什麼是水輪機調速器？水輪機調速器的作用是什麼？
答：水輪機調節是通過水輪機調節系統根據機組轉速的變化不斷地改變水輪機過流量來實現的。水輪機調節系統是由調節控制器、液壓隨動系統和調節物件組成的閉環控制系統（如圖1-1）。
通常把調節控制器和液壓隨動系統統稱為水輪機調速器。
圖1-1 水輪機調節系統構成圖
水輪機調速器作用是保證水輪發電機的頻率穩定、維持電力系統負荷平衡，並根據操作控制命令完成各種自動化操作，是水電站的重要基礎控制裝置。
水輪機調速器的發展歷程是怎樣的？
水輪機調速器問世以來，水輪機調速器先後經歷了三代的發展：水壓放大、油壓放大式的機械式液壓調速器（20世紀初-20世紀50年代）、模擬電路加液壓隨動系統構成的電液式調速器（20世紀50年代-20世紀80年代）和微機調節器配以相應的機械液壓系統構成的微機調速器（20世紀80年代至今）。目前微機調速器以可靠性高、操作簡便全面取代其他型別的調速器。
水輪機調速器調速器有哪些型別？如何劃分？
水輪機調速器的分類方法較多，按調節規律可分為pi和pid調速器；按系統構成分為機械式調速器（機械飛擺式）、電液式調速器及微機調速器；
實際應用中常用是以下幾種區分方式：
1、按我國水輪機調速器國家型譜以及調速器行業規範，調速器分為：中、小型調速器；衝擊式調速器；大型調速器等。中、小型調速器以調速功大小來區分，衝擊式調速器以噴針及折向器數目來區分，大型調速器以主配壓閥名義直徑來區分。
調速器分類表
小型調速器
中型調速器
大型調速器
接力器調速功
w≤1000kg.m
1000kg.m＜w≤7500kg.m
w>7500kg.m
2、微機調速器依據調節器（電氣部分）及機械液壓系統（機械部分）的不同形式，有以下區分：
2.1按調節器的硬體構成有微控制器、工控機、可程式設計控制器三大類調節器。其中微控制器、單版機構成的調節器由於可靠性差、故障率高等多方面原因，已趨於淘汰。
目前可程式設計控制器以其高度的可靠性成為調節器構成首選。
2.2機械液壓系統依據電液轉換電液轉換方式分為：電液轉換器類、電機類、比例伺服閥類、數字閥類。其中電液轉換器類已基本為市場淘汰，其他幾種均有不同廠家生產。
3、按照調速器的適用機組型別分為：衝擊式調速器、單調、雙調。衝擊式調速器適用於衝擊式水輪發電機組；單調適用於無輪葉調節的混流式、軸流定槳式等水輪發電機組；雙調適用於有輪葉調節的軸流轉槳式、燈泡貫流式水輪發電機組。
調速器德操作功如何計算？
調速器的大小依據操作功確定，操作功的計算有多種方法，最簡單的估算公式為：
注：衝擊式不能用該公式
q：機組額定流量，m3/s
h：額定水頭，m
d：轉輪直徑，m
w：操作功，kg.m
微機調速器的調節器（電氣部分）如何選型？
目前微機調速器的調節器硬體構成有微控制器、工控機、可程式設計控制器三大類調節器。
微控制器、單板機是微機調速器早期的調節器產品，系各調速器廠家根據調速系統任務需要，選擇如8051、 8086、8096等微控制器（mcu）為硬體基礎，自行設計線路板構成調節器。由於可靠性低、抗干擾能力差等原因，故障率高。為提高調節器的可靠性，減少故障率，後提出以雙機冗餘方式構成雙微機調節器，但由於缺乏專業的抗干擾設計，生產上又缺乏嚴格的元器件老化、篩選過程以及嚴格的焊接工藝保證等多方面原因，未能根本解決可靠性問題。
因此逐步退出了市場，但由於成本低廉，依然有些廠家生產。
後隨著基於ipc（工業控制微機）和plc（可程式設計邏輯控制器）等通用處理器平台的不斷發展完善。國內迅速的將可靠性能高的ipc和plc等通用微機平台應用於水輪機調速器領域，實現了調節器的硬體可靠性的進步，放棄了以單板機、微控制器及基於8098、8086等的雙微機作為主機硬體平台的專用調節器之路。
ipc（工業控制微機）是通過對個人計算機（pc）的板路、記憶體以及機箱等進行專門電磁相容設計，使它能應用於環境惡劣的工業控制環境的pc。其特點是：程式移植性強；能實現多工併發等。
但由於其硬體設計還是基於商用個人計算機（pc）的匯流排結構，而且軟體平台必須基於windows或liux等作業系統上，因此其可靠性還是比完全針對工業現場設計的plc（可程式設計邏輯控制器）少乙個數量級。正是由於這個原因，近年各ipc（工業控制微機）廠家紛紛推出按plc匯流排構架的工業控制微機（pcc）。與常規plc相比較，pcc最大的特點在於其類似於大型計算機的時分復用作業系統，支援多工併發處理。
其可靠性到沒有很大提高。
plc（可程式設計邏輯控制器）是專門為解決工業現場惡劣環境而誕生的工業控制計算機系統，其高可靠性已得到廣泛的驗證。國內將其應用於水輪機調速器後，以其優異的高可靠性能立即成為調速器的主流方向。目前出現的各種調速器控制系統還沒有比plc可靠性更高的，因此宜優先選用plc作為調速器的調節控制核心。
調節器應選用雙微機系統還是單微機系統？
由於調節器硬體平台的演變，我國微機調速器的系統結構經歷了從單微機系統、雙微機系統到雙通道容錯系統的發展過程。一段時間，基本上公認雙通道容錯的系統結構可靠性較高、容錯能力較強。但隨著plc（可程式設計邏輯控制器）的微機調速器的問世，由於計算機主機系統的可靠性大幅度提高，人們對雙微機系統的必要性提出了質疑？
為了提高微機調速器的可靠性，國內不少廠家對微機系統的設計採用了冗餘結構。但是，從現場執行的狀況來看，其故障絕大部分來自微機系統外部，元器件特別是大規模積體電路的故障率畢竟很低，而出自軟體內部的問題，靠冗餘無法解決；對於雙微機系統，多乙個雙機通訊和檢測切換電路，多乙個雙機切換時的負荷擾動，就會多乙個故障隱患和不可靠因素。從實際效果來看，雙機系統的硬/軟體結構複雜，可靠性不一定比單機系統高。
而且從理論上講，結構越簡單可靠性越高，而且結構簡單可省掉雙機系統必需的一些通訊、檢測和切換元件，使用者以後的維護也更加方便。
從國外的水輪機微機調節器系統結構來看，既有單系統、也有雙系統的。但國外一些著名的調速器製造公司，如 vioth、abb、woodward等，均採用了訊號測量和調節處理完全分開的設計思想，即採用多cpu的結構形式。所以可靠性的提高在於將任務進行合理的劃分，而不是任務的集中管理。
同時，模組化的硬體設計不僅容易得到可靠性的保證，而且使得軟體的設計具有更大的靈活性和針對性。
調速器機械液壓系統分為哪些型別？
調速器機械液壓系統隨電液轉換方式的不同，分為：電液轉換器類、比例伺服閥類、數字閥類及電機類。其中電機類還分為步進電機和伺服電機兩類。
調速器機械系統如何選型？
水輪機微機調速器是乙個典型的數字式液壓位置伺服系統，數字式液壓位置伺服系統按電液轉換環節介面控制方式主要分為兩大類：間接數字控制和直接數字控制。
間接數字控制是指電液伺服系統通過d/a轉換環節，以模擬量介面實現數字控制。比例伺服閥採用4～20ma 的線性電流作為驅動訊號，微機調節器必須通過d/a轉換環節，以模擬量介面實現控制，因此比例伺服閥調速器是乙個典型的間接控制方式的數字式液壓位置伺服系統。傳統的各類伺服閥也都屬於這類伺服系統。
隨著計算機技術在流體控制系統中的大量應用，數碼化成了一種必然的趨勢。與間接數字控制方法相反，控制量不通過d/a介面，直接以數字開關訊號與電液伺服系統介面實現數字控制的方式稱為直接數字控制。目前主要有以下兩種方式實現：
其一是利用數字執行元件——步進電機加適當的旋轉—直線運動轉換機構驅動閥芯實現直接數字控制，由於這類數字控制項一般按步進的方式工作，因而常稱為步進式數字閥或離散式比例閥。通過合理的設計，這類閥具用重複精度高及無滯環的優點。
其二是對高速開關閥的（脈寬或脈衝調製）控制。通過控制開關元件的通斷時間比，以獲得在某一段時間內流量的平均值，進而實現對下一級執行機構的控制。在流體動力系統中，這種控制方式的控制訊號是開關量，因而是直接數字控制。
該控制方式具有不堵塞、抗汙染能力強及結構簡單的優點。
採用間接控制方式構成的系統通過d/a介面實現數字控制，這種方法存在如下缺點：（1）由於控制器中存在著模擬電路，易於產生溫飄和零飄，這不僅使得系統易受溫度變化的影響；同時，也使得控制器對伺服閥本身的非線性因素如死區、滯環等難以實現徹底補償。（2）用於驅動比例閥和伺服閥的比例電磁鐵和力矩馬達存在著固有的磁洩現象，導致閥的外控制特性表現出2%-8%的滯環，採用閥芯位置檢測和反饋等閉環控制的方法可以基本消除比例閥的滯環，但卻使閥的造價大大增加，結構複雜，可靠性降低。
（3）由於結構特點所決定，比例電磁鐵的磁路一般只能由整體式磁性材料構成，在高頻訊號作用下，由鐵損而引起的溫公升較為嚴重。因此直接數字控制方式明顯優於間接數字控制方式。
作為直接數字控制方式的步進式數字閥和開關閥相比較：步進式數字閥按步進的方式工作，具用重複精度高及無滯環的優點。但是，步進式數字閥通過閥芯的步進運動將輸入的訊號量轉化為相應的步數（脈衝數），因而存在著量化誤差，通過增加閥的工作步數可以減小量化誤差，但卻使閥的響應速度大大降低。
同時，步進式調速器必須保留有引導閥和主配結構，造成步進式調速器的結構較複雜，加工件較多，不具有良好的通用互換性。
相較而言，高速開關閥與控制系統的介面更簡單，且不需要中間環節就能構成直接數字控制系統，應用前景十分廣闊。將高速開關閥應用於水輪機微機調速器，能實現整個系統的數位化，構成全數字式調速器。
但由於流量、壓力脈動等因素的限制，數字閥在大型調速器上的應用範圍受到一定的限制，目前僅能應用於操作功不大於17000kg.m的非雙調機組的調節控制。
綜上所訴，中小型調速器選用數字閥較為適宜，大型調速器宜選用步進電機（但要注意控制方式——參見後述關於電機類調速器的比較說明）。
伺服電機與步進電機類調速器的區別與比較？
電機類調速器分為伺服電機及步進電機兩種。
伺服電動機又稱執行電動機，在自動控制系統中，用作執行元件，把所收到的電訊號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當訊號電壓為零時無自轉現象，轉速隨著轉矩的增加而勻速下降。
步進電機是一種離散運動的裝置，它和現代數字控制技術有著本質的聯絡。在目前國內的數字控制系統中，步進電機的應用十分廣泛。隨著全數字式交流伺服系統的出現，交流伺服電機也越來越多地應用於數字控制系統中。
為了適應數字控制的發展趨勢，運動控制系統中大多採用步進電機或全數字式交流伺服電機作為執行電動機。
雖然兩者在控制方式上相似（脈衝訊號和方向訊號），但在使用效能和應用場合上存在著較大的差異，從控制精度、低頻特性、距頻特性、過載能力、速度響應能力比較起來，全數字式交流伺服電機無疑比步進電機優異得多。但步進電機應用於調速器上，可以使用這樣的控制方式：僅控制步進電機的轉動方向和啟/停，因為伺服電機主要強調的閉環控制，這種開環的控制方式是伺服電機不具備的控制方式。
這樣就可以和調節器構成乙個以「模糊控制」為基礎的直接數字控制方式的調速器。（注：不是所有的步進式調速器均採用這種控制方式，其區別具在於調節器是否具有d/a環節）。
綜上所述，在基於間接數字控制模式的調速器中，全數字式交流伺服電機調速器比步進電機具有優越性；但基於直接數字控制的步進式調速器明顯優於間接數字控制的各型調速器。
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