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

стоте, так как х = 0, а быстродействие регулятора можно на­ глядно характеризовать установившейся скоростью движения поршня сервомотора регулирующего органа после подачи сту­

ного сигнала после переходного процесса установившаяся ско­ рость движения поршня сервомотора для обоих регуляторов бу­ дет сіу/dt = clbtTd, т. е. она целиком определяетсянастройкой изодромного устройства. Но величины Тй и bt выбраны из ус­ ловия обеспечения требуемого качества процесса регулирования по каналу частоты, и их изменить уже нельзя. А это значит, что динамические качества изодромных регуляторов по каналу управления открытием находятся в прямой зависимости от зна­ чений Td и bt. Следовательно, структурные схемы рассматривае­ мых изодромных регуляторов без специальных устройств не мо­ гут обеспечить желаемое быстродействие системы регулирования при отработке сигналов, направленных на изменение открытия (мощности).

В настоящее время в регуляторах скорости, выпускаемых ЛМЗ, для увеличения быстродействия используются устройства, которые при включении гидроагрегата в энергосистему переклю­ чают настройки изодрома на меньшие значения или полностью выводят изодром из работы. Однако значительное уменьшение Td и bt или полное отключение изодрома возможны лишь при ра­ боте гидроагрегата на довольно мощную энергосистему с относи­ тельно большим количеством электростанций, работающих в ба­ зисном режиме. Если же в энергосистеме имеется сравнительно большое количество участвующих в регулировании частоты ГЭС, то у всех регуляторов уменьшать уставки Td и bt или полностью отключать изодром нельзя, а наоборот, необходимо устанавли­ вать параметры изодрома, близкие к условиям работы гидроагре­ гата на выделенную нагрузку.

Кроме того, высказываются мнения, что в некоторых слу­ чаях влияние энергосистемы на устойчивость может быть и отри­ цательным [16]. Все это говорит о необходимости иметь струк­ турную схему регулятора, позволяющую увеличить, а при необходимости и изменять быстродействие системы по каналу

в регуляторах скорости с электрической схемой типа ЭГР-2М применена специальная схема подачи сигналов на изменение от­ крытия. Структурную схему системы с этим типом регулятора можно представить в виде, показанном на рис. 95. Управля­ ющие сигналы подаются на вход звеньев обратных связей.

215

Передаточная функция регулятора по каналу управления откры­ тием будет

& іМ ? 0. с ; ( ф + і ) т » + г

Чтобы сравнить схемы на рис. 94, а и 95 по быстродействию, напишем передаточную функцию №1р для рис. 94, а также с уче-

Рис. 95. Структурная схема

.разомкнутой системы регу­ лирования с электрической схемой типа ЭГР-2М

том статизма Ьр. При этом величину входного сигнала примем равным ß0.c. Тогда

По своей форме Wp и Wlp аналогичны. Однако в числителе выражения (5.11) коэффициент дифференцирования (-у- -ф 1 j Td

больше по сравнению с таким же коэффициентом функции W1р, причем он увеличивается с увеличением ~bt и уменьшением Ьр. Значит, время переходного процесса в системе рис. 95 будет меньше, чем в системе рис. 94, а. В этом легко убедиться, если принять kD достаточно большим. Тогда в знаменателях функ-

тате Wp « 1 не зависит от параметров настройки регулятора, а

определяется соотношением между bt и Ьр.

216

Отметим одну особенность рассмотренной структурной схемы. Если положить ^рЬп = 0, то

передаточная функция регулятора соответствует апериодическому звену первого порядка, в то время как по схеме на рис. 94, а при Ьр — О

передаточная функция регулятора приобретает свойства интегри­ рующего звена.

Поскольку регулятор скорости должен обеспечить возмож­ ность синхронизации генератора с энергосистемой при Ьр = О, то регуляторы типа ЭГР-2М и ЭГРК-2М снабжены двумя устрой­ ствами для ввода управляющих сигналов. Один из них — меха­ низм изменения скорости (МИС) — служит для изменения ско­ рости гидроагрегата в режиме холостого хода и работает по схеме, представленной на рис. 94, а другой — механизм изменения мощ­ ности (МИМ) — предназначен для управления активной мощ­ ностью генератора при его работе на энергосистему и включен по схеме, показанной на рис. 95.

Схема рис. 95 обеспечивает достаточно высокое быстродей­ ствие по каналу управления открытием, удовлетворяющее тре­ бованиям эксплуатации, но, как это видно из выражения (5.11), ее динамические свойства, так же как и других схем, при ограни­

ловленное требованиями регулирования частоты, будет неиз­ бежно приводить- к изменению характеристик систем автомати­ ческого регулирования активной мощности агрегатов ГЭС.

35. Выбор коэффициента усиления изодромного регулятора

Коэффициент усиления регулятора представляет собой выра­ женное в относительных величинах отношение скорости движе­ ния сервомотора направляющего аппарата или вспомогательного сервомотора к изменению входного сигнала при отсутствии об­ ратных связей

Обратная величина Vkp = Тх является временем интегри­ рования сервомотора. Величины £р и Т х достаточно полно

217

характеризуют работу регулятора и позволяют наглядно прово­ дить сравнение динамических и статических качеств различных структурных схем регуляторов без введения фиктивных величин, которым трудно дать физическое толкование. Количественно величина kp тесно связана с точностью или чувствительностью регулятора. Чем больше kp, тем выше точность.

Выше указывалось, что замкнутая система регулирования содержит внутренний регулирующий контур, охваченный изо-

Рис. 96. Структурные схемы внутренних регулирующих контуров изодромных регуляторов с обратными связями от главного (а) и вспомогательного (б) серво­

моторов

дромной и жесткой обратными связями. Поэтому важно опреде­ лить влияние постоянных времени отдельных звеньев, входящих в этот контур, на его устойчивость. В частности, следует опреде­ лить максимально допустимую величину /ер, которую можно установить при выбранных из условия устойчивости и качества регулирования замкнутой системы уставок bt и Td.

На рис. 96 показаны структурные схемы внутренних конту­ ров регуляторов с обратными связями от главного (а) и от вспо­ могательного (б) сервомоторов, соответствующие функциональным

— магнитоэлектрического преобразователя, который представляет собой колебательное звено с постоянной времени Т %и коэффи-

218

1

циентом демпфирования £; \V:i ■гидроусилителя типа

ТзР-j- 1

сопло—заслонка с постоянной времени Т3; W± = у - }---- вспо­

могательного сервомотора главного золотника с постоянной вре­

буемого качества замкнутой системы регулирования, а величина Ьр по условиям эксплуатации может быть установлена в пределах от 0 до 0,1, то должна быть определена допустимая величина kp или kp. Именно эта величина определяет устойчивость или коле­ бательность внутреннего контура. Отсюда вытекает порядок определения kp и k'p. После выбора параметров Td и bit обеспечи­ вающих требуемое качество регулирования, с учетом этих зна­ чений строятся частотные характеристики разомкнутого вну­ треннего регулирующего контура, по которым и определяется максимально допустимое значение kp или k’p.

Рассмотрим реальные величины kp и k'p. Допустим, что для обеспечения желаемого качества переходных процессов необ­ ходимо установить Ьр — 0,1, bt = 0,5, a Td — 10 с. Согласно экспериментальным данным 7Д = 0,18 с, Т4 = 0,06 с. Логариф­ мические частотные характеристики магнитоэлектрического пре­ образователя вместе с гидроусилителем типа «сопло—заслонка», полученные экспериментальным путем, показаны на рис. 97, из которых видно, что преобразователь с гидроусилителем, при­ меняемые в ЭГР, являются достаточно быстродействующими по сравнению с другими элементами. По этим данным на рис. 98 построены частотные характеристики разомкнутого внутреннего

219.

лучить значительно больший коэффициент усиления регу­ лятора, чем при усилителе, выполненном по схеме на рис. 96, а. Однако в предположении безынерционного усилителя обе

Рис. 98. Частотные характеристики разомкнутых внутренних регулирующих кон­ туров изодромных регуляторов: с магнитным усилителем • и обратными связями от главного (/) и вспомогательного (2) сервомоторов; с транзисторным усилителем и обратными связями от главного (3) и вспомогательного (4) сервомоторов

схемы практически равноценны с точки зрения устойчивости внутреннего регулирующего контура. Это видно из сравнения амплитудных характеристик (3) и (4), последняя из которых со­

220

ответствует схеме с безынерционным усилителем и обратными связями от вспомогательного сервомотора. В данном случае на устойчивость внутреннего контура основное влияние оказывает колебательность электрогидравлического преобразователя.

Таким образом, для получения высокого коэффициента уси­ ления регулятора, обеспечивающего необходимую точность ра­ боты системы, необходимо стремиться к расширению полосы пропускания прямой цепи, т. е. применять малоинерционные усилители.

Проведем количественную оценку максимально допустимой величины kp (k'p) с точки зрения ее физической осуществимости, т. е. с точки зрения конструктивного выполнения узлов и с уче­

то же отношение, но для золотника вспомогательного сервомо­ тора. У современных главных золотников величина перекрытий составляет — 0,25 мм на сторону. Золотник вспомогательного сервомотора изготавливается с меньшими перекрытиями, рав­ ными —• 0,1 мм. Опыт эксплуатации гидротурбин показывает, что вторичные факторы, такие, как цеизбежные биения регулятор­ ного генератора, изменения момента турбины, связанные с нестационарностью потока в проточной части турбины, электри­ ческие колебания ротора гидроагрегата и т. д., приводят к по­ вышенному износу золотников и узлов сочленения в механизмах поворота лопаток направляющего аппарата. Поэтому регулятор не должен передавать эти «помехи» на главный сервомотор, т. е. помехи не должны смещать главный золотник за пределы пере­ крытий. Из этих соображений максимальные коэффициенты уси­

объясняются относительно малыми перекрытиями золотника и незначительными силами сопротивления, преодолеваемыми вспо­ могательным сервомотором.

Рассмотрим коэффициент усиления сервомотора. Величина kc может быть определена по -формуле (3.93). Обычно запас давле­

можно создать только за счет увеличения площади Fn, т. е. ве­ личины Ар и F„ связаны между собой. Конструктивно величину X можно выполнить не более, чем X = 0,75. Таким образом, из формулы (3.93) следует, что для данного сервомотора, при задан­

ЛМЗ для управления сервомоторами регулирующих органов выпускает золотники диаметром 100, 150, 200, 250 мм, которые обеспечивают величину kc в пределах 10—15 мм/с-мм.

221

Для сервомоторов с ходом от фтах. = 500 мм до фшах =

=1000 мм это соответствует kc =1 ч-З %/(с-мм). Тогда для схемы

собратными связями от главного сервомотора максимальный коэффициент усиления регулятора в зависимости от размеров сервомотора составляет kp — 10-т-35 1/с.

Величина же k'c в конструктивном отношении имеет гораздо меньше ограничений. Многие зарубежные фирмы изготавливают регуляторы с kc = 60 ч-80 мм/с-мм. В колонках управления ЛМЗ типа ЭГРК-250-3 величина k'c может регулироваться в пределах от 20 до 55 мм/с-мм. Следует отметить, что зарубежные фирмы принимают по сравнению с ЛМЗ несколько большие значения k'c, но меньшие величины kak{. Так, в колонках типа ЭГРК-250-3 k0k{ = 1,5 мм/%, а шведские фирмы KMW и «Nohab» выпускают регуляторы с koki = 0,5ч-1,0 мм/%. Максимальный же ход вспо­ могательного сервомотора регуляторов всех фирм, как правило, составляет ф1тах = 120 мм, независимо от типоразмера гидро­ турбины.

Следовательно, для схемы с обратными связями от вспомога­ тельного сервомотора максимальный коэффициент усиления ре­

на рис. 96, а в зоне очень малых статических отклонений частоты от установившегося значения.

Вернемся к вопросу об устойчивости внутреннего контура. Выясним влияние параметров kp, bt, Td, bp на его устойчивость. Для этого обратимся к частотным характеристикам, показанным на рис. 98. Рассмотрим, например, характеристику 2. Согласно

передаточной функции (5.17), ш2 = — -— :— —, со2 = ,

М'+Ті)

а коэффициент усиления в диапазоне частот от ляет k = 20 lg kp Td (bt -f bp) дБ.

При изменении времени Td в таком же соотношении (по шкале децибел) будет изменяться и k. Следовательно, изменение T d не оказывает влияния на амплитудную характеристику в области частоты среза сос2 при всех значениях со2 ■< сос2. Далее, если со3 < < 0,1шс2, то частота со2, а с ней и Td, практически не оказывает влияния и на фазовую характеристику в области сос2. При ча­ стотах со2 > 0,1сос2 фазовая характеристика в области сос2 начнет изменяться в сторону увеличения запасов по фазе и амплитуде, т. е. в сторону улучшения устойчивости ■внутреннего контура.

Таким образом, при заданных значениях kp (k 'p), bt, bp уве­ личение Td приводит к ухудшению устойчивости внутреннего контура. Однако, начиная с некоторых значений Td, ее увели­ чение не вызывает дальнейшего ухудшения устойчивости. По­ скольку ц»! всегда меньше, чем ш2, то изменение Ьр практически не оказывает влияния на фазовую характеристику в зоне ча­

222

стоты OJc2. Изменение же величин kp (/ер), Ь, и Ьр приводит к из­ менению амплитудной характеристики во всем диапазоне частот, а фазовая характеристика не изменяется.

Из приведенного анализа следует, что для обеспечения устой­ чивости внутреннего контура произведение /гр (6 ,+ 6р) или kp (bt -{- bp) не должно превышать определенного значения, которое зависит от инерционности отдельных звеньев регулятора.

На рис. 99 показаны зависимости kp (bt + bp) и kp (bt -f- bp) От постоянной времени электрического усилителя Т 1. При расчете были использованы реальные амплитудные и фазовые характе­

и k’p могут быть обеспечены только при условии применения прак­ тически безынерционного электрического усилителя. Увеличе­ ние постоянной времени усилителя до 0,1 с резко снижает вели­

Следовательно, в изодромных регуляторах независимо от их структурной схемы с целью получения максимально возможного коэффициента усиления регулятора необходимо применять элек­ трические усилители с малыми постоянными времени.

В последнее время ЛМЗ выпускает электрогидравлические регуляторы с электрическими схемами типа ЭГР-М и ЭГР-2М. Постоянная времени усилителей у ЭГР.-М составляет Т г = 0,15 = =0,2 с. По зависимости, представленной кривой 1 на рис. 99,

223

отмечалось в гл. 3, с целью увеличения кр в прямой цепи уси­ ления предусмотрена дополнительная динамическая коррекция с помощью пассивного интегрирующего звена с передаточной функцией

Электрическая схема и частотные характеристики этого звена показаны на рис. 44. На рис. 100 сплошными линиями приве­ дены амплитудные и фазовые частотные характеристики разом­ кнутого внутреннего контура регулятора с дополнительной кор-

Рис. 100. Частотные характеристики разомкнутого вну­ треннего регулирующего контура нзодромного регуля­

рекцией по (5.18), а штриховыми линиями — без коррекции для значений kp = 7,5 1/с, bt + Ьр = 0,6 и Td — 10 с.

Рассмотрим влияние параметров динамической коррекции на работу регулятора скорости. Из амплитудной характеристики видно, что частота сос разомкнутого контура находится вблизи со = 1/7Y Поэтому, чтобы динамическая коррекция не оказывала влияния на устойчивость внутреннего контура, ее постоянная времени Т должна быть по крайней мере в семь—десять раз больше 1/сос. При меньших соотношениях угол отставания по фазе в районе частоты сос будет больше, чем для схемы без дополнительной кор­ рекции, а это приведет к ухудшению устойчивости.

При выборе параметров Т и к следует учитывать еще одно обстоятельство. Дело в том, что коэффициент усиления от чув­ ствительного элемента до главного золотника ограничен зна­

Если же принять большее значение к, то постоянную времени Т необходимо выбрать таким образом, чтобы в определенной области частот kk0k 1 10-ь15 мм/%. Эта область в зависимости от типа

224