水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器

1、水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器一、基本概念    水輪機(jī)是將水流的流量轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的機(jī)器。近代水輪機(jī)主要作為水力發(fā)電的原動(dòng)機(jī)。水流進(jìn)入水輪機(jī)后，水流的能量便發(fā)生了改變，最后變成主軸旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，這一過程，稱為水輪機(jī)的工作過程。反映水輪機(jī)工作過程特性的一些參數(shù)，稱為水輪機(jī)的工作參數(shù)。其中主要的工作參數(shù)有：水輪機(jī)工作水頭、水輪機(jī)流量、水輪機(jī)功率、水輪機(jī)效率和水輪機(jī)轉(zhuǎn)速。    水輪機(jī)工作水頭為水輪機(jī)進(jìn)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(jī)工作時(shí)，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(jī)，單位時(shí)間流過水輪機(jī)既定斷面的水量，就稱為水輪機(jī)流量Q。（Q=Fv，其中F為水輪機(jī)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(jī)時(shí)，隨著水流能量轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)能旋轉(zhuǎn)機(jī)械嫩，水流便對水輪機(jī)做功，單位時(shí)間內(nèi)所做的功，在工程上稱為水輪機(jī)的功率或出力。水流輸入給水輪機(jī)的功率Nt=pgQH(_，不好表示密度，就用p表示了）    水輪機(jī)效率，就是水流能量的有效利用程度，要注意，水輪機(jī)是所有旋轉(zhuǎn)機(jī)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(jī)等。    水輪機(jī)轉(zhuǎn)速，水輪機(jī)主軸單位時(shí)

3、間旋轉(zhuǎn)的次數(shù)。水輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速是在設(shè)計(jì)時(shí)選定的同步轉(zhuǎn)速。二、水輪機(jī)的分類   現(xiàn)代的水輪機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)組，導(dǎo)葉、漿葉都能調(diào)整的就叫雙調(diào)機(jī)組。  對于水輪機(jī)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(huì)講到基本功能、工作原理、然后舉例（一個(gè)實(shí)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(jī)微機(jī)調(diào)速器    水輪機(jī)調(diào)速器-也就是調(diào)整水輪機(jī)轉(zhuǎn)速（也就是發(fā)電機(jī)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(gè)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(jī)組而言，調(diào)速器的作用就是控制導(dǎo)葉（漿葉），讓機(jī)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(shí)（空載一般指水能發(fā)電機(jī)組已經(jīng)轉(zhuǎn)起來，導(dǎo)葉開度達(dá)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(jī)組轉(zhuǎn)速調(diào)整到50Hz（有時(shí)可跟蹤系統(tǒng)頻率，一般認(rèn)為系統(tǒng)頻率為50Hz），等待機(jī)組并網(wǎng).(機(jī)組并網(wǎng)需符合三個(gè)條件：機(jī)組頻率=系統(tǒng)頻率；機(jī)組電壓=系統(tǒng)電壓；機(jī)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(shí)機(jī)組的轉(zhuǎn)速已經(jīng)被電網(wǎng)拖住，不會(huì)發(fā)生變化，（一般未投入一次調(diào)頻功能的機(jī)組，頻率死區(qū)設(shè)置為0.3Hz）此時(shí)調(diào)速器的作用是通過調(diào)整導(dǎo)葉開度，改變了機(jī)械力矩

6、，從而調(diào)整了發(fā)電機(jī)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(jī)調(diào)速器，也就是采用微機(jī)（單片機(jī)、工控機(jī)、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(jī)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(jī)調(diào)速器的更新也就是更換個(gè)主控模塊，例如從三菱的FX2換到施耐德的昆騰系列，個(gè)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(dòng)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(jì)算周期再短，你也得要液壓部分能響應(yīng)??？    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(jī)調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)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(jī)會(huì)啊，當(dāng)

8、然我們才有飯吃啊。    牢騷說多了，個(gè)人認(rèn)為，水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器是一個(gè)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(gè)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(hù)，甚至免維護(hù)。水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器-系統(tǒng)簡介  前面已經(jīng)談過水輪機(jī)調(diào)速器的基本原理和基本功能了，下面想談?wù)勔粋€(gè)水輪機(jī)調(diào)速器的系統(tǒng)組成。   簡單來說，調(diào)速器由電氣部分+機(jī)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(jī)界面等。機(jī)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(jī)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?yàn)橹袊碾娬緦τ拖到y(tǒng)中油的處理不是太上心，所以會(huì)發(fā)生閥卡等現(xiàn)象），所以研發(fā)了伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)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(jī)的調(diào)速器，步進(jìn)電機(jī)到是試驗(yàn)過，但是想想作為一個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的輸出力矩，然后轉(zhuǎn)換為直線力矩去推動(dòng)主配壓閥，當(dāng)從正向向負(fù)向變化時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向也要有個(gè)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(dòng)動(dòng)，閥位機(jī)能就發(fā)生變化，從而導(dǎo)致主配動(dòng)作那么容易，也就是個(gè)人認(rèn)為，電機(jī)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(jī)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(jī)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(gè)非常成熟的控制系統(tǒng)，雖然因?yàn)樯婕暗剿ㄒ艿滥Ｐ停?、機(jī)（水輪機(jī)、接力器）、電幾個(gè)方面，也較難找出適合的數(shù)學(xué)模型，但是實(shí)踐證明，一個(gè)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(shí)間常數(shù)和機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)

11、都是以秒作為單位，你的運(yùn)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(shí)想想，對于一臺(tái)水力發(fā)電機(jī)組來說，一個(gè)運(yùn)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(jià)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(qiáng)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(gè)行業(yè)不景氣了。水輪機(jī)微機(jī)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(jī)

12、、停機(jī)（緊急停機(jī)）、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(jī)出口開關(guān)信號、高壓側(cè)開關(guān)信號）、調(diào)相令、手動(dòng)令。當(dāng)然還有一些故障量，例如電源故障、油濾堵塞等。一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)是通過測量值和給定值的偏差進(jìn)行計(jì)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(yùn)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(jī)令時(shí)（且無停機(jī)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(jī)態(tài)。常規(guī)調(diào)速器一般有以下幾個(gè)狀態(tài)：停機(jī)態(tài)、開機(jī)態(tài)、空載態(tài)、負(fù)載態(tài)、調(diào)相態(tài)，當(dāng)然每個(gè)廠家根據(jù)程序的編制或者自己的定義，有的停

13、機(jī)態(tài)還分為停機(jī)態(tài)、停機(jī)等待態(tài)，有的將開機(jī)態(tài)和空載態(tài)合成一個(gè)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(jī)態(tài)，常常將導(dǎo)葉給定信號設(shè)置為一個(gè)負(fù)的導(dǎo)葉開度，這樣在關(guān)機(jī)后，主配還接受一個(gè)偏關(guān)信號，有利于導(dǎo)葉在停機(jī)狀態(tài)不至于被水沖開，在負(fù)載態(tài)時(shí)，由于頻率死區(qū)的存在，此時(shí)頻率環(huán)就不起作用了，此時(shí)的偏差為開度或功率，根據(jù)bp或ep進(jìn)行調(diào)節(jié)了。水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器-測頻   水輪機(jī)調(diào)速器，顧名思意，就是用來調(diào)水輪機(jī)的速度，也就是發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。既然要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，作為一個(gè)測控系統(tǒng)，當(dāng)然要測量轉(zhuǎn)速，機(jī)械轉(zhuǎn)速不好測量，一般都轉(zhuǎn)換為電氣信號進(jìn)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(jī)轉(zhuǎn)起來時(shí)，機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)的專用齒盤，齒數(shù)和發(fā)電機(jī)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(jìn)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(yùn)算功率強(qiáng)大的微機(jī)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(shí)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(jì)數(shù)模塊進(jìn)行測量，有的也采用單片機(jī)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(jī)或PCC型調(diào)速器，一般都采用本體自帶的類似于TPU功能（時(shí)間處理單元）進(jìn)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(gè)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(diǎn)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?yàn)轭l率故障就導(dǎo)致停機(jī)。  

16、  一般在負(fù)載情況下，假如測不到機(jī)組轉(zhuǎn)速（殘壓和齒盤信號都消失），也就是報(bào)個(gè)故障，但是運(yùn)算中將測到的電網(wǎng)頻率用來做機(jī)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(jī)頻就等于50Hz。     這樣就不影響機(jī)組運(yùn)行，但是要馬上進(jìn)行處理，如果此時(shí)發(fā)生甩負(fù)荷，就比較危險(xiǎn)。    開機(jī)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(dòng)，也可以調(diào)速器自己停機(jī)、也可以報(bào)信號給監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行停機(jī)。因?yàn)闆]有并網(wǎng)時(shí)，停機(jī)下來處理故障很合適，一般不會(huì)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。總的來說，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(shí)應(yīng)該移交控制權(quán)給沒有問題的那一套。水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器-模擬量    繼續(xù)聊。對于水輪機(jī)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(jìn)行。（對這方面知識不了解的，可以看看水輪機(jī)，了解一下水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)，畢竟要了解一個(gè)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(dòng)接力器，從而控制導(dǎo)葉。接力器也就是一個(gè)油缸，一般導(dǎo)葉的

18、調(diào)速環(huán)配有兩個(gè)接力器，一個(gè)推，一個(gè)拉，讓調(diào)速環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，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(shí)際位置），但是實(shí)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?yàn)閭鞲衅鞯陌惭b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(jī)調(diào)速器而言，控制參數(shù)里有空載開