带动引导阀转动套 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 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。 3、存在问题： 当一个调节过程结束后，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。当机组转速降到n0,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，系统又会按转速低现象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，无反馈系统是一个不稳定系统。5、改进方向：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。,二、具有硬反馈的调速系统工作原理 C D A B 关,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）。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。,回到相对中间位置。3、存在问题： 例如，机组在n1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n2下稳定，但此时的n2nmax.即n1 n2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。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。,三、具有软反馈的调速系统 k,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）、软反馈元件。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。,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。接力器停止移动后，受活塞弹簧的作用，主、从动活塞逐渐向中间位置回复，同时使引导阀针塞稍有下移，通过相关机构动作，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。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。,经上述分析：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。,四、单调节调速系统工作原理：,1、系统组成：离心摆、引导阀、辅助接力器与主配压阀、主接力器、反馈锥体、调差机构、转速调整机构、硬反馈杠杆、缓冲装置（软反馈元件）。调差机构：其实质是一个硬反馈机构，它可以改变机组静特性斜率，确定并列运行机组之间负荷的分配。转速调整机构：当机组单机带负荷运行时，用于改变机组转速；当机组并列于无穷大电网运行时，用于改变机组所带的负荷。并列运行：单机带负荷运行：,单台机组向负荷供电。,发电机并入电网中，与多台机组一起向电网供电，并列运行的机组其频率和转速相同。,2、系统工作过程：（机组单机运行，额定转速为n0）第一阶段：当负荷 ， Mt Mg使转速 离心摆下支持块 带动引导阀转动套 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 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，转速停止加速。（此时，机组在转速n1下运行，n1 n0)第二阶段：反馈部分动作：（1）硬 反馈部分：辅助接力器与主配压阀活塞上移时，带动反馈杠杆e端 d端下移，带动c端下移 a 端上移 带动引导阀针塞上移；,（2）软反馈部分：主接力器向右关闭 反馈锥体右移 使反馈框架顺时针转 m点上移，带动g点上移 f点下移 缓冲装置主动活塞下移 从动活塞上移，带动引导阀针塞上移。在软、硬反馈部分的共同作用下，引导阀针塞与转动套恢复相对中间位置，封住相关油口，最终使主接力器停止右移。由于在此调节过程中导叶开度不断关小， Mt转速逐渐减小,并使Mt Mg ，所以转速由n1逐渐下降。第三阶段： 转速下降，引导阀转动套随之下移，此时，缓冲阀上下腔油压在节流孔作用下已达平衡，从动活塞在自身弹簧回复力作用下向下回中，通过连杆作用，带动引导阀针塞下移，与转动套回到相对中间位置。使机组转速回到n0下稳定运行。,第四节 调节系统静态与动态特性一、调节系统的静态特性及其品质指标（一）基本概念1、水轮机的调节系统：为了实现水轮机调节任务，由调节控制器、液压随动系统、调节对象（水轮机）组成的闭环控制系统。2、调速器（又称调速系统）：一般把水轮机调节系统中的调节控制器、液压随动系统称为调速器。,3、调节系统的静态特性：调节系统的静态特性（静特性）-调节系统处于平衡状态时，机组转速n与机组输出功率P之间的关系。 n n0 P0 P 无差静牲 有差静特性,（二）静态指标-是衡量调节系统稳定性的指标：调节系统静态特性用调差率表示。1、调差率（ep）-用相对量表示的调节系统静特性某一规定运行点处斜率的负数。 ep =-dx/d(P/Pr) ep =0 ：调节系统为无差静特性，即无论机组输出功率为多少，转速均不变。ep 0：调节系统为有差静特性，机组转速随输出功率的增加而减少。2、最大功率调差率（es）-也可用于表示调节系统的静特性。定义为：机组空载时的转速nmax与机组带额定负荷时的转速nmin之差与额定转速nr的比值： es =(nmax - nmin)/ nr,空载：机组负荷为0，即输出功率为0。 ep与es的关系：当调节系统静特性近似一条直线时， ep = es3、永态转差率（bp）-用于表示调速器的静特性。定义：用相对量表示的调速器静特性某一规定运行点处斜率的负数。即 bp =-dx/dy调速器静特性：测速元件的输入信号n与主接力器行程Y的变化关系曲线。4、最大行程永态转差率（bs）-为了简化分析，可用来表示调速器的静特性。定义：调速器的主接力器行程为0时的转速与主接力器行程为最大值的转速之差与额定转速的比值。即 bs =(nmax - nmin)/ nr, bp与bs的关系：当调速器的静特性近似一条直线时， ep = es。 ep 与bp的区别：bp ：是调速器静特性的一个参数，它与调速器的构造有关，与机组特性和运行水头无关。ep ：是调节系统静特性的一个参数，它与调速器系统的构造、机组特性和运行水头均有关。5、转速死区 以上讨论均假定只要转速开始偏离给定值，调速器便开始调节。但实际上并非如此，调速器往往有一个死区：,如左图： n 当转速超过n1时，调速器才 n1 开始关闭导叶，而当机组 n2 转速略低于n1时调速器并不 动作，只有转速低于n2时， 调速器才开启导叶。所以 a 在n1与n2之间时，调速器不动作，这就是转速死区。由于存在转速死区，实际调速器的静特性并不是一根线，而是一条带。其带宽为n1 - n2 。 转速死区使调节系统保持频率的质量降低，使机组负荷分配误差加大，对调节系统的稳定也不利，所以转速死区不能超过规定会值。,（三）国标关于静态特性的有关规定（见教材P14）三、调节系统的动态特性指标（一）基本概念1、调节系统的动态特性：调节系统在过渡过程中，转速n随时间t的变化关系。2、过渡过程：调节系统从一个稳态到另一个稳态的调节过程。3、动态特性指标（简称动态指标）：衡量调节系统动态品质的指标。,（二）动态指标1、调节时间（tE）：机组从甩负荷起，到机组转速相对偏差不超过1%为止，所经历的时间。 说明：转速偏差=（实际转速n-平衡转速n0）/n02、最大转速偏差nmax:一般指第一波峰值（见图1-15）；也可用相对值nmax / n0表示。3、超调量：第一个负波值占最大偏差的百分比。即 = （nmax / n0 ）100%4、超调次数X （也叫振荡次数）：调节时间内出现的振荡波峰（包括正波峰数与负波峰数之和）个数的一半。,（三）国标关于动态特性的有关规定：（见教材P15）第五节 并列运行机组静特性一、调差机构与转速调整机构（一）调差机构：1、组成部件：,调差机构的工作原理图： j i j,2、作用：改变机组静特性斜率（调差率），使并列运行中的机组都具有有差静特性，确定并列机组之间负荷的分配，防止负荷在并列运行机组之间来回窜动。3、工作原理：当转速升高，引导阀转动套上移，接力器右移关小导叶开度时，使反馈框架绕转轴顺时针转动，通过拉杆和杠杆作用，使引导阀针塞上移；当转速降低，引导阀转动套下移，接力器左移开大导叶开度，使反馈框架绕转轴逆时针转动，使引导阀针塞下移。总之，其工作结果是：使引导阀针塞总是跟随转动套移动，从而起到反馈的作用。反馈量大小的调节：通过调节反馈螺杆，从而改变反馈螺母与框架转轴的距离。当螺母距转轴越远，反馈量越大，静特性斜率也越大；反之越小。当螺母中心线与转轴轴线重合时，反馈量为0.,（二）转速调整机构1、组成部件,转速调整机构的工作原理图：,2、作用：使调节系统静特性平行移动。当机组单机运行时，可改变机组转速；当机组并列于无穷大电网运行时，用于改变机组所带负荷。3、工作原理：（1）单机带负荷运行时调整转速的工作原理：单机带负荷运行：这里指单台机组向负荷供电，且假设负荷不变。工作过程分析：操作转速调整手轮，使丝杆（又称螺杆）俯视顺时针转动，使螺母上移（由j点到j），经过一个调节过程后，使引导阀针塞稳定在较高的位置（相应的转动套也处在较高的位置），机组稳定转速相应增加。反之，操作转速调整手轮，使丝杆俯视逆时针转动，使螺母下移，经过一个调节过程后，使引导阀针塞稳定在较低的位置，机组稳定转速相应降低。,工作原理：它能人为地增加或减少调差机构的起始作用点，使引导阀针塞产生一个预先的附加位移，而接力器活塞的位移并不能改变它的螺母和丝杆之间的相对位移。转速的改变值（即静特性曲线的平移数值），取决于转速调整机构电力线上下位移量的大小。（2）并网运行时调整机组负荷的工作原理：操作转速调整手轮，使丝杆（又称螺杆）俯视顺时针转动，使螺母上移（由j点到j），带动引导阀针塞上移，开大导叶,MtMg ， 因机组转速取决于电网频率（即保持不变）,所以使机组负荷增加。反之亦然。,上述原理分析也可从静特性角度理解：因转速调整机构可以平移静态特性线，如下图：当机组单机带负荷运行时（假设负荷不变），则通过转速调整机构作用，使静特性上下平移，则会使转速相应地增加或减少。,当机组并列于一个无穷大的电网运行时，因其转速决定于电网频率，可认为转速不变，此时通过转速调整机构上下平移静特性曲线，可使功率相应地增加或减少。二、并列运行机组之间的变动负荷分配（一）并列运行机组均为无差静特性条件下的负荷分配1、系统设定： 设3台机组并列于一个电网中运行，它们的实际转速相同均为系统转速，且它们均为无差静特性。因现实原因，各机组的静特性不可能调调整得完全相同，设#2机整定转速为n0，#1机整定转速为n1高于n0,#3整定转速为n2低于n0。,如图：2、现象描述：运行中，#1机的离心摆总感应到运行转速n0总低于自身整定转速n1 ，通过调速系统开大导叶，使负荷不断增加，直到加满负荷为止；另一方面，#3机的离心摆也总感应到运行转速总是高于自身整定转速，通过调速系统，不断关小导叶，直到空载为止。使并列运行的各机组负荷分配不均匀。,3、原因分析:是因为各台机组的静特性均为无差特性，转速与功率没有一一对应关系，使得并列运行中的各机组在同一个系统转速下，没有对应的稳定功率，无法确定负荷分配。4、解决办法：采用调差机构，使在电网中并列运行的机组都具有有差静特性，以便实现机组间的负荷分配。5、结论：对于并列运行机组而言，调速系统具有有差静特性，才能保证机组间的合理分配负荷，而且能人为地改变各机组承担变动负荷量的大小。,（二）并列运行机组均为有差静特性条件下，变动负荷的分配1、系统假设：设系统中有3台机组并列运行，系统转速为n0，各台机组承担的负荷分别为P1、P2、P3,调差率为ep1、ep2、ep3，运行工况点为a1、a2、a3。设系统负荷增加了P,此时系统频率下降，调速器动作，经调节后达到新的平衡工况点。在新的平衡,状态中，系统转速为n0，各台机组的负荷分别为P1 、P2 、P3 ,工况点分别为c1、c2、c3。2、分析各机组增加负荷的影响因素 由图中#1机静特性线，利用相似三角形，及转差率ep（用最大功率转差率表示）等公式推导，3、由上述公式，可得出结论：（1）当系统中机组台数和容量一定时，各机组承担的变动负荷与额定出力Pr成正比，与调差率ep成反比。所以，要使机组承担的变动负荷较大，应使调差率较小，一般为2%-4%；要使机组承担的变动负荷较小，应使调差率较大，可大于4%.若某台机组调差率为0，则它将在其自身允许范围内，承担全部变动负荷。,（2）当系统总变动负荷一定时，各机组调关率越小，系统转速变化越小；反之越大。所以，在系统负荷变化时，要减小系统转速偏差，就必须有一部分机组的调差率要整定得较小。总之，通过调整机组调差率，可以改变机组承担变动负荷的大小；还可以改变系统转速偏差。三、调速器在系统调频中的作用-能否用很小的调差率，使系统的频率变化控制在规定范围内，而不需采取其他措施？ 1、实际中，调节系系统的静特性是一条带子（如右图），而不是一条直线，所以当机组转速为某一个值时，负荷可在P和P之间变动。,如图所示： 当机组处于稳定运行状态，机组工作点由 n0和P0决定。当系统频率发生波动时，由于存在转速死区，工作点在静特性带所围成的四边形区域内任意变动时，调速器的接力器均不动作，因此机组负荷也不发生改变，这就给调整和重新分配机组负荷带来误差。 2、根据相似三角形原理可以求出P的关系式 P= (n/epnr)Pr 由上式可看出：调差率ep越小，机组出力误差P越大。如bp=1%1.5%时，负荷分配误差可达5% 10%。所以实践中的整定不能太低，一般在4%左右，但这样大的调差率又不能满足保持频率的要求，所以必须采用二次调频。,二次调频：当系统频率超过规定的偏差时，运行人员用人工或自动控制转速调整机构，使频率回复额定值。3、措施：为了减小转速死区带来的机组出力波动，同时保证系统频率变化保持在规定范围内，必须设法减少转速死区；采用二次调频。 总而言之，在各机组均以有差静特性并列运行时，当负荷发生变化后，各机组的调速器就进行调节，在调节过程中，系统变动负荷的分配与机组调速器的灵敏度和速动性有关。然而调节过程结束达到新的平衡状态时，各机组承担变动负荷的多少与各机组的额定出力Pr成正比，与调差率ep成反比。此时系统的频率已偏离额定值，若偏离值较大，要求进行二次调频。若要改变机组所带负荷，也要操作相应的转速调整机构。,第六节 调速系统的典型环节与调节规律控制系统中的每个元件的输入、输出关系均可用一个数学模型（运行方程）来表述。无论各种元件的结构是否相同，只要其数学模型相似，其动态特性必然相似。一、典型环节（一）比例环节（又称放大环节）：输出量y与输入量x成比例的环节。 运动方程：离心摆、配压阀、杠杆等元件、以及满足上式的电路均属于比例环节。,（二）积分环节：输出量y与输入量x对时间t的积分成比例的环节。 运动方程：接力器、机组、积分运算放大电路均为积分环节。（三）理想微分环节：输出量y与输入量x对时间的导数成比例的环节。 运动方程：纯电容电路属于理想微分环节。它具有可实现提前调节，减少超调量，提高速动性，改善调节品质等优点。,（四）实际微分环节运动方程：缓冲装置属于实际微分环节。（五）惯性环节运动方程：RC电路和考虑惯性时的水轮发电机组属于惯性环节。,二、典型环节的传递函数拉普拉斯变换：（1）定义：函数f(t)，t为实变量，如果存在线性积分 F(s) =则称F(s) 为f(t)的拉氏变换函数（或称F(s) 为f(t)的象函数）， F(s)是复变量s=+j的函数。称 f(t)为F(s) 的原函数。并有逆运算f(t) =L-1F(s) ,该式为拉氏反变换。（2）作用：拉氏变换可将微积分运算转化为代数运算。能单独地表明初始条件的影响。典型的运算可查阅相关的变换表。,传递函数G(s)：线性定常系统在零初始条件下，输出量的拉氏变换Y(s)与输入量的拉氏变换X(s)之比。即G(s)= Y(s)/ X(s)。（一）比例环节 由比例环节的运动方程式求出其拉氏变换式为Y(s)=KpX(s)，所以其传递函数为G(s)= Y(s)/ X(s)=Kp（二）积分环节 G(s)= Y(s)/ X(s)=1/Ts（三）理想微分环节 G(s)= Y(s)/ X(s)=Tns,（四）实际微分环节 G(s)= Y(s)/ X(s)=KdTd/(1+Tds)(五）惯性环节 G(s)= Y(s)/ X(s)=K/(1+Tds)以上5种典型环节的传递函数均是代数表达式，容易求解，便于工程上的运用。,三、调节规律（一）结构方框图的基本组成形式方框图：方框-表示各独立环节的性能、作用，方框内是其运动方程式各传递函数。箭头-表示信号和信号的流向。信号综合点 -表示信号在此处汇合并进行叠加，+表示相加，-表示相减。环节与环节之间的连接形式：1、串联连接：前一个方框的输出是下一个方框的输入。,2、并联连接：有同一个输入，各方框输出的代数和作为总输出。3、反馈连接：方框1的输出，输入到方框2，得到2的输出再返回作用到1的输入端。,如下图调节系统中：属于串联连接的有：属于并联连接的有：属于反馈连接的有：,（二）调速器的调节规律：1、定义：调速器的调节规律-输出信号接力器位移y与输入信号转速x之间的关系。2、分类：一般可分为比例-积分型（PI）、比例-积分-微分型（PID）。（1）机械液压调速器属于PI型调速器。（2）电气液压调速器属于PID型调速器。（3）微机调速器属于PID型调速器。,第七节 调速器的分类和型号一、调速器的分类：（一）按元件结构分类，可分为：手动调速器、电动调速器、机械液压型调速器、电气液压型调速器、微机调速器。1、机械液压型调速器：其元件是机械元件和液压元件。其中机械元件有离心摆、调差机构、局部反馈（硬反馈）；液压元件有配压阀、缓冲器、接力器等。2、电气液压型调速器：有一部分元件是电气回路,有一部分元件是液压放大元件。其中电气回路有测频回路、缓冲回路、硬反馈回路、放大回路等；液压元件有配压阀、接力器。3、微机调速器：用微机（数字调节器）代替电气回路，还有一部分元件是液压放大元件。,（二）按调速器容量分类，可分为：特小型调速器、中小型调速器、大型调速器。1、特小型调速器、中小型调速器的容量用接力器的工作容量表示。接力器的工作容量：设计油压与活塞有效面积、接力器全行程的乘积。单位牛.米（N.m）中型调速器的接力器工作容量为1000030000 N.m；小型调速器的接力器工作容量为1000 10000 N.m.2、大型调速器的容量用主配压阀的直径表示。按国标规定，主配压阀直径等级有80、100、150、200mm等。（三）按调速器执行机构的数量分类，可分为：单调节调速器、双调节调速器。,1、单调节调速器：只有1个执行机构，适用于混流式、轴流定桨式水轮机。2、双调节调速器：有2个执行机构，适用于轴流转桨式、贯流转桨式、冲击式水轮机。（四）按调速器调节规律分类，可分为：PI型调速器、PID型调速器。（五）按调速器所用油压装置和主接力器是否单独设置情况分类，可分为整体式、分离式。二、调速器的系列型谱（一）调速器型号由4个部分组成,1、第一部分：产品类别 1-Y表示带油压装置； T-表示通流式。 2-T表示调速器；ST-表示双调速器；CJT-表示冲击式调速器；DT-集成电路模拟型调速器；WT-微机型调速器。2、第二部分：规格代号 3-对于不带接力器调速器，表示主配压阀直径（mm）；对于带接力器调速器表示接力器容量（N.m）。3、第三部分：额定油压 4-表示调速器额定油压p（MPa）。4、第四部分：制造厂代号、各厂产品特性或系列代号、及改型代号；,5-制造厂代号：SK表示天津水电控制设备厂；HDJ表示哈尔滨电机厂等。 6-各厂产品特性或改型代号。第三章 电气液压型调速器第一节 概述电液调速器的优点：（与机械液压型相比）1、具有较高的精确度和灵敏度。（从转速死区和接力器动作时间比较）2、制造成本低。（用半导体代替一些机械元件）3、易于实现各参数（如水头、流量、负荷分配等）的配合，便于实现厅成组调节；便于增设一引起辅助性的调节回路，以改善调节品质，易实现电站的经济运行、自动化水平的提高。,4、能迅速可靠地实现各种调节参数的调整和运行方式 的切换，如空载、负载参数的切换。5、便于标准化、系列化，也便于实现单元组合化。电液调速器的组成及结构特点： 电气部分：测频回路、缓冲回路、硬反馈回路、 放大回路等；组成 机械液压部分：引导阀、中间接力器、配压阀、接力器。 电液转换器：将综合放大后的电气信号转换成有一定压力的流量信号送入机械液压系统。 位移传感器：将位移信号转变成电信号的反馈元件。,YDT-1800A型电液调速器的原理方框图如下：,一、电气部分（一）测频回路-对应于离心摆。1、作用：测量机组频率。2、工作原理：它接受电压互感器送来的频率变化信号，并将频率变化信号转化成具有一定量值和方向的直流电压。 电压互感器是一个带铁心的变压器。它主要由一、二次线圈、铁心和绝缘组成。当在一次绕组上施加一个电压U1时，在铁心中就产生一个磁通，根据电磁感应定律，则在二次绕组中就产生一个二次电压U2。改变一次或二次绕组的匝数，可以产生不同的一次电压与二次电压比，这就可组成不同比的电压互感器。电压互感器将高电压按比例转换成低电压，即100V，电压互感器一次侧接在一次系统，二次侧接测量仪表、继电保护等。,（二）频率给定回路-对应于离心摆的调整螺母和转速调整机构。1、工作原理：它提供一个人为控制的直流电压，与测频回路输出的直流电压信号叠加，用来改变调速器的整定频率，调整机组的转速或负荷。2、作用:运行人员通过频率给定回路发出给定的调节指令，机组并网运行时，用来调整机组所带负荷；单机带负荷运行时，用来调整机组的转速。（三）功率给定回路作用:获得一个代表给定导叶开度为0-100%的可调电压，与导叶在不同位置时的反馈电压作比较，达到调整机组转速或负荷的目的，使机组可在不同开度（功率）下，按给定频率稳定运行。,（四）硬反馈回路（又称永态转差回路）-对应于调差机构，可决定调速器的静特性斜率。工作原理：通过位移传感器与接力器相连接，在接力器活塞距离一定时，输出一个与之对应的直流电压，以抵消或减弱测频信号的作用。（五）软反馈回路（又称转差回路）-对应于缓冲装置。工作原理：经过位移传感器与接力器相接，在接力器开度变化时输出一个直流电压，以抵消或减弱测频信号，起到软反馈作用。（六）测频微分回路1、作用：获得机组加速度信号，以实现系统的PID调节。2、工作原理:采用一个微分电路对频率信号进行微分。它的输出信号作为调节信号的一种校正，与,测频回路的输出信号进行叠加后再进行放大，从而实现PID调节规律。总之，软反馈回路和测频微分回路都是用来对调节信号进行校正的，所以它们统称为校正回路。（七）综合放大回路作用:通过电压变化形式，对测频信号、硬反馈、软反馈及其他信号综合，并对它们进行放大，以推动电液转换器。此外，还设有无信号关机保护电路、故障检测及运行参数测量电路、电源和自动操作回路等。二、机械液压部分（一）电液转换器与位移传感器-是电气部分与液压部分之间的信号转换者。,电液转换器：将电气部分输出的直流电流按比例转变成机械位移。位移传感器：把接力器的位移方向和大小按比例关系转换成直流电压。（二）液压放大机构 YDT型电液调速器包括中间接力器、主配压阀、主接力器、传动杠杆等。（三）操作控制机构：YDT型电液调速器采用机械型的开度限制机构，配有手动自动切换阀、紧急停机电磁阀等操作控制元件。,第二节 测频回路作用：采用测频回路测量机组频率（转速）与额定频率（转速）的偏差，反映机组转速的变化。型式：按照信号源和模拟数字电路的区别，常见的有4种型式永磁机-LC测频回路-信号源取自永磁发电机。发电机残压-脉冲频率测量回路（简称残压测频回路）-信号源取自发电机电压互感器。电压互感器：把高电压按比例关系变换成100V或更低等级的标准二次电压，供保护、计量、仪表装置使用。同时，使用电压互感器可以将高电压与电气工作人员隔离。电压互感器是一个被限定结构和使用形式的特殊变压器。,齿盘、磁头-脉冲频率测量回路-信号源取自磁性传感器。发电机残压-脉冲频率数字回路-信号源取自发电机互感器。残压测频回路的信号源：来自发电机电压互感。当发电机为额定电压时，电压互感器输出为100V；当发电机没有励磁时，发电机的剩磁造成的残压可使电压互感器有0.7-2V的电压输出，其频率与机组频率相同。一、脉冲测频原理实现频率向电压的变换，最容易的方法：脉冲频率调制法（PFM）法。1、定义：脉冲频率调制法（PFM）法：在固定脉冲宽度的前提下，当脉冲频率产生变化时，其输出电压的大小与频率成正比变化。,2、原理分析:脉宽定时电路：把输入信号的脉冲电压U转变成恒定脉宽信号UP.低