水輪機調(diào)節(jié)

1、水輪機調(diào)節(jié) 主講人：黃 丹,概述●地位：如果把水輪機比喻成為人體，它所包括的各個系統(tǒng)：如本體系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、油氣水系統(tǒng)等就對應地像我們?nèi)梭w的軀干系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)和各輔助系統(tǒng)。所以，調(diào)速系統(tǒng)是水輪機中最難、最復雜、最關鍵的核心系統(tǒng)。也就是說，只有學好水輪機調(diào)節(jié)，才能算是真正懂得水輪機?！褚饬x：學好水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以讓

2、我們深入地了解水輪機的調(diào)節(jié)原理、調(diào)節(jié)規(guī)律，進而深入地學習和理解水輪機工作特性，便于我們在運行中更好地進行負荷調(diào)整、重大事故的分析、處理及預防?！駥W習方法：采用“分—合”的學習方法。即先學習調(diào)速系統(tǒng)的各個元件，再學習整個調(diào)速系統(tǒng)的工作原理（工作過程）。,,第一章 水輪機調(diào)節(jié)的基本原理第一節(jié) 水輪機調(diào)節(jié)的基本概念一、水輪機調(diào)節(jié)的任務 1、水力發(fā)電的生產(chǎn)流程：●,2、水力發(fā)電的特點： 電能是一種

3、特殊的商品：它不能實現(xiàn)中間儲存。所以，發(fā)電、供電和用電是同時完成的，也就是說，有多少的電能必須用完多少；又或者說，要用多少電能，就只能發(fā)出多少。所以，從水電站的角度來說：必須根據(jù)用戶的用電量來調(diào)節(jié)水輪機的負荷。 在現(xiàn)實中，用戶的用電量（即電網(wǎng)負荷）是不斷變化的，而且負荷變化必定導致頻率變化。 我們都知道：電壓和頻率是表示電能品質(zhì)的2個基本參數(shù)。用戶在用電時必須保證電壓和頻率在規(guī)定范圍內(nèi)，否則會影響

4、到安全性和經(jīng)濟性?！袼啓C調(diào)節(jié)： 在電力系統(tǒng)中，為了使水輪發(fā)電機組的供電頻率穩(wěn)定在某一規(guī)定范圍內(nèi)而進行的調(diào)節(jié)。,3、水輪機調(diào)節(jié)的任務：由電機學可知： ●在式（1—1）中，發(fā)電機的磁極對數(shù)p取決于發(fā)電機結(jié)構，對于已制造好的發(fā)電機來說，p是一個常數(shù)。因此，要穩(wěn)定頻率f在規(guī)定值，只能通過穩(wěn)定轉(zhuǎn)速n來實現(xiàn)。所以，水輪機的調(diào)節(jié)任務是：根據(jù)電網(wǎng)負荷的變化調(diào)節(jié)水輪發(fā)電機組的有功功率，并維持機組轉(zhuǎn)速在規(guī)定的范圍

5、內(nèi)，保證頻率在規(guī)定范圍內(nèi)。,二、水輪機調(diào)節(jié)的途徑和方法●水輪發(fā)電機組（即把水輪機和發(fā)電機連成一個整體）如下圖：,●把機組轉(zhuǎn)動部分視為一個繞定軸轉(zhuǎn)動的剛體，則根據(jù)理論力學有：●對于水輪機而言，上式的M應包括2部分：①水流推動水輪機的主動力矩 ; ②發(fā)電機阻力矩 。所以，得出下式,發(fā)電機阻力矩 是隨著用電負荷變化而變化的。當動力矩和阻力矩去平衡時，機組轉(zhuǎn)速n會隨之變化。具體變化有3種情況：（1）

6、（2）（3）由以上分析可知，當 發(fā)生變化時，必須調(diào)節(jié) ，否則會引起機組轉(zhuǎn)速或電網(wǎng)頻率的變化。,當Mt＞Mg時， ，說明電網(wǎng)負荷 ，機組轉(zhuǎn)速 ，電網(wǎng)頻率 。所以要減小 Mt，使Mt=Mg，使電網(wǎng)頻率恢復到正常范圍。,,,,,,,當Mt=Mg時，機組轉(zhuǎn)速保持不變。,當Mt＜Mg時， ，說明電網(wǎng)負荷 ，機組轉(zhuǎn)速 ，電網(wǎng)頻率 。所以要減小 Mt，使Mt

7、=Mg，使電網(wǎng)頻率恢復到正常范圍。,,,,,,,,,,●水輪機動力矩 的調(diào)節(jié)方法和途徑： 與水輪機的工作水頭H、水輪機流量Q（表現(xiàn)為導葉度）、角速度 有關。 根據(jù)水輪機由上式可知，從理論上，改變流量Q、工作水頭H和效率 ，可改變 。但實際在水電站正常運行中，工作水頭H和效率 是無法改變的。只有Q可以改變。所以水輪機的調(diào)節(jié)思路是：通過改變流量Q來

8、調(diào)節(jié)水輪機動力矩 。,不同形式的水輪機具有不同的調(diào)節(jié)流量設備。如反擊式水輪機通過調(diào)節(jié)導葉開度來調(diào)節(jié)流量Q，從而改變動力矩 ；而沖擊式水輪機通過改變噴針行程來調(diào)節(jié)動力矩 。所以，▲水輪機調(diào)節(jié)的途徑是：改變導葉開度或噴針行程?！{(diào)節(jié)的方法是：利用調(diào)速器按負荷變化引起的機組轉(zhuǎn)速或頻率的偏差，調(diào)整水輪機導葉或噴針開度，使水輪機的動力矩和阻力矩及時恢復平衡，從而使轉(zhuǎn)速和頻率保持在規(guī)定的范圍內(nèi)。,三、水輪機調(diào)節(jié)的

9、特點：1、水輪機調(diào)速器的液壓操作機構較龐大，所以其非線性和滯后性對于調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)影響較大。2、因機組形式不同，有的水輪機需要采用雙重調(diào)節(jié)，調(diào)速系統(tǒng)更復雜，增加了系統(tǒng)的滯后性。3、受自然條件限制，有的水電站的引水管道較長，水流慣性大，如果開啟或關閉導葉過快，會在管道中產(chǎn)生沖擊；如果動作過慢，又會使機組轉(zhuǎn)速過高，使調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)產(chǎn)生不利影響。4、從電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢看，對水輪發(fā)電機組調(diào)速器的穩(wěn)定性、速動性、準確性的要求越來

10、越高；調(diào)速器的操作功能、自動控制功能也不斷完善。,四、調(diào)速器的發(fā)展1、最早的調(diào)速器是機械型調(diào)速器，它利用測速元件直接控制進汽閥。2、19世紀末至20世紀30年代，主要的調(diào)速器是機械液壓型調(diào)速器。它主要是用液壓放大元件作為功率放大設備。3、20世紀40年代中其，出現(xiàn)了電氣液壓型調(diào)速器。它早期是用電氣回路代替一些機械元件；后來直到出現(xiàn)電子調(diào)速器，電氣液壓型調(diào)速器有了獨立的模式。4、20世紀80年代以來，出現(xiàn)了微機液壓調(diào)速器。它具有優(yōu)

11、良的穩(wěn)定性和速動性。我國在此期間也研制出了多種液壓微機調(diào)速器，其技術已躋身于世界先進國家行列。,第二節(jié) 水輪機調(diào)速系統(tǒng)基本元件下圖是一個單調(diào)節(jié)水輪機系統(tǒng)方框圖：,方框圖：表示電路、程序、工藝流程等內(nèi)在聯(lián)系的圖形。方框內(nèi)表示各獨立部分的性能、作用等，方框之間用線連接起來，表示各部分之間的相互關系。簡稱框圖。也叫方塊 圖。,其調(diào)節(jié)過程：,用戶負荷 電網(wǎng)頻率 水輪發(fā)電機

12、組轉(zhuǎn)速,,,,,,,（二）輔助接力器和主配壓閥1、結(jié)構圖2、主要構件：輔助接力器活塞、主接力器活塞、閥體。,3、結(jié)構特點：（1）輔助接力器活塞是個差動閥（即活塞的上、下底接觸油的面積不同，上小下大），活塞的上部油口----引導閥的中間油腔(壓力為p1；活塞的下部油口---排油管。所以，它的受力為： F1=p1A1 （方向向下）（2）主配壓閥活塞有上、下2個閥盤，且上大下小；主配壓閥

13、體有上、中、下3個油口和底部1個油口，上油口---主接力器左腔，下油口---主接力器右腔，中間油口---壓力油(壓力為p)，底部油口---接油管。 當主配壓閥活塞平衡在某個位置時，所受的力為： F=p(A2-A3) （方向向上）,4、工作原理： 如果把輔助接力器和主配壓閥視為一個整體，它的工作狀態(tài)取決于F1和F的對比，具體如下：①當引導閥處于平衡狀態(tài)時（對應的機組轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)

14、速），通過參數(shù)設計使F=F1，此時，輔助接力器和主配壓閥不動。②當轉(zhuǎn)速升高時，離心擺下支持塊上移，同時帶動引導閥轉(zhuǎn)動套上移，引導閥油腔接通排油，此時， p1 =0，即F1= 0，所以輔助接力器和主配壓閥在F的作用下，其活塞上移，壓力油通過上油口進入主接力器左腔。③轉(zhuǎn)速降低時，離心擺下支持塊下移，同時帶動引導閥轉(zhuǎn)動套下移，引導閥油腔接通壓力油，此時， p1 =p，因為A1＞(A2-A3)，即F1（向下） ＞F（向上），所以輔助接力器和

15、主配壓閥的活塞下移，壓力油通過下油口進入主接力器右腔。5、功能：接受來自引導閥油腔油壓變化信號，去控制接力器的左右移動。,（三）接力器（是執(zhí)行元件）1、結(jié)構圖：2、主要構件:接力器缸、活塞、活塞桿。3、結(jié)構特點：活塞兩側(cè)的缸體上各有1個油口，左側(cè)油口---主配壓閥上油口，右側(cè)油口---主配壓閥下油口。所以接力器活塞的運動受主配壓閥控制。,4、工作過程：①當主配壓閥活塞上移，壓力油通過上油口進入接力器的左腔室，同時

16、右腔室接通排油，所以活塞右移，推動導葉機構向關小方向運動。②當主配壓閥活塞下移，壓力油通過下油口進入接力器的右腔室，同時左腔室接通排油，所以活塞左移，推動導葉機構向開大方向運動。5、功能：通過主配壓閥活塞的上、下移動，通過活塞與油口的配合，控制接力器活塞的左、右移動，從而實現(xiàn)對導葉開度（或噴針行程）的調(diào)節(jié)。 ▲ 接力器活塞移動速度取決于主配壓閥油口開度的大小和打開油口的時間長短。6、輸出量（接力器活塞的位移）與輸入量（主配壓閥

17、油口開度）的關系：,接力器位移量的相對值y與主配壓閥油口開度相對值u的積分成正比。,三、反饋元件1、基本:反饋元件----用于改善系統(tǒng)穩(wěn)定性，并形成一定調(diào)節(jié)規(guī)律的元件。反饋：把系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的輸出信號的一部分反送回輸入端。 負反饋：反饋信號的作用方向與原輸入信號的作用方向 反饋 相反的反饋。

18、 正反饋：反饋信號的作用方向與原輸入信號的作用方向 相同的反饋。 硬 反饋（又稱比例反饋） ：反饋元件的輸出信號與反饋 輸入信號成比例關系。 軟反饋（又稱暫態(tài)反饋）：反饋信號只在調(diào)節(jié)過程中存

19、 在，調(diào)節(jié)過程結(jié)束后，反饋信號自動消失的反饋。,,,（一）硬反饋1、在水輪機調(diào)速系統(tǒng)中，局部反饋和調(diào)差機構（見P10系統(tǒng)圖）都屬于硬反饋。以局部反饋為例說明硬反饋的工作原理：（如下圖所示，系統(tǒng)中的局部反饋是一個杠桿）,局部反饋：它在系統(tǒng)中的作用是作為第一級液壓放大機構的內(nèi)部校正，所以對于整個控制系統(tǒng)而言只起到局部反饋的作用。（見圖P10系統(tǒng)圖）,輸入信號（A端位移量 ）與輸出信號（B端位移

20、量 ）有如下關系： =K ，K—比例系數(shù)由上式可知，硬反饋元件的輸出信號和輸入信號是一種比例關系，所以也可稱為比例反饋元件。 （二）緩沖裝置（又稱軟反饋元件）1、作用和意義：用于調(diào)速系統(tǒng)的反饋校正，其性能直接影響調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2、結(jié)構及其特點：,結(jié)構特點：緩沖裝置的殼體分為上、下2個腔室，其內(nèi)

21、部充油，節(jié)流孔是上、下腔之間的唯一通道；主動活塞受主接力器活塞控制，從動活塞作用于引導閥針塞。3、工作原理：①當主動活塞受到主接力器反饋體的作用向下移動時，下腔油壓 從動活塞上移 輸出從動活塞位移信號，并作用于引導閥針塞；同時壓縮從動活塞彈簧。在此期間，因下腔油壓高于上腔油壓，下腔油經(jīng)調(diào)節(jié)閥進入上腔室，在主動活塞彈簧恢復力作用下，上、下腔油壓差越來越小，直至壓差為0，從

22、動活塞在自身彈簧恢復力作用下，回復到中間位置。,,,,②當主動活塞受到主接力器反饋體的作用向上移動時，上腔油壓 從動活塞下移 輸出從動活塞位移信號，并作用于引導閥針塞；同時向下拉伸從動活塞彈簧。在此期間，因上腔油壓高于下腔油壓，上腔油經(jīng)調(diào)節(jié)閥進入下腔室，在主動活塞彈簧恢復力作用下，上、下腔油壓差越來越小，直至壓差為0，從動活塞在自身彈簧恢復力作用下，回復到中間位置。由上

23、述分析可知：緩沖裝置的輸出信號（從動活塞位移量）只在調(diào)節(jié)過程中存在，調(diào)節(jié)過程結(jié)束后就自動消失，所以也稱軟反饋元件。,,,,4、輸出量（從動活塞位移量）與輸入量（主動活塞的位置量）的關系：結(jié)合上式，說明緩沖裝置的2種特殊情況：①當Td=0時，即節(jié)流孔全開（可極限地認為上下兩油腔全通成一個整體），油流阻力系數(shù)為0，此時無論輸入信號怎樣變化，都不產(chǎn)生輸出信號，即Z2=0.這是因為不管主動活塞上移或是下移，連成一體的上下腔油壓無

24、壓差，所以從動活塞位置不變。,,②當Td ∞時，節(jié)流孔全關，當給主動活塞一個位移Z1時，從動活塞也產(chǎn)生一個位移Z2，由于節(jié)流孔堵住，上下腔油壓無法平衡，所以從動活塞無法回復，此時的緩沖裝置相當于一個硬反饋元件。,第三節(jié) 水輪機調(diào)速系統(tǒng)的工作原理一、無反饋的調(diào)速系統(tǒng)原理：

25、 關,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,1、系統(tǒng)組成：離心擺（測速元件）、引導閥（放大元件）、輔助接力器與主配壓閥（放大元件）、接力器（執(zhí)行元件）和水輪機（調(diào)節(jié)對象）。2、工作

26、原理①當轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速時，引導閥與轉(zhuǎn)動套、輔助接力器與配壓閥在相對中間位置。②當轉(zhuǎn)速 離心擺下支持塊 帶動引導閥轉(zhuǎn)動套 引導閥中間腔室與排油相通，腔內(nèi)油壓 輔助接力器與配壓閥活塞 壓力油進入接力器左腔，同時右腔接通排油 接力器活塞右移 關小導葉，減小流量。,,,,,,,,

27、,,,,③當轉(zhuǎn)速 離心擺下支持塊 帶動引導閥轉(zhuǎn)動套 引導閥中間油腔與壓力油相通 輔助接力器與主配壓閥活塞 壓力油進入接力器右腔，同時左腔接通排油 接力器活塞左移 開大導葉，增加流量。 3、存在問題： 當一個調(diào)節(jié)過程結(jié)束后，動力矩和阻力矩相平衡時，引導閥針塞、輔助接力器與主配壓閥活

28、塞不能及時回到相對中間位置，控制油口不能及時關閉。當機組轉(zhuǎn)速降到n0,,,,,,,,,,,,,接力器活塞仍繼續(xù)推動導葉移動，會產(chǎn)生過調(diào)節(jié)現(xiàn)象：使轉(zhuǎn)速進一步降低于額定轉(zhuǎn)速，當?shù)偷揭欢ㄖ禃r，系統(tǒng)又會按轉(zhuǎn)速低現(xiàn)象去調(diào)整……反復不斷調(diào)整。4、結(jié)論：穩(wěn)定的系統(tǒng)：如果機組改變了原來的平衡狀態(tài)，經(jīng)過調(diào)節(jié)，機組能達到新的平衡狀態(tài)。顯然，無反饋系統(tǒng)是一個不穩(wěn)定系統(tǒng)。5、改進方向：經(jīng)上述工作過程分析，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定的原因是過調(diào)現(xiàn)象。所以要改進系統(tǒng)

29、就必須：在轉(zhuǎn)速恢復到額定值（即動力矩與阻力矩相平衡）時，設法使引導閥與轉(zhuǎn)動套、輔助接力器與配壓閥活塞回到相對中間位置。,二、具有硬反饋的調(diào)速系統(tǒng)工作原理 C

30、 D A B 關,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,1、系統(tǒng)

31、組成：離心擺（測速元件）、引導閥（放大元件）、輔助接力器與主配壓閥（放大元件）、接力器（執(zhí)行元件）和水輪機（調(diào)節(jié)對象）、硬反饋元件（杠桿AB）。2、工作原理①當轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速時，引導閥與轉(zhuǎn)動套、輔助接力器與配壓閥在相對中間位置。②,回到相對中間位置。3、存在問題： 例如，機組在n1下運行，當電網(wǎng)負荷減少時，Mt＞Mg,機組轉(zhuǎn)速上升，調(diào)速系統(tǒng)開始動作，使進入水輪機的流量減少，最終使Mt＝Mg ，轉(zhuǎn)速停止上升，此時機組在轉(zhuǎn)速n2

32、下穩(wěn)定，但此時的n2＝nmax.即n1≠ n2有差調(diào)節(jié)：經(jīng)過一個調(diào)節(jié)過程后，機組轉(zhuǎn)速不能回到原來的轉(zhuǎn)速下平衡，而是回到一個新的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)平衡。4、結(jié)論：具有硬反饋的調(diào)速系統(tǒng)解決了過調(diào)現(xiàn)象，但是存在有差調(diào)節(jié)。,三、具有軟反饋的調(diào)速系統(tǒng) k,,,,,,,,,

33、,,,,,,,,,,,,,,1、系統(tǒng)組成：離心擺（測速元件）、引導閥（放大元件）、輔助接力器與主配壓閥（放大元件）、接力器（執(zhí)行元件）和水輪機（調(diào)節(jié)對象）、軟反饋元件。2、工作原理①當轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速時，引導閥與轉(zhuǎn)動套、輔助接力器與配壓閥在相對中間位置。②,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

34、,,,,,,活塞上移,推動引導閥針塞上移與轉(zhuǎn)動套回到相對中間位置。接力器停止移動后，受活塞彈簧的作用，主、從動活塞逐漸向中間位置回復，同時使引導閥針塞稍有下移，通過相關機構動作，使導葉進一步關小，使Mt ＜ Mg，進一步降低轉(zhuǎn)速，這時，離心擺有所下移，帶動轉(zhuǎn)動套下移，使轉(zhuǎn)動套與針塞回到相對中間位置，使得已上升了的轉(zhuǎn)速降回到原來的額定值，并保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。4、結(jié)論：不管是負荷增加使轉(zhuǎn)速下降還是負荷減少使轉(zhuǎn)速上升，經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)整后，機組能恢復

35、到原來的額定轉(zhuǎn)速并穩(wěn)定下來，即實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)。無差調(diào)節(jié)：,不論機組負荷增加還是減少，調(diào)節(jié)后的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速都保持不變。,經(jīng)上述分析：調(diào)速系統(tǒng)中，為了具有穩(wěn)定性，必須引入反饋環(huán)節(jié)；引入硬反饋環(huán)節(jié)，系統(tǒng)存在有差調(diào)節(jié)；引入軟反饋環(huán)節(jié)，系統(tǒng)可實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)。因這兩種反饋均有它們自身的優(yōu)點，所以在實際系統(tǒng)中，一般2 種反饋均同時采用，以實現(xiàn)系統(tǒng)的更好的調(diào)節(jié)品質(zhì)。,,四、單調(diào)節(jié)調(diào)速系統(tǒng)工作原理：,1、系統(tǒng)組成：離心擺、引導閥、輔助接力器與主配壓閥、主接力器

36、、反饋錐體、調(diào)差機構、轉(zhuǎn)速調(diào)整機構、硬反饋杠桿、緩沖裝置（軟反饋元件）。調(diào)差機構：其實質(zhì)是一個硬反饋機構，它可以改變機組靜特性斜率，確定并列運行機組之間負荷的分配。轉(zhuǎn)速調(diào)整機構：當機組單機帶負荷運行時，用于改變機組轉(zhuǎn)速；當機組并列于無窮大電網(wǎng)運行時，用于改變機組所帶的負荷。并列運行：單機帶負荷運行：,單臺機組向負荷供電。,發(fā)電機并入電網(wǎng)中，與多臺機組一起向電網(wǎng)供電，并列運行的機組其頻率和轉(zhuǎn)速相同。,2、系統(tǒng)工作過程：（機組單機

37、運行，額定轉(zhuǎn)速為n0）第一階段：當負荷 ， Mt ＞Mg使轉(zhuǎn)速 離心擺下支持塊 帶動引導閥轉(zhuǎn)動套 引導閥中間腔室與排油相通，腔內(nèi)油壓 輔助接力器與配壓閥活塞 壓力油進入接力器左腔，同時右腔接通排油 接力器活塞右移 關小導葉，減小流量，轉(zhuǎn)速停止加速。（此時，機組在轉(zhuǎn)速n1下運

38、行，n1＞ n0)第二階段：反饋部分動作：（1）硬 反饋部分：輔助接力器與主配壓閥活塞上移時，帶動反饋杠桿e端 d端下移，帶動c端下移 a 端上移 帶動引導閥針塞上移；,,,,,,,,,,,,,,,,,,（2）軟反饋部分：主接力器向右關閉 反饋錐體右移 使反饋框架順時針轉(zhuǎn) m點上移，帶動g點上移 f點下移

39、 緩沖裝置主動活塞下移 從動活塞上移，帶動引導閥針塞上移。在軟、硬反饋部分的共同作用下，引導閥針塞與轉(zhuǎn)動套恢復相對中間位置，封住相關油口，最終使主接力器停止右移。由于在此調(diào)節(jié)過程中導葉開度不斷關小， Mt轉(zhuǎn)速逐漸減小,并使Mt ＜Mg ，所以轉(zhuǎn)速由n1逐漸下降。第三階段： 轉(zhuǎn)速下降，引導閥轉(zhuǎn)動套隨之下移，此時，緩沖閥上下腔油壓在節(jié)流孔作用下已達平衡，從動活塞在自身彈簧回復力作用下向下回中，

40、通過連桿作用，帶動引導閥針塞下移，與轉(zhuǎn)動套回到相對中間位置。使機組轉(zhuǎn)速回到n0下穩(wěn)定運行。,,,,,,,第四節(jié) 調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜態(tài)與動態(tài)特性一、調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)特性及其品質(zhì)指標（一）基本概念1、水輪機的調(diào)節(jié)系統(tǒng)：為了實現(xiàn)水輪機調(diào)節(jié)任務，由調(diào)節(jié)控制器、液壓隨動系統(tǒng)、調(diào)節(jié)對象（水輪機）組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。2、調(diào)速器（又稱調(diào)速系統(tǒng)）：一般把水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)控制器、液壓隨動系統(tǒng)稱為調(diào)速器。,3、調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)特性：調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)特性（靜

41、特性）----調(diào)節(jié)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時，機組轉(zhuǎn)速n與機組輸出功率P之間的關系。 n n0 P0 P 無差靜牲 有差靜特性,（二）靜態(tài)指標----是衡量調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性的指標：調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜態(tài)特性用調(diào)差率表示。1、調(diào)差率（ep）----用相對量

42、表示的調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜特性某一規(guī)定運行點處斜率的負數(shù)。 ep =-dx/d(P/Pr) ep =0 ：調(diào)節(jié)系統(tǒng)為無差靜特性，即無論機組輸出功率為多少，轉(zhuǎn)速均不變。ep ＞0：調(diào)節(jié)系統(tǒng)為有差靜特性，機組轉(zhuǎn)速隨輸出功率的增加而減少。2、最大功率調(diào)差率（es）----也可用于表示調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜特性。定義為：機組空載時的轉(zhuǎn)速nmax與機組帶額定負荷時的轉(zhuǎn)速nmin之差與額定轉(zhuǎn)速nr的比值：

43、 es =(nmax - nmin)/ nr,空載：機組負荷為0，即輸出功率為0。● ep與es的關系：當調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜特性近似一條直線時， ep = es3、永態(tài)轉(zhuǎn)差率（bp）----用于表示調(diào)速器的靜特性。定義：用相對量表示的調(diào)速器靜特性某一規(guī)定運行點處斜率的負數(shù)。即 bp =-dx/dy調(diào)速器靜特性：測速元件的輸入信號n與主接力器行程Y的變化關系曲線。

44、4、最大行程永態(tài)轉(zhuǎn)差率（bs）----為了簡化分析，可用來表示調(diào)速器的靜特性。定義：調(diào)速器的主接力器行程為0時的轉(zhuǎn)速與主接力器行程為最大值的轉(zhuǎn)速之差與額定轉(zhuǎn)速的比值。即 bs =(nmax - nmin)/ nr,● bp與bs的關系：當調(diào)速器的靜特性近似一條直線時， ep = es?！?ep 與bp的區(qū)別：bp ：是調(diào)速器靜特性的一個參數(shù)，它與調(diào)速器的構造有關，與機組特性和運行

45、水頭無關。ep ：是調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜特性的一個參數(shù)，它與調(diào)速器系統(tǒng)的構造、機組特性和運行水頭均有關。5、轉(zhuǎn)速死區(qū) 以上討論均假定只要轉(zhuǎn)速開始偏離給定值，調(diào)速器便開始調(diào)節(jié)。但實際上并非如此，調(diào)速器往往有一個死區(qū)：,如左圖： n 當轉(zhuǎn)速超過n1時，調(diào)速器才 n1 開始關閉導

46、葉，而當機組 n2 轉(zhuǎn)速略低于n1時調(diào)速器并不 動作，只有轉(zhuǎn)速低于n2時， 調(diào)速器才開啟導葉。所以 a 在n1與n2之間時

47、，調(diào)速器不動作，這就是轉(zhuǎn)速死區(qū)。●由于存在轉(zhuǎn)速死區(qū)，實際調(diào)速器的靜特性并不是一根線，而是一條帶。其帶寬為n1 - n2 。 ●轉(zhuǎn)速死區(qū)使調(diào)節(jié)系統(tǒng)保持頻率的質(zhì)量降低，使機組負荷分配誤差加大，對調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定也不利，所以轉(zhuǎn)速死區(qū)不能超過規(guī)定會值。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,（三）國標關于靜態(tài)特性的有關規(guī)定（見教材P14）三、調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)特性指標（一）基本概念1、調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)特性：調(diào)節(jié)系統(tǒng)在過渡過程中

48、，轉(zhuǎn)速n隨時間t的變化關系。2、過渡過程：調(diào)節(jié)系統(tǒng)從一個穩(wěn)態(tài)到另一個穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)過程。3、動態(tài)特性指標（簡稱動態(tài)指標）：衡量調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的指標。,（二）動態(tài)指標1、調(diào)節(jié)時間（tE）：機組從甩負荷起，到機組轉(zhuǎn)速相對偏差不超過±1%為止，所經(jīng)歷的時間。 說明：①轉(zhuǎn)速偏差=（實際轉(zhuǎn)速n-平衡轉(zhuǎn)速n0）/n02、最大轉(zhuǎn)速偏差△nmax:一般指第一波峰值（見圖1-15）；也可用相對值△nmax / △ n0表示。3、

49、超調(diào)量δ：第一個負波值占最大偏差的百分比。即 δ= （△nmax / △ n0 ）×100%4、超調(diào)次數(shù)X （也叫振蕩次數(shù)）：調(diào)節(jié)時間內(nèi)出現(xiàn)的振蕩波峰（包括正波峰數(shù)與負波峰數(shù)之和）個數(shù)的一半。,（三）國標關于動態(tài)特性的有關規(guī)定：（見教材P15）第五節(jié) 并列運行機組靜特性一、調(diào)差機構與轉(zhuǎn)速調(diào)整機構（一）調(diào)差機構：1、組成部件：,,,調(diào)差機構的工作原理圖：

50、 j′ i j,2、作用：改變機組靜特性斜率（調(diào)差率），使并列運行中的機組都具有有差靜特性，確定并列機組之間負荷的分配，防止負荷在并列運行機組之間來回竄動。3、工作原理：當轉(zhuǎn)速升高，引導閥轉(zhuǎn)動套上移，接力器右移關小導葉開度時，使反饋框架繞轉(zhuǎn)軸順時針轉(zhuǎn)動，通過拉桿和杠桿作用

51、，使引導閥針塞上移；當轉(zhuǎn)速降低，引導閥轉(zhuǎn)動套下移，接力器左移開大導葉開度，使反饋框架繞轉(zhuǎn)軸逆時針轉(zhuǎn)動，使引導閥針塞下移。●總之，其工作結(jié)果是：使引導閥針塞總是跟隨轉(zhuǎn)動套移動，從而起到反饋的作用?！穹答伭看笮〉恼{(diào)節(jié)：通過調(diào)節(jié)反饋螺桿，從而改變反饋螺母與框架轉(zhuǎn)軸的距離。當螺母距轉(zhuǎn)軸越遠，反饋量越大，靜特性斜率也越大；反之越小。當螺母中心線與轉(zhuǎn)軸軸線重合時，反饋量為0.,（二）轉(zhuǎn)速調(diào)整機構1、組成部件,轉(zhuǎn)速調(diào)整機構的工作原理圖：,2、作

52、用：使調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜特性平行移動。當機組單機運行時，可改變機組轉(zhuǎn)速；當機組并列于無窮大電網(wǎng)運行時，用于改變機組所帶負荷。3、工作原理：（1）單機帶負荷運行時調(diào)整轉(zhuǎn)速的工作原理：單機帶負荷運行：這里指單臺機組向負荷供電，且假設負荷不變。●工作過程分析：操作轉(zhuǎn)速調(diào)整手輪，使絲桿（又稱螺桿）俯視順時針轉(zhuǎn)動，使螺母上移（由j點到j′），經(jīng)過一個調(diào)節(jié)過程后，使引導閥針塞穩(wěn)定在較高的位置（相應的轉(zhuǎn)動套也處在較高的位置），機組穩(wěn)定轉(zhuǎn)速相應增加。反

53、之，操作轉(zhuǎn)速調(diào)整手輪，使絲桿俯視逆時針轉(zhuǎn)動，使螺母下移，經(jīng)過一個調(diào)節(jié)過程后，使引導閥針塞穩(wěn)定在較低的位置，機組穩(wěn)定轉(zhuǎn)速相應降低。,●工作原理：它能人為地增加或減少調(diào)差機構的起始作用點，使引導閥針塞產(chǎn)生一個預先的附加位移，而接力器活塞的位移并不能改變它的螺母和絲桿之間的相對位移?！褶D(zhuǎn)速的改變值（即靜特性曲線的平移數(shù)值），取決于轉(zhuǎn)速調(diào)整機構電力線上下位移量的大小。（2）并網(wǎng)運行時調(diào)整機組負荷的工作原理：操作轉(zhuǎn)速調(diào)整手輪，使絲桿（又稱螺桿

54、）俯視順時針轉(zhuǎn)動，使螺母上移（由j點到j′），帶動引導閥針塞上移，開大導葉,Mt＞Mg ， 因機組轉(zhuǎn)速取決于電網(wǎng)頻率（即保持不變）,所以使機組負荷增加。反之亦然。,▲上述原理分析也可從靜特性角度理解：因轉(zhuǎn)速調(diào)整機構可以平移靜態(tài)特性線，如下圖：●當機組單機帶負荷運行時（假設負荷不變），則通過轉(zhuǎn)速調(diào)整機構作用，使靜特性上下平移，則會使轉(zhuǎn)速相應地增加或減少。,●當機組并列于一個無窮大的電網(wǎng)運行時，因其轉(zhuǎn)速決定于電網(wǎng)頻率，可

55、認為轉(zhuǎn)速不變，此時通過轉(zhuǎn)速調(diào)整機構上下平移靜特性曲線，可使功率相應地增加或減少。二、并列運行機組之間的變動負荷分配（一）并列運行機組均為無差靜特性條件下的負荷分配1、系統(tǒng)設定： 設3臺機組并列于一個電網(wǎng)中運行，它們的實際轉(zhuǎn)速相同均為系統(tǒng)轉(zhuǎn)速，且它們均為無差靜特性。因現(xiàn)實原因，各機組的靜特性不可能調(diào)調(diào)整得完全相同，設#2機整定轉(zhuǎn)速為n0，#1機整定轉(zhuǎn)速為n1高于n0,#3整定轉(zhuǎn)速為n2低于n0。,如圖：2

56、、現(xiàn)象描述：運行中，#1機的離心擺總感應到運行轉(zhuǎn)速n0總低于自身整定轉(zhuǎn)速n1 ，通過調(diào)速系統(tǒng)開大導葉，使負荷不斷增加，直到加滿負荷為止；另一方面，#3機的離心擺也總感應到運行轉(zhuǎn)速總是高于自身整定轉(zhuǎn)速，通過調(diào)速系統(tǒng)，不斷關小導葉，直到空載為止。使并列運行的各機組負荷分配不均勻。,3、原因分析:是因為各臺機組的靜特性均為無差特性，轉(zhuǎn)速與功率沒有一一對應關系，使得并列運行中的各機組在同一個系統(tǒng)轉(zhuǎn)速下，沒有對應的穩(wěn)定功率，無法確定負荷分配。4

57、、解決辦法：采用調(diào)差機構，使在電網(wǎng)中并列運行的機組都具有有差靜特性，以便實現(xiàn)機組間的負荷分配。5、結(jié)論：對于并列運行機組而言，調(diào)速系統(tǒng)具有有差靜特性，才能保證機組間的合理分配負荷，而且能人為地改變各機組承擔變動負荷量的大小。,（二）并列運行機組均為有差靜特性條件下，變動負荷的分配1、系統(tǒng)假設：設系統(tǒng)中有3臺機組并列運行，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速為n0，各臺機組承擔的負荷分別為P1、P2、P3,調(diào)差率為ep1、ep2、ep3，運行工況點

58、為a1、a2、a3。設系統(tǒng)負荷增加了△P,此時系統(tǒng)頻率下降，調(diào)速器動作，經(jīng)調(diào)節(jié)后達到新的平衡工況點。在新的平衡,,狀態(tài)中，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速為n0′，各臺機組的負荷分別為P1 ′ 、P2 ′ 、P3 ′,工況點分別為c1、c2、c3。2、分析各機組增加負荷的影響因素 由圖中#1機靜特性線，利用相似三角形，及轉(zhuǎn)差率ep（用最大功率轉(zhuǎn)差率表示）等公式推導，3、由上述公式，可得出結(jié)論：（1）當系統(tǒng)中機組臺數(shù)和容量一定時，各機組承擔的變動負荷與

59、額定出力Pr成正比，與調(diào)差率ep成反比。所以，要使機組承擔的變動負荷較大，應使調(diào)差率較小，一般為2%--4%；要使機組承擔的變動負荷較小，應使調(diào)差率較大，可大于4%.若某臺機組調(diào)差率為0，則它將在其自身允許范圍內(nèi)，承擔全部變動負荷。,（2）當系統(tǒng)總變動負荷一定時，各機組調(diào)關率越小，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速變化越?。环粗酱?。所以，在系統(tǒng)負荷變化時，要減小系統(tǒng)轉(zhuǎn)速偏差，就必須有一部分機組的調(diào)差率要整定得較小?？傊?，通過調(diào)整機組調(diào)差率，可以改變機組承擔變

60、動負荷的大小；還可以改變系統(tǒng)轉(zhuǎn)速偏差。三、調(diào)速器在系統(tǒng)調(diào)頻中的作用----能否用很小的調(diào)差率，使系統(tǒng)的頻率變化控制在規(guī)定范圍內(nèi)，而不需采取其他措施？ 1、實際中，調(diào)節(jié)系系統(tǒng)的靜特性是一條帶子（如右圖），而不是一條直線，所以當機組轉(zhuǎn)速為某一個值時，負荷可在P′和P〞之間變動。,如圖所示： 當機組處于穩(wěn)定運行狀態(tài)，機組工作點由 n0和P0決定。當系統(tǒng)頻率發(fā)生波動時，由于存在轉(zhuǎn)速死區(qū)，工作點在靜特性帶所圍成的四邊形區(qū)域內(nèi)任意變動

61、時，調(diào)速器的接力器均不動作，因此機組負荷也不發(fā)生改變，這就給調(diào)整和重新分配機組負荷帶來誤差。 2、根據(jù)相似三角形原理可以求出△P的關系式 △P= (△n/epnr)Pr 由上式可看出：調(diào)差率ep越小，機組出力誤差△P越大。如bp=1%～1.5%時，負荷分配誤差可達5% ～10%。所以實踐中的整定不能太低，一般在4%左右，但這樣大的調(diào)差率又不能滿足保持頻率的要求，所以必須采用二次

62、調(diào)頻。,二次調(diào)頻：當系統(tǒng)頻率超過規(guī)定的偏差時，運行人員用人工或自動控制轉(zhuǎn)速調(diào)整機構，使頻率回復額定值。3、措施：為了減小轉(zhuǎn)速死區(qū)帶來的機組出力波動，同時保證系統(tǒng)頻率變化保持在規(guī)定范圍內(nèi)，必須①設法減少轉(zhuǎn)速死區(qū)；②采用二次調(diào)頻。 ●總而言之，在各機組均以有差靜特性并列運行時，當負荷發(fā)生變化后，各機組的調(diào)速器就進行調(diào)節(jié)，在調(diào)節(jié)過程中，系統(tǒng)變動負荷的分配與機組調(diào)速器的靈敏度和速動性有關。然而調(diào)節(jié)過程結(jié)束達到新的平衡狀態(tài)時，各機組承擔變動

63、負荷的多少與各機組的額定出力Pr成正比，與調(diào)差率ep成反比。此時系統(tǒng)的頻率已偏離額定值，若偏離值較大，要求進行二次調(diào)頻。若要改變機組所帶負荷，也要操作相應的轉(zhuǎn)速調(diào)整機構。,第六節(jié) 調(diào)速系統(tǒng)的典型環(huán)節(jié)與調(diào)節(jié)規(guī)律●控制系統(tǒng)中的每個元件的輸入、輸出關系均可用一個數(shù)學模型（運行方程）來表述?！駸o論各種元件的結(jié)構是否相同，只要其數(shù)學模型相似，其動態(tài)特性必然相似。一、典型環(huán)節(jié)（一）比例環(huán)節(jié)（又稱放大環(huán)節(jié)）：輸出量y與輸入量x成比例的環(huán)節(jié)。

64、 運動方程：離心擺、配壓閥、杠桿等元件、以及滿足上式的電路均屬于比例環(huán)節(jié)。,（二）積分環(huán)節(jié)：輸出量y與輸入量x對時間t的積分成比例的環(huán)節(jié)。 運動方程：接力器、機組、積分運算放大電路均為積分環(huán)節(jié)。（三）理想微分環(huán)節(jié)：輸出量y與輸入量x對時間的導數(shù)成比例的環(huán)節(jié)。 運動方程：純電容電路屬于理想微分環(huán)節(jié)。它具有可實現(xiàn)提前調(diào)節(jié)，減少超調(diào)量，提高速動性，改善調(diào)節(jié)品質(zhì)等優(yōu)點。,（四）實際微分環(huán)節(jié)運動方程：緩沖裝置

65、屬于實際微分環(huán)節(jié)。（五）慣性環(huán)節(jié)運動方程：RC電路和考慮慣性時的水輪發(fā)電機組屬于慣性環(huán)節(jié)。,二、典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)●拉普拉斯變換：（1）定義：函數(shù)f(t)，t為實變量，如果存在線性積分 F(s) =則稱F(s) 為f(t)的拉氏變換函數(shù)（或稱F(s) 為f(t)的象函數(shù)）， F(s)是復變量s=σ+jω的函數(shù)。稱 f(t)為F(s) 的原函數(shù)。并有逆運算f(t) =L-1[F(s) ],該式為拉氏反變換。

66、（2）作用：①拉氏變換可將微積分運算轉(zhuǎn)化為代數(shù)運算。②能單獨地表明初始條件的影響。典型的運算可查閱相關的變換表。,,,●傳遞函數(shù)G(s)：線性定常系統(tǒng)在零初始條件下，輸出量的拉氏變換Y(s)與輸入量的拉氏變換X(s)之比。即G(s)= Y(s)/ X(s)。（一）比例環(huán)節(jié) 由比例環(huán)節(jié)的運動方程式求出其拉氏變換式為Y(s)=KpX(s)，所以其傳遞函數(shù)為G(s)= Y(s)/ X(s)=Kp（二）積分環(huán)節(jié)

67、 G(s)= Y(s)/ X(s)=1/Ts（三）理想微分環(huán)節(jié) G(s)= Y(s)/ X(s)=Tns,（四）實際微分環(huán)節(jié) G(s)= Y(s)/ X(s)=KdTd/(1+Tds)(五）慣性環(huán)節(jié) G(s)= Y(s)/ X(s)=K/(1+Tds)★以上5種典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)均是代數(shù)表達式，容易求解，便于工程上的運用。,三、調(diào)節(jié)規(guī)律（一）結(jié)構方框圖的基本組成形式●

68、方框圖：方框----表示各獨立環(huán)節(jié)的性能、作用，方框內(nèi)是其運動方程式各傳遞函數(shù)。箭頭----表示信號和信號的流向。信號綜合點 ----表示信號在此處匯合并進行疊加，+表示相加，-表示相減?！癍h(huán)節(jié)與環(huán)節(jié)之間的連接形式：1、串聯(lián)連接：前一個方框的輸出是下一個方框的輸入。,2、并聯(lián)連接：有同一個輸入，各方框輸出的代數(shù)和作為總輸出。3、反饋連接：方框1的輸出，輸入到方框2，得到2的輸出再返回作用到1的輸入端。,如下圖