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

Необходимо отметить, что из-за наличия у золотника положи­ тельных перекрытий он в установившихся режимах не занимает свое геометрически среднее положение, а смещен от него в ту или другую сторону в зависимости от того, в каком направлении (от­ крытия или закрытия) двигался поршень сервомотора при подходе золотника к среднему положению. Это приводит к значительным погрешностям в замере действительного хода золотника при его относительно малых смещениях (до 0,5 мм).

По этой же причине в натурных условиях нецелесообразно замерять мертвый ход золотника, так как точность этих замеров нельзя считать удовлетворительной. Для уточнения вида скорост­ ной характеристики при смещениях золотника, меньших 0,5 мм, измерения следует повторить в несколько измененном порядке, а именно: при каждом открытии направляющего аппарата после установки хода золотника МОО смещается сначала в сторону от­ крытия, а не в сторону закрытия, как это делалось раньше. Сравни­ вая замеренные скорости движения поршня в одном направлении при одинаковом смещении золотника, можно грубо оценить вели­ чину его мертвой зоны и уточнить вид скоростной характеристики вблизи среднего положения золотника.

Поскольку коэффициент передачи от гидроусилителя до глав­ ного золотника k.2 известен по конструкции, а коэффициенты уси­ ления выявительной цепи Ігв и сервомотора kc получены по ре­ зультатам испытаний, то коэффициент усиления регулятора kp с отключенными обратными связями легко подсчитывается по вы­

регулятора, у которого обратные связи взяты от этого сервомотора, достаточно точно может быть получена при испытаниях как в лабо­ раторных, так и в натурных условиях. Для этого в катушку управ­ ления МЭП подается ступенями ток А/ сначала в одном, а за­ тем в обратном направлениях. При этом минимальная величина А/ должна быть выбрана такой, чтобы после ее подачи в катушку поршень вспомогательного сервомотора оставался неподвижным. Этому значению силы тока будет соответствовать половина мерт­ вой зоны золотника или его нечувствительность. На каждой сту: пени А/ замеряется ход золотника по индикатору, а положение поршня сервомотора записывается на осциллограмму, по которой для заданного смещения золотника определяется скорость движе­ ния поршня в обоих направлениях.

На рис. 114 показана скоростная характеристика вспомога­ тельного сервомотора головного образца регулятора типа ЭГРК-2М-250-3 (здесь вместо хода золотника 5 взят ход т поршня гидроусилителя). Как уже отмечалось, у этого регулятора преду­ смотрена регулировка коэффициента усиления сервомотора кс1 за счет изменения ширины окон управляющего золотника. На рис. 114 показаны характеристики, соответствующие четырем положениям регулировочного лимба. Например, для положения (кривая 2)

255

лимба, при котором обеспечивается отсутствие колебаний внутрен­

Вид скоростной характеристики, как известно, определяет также величину постоянной времени следящей системы или гидро­ усилителя, так как последний представляет собой сервомотор, охваченный жесткой обратной связью. Постоянная времени Ту следящей системы сервомотора направляющего аппарата (регу­

ляторы типа ЭГРК-2М-250-3 и ЭГР-И-150-10) может быть опреде­ лена только на действующей ГЭС. Испытания следует проводить на остановленном гидроагрегате и при осушенной от воды спи­ ральной камере турбины. В указанных схемах регуляторов пол­ ному смещению поршня сервомотора соответствует вполне опре­ деленный ход главного золотника. Так, в регуляторе типа ЭГРК-2М-250-3 этот ход Smax = 113 мм, а в ЭГР-И-150-10 его можно изменять в пределах Smax = 103ч-500 мм. Следовательно, любому заданному смещению AS золотника от среднего положе­ ния соответствует определенный ход Ау поршня сервомотора.

Методика измерений достаточно проста. С помощью упоров устанавливается какой-либо ход золотника AS на открытие и за­ крытие. Если золотник имеет парциальность, то величина AS должна быть выбрана в ее пределах. Затем механизм ограничения открытия быстро переводится в положение полного открытия, а когда процесс открытия закончится, МОО также быстро пере­ водится в положение полного закрытия. При этом на осцилло­ грамму записывается ход поршня сервомотора. По этим осцилло­ граммам определяется величина Ту для движений поршня на от­

256

регулятора, только в данном случае постоянную неравномерность следует установить равной нулю. После построения характери­ стики величина bt определяется по соотношению

где А/ — максимальная величина изменения частоты в процессе испытаний, которая берется либо по данным измерений, либо по зависимости f = f (U), полученной при определении статических характеристик регулятора; Аф — ход поршня сервомотора, соот­ ветствующий изменению частоты на А/.

Для практики эксплуатации гидроагрегатов важное значение имеет быстродействие регулятора при непрерывно изменяющейся частоте в энергосистеме. Это быстродействие характеризуется постоянной времени интегрирования регулятора Тп , выражение для которой можно получить из передаточной функции изодромного регулятора при Ьр = 0 (см. рис. 94, а)

Если на вход этого регулятора мгновенно подать сигнал, соот­ ветствующий величине а', то после окончания переходного процесса установится постоянная скорость движения поршня сервомотора, определяемая коэффициентом усиления замкнутого контура регу­ лятора или временем интегрирования, которое равно обратной ве­ личине коэффициента усиления, т. е. Тх1 = Тх + btTd.

Для установившейся скорости движения поршня сервомотора из выражения (6.4) можно записать

Значение Тх1 при различных величинах Тй и bt определяется следующим образом. На гидроагрегате, работающем под нагрузкой в энергосистему, устанавливается открытие, соответствующее 30—40% от номинального, и в это же положение устанавливается МОО. Регулятор переводится в режим астатического регулирова­ ния. При этом по балансному прибору необходимо убедиться, что главный золотник не смещен в сторону открытия. Затем на вход регулятора, например через механизм изменения скорости, по­ дается напряжение, направленное на увеличение открытия на­ правляющего аппарата, соответствующее определенному значе­ нию изменения частоты. Соотношение между напряжением и ча­ стотой берется по зависимости / = / (U), полученной в п. 41.

После этого МОО быстро смещается в сторону открытия на величину 30—40% от номинального и на осциллограмму записы­ вается процесс движения поршня сервомотора. По полученным

258

осциллограммам и соотношению (6.5) подсчитываются величины Тх1 для каждого из установленных значений Td и bt. На рис. 116 показаны копии осциллограмм записи зависимостей — f (t) для различных bt и Тй — const при входном сигнале х — 0,02. Осцил­ лограммы получены во время испытаний ЭГР на Волжской ГЭС

на рис. 116, приближенно могут быть определены и значения вре­ менной неравномерности bt, поскольку у этих переходных процес­ сов участки быстрых изменений открытий зависят от bt и х:

будет незначительной.

Рассмотрим методику определения параметров настройки регу­ лятора типа ЭГР-И-150-10. Здесь все параметры могут быть полу­ чены по результатам испытаний только выявительной части, со­ стоящей из цепи частота—выход интегратора. Для этой цепи пере­ даточная функция имеет вид

Коэффициент kp пТн, который обозначим через £и, является коэффициентом усиления пропорциональной составляющей регу­ лятора и при заданном значении k Q(см. рис. 109,б)зависиттолькоот настройки коэффициента k v По аналогии с изодромным регулято­

Us

где U — относительное напряжение на выходе инте-

(^пых) шах

гратора.

Значения параметров Т„ и Тх1 определяются таким лее путем, как и величины Td и Тх1 изодромного регулятора, только в данном случае, согласно выражению (6.9), при определении Тх1 необхо­

= и вьк/х. На рис. 117 пока­ заны зависимости коэффициента жи и постоянной времени Ти регулятора типа ЭГР-И-150-10 от положения переключателей для режима работы под нагрузкой.

44. Определение мертвой зоны регулятора

Величина мертвой зоны является одной из важнейших характе­ ристик регулятора скорости. Современные требования, предъяв­ ляемые к регуляторам в отношении точности их работы, настолько велики, что для непосредственного определения мертвой зоны необходимо иметь специальные приборы, позволяющие в натурных условиях замерять частоту вращения ротора агрегата с точностью, величина которой по крайней мере на порядок меньше замеряемой мертвой зоны регулятора.

Для этой цели иногда используется, например, цифровой часто­ томер типа МФ-3, измеряющий частоту с точностью, соответствую­ щей 0,0025 Гц. Однако практика проведения натурных испытаний показывает, что для определения чувствительности регулятора могут быть применены и косвенные методы, которые не требуют приборов относительно высокого класса точности, но дают вполне удовлетворительные результаты. Ниже кратко рассматриваются

260

tv

прямые и косвенные методы, применяемые ЛМЗ при замерах мерт­ вой зоны в натурных условиях.

М е т о д 1. Гидроагрегат, на котором проводятся замеры, должен быть включен в энергосистему и работать в режиме авто­ матического регулирования с постоянной неравномерностью Ьр = 0,06ч-0,08. Чувствительный элемент регулятора отключается от тахогенератора испытуемого агрегата А г и подключается к тахогенератору соседнего агрегата А 2, который в данном случае ис­ пользуется в качестве постороннего источника питания. Агрегат А 2

0,2 Гц изменяется сначала в одном направлении, а затем в обрат­ ном. Диапазон изменения частоты должен быть таким, чтобы от­ крытие направляющего аппарата агрегата А г изменялось в преде­ лах полного рабочего хода поршня сервомотора.

На каждом установившемся режиме замеряются частота вра­ щения агрегата А 2 по цифровому частотомеру и положение поршня сервомотора агрегата А ѵ По данным замеров строится зависимость / — / (ф) для прямого и обратного ходов поршня, по которой опре­

деляется мертвая зона регулятора іх = Іп 100%, где А /— из-

менение частоты, которому соответствует одно и то же положение поршня сервомотора направляющего аппарата.

Следует отметить, что на некоторых ГЭС из-за нестационарности водяного потока в проточной части турбины частота вращения гидроагрегата на холостом ходу колеблется в пределах 0,02 Гц. При этих условиях данный метод не может дать удовлетворитель­ ной точности замера мертвой зоны.

М е т о д 2. При замерах мертвой зоны по этому методу необ­ ходимо иметь посторонний источник напряжения постоянного тока, частотомер класса 0,2 и вольтметр класса 1,5. В качестве постороннего источника питания может быть использован генера­ тор периодических колебаний типа НГПК. Напряжение постоян­ ного тока ступенями подается на вход регулятора. Испытания про­ водятся в следующем порядке. Сначала при работе гидроагрегата в режиме холостого хода определяется зависимость установив­ шейся частоты вращения ротора от подаваемого на вход регулятора напряжения / = / (£/). По этой зависимости определяется масштаб­

ный коэффициент k = Гц/В. Хотя замеры частоты и напря­

жения по данному методу производятся по приборам класса 0,2 и 1,5, они дают вполне удовлетворительные результаты, так как определяется наклон характеристики f = / ([/), а не абсолютные значения величин.

После определения коэффициента k гидроагрегат включается в энергосистему и сервомотор направляющего аппарата устанавли­ вается в положение, вблизи которого требуется определить мерт­ вую зону. При этом на регуляторе устанавливается неравномер-

261

постъ bp = 0,02н-0,04, Чтобы исключить погрешности в измере­ ниях, связанные с небольшими колебаниями частоты в энерго­ системе, на время испытаний необходимо отключить чувствитель­ ный элемент. В этом случае регулятору искусственно создаются условия постоянства частоты. Затем на вход регулятора снова ступенями подается напряжение в прямом и обратном направле­ ниях, но величина изменения напряжения между ступенями должна соответствовать изменению частоты не более 0,02—0,03 Гц. В каждом из направлений необходимо иметь не менее 8—10 заме­ ров. Замер напряжения производится по вольтметру со шкалой,

В величину іх не входит мертвая зона чувствительного элемента. На рис. 118 показана зависимость 11-^ = / (ф) ЭГР турбины Волжской ГЭС им. XXII съезда КПСС, полученная изложенным

методом.

Преимущество метода состоит в том, что он не требует наличия приборов высокого класса точности. Для примера подсчитаем погрешность в определении величины іх по зависимости Uг = f (ф)

замерялось вольтметром класса 1,5 со шкалой 150 В, а частота — частотомером класса 0,2. Относительную погрешность измерения величины k можно определить по формуле

6 = У 6?+ 62,

262

Далее напряжение U1 замерялось вольтметром класса 1,5 со шкалой 10 В. Оно изменялось до 10 В через 1 В. Значит, абсолют­ ное значение Аи г — 2,5 (1 ± 0,015) В. Следовательно, абсолют­ ное значение мертвой зоны по частоте А/ = 0,03 (1 ± 0,104) Гц или іх = 0,06 (1 ± 0,104)%. Такая точность вполне удовлетвори­ тельна.

М е т о д 3. Этот метод, по-видимому, является наиболее точ­ ным и, что самое главное, он соответствует реальным условиям работы системы регулирования, но для его применения необхо­ димо иметь аппаратуру для снятия частотных характеристик

от номинальной частоты вращения ротора агрегата. Входной сиг-, нал и положение поршня сервомотора направляющего аппарата записываются на осциллограмму.

Далее необходимо ступенями постепенно уменьшать амплитуду колебаний входного сигнала до тех пор, пока эти колебания пе­ рестанут вызывать смещения поршня сервомотора. Мертвая зона регулятора без учета зоны чувствительного элемента будет соот­ ветствовать двойной величине амплитуды колебаний входного сигнала, при которой поршень сервомотора направляющего аппа­ рата перестает реагировать на эти колебания.

На рис. 119 показаны копии осциллограмм по определению мертвой зоны регуляторов в лабораторных условиях: а — регу­ лятор типа ЭГР-2М-100-4; амплитуда колебаний входного сигнала соответствует х = 0,0125%; поршень сервомотора практически неподвижен; мертвая зона іх ^ 0,025%; б — тот же регулятор, но амплитуда увеличена до 0,015 %, при этом поршень сервомотора четко повторяет колебания, подаваемые на вход регулятора; в — регулятор типа ЭГР-И-150-10; амплитуда колебаний сигнала, подаваемого на вход электромеханической следящей системы, со­ ставляет AI = 3 мкА. Как видно, сервомотор повторяет колебания

263

входного сигнала. В регуляторе "типа ЭГР-И-150-10 полному ходу следящей системы соответствует сигнал на ее входе, равный Iу — 4,8 мА. Следовательно, при статизме bp = 0,04 мертвая зона по частоте этого регулятора

Такая малая величина іх говорит о весьма высокой чувстви­ тельности регулятора ЭГР-И-150-10 по сравнению, например, с ре­ гулятором типа ЭГР-2М-100-4, хотя главный золотник испытуе­ мого ЭГР-И-150-10 имел перекрытия 0,4 мм на сторону, а перекры­ тия у золотника ЭГР-2М-100-4 составляют 0,25 мм на сторону. В данном случае значительное увеличение чувствительности регу­ лятора достигнуто только за счет рационального выбора струк­ турной схемы ЭГР-И-150-10, о чем уже упоминалось в гл. 5.

Отметим, что метод 3 дает возможность судить о чувствитель­ ности регулятора также и по осциллограмме иа рис. 119, б. Если из этой осциллограммы определить величину изменения входного сигнала, при которой поршень сервомотора находится в неподвиж­ ном состоянии, то она также будет соответствовать мертвой зоне регулятора (іх — 0,022%).

45.Определение параметров гидроагрегата

Кпараметрам гидроагрегата относятся: постоянная времени гидроагрегата Та, коэффициенты саморегулирования турбины et и нагрузки es, коэффициент усиления турбины по моменту при по­ стоянной скорости еу и коэффициент усиления гидроагрегата на холостом ходу еух. Хотя эти величины, кроме eg, могут быть полу­ чены расчетным путем или по результатам испытаний модели'рабо­

чего колеса, в ряде случаев требуется уточнить указанные пара­ метры или подтвердить их гарантированные значения, что можно сделать только в натурных условиях.

Постоянная времени гидроагрегата Та определяется по гра­ фику переходного процесса х = f (і), записанного на осцилло­ грамму при сбросе номинальной для данного напора мощности с отключением генератора от энергосистемы. Для получения более точных результатов необходимо до отключения генератора уста­ новить механизм ограничения открытия в положение, соответству­ ющее номинальной мощности, и через механизм изменения ско­ рости подать полный сигнал на увеличение мощности. В этом слу­ чае в начальный период времени после сброса нагрузки турбина будет работать при постоянном вращающем моменте, что дает возможность достаточно точно определить начальное ускорение ротора агрегата. Величина ускорения dxldt определяется накло­ ном касательной, проведенной к записанной кривой х = / (t)

2 6 4