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

гидротурбины, длины напорного трубопровода и от качества мон­ тажа может находиться в пределах ш = 0,2-н1,0 рад/с.

Приведенный анализ показывает, что параметры /е и Т дополнительной коррекции зависят от значений коэффициента усиления регулятора kp, постоянной времени электрического усилителя Т г и параметров изодрома. Это, конечно, затрудняет настройку параметров /г и Г, тем более, что отдельные образцы регу­ ляторов могут обладать индивидуальными особенностями, в ча­ стности могут иметь место отклонения в значениях коэффициента усиления усилителя и его постоянной времени Т г. В схеме типа ЭГР-2М предусмотрена возможность изменения величины k и автоматическое изменение постоянной времени Т в зависимости от временной неравномерности регулятора bt.

Хотя введение дополнительной коррекции в некоторой сте­ пени усложняет как схему регулятора, так и его настройку, но такая коррекция позволила при наличии в схеме инерционных магнитных усилителей получить достаточно высокий статический коэффициент усиления регулятора при широком диапазоне изме­ нения временной неравномерности (от bt — 0 до bt = 1,5-ь2,0). В результате, чувствительность регуляторов скорости типа ЭГР-2М по сравнению с ранее выпускавшимися регуляторами значительно возросла. Например, согласно испытаниям, проведенным на стенде ЛМЗ по правилам Международного Кода, мертвая зона регуляторов скорости типа ЭГРК-2М-250-3 составляет величину іх — 0,015 -=-0,02%, которая находится в соответствии с повышен­ ными требованиями ГОСТа и заказчика.

36.Мертвая зона изодромных регуляторов

ипути ее устранения

Впредыдущих параграфах сравнение структурных схем изо­ дромных регуляторов проводилось с точки зрения обеспечения устойчивости системы регулирования и внутреннего регулирую­ щего контура. Ниже будет проведена сравнительная оценка тех же структурных схем регуляторов, но с точки зрения статической и динамической точности их работы.

Для анализа воспользуемся рис. 92 и 93. Полная мертвая зона (или зона нечувствительности) ЭГР зависит от зон чувстви­ тельного элемента, электрогидравлического преобразователя, обычно называемого исполнителем, побудительного и главного

золотников и люфтов в различных механических сочленениях. В ЭГР чувствительный элемент выполнен в виде параллельного LC- либо КС-контура, которые практически не имеют мертвой зоны. С помощью ряда конструктивных мер практически полностью устранены люфты в механических сочленениях колонки регуля­

тора.

Таким образом, мертвая зона современных регуляторов за­ висит от чувствительности исполнительного органа, побудитель-

кого и главного золотников. Рассмотрим реальные значения мерт­ вых зон указанных элементов регулятора.

Погрешности в работе исполнительного органа (исполнителя) возникают в основном из-за гистерезиса пружины подвеса и тре­ ния (для колпачковых исполнителей). Большое влияние на чув­ ствительность исполнителя оказывает также качество его изго­ товления и монтажа. Согласно лабораторным измерениям, мерт­ вая зона исполнителя, в котором применен гидроусилитель типа сопло—заслонка находится в пределах 0,005—0,01%.

Если известны силы трения, преодолеваемые сервомотором, то мертвая зона золотника, который управляет этим сервомото­ ром, может быть определена по формуле (3.90). Так, например, в ЭГР, выпускаемых ЛМЗ, величина перекрытий главного золот­ ника I = 0,25 мм на сторону. Экспериментальные замеры на дей­ ствующих ГЭС показывают, что при р 0 = 4,0 МПа величина рт = = 0,5 ч-1,5 МПа. Следовательно, величина е = 0,062 4-0,187 мм, которая всегда меньше, чем 21.

Однако необходимо отметить, что формула (3.90) справедлива лишь в том случае, когда в золотнике имеются протечки масла через диаметральный зазор у перекрытий, и при условии отсут­ ствия протечек в зазоре у поршня сервомотора. Наличие относи­ тельно больших зазоров между Поршнем и цилиндром сервомо­ тора приводит к значительному увеличению мертвой зоны золотника, которая в некоторых случаях может превысить вели­ чину суммарных перекрытий 21.

Влияние же зазора между телом и буксой золотника иа его мертвую зону более сложно. Так, рабочие поверхности современ­ ных золотниковых пар диаметром от 50 до 200 мм и выше обра­ батываются по 8—9-му классу чистоты и по первому классу точ­ ности А гІДг посадки сопряжения. Как показывают эксперименты, при такой точной посадке величина мертвой зоны близка к 21, что указывает на отсутствие протечек масла через зазоры у пере­ крытий. Аналогичная картина наблюдается и у золотника вспомо­ гательного сервомотора. Испытания регулятора типа ЭГРК-2М-250 с обратными связями от вспомогательного сервомотора показали, что при I = 0,08 4-0,1 мм мертвая зона управляющего золотника была близка к 21 и не удовлетворяла техническим требованиям. Снижение мертвой зоны было достигнуто за счет уменьшения в 3—4 раза перекрытий.

Нарушение правильной работы чрезмерно малых по величине кольцевых зазоров в золотнике может происходить из-за влияния таких факторов, как чистота и температура масла, а также раз­ меры золотника и сервомотора. Последнее обстоятельство имеет немаловажное значение. Дело в том, что мертвая зона по ходу управляющего золотника важна не сама по себе, а имеет значе­ ние, как она влияет на мертвую зойу всего регулятора.

Для примера сравним точность работы золотников, управляю­ щих вспомогательным сервомотором регулятора ЭГРК.-2М-250-3

226

(рис. 71, 72) и вспомогательным сервомотором главного золот­ ника регулятора ЭГРК-2М-150-4 (рис. 71, 73), выполненного по схеме с обратными связями от главного сервомотора. И в том и другом золотнике возьмем одинаковые перекрытия, равные I — 0,08 мм. В первом случае коэффициент усиления от чувстви­ тельного элемента до управляющего золотника составляет 1,5 мм/ %, а во втором — он равен —4,5 мм/%, т. е. в три раза больше. Если принять одинаковые мертвые зоны золотников, равные,

.например, 0,08 мм, то при отсутствии зон в других звеньях мерт­ вая зона первого регулятора будет в три раза больше, чем во втором. В принципе величину koki можно увеличить, однако практически это оказывается невозможным по следующим при­ чинам.

Как известно, коэффициент усиления регулятора k'p ограничен из условия устойчивости внутреннего контура, поэтому, если увеличить kük\, то для сохранения k'p = const нужно уменьшить коэффициент усиления вспомогательного сервомотора k'c, но это связано с уменьшением размеров золотника и его управляющих окон. Диаметры же и окна управляющего золотника регулятора ЭГРК-2М-250-3 выполнены настолько малыми, что их дальней­ шее уменьшение связано с технологическими трудностями. Кроме того, слишком малые щели для прохода масла могут привести к увеличению мертвой зоны золотника, так как в этом случае большое влияние на зону начинают оказывать чистота и темпера­ тура масла. Отсюда следует, что величину 'kok{ = 1,5 мм/% при заданном значении k'p в настоящее время можно считать мак­ симально допустимой.

В регуляторах, у которых обратные связи взяты от главного сервомотора, для улучшения устойчивости внутреннего контура, наоборот, необходимо, чтобы коэффициент усиления вспомога­ тельного сервомотора был как можно больше, и технологических

золотнику. В этом случае чувствительность побудительного зо­ лотника по частоте повысится при той же величине перекрытий.

Таким образом, для уменьшения мертвой зойы изодромного регулятора, независимо от еро структурной схемы, необходимо применять максимально допустимый коэффициент усиления от чувствительного элемента до побудительного золотника и мини­ мально возможные перекрытия этого золотника. Так обстоит дело с золотниками малых размеров. Практически такие золот­ ники могут быть выполнены с перекрытиями, близкими к нулю.

Что касается главных золотников, то из-за относительно боль­ ших размеров этих золотников их перекрытия вряд ли можно уменьшить на значительную величину. Здесь, по-видимому, более целесообразно с точки, зрения уменьшения мертвой зоны золотника пойти по пути правильного сочетания размеров

перекрытий и диаметрального зазора золотника. В частности, это можно сделать путем рационального снижения класса точности и посадки сопряжения золотника и буксы без изменения величины перекрытий. Увеличение диаметрального зазора равносильно уменьшению перекрытий, поэтому принципиально зазор можно выбрать таким, что золотник по своей работе будет идентичным золотнику с нулевыми перекрытиями. Однако при выборе зазора следует учитывать также величину протечек масла через золот­ ник, которая при достаточно большом зазоре может оказаться неприемлемой.

Посмотрим, как влияет мертвая зона главного золотника на чувствительность регуляторов, выполненных по схемам рис. 92 и 93. Предположим, что мертвая зона по ходу главных золотни­ ков обоих регуляторов одинакова и равна в = 0,2 мм, что весьма близко к реальным условиям. Тогда для схемы с обратными свя­ зями от главного сервомотора (рис. 92) при коэффициенте уси­ ления от чувствительного элемента до золотника, равном k ük x — = 10 -т-15 мм/%, и отсутствии зоны в других звеньях величина мертвой зоны регулятора будет іх = 0,013-н0,02%, которая оп­ ределяет статическую точность работы регулятора. В данной

В регуляторе же, у которого обратные связи взяты от вспомо­ гательного сервомотора (рис. 93), при постоянной неравномер­ ности Ьр = 0 величина мертвой зоны главного золотника вообще не оказывает влияния на статическую точность работы регуля­ тора. Это объясняется тем, что в данной схеме интегрирующим звеном является вспомогательный сервомотор, поэтому после от­ клонения частоты на сколь угодно малую величину (при отсут­ ствии зоны в других звеньях регулятора) поршень вспомога­ тельного сервомотора будет перемещаться до тех пор, пока ча­ стота не достигнет первоначального значения.

Легко можно показать, что рассматриваемая схема и при на­ личии статизма обеспечивает более высокую по сравнению со схемой на рис. 92 статическую точность регулятора. Пусть Ьр = = 0,04,,а е = 0,2. мм. Если передача от вспомогательного серво­

Вообще говоря, с точки зрения точности поддержания частоты в энергосистеме с помощью первичных регуляторов скорости видимо не имеет смысла принимать во внимание мертвую зону

22$

регулятора при сравнительно высоких значениях статизма bp —

с помощью вторичного регулятора частоты или на вход регуля­ тора скорости подаются управляющие воздействия от других общестанционных автоматических устройств. В таких режимах работы системы, как правило, устанавливаются максимальные значения статизма Ьр = 0,08 4-0,1 и мертвая зона регулятора с обратными связями от вспомогательного сервомотора, обуслов­ ленная зоной в главном золотнике, будет оказывать влияние на точность поддержания частоты или на точность отработки уп­ равляющих воздействий. Например, если Ьр = 0,1, то по каналу управляющих воздействий из-за перекрытий в главном золотнике мертвая зона регулятора, выполненного по схеме на рис. 93,

Из приведенного анализа видно, что в количественном отно­ шении точность работы изодромного регулятора скорости опре­ деляется его структурной схемой. Для регулятора с обратными связями от главного сервомотора точность определяется в основ­ ном мертвой зоной исполнителя и главного золотника и не за­ висит от величины установленного статизма Ьр. В регуляторах же, выполненных по схеме с обратными связями от вспомогательного сервомотора, при малых значениях статизма Ьр точность опреде­ ляется в основном мертвой зоной исполнителя и побудительного золотника. Поскольку величина перекрытий у побудительного золотника значительно меньше, чем у главного, и силы трения, преодолеваемые вспомогательным сервомотором, незначительны, то мертвая зона побудительного золотника всегда меньше, чем главного.

Следовательно, структура изодромного регулятора с обрат­ ными связями от вспомогательного сервомотора обеспечивает более высокую статическую точность работы системы регулиро­ вания по сравнению со схемой регулятора, у которого обратные связи взяты от главного сервомотора.

Рассмотрим возможные средства уменьшения мертвой зоны электрогидравлического преобразователя. Как известно, одно из преимуществ ЭГР состоит в том, что электрические цепи поз­ воляют создать достаточно гибкие структурные схемы, удовле­ творяющие современным требованиям, предъявляемым к регуля­ торам в отношении качества их работы. Поэтому, очевидно, целе­ сообразно применять такую структуру отдельных звеньев и кон­ туров, которая позволяет повысить точность работы регулятора без усложнения и удорожания его гидромеханической части. Одним из возможных путей существенного уменьшения мертвой зоны исполнителя является введение электрической жесткой

229

обратной связи, охватывающей электрический усилитель и испол­ нитель.

На рис. 101 показаны две функциональные и структурные схемы .включения исполнителя. В обычной схеме (рис. 101, а), которая применяется в регуляторах, выпускаемых ЛМЗ, серво­ мотор исполнителя (СИ), управляемый побудительным зодотником (ПЗ), охвачен единичной отрицательной обратной связью и повторяет перемещение магнитоэлектрического преобразова­

(б), а в схеме (а) этот сервомотор имеет единичную обратную связь и является следящей системой.

Результирующий коэффициент усиления по. входному сигналу

230

из которого следует, что в схеме с. электрической обратной связью влияние мертвой зоны исполнителя может быть снижено путем увеличения коэффициента усиления электрического усилителя.

Динамические свойства исполнителя с электрической обратной связью, конечно, будут зависеть от инерционности электриче­ ского усилителя и магнитоэлектрического преобразователя. На­ пример, если применить практически безынерционный электри­ ческий усилитель, то, пренебрегая инерционностью магнитоэлек­ трического преобразователя, передаточную функцию такой схемы можно записать в виде

-т-10 рад/с данная схема обладает большим запасом по фазе и амплитуде и позволяет увеличить коэффициент усиления

в 10 раз по сравнению с. k x и практически полностью исключить мертвую зону исполнителя.

Если же применить эту схему для инерционного, например магнитного, усилителя с постоянной времени Т.г, то передаточ­

231

к увеличению постоянной времени 7\,. Согласно лабораторным испы­ таниям, при k 2 = (3 -г-4) /гх величина £ = 0,05-т-0,1, поэтому для обеспечения необходимых запасов устойчивости по фазе и ампли­

Таким, образом, для уменьшения мертвой зоны регулятора скорости целесообразно ввести электрическую жесткую обратную связь, охватывающую электрический усилитель и электрогидрав-

вается, что для энергосистемы средней мощности колебания нагрузки с периодом в несколько минут достигают 1% от общей мощности системы, а из анализа работы энергосистемы мощно­ стью 5000 МВт [22] делается вывод о вероятности повторения скачков нагрузки в 1 % от общей мощности с периодом 3—5 мин. Очевидно, чем на меньшее отклонение частоты при ее непрерывном изменении реагирует регулятор скорости, тем меньше будут отклонения частоты в энергосистеме при тех же колебаниях на­ грузки. Поэтому, чтобы правильно оценить работу регулятора, необходимо проанализировать его качественные показатели при непрерывно изменяющейся частоте в системе. Такой анализ удобно проводить частотным методом.

В качестве примера воспользуемся данными для условий

усиления от чувствительного элемента до главного золотника kokj^ = 10 мм/%. Предположим, что Ьр = 0 и в других звеньях регулятора мертвая зона отсутствует. При этих условиях мертвая зона регулятора іх = 0,03%. На рис. 102 приведена логарифми­ ческая амплитудная частотная характеристика этого регулятора, которая, вообще говоря, справедлива, если система линейна. Однако для решения поставленной задачи полезно обратиться именно к этой характеристике.

Пусть частота в энергосистеме колеблется с двойной амплитудой X = 0,03%. Тогда при мертвой зонеТ* = 0,03% главный сервомотор

232

не будет перемещаться, он будет неподвижен независимо от периода колебания частоты. Когда х > 0 ,0 3 % , сервомотор начнет совер­ шать колебания с амплитудой, определяемой величиной х, соотно­ шением между X и іх, а также Td и bt. Следовательно, в регуля­ торе с обратными связями от главного сервомотора величины мертвой зоны и динамической зоны нечувствительности совпадают.

Теперь рассмотрим регулятор, у которого обратные связи взяты от вспомогательного сервомотора, причем параметры регу­ лятора выберем таким образом, чтобы частотная характеристика регулятора во всем диапазоне частот точно совпадала с характе­ ристикой, показанной на рис. 102. Поскольку у этого регулятора главный сервомотор с золотником представляет собой следящую систему, то предварительно отключим главный золотник от вспомо­

главный золотник имеет мертвую зону е = 0,3 мм, то после его подключения к вспомогательному сервомотору главный сервомотор будет неподвижен. Нетрудно подсчитать, что для периода коле­ баний частоты Т І.мин и при установленных параметрах bt =

чительно больше, чем для регулятора с обратными связями от

ном золотнике величина динамической зоны нечувствительности регулятора с обратными связями от вспомогательного сервомотора при прочих равных условиях в несколько раз больше, чем у регу­ лятора с обратными связями от главного сервомотора. Принци­ пиально указанная зона может быть несколько снижена за счет увеличения коэффициента усиления от вспомогательного серво­ мотора к главному золотнику, хотя это и связано с определенными конструктивными трудностями.

37.Регулятор с воздействием по скорости

ипроизводной (ускорению)

На рис. 103 показаны функциональная (а) и структурная (б) схемы электрогидравлического регулятора с воздействием по первой производной или по ускорению. На этом рисунке

233

ДП — датчик производной, а остальные обозначения такие же, как на рис. 92, 93. ГТб этой схеме ЭГР выпускают фирмы «Woodward» (США), «Brown—Воѵегі» (Швейцария) и другие. Отличие схем различных фирм заключается лишь в способе подключения дат­ чика производной.

При анализе работы рассматриваемой схемы, как и раньше, не будем учитывать постоянные времени промежуточных звеньев, так как они сравнительно малы и не оказывают заметного влия-

Рнс. 103. Функциональная (а) и структурная (б) схемы электрогидравлнческого регулятора скорости с воздей­ ствием по первой производной

ния на динамические качества замкнутой системы регулирования. Передаточную функцию датчика производной представим в сле­ дующем виде:

234