武汉三联水电控制设备有限公司
字脉冲控制阀的开关，达到控制接力器开关的效果。而步进式调速器利用电流驱动步进电机正反转，产生竖直方向位移，协同引导阀、主配压阀控制接力器的开关。比例伺服阀通过比例控制器和主配压阀完成电液转换。
3） 根据使用的油压大小分为常规油压和高油压调速器。 常规油压有：2.5MPa，4.0MPa，6.3MPa 高油压一般为16MPa
其中压力油罐的容量根据接力器油腔的大小而定。
4） 根据所控制机组容量的大小可分为大型调速器和中型、小型调速器。一般来说，小型调速器都采用数字式，三联公司有以下型号产品：SLT—300，SLT—600，SLT—1000。中型调速器客户要求以及实际情况有多种形式，如果用X代替形式，如数字式，步进式以及比例式或者各种形式的结合。有以下几种型号：X—1800，X—3000，X—5000，X—7000。大型调速器有以下型号：X—80，X—100，X—150。
5） 根据控制部分的可编程控制器plc模块来区分，就目前我公司的使用情况来讲，有三菱FX2N系列，一般用于中小型数字式调速器，也有部分使用Siemens系列模块；有Omron系列模块，一般用于中型步进式或者小型冲击式调速器；另外有部分大型调速器，我们使用施耐德公司的Modicon系列或者Quantum系列模块。
2.3 水轮机调速器的发展历史
机械液压调速器
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，有较好的静态特性和动态品质，可靠性较高。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的要求，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。现在，新建的大型水轮发电机组几乎均步采用机械液压调速器，只有中小型机组仍有相当一部分采用机械液压调速器，而且大部分电厂已经改造为现代新型调速器。
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导叶控制接力器的调速器，称为电气液压调速器。
第 11 页
武汉三联水电控制设备有限公司
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、集成电路等几个发展阶段。20世纪80年代末期，出现了水轮机微机调速器并被广泛采用。
数字式电液调速器
随着1971年微处理机的问世，世界各国在20世纪80年代初都开始研制微机液压调速器。华中科技大学（原华中工学院）在国内率先研制成功了适应式变参数微机调速器，于1984年11月在湖南欧阳海水电站进行了试验并投入运行，其后又与有关单位合作，开发生产了双微机单调节微机调速器和双微机双调节微机调速器，据不完全统计，已有100多台产品在水电站运行。
针对自行研制开发的微机系统存在着由非计算机专业人员设计和生产、批量过少而导致可靠性不高的问题，华中科技大学又与有关单位合作，1993年率先提出并完成了可编程控制器调速器的开发和生产，至2000年底，据不完全统计已有近600台可编程控制器调速器在国内外水电站运行。成为我国当前水轮机微机调速器的微机调节器主导产品。
从2000年下半年开始，华中科技大学已开始研制新一代的水轮机调速器的微机调节器——基于现场总线的全数字微机调节器。显然，随着微机技术、网络技术、总线技术的发展，水轮机微机调速器的微机调节器将会得到不断的完善和发展。
与微机调节器的发展同步，水轮机调速器的电液转换装置也由原来的单一的电液转换器和电液伺服阀，发展成为由电磁阀、比例阀或者步进电机/伺服电机构成的电液转换装置。同时，还研制成功了三态/多态阀式的机械液压系统。
2.4 新型调速器的标准和特性
以下所述标准和性能指标以我公司的产品为参考。
2.4.1 水轮机调速系统的标准
1．《电气与电气工程师协会标准》IEEE/IEC60362-1998； 2．《水轮机电液调节系统及装置技术规程》DL/563-1995； 3．《水轮机调速器与油压装置试验验收规程》GB/T 9652.2－1997； 4．《水轮机调速器与油压装置技术条件》GB/T 9652.1－1997； 5．《大中型水轮机组自动化元件及系统基本技术条件》GB/T 11805-89；
第 12 页
武汉三联水电控制设备有限公司
6．IEC308《水轮机调速系统试验国际规程》； 7．NEMA《美国电气制造商协会标准》。
2.4.2 调速器总体原则
符合国家有关文件、标准的规定，充分体现先进性、合理性、完整性和高可靠性的原则。保证整个调速系统安全可靠地工作，并满足如下要求：
* 满足有关文件的要求和有关国家标准。
* 适应频繁启停，空载快捷平稳，大网运行安全可靠，小网运行响应迅速。 * 高性能和高安全可靠性。
* 各种运行工况稳定运行、相互跟踪、切换无扰动。 * 硬件配置合理，各种调节控制功能完备。 * 全中文图形、表格、数据的人机操作平台。
* 完善的试验、录波、事件记录、自诊断、帮助等辅助功能。 * 选用世界知名厂家的兼容性高的最新元器件。
2.4.3 性能指标
* 导叶接力器全关闭时间调整范围为： 3～100S * 导叶接力器全开启时间调整范围为： 3～100S * 桨叶接力器全关闭时间调整范围为： 10～120S * 桨叶接力器全开启时间调整范围为： 10～120S * 频率调整范围： 45～55 Hz * 永态转差bp调整范围： 0～10% * 比例增益Kp调整范围： 0.5～20 * 积分增益KI调整范围： 0.05～10 1/s * 微分增益KD调整范围： 0.0～10 s * 人工失灵区调节范围： 0～±1 .5%nr * 测至主接力器的转速死区不超过： 0.02 % * 水轮机甩25%负荷后，接力器不动时间不超过： 0.2 s * 静特性曲线非线性度不超过： 0.5% * 自动空载运行3分钟，机组转速相对摆动值不超过 ±0.15% 。
* 甩100%额定负荷后转速波动超过3%的波动次数不超过 2次，由调速器引起的机组转速持续波动相对值不大于：±0.15％。
第 13 页
武汉三联水电控制设备有限公司
从机组甩负荷时起，导机组转速相对偏差小于±1％为止的调节时间tE与从甩负荷开始至转速升至最高转速所经历的时间tM的比值，对中、低水头反击式水轮机和冲击式水轮机应不大于15；对从电网解列后给电厂供电的机组，甩负荷后机组的最低相对转速不低于0.9。
2.4.4 调速系统的可靠性
自动工况可利用率： >99.99% 自动＋手动可利用率： 100% 首次无故障间隔时间（自现场验收起） 不小于35000小时 大修间隔时间： 10年 退役前的使用期限： >20年
三 调速器的控制原理
3.1 水轮机调节的基本原理
水轮机调节系统是由水轮机控制设备和被控制系统组成的闭环系统。水轮机、引水和泄水系统、装有电压调节器的发电机及其所并入的电网称为水轮机调节系统中的被控制系统；用来检测被控参量（转速、功率、水位、流量等）与给定量的偏差，并将其按一定特性转换成主接力器行程偏差的一些装置组合，称为水轮机控制系统。水轮机调速器则是由实现水轮机调节及相应控制的机构和指示仪表等组成的一个或几个装置的总称。
其工作过程为：测量元件把机组转速n（频率f）、功率P，水头H、流量Q等参量测量出来，与给定信号和反馈信号综合后，经放大校正元件控制执行机构、执行机构操纵水轮机导水机构和浆叶机构，同时经反馈元件送回反馈信号至信号综合点。
以上为电气控制部分的基本原理。它的执行部分由机械液压装置来实现。它包括压力产生装置（压力罐）和压力动作装置（接力器）。压力罐的首先充入高压气体，常规油压调速器一般充入空气，高油压调速器使用氮气。然后利用螺杆泵将压力油抽入压力罐体。由于气体被进一步压缩，从而产生一定的压强，作用在油面上产生压力油。
电液转换装置受电气控制信号驱动，转换为机械位移，借助压力油的做功进行液压
第 14 页
武汉三联水电控制设备有限公司
放大，产生较大的力改变接力器的开度，从而改变导叶开度以及浆叶角度，调节导水机构的流量、流态，达到对水轮机调节系统种各被控制机构的控制。
水轮机调速器是水电站发电机组的重要辅助设备，它与电站那二次回路或计算机监控系统相配合，完成水轮发电机组的开机、停机、增减负荷、紧急停机等任务。水轮机调速器还可以与其他装置一起完成自动发电控制（AGC）、成组控制、按水位调节等任务。
水轮发电机组转动部分的运动方程为：
Jdω/dt=Mt-Mg
式中：
J—机组转动部分的惯性矩（kg·㎡）； ω＝πn/30—机组转动角速度（rad/s）； n—机组转动速度（r/min）； Mt—水轮机转矩（N·m）；
Mg—发电机负荷阻力矩（负载转矩）（N·m）。
上式表明，保持机组转速（频率）为恒值的条件是dω/dt＝0，即要求Mt＝Mg，否则就会导致机组转速（频率）偏离额定值，从而出现转速（频率）偏差。
水轮机转矩
Mt＝ρQHηt /ω
式中：
Q—通过水轮机的流量（m/s）; H—水轮机净水头（m）； ηt—水轮机效率； ρ—水的密度（kg/m）
因此只有调节流量Q和效率ηt，才能调节水轮机转矩Mt，达到Mt＝Mg的目的。从最终效果来看，水轮机调节的任务是维持水轮发电机组转速（频率）在额定值附近的允许范围内。然而，从实质上讲，只有当水轮机调节器相应地调节水轮机导水机构开度（从而调节水轮机流量Q）和水轮机轮叶的角度（从而调节水轮机效率ηt），使Mt＝Mg，才能使机组在一个允许的规定转速（频率）下运行。从这个意义上讲，水轮机调节的实质就是：根据偏离额定值的转速（频率）偏差信号，不但地调节水轮机的导水机构和轮叶机构，维持水轮发电机组功率与负荷功率的平衡。
水轮机控制设备是通过很大的动力来调节水轮机导水机构和桨叶机构来调节水轮
第 15 页
3
3