第一章水輪發(fā)電機(jī)的自動(dòng)并列

1.簡述同步發(fā)電機(jī)兩種同期并列方式的操作步驟，并分析各自的特點(diǎn)和用途。

答：同步發(fā)電機(jī)具有準(zhǔn)同期和自同期兩種同期并列方式。其中：

準(zhǔn)同期的操作步琳為

打開機(jī)組導(dǎo)葉到空載位置

發(fā)電機(jī)接近同步轉(zhuǎn)速

發(fā)電機(jī)投入勵(lì)磁

_＞調(diào)節(jié)機(jī)組的電壓和轉(zhuǎn)速

不滿足+―

」判斷發(fā)電機(jī)是否滿足并列條件

滿足

J[

將機(jī)組投入系統(tǒng)并列運(yùn)行

自同期的操作步驟為

由于在準(zhǔn)同期操作中滿足了發(fā)電機(jī)與電力系統(tǒng)的頻率、電壓和相位相

同的條件。發(fā)電機(jī)定子回路的電流將為零，對(duì)機(jī)組將不會(huì)產(chǎn)生電流或電磁

力矩的沖擊。因此，水電站在同期操作中，采用了以自動(dòng)準(zhǔn)同期作為機(jī)組

正常時(shí)的并列方式。

但是，準(zhǔn)同期存在著非同期并列操作可能，并使機(jī)組嚴(yán)重?fù)p壞。為了避免非同期

并列，在準(zhǔn)同期并列時(shí)，同期回路帶有非同期閉領(lǐng)。

＞另外，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障而出現(xiàn)低頻、低壓時(shí)，將給準(zhǔn)同期操作帶來困難。

＞自同期具有如下特點(diǎn)：

＞不需調(diào)整電壓、相位和精確調(diào)整轉(zhuǎn)速，操作簡單；

＞由于并列操作時(shí)未投勵(lì)，消除了非同期并列的可能；

與準(zhǔn)同期相比，大大縮短了并列的時(shí)間。

＞自同期并列為電力系統(tǒng)發(fā)生故障而出現(xiàn)詆頻、低壓時(shí)，啟動(dòng)備用機(jī)組創(chuàng)造了

很好的條件，對(duì)于防止事故擴(kuò)大，迅速恢復(fù)系統(tǒng)起到重要作用。

＞由于發(fā)電機(jī)以自同期投入系統(tǒng)時(shí)，未勵(lì)磁的發(fā)電機(jī)相當(dāng)于異步電動(dòng)機(jī)，因

此自同期存在如下缺點(diǎn)：

＞出現(xiàn)短時(shí)間的電流沖擊，并使系統(tǒng)電壓下降：

＞沖擊電流引起的電動(dòng)力可能對(duì)定子繞組絕緣和定子繞組端部造成不良影響；

沖擊電磁力矩將使機(jī)組大軸產(chǎn)生紐矩，并引起振動(dòng)。

但是，沖擊電流和沖擊電磁力矩均比發(fā)電機(jī)出口三相短路時(shí)小，并且縮減快，通常不

會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)造成損害，但沖擊電流產(chǎn)生的電動(dòng)力可能對(duì)定子繞組絕緣和端部造成累計(jì)

性變形和損害。特別是自同期時(shí)發(fā)電機(jī)處于冷狀態(tài)，造成的不良影響比熱狀態(tài)下的發(fā)

電機(jī)出口三相短路更嚴(yán)重。因此，在事故時(shí)機(jī)組采用自動(dòng)自同期并列。

＞2、簡述準(zhǔn)同期并列的條件，并說明可能造成非同期合閘的原因及其危害。

＞答：準(zhǔn)同期并列的條件為：

＞發(fā)電機(jī)與電力系統(tǒng)的相序相同；

＞發(fā)電機(jī)與電力系統(tǒng)的頻率相同；

＞發(fā)電機(jī)與電力系統(tǒng)的電壓相同；

＞發(fā)電機(jī)與電力系統(tǒng)的相位相同。

＞可能造成非同期并列的原因?yàn)椋?/p>

＞發(fā)電機(jī)的一次或二次接線不正確；

＞同期裝置工作不正確；

＞運(yùn)行人員誤操作。

＞非同期并列操作可能使機(jī)組嚴(yán)重?fù)p壞：

＞如果相位差為180°時(shí)非同期合閘，則發(fā)電機(jī)定子繞組的沖擊電流將比發(fā)電機(jī)

出口的三相短路電流大一倍；

如果電壓或頻率不相同，將對(duì)機(jī)組產(chǎn)生很大的電磁沖擊力，甚至高達(dá)額定力矩的

8-26倍。

3、已知滑差周期為口，試確定機(jī)組和系統(tǒng)的頻率差口。

解：□口

式中心為待并發(fā)電機(jī)的頻率；工J,,系統(tǒng)的頻率；見為滑差角速度，

?e-Af=；

Js

設(shè)：待并發(fā)電機(jī)的電壓為口；

系統(tǒng)電壓為/*⑺=Uxyssin(取M+化yj;

其頻率差和相位差為0,電壓差為口，試計(jì)算并列時(shí)的最大沖擊電流口。

解：根據(jù)最大沖擊電流的近似計(jì)算式口

式中：□為待并發(fā)電機(jī)的縱軸次暫態(tài)電抗。

已知電壓差為口，則有

1.9&x().9Up2.42xU°

J—____________

1xu.max—v“―77"-

XdXd

設(shè)：待并發(fā)電機(jī)的電壓為口；

系統(tǒng)電壓為〃卞⑺=UsyssinaM;

簡要說明如何根據(jù)床動(dòng)電壓與⑺=%⑺-%A⑺分析電壓差MJ=Us-Uxys和頻率

差勺=4一/小。

答：設(shè)待并發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)電壓的最大值為口;

%（/）=%⑺-%、，式。=Umsmgc,-COSg?—

22

脈動(dòng)電壓□是一個(gè)電角速度為口、幅值（包絡(luò)線）為正弦規(guī)律口變化的交流電

壓。準(zhǔn)同期并列時(shí)□與□很接近，故脈動(dòng)電壓頻率仍接近于50Hz,在脈動(dòng)電壓中，

其幅值的變化規(guī)律為

14m=2Usin巴'”=2Usin巴^=2Usin—（1）

311〃itnincnttncntmc

式中：□為滑差角速度；□為□與□的相位差。

3從0—2〃的時(shí)間，稱為滑差周期

由（1）式可知：

在口與□的幅值相等的條件下：口時(shí)，脈動(dòng)電壓的幅值達(dá)到最大值□:口（口）時(shí)，

脈動(dòng)電壓的幅值達(dá)到最小值口。

4、如果□與□的幅值不相等，則脈動(dòng)電壓最小值為口。

由（2）式可知：滑差周期□與頻率差□成反比，因此可用滑差周期

口的大小來判斷待并發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)的頻率差，從而確定準(zhǔn)同期并列的條件是否滿

足。

若采用8點(diǎn)采樣的富氏算法計(jì)算一個(gè)周期函數(shù)□的基波而二次諧波

的幅值和相位，試寫出相應(yīng)的計(jì)算式。

解：根據(jù)離散富氏算法的計(jì)算式，□的n次諧波分量的幅值和相位

為：

Fn=J成+琢、；0”=arctg妥；

卜R”

式中：口；口；N為一個(gè)周期中的采樣數(shù)；□為□第k個(gè)采樣值；□為周期函

數(shù)□諧波次數(shù)。

已知N=8,當(dāng)□時(shí)：

F\=J磴+玲\;。\=arctg^-;

bR\

式中：口；口；

當(dāng)_J時(shí)：

BJ琦?+F/A；①？—arcig;

bR2

第二章式中：口；口。

第三章水輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁的自動(dòng)調(diào)節(jié)

簡述水電機(jī)組勵(lì)磁控制的任務(wù)，以及對(duì)自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的要求。

?答：(1)自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝逍(AVR)的任務(wù)：

＞維持發(fā)電機(jī)端電壓水平并且合理分配各機(jī)組的無功負(fù)荷；

＞提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和輸電線路的濤輸能力；

＞提高帶時(shí)限動(dòng)作繼電保護(hù)的靈敏度；

＞加速短路后的電壓恢復(fù)過程和改善異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)條件：

＞改善自同期或發(fā)電機(jī)失磁運(yùn)行時(shí)電力系統(tǒng)的工作條件；

＞防止水輪發(fā)電機(jī)突然甩負(fù)荷時(shí)電壓過度升高。

＞(2)對(duì)自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置(AVR)的要求：

＞工作可靠

＞AVR裝置本身發(fā)生故障，可能迫使機(jī)組停機(jī)，甚至可能對(duì)電力系統(tǒng)造成嚴(yán)

重影響。

＞有足夠的輸出容量

＞AVR的容量既要滿足正常運(yùn)行時(shí)調(diào)節(jié)的要求，又要滿足發(fā)生短路故障時(shí)強(qiáng)

勵(lì)的要求。

＞動(dòng)作迅速

采用快速動(dòng)作的AVR對(duì)改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性和提高輸送能力具有重要意義。

＞無失靈區(qū)

沒有失靈區(qū)的AVR有助于提高系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性。

當(dāng)一臺(tái)同步發(fā)電機(jī)帶孤立網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，試分析無功負(fù)荷電流的增加是造成發(fā)電機(jī)端電壓

下降的主要原因。

解：當(dāng)一臺(tái)同步發(fā)電機(jī)帶孤立網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，根據(jù)同步發(fā)電機(jī)的等值電路

圖可得：

EdC0s3=Ug+/『Xd

式中：□為發(fā)電機(jī)定子繞組的感應(yīng)電勢(shì)□與發(fā)電機(jī)端電壓□間的相位差；□為發(fā)

電機(jī)的無功負(fù)載電流：口為發(fā)電機(jī)的縱軸同步電抗(且與發(fā)電機(jī)的橫軸同步電抗相等)。

由于在正常時(shí)5很小，口，則有

￡產(chǎn)3+1rXd

1、上式表明，無功電流是造成機(jī)端電壓下降的主要原因，且機(jī)端電壓與無功電流

成反比。

2、簡述強(qiáng)行勵(lì)磁、強(qiáng)行減磁和自動(dòng)滅磁的作用。

答：(1)強(qiáng)行勵(lì)磁的作用

發(fā)生短路時(shí)，電力系統(tǒng)和水電站的電壓可能大幅度降低。此時(shí)，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定

運(yùn)行和加快切除故障后的電壓恢復(fù)，應(yīng)使發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流迅速加大到頂值，既實(shí)行

強(qiáng)行勵(lì)磁。

(2)強(qiáng)行減磁的作用

當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，由于機(jī)組轉(zhuǎn)速的急劇上升，而引起發(fā)電機(jī)端電壓的升高，此時(shí)為了

保證發(fā)電機(jī)定子絕緣的安全，應(yīng)立即減少發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路的勵(lì)磁電流，即實(shí)行強(qiáng)行減

磁。

(3)自動(dòng)滅磁的作用

自動(dòng)滅磁是在發(fā)電機(jī)內(nèi)部或其出口短路時(shí)，切斷勵(lì)磁電流，并在很短的時(shí)間內(nèi)使轉(zhuǎn)子

磁場(chǎng)中儲(chǔ)存的大量能量迅速消釋，而不至產(chǎn)生危及轉(zhuǎn)子絕緣的過電壓。

4.簡要說明下圖所示勵(lì)磁系統(tǒng)的工作原理。

SCR

答：如果由于擾動(dòng)使

發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓□上升，

勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置通過PT測(cè)量

發(fā)電機(jī)端電壓口，并與給

定電壓□比較后獲得電壓

差口將減少，經(jīng)綜合放大

后得到控制信號(hào)□也將減

少：根據(jù)控制信號(hào)和同步信

號(hào)計(jì)算勵(lì)磁機(jī)G1勵(lì)磁回路

的可控硅導(dǎo)通角a增大，經(jīng)可控硅整流后，勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電壓□減少，從而改變了發(fā)

電機(jī)的勵(lì)磁電流，進(jìn)而使發(fā)電機(jī)的電壓下降，以減少電壓差口，從而抵消了發(fā)電機(jī)機(jī)

端電壓口上升的擾動(dòng)，由此勵(lì)磁反饋控制可以維持發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓口的恒定。使發(fā)電

機(jī)運(yùn)行在穩(wěn)定狀態(tài)。

反之，如果由于擾動(dòng)使發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓□下降，則類似以上分析，可得到相同的結(jié)論。

可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)由那些基本單元所組成？其各自的作用又是什么？

答：可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)由測(cè)量比較單元、調(diào)差單元、移相觸發(fā)單元和手動(dòng)單元等基

本單元所組成，其中：

測(cè)量比較單元：用于測(cè)量機(jī)端電壓的變化，并將測(cè)量值與給定值進(jìn)行比較：

調(diào)差單元：用于改變調(diào)差系數(shù)Kq,以實(shí)現(xiàn)合理分配各機(jī)組間的無功；

綜合放大單元：對(duì)所測(cè)量的電壓差進(jìn)行綜合，計(jì)算出實(shí)現(xiàn)消除電壓差的控制信號(hào)

Uc,在勵(lì)磁控制中通常采用了PID調(diào)節(jié)規(guī)律；

3、移相觸發(fā)單元：根據(jù)綜合放大單元PID控制規(guī)律輸出Uc和同步信號(hào)，轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖

相位的變化，并以此脈沖觸發(fā)可控硅整流橋(即勵(lì)磁系統(tǒng)的功率輸出部分)的可控

硅晶閘管，使其導(dǎo)通角a隨Uc的變化而改變，從而達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁的目的。

移相觸發(fā)單元由同步、移相、脈沖形成和脈沖放大等環(huán)節(jié)組成；

手動(dòng)單元：用于手動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，調(diào)差單元和綜合放大單元均退出工作，此時(shí)調(diào)節(jié)

器屬于開環(huán)運(yùn)行情況，一般在裝置故障時(shí)采用。

寫出位置型離散PID控制算法的表達(dá)式，并分別說明比例、積分和微

分控制在調(diào)節(jié)過程中的作用。

答：位置型離散PID控制算法的表達(dá)式為

uk=KpB+J+冬(/-ek-\)1

7//=oT

式中：口為第□個(gè)采樣周期的控制信號(hào)；□為第□個(gè)采樣周期的偏差信號(hào)；口為

比例增益；□為積分時(shí)間常數(shù)；□為微分時(shí)間常數(shù)；口為采樣周期，若采樣周期口足

夠小，離散系統(tǒng)與連續(xù)系統(tǒng)非常接近。

比例控制□的作用是按□的大小成比例地改變控制信號(hào)的強(qiáng)度，使□趨于減少，

比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，穩(wěn)態(tài)誤差的大小與□成正比；

Tk

積分控制一￡“的作用為消除穩(wěn)態(tài)偏差；

//=o

4、微分控制□的作用是按預(yù)測(cè)的偏差信號(hào)變化趨勢(shì)進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以減少超調(diào)量，縮短

調(diào)整時(shí)間，改善調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5、在可控硅勵(lì)磁中的“同步”是指什么？為什么同步信號(hào)取為同步發(fā)電機(jī)的AC

相電壓？

6、答：一個(gè)可控硅的導(dǎo)通，除了應(yīng)在其陽極與陰極間加上正向電壓外，還必須同時(shí)在

控制極上加上正向觸發(fā)脈沖，否則可控硅將處于截止?fàn)顟B(tài)。對(duì)三相可控整流橋而言,

就是要求每次加在可控硅控制極上的觸發(fā)脈沖，都應(yīng)在該相可控硅承受正向電壓

的一定時(shí)刻發(fā)出。同時(shí)，當(dāng)控制電壓一定時(shí)，各相的每個(gè)周期送出的觸發(fā)脈沖，對(duì)

應(yīng)于該相陽極電壓的時(shí)刻都應(yīng)相同，即控制角a相同。可控硅觸發(fā)脈沖與主回路之

間的這種相位配合關(guān)系稱為同步。取自主回路的同步信號(hào)，就是用于保證主回路與

觸發(fā)電路之間的同步。

7、在三相全控橋可控珪勵(lì)磁控制中：共陰極組的整流可控硅整流元件應(yīng)在其陽極電位

為最高的一段區(qū)間內(nèi)，給控制極以觸發(fā)脈沖才能導(dǎo)通。因此，其三相觸發(fā)脈沖按+A,

+B,+C相的順序并依次相隔120°發(fā)出；共陽極組的整流可控硅整流元件應(yīng)在其陰

極電位為最低的一段區(qū)間內(nèi)，給控制極以觸發(fā)脈沖才能導(dǎo)通。因此，其三相觸發(fā)脈

沖按-C,-A,-B相的順序并也依次相隔120°發(fā)出。

8、這樣，對(duì)于整個(gè)三相全控橋來說，當(dāng)同步信號(hào)取為同步發(fā)電機(jī)的AC相電壓時(shí),

其六相觸發(fā)脈沖發(fā)出的順序就成為了+A,-C,+B,-A,+C,-B相，并依次相隔60°

發(fā)出。

9、畫出可控硅三相全控橋觸發(fā)脈沖的時(shí)序圖。

8、當(dāng)可控硅勵(lì)磁調(diào)節(jié)器對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)采用了比例控制規(guī)律。在某采樣周期k,微

機(jī)調(diào)節(jié)器測(cè)量到發(fā)電機(jī)端電壓的偏差相對(duì)值為口，比例控制參數(shù)口。

若：控制信號(hào)□與導(dǎo)通角a余弦關(guān)系中的比例因子K=1,計(jì)算機(jī)的計(jì)數(shù)頻率口，

同步信號(hào)周期T=20mso

試求出：可控硅導(dǎo)通角Q（k）以及對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)N（k）。

解：由于采用了比例控制規(guī)律，故控制信號(hào)為

Uc（k）=K/A4（外=1X0.15=0.15

由于觸發(fā)角與控制信號(hào)成余弦關(guān)系，得

a=arccos[KU（.（Z）]=arccos（lxO.I5）=81.373（度）

將晶間管觸發(fā)角a折算為計(jì)算稱沖個(gè)數(shù)，得

W）=—77'=^^X0.02X106=452I（個(gè)）

360360

第四章頻率和有功功率的自動(dòng)控制

1.問答題

（1）維持電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的條件是什么？

答：電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定與否，取決于系統(tǒng)的有功功率是否平衡：

若系統(tǒng)總的發(fā)電功率=用戶總的耗用功率（包括線路耗損），則系統(tǒng)的頻率維持

在額定值；

若系統(tǒng)總的發(fā)電功率大于（或小于）用戶總耗用功率，則系統(tǒng)的頻率大于（或小

于）額定值；

并網(wǎng)運(yùn)行發(fā)電機(jī)組的功率控制，就是維持電力系統(tǒng)功率的平衡，使系統(tǒng)的頻率偏

差在容許的范圍內(nèi)。

(2)什么是調(diào)頻機(jī)組和調(diào)頻電站？

答：由于計(jì)劃外負(fù)荷是無規(guī)律變化的，因此必須采取必要的技術(shù)手段，將電力系統(tǒng)的

頻率維持在正常水平。這就要求在系統(tǒng)中劃出一部分機(jī)組甚至幾個(gè)水電站執(zhí)行調(diào)頻任

務(wù)，是系統(tǒng)的總發(fā)電功率隨時(shí)跟蹤用戶的總耗用功率，這些機(jī)組或電站稱為調(diào)頻機(jī)組

或調(diào)頻電站。

(3)什么是電力系統(tǒng)的日負(fù)荷曲線和計(jì)劃外負(fù)荷？

答：電力系統(tǒng)的實(shí)際負(fù)荷是隨機(jī)變化的，電力調(diào)度中心根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料來制定系統(tǒng)日負(fù)

荷曲線，稱之為計(jì)劃負(fù)荷，它反映了電力系統(tǒng)負(fù)荷變化規(guī)律性的部分；計(jì)劃負(fù)荷與實(shí)

際負(fù)荷的差值為計(jì)劃外負(fù)荷。

(4)什么是一次調(diào)頻和二次調(diào)頻？

答：電力系統(tǒng)的調(diào)頻分為一次調(diào)頻和二次調(diào)頻。一次調(diào)頻是在電力系統(tǒng)出現(xiàn)頻率差時(shí)，

根據(jù)調(diào)速器的調(diào)差系數(shù)來分配機(jī)組間的負(fù)荷，由調(diào)速器完成功率調(diào)節(jié)：二次調(diào)頻是在

調(diào)速器調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，按負(fù)荷優(yōu)化分配來重新調(diào)整各運(yùn)行機(jī)組的負(fù)荷。

(5)有調(diào)節(jié)能力水電站和徑流式水電站運(yùn)行機(jī)組同負(fù)荷優(yōu)化分配的準(zhǔn)則各是是什么？

答：有調(diào)節(jié)能力水電站運(yùn)行機(jī)組間負(fù)荷優(yōu)化分配的準(zhǔn)則是，在滿足電力系統(tǒng)功率平衡

和機(jī)組穩(wěn)定性約束的條件下，使水電站的總發(fā)電引用水量最小；

徑流式水電站運(yùn)行機(jī)組間負(fù)荷優(yōu)化分配的準(zhǔn)則是，在滿足水電站流量平衡和機(jī)組

穩(wěn)定性約束的條件下，使水電站的總發(fā)電量最大。

2.簡答題

(1)簡要說明有功功率無差調(diào)節(jié)的原理。

答：讓電力系統(tǒng)中一個(gè)甚至幾個(gè)電站的機(jī)組作為調(diào)頻機(jī)組(□臺(tái))，而其余機(jī)組

按有差特性運(yùn)行，承擔(dān)計(jì)劃負(fù)荷。其調(diào)節(jié)方程為：

主導(dǎo)調(diào)頻機(jī)組：口，口按無差特性運(yùn)行；

其余調(diào)頻機(jī)組：口；

計(jì)劃外負(fù)荷：口

式中：□為第□臺(tái)調(diào)頻機(jī)組計(jì)劃外負(fù)荷分配系數(shù)。

(2)簡要說明水電機(jī)組的有功功率控制的目的和內(nèi)容。

答：根據(jù)功率偏差口(式中：口為□時(shí)刻由負(fù)荷分配所得到的機(jī)組目標(biāo)功率；口為口

時(shí)刻機(jī)組的實(shí)際功率)，按某種調(diào)節(jié)規(guī)律來確定控制信號(hào)，并通過調(diào)速器調(diào)整機(jī)組的

導(dǎo)葉開度，以改變機(jī)組的出力，使機(jī)組的實(shí)際功率跟蹤目標(biāo)功率(口)，并使調(diào)節(jié)過

程具有穩(wěn)定、快速和平穩(wěn)的控制品質(zhì)。

(3)簡要說明基于李雅普諾夫函數(shù)的開關(guān)控制原理。

答：已知水電機(jī)組功率控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型：

X(t)=AX(t)+Bu(t)

其中，□為開關(guān)型控制變量，且當(dāng)□時(shí)機(jī)組功率控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的。設(shè)李才隹普諾夫函

數(shù)為：□

根據(jù)李雅普諾夫函數(shù)的定義，式中的□為正定對(duì)稱矩陣；

手李雅普諾夫函數(shù)的導(dǎo)?數(shù)為:

V(X)=XTPX+XTPX

=(X7A7+BTU)PX+XTP(AX+Bn)

=XTP+PA)X+2B1PXu

由于系統(tǒng)是穩(wěn)定的，則有如T等式成立：

XT(ATP+PA)X=-Q(式中的。為正定對(duì)稱矩陣：)

為了保證李雅普諾夫函數(shù)的導(dǎo)數(shù)小于零，取：

w(r)=-sgn(SrPX)

上式表明，基于李雅普諾夫函數(shù)的開關(guān)控制是建立在狀態(tài)反饋的基礎(chǔ)上的，其開關(guān)極

性的切換取決于開關(guān)線口。在這種開關(guān)控制中，需要適當(dāng)選擇開關(guān)線參數(shù)P,才能保

證有較好的控制性能。

3.寫出離散PID調(diào)制控制策略的表達(dá)式。

答：離散PID調(diào)制控制是在等控制周期T內(nèi)根據(jù)的符號(hào)確定控制極性；

根據(jù)對(duì)口(式中：□為機(jī)組的目標(biāo)功率，□為機(jī)組的實(shí)際功率)的PID運(yùn)算，確定調(diào)

制控制脈沖寬度Tu。其控制策略為

+1；P(k)<P1(k)

〃(")={-1；P(k)>P,(k)

0；比(幻一尸(幻區(qū)3

脈沖寬度□的計(jì)算式為：

T"=KaP+KMPdt'K寫

第五章輔助設(shè)備的自動(dòng)控制

1、簡述水電機(jī)組轉(zhuǎn)速測(cè)量的目的以及基于雙傳感器測(cè)量的齒盤測(cè)速原理。

答：水電機(jī)組的轉(zhuǎn)速測(cè)量對(duì)于水電機(jī)組狀態(tài)檢測(cè)和控制是十分重要的，其測(cè)量精度及

其可靠性直接關(guān)系到水輪機(jī)調(diào)節(jié)的性能和水電機(jī)組運(yùn)行的安全性。

>轉(zhuǎn)速信號(hào)器是用于測(cè)量反映機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的一個(gè)重要參數(shù)一轉(zhuǎn)速n,并能

夠在機(jī)組轉(zhuǎn)速到達(dá)所設(shè)置的轉(zhuǎn)速值發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)，用于對(duì)機(jī)組進(jìn)行自動(dòng)操作

和保護(hù)。如：

>當(dāng)n2140%nr時(shí)，發(fā)出飛逸信號(hào)，命令機(jī)組事故緊急停機(jī)；

>當(dāng)n》115%nr時(shí)，發(fā)出過速信孔命令機(jī)組事故停機(jī)；

>當(dāng)n280%nr時(shí)，發(fā)出信號(hào)，命令同期投入；

當(dāng)nW35%nr時(shí)，發(fā)出制動(dòng)信號(hào)，對(duì)機(jī)組進(jìn)行剎車。

2、齒盤測(cè)速是一種常用的水電機(jī)組測(cè)速方法，其原理是在水電機(jī)組的轉(zhuǎn)軸上安裝環(huán)

形齒狀設(shè)備(齒盤)，當(dāng)機(jī)組旋轉(zhuǎn)時(shí)通過接近式或光電式傳感器感應(yīng)產(chǎn)生反映機(jī)組

轉(zhuǎn)速的脈沖信號(hào)，由計(jì)算機(jī)測(cè)量脈沖個(gè)數(shù)(或?qū)挾?并計(jì)算獲取機(jī)組轉(zhuǎn)速。

由于存在著古盤的加工精度很難保證水電機(jī)組轉(zhuǎn)速測(cè)量的精度要求的困難。為了解決

這一困難，通常采用齒盤測(cè)速的雙傳感器策略，即沿齒盤圓周不同位置設(shè)置兩個(gè)傳感

器，在已知兩個(gè)傳感器之間距離口的前提下，測(cè)量齒盤中各齒通過兩個(gè)傳感器的時(shí)間

□,并由此計(jì)算機(jī)組轉(zhuǎn)速二]。這種方法是通過兩個(gè)傳感器來消除齒盤加工精度等引起

的測(cè)量誤差，以滿足水電機(jī)組控制對(duì)測(cè)速精度和實(shí)時(shí)性方面的要求。

在水電機(jī)組的停機(jī)過程控制時(shí)常需要測(cè)量機(jī)組的蠕動(dòng)(頻率小于5Hz)。試問：應(yīng)

采取何種測(cè)量方法？為什么？

答：一般采用的齒盤測(cè)速原理為頻率法和周期法兩種。其中：

基于周期法的轉(zhuǎn)速測(cè)量的基本原理是：當(dāng)水電機(jī)組的極對(duì)數(shù)為p時(shí)，將外徑為d的齒

盤加工成N個(gè)齒，其標(biāo)準(zhǔn)齒加工間距為口。當(dāng)機(jī)組旋轉(zhuǎn)時(shí)，各質(zhì)■邊沿通過傳感器感應(yīng)

產(chǎn)生其周期依據(jù)轉(zhuǎn)速變化的脈沖信號(hào)，信號(hào)周期將受機(jī)組轉(zhuǎn)速和齒距D的影響。當(dāng)通

過計(jì)算機(jī)記錄到第i個(gè)齒在第j圈通過傳感器測(cè)量點(diǎn)的周期T[k],則此時(shí)機(jī)組轉(zhuǎn)速為

□。這種測(cè)量方式在機(jī)組運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速附近時(shí)有較高的測(cè)量精度和反應(yīng)速度。但在

機(jī)組的蠕動(dòng)時(shí)的脈沖信號(hào)周期將會(huì)很長，且測(cè)量到的T[k]數(shù)值很大。因此，會(huì)帶來兩

個(gè)方面的問題：其一會(huì)使轉(zhuǎn)速測(cè)量的反應(yīng)速度不艙滿足要求；其二會(huì)給轉(zhuǎn)速計(jì)算造成

困難。

3、基于頻率法的轉(zhuǎn)速測(cè)量的基本原理是：當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速變化時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)通過傳感

器測(cè)量的脈沖個(gè)數(shù)也會(huì)隨之而變化。設(shè)：齒盤的齒數(shù)為N;在單位時(shí)間T內(nèi)測(cè)量通

過傳感器的脈沖個(gè)數(shù)為M,則：機(jī)組轉(zhuǎn)速口。

4、其中：K為折算系數(shù)；測(cè)量周期T則取決于對(duì)測(cè)量精度要求和測(cè)量速度要求的協(xié)

調(diào)，T越大，精度越高，但速度則越慢。這種方法簡單、可靠，并且能方便地測(cè)量

機(jī)組的端動(dòng)。

5、簡述熱電偶傳感器的工作原理。

答：熱電偶是由兩種成分不同的導(dǎo)體A和B連接在一起構(gòu)成的感溫元件。當(dāng)導(dǎo)體A和

B的兩個(gè)接點(diǎn)存在溫差時(shí)，回路中將產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，這種效應(yīng)稱為熱電效應(yīng)。熱電勢(shì)

由接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)組成，其中：

接觸電勢(shì)是由于A與B的金屬材料不同，使其內(nèi)部的電子濃度不同，發(fā)生自由電

子的遷移而產(chǎn)生的電位差。當(dāng)溫度不變時(shí)，接觸也勢(shì)為常數(shù)；

溫差電勢(shì)是由于金屬兩端的溫度不同而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)T2>T1時(shí)，處于較高溫

度區(qū)（T2）的電子能量就大，因此也就會(huì)向較低溫度的低能量區(qū)（T1）運(yùn)動(dòng)。當(dāng)溫度

差一定時(shí)，而產(chǎn)生一定值的電位差，即溫差電勢(shì)。

綜上所述，熱電偶回路中熱電勢(shì)的大小只與組成熱電偶的材料和兩端的溫度有關(guān)，與

熱電偶的尺寸無關(guān)。當(dāng)構(gòu)成熱電偶的材料確定后，熱電勢(shì)的大小僅與熱電偶兩端的溫

度有關(guān)。這就是熱電偶的熱電特性。

在熱電偶回路中，A和B兩種導(dǎo)體稱為熱電極。T2端稱為熱端（或工作端）；T1

端成為冷端（或自由端）。當(dāng)自由端的溫度為常數(shù)時(shí)，則熱電勢(shì)就與工作端的溫度T2

建立起相互對(duì)應(yīng)的關(guān)系。有了這種關(guān)系，只要測(cè)，得兩端的電勢(shì)，就可得被測(cè)介質(zhì)的溫

度了。這就是熱電偶測(cè)溫的基本原理。

4.采用霍爾元件式壓力變送器測(cè)量某管道流體的壓力。已知：

霍爾電勢(shì)口（其中：口）;

彈簧管內(nèi)徑為d,外徑為D；

彈簧管自由端位移4X與其圓周方向應(yīng)力③和軸向應(yīng)力內(nèi)之間為線性關(guān)系

△X=Kx（b[-臼）。

試求被測(cè)流體的壓力Po

解：□□

MxP

（今-1

a

被測(cè)流體的壓力八述匚

K“Kx

即被測(cè)流體的壓力P與霍爾電勢(shì)與/成正比。

5.簡述差壓變壓器式位移傳感器的工作原理。

答：差壓變壓器式位移傳感器是一種利用互感原理制成的位移傳感器，即是一種利用

線圈的互感作用將位移轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電勢(shì)的裝置，主要由線圈和鐵芯構(gòu)成。差壓變壓器

有三個(gè)繞組(原邊NO,副邊N1,N2)o當(dāng)鐵芯P在線圈內(nèi)左右移動(dòng)時(shí)，由于磁通的變

化，從而改變了原邊、副邊線圈之間的互感量，原邊線圈受到激磁后，副邊線圈所產(chǎn)

生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也隨鐵芯的位置的不同而相應(yīng)改變，有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。

設(shè)：原邊受到激磁電壓Ui(交流1—3KHZ等幅)的作用；

兩個(gè)完全相同的副邊線圖N1和N2(N1=N2)感應(yīng)出電壓U1,U2；

則：差動(dòng)接線的傳感器輸出電壓U0=U2-U1

當(dāng)鐵芯處于中間位置時(shí)，副邊線圖N1和N2通過的磁力線相等，故U10=U20,有

U0R20-U10=0。

當(dāng)鐵芯P向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，N1和N2的磁通均發(fā)生變化。此時(shí)，兩個(gè)副邊繞組所產(chǎn)生

的感應(yīng)電勢(shì)不再相等：

偏離鐵芯AX位移的N1線圈降低AU,即U1二U10-ZkU;

靠近鐵芯AX位移的N2線圖增加AU,即U2=U20+AU：

則輸出電壓為：

UO=U-UF(UZO+AU)-(Uio-AU)=2AU

鐵芯P相反運(yùn)動(dòng)時(shí)有：U0=-2AU

通過上述分析可知：差動(dòng)變壓器輸出電壓U0的大小和方向反映了鐵芯

P位移的大小和方向。雖然單個(gè)線圉的感應(yīng)電勢(shì)(U1,U2)與鐵芯P的不具有線性關(guān)

系，但將兩個(gè)線圈差動(dòng)連接后，其感應(yīng)電勢(shì)的差值與鐵芯位移就成為線性關(guān)系：

△X=KU0o

6.下圖是以電極式水位信號(hào)器構(gòu)成的調(diào)相壓水控制接線圖，試說明其工作過程。

答：相壓水控制裝置由電流繼電器1KA、變壓器T和橋式整流器等組成。當(dāng)機(jī)組由發(fā)

電轉(zhuǎn)調(diào)相運(yùn)行時(shí)，該裝置的電源由2KA接點(diǎn)的閉合而自動(dòng)投入。如果水位高于h2,此

時(shí)兩對(duì)電極都浸入水中，那么靠水的導(dǎo)電性，電流繼電器1KA動(dòng)作，其接點(diǎn)閉合使調(diào)

相供氣管路上的電磁配壓閥開啟，并使1KA1閉合而自保持。在壓縮空氣的作用下，當(dāng)

水位降到下限水位hi以下時(shí)，IKA斷電而復(fù)歸，電磁配壓閥關(guān)閉，壓縮空氣停止通入。

水位又高于h2時(shí)，則重復(fù)上述動(dòng)作。

7、簡述油混水信號(hào)器的作用及其工作原理。

答：油混水信號(hào)器的工作原理是：在回(漏油)箱的底部裝有一對(duì)電極，利用油和水

的導(dǎo)電率、比重不同，通過電極發(fā)出信號(hào)。在油箱沒有浸入水的情況下，電極間因?yàn)?/p>

油的導(dǎo)電率小，而不足以導(dǎo)通；混入水后，水因比重大而下沉，隨著水量的增加，水

將逐漸淹沒電極，從而導(dǎo)致兩個(gè)電極導(dǎo)通，形成也流回路。

8、簡述剪斷銷信號(hào)器的作用。

答：水輪機(jī)調(diào)速器通過主接力器及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來操作導(dǎo)葉，當(dāng)其中某(幾)扇導(dǎo)葉被卡

時(shí)，用于該導(dǎo)葉傳動(dòng)的剪斷銷被剪斷，從而不至影響處于聯(lián)動(dòng)情況的其它導(dǎo)葉的關(guān)閉。

>剪斷銷信號(hào)器用于反映水輪機(jī)導(dǎo)葉連汗的剪斷銷事故：

在正常停機(jī)過程中，如果有導(dǎo)葉被卡，剪斷銷被剪斷則發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

在事故停機(jī)過程中，如果發(fā)生剪斷銷被剪斷，則除發(fā)出報(bào)警信號(hào)外，還應(yīng)作用緊急停

機(jī)。

9、簡述電磁閥、電磁空氣閥和電磁配壓閥在水電站自動(dòng)化中的作用。

答：（1）電磁閥

將電氣信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械動(dòng)作，用以自動(dòng)控制油、氣、水管路閥門的開啟和關(guān)閉，

是自動(dòng)化系統(tǒng)中的重要執(zhí)行元件之一，常用于機(jī)組的制動(dòng)、調(diào)相和冷卻等操作系統(tǒng)的

管路中。

（2）電磁空氣閥

將電氣信號(hào)轉(zhuǎn)換為磯械動(dòng)作，主要用于機(jī)組供氣、制動(dòng)系統(tǒng)和碟閥密封圍帶充氣的

低壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)供氣管道閥門的開啟和關(guān)閉的自動(dòng)控制。

（3）電磁配壓閥

是一種液壓中間放大的變換元件，一般與液壓操作閥、油閥等組合使用。

10、簡述蝴蝶閥的作用。

答：（1）減少停機(jī)時(shí)的漏水量

當(dāng)機(jī)組較長時(shí)間停機(jī)時(shí)，導(dǎo)葉漏水幾乎不可避免，漏水流量可達(dá)機(jī)組最大流量的2—

3%o由于蝴蝶閥關(guān)閉較嚴(yán)，可大大減少漏水。

（2）縮短機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間

機(jī)組停機(jī)時(shí)，一般不希望關(guān)閉進(jìn)水口閘門，因?yàn)檫@樣放掉引水管的水以后，機(jī)組啟動(dòng)

時(shí)又要重新充水，延長了啟動(dòng)時(shí)間。

（3）構(gòu)成機(jī)組檢修的安全工作條件

在岔管引水的水電站，當(dāng)其中一臺(tái)機(jī)組檢修時(shí)，為了不影響其它機(jī)組的運(yùn)行，可關(guān)閉

蝴蝶閥。

由于蝴蝶閥只有全開和全關(guān)兩種狀態(tài)，故只能用于切斷水源。

11.以下是電磁空氣閥的原理示意圖。試說明其工作過程。

12、下圖為油壓裝置的構(gòu)成圖?，F(xiàn)要求采用以微型計(jì)算機(jī)（或PLC）構(gòu)成的控制裝置

進(jìn)行自動(dòng)控制，使油壓裝置的油壓維持在上、下限壓力之間，并且當(dāng)油壓低于過低油

壓時(shí)，起動(dòng)備用油泵。

試設(shè)計(jì)：（A）控制裝直的硬件原理圖（只需給出微機(jī)芯片或PLC模塊的名稱）；

（B）控制裝置的軟件流程圖。

注：要求每5秒顯示一次油壓，并能夠通過運(yùn)行人員對(duì)進(jìn)行主/備油泵進(jìn)行選擇和操

作。

解：（1）控制裝置的硬件設(shè)計(jì)

采用模塊式結(jié)構(gòu)的SIMATICS7—300型可編程控制器?？刂蒲b置的硬件由如下模塊構(gòu)

成：電源模塊；CPU模塊；I/O模塊（5點(diǎn)增號(hào)器輸入：上限油壓、下限油壓、

油壓過低，以及上限油位和下限油位）；繼電器輸出模塊（3點(diǎn)控制輸出：工作油泵和

備用油泵電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)/停止控制、補(bǔ)氣閥啟動(dòng)/關(guān)閉控制）；A/D模塊（1點(diǎn)油壓傳

感器測(cè)量）；通信模塊（用于CPU與觸摸式智能顯示屏間的通信）：觸摸式智能顯示

屏（人/機(jī)接口）；機(jī)架（8槽框架）。控制裝置的硬件原理圖如下圖所示：

（2）控制裝置的軟件設(shè)計(jì)

第六章水輪發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)程序控制

1、簡述機(jī)組自動(dòng)程序控制的任務(wù)和要求。

答：（1）機(jī)組自動(dòng)程序控制的任務(wù)

應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)，借助于自動(dòng)化元件及裝置，組

成一個(gè)不間斷進(jìn)行的操作過程，代替生產(chǎn)過程中所有手動(dòng)操作，即實(shí)現(xiàn)機(jī)組調(diào)速操作

系統(tǒng)、勵(lì)磁操作系統(tǒng)和油、氣、水輔助設(shè)備系統(tǒng)的邏輯控制和監(jiān)視，從而實(shí)現(xiàn)單機(jī)生

產(chǎn)流程的自動(dòng)化。同時(shí)，機(jī)組自動(dòng)化系統(tǒng)（LCU）還應(yīng)有良好的通信接口與其它系統(tǒng)進(jìn)

行數(shù)據(jù)交換。因此，機(jī)組自動(dòng)化又是實(shí)現(xiàn)全廠生產(chǎn)過程綜合自動(dòng)化的基礎(chǔ)。

（2）機(jī)組自動(dòng)程序控制的要求

＞根據(jù)一個(gè)操作指令，機(jī)組能迅速、可靠地完成各種工況的轉(zhuǎn)換；

＞當(dāng)機(jī)組或輔助設(shè)備（如調(diào)速器、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器和油、氣、水系統(tǒng)）出現(xiàn)事故或故

障時(shí)，應(yīng)能迅速準(zhǔn)確地進(jìn)行診斷，或?qū)C(jī)組解列，或用報(bào)警系統(tǒng)向運(yùn)行人員指

明事故（或故障）的性質(zhì)和部位，指導(dǎo)運(yùn)行人員進(jìn)行處理；

＞作為全廠綜合自動(dòng)化的基礎(chǔ)，應(yīng)能方便地與其他系統(tǒng)進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)

組的遠(yuǎn)方控制和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；

＞根據(jù)全廠自動(dòng)化系統(tǒng)的指令，完成機(jī)組有功和無功功率的調(diào)整；

系統(tǒng)應(yīng)簡單、可靠，并方便運(yùn)行人員進(jìn)行操作。

2.說明下列文字符號(hào)所表示的電氣設(shè)備名稱：TV、QF、SA.KT、BV、BP、BS、YF

答：TV—電壓互感器；QF一斷路器；SA—控制開關(guān)；KT一時(shí)間繼電器；BV一轉(zhuǎn)速信號(hào)

器、BP—壓力信號(hào)器；BS—示流信號(hào)器；YF一電磁閥。

3.水電機(jī)組有那幾種停機(jī)方式？分別用于何種情況？簡要說明其操作程

序。；

答：水電機(jī)組有正常停機(jī)、事故停機(jī)和緊急事故停機(jī)三種停機(jī)方式，其中：

1、正常停機(jī)是在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，按電站運(yùn)行計(jì)劃所進(jìn)行的停機(jī)操作。其操作

程序?yàn)椋?/p>

接受停機(jī)令后，起動(dòng)停機(jī)過程監(jiān)視定時(shí)器T機(jī)組卻負(fù)荷至空載T當(dāng)導(dǎo)葉關(guān)至空載

位置時(shí)，發(fā)電機(jī)斷路器跳間T跳滅磁開關(guān)T導(dǎo)葉關(guān)至全關(guān)位置T開限至全關(guān)位置-?當(dāng)

n=35nr%0+,投入機(jī)組制動(dòng)T機(jī)組轉(zhuǎn)速為零時(shí)解除制動(dòng)T關(guān)閉總冷卻水T停磯完成。

2、機(jī)組在運(yùn)行中遇到下列情況之一時(shí)，須進(jìn)行事故停機(jī)：軸承過熱、調(diào)相運(yùn)行解列、

油壓裝置油壓事故下降、機(jī)組過速、機(jī)組振動(dòng)，以及電氣事故。

事故停機(jī)與正常停機(jī)的不同之處在于，事故停機(jī)不等機(jī)組出力減至零，就作用于跳閘，

并同時(shí)進(jìn)行正常停機(jī)過程的操作，從而縮短停機(jī)時(shí)間。

3、機(jī)組在運(yùn)行中遇到下列情況之一時(shí)，須進(jìn)行緊急事故停機(jī)：機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到140%nr

的飛逸轉(zhuǎn)速和機(jī)組事故停機(jī)過程中剪斷銷被剪斷。

由于緊急事故停機(jī)是在導(dǎo)葉不能關(guān)閉的情況下所進(jìn)行的停機(jī)操作，其操作除了按

事故停機(jī)過程進(jìn)行外，還作用于關(guān)閉蝴蝶閥或快速閘門。

4.簡述水電機(jī)組的兩段開機(jī)特性及其作用；

答：為了防止機(jī)組在緊急停機(jī)過程中由于快速關(guān)閉導(dǎo)葉而引起抬機(jī)和過水系統(tǒng)中的壓

力過高，自動(dòng)化系統(tǒng)可設(shè)置分段關(guān)閉裝置。機(jī)組的兩段關(guān)閉特性如下圖所示：