本实用新型属于自动控制领域，具体涉及一种中小水力发电站水轮开度调速结构。
背景技术：
水力发电是利用河流、湖泊等位于高处具有势能的水流至低处，将其中所含势能转换成水轮机的动能，再以水轮机为原动力，推动发电机产生电能的过程。水力发电的基本原理是利用水位落差，配合水轮发电机机组产生电力，也就是利用水的位能转为水轮的机械能，再以机械能推动发电机，而得到电力。科学家们以此水位落差的天然条件，有效的利用流力工程及机械物理等，精心搭配以达到最高的发电量，供人们使用廉价又无污染的电力。
因水力发电厂所发出的电力电压较低，要输送给距离较远的用户，就必须将电压经过变压器增高，再由空架输电线路输送到用户集中区的变电所，最后降低为适合家庭用户、工厂用电设备的电压，并由配电线输送到各个工厂及家庭。而且用户在用电过程中除要求供电安全可靠外，对电网电能质量也有十分严格的要求。按我国电力部门规定，电网的额定频率为50Hz，对我国的中小电网来说，系统负荷波动有时会达到其容量的5％-10％。电力系统负荷的不断变化，导致了系统频率的波动，因此，需要根据水流量或压力大小不断的调节水轮机导叶的开度，从而调整发电机组的输出功率，维持机组的发电量，这就是水轮机调节的基本任务，而系统频率的波动相应直观的便是水轮机的转速，从外部来看便是水轮机中飞轮的转速，一般情况下也可直接通过飞轮的转速来监控输出端电力频率的变化。尤其是针对中小水力发电站，其水轮机的位数较小，哪怕出现较小幅度的系统负荷变化，也可能影响到系统的频率，因此，针对中小水力发电站，更需要格外注意水轮机导叶的开度，乃至监控飞轮的转速，从而保证系统频率的稳定。
传统水轮机导叶开度的控制主要是由人工来完成，其在启动发电机进行工作时，首先由发电操作人员通过手动转动手动轮盘使水轮机导叶开到一定位置，并观察发电机的频率值为46-48Hz范围，然后成功建立电压后多次不间断的手动转动手动轮盘来调整水轮机导叶的开度，从而配合保证发电机整个工作过程的成功并网输送电。整个过程均由人员手动来调整,在完成机组开机，输出有功功率的调整称重中，响应速度慢、效率低，而且对电网造成波动性大。特别是发电机组在正常运行中突然停电时，会造成发电机甩负荷飞车，在机组灭磁和断路器分闸后，同时还需要利用调速器高速关闭水轮机导叶的开度来保护机组。在飞车的情况下靠人员来手动灭磁、断路器分闸和操作调速器关闭水轮机导叶开度显而是会给发电机设备和电网设备以及操作人员带来以下三点安全隐患：1.机组传动部分的离心力会成倍增长，所以对发电机转子、导叶、飞轮均可能造成松动变形设置脱离的危险，严重影响机组安全；2.在飞车时间过长后转速上升严重加剧，机组径向摆动和振动，加剧轴承的负荷，从而破坏轴承，剧烈的振动还可能使机组某些支持部件和地脚螺栓的断裂，损坏机组和厂房人员的安全；3.机组飞车后，如果存在机组没有灭磁、断路器开关没有分闸、机组导叶开度没有及时关闭的情况，会使发电机严重过电压，危害机组的绝缘安全，对同一电线路上的电气设备造成过压损坏。因此，针对上述的各种情况，从根本就需要对水轮机导叶的开度进行精密的控制，以此来稳定水轮机的转速，从而保证系统频率的稳定。
技术实现要素：
(1)要解决的技术问题
针对现有技术的不足，本实用新型要解决的技术问题是提供一种中小水力发电站水轮开度调速结构，该结构能通过接收水轮机系统的实时信息，并进行实时地对水轮机的导叶开度进行调整，保证系统频率的稳定，同时，减少发电设备的开关机时间，并且减少安全隐患和经济损失，提供安全可靠和高质量的电能。
(2)技术方案
为了解决上述技术问题，本实用新型提供了这样一种中小水力发电站水轮开度调速结构，包括机架、涡轮减速器、传动丝杆、步进电机、手动转盘、步进驱动器、逻辑控制器、丝杆升降机、上位机和齿轮传感器；机架外端固定安装有丝杆升降机，丝杆升降机的输出端连接有传动丝杆，传动丝杆伸入机架内，丝杆升降机的输入端连接在涡轮减速器的输出端，涡轮减速器的输入端分立式地连接有步进电机和手动转盘，步进电机外安装有步进驱动器和逻辑控制器，步进电机与步进驱动器电信号连接，步进驱动器与逻辑控制器电信号连接，逻辑控制器外还电信号连接有上位机，飞轮上安装有用于检测飞轮转速的齿轮传感器，齿轮传感器又与上位机电信号连接。
现有情况下水轮机的调速主要靠人力来完成，即通过人工来调节水轮机的导叶开度，从而调整水轮机的调速，其结构为机架内固定安装有螺母，螺母内配合安装有传动丝杆，传动丝杆外端固定连接有手动转盘，传动丝杆伸入机架内，在机架内连接有水轮机系统内的导叶张合器，因此，当需要调整导叶的开度时，可人手工转动手动转盘，带动传动丝杆在螺母内转动，并实现传动丝杆的向内或向外移动，进而通过导叶张合器控制导叶开度的大小。
而通过本实用新型进行水轮机的调速中，进入开始发电状态中时，先由上位机下发开机指令给逻辑控制器，而逻辑控制器将初始设定好的初开度值传输给步进驱动器，由步进驱动器进行信号处理后输出给步进电机，使步进电机根据指令在一定方向、速度、位移量内运行，通过步进电机的转动输入，并经过涡轮减速器和丝杆升降机的传动，从而带动传动丝杆的转动输出，传动丝杆内端又如现有技术一致，连接有水轮机系统内的导叶张合器，在传动丝杆转动时实现传动丝杆的移动，进而通过导叶张合器控制导叶开度开启，即通过步进驱动器和步进电机将水轮机的导叶打开；进入开始发电状态上升中时，上位机控制齿轮传感器持续地对飞轮的转速进行检测，并将检测的飞轮实时的转速信号传输给上位机，此时飞轮的转速即为水轮机的转速，上位机经过处理将水轮机的转速数据传输给逻辑控制器，逻辑控制器又根据水轮机的转速值，经内部程序运算后，逻辑控制器自动按时间比例值输出PWM信号给步进驱动器，使步进电机根据指令在一定方向、速度、位移量内运行，通过步进电机的转动输入，并经过涡轮减速器和丝杆升降机的传动，从而带动传动丝杆的转动输出，在传动丝杆转动时实现传动丝杆的向内或向外移动，进而通过导叶张合器控制导叶开度的大小，即通过步进驱动器和步进电机实时调整水轮机的导叶开度；进入开始发电状态维稳中，当水轮机的转速为额定转速的95％时，发电机会通过励磁机建立起机端电压，励磁升压成功后，上位机再将水轮机的实时转速值经过处理传输信号给逻辑控制器，经逻辑控制器程序运算后，逻辑控制器自动按时间比例值输出PWM信号给步进驱动器，使步进电机根据指令在一定方向、速度、位移量内运行，通过步进电机的转动输入，并经过涡轮减速器和丝杆升降机的传动，从而带动传动丝杆的转动输出，在传动丝杆转动时实现传动丝杆的向内或向外移动，进而通过导叶张合器控制导叶开度的大小，使导叶的开度值调整质上位机允许的范围内；进入稳定的持续发电状态中，发电状态已保持功率相对恒定，在设定的导叶开度值中到达预定频率时，进行并网并实现输出，在输出中，为保证功率的持续输出和频率的稳定，上位机控制齿轮传感器持续地对飞轮的转速进行检测，并将检测的飞轮实时的转速信号传输给上位机，此时飞轮的转速即为水轮机的转速，上位机经过处理将水轮机的转速数据传输给逻辑控制器，逻辑控制器又根据水轮机的转速值，经内部程序运算后，决定是否对步进电机传输指令，步进电机根据指令运行，并通过步进电机的转动输入，并经过涡轮减速器和丝杆升降机的传动，从而带动传动丝杆的转动输出，在传动丝杆转动时实现传动丝杆的向内或向外移动，进而通过导叶张合器控制导叶开度的大小，保证功率的持续输出和频率的稳定。
在发电机正常运行网端突然停电时，水轮机速度将会突然上升，其速度会超出额定转速的10％，此时，齿轮传感器将水轮机超出额定转速10％的速度信号传输给上位机，上位机判断为突然断电，经过处理将该判断信号传输给逻辑控制器，逻辑控制器会立即输出水轮机导叶开度关闭信号给步进驱动器，步进驱动器可以以每秒最大运行速度200KHZ脉冲的频率运行，控制电机运动，并经过涡轮减速器和丝杆升降机的传动，从而带动传动丝杆的转动输出，从而关闭水轮机导叶，在最短的时间内实现水轮机导叶的自动关闭，这样避免了在突然停电时机组的长时间飞车。
(3)有益效果
本实用新型与现有技术相比，首先，本实用新型在结构上通过齿轮传感器对实时状态的信号反馈，当水轮机出现转速的波动时，利用上位机的分析与控制，经过逻辑控制器和步进驱动器到传输控制步进电机发生一定方向、速度、位移量内的运行，从而针对实时情况进行实时的对水轮机导叶开度的调节，这样还可以减少设备完成开关机的时间，同时避免了人员直接去操作，节省人力，又可以实现快速平滑稳定地调整输出功率和频率，完全实现自动化精准化的调节；其次，当发电机组发生飞车和紧急停机事件时，可以精确高速地自动关闭水轮机开度，避免了电网设备、发电机组和操作人员在发生突发时间时可能的安全隐患和经济损失；最后，通过对水轮机导叶开度精确快速的响应调节，在保证输出功率和频率的稳定，能更好充分利用水资源，为广大用户提供安全可靠和高质量的电能，为发电站直接创造经济效益；总体而言，该结构能通过接收水轮机系统的实时信息，并进行实时地对水轮机的导叶开度进行调整，保证系统频率的稳定，同时，减少发电设备的开关机时间，并且减少安全隐患和经济损失，提供安全可靠和高质量的电能。
附图说明
为了更清楚的说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有情况下水轮开度调速结构的剖视图。
图2为本实用新型水轮开度调速结构的剖视图。
附图中的标记为：1-机架、2-螺母、3-传动丝杆、4-手动转盘、5-涡轮减速器、6-步进电机、7-步进驱动器、8-逻辑控制器、9-丝杆升降机。
具体实施方式
为使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面将结合附图对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，以进一步阐述本实用新型，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。
现有情况下水轮机的调速主要靠人力来完成，如图1所示，即为现有情况下水轮开度调速结构的剖视图，即通过人工来调节水轮机的导叶开度，从而调整水轮机的调速，其结构为机架1内固定安装有螺母2，螺母2内配合安装有传动丝杆3，传动丝杆3外端固定连接有手动转盘4，传动丝杆3内端则连接有水轮机系统内的导叶张合器，因此，当需要调整导叶的开度时，可人手工转动手动转盘4，带动传动丝杆3在螺母2内转动，并实现传动丝杆3的向内或向外移动，进而通过导叶张合器控制导叶开度的大小。
一种中小水力发电站水轮开度调速结构，如图2所示，即为本实施方式中水轮开度调速结构的剖视图，包括机架1、涡轮减速器5、传动丝杆3、步进电机6、手动转盘4、步进驱动器7、逻辑控制器8、丝杆升降机9、上位机和齿轮传感器；机架1外端固定安装有丝杆升降机9，丝杆升降机9的输出端连接有传动丝杆3，传动丝杆3伸入机架1内，丝杆升降机9的输入端连接在涡轮减速器5的输出端，涡轮减速器5的输入端分立式地连接有步进电机6和手动转盘4，步进电机6外安装有步进驱动器7和逻辑控制器8，步进电机6与步进驱动器7电信号连接，步进驱动器7与逻辑控制器8电信号连接，逻辑控制器8外还电信号连接有上位机，飞轮上安装有用于检测飞轮转速的齿轮传感器，齿轮传感器又与上位机电信号连接。
通过本实施方式进行水轮机的调速中，进入开始发电状态中时，先由上位机下发开机指令给逻辑控制器8，而逻辑控制器8将初始设定好的初开度值传输给步进驱动器7，由步进驱动器7进行信号处理后输出给步进电机6，使步进电机6根据指令在一定方向、速度、位移量内运行，通过步进电机6的转动输入，并经过涡轮减速器5的传动，从而带动传动丝杆3的转动输出，传动丝杆3内端又如现有技术一致，连接有水轮机系统内的导叶张合器，在传动丝杆3转动时实现传动丝杆3的移动，进而通过导叶张合器控制导叶开度开启，即通过步进驱动器7和步进电机6将水轮机的导叶打开；进入开始发电状态上升中时，上位机控制齿轮传感器持续地对飞轮的转速进行检测，并将检测的飞轮实时的转速信号传输给上位机，此时飞轮的转速即为水轮机的转速，上位机经过处理将水轮机的转速数据传输给逻辑控制器8，逻辑控制器8又根据水轮机的转速值，经内部程序运算后，逻辑控制器8自动按时间比例值输出PWM信号给步进驱动器7，使步进电机6根据指令在一定方向、速度、位移量内运行，通过步进电机6的转动输入，并经过涡轮减速器5的传动，从而带动传动丝杆3的转动输出，在传动丝杆3转动时实现传动丝杆3的向内或向外移动，进而通过导叶张合器控制导叶开度的大小，即通过步进驱动器7和步进电机6实时调整水轮机的导叶开度；进入开始发电状态维稳中，当水轮机的转速为额定转速的95％时，发电机会通过励磁机建立起机端电压，励磁升压成功后，上位机再将水轮机的实时转速值经过处理传输信号给逻辑控制器8，经逻辑控制器8程序运算后，逻辑控制器8自动按时间比例值输出PWM信号给步进驱动器7，使步进电机6根据指令在一定方向、速度、位移量内运行，通过步进电机6的转动输入，并经过涡轮减速器5的传动，从而带动传动丝杆3的转动输出，在传动丝杆3转动时实现传动丝杆3的向内或向外移动，进而通过导叶张合器控制导叶开度的大小，使导叶的开度值调整质上位机允许的范围内；进入稳定的持续发电状态中，发电状态已保持功率相对恒定，在设定的导叶开度值中到达预定频率时，进行并网并实现输出，在输出中，为保证功率的持续输出和频率的稳定，上位机控制齿轮传感器持续地对飞轮的转速进行检测，并将检测的飞轮实时的转速信号传输给上位机，此时飞轮的转速即为水轮机的转速，上位机经过处理将水轮机的转速数据传输给逻辑控制器8，逻辑控制器8又根据水轮机的转速值，经内部程序运算后，决定是否对步进电机6传输指令，步进电机6根据指令运行，并通过步进电机6的转动输入，并经过涡轮减速器5的传动，从而带动传动丝杆3的转动输出，在传动丝杆3转动时实现传动丝杆3的向内或向外移动，进而通过导叶张合器控制导叶开度的大小，保证功率的持续输出和频率的稳定。
在发电机正常运行网端突然停电时，水轮机速度将会突然上升，其速度会超出额定转速的10％，此时，齿轮传感器将水轮机超出额定转速10％的速度信号传输给上位机，上位机判断为突然断电，经过处理将该判断信号传输给逻辑控制器8，逻辑控制器8会立即输出水轮机导叶开度关闭信号给步进驱动器7，步进驱动器7可以以每秒最大运行速度200KHZ脉冲的频率运行，控制电机运动，并经过涡轮减速器5和丝杆升降机9的传动，从而带动传动丝杆3的转动输出，从而关闭水轮机导叶，在最短的时间内实现水轮机导叶的自动关闭，这样避免了在突然停电时机组的长时间飞车。
本实施方式的优点是，首先，本实施方式在结构上通过齿轮传感器对实时状态的信号反馈，当水轮机出现转速的波动时，利用上位机的分析与控制，经过逻辑控制器8和步进驱动器7到传输控制步进电机6发生一定方向、速度、位移量内的运行，从而针对实时情况进行实时的对水轮机导叶开度的调节，这样还可以减少设备完成开关机的时间，同时避免了人员直接去操作，节省人力，又可以实现快速平滑稳定地调整输出功率和频率，完全实现自动化精准化的调节；其次，当发电机组发生飞车和紧急停机事件时，可以精确高速地自动关闭水轮机开度，避免了电网设备、发电机组和操作人员在发生突发时间时可能的安全隐患和经济损失；最后，通过对水轮机导叶开度精确快速的响应调节，在保证输出功率和频率的稳定，能更好充分利用水资源，为广大用户提供安全可靠和高质量的电能，为发电站直接创造经济效益；总体而言，该结构能通过接收水轮机系统的实时信息，并进行实时地对水轮机的导叶开度进行调整，保证系统频率的稳定，同时，减少发电设备的开关机时间，并且减少安全隐患和经济损失，提供安全可靠和高质量的电能。
以上描述了本实用新型的主要技术特征和基本原理及相关优点,对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的构思或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。