1、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水力系统水库 尾水导水机构水轮发电机组电力系统测量元件放大元件执行元件反馈元件转速给定水能 Q、H电能 U、I、f-+调节对象调节器（调速器）2.1 水轮机调节系统原理简图辅助接力器电动机永磁机压力油回油回油缓冲器主配压阀主接力器转速调整高压输电开关站发电机水轮机尾水引导阀离心飞摆调速器水轮发电机组导水机构节流阀缓冲活
2、塞缓冲弹簧缓冲杯X XY YZ Z进水关开（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。电 动 机压 力 油回 油回 油缓 冲 器辅 助 接 力 器主配压阀主 接 力 器转速调整引 导 阀离 心 飞 摆（图2-2）2.1.1测量元件（1）作用）作用 把机组的转速信号转换为机械位移信号。（2）结构）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）。上支持块上支持块输入输入钢带钢带限位架限位架重块重块调节螺母调节螺母弹簧弹簧下支持块下支持块输出输出离心飞摆结
3、构（3）动作）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znozminzmaxnminnmaxnnmaxnminzminzmaxzn0z0（4）离心摆的静态特性 其输入输出关系见图2-3。maxminmaxmin*MMmaxminmaxminrfrZzzzznZnxZxnnnnnn用公式表示：1MfZxZfx(2-3)(2-1)(2-2)图2-3离心摆静态特性a.
4、离心摆工作参数有不均衡度（f）f%100minmaxrnnn1*MKZ%c.放大系数（K）100?*MMfZZ%b.位移变化量基准值（ZM*）*MMfZZ*MZ*xZ1?MfZK%(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）动态特性22122fddTTxdtdtfx（6）信号源）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？*xa.运动方程运动方程b.传递函数传递函数1*(s)G(s)x(s)(2-9)(2-8
5、)(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）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）结构a第一级液压放大（引导阀第一级液压放大（引导阀辅助辅助接力器）接力器）引导阀由引导阀由三层三层结构组成，结构组成，外层外层为引为引导阀固定套，导阀固定套，里层里层为引导阀针塞，为引导阀针塞，中中间层间层为引导阀转动套。为引导阀转动套。转动套与离心摆下支持块相
6、连，和转动套与离心摆下支持块相连，和离心摆一同旋转；离心摆一同旋转；引导阀针塞与辅助接力器、主接力引导阀针塞与辅助接力器、主接力器反馈杠杆相连；器反馈杠杆相连；固定套与阀体相连，阀体上接通三固定套与阀体相连，阀体上接通三个油管路。个油管路。辅助接力器与引导阀中间控制油路辅助接力器与引导阀中间控制油路相连。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
7、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）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。AiAFpP120()MPpFF 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：1200()iiAFFpppF(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
8、：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PAn1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
9、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1212rmaxminmaxmin()/()/xrrpifffffPPfffffe 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
10、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 调速器类型项目大 型中 型小 型特小型电调机调电调机调电调机调转速死区ix(%)0.040.100.080.150.100.180.20桨叶随动系统不准确度ia（%）1.5bp整定范围bp=0bpm，最小值不大于0.1%，最大值bpm不小于8%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
11、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。Tpnn0nmaxn1n2t0Tpnn0nmaxn0t0n0（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。maxn0maxnn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%100max1nn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%100max2maxnn
12、n（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000 nnn%1000maxnn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。Tpnn0nmaxn0t0n0（3）调节系统动态指标规定 国家标准G
13、B/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
14、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
15、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、
16、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
17、；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
18、；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
19、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
20、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
21、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。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
22、.2s，而机调接力器不动时间为0.3s。制造成本低。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。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。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，
23、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型原理框图型原理框图测 频 回 路开 停 机 回 路软 反 馈 回 路调 差 回 路开 度 给 定综合放大器电液转换器调节杠杆引导阀辅助接力器主配压阀主接力器位电变换开度限制紧 急 停 机水轮发电机组电压互感器指 令 信 号手
24、 动 操 作协 联 函 数发 生 器软 反 馈 回 路综合放大器电液转换器调节杠杆引导阀辅助接力器配压阀桨叶接力器位电变换开度限制手 动 操 作水 头 信 号极 值 信 号电 气 部 分机 械 液 压 部 分频 率 给 定测 频 微 分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ffUKf（2）发电机残压脉冲频率测量回路ffUKf（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
25、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。nfUKf传递函数传递函数2-101()()()ffusGsx s2.7.2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）+Ec0VFWUUUUbtWWGWbtCR1WTd
26、ddbtbttdudyTubTdtdt()()()1bttdbtdusbT sGsy sT s传递函数（传递函数（2-38）-+-+-+UfCR1RRAUAA1A2A3RR0（2）测频微分回路AfnfduuTudt()()1()AAnfusG sT sus传递函数：0ffxfxAB1234PP02.7.3调差回路（1）开度给定（2）人工失灵区（死区）-+-+UAA3A1-+A4-+R1A5R2R3R7R8R9R4R5R6WbpWfxWD1WD2R11R10R12R13开度给定导叶反馈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。Q-+R3AR2R1R4R5+Ec-EcUfUbtUb
27、pR6R7D1BG1BG22.7.5电液转换器（1）作用及工作原理电液转换器是将电气部分输出的综合电气信号，转换为具有一定操作力的机械位移信号、或具有一定操作压力的流量信号。其工作原理为通电导体在磁场中受力，在通过弹簧转换为位移。（2）分类与结构从电气位移部分分有动圈式和动铁式，从液压放大部分分有控制套式、喷嘴挡板式和滑阀式等。电路、磁路和弹簧，节流孔、液压定位和振荡线圈。（3）存在的问题在一定的加工精度下，油质导致截流孔发卡，电磁操作力小导致控制套阀卡，最终的结果是控制失灵。HDY-S型环喷阀（电液转换器）2.7.6液压放大装置（1）引导阀辅助接力器（2）主配压阀主接力器（3）开度限制机构（4）紧急停机电磁阀、锁定装置2.7.7模拟电气协联装置图2-23 协联装置工作原理浮子重块截流孔水头电位器WH（2）水头自动装置（1）协联曲线（3）协联函数发生器（协联函数按水头线性衰减法）（4）电液随动系统
