第2章机械液压型调速器78.docx

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第2章机械液压型调速器78

§2-7YT型调速器整机调节过程

前面几节我们介绍了YT型调速器各主要元件和装置的构造及特性。

本节将结合YT型调速器的系统图（图2-3），将以上各节介绍的知识相互联系起来，叙述其启动、调节和停机过程的动作原理。

—、机组的启动

启动机组就是打开水轮机的导叶，使机组转动起来，当达到空载开度时，机组转速达到额定转速，再带上负荷或并入电力系统运行的过程。

机组启动前调速器各机构所处的位置为：

开度指示表上红、黑针均在零位，开限阀针塞27在下部位置，针塞中阀盘堵住通往辅助接力器的油孔；转速调整机构指针在零位（相当于空载额定转速位置）；压力油罐油位、压力指示正常，主油阀阀门打开，锁锭已拨出；接力器移到右端端部，手自动切换旋塞53置于自动位置；手自动切换阀30在自动位置；紧急停机电磁阀处于正常状态；引导阀转动套6处于最低位置，中、上油孔接通；接力器处于全关位置。

1．用开度限制机构自动启动机组

按下开机按钮，二次回路使开限电动机正转，经减速箱齿轮31使螺杆转动，带动开限螺母32上移，开限阀针塞27随之上移。

由于引导阀转动套处于最低位置，压力油经切换阀、引导阀、切换阀、开限阀、紧急停机电磁阀流入辅助接力器上腔，推动辅助接力器活塞与主配压阀活塞一起下移，与此同时，—方面是通过杠杆20使开限阀针塞27下移，重新堵住通往辅助接力器的油孔，主配压阀停留在下部位置；另一方面是使主配压阀中、下油孔接通，压力油进入接力器右腔推动接力器活塞向左移动，打开导叶。

在接力器左移的同时，反馈框架逆时针转动，通过杠杆39、25、26和20的作用，又使开限阀针塞27下移，辅助接力器上腔经开限阀上孔口排油，主配压阀活塞在其差压的作用下上移回中。

与此同时，又通过杠杆20使开限阔针塞27上移。

当机组转速上升到额定转速时，引导阀转动套刚好上移到与针塞相平衡的位置，主配压阀回到中间位置，接力器停止移动，开限阀针塞27重新堵住通往辅助接力器的油孔。

至此，机组启动过程结束。

并入电网后，再一次操作开限电动机使之正转，直到限制开度达到所要限制的位置，操作转速调整机构使机组带上所需的负荷。

2．用开度限制机构手动启动机组

将手自动切换阀30打到手动位置，这时压力油不经引导阀而直接守候在开限阀针塞30中阀盘下腔。

再操作手轮人为启动开限电动机，使开限螺母32上移，通过杠杆25、26、20，带动开限阀针塞27上移，压力油进入辅助接力器上腔，以下的动作过程与“用开度限制机构”自动启动机组类似。

当机组并入电网后，操作开限机构使机组带上所需要的负荷。

一般情况下，带上负荷后应将切换阀转为自动位置，使机组处于自动调节状态运行。

3．用手动操作机构启动机组

在没有压力油的情况下可用手动操作机构开机。

图2-3所示为用手动泵手动操作手把54，将油打入反馈锥体右腔，从而带主动接力器活塞向开机侧移动。

此方式先检查锁锭64是否投人，若未投人则应向开机侧（顺时针）转动手动切换阀（60）45°（手动切换阀60与旋塞53同轴连动）。

若将手动切换阀60由中间位置逆时针旋转45°，再操作手动泵手把54，接力器会向关机方向移动。

目前广泛采用的纯手动操作机组的方式是本章第3节中介绍的方法，见图2-15。

通过转动手轮使接力器活塞向开启方向移动，启动机组。

二、运行机组的调节

运行机组的调节是指机组带上负荷或并入电网后，控制机组的转速在允许范围内运行。

其运行方式可以分液压手动调节、半自动调节和自动调节等。

1．液压手动调节

液压手动调节是指机组带上负荷或并网后，切换阀在手动位置，压力油不经引导阀而直接经开度限制阀到辅助接力器，通过操作开度限制针塞而控制辅助接力器进、排油，从而控制机组的一种运行方式。

此时，调速器面板上的开度表红针与黑针始终重合。

这种运行方式，因压力油不经过引导阀，如果不切除飞摆而长期运行，就可能恶化引导阀的润滑，甚至烧坏引导阀。

2．半自动调节

（1）限制开度运行

手自动切换阀30处于自动位置，开度指示表盘上红、黑针重合。

由于开限阀针塞27的中阀盘堵住了通往辅助接力器的油孔，压力油无法进入辅助接力器，故即使离心摆转速降低，接力器也不能开启，但当离心摆转速升高时，引导阀中、下油孔接通，辅助接力器上腔的油可经开限阀中阀盘间隙漏到引导阀排走，接力器缓慢关闭。

随着接力器的移动，开限阀针塞27上移，油路的封锁现象解除，接力器快速关闭。

由于接力器的关闭开始时较为缓慢，当机组甩负荷时，转速上升率有较大的提升，所以这种运行方式不理想。

（2）限负荷运行

在限制开度运行的基础上再将转速调整机构向增加方向移动一定的裕量，使引导阀针塞7上移一段距离，即成为限负荷运行。

这时，如果转速上升不是很大，引导阀转动套的上移量未能超过针塞时，引导阀始终不能排油，故接力器不能移动关小导叶。

只有当转速上升很大，引导阀转动套上移量超过针塞时，接力器才能动作关导叶。

所以这种运行方式也不好，机组甩负荷时转速上升会很高，后果比限制开度运行更严重。

限负荷运行，本质上属于固定开度运行，可用于承担基荷或计划用水的电站。

3．自动调节

自动调节是指机组带上负荷或并入电网后，切换阀在自动位置，开度表盘红、黑针不重合，红针置于较大开度上（限制开度）或全开运行。

这时机组的运行，完全受离心摆的控制。

下面以单机带负荷运行为例，结合YT型调速器系统图2-3分析当机组负荷发生变化时的自动调节全过程。

当外部负荷减少时，发电机负荷阻力矩Mg减少，水轮机动力矩Mt大于发电机阻力矩Mg，机组转速上升，引导阀转动套随之上移，中、下油孔接通，辅助接力器活塞上腔的油经紧急停机电磁阀、开限阀、手自动切换阀、引导阀中、下油孔排至回油箱，主配压阀活塞在其差压作用下与辅助接力器活塞一起上移，主配压阀的中、上油孔接通。

由于辅助接力器上移，通过反馈圆盘、局部反馈螺钉以及局部反馈杠杆使引导阀针塞上移，直至恢复与转动套的相对中间位置。

此时，辅助接力器与主配压阀停止上移。

由于主配压阀的中、上油孔接通，压力油罐的压力油直接进人主接力器的左边油腔（关闭腔），右腔则经主配压阀下油孔到中心孔排油，于是主接力器活塞向右（关闭方向）移动，导叶开度减小。

与此同时，连在活塞杆上的反馈锥体也随之右移，锥体的斜面推动反馈杆和端部的滚轮52，使反馈杆克服弹簧的作用力而向上移动，带动反馈框架34绕轴71逆时针旋转。

由于螺母36有偏心距（bt≠0），杠杆35上移，通过杠杆24使缓冲器主动活塞18下移。

由于缓冲器下腔的油来不及从节流针塞12下面的节流孔口立即全部排走，从动活塞13被迫克服弹簧11的弹力而向上移动。

并通过杠杆23、8，使引导阀针塞上移（即向引导阀针塞传送“暂态反馈”位移）。

于是，引导阀的中、上油孔接通，从油压装置送来的压力油经切换阀、滤油器29、引导阀上孔、中孔、切换阀和紧急停机电磁阀进入辅助接力器上腔，推动辅助接力器活塞和主配压阀活塞向中间位置回复。

与此同时，局部反馈机构作用又使引导阀针塞下移，恢复与转动套的相对中间位置。

在理想的情况下，当主配压阀回到中间位置时，引导阀也回复到相对的中间位置，接力器停止移动。

由于导叶开度减小，水轮机动力矩减小，故机组转速下降，逐步接近额定转速，引导阀转动套也逐步下移。

接力器停止移动后，缓冲器从动活塞在内弹簧的反力作用下向下回复，引导阀针塞也随之下移。

在理想的情况下，引导阀的转动套与针塞两者同步下移，直至转速回复正常，缓冲器从动活塞回中。

至此，整个自动调节过程完成。

当然，实际的调速器，调节过程不可能一次完成，往往需要经过多次反复衰减的调节才能完成。

当外部负荷增加时，调速器相应调节过程与上述相似，但动作方向相反。

上述分析是假定bp＝0。

如果bp≠0，则硬反馈机构也要参与调节，使引导阀出现一个无法自动消失的永态反馈信号。

调节终了，引导阀的平衡位置略有偏高（对应外部负荷减小）或偏低（对应外部负荷增加），即机组转速比原来略高或略低，使机组的调节由无差变为有差。

另外，在整个接力器的移动过程中，反馈框架的旋转也会使开度限制机构的开限阀针塞动作，但由于是自动调节，故其动作不会影响调节结果，只是实现开度限制的作用。

由上述分析可以看出，引导阀是靠局部反馈机构的作用回中，而主配压阀则是靠软、硬反馈的作用（硬反馈的作用较弱，主要是软反馈的作用）回中。

在整个调节过程中，如果情况很理想的话，引导阀回中两次，而主配压阀回中一次。

三、机组转速与负荷的调整

机组转速与负荷的调整主要是指通过操作控制元件如转速调整机构或开度限制机构改变单机运行机组的转速或并网运行机组的负荷。

1．用转速调整机构增减并网运行机组的负荷

当机组并入电网后，稳定性增强，为提高调速器的速动性，使之能迅速增减出力，以适应外部负荷的变化，一般将缓冲器切除（将螺母36的偏心距调为零），bt＝0。

若要增加机组出力，则操作手轮40或电动机38，经过减速器和齿轮39、42使螺杆43旋转，调速螺母44上移，杆件23、8随之动作，使引导阀针塞7上移，引导阀中、上油孔接通，压力油进人辅助接力器上腔，推动其活塞和主配压阀活塞16下移，与此同时，局部反馈的作用使引导阀针塞下移，引导阀回复到中间位置，主配压阀停止下移。

由于主配压阀停留在下部位置，其中、下油孔接通，压力油进人接力器右腔（开启腔），推动接力器活塞向左移动，导叶开度加大。

与此同时，反馈框架34顺时针转动，连杆45、螺杆43及其上的转速调速螺母44下移，杆件23、8随之动作使引导阀针塞7下移，引导阀中、下油孔接通，辅助接力器排油，主配压阀活塞在其差压力的作用下连同辅助接力器活塞一起上移，回复到中间位置，而局部反馈的作用也使引导阀针塞上移而回复到中间位置。

至此，接力器停止移动，而停留在与调速螺母上移量相适应的开度上。

由于机组并在电网运行，转速不变，所以调节的结果是机组的出力（即所带的负荷）增加了。

若要减少机组出力，则反向操作，其调节过程与上述相反。

单机带负荷运行用转速调整机构可调机组的转速（转速可在额定转速的-15％～+10%范围内任意调整，其调整数值由调速器面板上的转差表指示）。

其工作过程与上述基本相同，在此不再叙述。

2．用开度限制机构增减并网运行机组的负荷

当手自动切换阀切换到手动位置时，压力油经过切换阀直接进人开限阀的下油孔，这时，操作开度限制机构可以直接控制机组。

若操作开限电机或开限手轮使开限螺母32上移，开度表红针向开大方向移动，开限阀针塞上移，开限阀中油孔与下油孔连通，压力油进人辅助接力器上油腔，使主接力器向开机方向移动。

开度表中黑针跟随红针移动，通过反馈锥体51、反馈框架34、反馈杆48、杆33、25、26、20使开限阀针塞下移，直至将开限阀中油孔堵住，接力器停止移动，开度表中红针与黑针重新重合。

若操作开限螺母下移，则接力器向关机方向动作，红针压住黑针向关小方向偏转。

所以，当切换阀位于手动位置时，用开度限制机构可以实现手动操作机组，即可增、减并网运行机组的负荷或改变单机运行机组的转速。

四、机组停机

1．正常停机

首先用转速调整机构将机组的出力减小到零（接力器关至空载开度），使机组空载运行。

待到二次回路使发电机出口油开关跳闸、灭磁后，用手动或电动操作开限机构使开限螺母32下移（红针指示为零），则开眼阀针塞27随之下移，辅助接力器经开限阀上油孔排油，主配压阀上移，接力器向关闭方向移动至导叶全关。

2．事故停机

当机组发生紧急事故（如机组过速、冷却水中断、轴承温度过高、油压降至事故低油压等）时，紧急停机继电器动作，紧急停机电磁阀线圈带电，电磁阀活塞22提起，辅助接力器上腔的油经电磁阀直接排走，从而快速停机。

3．用手动操作机构停机

用手动操作机构停机与用它来开机方法相似，只是手轮12转动方向相反（图2-15）。

图2-3中，将手动切换阀60（手动切换阀旋塞53连动）置于关机侧（逆时针旋转45°），操作手动泵手柄54，即可使接力器向关机方向移动。

五、机组运行方式的相互切换

1．自动调节状态切换为液压手动状态

①操作开度限制机构使限制开度等于实际开度（即使开度表盘上红针退回与黑针重合）；

②将手自动切换阀转动至手动位置运行。

此时机组的运行方式便进入液压手动调节状态，如需长时间处于这种状态运行，应将离心摆电源切断，以免引导阀干摩擦。

2．自动调节状态切换为手轮手动控制状态

如图2-15所示：

①转动手轮12，使螺母11向左移动到顶端；

②将锁锭10锁住滑环的凹槽；

③关闭压油槽主阀；

④将手动切换阀置于手动位置，使接力器左右两腔连通，这时，即可操作手轮12来改变接力器开度了。

3．液压手动调节状态切换为自动调节状态

①将手自动切换阀30置于自动位置；

②将离心摆投人工作；

③操作开限机构使限制开度加大（即红针领先于黑针）到100%或所需限制的开度。

4．手轮手动控制状态切换为自动调节状态

如图2-15及图2-3所示：

①将手动切换阀置于自动位置，使接力器两腔隔开（图2-15）；

②操作开限机构，使限制开度等于实际开度（即红黑针重合）；

③打开压油槽主阀门；

④将手自动切换阀30置于自动位置；

⑤将离心摆投人；

⑥脱开滑环凹槽上锁锭，转动手轮12，使螺母11向右移到端部（图2-15）；

⑦操作开限机构，使限制开度加到100％或所需限制的位置。

5．由自动调节状态切换为限制开度运行状态

操作开限机构，使开度表中红针退回与黑针重合即可。

6．由自动调节状态切换为限荷运行状态

①操作开限机构使红针退回与黑针重合；

②操作转速调整机构，使引导阀针塞上移一段距离。

7．由限制开度运行状态切换为自动调节状态

操作开限机构使开度表中红针置于100%或所需限制的开度即可。

8．由限荷运行状态切换为自动调节状态

①操作转速调整机构，使引导阀针塞下移至平衡位置；

②操作开限机构，使开度表中红针置于100％或所需限制开度的位置。

§2-8YT型调速器的传递函数

一、测速环节的传递函数

在第2节中我们已经介绍，当忽略T1、T2（与结构有关的时间常数，由于很小可以忽略）时，离心摆的运动方程为式（2-4）即

当调速器用传递函数来描述时，为了数学分析的方便和消除不同信号度量单位的影响，常将运动方程表达成相对量的形式。

如果用当x=1（即100%）时转动套的位移偏差值ΔLM=100K，作为离心摆的相对量的计算基准值，则离心摆的运动方程的形式将变为：

令xL＝ΔL/ΔLm——转动套位移偏差相对值；

x＝Δn/nr——转速偏差相对值。

所以用相对量表示时，离心摆的运动方程为：

xL＝x（2-34）

令初始条件为0，对（2-34）进行拉氏（Laplace）变换，可得到测速环节（即离心摆）的传递函数为：

（2-35）

离心摆方框图：

二、放大和执行环节传递函数

1．第一级放大传递函数

（1）引导阀传递函数

引导阀是一个有多路输入信号的综合环节，它是作用信号的加法器。

有三组信号进入加法器环节：

1）反映额定转速偏差的信号xL；

2）保证调节系统稳定和过渡过程所需的衰减速度的作用信号，它包括永态反馈xp、暂态反馈xt和局部反馈xi；

3）由外部操作转速调整机构使调速器的静特性发生平移的作用信号（指令信号）c。

上述信号在引导阀输入端形成一个总的调节作用信号Φ（Φ=xL+xp+xt+xi+c），送入放大环节，如图2-34所示。

当不考虑几路反馈信号及指令信号时，引导阀油孔开启的大小Δs就等于离心摆转动套的位移ΔL，因此有：

Δs=ΔL（2-36）

在额定工况时，Lr=Sr。

式中Sr为离心摆额定转速时引导阀油孔的位置，Lr为引导阀转动套在额定转速时相应的行程。

取式（2-36）的相对值，可得：

令：

σ=Δs/Sr，xL=ΔL/Lr

得到引导阀的运动方程：

σ=xL（2-37）

式中：

σ——引导阀油孔开度偏差相对值；

xL——转动套位移偏差相对值。

令初始条件为0，对（2-37）进行拉氏（Laplace）变换，可得到引导阀的传递函数为：

（2-38）

由上式可以看出，引导阀是一个理想的比例环节，忽略了摩擦力的影响。

由于引导阀是一个比例环节，当xp、xt、xi、和c≠0时，可以应用叠加原理，环节本身的传递函数不变，只是输入信号变成了几个信号的叠加，其传递函数为：

（2-38′）

引导阀方框图见图2-34所示。

（2）辅助接力器传递函数

当引导阀的油孔被打开时，由引导阀流出的油进入辅助接力器的上腔。

根据引导阀孔口流出的油的体积应等于流入辅助接力器上腔的油体积，可得下述方程：

（2-39）

式中：

b——引导阀油孔宽度；

v——引导阀油孔处的油流速度；

F——辅助接力器活塞面积；

Δs——引导阀的油孔开度；

Δy1——辅助接力器的位移。

将式（2-39）转换成相对量形式：

令：

得辅助接力器活塞的运动方程：

（2-40）

式中：

y1——辅助接力器活塞行程偏差相对值；

Y1r——离心摆转速由零至额定转速时，辅助接力器活塞相应所走的行程，作为辅助接力器活塞行程计算的基准值；

Ty1——辅助接力器时间常数，它表示辅助接力器在单位阶跃输入情况下，其输出y1由0增至1所需的时间。

从式（2-40）可见，辅助接力器活塞运动的速度与引导阀工作油孔开度σ成比例。

对式（2-40）两边积分，可得：

（2-41）

式（2-41）表明，若引导阀的油孔打开一开度σ，接力器活塞就会一直在移动，输出量y1与输出量σ的积分成比例，所以接力器是一个积分环节。

令其初始条件为零，对式（2-41）进行拉氏变换，得辅助接力器的传递函数：

（2-42）

辅助接力器方框图：

（3）局部反馈的传递函数

由式（2-10），局部反馈方程为Δh＝αΔy1，将该方程转换成相对量形式：

令：

——局部反馈量偏差相对值；

——局部反馈相对系数；

——辅助接力器活塞偏差相对值。

则得：

（2-43）

令其初始条件为零，对式（2-43）进行拉氏变换，得局部反馈环节的传递函数：

（2-44）

可见局部反馈环节是放大系数为bλ的比例环节。

局部反馈环节方框图：

（4）第一级放大环节的传递函数

从上述的分析，我们可以将第一级放大环节的方框图描述如下，如图2-38所示：

第一级放大环节的传递函数G1（s）为：

因为辅助接力器的积分时间常数Ty1很小，YT型Ty1=0.0018~0.00044秒，可以忽略不计，即Ty1≈0，从而第一级放大环节的传递函数可简化为：

（2-45）

图2-38可简化为图2-39所示：

2．第二级放大传递函数

（1）主配压阀传递函数

从主配压阀结构分析，我们知道，主配压阀活塞与辅助接力器活塞联成一个整体，一起移动，所以主配压阀活塞偏离额定工况时油孔开度偏差ΔS主等于辅助接力器活塞偏离额定工况时位移偏差Δy1，即：

ΔS主＝Δy1（2-46）

额定转速时：

Sm＝Y1r

式中，Sm为离心摆由零增至额定转速时主配压阀活塞相应所走的行程。

将方程（2-46）转换成相对量形式：

令：

，称为主配压阀油孔开度偏差相对值；

，称辅助接力器行程偏差相对值。

从而式（2-46）可写为：

u＝y1（2-47）

令其初始条件为零，对式（2-47）进行拉氏变换，得主配压阀的传递函数：

（2-48）

可见主配压阀是一个放大系数等于1的比例环节。

主配压阀方框图：

（2）主接力器传递函数

在分析第二级液压放大机构的特性时，我们得到了方程（2-15），即：

（2-49）

式中：

y＝Y／Ym为接力器行程相对值（%）；Ty为接力器反应时间常数（s）。

从式（2-49）看出，主接力器活塞运动速度与主配压阀油孔开度u成比例。

对式（2-49）两边积分，可得：

（2-50）

式（2-50）表明，主接力器是一个积分环节，接力器行程y与主配压阀油孔开度u的积分成比例。

令其初始条件为零，对式（2-50）进行拉氏变换，得主接力器的传递函数：

（2-51）

主接力器方框图：

三、永态反馈环节传递函数

在“永态反馈环节”一节中，我们已得出式（2-21），即：

或x＝－bpy

在分析永态反馈环节传递函数时，x用xp替代，表示永态反馈环节给引导阀针塞杆的反馈量偏差相对值；同时略去等式中的“－”号，仅在综合点处考虑信号的综合方式。

这样，永态反馈的运动方程为：

xp＝bpy（2-52）

令其初始条件为零，对式（2-52）进行拉氏变换，得永态反馈的传递函数：

（2-53）

由上式看出，永态反馈环节是一个比例环节。

永态反馈的方框图：

四、暂态反馈环节传递函数

在“暂态反馈环节”一节中，我们已得出如下的缓冲器运动方程：

（2-54）

利用式（2-54）我们可以求得暂态反馈环节的运动方程式。

让缓冲器中节流油孔全关闭，不经过节流孔流油，即软反馈转化成硬反馈，根据杠杆传递原理有如下关系：

dz1=α1dy（2-55）

dlt=α2dz2（2-56）

式中：

α1——主接力器到主动活塞之间的杠杆传动比；

α2——从动活塞到引导阀针塞之间的杠杆传动比。

将式（2-55）和式（2-56）代入式（2-54）并转换成偏差相对值的形式，得暂态反馈环节的运动方程式如下：

（2-57）

式中：

——暂态反馈量偏差相对值；

——在节流孔封闭情况下，由主接力器到引导阀针塞杆之间杠杆传动比；

——暂态转差系数；

——主接力器行程偏差相对值。

从式（2-57）可知：

暂态反馈量的大小与暂态转差系数bt、缓冲时间常数Td及主接力器活塞运动速度成正比。

令其初始条件为零，对式（2-57）进行拉氏变换，得暂态反馈的传递函数：

（2-58）

从式（2-58）可以看出，暂态反馈环节是一个实际微分环节。

暂态反馈的方框图：

五、YT型调速器传递函数

将以上推导出来的各环节方框图、传递函数，根据信号的传递关系连接起来即为YT型调速器的方框图、传递函数，如下图2-44所示：

从图中可以看出各个环节的功能、信号流向和系统中各环节间的相互关系。

我们可以根据方框图的等效变换，求出调速器的总传递函数，指令信号C（给定转速偏差相对值），由转速调整机构给定，一般整定在空载额定转速，这时C=0。

因为第一级放大环节的传递函数等于1/bλ，于是图2-44可以简化成图2-45。

讨论调速器的调节规律时，通常不计入永态反馈，因为任何调速器都要能保证在永态反馈bp切除的情况下正常工作。

当不计入永态反馈bp，转速整定在额定值，即C=0时，得简化方框图2-46所示。

根据图2-46可以推出YT型调速器的传递函数：

因为：

忽略1

可得：

（2-59）

可见，YT型调速器具有比例加积分的调节规律，因而把它称为PI调速器。