调速器讲课Word文件下载.docx
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测频模件4块
开关电源2块
功放板1块
控制及信号继电器部件16个
触摸屏1个
一.1SAFR2000微机调速器硬件系统
系统硬件主要包括A、B两套控制插箱；
工业控制机显示部分；
操作输出继电器部分等。
下面就对各部分分别介绍。
一.1.1系统控制插箱简介
A、B两套系统均为标准8U插箱，A系统右侧比B系统多一块双机切换模件，除此之外两套系统完全一样，以A套系统插箱为例，其插箱面板如图4-4所示：
图4-4插箱面板图
各插件面板说明如下：
∙双重供电模件：
插件上有3个显示灯，自上而下，为“AC220V交流输入”，“DC220V直流输入”，和“OUT整流电源输出”分别显示电源当前状态。
下方有2个按键开关，分别控制交流电源和直流电源的通断。
∙组合电源模件：
插件上有3个显示灯，自上而下为“+5V输出”，“+12V输出”和“-12V输出”，分别显示电源当前状态。
面板下方有1个按键开关，用来控制电源的输出。
∙主机模件：
插件上有8个显示灯，自上而下为“CAN总线指示”，“VCC电源指示”，“RXD1串口1接收”，“TXD1串口1发送”，“RXD0串口0接收”，“TXD0串口0发送”，“RUN运行”和“STAT状态指示”。
串口1（RXD1、TXD1）主要用于和监控系统通讯，通讯时RXD1、TXD1将闪烁；
RXD0、TXD0主要用于和工控机通讯，通讯时RXD0、TXD0将闪烁；
运行时RUN灯将闪烁，调试状态时熄灭；
STAT状态灯表示装置故障/正常情况，其闪烁频率指示了当前系统状态，正常时频率为1HZ，一般故障时频率为2HZ，严重故障时频率为3HZ。
面板下方左侧的调试窗内有1个调试串行口，1个BDM调试接口和复位键，用作在线编程调试。
∙采样模件：
插件上有8个显示灯，自上而下为“+12V电源”，“-12V电源”，“+5V电源”，“-5V电源”，“VCC电源”及3个备用灯，分别显示电源当前状态。
∙控制模件：
∙数字模件：
插件上有8个显示灯，自上而下为“开机令”，“停机令”，“导叶手动”，“调相令”，“增加令”，“减少令”和“油开关”，分别显示各开关量输入信号状态。
∙切换模件：
插件上有3个显示灯，自上而下为“A套主机”，“B套主机”和“切换电源”。
切换电源灯用来指示切换模件的电源状态，当A套为主机时，A套主机灯亮，B套主机灯灭；
当B套为主机时，A套主机灯灭，B套主机灯亮。
面板下方有1个切换键，用于控制主/从机切换。
1主机模件：
主机模件是整个装置的核心，其性能优劣是装置能否长期稳定运行的关键。
因此，主机模件无论从设计开发上还是在制造工艺上都力求精益求精，成为SAFR-2000型调速器优良品质的重要保证。
2采样模件
采样模件主要完成整个装置的多种控制反馈信号的采集工作。
它具有以下功能特点：
∙采样模件可对机组频率（共四个通道）、系统频率、导叶中间接力器行程、导叶主接力器行程及轮叶中间接力器行程信号进行采集，其中机组频率又可分别通过残压测频和齿盘测频两种方式采样处理。
∙采样模件专用一路独立电源，采用光电耦合器件，使核心控制系统与外部在电气上隔离。
∙采样模件的测量信号经隔离由主机模件上的MC68332微控制器中的TPU模块直接并行处理，从而取代了大量外围逻辑电路。
这样既简化了硬件电路，同时也保证了极高的测量精度。
采样模件的工作原理是：
∙
系统频率、残压测频信号经隔离变压器输入后，经过滤波、整形、隔离后送主机模件的TPU模块直接处理。
见下图。
图4-8 频率采样通道
∙两路齿盘测频信号经滤波，隔离后分别送主机模件的TPU模块直接处理。
∙行程处理电路和频率采样类似。
南瑞公司选用旋转变压器作为导叶行程测量元件，导叶行程和轮叶行程信号是由SWB-4型数字式位移变送器产生的，这3路反馈信号和位移变送器的励磁输入信号经过滤波、整形、隔离后送主机模件的TPU模块直接处理，TPU模块由这些信号的相位关系折算出相应的行程采样数据。
SWB-4型传感器实际上是一个旋转变压器，通过在定子线圈上施加励磁电压（方波信号），从而在转子上感应出相同频率的方波信号。
通过传动机构将接力器直线位移转换成角度变化（0～360°
范围），只需测量旋转变压器定子波形和转子波形的相位差，就可测得接力器的位移，而接力器变化时转子反馈电压幅值基本不变。
可见这种方法取消了常规的AD转换和模拟量输入，直接就可以进行数字量测量。
测量精度很高（与计数脉冲频率有关），SAFR-2000一般可
达到16位AD的精度。
其测量原理如下:
图4-9 导叶行程测量原理
如上图所示,通过对MC68332特有的TPU进行编程就可以直接产生两路正交的脉冲序列。
这两路脉冲序列直接被放大为功率脉冲序列供给旋转变压器原边的励磁。
旋转变压器的转子线圈上产生一个感应电压，这个感应电压的各个谐波对应于原边谐波都有一个确定的相移，这个相移由转子相对于定子的角度确定。
在这里我们取其基波的分量相对于励磁电源相位作为位移信息。
因此转子感应电压在调速器内首先经过滤波，取其基波再整形变成新的脉冲序列。
这个脉冲序列与励磁电源的脉冲序列同时进入CPU的TPU进行处理就获得了接力器的开度。
3控制模件
控制模件主要完成控制信号和位移变送器励磁信号的输出控制工作。
∙控制模件对导叶控制输出、轮叶控制输出和SWB-4型数字式位移变送器的励磁信号进行驱动输出。
∙控制模件专用一路独立电源，采用光电耦合器件，使核心控制系统与外部在电气上隔离。
∙控制模件的输出信号经隔离由主机模件上的MC68332微控制器中的TPU模块直接并行处理，从而取代了大量外围逻辑电路。
这样既简化了硬件电路，同时也保证了极高的控制精度。
∙导叶、轮叶输出回路引入了输出切换继电器。
当装置实时诊断到某种危及机组安全运行的紧急故障时，装置将切除输出继电器，也即切除到导叶和轮叶的电液转换线圈上去的控制信号，以保证导叶、轮叶不乱动。
控制模件的工作原理是：
∙主机模件上的MC68332微控制器通过PID调节计算，得到导叶、轮叶输出量，由TPU模块分别产生2路周期固定且占空比与控制量成正比的方波信号，再经过控制模件上的隔离电路、滤波电路、功放电路的处理，由输出切换继电器控制切换，最后送到电液转换器线圈上去。
由此控制导叶、轮叶开度从而达到调节机组频率及负荷的目的。
图4-10
控制输出通道
∙同时，TPU模块还产生一路方波信号，由控制模件上变换电路产生两路相互正交，频率为120Hz方波信号，作为SWB-4型数字式位移变送器的励磁电源。
详见图4-9。
4数字模件
数字模件主要完成开关量信号输入采集和输出控制功能，它具有以下功能特点：
∙数字模件采集16路开关量输入信号，包括开机、停机、调相、增加、减少、导叶手动、油开关等信号。
∙数字模件专用一路独立电源，采用光电耦合器件，使核心控制系统与外部在电气上隔离。
∙数字模件通过QSPI高速同步串行总线与主机模件通信。
可根据实际需要，扩展多块标准模件。
数字模件的工作原理是：
∙外部开关量输入指令经过滤波、隔离后，由并行转为串行，通过QSPI串行总线上送主机模件MC68332的QSM模块并行处理。
图4-11 控制输出通道
主机模件的开关量输出指令由MC68332的QSM模块，通过QSPI串行总线下发至数字模件，由串行转为并行，控制输出继电器的通断状态。
图4-12 控制输出通道
5模拟模件
模拟模件主要完成模块量信号的输入采集和输出控制功能，它具有以下功能特点：
∙模拟模件采集5路模拟量输入信号，包括水头高度、有功功率等。
模拟量信号可以是0-5V电压信号或4-20mA（0-20mA）电流信号。
电流输入时需要进行电压变换，模拟输入信号处理如下图：
图4-13 模拟量输入通道
∙模拟模件专用一路独立电源，采用光电耦合器件，使核心控制系统与外部在电气上隔离。
∙模拟模件通过QSPI高速同步串行总线与主机模件通信。
∙提供4路模拟量输出信号，包括导叶开度、轮叶开度、转速等。
其中三路电压信号（0-5V或0-10V或±
10V），一路电流信号（4-20mA或0-20mA）。
图4-15 模拟量输出通道
模拟模件的工作原理是：
∙外部模拟量信号经滤波、隔离，由高速、高精度串行A/D芯片转换后，通过QSPI串行总线上送至主机模件MC68332的QSM模块并行处理。
∙输出量由MC68332的QSM模块通过QSPI串行总线下发至模拟模件，经隔离、驱动后输出。
6双机切换模件
双机切换模件的主要功能是根据A、B系统的工作状态、故障情况进行主/从机切换控制。
其工作原理：
A、B系统的工作状态、故障信号以及切换按键状态分别送给可编程逻辑电路GAL20V8，通过预编程的切换逻辑选择控制系统的主/从机状态。
产生的主/从切换信号返回A、B系统，同时通过对输出切换继电器进行控制，切换控制信号的输出。
切换原则如下：
∙当A、B系统都在运行情况下，且都没有任何故障以切换按键所选择的系统控制输出。
∙当A、B系统中一系统有故障，另一系统工作正常，不管选择哪一个系统，都由工作正常的系统控制输出。
∙当一系统在调试状态，另一系统在运行状态，无论运行系统有无故障，都由运行状态的系统控制输出。
∙当双系统均在调试状态，无论故障与否，都由被选系统控制输出。
∙当双系统均无控制能力，装置切手动运行。
7双重供电模件
滤波器
整流
AC输入
双重供电模件的主要功能是：
交流220V经过变压器隔离、整流，直流220V经过整流，然后通过二极管将两路输入电源并联，自动切换输入的交流220V和直流220V电源，经整流、滤波处理后产生直流220V电源输出，保证装置的可靠供电。
其原理电路如下：
DC输入
DC输出
图4-17 双重供电电路
隔离
8组合电源模件
组合电源模件的主要功能是：
将双重供电模块提供的直流220V电源变换为1路+5V电源输出和2路±
12V电源输出。
各组电源相互独立，分别为插箱内的数字系统及输入、输出系统供电，以实现在电气上的隔离。
上边的PID调节框图称为频率主环，BP为调差系数，功率一般都通过监控系统来调节（发调脉冲），直接作用于导叶位置输出（功率给定），下边的PI调节框图称为导叶副环，它是通过软件来实现导叶闭环控制，最终控制输出的实际上是对应导叶偏差的增量信号。
该信号经过DA（模数）转换后施加到电液转换器上，最后通过伺服缸作用于主配驱动接力器运动，
各参数含义如下：
Kp：
主环比例增益，参数值0-20之间可调。
天生桥：
Kp=5
KD：
主环微分增益，参数值0-20之间可调。
Kd=1
KI：
主环积分增益，参数值0-20之间可调。
Ki=0.2
Kp2：
导叶付环比例增益，参数值0-20之间可调。
Kp2=12
KI2：
导叶付环积分增益，参数值0-20之间可调。
KI2=5
Ty：
接力反应时间常数，一般在0.2左右。
bp：
调速系统永态转差率（速度变动率），整定在0-6%。
E：
人工失灵区（转速死区）：
整定在0-0.5HZ。
fg：
机组频率返馈
fGV：
机组频率给定
PGV：
负荷给定
空载时，不跟踪网频时，初始频率给定为50HZ，可接受手动按钮或同期装置脉冲增减给定；
跟踪网频时，频率给定为：
网频+跟踪频差；
空载时BP为零，死区为零，PID调节参数采用空载参数，积分限幅为±
10%开度，开度给定输出限幅为0—（空载开度+10%）。
并网时，频率给定为50HZ，BP和死区为设定值，PID调节参数采用负载参数，积分限幅为±
100%开度，开度给定输出限幅为0—100%。
调速器试验
静态试验
一.21、调速器静特性试验
1.1试验目的
检验调速器测至主接力器的转速死区和线性度误差。
1.2试验条件
调速器置于自动工况，开度限制L=100%，功率给定YG=0。
1.3试验参数
1、三联：
bp=6%、bt=30%、Td=2s、Tn=0s。
南瑞：
Bp＝6，Ki＝4，Kd＝0，Kp=4。
1.4试验方法
1．4．1（三联）将发电机出口开关位置信号端子E1-35,E1-41短接；
解除网频残压测频端子E1-5,6外部线，后把系统自带AC5V电压E1－23，24并接入E1-5,6；
导叶开至50％，进入试验窗选择静特性试验，点击开始试验系统自动产生频率并保持单方向上升或下降，同时记录导叶接力器行程。
系统根据所测数据计算调节装置测至主接力器的转速死区和非线性度误差。
1．4．2（南瑞）a、导叶切手动进入调试程序，后分别复归A/B套，待主机板件上调试灯亮表示调试程序已正常启动方可进行试验；
b、选择静特性试验，点击试验设定，选择自动频率，开启方向，此时由电柜自动产生频率；
c、先将导叶开到50％，点击开始试验，电柜自动将导叶关到第一个设定点，此时电柜自动根据bp值产生频率信号，待导叶接力器行程稳定后，装置自动记录频率值及相应的接力器行程直到开方向结束。
d、开方向结束后，再选择关方向方法与上相同；
试验结束后系统自动计算调节装置测至主接力器的转速死区和非线性度误差。
先将导叶开到50％，点击开始试验，电柜自动将导叶关到第一个设定点，此时电柜自动根据bp值产生频率信号，待导叶接力器行程稳定后，装置自动记录频率值及相应的接力器行程直到开方向结束。
1.5试验结果
转速死区ix和线性度误差ε均达到和优于国标ix<
0.04%,ε<
5%的要求。
2．静态下导叶全开、全关时间测定，电源和一些测量信号消失及各种控制方式切换试验
2.1试验目的
测量接力器全行程开、关时间和各项容错保护功能，在调速器发生电源或信号故障时能否实现无扰动切换，保证机组安全运行。
2.2试验条件
蜗壳未冲水，开限不起作用，调速器切至自动，导叶开启至30%开度及以上；
2.3试验参数
bp=6%，KP=4，Kd=4，Ki=0.3。
2．4试验方法：
在调试程序下点击定位试验，先后点击全开、全关试验分别记录实测值系统自动完成，后点击参数下发分别写入AB套
2.5试验结果表
序号
试验项目
试验结果
1
导叶全开时间
自动和手动都是15秒
2
导叶全关时间
自动15.2秒,手动14.8秒
3
A套、B套相互切换
A套B套
接力器行程最大变化4mm，工作正常
4
手动自动相互切换
A、B套均工作正常
5
模拟通道故障，自动切到脉冲阀工作；
故障消除后，自动切回比例阀。
6
模拟液压故障，自动切到脉冲阀工作。
7
模拟A机一般故障
自动切到B机，工作正常
8
模拟B机一般故障
自动切到A机，工作正常
9
机频消失
接力器行程最大变化7mm，A套、B套均工作正常
10
开机过程中机频消失
导叶开度从最初的31％回到当时的空载开度21.2%
11
开机过程反馈消失
接力器行程最大变化20mm，A套、B套均工作正常
12
网频消失
13
导叶反馈消失
静态试验时第一次接力器全关，第二次接力器全开，第三次接力器慢慢关闭。
最终由厂家调试正常。
（动态试验时接力器行程最大变化20mm，A套、B套工作正常）。
14
交流电源消失
静态试验时交流电源消失后恢复；
直流电源消失后恢复以及交、直流电源都消失。
无论是A、B套运行，导叶开度均保持不变。
但交、直流电源都消失后再同时给电，导叶慢慢开到全开，厂家设计如此。
15
直流电源消失
16
交、直流电源同时消失
结论：
上述各项控制方式手动切换和自动切换、电源故障及模拟控制信号消失试验均合格：
2.6导叶接力器摆动值基本上都不大于全行程的1%。
调速器动态特性试验
3．空载扰动试验
3.1试验目的
选择出一组调速器最佳运行参数。
3.2试验条件
调速器处于自动运行工况，功率给定PG=0。
3．3试验方法
机组升到额定转速，bp=1%，改变bt、Td、Tn的值，扰动量从48Hz~52Hz上、下扰动。
考虑到机组在空载工况下，定子开口电压比较大，可能会引起一点接地保护动作。
因此，扰动在空转工况下进行。
3．4试验结果：
经过不断优化调节参数,综合考虑超调量、调节时间、波动次数均比较小的一组,以及调节过程的稳定性
4.空载工况下机组转速摆动相对值测量
4.1试验目的
检验调速器在空载运行时的调节品质。
4.2试验条件
bt、bp、Td、Tn置于上一节优选的空载运行参数，机组在空载额定转速运行，调速器分别处于手动及自动空载运行状态。
4.3试验方法
用工频频率计记录频率在3分钟内的波动值。
试验重复3次，取平均值。
4.4试验结果要求
自动运行时其转速摆动相对值满足不超过±
0.15%的规程要求。
（当手动空载运行机组转速摆动相对值超过±
0.2%时，自动空载运行转速摆动值不得大于手动方式的转速摆动值）。
5．机组开、停机试验
5．1试验目的：
测量开、停机时间。
5．2试验条件
5．3试验方法
中控室自动开、停机
5．4试验结果要求：
开机过程应分段进行，应能正常回调到当前水头的空载开度，开机时间应小于40S；
关机过程应直线下滑，导叶开度从空载开度到零时间小于10S。
6.机组甩25%负荷
6.1试验目的
测定接力器不动时间，检验调速器的速动性能。
6.2试验条件
机组带25%额定负荷稳定运行，跳发电机出口开关甩负荷。
6.3试验参数
bp=6%、bt=30%、Td=10s、Tn=0s。
6.4试验结果要求
甩25%负荷的不动时间Tq达到国标不大于0.2秒的要求。
7．机组甩100%负荷
7.1试验目的
检验调速器的动态品质和调保值能否满足设计要求。
7.2试验条件
机组带100%额定负荷稳定运行，跳发电机出口开关甩负荷。
7.3试验参数
bp=6%、Kp=4，Kd=4，Ki=1.0。
7.4试验结果要求：
7．4．1、偏离稳态转速3%以上的波动次数，不超过1次；
7．4．2、从甩负荷后接力器第一次向开方向运行时算起，到机组转速摆动相对值不超过±
0.5%为止的调节时间Tp不大于40S；
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