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

кнутой системы регулирования при статизме Ьр = О (k0 с = 0) запишется в виде

с (5.2). Это указывает на принципиальную возможность достиже­ ния сходных динамических качеств регуляторов с воздействием по интегралу и изодромного с обратными связями от вспомога­

звенья, охваченные обратными связями ОС1 и 0С3, образуют единую быстродействующую электрогидравлическую следящую систему, на вход которой подаются сигналы по каналу частоты и внешние управляющие сигналы, направленные на изменение активной мощности гидроагрегата. В результате структурная схема этого регулятора коренным образом отличается от рассмо­ тренных выше структурных схем.

В ЭГР-И функции формирования сигналов четко разделены: сигнал воздействия по скорости (частоте) вырабатывается выявительной частью, в которую входят ЧЭ, НКУ и усилитель ЭУи охваченный ГОС, а усиление осуществляется усилителем ЭУг, находящимся в составе следящей системы. Поскольку управляю­ щие воздействия с подаются непосредственно на вход этой сле­ дящей системы, то передаточная функция регулятора без гидро­ агрегата по каналу управляющих воздействий будет

В выражение (5.45) не входят параметры kp, п и Т п выявительной части регулятора. Поэтому динамические характеристики этого регулятора по отношению к внешним управляющим сиг­ налам не зависят от параметров настройки регулятора по каналу частоты. А это значит, что такая структура регулятора позволяет добиться предельно возможного быстродействия по отработке любых управляющих воздействий, направленных на изменение активной мощности гидроагрегата, и дает возможность иметь независимые устройства динамической крррекции для каждого

245

в отдельности управляющего воздействия. Это является весьма ценным преимуществом данного регулятора по сравнению с ранее рассмотренными.

Второе не менее важное преимущество ЭГР-И состоит в том, что его структура позволяет без усложнения конструкции гидро­ механической части регулятора значительно уменьшить его мерт­ вую зону. Дело в том, что в регуляторах изодромных и с воздей­ ствием по ускорению интегрирующий элемент — сервомотор — расположен после электромеханического преобразователя. Как было показано, золотник сервомотора и сам преобразователь

взависимости от структурной схемы регулятора обладают той или иной величиной мертвой зоны, которая и определяет чувстви­ тельность регулятора. В ЭГР-И интегрирующий элемент является электрическим бесконтактным устройством без подвижных де­ талей, и поэтому он практически не имеет мертвой зоны. Поскольку этот интегрирующий элемент расположен в схеме сразу за элек­ трическими звеньями, в которых мертвая зона также отсутствует, то при Ър = 0 мертвая зона всего регулятора практически равна нулю.

Вопытно-промышленном образце ЭГР-И, который был испы­ тан в лабораторных условиях и на Красноярской ГЭС, полному ходу электромеханической следящей системы соответствует ба­ зовый ход главного золотника, равный 300 мм. Согласно прове­ денным испытаниям, мертвая зона следящей системы, обусловлен­ ная моментом трогания электродвигателя н люфтом в редукторе, не превышает величину 6 мкА, что для полного входного сигнала

в4,8 мА соответствует іух = 0,125% от полного хода следящей системы. Если Ьр — 0,04, то величине іу1 = 0,125% будет соот­ ветствовать мертвая зона регулятора Іх1 — bp іу1 = 0,04-0,125 =

=0,005%.

Аналогичным путем можно оценить мертвую зону, обусловлен­ ную нечувствительностью главного золотника. Причем, как и

для изодромных регуляторов, е = 0,2 мм. Тогда при базовом

Ь 6 ходе золотника 300 мм мертвая зона регулятора іх2 = - щ - 100 =

= -~ зо(?"2 *вв ^ 0,003 %, т. е. суммарная зона этого регулятора

іх — Ci Ң- С2 — 0,008% в несколько раз меньше, чем у изодром­ ных. Во время испытаний ЭГР-И в лабораторных условиях регу­ лятор четко отрабатывал сигналы, соответствующие отклонениям частоты ±0,0025 Гц (±0,005%).

Отметим еще одно существенное преимущество схемы ЭГР-И. Здесь электромеханический преобразователь с ЭУ2 образуют электромеханическую следящую систему, которая является доста­ точно быстродействующей. Частотные характеристики этой си­ стемы, полученные опытным путем, показаны на рис. ПО. Как видно из рисунка, полоса пропускания системы простирается при­ мерно до частот ш = 6ч-7 рад/с. Такая конструкция преобразова­

246

теля позволила получить на его выходе высокие значения переста­ новочных усилий, практически не достижимых с магнитоэлектри­ ческим преобразователем, используемым в изодромных ЭГР. При номинальном сигнале магнитоэлектрический преобразователь развивает усилие порядка 0,5—1,0 Н, а на выходе электромехани­ ческого преобразователя ЭГР-И при этом же номинальном сигнале механическое усилие составляет 50—100 Н, т. е. в 100 раз больше. Такое увеличение выходного усилия дало возможность в ЭГР-И отказаться от чувствительного к чистоте масла гидроусилителя, применяемого в изодромных ЭГР, и заменить его золотниковой си-

Рис. ПО. Экспериментальные частотные характеристики электромеханической следящей системы регулятора скорости ЭГР-И-150 10

стемой, что в значительной степени повышает надежность работы системы регулирования.

В схему ЭГР-И несложно ввести дополнительное воздействие по ускорению. Естественно, что все выводы, сделанные в преды­ дущем параграфе относительно преимуществ регуляторов с допол­ нительным воздействием по ускорению, относятся и к данному регулятору.

Таким образом, регулятор скорости с воздействием по инте­ гралу имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с дру­ гими ЭГР. 'Схема ЭГР-И позволяет получить максимально возмож­ ное быстродействие системы по внешним управляющим сигналам, осуществить независимую динамическую коррекцию по каждому в отдельности управляющему воздействию, значительно увеличить статическую и динамическую точность работы системы, а также упростить конструкцию гидромеханической части регулятора и повысить его надежность.

Кроме указанных преимуществ ЭГР-И, относящихся к каче­ ственным показателям системы регулирования, структура этого регулятора позволяет достаточно просто осуществить некоторые дополнительные функции автоматического управления гидроагре­ гатом в различных режимах его работы. В частности, в ЭГР-И пуск

247

Г л а в а 6

МЕТОДЫ НАТУРНЫХ ИСПЫТАНИЙ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ И АНАЛИЗ ИХ РЕЗУЛЬТАТОВ

40.Цель и объем испытаний

Впредыдущих главах отмечалось, что вопросы устойчивости, быстродействия и точности работы системы регулирования тесно связаны между собой, поэтому они должны рассматриваться сов­ местно уже при начальной стадии проектирования. Однако при расчете и выборе системы регулирования возникает вопрос о досто­ верности знаний величин параметров реальных звеньев проекти­ руемой системы.

Некоторые параметры часто определяются расчетным путем с погрешностью в 50—70% и более. Такие погрешности в исходных величинах приводят к значительным неточностям. В результате на действующих ГЭС проводятся длительные наладочные работы, по существу имеющие целью исправление неточностей расчета. Поэтому при создании высокочувствительных и быстродействую­ щих систем регулирования большое значение имеет эксперимент. Результаты натурных испытаний всегда могут быть использованы для выбора оптимальных для данной ГЭС параметров настройки регулятора, а при соответствующем обобщении материалов испы­ таний и для уточнения используемых аналитических методов рас­ чета динамики регулирования.

Необходимо отметить, что в настоящее время практически нет способов определения параметров, которые обеспечивают абсолют­ ный оптимум качества переходных процессов. Но, учитывая рас­ ширение возможностей использования электронных аналоговых и цифровых вычислительных машин, позволяющих решать задачи динамики регулирования с учетом нелинейностей отдельных звеньев системы, принципиально возможно разработать такие методы расчета, которые позволят надежно судить о качестве про­ цессов регулирования для любого вида возмущающего воздей­ ствия.

При достаточной уверенности в точности применяемого анали­ тического метода расчета выбор оптимальных параметров на­ стройки регулятора, по-видимому, целесообразно производить не в натурных условиях, а заранее, по результатам испытаний модели системы регулирования на аналоговой или цифровой машине. Для этого при испытании модели следует записать на осцилло­ граммы серию переходных процессов и снять серию частотных

2 4 9

характеристик системы регулирования, которые отвечают опти­ мальным параметрам настройки регулятора при различных значе­ ниях параметров системы. После этого в натурных условиях доста­ точно будет определить фактические значения параметров испытуе­ мой системы и ее действительные частотные характеристики и, используя модельные и натурные испытания, осуществить коррек­ тирование параметров настройки регулятора.

Задача настоящей главы состоит в том, чтобы проиллюстриро­ вать методы определения в лабораторных и натурных условиях статических и динамических характеристик системы регулирова­ ния скорости гидроагрегата. Хотя излагаемые ниже методы яв­ ляются не единственно возможными, но они проверены на практике и разработаны на основании обобщения опыта наладки и натурных исследований регуляторов скорости гидротурбин, проведенных лабораторией регулирования ЛМЗ.

Ниже изложены методы определения всех основных параметров системы регулирования с электрогидравлическим регулятором скорости и методы экспериментального снятия частотных характе­ ристик отдельных звеньев и всей системы, которые в последнее время успешно внедрены в практику натурных исследований.

41, Определение статических характеристик отдельных звеньев и регулятора

Для оценки качественных показателей работы ЭГР существен­ ное значение имеют следующие статические характеристики:

1)чувствительного элемента — зависимость силы тока или напряжения на выходе фазочувствительного выпрямителя от ча­ стоты вращения ротора агрегата;

2)выявительной цепи (для схем типа ЭГР-М и ЭГР-2М) — за­ висимость силы тока или напряжения в катушке магнитоэлектри­ ческого преобразователя от частоты вращения ротора;

3)электрогидравлического преобразователя (ЭГР-И и ЭГР-2М) зависимость положения поршня сервомотора гидроусилителя от силы 'тока в катушке управления МЭП, или электромеханического преобразователя (схема типа ЭГР-И) — зависимость угла поворота выходного вала ЭМП от напряжения или силы тока управления на входе электрического усилителя следящей системы;

4)регулятора — зависимость установившейся скорости вра­ щения агрегата от положения поршня сервомотора направляю­ щего аппарата.

Указанные характеристики наиболее точно могут быть полу­ чены при испытании регулятора в лабораторных условиях. Для регуляторов типа ЭГР-М и ЭГР-2М характеристики отдельных звеньев определяются одновременно. Питание схемы осущест­ вляется от машинного агрегата или от НГПК через стабилизатор напряжения, а изменение частоты производится с помощью низко­ частотного генератора периодических колебаний (типа НГПК),

250

используемого для снятия частотных характеристик, или с по­ мощью какого-либо другого генератора переменной частоты.

При каждом установившемся значении частоты / одновременно замеряются: напряжение на выходе фазочувствительного выпрями­ теля Uф, напряжение £/к или сила тока AI в катушке МЭП и ход поршня гидроусилителя т. Величина / замеряется по частотомеру класса 0,5, U^, UKи A I — по приборам класса 1,5, а ход т — по

трогидравлического преобразователя (б) регулятора типаЭГРК-2М-250-3, чувствительного элемента (в) регулятора типа ЭГР-И-150-10

путем, для чего необходимо-предварительно измерить сопротивле­ ние катушки RK.

При снятии статической характеристики следящей системы (регулятор типа ЭГР-И) на ее вход подается ступенями напряже­ ние Uc или ток управления Д/с и на каждой ступени замеряется угол поворота выходного вала редуктора или положение иглы гидроусилителя.

На рис. 111 показаны статические характеристики: а — выяви­ тельной цепи АI = f (/); б — электрогидравлического преобразо­ вателя (исполнителя) т = f (AI) регулятора типа ЭГРК-2М-250-3; в — чувствительного элемента (контура (RC) U0 = f(f) регуля­ тора типа ЭГР-И-150-10, которые получены в лабораторных усло­ виях.

Из графиков видно, что все характеристики близки к линей­ ным. Коэффициенты передачи этих звеньев:

Как известно, в натурных условиях на вход чувствительного элемента подается напряжение переменного тока 50 Гц от тахогене-

251

ратора, находящегося на одном валу с ротором гидроагрегата. Часто из-за дефектов изготовления этого генератора форма синусо­ иды переменного тока бывает несколько искажена, и в натурных условиях значения коэффициентов k 0 и kn могут отличаться от ве­ личин, полученных в лабораторных условиях. Поэтому при на­ ладке регуляторов на действующих ГЭС величины /г„ и /гв должны быть уточнены.

В натурных условиях методика определения характеристик Uо = / (/) и А/ = / (/) заключается в следующем. На остановлен­ ном гидроагрегате и при полностью смещенном в сторону закрытия

симостям f — f (U) и AI — f (Uо) строится характеристика А/, = = f (f) выявительной цепи.

Статические характеристики регулятора f = f (ф) или в отно­ сительных величинах х = Д (у) при различных настройках по­ стоянной неравномерности в лабораторных условиях определяются достаточно просто. Схема измерений такая же, как и при снятии зависимости АI = f (/). Частота задается генератором НГПК. На каждой частоте замеряется положение штока исполнительного

При снятии этой характеристики на действующей ГЭС необ­ ходимо, чтобы гидроагрегат работал под нагрузкой в энергоси­ стему. Поскольку частота в энергосистеме, как правило, непре­ рывно изменяется, то с целью исключения ее влияния на резуль­ таты замеров на время этих испытаний следует отключить чувстви­ тельный элемент. Как и при определении характеристика А/ =

252

= / if), на вход регулятора ступенями подается напряжение U и на каждой ступени замеряется положение ф штока сервомотора направляющего аппарата. По полученным данным строится зави­ симость ф = / (П). Используя эту характеристику и полученную ранее / = / (U), получаем статическую характеристику ф = / (f) и х = f (у) для данной настройки постоянной неравномерности.

На рис. 112 показаны статические характеристики регулятора типа ЭГР для различных настроек Ьр, полученные с отключенным чувствительным элементом при натурных испытаниях на Волжской ГЭС им. XXII съезда КПСС.

Если по каким-либо причинам невозможно отключить чувстви­ тельный элемент, то во время испытаний следует замерять частоту в энергосистеме и вводить соответствующую поправку.

42.Определение скоростной характеристики

икоэффициента усиления сервомотора

Для изодромного регулятора с обратными связями от главного сервомотора реальная скоростная характеристика последнего

= f (S) может быть снята только на действующей ГЭС. Как

указывалось в гл. 5, эта характеристика оказывает существенное влияние на статические и динамические качества работы системы регулирования и от ее вида во многом зависит величина максималь­ ного коэффициента усиления регулятора, при котором обеспечи­ вается устойчивость его внутреннего контура. Поэтому эти испы­ тания должны проводиться с особой тщательностью.

обладает существенной нелинейностью, зависящей главным обра­ зом от парциалы-юстн главного золотника, наличия сил сухого тре­ ния в механизме поворота лопаток, а также от величины и направ­ ления гидравлического момента, действующего на направляющий

должна быть снята по крайней мере при двух положениях серво­ мотора направляющего аппарата, соответствующих максималь­ ному и минимальному гидравлическому моменту с тем, чтобы опре­ делить возможный диапазон изменения коэффициента усиления сервомотора kc.

дующем. Гидроагрегат работает под нагрузкой-в энергосистему на ручном управлении при одном из выбранных открытий направ­ ляющего аппарата. Установка хода золотника осуществляется с помощью регулируемых упоров, причем замер хода на «закрытие» производится щупом, а на «открытие» — по шагу резьбы регули­ руемого упора. После установки ходов механизм ограничения от­ крытия (МОО) быстро смещается в направлении закрытия на вели­

253

чину, соответствующую 30—40% от максимального открытия, а за­ тем, когда процесс движения поршня сервомотора закончится, МОО также быстро устанавливается в первоначальное положение.

Во время опытов при каждом установленном ходе золотника на осциллограмму записываются положение золотника, поршня сер­ вомотора и время. Для каждого хода золотника по осциллограммам определяется скорость движения поршня на участке, когда золот­ ник находится на упоре, и строит­ ся зависимость этой скорости от

хода золотника

зависит от величины смещения золотника и от сил сопротивления, действующих на направляющий аппарат.

Как уже отмечалось в гл. 3, при расчетах динамики замкну­ той системы регулирования величину коэффициента усиления kc как худший случай следует брать наименьшей, соответствующей смещениям золотника в пределах парциальных перекрытий. По рис. 113 на этом участке кривой 1 kc = 1,0%/.(с-мм). При ана­ лизе же работы внутреннего контура регулятора, охваченного изо­ дромной обратной связью, наоборот, необходимо принимать макси­ мальное значение kc, которое в данном случае составляет kc = = 2,7%/(с-мм) (кривая 2).

254