第二章水轮机调节系统工作原理ppt课件.ppt

第二章 水轮机调节系统工作原理,水轮机转速自动调节系统是从蒸汽机转速自动调节系统发展而来。下面以直观易懂的机械液压型调速器构成的水轮机调节系统为例来说明其工作原理，图2-1为水轮机调节系统原理简图，左侧是调速器部分，右侧是水轮发电机组部分。,图 1-12 水轮机转速自动调节系统框图,2.1 水轮机调节系统原理简图,（图 2-1）,从水轮机调节转速自动调节系统框图可知：调速器由测量元件、比较元件、放大元件、执行元件、反馈元件等组成。见图2-2对应位置，以下分别讲解个元件。,（图2-2）,2.1.1测量元件,（1）作用 把机组的转速信号转换为机械位移信号。,（2）结构 菱形钢带结构，上与飞摆电动机转轴相连（输入），下与引导阀转动套相连（输出）。,上支持块输入钢带限位架重块调节螺母弹簧下支持块输出,离心飞摆结构,（3）动作,b.当飞摆转速升高时，折算离心力大于弹簧力向外张开，下支持块向上处于较高位置；,c.当飞摆转速下降时，折算离心力小于弹簧力向内收缩，下支持块向下处于较低位置；,可见稳态时，下支持块的上下位置就反映了转速的高低。,a.初始为某一平衡位置，折算离心力与弹簧力相等；,离心摆受力及动作,（4）离心摆的静态特性 其输入输出关系见图2-3。,用公式表示：,(2-3),(2-1),(2-2),图2-3离心摆静态特性,a.离心摆工作参数有不均衡度（f）,c.放大系数（K）,b.位移变化量基准值（ZM*）,(2-4),(2-5),(2-6),(2-7),如T型、YT型f=50%，但T型K=0.4mm/1%，ZM*=40mm；YT型K=0.3mm/1%，ZM*=30mm；,（5）动态特性,（6）信号源 飞摆电动机电源要求十分可靠，取自永磁发电机；小型机组可取自机端电压互感器。转速信号的传递过程？,a.运动方程,b.传递函数,(2-9),(2-8),(2-10),离心摆的运动方程(p41)，T1为惯性引起的时间常数，T2为液摩阻力引起的时间常数，f不均衡度。在讨论调速器及整个调节系统动态特性时，T1、T2较小，不到0.01 秒的数量级，可近似为比例环节。结构上如何保证死区、非周期稳定呢？,2.1.2放大元件,（1）作用 将飞摆的输出位移量放大到足以操作笨重的导水机构。,（2）结构a第一级液压放大（引导阀辅助接力器）引导阀由三层结构组成，外层为引导阀固定套，里层为引导阀针塞，中间层为引导阀转动套。转动套与离心摆下支持块相连，和离心摆一同旋转；引导阀针塞与辅助接力器、主接力器反馈杠杆相连；固定套与阀体相连，阀体上接通三个油管路。辅助接力器与引导阀中间控制油路相连。,引导阀结构,b第二级液压放大（主配压阀主接力器）主配位于辅接下面，由外层的阀套与中间的阀芯组成。阀芯两个阀盘，上大下小。阀套与阀体相连，阀体上有4个油管路。主接由缸体、活塞及活塞杆组成，活塞两侧接通主配两个控制油路，活塞杆与导水机构相连。,(2-12)式中：p0为供油压强；F1、F2分别为上下阀盘受油面积；PM为作用在主配压阀上面的向上油压合力。,（3）动作 初始平衡位置受力分析。(2-11)式中：pi为引导阀中间油孔控制油压；Fi为辅助接力器活塞上面的环形面积；PA为作用在辅助接力器活塞上面的向下油压力。,当满足PA=PM时，辅接主配不动，第一级液压放大处于平衡位置，引导阀控制孔口油压为：,(2-13),T-100型调速器，辅接直径132mm，有效面积FA=42cm2，主配直径上100mm、下94mm，差动面积 F1 F2=(102-9.42)*3.1416/4=9.14cm2。设工作油压p0=25kg/cm2，求得：pi=5.44kg/cm2。,YT型调速器，辅接活塞直径42mm，活塞杆直径22mm，有效面积FA=10.05cm2；主配直径上35mm、下25mm，差动面积F1 F2=(3.52-2.52)*3.1416/4=4.71cm2。设工作油压p0=25kg/cm2，求得：pi=11.72kg/cm2。,例一,例二,液压放大系统的动作如下（先考虑针塞不动）.转速下降，转动套向下，pi pi0，则PAPM，辅助接力器活塞向下，主接力器开大，主动力矩上升，转速向上恢复；.转速上升，转动套向上，pi pi0，则PAPM，辅助接力器活塞向上，主接力器关小，主动力矩下降，转速向下恢复。,（4）配压阀型式结构形式分类：,(2-14),hs衬套孔口高度，hv 阀盘高度,a.通流式：,b.断流式：,其中 l 被称为遮程/搭叠量：,正开口阀,负开口阀,零开口阀,（a）通流式配压阀（b）断流式配压阀图2-4 配压阀型式,a.四通阀双作用油缸有两个控制油路主配压阀主接力器,b.三通阀单作用油缸只有一个控制油路引导阀辅助接力器,图2-5液压放大装置工作原理图,（5）接力器静止平衡方程,式中：p、p分别为接力器关闭腔、开启腔的油压力，F为接力器活塞面积，R为导水机构上的阻力。,接力器在静止时，有,(2-15),或,a.漏油量 见图2-5液压放大装置工作原理图。漏油压力损失在遮程上，由于间隙很小（0.01mm0.02mm），流速较低为层流，压力损失与流量的一次方成正比例，设压力油罐油压为p0，回油箱油压为“0”，则有,以下讨论主接力器静止时的几个重要参数,即漏油量q与工作油压p0成正比，与遮程l、kt成反比，其中kt取决于配压阀的尺寸和间隙。,(2-16),式中q为一侧的漏油量；kt为层流油压损失系数。,(2-17),由式（2-16）可得式（2-17）,b.几何中间位置 即衬套孔口两侧遮程相等情况下，主配压阀两个控制油口油压相等，油压合力此时为零。即,c.工作（实际）中间位置 由于阻力不为零，故要求活塞两侧的油压力不相等。能够保持接力器静止不动的主配压阀阀芯位置，称之为工作（实际）中间位置，以几何中间位置为基准，设主配压阀阀芯向下位移S1，则有：,(2-18),(2-19),(2-20),将式（2-17）、（2-18）及（2-19）代入式（2-15）得,可见，工作中间位置与阻力R大小成正比，由于水力阻力的大小和方向随导叶开度位置变化。因此主配压阀工作中间位置的大小和方向也在变化。,d.配压阀死区 由于作用在接力器活塞杆上的力除水推力 RW 之外，还有干摩擦力T。若要向开启方向移动，油压为主动力，阻力R=RW+T，配压阀向下位移S11若要向关闭方向移动，水推力RW为主动力，阻力R=(PI-PII)F+T，配压阀向上位移S12则在S11到S12之间移动时，主接力器保持不动。,(2-21),（6）小波动情况下接力器的运动方程,一旦配压阀偏离了工作中间位置，设在此基础上主配压阀偏离一个量S，接力器就开始运动。接力器活塞的运动方程为 式中：m接力器活塞及一起移动的零部件质量（包括与接力器活塞一起运动的所有零部件，如推拉杆、控制环、连杆、拐臂和导叶等）；D为液体阻尼系数；Y为接力器活塞相对原平衡位置的偏移量。,(2-22),当调节系统波动较小时，S亦较小，接力器移动速度较慢，运动质量力、液体摩擦阻力相对于水阻力、油压力小的多，运动方程可近似认为 或 与静止式（2-15）相同，但内涵不同。,上式说明，为液压放大元件提供压力油的油压，一部分用于克服接力器上静止阻力所需油压R/F，另一部分用于克服接力器运动所引起的油流动在过油部件产生的油压损失，这一损失油压称为储备油压p。,(2-23),在小波动条件下，接力器速度较慢，管道中的油流速较慢，所有沿程损失可忽略不计，油压损失p主要集中在配压阀口，通过阀口的流速 v 可认为基本保持不变。,式中：v通过配压阀窗口油的流速，b为配压阀窗口宽度，S为配压阀的偏移量。,设配压阀窗口形状为矩形，根据不可压缩流体的连续性方程，流过该窗口的油流量等于通过接力器的油流量。,(2-24),或写成,式（2-25）称为接力器运动方程，Ty称为接力器反应时间常数，单位为秒（s）。由式（2-25）可求得液压放大装置的传递函数为(2-26)可见，液压放大装置是一个积分环节。,通常以接力器活塞最大位移Ymax（YM）及配压阀阀芯最大位移Smax为基准，将（2-24）写成相对值形式（注：以下运动方程、传递函数中的物理量均以偏差相对值表示），有(2-25)其中,在单位阶跃输入信号作用下，其时域相应输出为(2-27),图2-7 接力器单位阶跃响应曲线,可见，当配压阀有一开口时，接力器一直直线运动。或者说，要想让接力器停止运动，配压阀开口必须为“0”，这说明液压放大装置无自平衡能力。,接力器反应时间常数Ty,Ty是表征接力器运动的一个重要参数，不同的配压阀结构，油路布置不同，则Ty不同，由式（2-25）得(2-28),图2-6 接力器速度特性曲线,但其输入/输出关系为非线性，一般常根据实验数据求得，画出接力器的速度特性曲线。,水轮机调速器技术条件规定，Ty是指接力器带一定负载，其相对运动速度与配压阀相对位移关系曲线斜率的倒数。,（7）液压随动系统工作原理,液压放大装置是一个积分环节，无自平衡能力。为了保证其输入、输出在稳态情况下保持确定的关系，将接力器的位移输出以负反馈形式反馈到配压阀的输入端，从而构成液压随动系统。下以第一级液压放大为例说明液压随动系统的工作原理。第一级液压放大装置的传递函数，参照式（2-26）得：(2-29),，为辅助接力器行程；,为引导阀开口,，为辅助接力器反应时间常数。,式中：,局部反馈：,取相对值：,传递函数：,式中：,为局部反馈引起的引导阀针塞相对位移量；,为局部反馈系数。,(2-30),综合比较元件引导阀,引导阀开口：,取相对值：,设计时取：,图2-8 液压随动系统方框图,离心飞摆方框图,第一级液压放大随动系统传函为,传函简化为,辅助接力器主配压阀,取相对值：,传递函数：,式中：,为主配压阀的相对位移量。,设计时：,作业题1,1、YT型调速器主配压阀单边遮程为0.2mm，正常工作油压下限22kg/cm2，接力器活塞直径170mm，活塞杆直径50mm，导水机构的干摩擦力为1000kg，辅助接力器至引导阀的局部反馈杠杆尺寸如图所示，试求主配压阀所造成的转速死区为多少（以转速变化的相对值表示。）？已知飞摆的放大系数K=0.3mm/%，即ZM*=30mm。,2.1.3反馈元件,反馈元件作用是保证水轮机调节系统动态稳定性的元件，通过反馈元件可改变调速器的控制规律。因此，掌握反馈元件的工作原理是相当重要的。,图2-9缓冲器受力分析图,（1）缓冲器缓冲器的组成a.缓冲杯（主动活塞）；b.缓冲活塞（从动活塞）；c.缓冲弹簧；d.节流阀。,缓冲器的运动方程 作用在缓冲活塞上的力有：油压力和弹簧力，其他力忽略不计。故有：,式中：p为缓冲活塞两侧的压差，Fp为缓冲活塞的面积，k为缓冲弹簧的弹性系数，K为缓冲活塞偏离中间位置的距离。,式中：Q为节流阀孔口的流量，为流量系数，为节流孔口面积，为油的比重。,(2-32),(2-33),通过节流阀孔口的流量由于油流速较小，可按层流公式计算。,又可表示为活塞下腔油的体积变化。,N为缓冲杯（主动活塞）位移量。,将式（2-32）带入式（2-33）,令，则得,称(2-34)缓冲器的运动方程,缓冲器的回中特性 设N为一阶跃输入，观察K的变化规律，见图2-10。,图2-10 缓冲器回中特性曲线,(2-34),称Td为缓冲时间常数,在t=0时，K0=N0，当t0时，求解微分方程,可见K的变化规律为指数衰减曲线，图2-10曲线被称为缓冲器的回中特性曲线。缓冲活塞回中时间的长短可用Td来衡量，当t=Td时，因此，缓冲常数Td被定义为：缓冲活塞从阶跃输入撤出到恢复至36.8%初始偏移量为止所经历的时间。,(2-35),（2）暂态反馈机构,设主接力器到缓冲杯的杠杆传递系数为1，缓冲活塞到引导阀针塞的杠杆传递系数为2，引导阀针塞位移Zd，主接力器位移变化量Y，则有：,用相对值表达方式，取z基准置为ZM*=K（离心飞摆的放大系数），转速变化100%额定转速时，飞摆转动套的位移量，取Y基准值为Ymax，式（2-26）可化为：,(2-36),代入式(2-24),式（2-37）被称为暂态反馈运动方程式。其中，针塞移动相对值，接力器移动相对值，暂态转差系数（缓冲强度）。,暂态转差系数（缓冲强度）bt可理解为，相当于缓冲器截流孔全关（认为Td=）情况下，接力器走完全行程YM所引起的反馈量，相当于转速变化的百分数。,(2-37),(2-38),传递函数：,作业题2,2、YT-600型调速器的软反馈机构信号传递系统尺寸如下图所示，试求可调支点在b=15mm时的暂态转差系数bt。已知飞摆的放大系数K=0.3mm/%，即ZM*=30mm。,2.1.4调节系统动作过程分析,（1）无反馈（缓冲器截流孔全开Td=0）静态特性（稳态特性）要使调节系统稳定的3个必要条件：,根据以上条件，以机组出力P为横坐标，机组转速n为纵坐标，可画出调节系统静特性曲线，如图2-11。,图2-11 无反馈调节系统静态特性,无差静态特性，调节结束输出没有误差,无反馈、最大、Td=0 硬反馈、=0、Td=软反馈、=有限、Td=有限,a.主动力矩等于阻力矩（Mt=Mg）；,b.配压阀开口为零（S=0，SB=0）；,c.反馈量不在变化（K=常数）。,动态特性为了便于分析，现简化：,由式(2-31)得,式(2-25),由式(1-3)得,式(1-1),a.第一级液压放大为比例环节;（忽略其时间常数）,b.第二级液压放大为积分环节;（主接力器速度与主配压阀开口成正比例，忽略非线性）,c.主动力矩与主接力器开度成正比例。（忽略转速、水击压力等对主动力矩的影响）,d.机组运动方程，忽略转速对阻力矩Mg影响,初始处于稳态，当t=t0时，n=n0，S=0，Y=Y0，Mt=Mt0=M0=Mg0=Mg,图2-12 无反馈时调节系统动态特性曲线,当tt0时，Mg=Mg1=M1M0=Mt0=Mt，进入到动态。,见图2-12,（2）硬反馈（Td=）静态特性 同样由稳定的3个必要条件得出调节系统静态特性曲线，如图2-13。,机组出力P为横坐标，机组转速n为纵坐标。,nmax空载开度稳定的转速nmin 满载开度稳定的转速nr 额定转速bt 与反馈强度有关的系数,图2-13 硬反馈时的调节系统静态特性曲线,为有差静态特性，曲线斜率用下式表示。,动态特性图2-14表示动态过程中杠杆位置变化的关系。初始平衡状态，Z0、Y0、X0杠杆处于水平位置。Z0点表示反馈量的大小，Y0点表示转速的高低，X0点表示主配压阀开口的大小。,图2-14 动态过程中杠杆位置变化的关系,无反馈时杠杆的动作位置,有反馈时杠杆的动作位置,有反馈时可以使主配压阀提前回中（相对于无反馈时），比转速变化影响提前发生，即不必等到转速变化后主配才动。,图2-15 Td=调节系统动态特性曲线。,图2-15 硬反馈时调节系统动态特性曲线,曲线1代表机组转速对主配压阀影响，假设Z点不动；曲线2代表主接力器反馈对主配压阀影响，假设X点不动；曲线3代表二者对主配压阀影响之和，即主配压阀的实际位置变化曲线。,由于动态有反馈存在，主配压阀能够提前回中，因而主配压阀开口越来越小，接力器速度越来越慢，调节系统的动态过程为收敛过程，最后趋于新的平衡状态。,这样一来，调节系统的静态误差太大，早已不能满足规定的指标要求。为了既保证调节系统动态稳定，又要静态保证误差，所以在调速器中采用软反馈。,由此可见，理论上只要有反馈，就能使调节系统稳定。但实际上，要使动态过程若要达到稳定，必须要有足够的反馈量。这是因为在前面讨论中忽略了水流惯性、放大执行元件的滞后非线性，所以一般至少要在40%60%反馈量，即,（3）软反馈（Td=有限值）,静态特性（稳态特性）由于稳定时无反馈量变化，其静态曲线为无差静特性，与无反馈情况时相同。,动态特性 当采用软反馈时，在调节系统动态过程中，反馈量是存在的，可保证动态过程能够稳定，其动态过程曲线与图2-15相近。软反馈相当于速度反馈，动态有、静态无；硬反馈为位置反馈，动态有、静态也有。,图2-16 软反馈时的调节系统静态特性曲线,2.2 机组并列运行静态分析,前面讨论的是单机带负荷情况，包括静态与动态特性。但现在很少有单机运行情况，机组一般均并列带负荷运行，其工作动态特性十分复杂，涉及电力系统动态稳定问题（功角稳定性、电压稳定性和频率稳定性三个方面），已超出本课程研究内容。下面仅分析讨论机组并列运行的静态工作情况。前述，若只采用软反馈，机组为无差静特性，无论负荷多大，调节结束后系统试图维持机组转速恒定。然而，各台机组静特性不可能完全保持一致，而电网只能有一个频率，这将导致机组间负荷出现拉锯现象，见图2-17。,图2-17 具有无差静特性的机组并列运行,2.2.1调差机构（1）作用 形成有差静特性，以使机组并列运行有一个明确的工作点，保证机组负荷分配明确。,如1#机组其整定值始终高于电网频率，相当于引导阀针塞位置始终高于转动套位置，辅助接力器一直通压力油，主接力器向开启方向移动，到全开位置为止。而3#机组其整定值始终低于电网频率，相当于引导阀针塞位置始终低于转动套位置，辅助接力器一直通回油，主接力器向关闭方向移动，到全关位置为止。发生此类现象的原因是并列运行时每台机组没有一个明确的工作点。因此并列机组不能采用无差静特性工作，而必须采用有差静特性。所以必须在调速器中另外设置一套装置调差机构，形成有差静特性，满足机组并列运行的需要。,（2）工作原理 在调节系统原理简图中，设置调差机构后，可得到图2-18调节系统静特性。,图2-18 有调差作用时的调节系统静态特性曲线,(2-39),ep为调节系统的调差系数，一般在08%左右。与式(2-38)相似。,（3）传递函数 参照图2-1调节系统原理简图，可得：,取相对值：,传递函数：,式中：,为调差机构反馈引起的引导阀针塞相对位移量；,为永态转差系数。,(2-40),bp可描述为：。比例环节,（4）变动负荷在并列运行机组间的分配已知：各台机组的额定出力Pri、调差率epi、电网中总的负荷变化量P。求：各台机组负荷变化量Pi，以及系统频率的变化量f0。,图2-19 变动负荷在并列运行机组间的分配,在ABCabc中,已知：,带入：,得：,并列运行的机组所担任的变动负荷与其容量/额定出力成正比，与其调差系数成反比。因此，大容量、小调差率（2%4%）的机组担任的变动负荷大；小容量、大调差率（6%8%）的机组担任的变动负荷小。,电网的频率变化与其 成反比，即系统中各台机组的 越大，则负荷变化引起的频率变化越小。,（1）作用，平移机组静特性。如果所有机组都采用有差静特性，势必会造成系统的转速（频率）偏差。因此，必须通过转速调整机构平移机组静特性重新调整转速，使系统转速恢复到给定值。,图2-20 平移机组静特性,2.2.2 转速调整（给定值）机构,（2）工作原理。单机运行时，设机组负荷不变，静态工作点上下移动，机组转速改变；并网运行时，由于电网频率不变，静态工作点左右移动，机组负荷改变。见图2-20。,（3）平移静特性对并列机组间负荷分配的影响已知：各台机组额定出力Pri、调差率epi、和某台机组转速调整机构的平移量f1。求：各台机组负荷变化量Pi，以及系统频率的变化量f0。,图2-21平移静特性对并列机组间负荷分配的影响,在abc ABC中,平移某台机组静特性可改变电网频率和机组所带的负荷。,由于频率变化量与机组的额定容量成正比，与机组的调差率成反比。因此，需选择大容量、小调差率（2%4%）的机组担任调频任务、作为调频机组。,当电网容量很大、机组容量较小时，相当于，则 及。即小机组并入大电网平移静态特性只改变自身所带的负荷，而不改变电网频率。,（5）转速调整机构的工作范围 机组并网点频率为50Hz，要使机组带满负荷为额定值Pr时，必须使静态特性曲线上移ep（bp=810%）。,（4）一次调频与二次调频 在现代电网管理中，越来越重视机组的一次调频作用、科学合理地进行电网的二次调频。,当系统发生事故时，频率很低（45Hz），此时为了能够并网，必须使静态特性曲线下移10%。,考虑到系统频率偏差及测量制造误差，留有一定的裕量2%3%，国产机调转速调整的行程设计为（-15%10%）；电调、微机调频率给定范围为45Hz55Hz（-10%10%）。,作业题3,3、电力系统中现有4台机组并列运行。1号机额定出力Pr1=10000kW、调差率ep1=3.8%；2号机额定出力Pr2=10000kW、调差率ep2=4.0%；3号机额定出力Pr3=25000kW、调差率ep3=2.2%；4号机额定出力Pr4=10000kW、调差率ep4=3.6%。初始稳定工况系统频率f0=50Hz，各机组承担的负荷为P10=8000kW、P20=8000kW、P30=15000kW、P40=10000kW。若系统负荷增加P=10000kW，此时各台机组所带的负荷为多少？系统周波为多少？若利用3号机调频使系统周波恢复至50Hz，那么3号机的速调机构改变量为多少（以转速变化的相对值表示）？,2.3 调速器分类与系统结构,2.3.1调速器分类及发展（1）按元件结构分 机械液压型调速器（测量元件、反馈元件、比较元件均是机械的）电气液压型调速器（测量元件、反馈元件、比较元件均是模拟电气的）微机液压型调速器（测量元件、反馈元件、比较元件均是数字的）,（2）按工作容量分 大型调速器（主配压阀直径80mm）中型调速器（调速功为18000Nm、30000Nm）小型调速器（调速功为3000Nm、6000Nm、10000Nm）特小型调速器（调速功为350Nm、500Nm、750Nm、1500Nm）,（3）按执行元件数目分 单调节调速器（HL、ZD）双调节调速器（ZZ、CJ）,（5）调速器的发展简介 19世纪末出现机械液压型调速器，至20世纪30年代已比较完善，其控制规律和性能等几方面能满足大部分情况下的要求。随着机组容量的增大，电网对周波要求更高。随着电子技术的发展，20世纪40年代之后，出现了电子管（50年代）、晶体管（60年代）、集成电路（70年代）电气液压型调速器。进入20世纪80年代，微处理器技术发展，高性能微型计算机不断涌现。世界及我国先后将微机技术引入到水轮机调节领域中，各有关制造厂、研究所、高校都积极参与研究和开发微机调速器。经过近20多年努力，现在生产的几乎都是微机调速器。1981年华中工学院与天津水控厂开始研制的我国第一台微机调速器在欧阳海电站运行后，于1985年通过部级鉴定。1984年初南自所与富春江水电厂研制的样机运行后，于1987年通过技术鉴定。,（4）按调节规律分 PI调节规律（比例+积分）PID调节规律（比例+积分+微分）智能型控制（变结构式、自适应式、线性最优、神经网络控等）,2.3.2调速器的系统结构,（1）辅助接力器型调速器（跨跃反馈式）,简化处理：调速器传递函数：(详细推导见后),阶跃相应曲线,P+I,（2）中间接力器型调速器（逐级反馈式）,（3）电子调节器型调速器（随动系统）,（4）双重调节及协联装置,(a)并行协联,(b)串行协联,图2-22 双重调节的协联方式,图2-23 协联装置工作原理,2.4 水轮机调节系统静态与动态指标,2.4.1静态性能指标（1）调节系统静态特性 以转速n为纵坐标、出力P为横坐标画曲线，调节系统调差率（ep）可用规定点A上的斜率的负数表示（定义）为：,也可以用最大功率调差率（es）表示（定义）为：,图2-24调节系统静态特性,式中：nmax为P=0的转速；nmin 为P=Pr的转速；nr为额定转速；Pr为额定出力。,当调节系统静态特性接近直线时,（2）调速器静态特性 以转速n为纵坐标、接力器行程Y为横坐标画曲线，调速器永态转差系数（bp）可用规定点B上的斜率的负数表示（定义）为：,也可以用最大行程永态转差率（bs）表示（定义）为：,图2-25调速器静态特性,式中：nmax为Y=0的转速；nmin 为Y=YM的转速；nr为额定转速；YM为主接力器最大行程。,当调速器静态特性接近直线时,调节系统的静态特性与调速器的静态特性密切相关，当静态特性接近直线时，把调节系统的静态特性曲线画在调速器静态特性中（红线部分），为调速器静态特性的一部分，如图2-26所示。,图中：Yk为机组空载时对应的主接力器行程，Yr为机组额定负载时对应的主接力器行程，nmax为P=0（Y=Yk）的转速；nmin 为P=Pr（Y=Yr）的转速。可以得出,图2-26调节系统与调速器静态特性关系,（3）调速器转速死区 调速器整机静态特性曲线理论上为一条曲线，实际上由于存在各种误差，导致静态特性不是一条线，而是一条区域（带子），如图2-27所示。这条区域的宽度定义为转速死区，用ix表示,图2-27调速器转速死区,调速器死区可理解为，当转速在n1n2之间变化时，主接力器开度保持不变（Y=Y）。当nn1时，接力器才开始关小；当nn2时，接力器才开始开大。,理论与实践表明，调速器的转速死区不仅严重影响机组并列运行机组间静态的负荷分配，而且，过大的转速死区将导致动态转速调整稳定性，使电网的频率质量降低。,转速死区对负荷分配的影响,负荷分配误差的相对值与转速死区成正比，与调差率成反比。,（4）调速器静态指标规定关于水轮机调速器的标准有国际标准、国家标准、行业标准、企业标准等：IEC61362水轮机控制系统规范导则 IEC60308水轮机调速系统试验规范 GB/T9652.11997水轮机调速器与油压装置技术条件GB/T9652.21997水轮机调速器与油压装置试验验收规程GB/T819195水轮机调速器与油压装置术语DL/T563水轮机电液调节系统及装置技术规程 DL/T496水轮机电液调节系统及装置调整试验导则,表2-1 GB/T9652.11997主要静态指标,2.4.2动态性能指标 动态特性是指调节系统受到扰动后，平衡状态被打破，系统中各变量随时间的变化规律。首先必须保证动态过程是稳定的，在稳定的前提下，用过渡过程品质指标来衡量动态过程的优劣。水轮机调节系统一般考虑两种情况下的动态特性，负荷扰动输入动态特性和给定值输入动态特性。,（a）负荷扰动过渡过程曲线（b）给定值扰动过渡过程曲线,图2-28 调节系统过渡过程品质指标,调节时间Tp。它是指从阶跃扰动开始到调节系统（转速）进入新的平衡状态为止所经历的时间。,最大偏差。是指第一个波峰值，也可用相对值表示。,振荡次数X。通常以调节时间范围内出现的波峰及波谷次数的一半表示。,超调量。通常以第一个反向波峰占最大偏差的百分比表示。即,衰减度。通常以第一个波峰与第二个波峰之差的相对值来表示，即,（1）负荷扰动输入动态特性 当机组负荷发生突然（阶跃）变化时，调节系统进入到动态过程。负荷扰动情况下的过渡过程如图2-25（a）所示，有下列过渡过程品质指标：,（2）给定值输入动态特性 当给定值发生突然（阶跃）变化时，调节系统进入到动态过程。给定值输入情况下的过渡过程如图2-25（b）所示，有下列过渡过程品质指标：,调节时间Tp。它是指从阶跃扰动开始到调节系统（转速）进入新的平衡状态为止所经历的时间。,超调量。设初始稳定转速为n0，即,振荡次数X。通常以调节时间范围内出现的波峰及波谷次数的一半表示。,（3）调节系统动态指标规定 国家标准GB/T9652.11997水轮机调速器与油压装置技术条件中对调速器动态特性主要的技术指标规定如下：,机组甩负荷后应达到的动态品质指标 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次；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%为止所经历的时间不大于40s。甩25%额定负荷后，接力器不动时间对于电调不超过0.2s，机调不大于0.3s。,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 机组空载工况自动运行时，3分钟内转速摆相对值对于大型电气液压型调速器，不超过0.15%；对于大型机械液压型调速器和中、小型调速器，不超过0.25%；对于特小型调速器，不超过0.3%。如果机组手动工况转速摆动相对值超过规定值（对于大型调速器规定值为0.20%，中、小型和特小型调速器规定值为0.3%），那么其自动空载工况转速相对摆动值不得大于相应的手动空载转速摆动相对值。,对调节对象特性参数的规定如下：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。水轮发电机组惯性时间常数Ta，对于反击式机组，不小于4s；对于冲击式机组，不小于2s。二者的比值Tw/Ta不大于0.4。,2.5 机械液压型调速器简介,机械液压型调速器有三种比较典型结构YT、T、ST型，其中T型为大型单调节机调，ST为大型双调节机调，这两种调速器为20世纪5060年代的主导产品，80年代停产，在电站中已逐步被改造为电调或微机调；YT型为中、小型机调代表，90年代停产，虽然大部分被改造为电调或微机调，但是，由于受运行条件、水平的限制，仍有不少电站还在使用。下面就以YT型调速器为例说明调速器的基本功能及作用。这是学习电液调速器、微机调速器的基础。,YT型调速器包括调速柜，接力器和油压装置，规格有YT300，YT600和YT1000。型号后面的数字代表调速功，单位为Kgm或9.81Nm，按调速功来选择调速器的工作容量。,图2-29 YT型调速器系统图,1离心摆电动机；2离心摆；3重块；4调节螺母；5离心摆弹簧；6引导阀；7引导阀转动套；8引导阀针塞；9、10拉紧弹簧；11、13、14、17、29、31、68杠杆；12、40、64、65、69连杆；15调节螺钉；16销子；18手钮；19内弹簧；20外弹簧；21针塞；22从动活塞；23缓冲器主动活塞；24主配压阀衬套；25主配压阀阀体；26辅助接力器活塞；27限位螺母；28调整螺钉；30支持架；32锁母；33开度限制阀；34开度限制阀衬套；35切换阀；36紧急停机电磁阀；37电磁阀弹簧；38电磁阀活塞；39、76弹簧；41滚轮；42锥体活塞；43接力器活塞杆；44接力器活塞；45活塞环；46旋塞；47手柄；48锁母；49手轮；50推力轴承；51滑环；52法兰；53套筒；54转轴；55框架；56指针；57调整螺杆；58、6l缓冲螺母；59调整螺杆；60连杆；62滑轮；63滤油器；66转速调整螺母；67转速调整螺杆；70开度限制螺杆；71开度限制螺母；72、74主动齿轮；73、75从动齿轮；77转速调整机构手轮；78开度限制机构手轮；79、80限位开关档块；81、82限位开关；83开度限制机构减速器；84开度限制机构电动机；85转速调整机构减速器；86转速调整机构电动机；87压力表；88节门；89开度限制指针(红针)；90转速调整机构指针；91导水机构开度指针(黑针)；92滑轮装置；93压力信号器，94压力表；95压力油箱；96止回阀；97中间油箱；98补气阀；99补气阀活塞；100安全阀；101油泵电动机；102螺杆泵；103回油箱油位指示器；104滤油网；105吸气管；106压力油箱油位指示器；107放油阀；108球阀；109滑块；110十字头；111臂柄；112调速轴,2.5.1 YT型调速器的主要参数关闭时间调整范围 1.5s5.0s调速轴最大转角 45 o永态转差率（系数）08%转速调整范围-15%+10%暂态转差率（系数）0100%缓冲时间常数 020s离心摆不均衡度 50%离心摆电动机 三相感应式220/380，0.25KW，50Hz时，1410rpm油压装置额定压力 2.5Mpa（25kg/cm2）,图2-30 YT型调速器原理框图,2.5.2 自动调节部分 测量元件；放大元件；反馈元件；综合元件,2.5.3 控制机构部分 永态调差机构；转速调整机构 开度限制机构；手自动切换阀；紧急停机电磁阀,2.5.4 机组的启动与停机正常停机 用转速调整卸去负荷，开限关到空载开度稍上，跳开断路器，再用开限关闭导叶到零，同时将转速调整打到-15%。正常开机 把开限打到启动开度（空载开度稍上），接力器随之开到启动开度；转速调整从-15%打到0%，进入自动调整后，调速器将机组稳到额定转速附近，投入准同期并网，断路器合，开限打到全开（整定位置），用转速调整带上负荷。事故停机 当机组运行时出现事故，保护动作，作用于紧急停机电磁阀（线圈带电），紧急停机电磁阀通过主配压阀使主接力器全关。手动操作 液压手动：通过开限操作主接力器开度 人力手动：通过人力操作主接力器开度,2.5.5 油压装置 油压装置是供给调速器压力油的能源设备，中小型调速器自带油压装置（YT)，而大型调速器油压装置单独配值，有两个系列，组合式（HYZ）和分离式（YZ），组合式油压装置的压油罐位于回油箱上部（如课本P76），而分离式压力油罐单独布置（如课本P72）。下面用YT型调速器自带的的油压装置进行说明。压油罐；回油箱；油泵；阀组补气阀；讯号装置YT调速器油压装置 对于小型电站来讲，为了节省投资，不象大型电站那样专门设有独立的高压气系统，而在阀组上装设补气装置（补气阀和中间油箱），可使设备大大简化，其工作原理如下：,图a表示油压到压力上限，油泵停止，在弹簧作用下，气管5、6连通，如果吸气管位于回油箱油面之上，在停泵期间中间油箱吸气；图b表示到下限，油泵启动，在油压作用下，气管不连通，在打油时，先将中间油箱气打入，再继续打油；图c表示到上限，油泵停止，在弹簧作用下，气管连通，如果吸气管油面之下，停泵期间中间油箱不吸气；图d表示油压到下限，油泵启动，在油压作用下，气管5、6不连通，此时仅打进去的是油。,2.6 电气液压型调速器简介,（1）电液调速器的主要优点 具有较高的精确度和灵敏度。在精确度方面，电调死区为0.04%，而机调死区为0.10%；在灵敏度方面，电调接力器不动时间为0.2s，而机调接力器不动时间为0.3s。制造成本低。在电调中，用电气回路代替了机调中较难制造的离心摆和缓冲器，以及一些机械传动机构。有利于各种信号的综合。在电调中由于采用电气量综合，不仅可以实现转速量、接力器各个反馈量的迭加，还可将机组的水头、流量、功率等参与机组的调节与控制，实现机组的经济运行。安装、检修、调试方便。由于各电气回路采用标准化、模块化设计，便于检修调试，缩短了停机时间。,（2）DST100A型电液调速器 上世纪50年代末60年代初试制，之后生产了的电调种类繁多。DST100型/JST100型集成电路式电调，由武汉长控所设计，1978年唯一通过鉴定的大型电液调速器，其结构原理具有一定的代表性。A.DST100型的主要参数 整机死区 0.05%接力器不动时间 0.2s 永态转差率（系数）08%转速调整范围 505.0Hz 缓冲时间常数 210s 暂态转差率（系数）060%负载暂态转差衰减系数 01 整机功耗 80W 油压装置额定压力 2.5Mpa（25kg/cm2）B.DST100A型原理框图,2.6.1测频回路 测频回路是十分重要的环节，虽然型式种类繁多，但按信号源不同，有三种典型电路：永磁机LC测频回路。发电机残压脉冲频率测量回路。齿盘磁头脉冲频率测量回路。（1）永磁机LC测频回路,（2）发电机残压脉冲频率测量回路,（3）齿盘磁头脉冲频率测量回路,以上三种电路信号源均可靠，但是永磁机早已淘汰，齿盘磁头需要专门设计安装，应用最广泛的是发电机残压。发电机残压是指在额定转速附近旋转，转子不加励磁电流，靠转子铁芯剩磁发出的电压，电压互感器二次侧数值约在1V左右，电路工作信号电压最低一般设计0.5V左右，再者，现在发电机机端采用封闭母线，出现短路的可能性不大。因此，发电机残压作为信号源也是十分可靠的。,传递函数2-10,2.7.2校正回路 在机调中采用了软反馈机构，从而使调速器实现了PI调节规律。在电调中，不仅用软反馈回路来实现机调中软反馈机构的作用，而且附加了测频微分回路，从而使调速器实现了PID调节规律。,（1）软反馈回路（缓冲回路）,传递函数（2-38）,（2）测频微分回路,传递函数：,2.7.3调差回路（1）开度给定（2）人工失灵区（死区）,2.7.4综合放大回路采用电流迭加进行综合、推挽功率放大。,2.7.5电液转换器（1）作用及工作原理电液