книги из ГПНТБ / Автоматическое управление газотурбинными установками

И з м е р и т е л ь с к о р о с т и является ответственным эле­ ментом схемы регулирования скорости вращения ТВД и ТНД. Измеритель скорости состоит из индуктивного датчика и частото­ мера. Индуктивные датчики ДОС 1 и ДОС 2 представляют собой звездочки, имеющие 24 зубца и насаженные на валы ТВД и ТНД. У звездочек укреплены индуктивные катушки. При вращении тур­ бины меняется магнитное сопротивление системы и в катушках на­ водится э. д. с., частота которой строго пропорциональна скорости вращения, а амплитуда зависит от скорости изменения магнитного потока dO/dt. Последнее приводит к тому, что при разных скоро­ стях вращения и амплитуда э. д. с. будет разной.

Для указанной конструкции датчика и частота и амплитуда э. д. с. зависят от скорости вращения. Значит, и тот и другой параметры э. д. с. можно принять в качестве сигнала, характеризующего ско­ рость вращения турбины. Более целесообразно за сигнал, пропор­ циональный скорости вращения, принять частоту. Напряжение э. д. с. имеет не синусоидальную форму, искажается помехами, зависит от зазоров и точности установки катушек, от колебаний напряжения источника питания и т. д. Избавиться от указанных помех весьма сложно, поэтому датчик, основанный на изменении э. д. с., имеет низкие точность и стабильность. Частота же э. д. с. строго пропор­ циональна только скорости вращения и не подвержена никаким по­ мехам. Поэтому в качестве сигнала, характеризующего скорость вращения турбины, была выбрана частота э. д. с. датчика. Так как в электрической схеме сравниваются напряжения постоянного тока, то частоту э. д. с. датчика следует преобразовать в постоянное на­ пряжение, что осуществляется частотомером (рис. V.8).

Частотомер состоит из входных ограппчителей амплитуды э. д. с. датчика £7дОС, в качестве ограничителей применены стабили­ троны Д809. Ограниченное напряжение Uorp преобразуется триг­ гером Шмидта на транзисторах Т1 и Т2 в импульсы Um, имеющие крутые передние и задние фронты. Импульсы дифференцируются цепочкой, состоящей из сопротивления R7 и емкости С1, после чего получаются импульсй напряжения £/„. Они подаются на ждущий мультивибратор, выполненный на транзисторах ТЗ, Т4. Ждущий мультивибратор выдает импульсы постоянной амплитуды Uа и по­ стоянной длительности т. Так как частота напряжения 27дос строго пропорциональна скорости вращения турбины, то и частота импуль­

182

т

Если отфильтровать все гармоники, то при Ua = const и %= const постоянная составляющая

^ о . с = - ^ т = а д

строго пропорциональна частоте /, т. е. скорости вращения турбины. Постоянство Uа и % достигается применением стабилизированного источника питания. Измеритель скорости имеет следующие техни­ ческие данные: U0,c = 5 в при частоте 1000 гц, линейность 0,2%, термостабильность 0,2—0,5% в диапазоне температур 10—60° С.

183

Имея два напряжения (£/э, вырабатываемое задающим устрой­

— и э — С/0.с. Регулятор должен эту ошибку сводить к минимуму. У с и л и т е л ь р а с с о г л а с о в а н и я также является важ­ ным элементом регулятора. Рассмотрим схему получения ошибки AU и ее усиления, а также схему регулятора приемистости (рис. V.9). Сигнал ошибки получается вычитанием напряжения U0. с из U3. РІапомним, что U3 строго постоянное напряжение, а Ua с импульсное. Поэтому ошибка АU также имеет импульсный характер. Для нор­ мальной работы регулятора необходимо выделить из напряжения

ошибки только постоянную составляющую, т. е.

AU = U3~ & a-jr.

Поэтому высшие гармоники разложения ряда Фурье (V.4) сле­ дует отфильтровать, так как они являются помехой и могут насы­ щать последующие элементы. Для этого применены фильтры, со­ стоящие из индуктивности L, емкости С и сопротивления R (на рис. V.9, а фильтры образуются элементами Др, і?ф1, Сф1, і?ф2, Сф2). Постоянные времени фильтров 0,01 и 0,02 сек. После фильтра­ ции получаем напряжение ошибки AU практически постоянным.

Для приведения в действие исполнительных механизмов сигнал ошибки необходимо усилить по мощности. Для этого служат различ­ ные типы усилителей (ламповые, полупроводниковые, на постоянном

ипеременном токе). Известно, что усилители постоянного тока не­ стабильны и сложны в наладке и изготовлении. Поэтому целесооб­ разно выполнять усилитель полупроводниковым на переменном токе. Транзисторный усилитель имеет много преимуществ перед ламповым: не ограничен срок службы, не нужны энергия на накал

ипредварительный нагрев, устойчив к вибрациям и т. д. Поэтому

вдальнейшем рассматриваются только транзисторные усилители переменного тока.

Постоянный сигнал ошибки следует преобразовать в переменный,

для чего использован стандартный вибропреобразователь ВП-2 (возможно применение и бесконтактного модулятора). Он преобра­ зует напряжение ошибки AU опять в прямоугольные импульсы. Импульсы подаются на эмиттерный повторитель (транзисторы Т1 и Т2), имеющий большое входное сопротивление. Далее они усили­ ваются каскадами на транзисторах ТЗ, Т4, Т5\ одновременно из-за наличия емкостных связей фильтруются высшие гармоники. Поэтому на выходе каскадов получается практически синусоидальное напря­ жение.

Р е г у л я т о р п р и е м и с т о с т и выполняет функции огра­ ничения температуры перед ТВД посредством ограничения хода ре­ гулирующего клапана. В электронном регуляторе ход регулирую­ щего клапана пропорционален ошибке АU. При больших ошибках, что может быть при набросе нагрузки или при резком увеличении

184

задающего напряжения U3 для изменения режима, перемещение регулирующего клапана будет также большим. Это вызовет резкую подачу топлива в камеру сгорания и вследствие этого резкий скачок температуры перед ТВД. Как указывалось выше, такие скачки недопустимы. Чтобы их избежать, надо уменьшить ошибку рассо­ гласования АU и связать ее с производительностью компрессора. Ограничитель ошибки АU назовем регулятором приемистости (см.

рис. V.9, б).

На диод поданы два встречно включенных напряжения: одно — усиленный сигнал ошибки АUx, другое — напряжение измерителя

проводит тока. По мере увеличения давления Uр становится больше k U x и в нагрузке появляется сигнал АС/2, так как теперь диод Д проводит ток. Следовательно, ток в нагрузке зависит от ве­ личины Up, чем и] ограничивается напряжение на нагрузке при больших AUx. Нетрудно видеть, что при отрицательных -AUх огра­ ничитель не работает, следовательно, он ограничивает АС/2 только при увеличении АUx. Это может происходить при набросе нагрузки или при увеличении уставки скорости.

Наличием задающего устройства, которое медленно меняет U3 при изменении режима турбины или при ее пуске, и регулятора приемистости как бы дважды ограничивается температура перед ТВД. Благодаря двойному ограничению значительно повышается надежность турбины. При сбросе нагрузки и уменьшении уставки скорости регулятор приемистости не работает. Этим обеспечивается быстрое протекание переходных процессов, что положительно ска­ зывается при сбросах нагрузки. Отметим, что двойное ограничение температуры перед ТВД отсутствует в гидродинамическом регуляторе.

Принципиальная схема регулятора приемистости показана на рис. V.9, а. От манометра МЭД напряжение переменного тока, амплитуда которого пропорциональна давлению после компрессора, выпрямляется выпрямителем В. После получения искусственной средней точки напряжение усиливается транзисторами Т8, T9 и подается на ограничивающие диоды Д9, которые ограничивают по­ ложительную и отрицательную полуволны усиленного сигнала ошибки AUX. Для настройки регулятора приемистости служит сопротивление і?п, которое меняет уровень ограничения. Регулятор приемистости можно отключать тумблером П2. Характеристика регулятора приемистости (см. рис. Ѵ.9, в) наглядно показывает эффективное ограничение сигнала ошибки при давлении за ком­ прессором до 2 кгс/см2. В регуляторе приемистости происходит осла­ бление сигнала ош ибки, поэтому, чтобы восстановить уровень сиг­ нала, применяются еще два каскада усиления на транзисторах Тб, Т7 с трансформаторным выходом, после которых напряжение ошибки имеет величину Uх.

П о з и ц и о н е р ы преобразуют напряжение Uх в угол пово­ рота или линейное перемещение золотника, меняющего слив проточ­

186

ного масла. В рассматриваемой схеме используется поворотный зо­ лотник, для привода которого примеиен маломощный двигатель переменного тока типа АДП-362. Через понижающий червячный редуктор двигатель соединен с поворотным золотником. Угол пово­ рота золотника 60° при усилии на нем 10 кгс, что вполне обеспечи­ вает надежную работу.

Для преобразования напряжения ІІг в угол поворота золотника служит маломощная следящая система (рис. Ѵ.10), состоящая из двигателя АДП-362, усилителя мощности и двух обратных связей: по углу поворота ср и скорости вращения двигателя со. Схема состоит из входного эмиттерного повторителя на транзисторах Т1, Т2 с об­ щим коллектором, что обеспечивает большое выходное сопротивле­ ние каскада. Перед каскадом поставлен ограничитель на диодах Д101А, предотвращающий насыщение последующих каскадов при больших сигналах. После входного каскада необходимое усиление по' напряжению и мощности достигается с помощью усилителя на транзисторах ТЗ—Т5. Последний каскад усиления имеет трансфор­ маторный выход. Трансформатор Трі является одновременно фазоинвертором и согласующим элементом для усилителя мощности, который выполнен на мощных транзисторах Тб, Т7 по двухтактной схеме с трансформатором Тр2. На вторичную обмотку последнего включена обмотка управления ОУ двигателя АДП-362.

В качестве датчика угла поворота золотника <р применен сель­ син БД-405, с которого снимается сигнал в виде переменного напря­ жения. Коэффициенты обратной связи регулируются сопротивле­ нием R1. Напряжение обратной связи по скорости вращения двига­ теля получается с помощью тахометрического моста, состоящего из сопротивлений R6 и емкостей С1, С2. Коэффициенты обратной связи регулируются сопротивлением R7. Напряжение обратной связи по скорости вводится на вход транзистора Т4. Наличие двух обрат­ ных связей дает возможность осуществить следящую систему, опти­ мальную по быстродействию при больших ошибках рассогласования. Следящая система обеспечивает быстрое перекрытие золотника при аварийных режимах. При малых ошибках рассогласования система является обыкновенной линейной следящей системой. Угол ср = 60° отрабатывается следящей системой за 0,2 сек без перерегулирования при усилии 10 кгс.

Для перемещения золотника сбросных клапанов применена точно такая же следящая система. Следовательно, всего необходимо три унифицированных следящих системы: для регулирующего и двух

режимов турбины и для организации различных защит. Прежде всего необходимо включить пусковое устройство после раскручивания турбины турбодетандером. Пусковое устройство включается реле скорости, после того как скорость вращения турбины достигнет

187

вращения ТВД, регулятор следует переключить на, стабилизацию ско­ рости вращения ТНД. Для этого датчик скорости вращения ТВД следует переключить на датчик скорости вращения ТНД. Переклю­ чение осуществляется реле при скорости вращения ТНД 2800— 3000 об/мин.

Наиболее ответственна защита турбины от превышения скорости вращения, допустим, при сбросах нагрузки. При превышении скорости выше номинальной на 5—7% следует быстро закрыть ре­ гулирующий клапан и открыть сбросные. Эти операции осуще­ ствляются также с помощью реле скорости. Наконец, желательно

wo

иметь и предупредительную сигнализацию. о превышении скорости до открытия сбросных клапанов, чтобы привлечь внимание обслу­ живающего персонала.

Реле скорости построено по принципу сравнения паузы между импульсами датчика скорости ТНД (или ТВД), которая пропорцио­ нальна скорости вращения, и времени задержки ждущего мульти­ вибратора. При совпадении импульсов срабатывает реле скорости (рис. V.11). Импульсы ДОС дифференцируются и поступают на жду­ щий мультивибратор, выполненный на транзисторах Т1 и Т2. Муль­ тивибратор срабатывает от заднего фронта импульсов ДОС. С мультивибратора импульсы поступают на схему сравнения (транзи­ сторы ТЗ и Т4), на второй вход которой подаются импульсы от переднего фронта ДОС через диод Д9Д.

Работа реле скорости показана на диаграммах (рис. V.11, б). Импульсы и л1 и Сд2 получаются после дифференцирования перед­ него и заднего фронтов импульсов Сд0сОт импульсов СД1 срабатывает

188

ждущий мультивибратор, который выдает импульсы UM с длитель­ ностью т. При малой скорости вращения, как видно из левых диа­ грамм, импульсы Uд2 и и ы не совпадают. Поэтому на реле не посту­ пает сигнала и оно не срабатывает. При увеличении скорости враще­ ния частота импульсов Uдос возрастает, а длительность импульсов ждущего мультивибратора остается постоянной. Наступит такой момент, когда импульсы С/д2 и ЕД, начнут совпадать, как это пока­ зано на правых диаграммах.

Совпадение импульсов вызовет срабатывание схемы сравнения, на выходе которой появится серия импульсов, которая далее интегрируется с помощью накопителя (Д103, С1) и усиливается

Рлс. V.10. Прин­ ципиальная схема следящей системы, преобразующей напряжение ^ в угол поворота зо­ лотника.

транзисторами Тб—T9 до мощности, необходимой для срабатывания реле Р. Порог срабатывания, как видно из диаграмм, можно менять, изменяя задержку, т. е. длительность импульса, ждущего мульти­ вибратора. Для этого служит переменное сопротивление R2. Реле весьма надежно и помехоустойчиво, так как срабатывает не от од­ ного, а только от серии совпадений. Для получения сигналов о до­ стижении определенных скоростей применяется необходимое коли­ чествѣ реле. Срабатывание реле сигнализируется лампами.

Рассмотрев отдельные узлы электронной части, скомпонуем полную схему электрогидравлического регулятора скорости (рис. Ѵ.12). Работа схемы регулирования протекает следующим образом. По сигналу от схемы управления (от реле скорости) вклю­ чается пусковое устройство Б П и начинает изменять эталонное напряжение ЕД по линейному закону таким образом, чтобы разгон турбины происходил за 8—10 мин. Эталонное напряжение сравни­ вается с напряжением обратной связи ЕД. с, которое пропорционально

189

І С л и в

Рис. У .12. Принципиальная схема электрогидравлической системы регулирования скорости вращения газовой турбины.