книги из ГПНТБ / Пивоваров В.А. Проектирование и расчет систем регулирования гидротурбин

рования величина kz должна приниматься минимальной. После выбора параметров регулятора, обеспечивающих требуемое каче­ ство процессов регулирования, необходимо проверить устойчи­ вость внутреннего контура регулятора, принимая, согласно ско­ ростной характеристике сервомотора, максимальное значение коэффициента kc.

Проведем количественную оценку различных участков ско­ ростной характеристики. В современных ЭГР с обратными свя­ зями от главного сервомотора коэффициент усиления от чувстви­ тельного элемента к главному золотнику составляет 8—15 мм/%. Значит, перекрытию I = 0,25 мм соответствует изменение ча­ стоты вращения гидроагрегата 0,015—0,03%, а парциальностн, равной т = 2 мм, соответственно 0,13—0,25%. Из приведенных цифр видно, что золотник смещается в пределах перекрытий при достаточно малой величине колебания частоты.

Исходя из этого, при расчете динамики системы регулирова­ ния коэффициент усиления сервомотора /ес целесообразно опре­

системы будет наблюдаться лишь при очень малых отклонениях частоты изолированной нагрузки (порядка ±0,02%), что не может оказать заметного влияния на качество работы системы регули­ рования. Для указанного участка зависимости ѵп = f (S) пло­ щадь f = ndSh, p = 0,65. Учитывая, что ф = і/фтах, получим формулу, по которой определяется коэффициент усиления серво­ мотора,

(3.93)

Если в (3.93) величина у выражена в %, то kQизмеряется в %/с-мм.

Максимальное значение kc, используемое для проверки устой­ чивости внутреннего контура регулятора, также может быть полу­ чено по выражению (3.93), но величина теперь будет определяться шириной окон в буксе, соответствующей смещению золотника S > т.

На рис. 63 тангенс угла наклона участка прямой к гори­ зонтальной оси при S > т представляет собой /ес „1лх.

Точно таким же путем производится построение скоростной характеристики дифференциального сервомотора. Только в этом случае нужно учесть, что в формуле (3.92) под знаком корня не будет коэффициента 0,5, а величину kc по выражению (3.93)

следует умножить на )/2 . Кроме того, при произвольном выборе рабочих площадей поршня дифференциального сервомотора, когда Ei =г= 2Е2, в (3.92) и (3.93) нужно брать то значение Еп, которое соответствует рассматриваемому направлению движения поршня.

22.Электрические усилители

Вэлектрогидравлических регуляторах скорости электрические усилители предназначены для обеспечения в системе необходимого усиления по мощности и чувствительности.

При проектировании регулятора выбор надлежащей конструк­ ции электрического усилителя играет исключительно важную роль. Сама схема усилителя во многом определяется теми требо­ ваниями, которые предъявляются к регулятору скорости в отно­

шении чувствительности и качества процесса регулирования. Но когда усилитель выбран, то его тип и схема практически опре­ деляют конструкцию других цепей и звеньев, входящих в элек­ трическую часть регулятора, а также конструкцию устройства, преобразующего электрические сигналы в механическое переме­ щение. Поэтому, прежде чем приступить к разработке принци­ пиальной схемы регулятора, конструктор должен решить вопрос, выбрать ли усилитель полностью на постоянном токе, полностью на переменном токе или комбинированный. Каждый из этих уси­ лителей может быть электронным, магнитным или транзисторным.

Выбор усилителя зависит от многих факторов. Установлено, например, что любой усилитель постоянного тока более чувстви­ телен к влиянию таких факторов, как уровень входного сигнала, стабильность источников питания, условия окружающей среды и т. д., которые вызывают дрейф нуля усилителя. В таких усили­ телях необходимо предусматривать соответствующие средства для уменьшения дрейфа.

Усилители переменного тока по сравнению с усилителями по­ стоянного тока обладают рядом существенных преимуществ, наи­ более важными из которых являются простота и отсутствие дрейфа нуля. В них межкаскадные трансформаторы или переходные кон­ денсаторы отделяют сигналы дрейфа, имеющие низкую частоту, от полезных сигналов переменного тока. В то же время усилители переменного тока обладают большой чувствительностью к лож­ ным сигналам, это является их недостатком.

При выборе усилителя следует учитывать также его инерцион­ ность, так как она ограничивает величину коэффициента усиления регулятора в разомкнутом состоянии. Наибольшей инерцион­ ностью обладают магнитные усилители, что является их суще­ ственным недостатком. Инерционность определяется значительной индуктивностью управляющих обмоток. Однако магнитные уси­ лители по сравнению с другими типами отличаются очень важным для практики свойством — высокой надежностью и долговеч­ ностью. По этой причине магнитные усилители нашли широкое применение в системах автоматического регулирования и управ­ ления.

В первых модификациях электрогидравлических регуляторов скорости, выпускавшихся ЛМЗ и рядом зарубежных фирм, для усиления электрических сигналов применялись электронные уси-

14 6

лители постоянного тока. Особенностью этих усилителей является их высокое входное сопротивление и практическая безынерционность. Однако большое выходное сопротивление таких усилите­ лей, относительно низкий срок службы электронных ламп и на­ личие катода с подогревом привело к тому, что регуляторы с ламповыми усилителями не могли удовлетворить непрерывно усложнявшимся требованиям к системе автоматического регули­ рования гидротурбин. В современных ЭГР, выпускающихся ЛМЗ, применяются магнитные и транзисторные усилители.

Ю

'Ußx

Рис. 64. Схема (а) и характеристика (б) простейшего магнит­ ного усилителя

Упрощенная схема магнитного усилителя показана на рис. 64, а. Принцип его действия основан на зависимости магнит­ ной проницаемости ферромагнитных материалов на переменном токе от величины подмагничивающею действия постоянного тока. Магнитный усилитель состоит из двух дросселей 1 и 2. В общую обмотку 3 этих дросселей, которая называется управляющей, или подмагничивающей, подается напряжение ІІЯХ постоянного тока. Это напряжение является входной величиной усилителя. На сер­ дечниках имеются обмотки 4 и 5 переменного тока. При работе усилителя в дросселях возникают переменные магнитные потоки Ф, направления которых показаны на рисунке стрелками. Эти потоки наводят в обмотках электродвижущие силы, причем в управляющей обмотке они взаимно компенсируются. Перемен­ ный ток, протекающий в обмотках 4 и5и нагрузочном сопротивле­

где U — напряжение переменного тока; R x— сумма активных сопротивлений нагрузки R и обмоток 4 и 5; xL — суммарное реак­ тивное сопротивление цепи эти* обмоток.

Индуктивность L каждой из обмоток зависит от числа витков г, коэффициента магнитной проницаемости сердечника ц, площади

.сечения s и длины средней линии I сердечника и определяется по выражению

LI = _0 4£НІ£као-о - (3.95)

Усиление сигналов осуществляется следующим образом. По­ стоянный ток, протекая по обмотке управления, меняет насыще­ ние сердечника, которое определяется величиной силы тока управления / у. С увеличением / у магнитная проницаемость сер­ дечника ц уменьшается. В результате индуктивность обмоток 4 и 5 переменного тока также уменьшается, а сила тока / согласно уравнению (3.94) увеличивается. Характеристикой магнитного усилителя является зависимость силы тока I от величины тока

самом крутом участке характеристики А 1А 2, т. е. с максимальным коэффициентом усиления, обычно вводится дополнительная об­ мотка подмагничивания, называемая обмоткой смещения, которая создает ампер-витки, соответствующие точке А. В этом случае ось I характеристики / = / (/у) проходит через точку А, а ток управления изменяется в пределах от —Д/у до + Д /у.

Крутизна характеристики магнитного усилителя зависит от материала сердечников и частоты тока. В качестве материала обычно применяются трансформаторная (электротехническая) сталь или пермаллой. Усилители, сердечники которых выполнены из пермаллоя, имеют более высокий коэффициент усиления по сравнению с усилителями, имеющими сердечники, изготовлен­ ные из трансформаторной стали. С увеличением частоты тока кру­ тизна характеристики также увеличивается. При этом снижается и инерционность усилителя. Оба эти фактора чрезвычайно важны для повышения качественных показателей работы регулятора скорости.

С целью получения большего усиления в схемах регулятора применяются магнитные усилители с положительной обратной связью, а также соединения усилителей в каскады.

В электрогидравлических регуляторах скорости с электри­ ческими схемами типа ЭГР-М, ЭГР-2М и ЭГР-И, выпускаемых ЛМЗ, применяются магнитные усилители серии ТУМ-А и ТУМ-Б с частотой питания 50 Гц, изготавливаемые Калининским заво­ дом электроаппаратуры.

Кроме усиления, эти усилители обеспечивают суммирование нескольких управляющих сигналов и позволяют использовать их в каскадных схемах.

148

На рис. 65 приведена принципиальная схема усилителей ТУМ-А и ТУМ-Б и показана маркировка выводов их обмоток. Витые лен­ точные сердечники 1 и 2 выполнены из холоднокатаной текстуро­

Рис. 66. Схема двухкаскадного магнитного усилителя электрической схемы типа ЭГР-2М электрогидравлического регулятора скорости

входным, содержит усилители МУ1 и МУ2, а второй, выходной, состоит из МУЗ и МУ4. Оба каскада, соединенные последова­ тельно, выполнены по двухтактной схеме с внутренними обрат­ ными связями. Магнитные поля обратных связей создаются

149

постоянной составляющей тока в нагрузочных обмотках, вклю­ ченных последовательно с однополупериодными выпрямителями

Д 1 - Д 4 и Д5—Д8.

Для смещения характеристик усилителей используются об­ мотки управления 2Н—2К первого каскада и 6Н—6К второго каскада, которые питаются стабилизированным напряжением (эти обмотки и цепи их питания на рисунке не показаны).

На входной каскад магнитного усилителя поступают сигналы от цепей индивидуального и группового регулирования. Сигналы постоянного тока индивидуального регулирования, представляю­ щие собой сумму сигналов от чувствительного элемента, жесткой (статизма) и изодромной обратных связей регулятора и от меха­ низма изменения скорости, вводятся на последовательно соеди­ ненные обмотки управления ЗН—ЗК первого каскада. Обмотки 6Н—6К и 7Н—7К этого каскада (на рисунке не показаны) исполь­ зуются для ввода сигналов группового регулирования. Выходное напряжение первого каскада, снимаемое с балластных резисторов R2 и R3, поступает через резистор R4 на последовательно соединенные обмотки управления ЗН—ЗК и 4Н—4К второго ка­ скада.

Выходной величиной магнитного усилителя является ток в катушке магнитоэлектрического преобразователя (МЭП). С целью уменьшения инерционности усилителя при сохранении достаточно высокого коэффициента усиления, обеспечивающего необходимую точность работы регулятора, второй каскад охвачен жесткой обратной связью. Для этого выходное напряжение усилителя, снимаемое с балластных резисторов R7 и R8, через резисторы R5 и R6 подается на обмотки управления второго каскада. Перемен­ ный резистор R5 служит для регулировки величины общего коэф­ фициента усиления магнитного усилителя.

В электрогидравлических регуляторах скорости статические свойства электрического усилителя обычно оценивают не по его коэффициенту усиления, а по коэффициенту передачи от чувстви­ тельного элемента до катушки преобразователя, т. е. всей выявительной части регулятора. Этот коэффициент !іп измеряется мА/% или мА/Гц. В схемах типа ЭГР-2М величина /ев = (35 -г- -ИгО) мА/%. '

' Как уже отмечалось, магнитные усилители по сравнению с элек­ тронными и транзисторными имеют относительно высокую инер­ ционность. Вследствие этого при указанном значении kB общий коэффициент усиления регулятора в разомкнутом состоянии должен быть ограничен. В противном случае внутренний контур регулятора, охваченный изодромной обратной связью, будет не­ устойчивым.

На практике эта неустойчивость проявляется в возникновении автоколебаний внутреннего контура. Подробный анализ влияния различных параметров регулятора на устойчивость внутреннего контура будет сделан в гл. 5. Здесь лишь отметим, что для расши­

. 150

рения диапазона настройки временной неравномерности bt регу­ лятора при kB = (35 н-40) мА/% первый каскад магнитного уси­ лителя охвачен гибкой обратной связью, состоящей из конденса­ торов С и С1 и переменных резисторов R и R1. В результате дей­ ствия обратной связи первый каскад усилителя приобретает характеристики, близкие к приведенным на рис. 44, б. Такая схема позволяет устанавливать значение временной неравномерности от

Конструктивно схема электрической части регулятора выпол­ нена таким образом, что при изменении величины bt автомати­ чески изменяется и значение сопротивления R, которое определяет постоянную времени гибкой обратной связи. Этим обеспечивается оптимальная с точки зрения устойчивости внутреннего контура регулятора настройка обратной связи.

Указанные выше значения коэффициентов кп и kc соответ­ ствуют структурной схеме регулятора (ЭГРК-2М-250-3), у кото­ рого жесткая и изодромная обратные связи взяты от промежуточ­ ного сервомотора. Иногда эту схему называют шведской.

схеме, в которой эти связи взяты от главного сервомотора. В по­ следнем случае величина произведения knkc, естественно, может быть другой, что потребует некоторой корректировки в-настройке гибкой обратной связи магнитного усилителя. Такая корректи­ ровка ' осуществляется с помощью регулируемого сопротивле­ ния R1, величина которого определяет глубину гибкой обратной связи.

Магнитные усилители для усиления электрических сигналов применяются также в электрогидравлических регуляторах типа

По своей схеме магнитный усилитель регулятора ЭГР-М несколько отличается от рассмотренного выше. Он выполнен двухкаскадным и собран из серийных усилителей типа ТУМ-А, но сердечники его изготовлены не из пермаллоя, а из электротехнической стали. В результате постоянная времени усилителя сравнительно велика (порядка 0,2 с). При этих условиях, чтобы получить необходимый коэффициент усиления и одновременно исключить автоколебания внутреннего контура регулятора, в схеме магнитного усилителя применены две гибкие обратные связи, одна из которых охваты­ вает второй каскад, а другая — оба каскада.

К недостаткам данного усилителя можно отнести отсутствие в схеме элементов настройки усиления и параметров гибких об­ ратных связей. Вследствие этого в эксплуатационных условиях выяснилось, что параметры гибкой обратной связи, охватываю­

151

щей оба каскада, оказывали заметное влияние на устойчивость замкнутой системы регулирования и требовали тщательной на­ стройки, иногда связанной с изменениями в схеме. На некоторых ГЭС она была заменена на жесткую обратную связь. При этом коэффициент усиления устанавливался равным 15 мА/%. На других же ГЭС величина kB достигает 25—30 мА/%. Это значит,

Рис. 67. Схема магнитного усилителя для управления асинхронным двигателем регулятора скорости типа ЭГР-И = 150-10

что настройка параметров усилителя производилась по существу за счет ухудшения, чувствительности регулятора, так как коэффи­ циент усиления от магнитоэлектрического преобразователя до главного золотника практически сохранялся неизменным на раз­ личных ГЭС.

Рассмотрим схему еще одного магнитного усилителя (рис. 67), который применен в опытном электрогидравлическом регуляторе скорости типа ЭГР-И для управления двухфазным асинхронным конденсаторным двигателем типа Д со встроенным редуктором. На рисунке этот двигатель обозначен буквой М. С вала редуктора выходной сигнал с помощью вращающегося трансформатора ТрВ подается на вход магнитного усилителя. В качестве ТрВ исполь­ зуется бесконтактный сельсин. В данном случае магнитный уси­ литель с двигателем и вращающимся трансформатором, осуще­ ствляющим обратную связь по положению, представляет собой следящую систему, преобразующую электрические сигналы в механические перемещения золотника, жестко связанного с валом редуктора.

152

Усилитель, состоящий из МУ1 и МУ2, выполнен по двухтакт­ ной схеме с внутренней обратной связью. Питание усилителя пере­ менным током частотой 50 Гц осуществляется через трансформа­ тор Трі от синхронного тахогенератора, жестко связанного с ва­ лом гидроагрегата. На вход усилителя через обмотки управления

4Н—4К, 5Н—5К, 6Н—бК и 7Н—7К усилителей М У1 и МУ2 посту­ пают различные сигналы постоянного тока: пускового открытия, холостого хода, группового регулирования и выходной сигнал интегратора (эти обмотки на рисунке не показаны). Усилитель имеет два раздельных выхода разного рода тока. Выходной сигнал переменного тока от трансформатора Тр2 испол-ьзуется для управ­ ления электродвигателем М, а сигнал постоянного тока, снимае­ мый, с балластных резисторов R1 и R2, — для создания дополни­ тельных обратных связей.

Для достижения необходимого коэффициента усиления маг­ нитного усилителя он охвачен дополнительной положительной обратной связью, цепь которой содержит резистор R3 и обмотки управления 2Н—2Д. Основная жесткая обратная связь по поло­ жению выходного вала этектродвигателя М осуществляется вра­ щающимся трансформатором ТрВ (сельсином). Выходное напря­ жение сельсина, пропорциональное углу поворота ротора, через мостовой фазочувствителы-іый выпрямитель, содержащий транс­ форматор ТрЗ, трансформатор опорного напряжения Тр4 и диод­ ный мост, подается в обмотки ЗН—ЗК обратной связи усилителей МУ1 и МУ2. На выходе фазочувствительного выпрямителя имеется сглаживающий фильтр, состоящий из конденсаторов С4 и С5 и дросселя Др.

Стабилизация следящей системы достигается введением в цепь обратной связи дифференцирующего звена. С этой цёлью парал­ лельно резистору R4 подключены конденсатор СЗ и резистор R5. Максимальный угол поворота выходного вала двигателя М со­ ставляет 60°, что соответствует изменению открытия направляю­ щего аппарата от нулевого до максимального. При этом ход поршня гидроусилителя, который жестко связан с валом двигателя М, равен 20 мм. Максимальный ток управления, подаваемый на вход магнитного усилителя следящей системы, составляет 4,8 мА.

В заключение рассмотрим схему транзисторного усилителя опытного электрогидравлического регулятора скорости типа ЭГР-П (рис. 68). Он состоит из двух каскадов:' суммирующего, содержащего транзисторы Т1 и Т2, и фазочувствительного, вы­ полненного на транзисторах ТЗ и Т4. Суммирующий каскад пред­ ставляет собой усилитель переменного тока с раздельными вхо­ дами. Его питание осуществляется от трансформатора ТрЗ через выпрямительный мост Д.

На первичную обмотку трансформатора Трі подается напря­ жение переменного тока от цепи изодромной обратной связи, а на первичную обмотку Тр2 — суммарный сигнал от чувствительного элемента, постоянной неравномерности и механизма изменения

153

скорости. Алгебраическое суммирование этих сигналов происхо­ дит на первичных обмотках трансформатора Тр4. Схема позво­ ляет исключить подмагничивание сердечника Тр4, поскольку постоянные составляющие коллекторных токов транзисторов Т1 и Т2 равны и направлены встречно. Чтобы иметь возможность применять транзисторы без их подбора по характеристикам, в эмиттерные цепи включены резисторы R2 и R3. Напряжение питания суммирующего каскада стабилизируется с помощью

Рис. 68. Схема транзисторного усилителя регулятора скорости типа ЭГР-П

стабилитрона Cm. Изменение коэффициента передачи изодромной обратной связи осуществляется с помощью потенциометра R1.

От трансформатора Тр4 суммарный сигнал поступает на фазо­ чувствительный каскад, собранный по двухполупериодной схеме и представляющий собой усилитель мощности с выходом на диф­ ференциальную нагрузку, которой является катушка магнито­ электрического преобразователя (МЭП) регулятора. Фазочув­ ствительный каскад служит для усиления и преобразования сиг­ нала рассогласования переменного тока в сигнал постоянного тока. Для стабилизации характеристик каскада предусмотрены рези­ сторы R4 и R5, которые существенно снижают влияние изменений температуры окружающей среды.

Схема фазочувствительного каскада позволяет практически полностью исключить «дрейф» нуля усилителя, так как средний ток, протекающий в катушке МЭП, на зависит от параметров транзисторов ТЗ и Т4, а влияние нестабильности обратных токов диодов Д1—Д2 и ДЗ—Д4 очень невелико, поскольку в схеме при­ менены высококачественные кремниевые диоды. Максимальный

154