水輪機微機調(diào)速器

1、水輪機微機調(diào)速器一、基本概念    水輪機是將水流的流量轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)機械能的機器。近代水輪機主要作為水力發(fā)電的原動機。水流進入水輪機后，水流的能量便發(fā)生了改變，最后變成主軸旋轉(zhuǎn)的機械能，這一過程，稱為水輪機的工作過程。反映水輪機工作過程特性的一些參數(shù)，稱為水輪機的工作參數(shù)。其中主要的工作參數(shù)有：水輪機工作水頭、水輪機流量、水輪機功率、水輪機效率和水輪機轉(zhuǎn)速。    水輪機工作水頭為水輪機進口截面水流單位能量與出口斷面水流單位能量之差。    水輪機工作時，除了需具有一定的水頭之外，還要有一定的水量流過

2、水輪機，單位時間流過水輪機既定斷面的水量，就稱為水輪機流量Q。（Q=Fv，其中F為水輪機過水?dāng)嗝婷娣e，v為過水?dāng)嗝嫫骄魉伲?#160;   水流流經(jīng)水輪機時，隨著水流能量轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)能旋轉(zhuǎn)機械嫩，水流便對水輪機做功，單位時間內(nèi)所做的功，在工程上稱為水輪機的功率或出力。水流輸入給水輪機的功率Nt=pgQH(_，不好表示密度，就用p表示了）    水輪機效率，就是水流能量的有效利用程度，要注意，水輪機是所有旋轉(zhuǎn)機械中效率最高的設(shè)備（大家查查，看是不是），遠(yuǎn)高于水泵、汽輪機等。    水輪機轉(zhuǎn)速，水輪機主軸單位時

3、間旋轉(zhuǎn)的次數(shù)。水輪機額定轉(zhuǎn)速是在設(shè)計時選定的同步轉(zhuǎn)速。二、水輪機的分類   現(xiàn)代的水輪機一般按水流能量轉(zhuǎn)換的特征分為兩大類，即反擊型和沖擊型。目前我們多見的大多數(shù)為反擊型，反擊型里又有混流式、軸流式、斜流式、貫流式。一般來講水頭高的電站用的水輪機類型是混流式、例如三峽水力發(fā)電廠、小灣水力發(fā)電廠，水頭略低的是軸流式，例如葛洲壩，還有的分定漿和轉(zhuǎn)漿式，也就是漿葉的葉片能否調(diào)節(jié)，福建的孔頭電站就是定漿的。水頭再低一些，而且流量較大的流域就可以建設(shè)貫流式電站了，例如廣西長洲（單機45MW）、廣西橋鞏（單擊58MW）等。   一般對調(diào)速器而言，如果只有導(dǎo)葉可調(diào)，就

4、叫單調(diào)機組，導(dǎo)葉、漿葉都能調(diào)整的就叫雙調(diào)機組。  對于水輪機再往深入的講，我也不清楚了。下面我就具體講講調(diào)速器相關(guān)的知識，會講到基本功能、工作原理、然后舉例（一個實際的設(shè)備）講講電氣部分、液壓部分和調(diào)節(jié)規(guī)律等），不足之處大家多多指教了。水輪機微機調(diào)速器    水輪機調(diào)速器-也就是調(diào)整水輪機轉(zhuǎn)速（也就是發(fā)電機組轉(zhuǎn)速）的一種設(shè)備，對電網(wǎng)來說說，頻率是衡量電能質(zhì)量的一個重要指標(biāo)，在中國規(guī)定電網(wǎng)頻率應(yīng)該穩(wěn)定在50Hz，俗稱工頻。    對于水能發(fā)電機組而言，調(diào)速器的作用就是控制導(dǎo)葉（漿葉），讓機組轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在50Hz附近（具

5、體標(biāo)準(zhǔn)參考相關(guān)國標(biāo)），空載時（空載一般指水能發(fā)電機組已經(jīng)轉(zhuǎn)起來，導(dǎo)葉開度達到一定開度（接近與當(dāng)前水頭下的空載開度），頻率超過45Hz,主開關(guān)沒有合閘）調(diào)速器的主要作用是將機組轉(zhuǎn)速調(diào)整到50Hz（有時可跟蹤系統(tǒng)頻率，一般認(rèn)為系統(tǒng)頻率為50Hz），等待機組并網(wǎng).(機組并網(wǎng)需符合三個條件：機組頻率=系統(tǒng)頻率；機組電壓=系統(tǒng)電壓；機組相位=系統(tǒng)相位），這稱為頻率環(huán)調(diào)整。    并網(wǎng)后（如果是并于大電網(wǎng)），一般認(rèn)為此時機組的轉(zhuǎn)速已經(jīng)被電網(wǎng)拖住，不會發(fā)生變化，（一般未投入一次調(diào)頻功能的機組，頻率死區(qū)設(shè)置為0.3Hz）此時調(diào)速器的作用是通過調(diào)整導(dǎo)葉開度，改變了機械力矩

6、，從而調(diào)整了發(fā)電機的出力，也就是調(diào)有功，這稱為開度調(diào)節(jié)。有的調(diào)速器還配備了功率閉環(huán)調(diào)節(jié)功能。    微機調(diào)速器，也就是采用微機（單片機、工控機、PLC、PCC）的控制模件作為調(diào)速器的主控，承擔(dān)測頻、測導(dǎo)葉（輪葉）開度、水頭、有功功率等模擬量、開入開出檢測輸出、故障檢測、機組狀態(tài)判斷、PID調(diào)節(jié)、控制輸出等任務(wù)。目前在中國PLC和PCC是主流，中國大部分的廠家對于微機調(diào)速器的更新也就是更換個主控模塊，例如從三菱的FX2換到施耐德的昆騰系列，個人感覺對于調(diào)速器的性能是沒有什么大的提高的，畢竟最后推動導(dǎo)葉的是油壓，控制響應(yīng)速度是無法和電信號比較的，就算控制模塊的速度再快

7、，計算周期再短，你也得要液壓部分能響應(yīng)?。?#160;   所以說目前中國這么調(diào)速器廠家爭來爭去，都說自己的產(chǎn)品好，功能多，干什么呢？水輪機調(diào)速系統(tǒng)是一個很經(jīng)典的閉環(huán)控制系統(tǒng)，反饋少，控制對象也就少，而且目前用的就是經(jīng)典的PID，其他文章寫的都是屁，你用給我看看？    前幾天看到國外的一篇文章，說美國那些山里面的調(diào)速器還有好多已經(jīng)用了100多年了，除了更換一些易損件（墊圈等），沒什么問題，看看我們，何必呢？目前控制模件更新那么快？更新周期越來越短，也許你的調(diào)速器還很號用，可惜買不到CPU電池了，怎么辦？換吧，只有換，電廠的某些人才有機會啊，當(dāng)

8、然我們才有飯吃啊。    牢騷說多了，個人認(rèn)為，水輪機微機調(diào)速器是一個發(fā)展了150多年的成熟行業(yè)，不需要太大的改變，需要的就是一個穩(wěn)定、可靠、易操作的系統(tǒng)，最好結(jié)構(gòu)還能簡單，易維護，甚至免維護。水輪機微機調(diào)速器-系統(tǒng)簡介  前面已經(jīng)談過水輪機調(diào)速器的基本原理和基本功能了，下面想談?wù)勔粋€水輪機調(diào)速器的系統(tǒng)組成。   簡單來說，調(diào)速器由電氣部分+機械部分組成。電氣部分一般包括：電源系統(tǒng)、主控系統(tǒng)（PLC、PCC等）、信號調(diào)理系統(tǒng)（頻率信號、齒盤信號的調(diào)理模件）、操作邏輯系統(tǒng)（一般由繼電器回路構(gòu)成）、人機界面等。機械部分在中國也數(shù)目繁多，一

9、般西方國家的調(diào)速器機械部分用伺服比例閥做為電液轉(zhuǎn)換器，例如三峽、龍灘等工程。中國有一批老專家認(rèn)為閥比較容易卡（因為中國的電站對油系統(tǒng)中油的處理不是太上心，所以會發(fā)生閥卡等現(xiàn)象），所以研發(fā)了伺服電機、步進電機等作為電液轉(zhuǎn)換器的調(diào)速器，在三峽工程調(diào)速器沒有定標(biāo)以前，曾經(jīng)大行其道，為市場主流。我沒有接觸過伺服電機的調(diào)速器，步進電機到是試驗過，但是想想作為一個旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的輸出力矩，然后轉(zhuǎn)換為直線力矩去推動主配壓閥，當(dāng)從正向向負(fù)向變化時，電機的轉(zhuǎn)速和方向也要有個變化，也就是先要減速，然后又要反向加速，似乎沒有伺服比例閥僅僅閥芯動動，閥位機能就發(fā)生變化，從而導(dǎo)致主配動作那么容易，也就是個人認(rèn)為，電機型的響應(yīng)

10、速度比不上伺服比例閥。   隨著三峽工程等一批大機組的上馬，采用的調(diào)速器均為伺服比例閥+主配壓閥，現(xiàn)在流行的就是伺服比例閥（有的小機組，或者某些廠商為了節(jié)約成本，也采用比例閥，反正大部分人也分不出伺服比例閥和比例閥的差別）。   還是那句話，調(diào)速器是一個非常成熟的控制系統(tǒng)，雖然因為涉及到水（引水管道模型）、機（水輪機、接力器）、電幾個方面，也較難找出適合的數(shù)學(xué)模型，但是實踐證明，一個中檔的PLC（測頻精度能高一些）+經(jīng)典PID+伺服比例閥+主配完全可以滿足要求，所以沒必要追求什么高性能的PLC，就算你的處理速度再快，可是水流慣性時間常數(shù)和機組慣性時間常數(shù)

11、都是以秒作為單位，你的運算周期是20ms還是5ms對結(jié)果影響不大?？刂埔?guī)律PID絕對是夠用，而且很好用。伺服比例閥+主配這種方式也很成熟，控制起來也方便，當(dāng)然成本貴了些。   有時想想，對于一臺水力發(fā)電機組來說，一個運行可靠、穩(wěn)定的調(diào)速器是重要的，但是目前大家拼的是價格，你以為合算了，我可不能虧，那就節(jié)省成本了，制造成本、設(shè)備成本、人力成本。導(dǎo)致了設(shè)備質(zhì)量差強人意，容易出毛病，從業(yè)人員綜合素質(zhì)也難以提高（那么低的工資，很難找到水平又高、吃苦耐勞、還不在乎錢的哥們吧），最終當(dāng)然就是整個行業(yè)不景氣了。水輪機微機調(diào)速器-開關(guān)量一般來講，對于常規(guī)調(diào)速系統(tǒng)，他的外部開入量信號有：開機

12、、停機（緊急停機）、增加（轉(zhuǎn)速、開度、負(fù)荷）、減少（轉(zhuǎn)速、開度、負(fù)荷）、負(fù)荷開關(guān)信號（發(fā)電機出口開關(guān)信號、高壓側(cè)開關(guān)信號）、調(diào)相令、手動令。當(dāng)然還有一些故障量，例如電源故障、油濾堵塞等。一個閉環(huán)系統(tǒng)是通過測量值和給定值的偏差進行計算，然后輸出到執(zhí)行器，意圖為消除偏差。調(diào)速器也是如此，但是并不是存在偏差就需要調(diào)節(jié)，這需要看運行狀態(tài)，而狀態(tài)的選擇很大程度上依賴于控制系統(tǒng)對開入量的判讀。例如，當(dāng)調(diào)速器收到監(jiān)控系統(tǒng)的開機令時（且無停機令、導(dǎo)葉鎖錠亦在拔出狀態(tài)），調(diào)速器則可以轉(zhuǎn)到開機態(tài)。常規(guī)調(diào)速器一般有以下幾個狀態(tài)：停機態(tài)、開機態(tài)、空載態(tài)、負(fù)載態(tài)、調(diào)相態(tài)，當(dāng)然每個廠家根據(jù)程序的編制或者自己的定義，有的停

13、機態(tài)還分為停機態(tài)、停機等待態(tài)，有的將開機態(tài)和空載態(tài)合成一個狀態(tài)。狀態(tài)的劃分只是便于控制系統(tǒng)更好地發(fā)揮它的控制功能，例如，在停機態(tài)，常常將導(dǎo)葉給定信號設(shè)置為一個負(fù)的導(dǎo)葉開度，這樣在關(guān)機后，主配還接受一個偏關(guān)信號，有利于導(dǎo)葉在停機狀態(tài)不至于被水沖開，在負(fù)載態(tài)時，由于頻率死區(qū)的存在，此時頻率環(huán)就不起作用了，此時的偏差為開度或功率，根據(jù)bp或ep進行調(diào)節(jié)了。水輪機微機調(diào)速器-測頻   水輪機調(diào)速器，顧名思意，就是用來調(diào)水輪機的速度，也就是發(fā)電機的轉(zhuǎn)速。既然要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，作為一個測控系統(tǒng)，當(dāng)然要測量轉(zhuǎn)速，機械轉(zhuǎn)速不好測量，一般都轉(zhuǎn)換為電氣信號進行測量。比較常見的有兩種方式：1、殘壓測頻

14、，也就是當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)起來時，機端PT感應(yīng)到的電壓；     2、齒盤測速，就是利用探頭（電子式的接近開關(guān)）、抱在大軸的齒盤（根據(jù)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速設(shè)計的專用齒盤，齒數(shù)和發(fā)電機的磁極對數(shù)有關(guān)，成比例關(guān)系）；    當(dāng)然作為調(diào)速器，也不方便直接對上述信號進行測量，必須經(jīng)過信號隔離轉(zhuǎn)換，一般都轉(zhuǎn)換為方波信號處理，大家知道頻率f和周期T有如下關(guān)系：    f=1/T    我們只要測量T，就可以算出頻率，這對于運算功率強大的微機來說，是很容易的，所以通

15、常我們就是測量轉(zhuǎn)換后方波的周期（有時也可以將信號分頻后再處理）。也即是常說的測周法。    對于PLC型調(diào)速器，一般采用高速計數(shù)模塊進行測量，有的也采用單片機測頻然后再傳遞給PLC，目前這種方式已經(jīng)不多，對于單片機或PCC型調(diào)速器，一般都采用本體自帶的類似于TPU功能（時間處理單元）進行處理。    很多電力系統(tǒng)相關(guān)的控制器都有測頻功能，這也不是個很復(fù)雜的功能，目前的調(diào)速器都能滿足測穩(wěn)、測準(zhǔn)，稍稍有點技術(shù)含量的就是對于頻率消失或者頻率跳變的處理，也就是多編一些邏輯關(guān)系而已，要充分保證不能因為頻率故障就導(dǎo)致停機。  

16、  一般在負(fù)載情況下，假如測不到機組轉(zhuǎn)速（殘壓和齒盤信號都消失），也就是報個故障，但是運算中將測到的電網(wǎng)頻率用來做機組頻率，如果電網(wǎng)頻率也故障，在連接大電網(wǎng)的情況下，也可以認(rèn)為機頻就等于50Hz。     這樣就不影響機組運行，但是要馬上進行處理，如果此時發(fā)生甩負(fù)荷，就比較危險。    開機過程中或者空載狀態(tài)發(fā)生頻率故障，采取的處理方式比較多，可以在當(dāng)前開度穩(wěn)住不動，也可以調(diào)速器自己停機、也可以報信號給監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控系統(tǒng)進行停機。因為沒有并網(wǎng)時，停機下來處理故障很合適，一般不會被電網(wǎng)考核。 &#

17、160;   如果是雙套冗余的調(diào)速器，在測頻故障的處理上還有一些邏輯關(guān)系?？偟膩碚f，就是有問題的不能作為輸出控制器，如果原來為主，發(fā)現(xiàn)故障時應(yīng)該移交控制權(quán)給沒有問題的那一套。水輪機微機調(diào)速器-模擬量    繼續(xù)聊。對于水輪機來說，調(diào)節(jié)它的速度，最合適的方法就是調(diào)節(jié)通過它的流量，這樣也就得通過調(diào)整導(dǎo)葉開度來進行。（對這方面知識不了解的，可以看看水輪機，了解一下水輪機的結(jié)構(gòu)，畢竟要了解一個控制系統(tǒng)，還是要對控制對象有所研究）    一般來說，調(diào)速器是通過主配壓閥驅(qū)動接力器，從而控制導(dǎo)葉。接力器也就是一個油缸，一般導(dǎo)葉的

18、調(diào)速環(huán)配有兩個接力器，一個推，一個拉，讓調(diào)速環(huán)轉(zhuǎn)動，控制導(dǎo)葉的開啟和關(guān)閉。    談到這，我們就知道了，我們需要調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度，那么對控制系統(tǒng)而言，就需要測量導(dǎo)葉開度（導(dǎo)葉的實際位置），但是實際的導(dǎo)葉位置不好測量（環(huán)境不好，也不好安裝合適的傳感器），一般我們通過測量接力器行程來表示導(dǎo)葉開度。    接力器的行程一般都是直線式的，測量直線距離的位置傳感器種類就很多了，有旋變的，拉繩式的，磁滯式的。    在此不列舉了。至于傳感器的輸出，就得看您選用的控制系統(tǒng)對模擬量接口的需求了，因為傳感器的安裝位置離較遠(yuǎn)，建議采用電流型的輸出傳感器。    除了導(dǎo)葉開度，大多數(shù)調(diào)速器還測量水頭信號，對于微機調(diào)速器而言，控制參數(shù)里有空載開