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

ная характеристики модели рабочего колеса радиально-осевой турбины РО-230/791. Примерно такой же вид имеют характери­ стики модели ковшовой турбины с той лишь разницей, что зави­ симости q[= / (хО идут параллельно оси х[,так как у ковшовых турбин qx= 0.

определяются непосредственно из моментных и расходных харак­

В данном параграфе рассмотрен универсальный метод опреде­ ления коэффициентов передаточной функции гидроагрегата, при­ менимый к любому типу турбины и для любого режима ее работы, что очень важно для практических расчетов. Конечно, в каждом конкретном случае, исходя из полученных значений коэффициен­ тов, могут быть приняты те или иные допущения, но их следует принимать не до расчета, а в процессе расчета, когда уже стано­ вится ясно, какими величинами можно пренебречь. Это исклю­ чит методические ошибки и даст возможность построить частот­ ные характеристики гидроагрегата с достаточной для практики точностью. /.

33.Критерии для выбора структурной схемы

ипараметров регулятора скорости

Структурную схему замкнутой системы автоматического ре­ гулирования скорости гидроагрегата можно представить в виде, показанном на рис. 89, а,где Wp — передаточная функция регу­ лятора. Согласно определению, данному в гл. 1, в \^р входят

все звенья от чувствительного элемента до сервомотора направ­ ляющего аппарата включительно. Известно, что регулятор ско­ рости может работать как по статической, так и по астатической характеристикам. Однако поскольку статизм регулятора Ьр пред­ ставляет собой жесткую отрицательную обратную связь, то ее введение улучшает устойчивость системы, поэтому худшим слу­ чаем будет Ьр = 0. Исходя из этого, разобьем Wp на два последо­ вательно соединенных звена Wр = WK\/p. В полученном выраже­ нии значение 1/р характеризует передаточную функцию сервомо­ тора -как интегрирующего звена с коэффициентом усиления, равным единице, а \ѴК определяет структуру регулятора или те корректирующие звенья, которые необходимо ввести в систему,

чтобы обеспечить ее устойчи­ вость и требуемое качество процесса регулирования. В ре­

Чтобы определить вид передаточной функции WK, используем метод логарифмических частотных характеристик. Согласно этому методу, необходимо построить частотные характеристики неизме­ няемой части системы WH(iw) и желаемые частотные характери­

Wa известны, то построение амплитудной LHи фазовой срн частот­ ных характеристик неизменяемой части системы Wn (iw) не пред­ ставляет особой сложности. Их вид для гидроагрегата с радиально-^ осевой турбиной показан на рис. 90. Совсем иначе обстоит дело

Рассмотрим, каким образом выбираются желаемые амплитуд­ ная и фазовая частотные характеристики разомкнутой системы ре­ гулирования. Прежде всего необходимо отметить, что выработать какие-либо общие рекомендации по выбору параметров настройки регулятора, отвечающих оптимальному качеству переходных процессов, вряд ли возможно и, по-видимому, нецелесообразно. Для практических целей более важно иметь рекомендации, учи­ тывающие возможные средства динамической коррекции, т. е. для определенной структурной схемы регулятора скорости.

206

В настоящее время наиболее распространенной схемой яв­ ляется регулятор с изодромной обратной связью. Поэтому ниже будут даны некоторые соображения по выбору желаемых частот­ ных характеристик применительно к этому типу регулятора. В данном случае частотный метод с логарифмическими характе­

Рис. 90. Частотные характеристики системы регули­ рования гидроагрегата

В технической литературе по автоматическому регулированию гидротурбин существует большое разнообразие рекомендаций по выбору параметров настройки изодромных регуляторов. Наибо­ лее обоснованными считаются рекомендации Т. Штейна [42], полученные для упрощенной передаточной функции гидроагре­ гата, имеющей вид (4.37).

В качестве критерия оптимальной настройки Штейн принимает минимальное время регулирования при действии единичного скачка возмущающего воздействия. Для номинальной нагрузки

чение которого скачок возмущения уменьшается до величины,

гидротурбин использовал величину степени устойчивости. Учи­ тывая большинство факторов, влияющих на динамику регулирова­ ния гидроагрегата, он показал, что при прочих равных условиях

207

саморегулирования еп. Для различных значений е„ при номиналь­

а Т(і меньше, чем рекомендуется Штейном. Такая настройка способствует уменьшению отклонения скорости в процессе регу­ лирования, но это достигается за счет некоторого увеличения вре­ мени регулирования.

Приведенные рекомендации по настройке изодромных регуля­ торов основаны на анализе переходных процессов при возмуще­ ниях типа единичного скачка и являются в некоторой степени услов­ ными и ограниченными, так как в реальных условиях нагрузка потребителей электроэнергии изменяется непрерывно во времени и беспорядочно, а не в виде отдельных толчков с большим проме­ жутком времени. Качество же процесса регулирования, как из­ вестно, зависит не только от параметров системы, но и от вида воз­ мущающего воздействия, и фактически каждому виду воздей­ ствия должна соответствовать своя настройка регулятора. Строго говоря, воздействия, приложенные к системе регулирования, являются случайными функциями и правильно было бы произво­ дить оценку качества регулирования на основе теории случайных процессов. Однако практические возможности статистических методов исследований пока ограничены.

В настоящее время широкое распространение получило на­ правление, согласно которому возмущающие воздействия рассмат­ риваются в виде периодических колебаний, и в этом случае оценка качества регулирования производится по частотным характери­ стикам системы, по которым может быть построена и кривая пере­ ходного процесса при возмущениях типа единичного скачка.

Используя частотный метод, В. Ойя [19] предложил оценивать качество регулирования по величине эффективности регулирова­

то регулирование отсутствует, а при ц < 0 действие регулятора скорости увеличивает амплитуду возмущающих воздействий.

Аналогичный по смыслу критерий качества регулирования при периодически изменяющемся возмущающем воздействии применяет также Г. И. Кривченко [10]. Качество он характери-

208

зует величиной М, которая представляет собой отношение ам­ плитуд колебаний замкнутой и разомкнутой систем. Согласно рис. 89,

частот, то, по нашему мнению, для инженерной практики наиболее

фазе Аф = 30-^45°. Для воз­ мущений типа единичного скачка нижние пределы указанных

запасов примерно соответствуют рекомендациям Т. Штейна, а верхние — рекомендациям Г. И. Кривченко.

Вернемся к рис. 90 и построим желаемые частотные характери­ стики разомкнутой системы регулирования с изодромным регуля­ тором скорости, используя для этого приведенные запасы АЛ и Дф. В общем виде передаточная функция изодромного регулятора без учета звеньев с малыми постоянными времени соответствует выражению (2.163). Принимая во внимание, что \/р включено в неизменяемую часть системы, получим для корректирующего звена

Принципиально зависимости Ьж— f (со) и фж = / (со) можно построить, задаваясь различными значениями k, Т х, Т 2. Этот путь обычно требует нескольких приближений, и у недостаточно опытного расчетчика он занимает сравнительно много времени. Поэтому укажем на некоторые практические приемы для быстрого построения характеристик Ьж и фж.

Практика расчетов динамики регулирования гидроагрегатов показывает, что частота среза сос амплитудной характеристики Ьж

Г л а в а 5

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА СТРУКТУРНЫХ СХЕМ РЕГУЛЯТОРОВ СКОРОСТИ

34. Анализ структурных схем изодромных регуляторов

Для анализа воспользуемся частотными характеристиками, приведенными на рис. 90. Логарифмическим характеристикам корректирующего звена, которое обеспечивает желаемые харак­ теристики Ьжи срж, соответствует передаточная функция диффе­

дромных регуляторов с обратными связями от главного серво­ мотора (рис. 73, 74) и схема, у которой обратные связи взяты от вспомогательного сервомотора (рис. 72). Упрощенные функ­ циональные схемы систем регулирования с этими регуляторами показаны на рис. 92 и 93. По схеме рис. 92 регуляторы изготав­ ливают ЛМЗ, французская фирма «Neyrpic» и другие, а по схеме рис. 93 — ЛМЗ, шведские фирмы KMW, «Nohab», японская «Hitachi» и др.

Усилители и обратные связи образуют в каждой системе регу­ лирования внутренний регулирующий контур, который, как известно, может быть неустойчивым или обладать высокой колеба­ тельностью, если его параметры выбраны неудачно. С точки зрения качества процесса регулирования этот контур следует рас­ сматривать так же, как регулирующий контур всей системы.,

Вначале исследуем динамические качества всей системы регу­ лирования. В этом случае постоянными времени промежуточ­ ных звеньев можно пренебречь, так как они малы по сравнению с другими постоянными времени и не оказывают заметного влия­ ния на область существенных частот. С учетом этого допущения

мента соответственно до главного золотника и до побудительного

Рис. 92. Функциональная схема системы регулирования с изодромным регулятором и обрат­ ными связями от главного серво­ мотора:

тельный золотник; В С — вспомога­

жесткая обратная связь, определяющая постоянную неравномерность или статнзм регулятора; 0 С Х — местная жесткая обратная связь; И — нзодромная обратная связь; ГА — гидроагрегат и ТГ — тахогенератор

Рис. 93. Функциональная схема системы регулирования с изодромным регулятором и обрат­ ными связями от вспомогатель­ ного сервомотора (обозначения

те же, что и на рис. 92)

с

6)с

Рис. 94. Структурные схемы систем регулиро­ вания с изодромными регуляторами: а—обрат­ ные связи от главного сервомотора; б — обрат­ ные связи от вспомогательного сервомотора

212

Td — коэффициент усиления и постоянная времени изодромной обратной связи, В/%, с; Т у — постоянная времени главного сервомотора как следящей системы, с; с — управляющие сигналы; Wa — передаточная функция гидроагрегата.

Сравнение динамических качеств систем регулирования удобно

Эти передаточные функции можно представить также в сле­

являются передаточными функциями корректирующих звеньев

частотные характеристики этих звеньев в существенном диапа­ зоне частот будут совпадать. Если принять

2 1 3

то Wк и W'K совпадут с (4.49) и, следовательно, при соблюдении условия (5.7) обе структурные схемы обеспечивают желаемые динамические качества системы регулирования.

Рассмотрим физическую осуществимость условия (5.7). В сов­ ременных регуляторах, как правило, величина kp — 10 -=-30 1/с. Если bt и Тd не слишком малы, то при /ер = k’p условие (5.7) можно записать

Возьмем kp = 20, bt — 0,5, которые близки к реальным условиям работы регулятора. Тогда для обеспечения одинаковых динамических качеств регуляторов, имеющих передаточные функ­ ции (5.5) и (5.6), необходимо, чтобы Ту « 0,1 с. Пусть, например, полный ход поршня сервомотора направляющего аппарата фшах = = 720 мм и требуется обеспечить Ту — 0,02 с. Возьмем полный ход главного золотника следящей системы 5 = 120 мм. Для этих .условий коэффициент усиления сервомотора следящей си­ стемы или наклон графика зависимости скорости движения серво­ мотора от хода золотника должен быть

дф

Такой коэффициент усиления практически получить чрезвычайно трудно, так как это связано со значительным увеличением раз­ меров главного золотника и масляных трубопроводов или с вве­ дением в схему дополнительных каскадов гидравлических уси­ лителей. В изодромных регуляторах с обратными связями от

вспомогательного сервомотора, выпускающихся фирмами KMW и «Nohab», величина Ту — 0,3 -=-0,5 с, а в колонках управления ЛМЗ типа ЭГРК-250-3 Ту «= 0,7 с. При указанных значениях Ту следящая система главного сервомотора в области существенных частот будет ухудшать динамические качества системы регулиро­ вания по сравнению с регулятором, у которого обратные связи взяты от главного сервомотора.

Таким образом, в реальных условиях динамические характе­ ристики регулятора с обратными связями от вспомогательного сервомотора несколько хуже динамических характеристик регу­ лятора с обратными связями от главного сервомотора. Тдк об­ стоит дело с динамическими характеристиками изодромных регу­ ляторов по каналу частоты.

Не менее важным показателем качества работы регулятора является его быстродействие по каналу управления открытием при работе гидроагрегата в мощную энергосистему. В этом слу­ чае систему регулирования можно считать разомкнутой по ча­

214