调速器的原理及改造与维护

调速器的原理及改造维护给定转速转速测量调节器电液随动系统导水机构水轮发电机组nn0（+）n△n（-）水轮机调速器yn（转差）图9-2水轮机调速器基本工作原理简图一、水轮机调速器的基本原理调速器工作基本原理图被调量：转速（频率），功率；目标：转速给定值（额定转速或频率），功率给定值；引起转速变化的原因：机组负荷扰动或进入水轮机的水量（水头）的变化。组成：转速偏差测量机构、调节器和电液随动系统或执行机构调节器调节规律：PI，PID（比例+积分+微分）PID调节器的输出表达式为：Uy=ＫpΔn+ＫI+ＫD式中：Δn为转速偏差；Ｋp、ＫI和ＫD为比例项、积分项和微分项增益；Uy为调节器的输出控制信号。ndtdtnd我国调速器标准中要求三项调节参数按下列范围设置：Kp：0.5～20Ki：（0.05～10）1/sKd：0～5s而对缓冲式调速器，调节参数及其参数范围为：暂态转差率bt1～100%缓冲时间常数Td1～20s加速时间常数Tn0～2sdtnDPTbTTKdtITbK1tnDbTK；机组并网运行时调速器的调节规律及永态转差系数水轮发电机组大部分时间是并入电网运行，向电网送出电能。电网容量较一台发电机组的容量大很多，并入电网以后，机组导叶开度的变化，只能改变自身的出力，对电网频率的影响很小，此时，机组被电网拖入同步运转。电网要求并入电网的机组必须按所要求的永态转差率运行，这时，调速器是按有差规律进行调节。机组并网运行时调速器的调节规律及永态转差系数并入电网后，调速器输入输出关系:Y为调速器的接力器开度；X为机组相对转速；bp为永态转差系数。永态转差系数定义为：用相对量表示的调速器静态特性曲线斜率的负数：永态转差系数：0~10%，调速器的静态特性XbYp1YXbp()0cgpcPIDffbyy＝)]1()([)(PkFkFKpkY)()(/)()()1()(DccIPPIPIDkYkPYkYkYkYkYYPI(k–1)为前一周期的比例、积分及开环增/减分量之和，即PID调节的比例积分作用及开环增/减作用分量；在开度调节或功率调节模式下，YPID(k)=YPI(k)。))](/()([)(pIIkPYbkFKkY)()()()()(gngckFkFkFkFkF)()()1()()(/gcPIDckPkPkYkYkPYYc/Pc(k)是有增/减（开度或功率）操作时的开环增/减分量。)]1()([1031)1(87)(DDkFkFKdkYkY采样周期40mS，微分时间常数280mS频率给定测频单元积分运算比例运算（+）（-）永态转差率微分运算（+）（+）（+）综合放大器电液转换器前置级液压放大主配压阀主接力器y位移传感器（-）（-）测频单元调节器电液随动系统机组频率f（bp）（+）uys1Quy△us2图9-3电子调节器及电液随动系统的调速器结构框图电子调节器及电液随动系统的调速器结构框图二、水轮机调速器的主要功能1、基本功能①频率测量与调节——并网前自动跟踪网频，实现快速并网；——孤网运行按给定频率调节——并网后实现一次、二次调频测量方式：高速计数模块配合中断模块测量频率信号源：发电机机端电压互感器,交流(0.3～150V)测频范围：残压测频(10～90Hz)齿盘测频：(2～90Hz)测频分辨率：±0.0015Hz二、水轮机调速器的主要功能1、基本功能①频率调节f1放大整形分频高频时钟信号Nf2f3f4&f3FtttttNTf1f2f4TT1、基本功能②有功调节——并入电网后，按永态转差系数和频差、水头自动调整机组出力③自动改变工作模式与工作状态，变参数调节水轮机调速器的节模式水轮机调速器的工作状态1、基本功能④接受中控室指令，实现AGC功能——硬接线、通信——操作信号、状态量、模拟量、故障信号——AGC是按功率调节的自动发电控制⑤按水头改变控制参数——启动开度、空载开度、开度限制——功率限制——转桨调节的协联曲线1、基本功能⑥多接力器的协联调节与控制——转桨式水轮机、冲击式水轮机⑦友善的人机交互界面——数码管、液晶、触摸屏——显示数据、设置参数、记录信息⑧手／自动方式无扰动切换⑨自动开／停机及紧急停机1、基本功能⑩在线故障诊断及处理例如：——并网前机频故障、接力器位置反馈断线：停机——并网前／后网频故障：跟踪给定频率——并网后机频故障、接力器位置反馈断线：保持当前开度不变其它：水头信号、随动故障、控制器故障二、水轮机调速器的主要功能2．特殊功能（1）容错控制功能容错控制功能是指当调速器控制系统中的部件发生故障时，控制系统自动采取一些修补措施，允许调速器在降低一些性能指标的情况下保证机组带负荷继续运行。这一功能符合我国电网目前还不能允许机组经常停机的实际要求。我国的大型微机调速器大多采用的是硬件冗余的措施实现容错功能控制。目前常用的冗余控制有：二、水轮机调速器的主要功能2．特殊功能（1）容错控制功能目前常用的冗余控制有：a）双微机系统冗余b）双电液转换部件冗余；c）双导叶位置传感器冗余；d）残压测频和齿盘测频冗余。二、水轮机调速器的主要功能（2）离线诊断和维护功能该功能的设置主要为电厂维护检修人员提供一种快捷简便的检测手段。维护人员可通过操作一系列有针对性的计算机指令，由计算机来完成对个硬件模块插件板的检查，使维护人员迅速了解设备中各硬件电路的情况，缩短分析查找故障的时间，减少检修维护工作量二、水轮机调速器的主要功能（3）计算机辅助调试和试验功能通常称这种功能为计算机辅助试验功能。试验信号的发送、试验数据的记录、试验数据的处理、试验曲线的绘制、参数的整定、试验结果的分析、试验报告的形成，都是由调速器内置的微机系统来实现的。这一功能为现场检修维护人员提供了一种简便易行的调试与整定手段，省去了外部测试仪器需要接信号传感器和仪器的麻烦，调速器调试过程做到了省时省力，是调速器试验手段的一种改革二、水轮机调速器的主要功能（4）事故数据记录功能微机调速器在运行中不断地记录和刷新水轮机调速系统的运行数据。当水轮发电机组因事故而甩负荷停机时，微机调速器的这一功能可以记录事故前后一段时间内的有关数据及过渡过程曲线，供电厂有关人员作事故分析。三.调速器的分类1.按控制器类型机械液压调速器测速、稳定及反馈信号用机械液压的方法产生，经机械液压综合放大后通过放大部分驱动水轮机接力器。最早的水轮机调速器都是机械液压调速器，它是随着水电建设发展而在20世纪初发展起来的。它能满足带独立负荷和中小型电网中运行的水轮发电机组调节的需要，有较好的静态特征和动态品质，可靠性高。但是，面临大机组、大电网提出的高灵敏度、高性能和便于实现水电站自动化要求，机械液压调速器固有的采用机械液压方法进行测量、信号综合和稳定调节的功能就露出明显的缺陷。三.调速器的分类1.按控制器类型电气液压调速器测速、稳定及反馈信号用电气方法产生，经电气综合、放大后通过电气液压放大部分驱动水轮机接力器。20世纪50年代以后，电气液压调速器获得了较为广泛的应用。从采用的元件来看，它又经历了电子管、磁放大器、晶体管、集成电路等几个发展阶段。三.调速器的分类1.按控制器类型关于机械液压调速器与电气液压调速器元器件固定，功能简单单一，扩展功能受限制，检修维护复杂困难。改造：更换控制柜、电液转换系统低油压改高油压、取消主配、接力器内置改外置三.调速器的分类1.按控制器类型数字式电液调速器（微机调速器）20世纪80年代以来随着电子技术及计算机技术的发展，微机技术被应用到调速器中，并形成了微机调速器。已经在市场中占主导地位。微机分为两种，一种是传统意义的微机，即单片机系统。另一种是PLC。单片机是由生产厂家根据要求自己设计生产的电路板，由于规模、成本上的限制，没有形成标准化、批量化生产，因而在可靠性及抗干扰性上存在缺陷。三.调速器的分类1.按控制器类型数字式电液调速器（微机调速器）PLC是一种应用非常广泛、发展十分迅速的技术。在全世界的自动化控制装置中，PLC的产量、销量、用量位居榜首。PLC、机器人和CAD/CAM是现代工业自动化的3大支柱。PLC之所以成为许多工业自动控制设备和系统的首选产品，是由于它具有高可靠性。1.按控制器类型数字式电液调速器（微机调速器）PLC:D/A模块A/D模块输出模块输入模块CPU模块电源模块三.调速器的分类2.按电液转换类型伺服电机、步进电机型调速器用步进电机、交直流伺服电机作为电液转换装置，实现了无油转换。我国具有自主知识产权。12345781091，手轮；2，伺服电机；3，连轴节；4，滚动丝杆副；5，输出轴；6，导向键；7，上轴承座；8，复中弹簧；9，下弹簧座；10，机体6三.调速器的分类伺服电机、步进电机型调速器u(+)(–)uPID放大器驱动电源y1位移传感器直流伺服电机丝杆传动机构us三.调速器的分类2.按电液转换类型比例伺服型调速器以电控方式实现对流量的节流控制国外调速器主要采用的元件。调节精度高，对油质管理要求高。SVBAPT•比例伺服阀控制主配压阀原理图2.按电液转换类型关于伺服电机、步进电机型调速器与伺服比例阀型调速器电机和伺服比例阀驱动能力小，必须通过主配的液压放大来驱动主接力器。主配是非标产品，加工复杂、维护不方便。自复中装置不完善。静态耗油量大。适用于低油压调速器。2.按电液转换类型数字阀型调速器油质要求可达到50um；在调节精度上采取两组甚至三组调节阀的形式，满足大波动小波动调节。数字阀完全实现了与微机的数字化接口。数字阀是液压行业的标准产品，模块化结构。驱动能力大，可以直接驱动接力器。其静态耗油量量可以做到零，完全无渗漏。插装阀直径可达150mm2.按电液转换类型数字阀型调速器2.按电液转换类型数字阀型调速器(a)两电磁铁都不带电(b)左电磁铁带电(c)右电磁铁带电数字阀型调速器(+)UPIDΔu(-)USΔΔUK00ttUK0UK0开关电磁换向阀开关接力器YS位移传感器USUK数字阀型调速器电机型调速器机械分段关闭装置接力器主配压阀事故配压阀分段关闭阀控制阀PTAB关闭三.调速器的分类3.按油压等级低油压型调速器(2.5,4.0,6.3MPa)高油压型调速器(10MPa、16MPa及以上)关于高油压型调速器3.按油压等级充分采用液压行业中先进而成熟的技术成果，是高油压调速器的主要特点。传统水轮机调速器及油压装置，工作油压低，采用价格很高的螺杆泵及小批量生产的非标准液压件，体积大，用油量大。高油压调速器的工作油压定为16MPａ，全部采用了液压行业的各类先进成熟的标准产品。在压力油源部分，采用了高压齿轮泵、滤油器、囊式蓄能器及相应的液压阀；在结构上采用了液压集成块和标准的液压附件。关于高油压型调速器•高油压调速器应用了电液随动装置等现代电液控制技术，减少了调速器的液压放大环节，结构简单，工作可靠，具有优良的速动性及稳定性。•高油压调速器的液压元器件标准化、专业化、国际知名程度高，均为大批量工业化生产，具有强大的技术支撑和可靠的质量保证体系，在国内市场均有丰富的硬件资源。不仅确保了产品质量，也为采购备品备件提供了便利。关于高油压型调速器•高油压调器的工作油压高，而体积小、重量轻，用油量也少得多，使电站布置方便、美观、•采用囊式蓄能器储能，胶囊内所充氮气与液压油不直接接触。这不仅使油质不易劣化，延长液压油使用寿命；更重要的是囊式蓄能器胶囊密封极为可靠，氮气极少漏失，检修期内一般不需补气。需要时，使用补气装置和瓶装氮气可方便地进行补气。四、冲击式水轮机调速器的调节与控制现代冲击式水轮机微机调速器的调节与控制方式:（1）用PID电子调节器加电液随动系统的系统结构；（2）偏流板不再与针阀开度协调动作，而是将其作为一个保安装置来用。开机后偏流板全开，停机时，偏流板全关；（3）当转速上升至某个整定值时，偏流板自动关闭，当转速低于整定值时，若此时调速器处于自动工况