三联数字调速器原理操作说明书版Word文件下载.docx

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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》。

二．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。

三．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：

45～55Hz

*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：

0.05～101/s

*微分增益KD调整范围：

0.0～10s

*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：

0.2s

*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％。

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。

四．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

第三章调节规律

补偿PID：

具有控制结构自适应和参数自适应的调节功能，自动按工况改变运行参数、PID调节参数及整机放大系数，使调速系统始终工作在较佳的工况点。

在空载、负载开度、负载功率、负载转速运行工况下都有相应的PID调节控制参数与之对应，确保优良的控制效果和机组安全稳定地运行。

在空载工况下，网频正常且为跟踪状态时的频差为：

△F=FW-FJ

机组并网运行后，空载无网频，或在不跟踪工况下，频差为：

△F=FG-FJ

其中：

FW电网频率，FJ机组频率，FG为频率给定值。

通过对频率差值，或开度差值或功率差值进行PID运算后，得到一个与该差值所对应的开度输出信号，经过开度限制环节输出到液压随动系统来控制导水叶的开度，则导水叶的开度经AD转换后与PID调节器的输出信号进行综合比较，放大输出，直到调整输出信号和导水叶开度所对应的信号之差为零。

水轮机调节系统的工作点可以由水头和接力器行程来确定，工况可以由工况回路来确定。

在空载工况下:

调节△F=0；

在负载开度调节时:

调节开度差值△YG＝YG-Ya=0；

在功率闭环调节工况下:

调节功率差值△PG=PG-Pa=0。

YG开度给定，Ya机组实际开度，PG有功功率给定，Pa机组实际功率。

PID控制算法的模拟表达式如下：

Y（t）=KP[e（t）+1/T1∫e（t）dt+TDde（t）/dt]

离散后得到第n次输出值为：

n

Y（n）=KP{e（n）+τ/TI∑e（j）+TD/TI[e（n）-e（n-1）]}

j=0

式中Y（t）为调节输出；

e（t）为t时刻的输入偏差值；

τ为采用周期（τ=△t）；

e（n）为第n次输入偏差值；

e（n-1）为第n-1次输入的偏差值；

n为采样序号（n=0，1，2…）；

KP为比例系数；

TI为积分时间；

TD为微分时间。

第n-1次输出值为：

n-1

Y（n-1）=KP{e（n-1）+τ/TI∑e（j）+TD/TI[e（n-1）-e（n-2）]}

j=0

PID算法的增量表达式为：

将Y（n）Y减去（n-1）：

Y（n）-Y（n-1）=KP{e（n）-e（n-1）+τ/TIe（n）+TD/TI[e（n）-2e（n-1）+e（n-2）]}

整理后关系式为：

Y（n）=Y（n-1）+KP{e（n）-e（n-1）+τ/TIe（n）+TD/TI[e（n）-2e（n-1）+e（n-2）]}

=Y（n-1）+KP[e（n）-e（n-1）]+KIe（n）+KD[e（n）-2e（n-1）+e（n-2）]

增量式PID算法表达式为：

△Y（n）=Y（n）-Y（n-1）

=KP[e（n）-e（n-1）]+KIe（n）+KD[e（n）-2e（n-1）+e（n-2）]

调速器的内部PID计算公式

Y（K）=YPIYG（K-1）+△YP（K）+△YI（K）+YD（K）+△YYG（K）

（1）．内部计算值：

频差△F（K）=F电网－F机组分辨率500/HZ，25000对应50HZ

PID计算最大值32767对应100％输出，计算系数32767/25000=1.31

（2）．输入值：

bp扩大100倍bp=bp′/100

bt扩大100倍bt=bt′/100

Tn扩大10倍Tn=Tn′/10

Td扩大1倍Td=Td′

（3）．算法：

运算周期取T＝0.04秒，微分时间常数T1V取7*T即T1V=7*0.04=0.28

比例项：

△YP（K）＝1.31（Td+Tn）*[△F（K）-△F（K-1）]/（bt*Td）

＝13.1（10Td′+Tn′）*[△F（K）-△F（K-1）]/（bt′*Td′）

积分项：

△YI（K）＝1.31T*{△F（K）＋bp*[YYG（K）－Y（K－1）]/1.31}/（bt*Td）

＝5.24*{△F（K）＋bp′*[YG（K）－Y（K－1）]/131}/（bt′*Td′）

微分项：

YD（K）＝T1V*YD（K-1）/{（T+T1V）+1.31Tn/[bt*（T+T1V）]}*[△F（K）-△F（K-1）]

＝（7/8）*YD（K-1）+（41Tn′/bt′）*[△F（K）-△F（K-1）]

开度给定项：

△YG（K）＝YG（K）-YG（K-1）

PID控制输出：

Y（K）=YPIYG（K-1）+13.1（10Td′+Tn′）*[△F（K）-△F（K-1）]/（bt′*Td′）

+5.24*{△F（K）＋bp′*[YYG（K）－Y（K－1）]/131}/（bt′*Td′）

+（7/8）*YD（K-1）+（41Tn′/bt′）*[△F（K）-△F（K-1）]

+[YG（K）－YG（K-1）]

当△F（K）>

Ef为频率调节，当△F（K）<

Ef为开度调节或功率调节。

比例电转的综合放大控制输出:

UP（K）=KP[Y（K）-Ya（K）]-K1*Yz（K）

数字阀电转的综合放大控制输出:

UD（K）=KD[Y（K）-Ya（K）]

KP为以比例阀电转控制的系统放大系数（开、关的放大系数不同）

K1为比例阀电转的主配位置放大系数

KD为以数字阀电转控制的系统放大系数（开、关的放大系数不同）

Y（K）为当前PID控制输出值，Ya（K）为当前实际导叶开度值

Yz（K）为以比例阀电转控制的主配位置反馈值

多点偏差增益控制法：

利用高速开关非线性控制PWM方式，将系统状态的运动轨迹驱动

到预先确定的滑行面（开关面）上，系统状态在这个滑行面上滑行至系统的平衡点。

基本原理：

根据系统状态和某些预先确定的超平面之间的关系来改变系统控制结构，当系统（受控对象）状态穿越系统状态方向空间的预先设定的切换超平面时，控制系统从一个结构自动转向另外一个确定的结构，以保证系统状态变量达到并约束在给定的滑模流形上，并使之自始自终沿着滑模流形滑行至系统状态空间的平衡点，从而使系统达到某个期望的指标。

依据偏差和偏差变化率来调整输出的多点偏差增益控制法；

系统的运行特性表征为系统偏差及偏差变化率的大小。

将系统偏差及偏差变化率的大小各自进行分类。

这样的组合变

化就有多种情况,每种情况都代表系统的一种工况。

根据工况的不同采用相应的控制策略。

根据这些由偏差、偏差变化率的组合而形成的多种工况采取相应的控制策略,及时向控制对象进行增益增加或减少,从而达到控制目的和跟踪性能要求。

而每一时刻仅对应一种控制策略;

因此根据偏差和偏差率实时变化所确定的工况,不断在多种控制策略中切换,直至系统的偏差被控制在预定的范围内。

第四章调速器系统组成

我公司可编程控制水轮机调速器共分为以下几个系列：

PSW（S）T比例数字式冗余可编程控制水轮机调速器，是三联公司将大中小型调速器中取得的丰富经验移植、优化而开发出来的新一代调速器。

各系列调速器的额定工作油压为2.5MPa、4.0MPa、6.3MPa，主配压阀直径为80mm、100mm、150mm、200mm、250mm。

它能使水轮发电机组在各种工况下稳定运行，可实现机组的自动或手动开、停机，并网运行，调节机组负荷，事故紧急停机等。

一PSW（S）T比例数字式冗余可编程控制水轮机调速器

机械部分主要包括冗余电液转换机构、机械手动操作机构、引导阀、主配压阀、紧急停机电磁阀组成无明管、静态无油耗的脉宽、脉幅脉宽的控制型式。

根据用户要求可以配置机械液压传动的导叶分段关闭装置，分段关闭装置采用三联公司的专利产品：

DX-1型（专利号：

ZL00232366.4）

PSWT型为单调节型。

只有导叶控制部分,PSW（S）T型为双重调节型，具有导叶控制和桨叶控制两部分，二者之间由电气协联。

机械部分不设协联装置，二者原理和结构基本相同。

其中导叶控制部分具有紧急停机装置，并可根据用户要求提供分段关闭装置。

而桨叶控制部分没有紧急停机装置和分段关闭装置。

其工作原理如下：

电信号与接力器位置反馈信号在综合放大器内比较并放大，放大器的输出信号使电液转换器产生与其成比例的位移，由于电液转换器与引导阀直接连接，引导阀同时产生位移并通过液压放大器使主配压阀活塞也产生相应的位移，主配压阀因此向主接力器配油并使之移动，直到主接力器位置信号与电气的信号数值相等为止。

2．机械液压系统

1）结构说明：

机械部分主要包括两套互为热备用的电液转换机构、机械手动操作机构、自动复中装置、主配压阀、紧急停机电磁阀等组成无明管、无杠杆、静态无油耗、切换无扰动、直连结构型的机械液压随动系统。

机械部分由比例伺服阀＋数字阀＋机械手动组成机械冗余结构。

比例伺服阀以及数字阀都起电液转换作用，将电气信号变成接力器行程，当比例伺服阀转换器作为主用时，数字阀转换器作为备用，也可以作为机械手动。

当数字阀作为主用时，比例伺服阀转换器作为备用，如果电气控制部分检测到作为主用的电液转换环节出现卡阻拒动时，电气部分将自动切换到另一路电液转换环节。

随着液压技术的发展，高速数字球阀成为近年来液压传动领域中发展起来的一种新的液压元件，它具有工作压力高，密封性能好，换向频率高（≤3ms），可靠性高，寿命长。

它采用钢球线接触形式密封，抗油污和防卡能力强它是一般先导控制和小功率液压控制回路最理想的元件。

因此用它作为前置级控制的调速器机械液压系统由三联公司在98年率先推出，并获得国家专利，它采用非线搭叠窗口和脉冲补偿的结构，无油压冲击，动作平稳可靠。

采用全数字高速电子球阀组成机械液压系统的手动或者自动的前置级，高速电子球阀可实现手动调节和自动控制。

其速动性好、机械防卡性能好、对油质要求低、油过滤>

140μ，静态无油耗、无机械零位调整和飘移。

性能可靠、死区小、灵敏度高、安装调试方便、免维护。

将比例阀伺服阀与高速数字球阀容于一体，它的最大特点就是实现了机械液压系统前置级的冗余容错控制，两者间可互为手、自动，一般调速器的机械液压系统普遍采用自动运行方式和手动运行方式。

而机械手动一般用在电气事故、停电、电液转换环节故障、试验、大修后第一次开机等工况，使用率非常低，而且需要人为监护操作，难以准确定位，操作很不方便。

所以我们将机械手动改为数字球阀来实现开、关机操作，它不但可以用高速数字球阀上的手动按钮实现人为操作，也可以用电流信号来进行自动控制，以及远方操作，实际上它也是一个电液转换环节。

2）电液转换环节

主要性能满足本技术规范要求中的调速系统性能指标要求，具有良好的抗油污能力。

（1）比例（伺服）阀；

高速数字球阀，型号：

DC-C400MM，工作电源；

DC24V1.2A。

滞环<

0.2%

重复性<

0.1%

阶跃信号调节时间<

10ms

响应频宽20～70Hz

（2）机械部分具有以下几种操作方式：

比例阀伺服阀自动，高速数字球阀为备用方式

当电气检测到比例阀伺服阀电转出现故障，包括断线、控制环节故障等，自动将数字球阀作为自动方式运行。

高速数字球阀自动，比例阀伺服阀备用方式

当电气检测到数字球阀出现故障，包括断线、控制环节故障等，自动将比例阀伺服阀作为自动方式运行，数字球阀作为备用运行方式。

（3）机械手动方式

由高速数字球阀上的手动操作按钮构成的机械手动满足黑启动和黑操作的手动运行要求。

因此这种冗余容错的机械液压系统将传统的机械手动操作赋予一个全新的概念和功能，实现了引导阀的位移控制和流量控制（比例阀伺服阀是位移控制，数字球阀是流量控制），两者之间既可人为选择，也可由电气自动切换。

PSW（S）T调速器额定工作油压为2.5Mpa、4.0Mpa、6.3Mpa，导叶接力器的全关和全开时间3～100s范围内独立可调。

并采用双螺母互锁和两螺钉固定的方式锁定接力器开启和关闭时间的整定值，安全可靠，一经调定不会改变。

二．BW（S）T水轮机调速器

BW（S）T步进式水轮机调速器目前以无油螺旋丝杆式步进电机型调速器为主，取代了过去的环喷有油电转结构，此结构的最大的特点是“静态无油耗、无明管、直连式结构”。

机械部分主要包括无油电－位移转换机构、机械手动操作机构、引导阀、主配压阀、紧急停机电磁阀组成无明管、静态无油耗的PWM脉宽控制型式。

BWT型为单调节型。

只有导叶控制部分,BW（S）T型为双重调节型，具有导叶控制和桨叶控制两部分，二者之间由电气协联。

电信号与接力器位置反馈信号在综合放大器内比较并放大，输出PWM信号，步进电转旋转的角度使滚珠丝杆付产生与其成比例的位移，由于电液转换器与引导阀直接连接，引导阀同时产生位移并通过液压放大器使主配压阀活塞也产生相应的位移，主配压阀因此向主接力器配油并使之移动，直到主接力器位置信号与电气的信号数值相等为止。

机械液压系统

机械部分主要包括电转机构、机械手动操作机构、引导阀、主配压阀、紧急停机电磁阀等组成无明管、无杠杆、静态无油耗、切换无扰动、直连结构型的机械液压随动系统。

2）无油单簧自复中电-位移转换器

电-位移转换器是水电站调速器中联接电气部分和机械液压部分的关键元件。

将电机的转矩和转角转换成为具有一定操作力的位移输出，并具有断电自动复中回零的功能。

它的作用是将调节器电气部分输出的综合电气信号转换成具有一定操作力和位移量的机械位移信号，从而驱动末级液压放大系统，完成对水轮发电机组进行调节的任务。

该装置包括筒体，与筒体连接的电机，电机轴通过连结装置与滚珠丝杆副穿入筒体中，滚珠丝杆通过丝杆螺母与联结套连接。

联结套穿过两彼此分开的具有一段行程的弹簧套，复中弹簧设在弹簧套中，筒体设有两弹簧套的限位装置。

电一位移转换过程由纯机械传动完成，滚珠丝杆运动灵活、可靠、摩擦阻力小，并且能可逆运行。

传动部分无液压件，无油耗。

采用弹簧力直接作用在高精度大导程滚珠丝杆上，当电源消失后,能迅速使联接套回到中位,使与之相连的主配引导阀自动准确回复到中间位置,保持接力器在原开度位置不变。

复中机构仅为一根弹簧,结构简单,动作可靠,调节维护方便。

3）．步进电机与驱动器

（1）．连线

驱动器与步进电机的连线必须按图接好，线的颜色不能接错。

（2）.驱动器供电

驱动器的供电电源为＋24V,电流为3A，当驱动器的供电电源消失后，步进电机处于自由状态，复中弹簧张力作用于上、下弹簧套限位复中。

这时，可以人为操作电机上的手柄来控制机组接力器的开、关。

（3）．电机的控制

由调速器电气系统输出高、低电平开关信号到驱动器的正转/反转端，使步进电机正、反方向的旋转控制接力器的开或关。

输出脉宽调制信号占空比PWM到驱动器的停止/运行端，控制步进电机的旋转角度来调节接力器的速度。

驱动器的速度控制端加一恒定的电压2V-3.5V控制步进电机的最高转速。

（4）．驱动器的调整

调整驱动电流的拨码开关出厂已经调好不需要调整。

*运行电流：

顺时针逐渐增大，决定步进电机旋转时的扭力，一般调到8刻度左右。

*停止电流：

顺时针逐渐增大，决定步进电机停止时的扭力，一般调到8刻度左右。

*高速：

顺时针逐渐增大，决定步进电机的高速特性，一般调到4刻度左右。

*低速：

顺时针逐渐增大，决定步进电机的低速特性，一般调到4刻度左右。

*响应：

顺时针逐渐增大，决定步进电机由静止到最高速的时间，一般调到2－4刻度。

在稳态接力器不动的工况下，微调驱动器低速及响应电位器使得步进电机上的操作手柄有明显的微微颤动，以克服机械响应的滞后和死区。

三．SLT数字式水轮机调速器

数字式调速器广泛应用于小型混流式水轮机组和冲击式水轮机组。

本系列调速器的额定（常规）工作油压为2.5MPa、4.0MPa、6.3MPa；

高油压为16.0MPa。

采用换向阀结构作为液压放大级，有16mm、25mm通径两个型号，根据最大通油量的不同来对不同容量的接力器进行控制；

对于大型的数字式调速器，采用插阀装阀结构作为液压放大级，一般为32mm通径。

采用脉冲控制控制电磁数字球阀，输出高电平和低电平控制线圈动作和复位，从而控制油路（包括开方向和关方向）的通和断。

高油压型数字式调速器压力油源采用蘘式蓄能器蓄能，不需要另设高压压缩空气系统对调速器进行充气和补气，高压气罐引进美国巴克公司技术。

油压装置、调速器电气、机械液压部分组合成一体。

调速器的性能优良、可靠性高、检修维护方便，能够适合大、小电网等各种运行工况。

机械部分主要包括数字球阀、液控换向阀、单向阀、节流阀、紧急停机电磁阀等组成无明管、无杠杆、静态无油耗、切换无扰动的机械液压随动系统。

2）数字式电-位移转换器

该装置包括数字球阀、液控换向阀、单向阀、节流阀、紧急停机电磁阀等。

四冲击式（CJSTn/n）调速器

冲击式水电机组调速器是专门为多喷针冲击式水轮机组设计的。

电气部分采用高性能的可编程控制器，并配以彩色液晶显示器，系统具有良好的人机中文界面，适于在恶劣的工业现场环境下运行，具有功率控制、转速控制、开度控制、系统频率自动跟踪、防涌浪、自诊断和容错等功能。

并提供与电厂计算机监控系统连接的I/O接口和数据通信接口，其通信规约和协议满足监控系统要求，包括硬件和软件。

它采用软件自动协联。

其协联方式有：

特殊协联（不协联）、曲线方式协联两种。

由独立的机械液压控制回路分别控制折向器和喷针，取消了传统的机械协联柜、凸轮及复杂的连杆机构，使结构简化。

每个喷针接力器、折向器接力器均采用一套全数字机械液压系统独立控制。

全数字机械液压系统是最新一代的调速器液压系统。

它采用响应频率高的球座式电磁阀来控制接力器，由于全部使用标准化液压元件，并集成为模块结构，机械柜内无明管和杆件，使结构更趋简化。

因为数字逻辑球阀静态无油耗，且通径较大，所以抗油污能力强。

控制精度和可靠性都大幅提高。

从整个系统上看，调速器机柜、电柜与油压装置，组合为一体，结构紧凑，安装、调试、运行都比较方便。

折向器接力器和喷针接力器的行程由位移变送器反馈至微机调节