Лабораторная работа №2

Двух контурная система автоматического регулирования скорости вращения гидротурбины (сар свгт)

Цель работы:

1. Изучить устройство, назначение и принцип действия двух контурной САР СВГТ.

2. Изучить устройство, назначение и принцип действия комплексного регулятора входящего в состав двух контурной САР СВГТ.

3. Экспериментально исследовать поведение (или работоспособность) и характери­стики двух контурной САР СВГТ в статическом и динамическом режимах работы, используя инструментальные средства пакета Matlab.

Умения, на которые направлено выполнение лабораторной работы:

• проведение экспериментальных исследований по оценке статических и дина­мических характеристик систем автоматического регулирования в среде паке­та Matlab;

• определение основных показателей качества управления двух контурной сис­тем автоматического регулирования;

• оценка преимуществ и недостатков исследуемой двух контурной САР СВГТ по полученным результатам эксперимента.

Тестовый контроль перед проведением лабораторной работы

1. Объяснить назначение двух контурной САР СВГТ, ее устройство и принцип действия.

2. Объяснить устройство и принцип действия комплексного регулятора двух кон­турной САР СВГТ.

3. Дать определение статической и астатической системы управления. Что такое величина статизма, и какие факторы на нее влияют?

4. Каким образом осуществляется регулирование величины статизма в рассматри­ваемой системе управления?

5. Что такое астатическая коррекция, и с помощью чего она осуществляется в об­щем случае?

6. Дать определение гибкой и жесткой обратной связи.

7. К какому классу и почему относится изодромная обратная связь (гибкая или жесткая), существующая в рассматриваемой системе управления? Для чего она используется?

8. Каким образом осуществляется астатическая коррекция в рассматриваемой сис­теме управления?

9. Почему в рассматриваемой системе используется комплексный регулятор, а не какой ни будь один входящий в его состав?

10. Дать определение следящей системы.

Содержание лабораторной работы

1. Уяснение вопросов, связанных с принципом действия, составом и математическим описанием двух контурной сар свгт.

На рисунке 1.1 представлена кинематическая схема исследуемой двух контур­ной САР СВГТ.

Рисунок 2.1 - Кинематическая схема двух контурной САР СВГТ:

1 - турбина; 2 - регулятор скорости; 3 - золотник; 4 - управляющий серводвигатель; 5 - заслонка или орган управления; 6 - водоем; 7 – трубопровод.

Чувствительный элемент регулятора скорости - центробежный маятник 2 свя­зан с валом турбины 1, при изменении скорости вращения турбины, грузы маятника изменяют свое положение. Их перемещение вызывает перемещение золотника 3, управляемого серводвигателем 4. Серводвигатель перемещает орган управления 5, изменяющего количество воды, поступающей из водоема 6 по трубопроводу 7 в тур­бину 1 в единицу времени.

В общем случае двух контурная САР СВГТ состоит из следующих основных агрегатов:

1) турбины с главным генератором в виде нагрузки;

2) трубопровода;

3) главного серводвигателя;

4) направляющего аппарата;

5) вспомогательного серводвигателя;

6) вспомогательного генератора;

7) синхронного электродвигателя;

8) вращающего центробежного маятника;

9) комплексного регулятора.

На рисунке 2.2 представлена кинематическая схема комплексного регулятора двух контурной САР СВГТ.

Регуляторы такого типа нашли широкое применение на электростанциях для регулирования скорости мощных поворотно-лопастных турбин. Это объясняется тем, что рассматриваемый комплексный регулятор обеспечивает регулирование ско­рости вращения гидротурбины путем изменения расхода воды, поступающего к на­правляющему аппарату ГТ через трубопровод, а также путем изменения положения лопастей рабочего колеса ГТ.

Чувствительным элементом представленного регулятора является центробеж­ный маятник, приводимый во вращение синхронным электродвигателем 1. Послед­ний получает питание от специального синхронного генератора (пендель-генератора), насаженного на вал турбины. Синхронный электродвигатель заменяет механическую передачу от вала турбины к маятнику. Скорость вращения син­хронного электродвигателя пропорциональна частоте переменного тока генератора, т. е. скорости вращения вала турбины.

Вместе с диском маятника 2 вращаются два цилиндрических груза 3, охвачен­ных гибкой стальной лентой 4. К лапам грузов 5 прикреплены две пружины 6, кото­рые стремятся сблизить грузы друг с другом. Сближению грузов препятствует цен­тробежная сила. При изменениях центробежной силы грузы перекатываются по дис­ку и ленте. Давление ленты передается на пяту и штифт 7 маятника. При возрастании скорости грузы расходятся, и лента перемещает штифт 7 вниз. При уменьшении ско­рости грузы сближаются, и пружина 9 поднимает штифт вверх. Трение скольжения при такой конструкции регулятора незначительно и чувствительность маятника очень высока.

Рисунок 2.2 - Кинематическая схема комплексного регулятора:

1 - синхронный электродвигатель; 2 - диск маятника; 3 - цилиндрический груз; 4 -гибкая стальная лента; 5 - лапы грузов; 6 - пружины; 7 - штифт маятника; 8 - золот­никовый рычаг; 9,10 - пружина; 11 - стакан изодрома; 12 - поршень изодрома; 13 -побудительный золотник; 14 - тело побудительного золотника; 15 - тяга обратной связи; 16 - главный золотник; 17 - поршень; 18 - вспомогательный серводвигатель; 19 - вспомогательный серводвигатель; 20 - тело главного золотника; 21 - золотник; 22 - винт; 23 - узкая трубка (байпаса); 24 - тяга; 25 - ползунок; 26 - электродвига­тель; 27 - сельсин-приемник; 28 - тяга; 29 - вал жесткой обратной связи; 30,31 -рычаги; 32 — ролик; 33 - рычаг; 34 - профилированный кулачек; 35 - рычаг; 36 -трос; 37 - серводвигатель регулирующего органа.

Усилия, передаваемые штифтом 7, весьма малы для перестановки громоздкого направляющего устройства турбины, поэтому между чувствительным элементом ре­гулятора и направляющим устройством необходимо включить несколько усилите­лей. Таким образом, рассматриваемая схема является примером схемы непрямого ре­гулирования.

Первым усилителем служит так называемый побудительный золотник 13, управляющий вспомогательным серводвигателем 18. При перемещении тела побуди­тельного золотника 14, например, вверх (при уменьшении скорости) масло, посту­пающее из маслонапорной установки (не показанной на рисунке), направляется в верхнюю трубку серводвигателя 18 и заставляет поршень 17 перемещаться вниз, вы­тесняя по нижней трубке масло из нижней полости в сливной бак. Перемещаясь вниз, поршень через тягу обратной связи 15 тянет вниз золотник 14.

Одновременно, при движении вниз поршня 17 вспомогательного серводвига­теля происходит перемещение главного золотника 16 второго усилителя. При этом по нижней трубке масло поступает в исполнительное устройство - серводвигатель 37 регулирующего органа - направляющего устройства турбины (не показанного на ри­сунке 2.2), который изменяет (в рассматриваемом случае увеличивает) доступ воды в турбину, в результате чего скорость вращения вала турбины начинает возрастать. Если произошло возрастание скорости, то движения всех рассмотренных элементов происходят в противоположных направлениях, в результате чего подача воды в тур­бину уменьшается и ее скорость начинает падать.

Одновременно с перемещением направляющего устройства поршень серво­двигателя 37 через рычаг 35 поворачивает вал жесткой обратной связи 29 (так назы­ваемый вал выключателя). Стрелкой указано направление поворота вала при откры­тии направляющего устройства. Поворот вала приводит в действие ряд механизмов. Прежде всего, с помощью тяг 24, 28 и золотникового рычага 5 перемещается тело золотника 14 в сторону, обратную перемещению маятника, и осуществляется, таким образом, жесткая отрицательная обратная связь. Благодаря этой связи равновесие на­ступит не при заданной, а при несколько меньшей скорости. Таким образом, приве­денная выше схема является примером системы статического регулирования. Пере­ставляя, ползунок 25, можно изменять соотношения длин плеч рычага обратной свя­зи и тем самым регулировать величину статизма.

Однако если бы система состояла только из указанных устройств, процесс ре­гулирования был бы или неустойчивым, или неудовлетворительным по качеству. Для обеспечения устойчивости в регуляторе имеется дополнительный корректи­рующий элемент - гибкая, или изодромная, обратная связь. При повороте вала 29 с помощью рычагов 28 и 24 производится перемещение стакана изодрома 11. Движе­ние стакана через заполняющее его масло передается на поршень 12 изодрома, кото­рый, в свою очередь, воздействует па золотниковый рычаг 8. В процессе движения масло в изодроме под давлением пружин 10 перегоняется по узкой трубке (байпасу) 23 из одной половины стакана в другую. Сопротивление перетеканию масла может регулироваться вручную винтом 22. Изодромная обратная связь называется гибкой, потому что действие ее возрастает с возрастанием скорости движения серводвигате­ля. При неподвижном серводвигателе пружина 10 приводит постепенно поршень 12 в исходное состояние и действие гибкой обратной связи прекращается.

Если исключить действие механизма изменения статизма, убрав, например, рычаг 28, то система, регулирования станет астатической, так как установившийся режим будет возможен лишь при строго определенном положении золотникового рычага 8, при котором пружина 10 будет находиться в ненапряженном состоянии. Но на практике всегда настраивают регулятор так, чтобы он имел определенный статизм. Объясняется это тем, что на электрических станциях электроэнергия выраба­тывается несколькими агрегатами, работающими на общую электрическую сеть. На­грузка каждого из параллельно работающих агрегатов будет обратно пропорцио­нальной статизму его регулировочной характеристики.

На рисунке 2.3, а показаны характеристики зависимости мощности от частоты для двух агрегатов (турбогенераторов).

1. б)

Рисунок 2.3 - Характеристики регулирования двух параллельно работающих агрегатов.

Очевидно, что при одной и той же частоте, нагрузка между турбогенераторами I и II будет распределяться неодинаково: агрегат II с более пологой характеристикой (т. е. с меньшим статизмом) примет на себя большую часть нагрузки.

Таким образом, если требуется равномерно распределять нагрузку между агре­гатами, то необходимо их статическим характеристикам 1 и 2 придать одинаковый наклон. Минимальная величина этого наклона определяется допустимой шириной зоны нечувствительности (заштрихованная зона на рисунке 2.3, а), внутри которой нагрузка агрегата будет оставаться неопределенной. Обычно статизм выбирается в пределах 3-6%.

Однако частота электростанции в нормальном режиме должна поддерживаться строго постоянной, т. е. в конечном итоге регулирование должно быть астатическим. Совместить эти два противоречивых требования можно путем введения так называе­мой астатической коррекции.

Величина статизма определяется соотношением плеч рычага АВ и ВС (рису­нок 2.2), т. е. положением ползунка 25. Если, сохраняя положение ползунка, изме­нить положение точки С, то тем самым характеристика регулятора сместится парал­лельно самой себе.

Пусть в некоторый момент времени нагрузки агрегатов были Р₁ и Р₂, а часто­та точно равнялась заданной (рисунок 2.3, б). Предположим, что произошло увели­чение нагрузки в сети так, что агрегаты стали отдавать мощности Р'₁ и Р'₂ . Из ри­сунка видно, что это будет возможно, если характеристики 1 и 2 останутся в преж­нем положении, лишь при уменьшении частоты до значения ƒ' .Установим теперь на агрегате I астатический корректор, который при уменьшении частоты начнет пере­мещать точку С, а следовательно, и всю характеристику вверх до тех пор, пока час­тота не восстановится (характеристика 3). Тогда нагрузка агрегата II вернется к прежнему значению Р₂, а агрегат I примет на себя весь избыток нагрузки, и его мощность станет равной Р"₁ .

Астатическая коррекция может осуществляться на одном агрегате - такой ме­тод регулирования называется методом ведущего агрегата. При этом все колебания нагрузки будет воспринимать агрегат с астатической коррекцией, нагрузка осталь­ных будет оставаться постоянной. Астатическую коррекцию можно осуществлять на группе агрегатов или на всех агрегатах станции; в последнем случае данная станция принимает на себя все изменения нагрузки (метод ведущей станции). Возможны ус­тановки астатических корректоров на нескольких станциях, входящих в энергосис­тему, или на всех станциях.

Обычно астатическая коррекция осуществляется с помощью регулятора часто­ты, который измеряет отклонение частоты от заданного значения и включает элек­тродвигатель 26 (электродвигатель механизма изменения частоты; смотреть рисунок 2.2), смещающий точку С в нужном направлении. Кроме электродвигателя 26, в ме­ханизме изменения частоты предусмотрен сельсин-приемник 27, с помощью которо­го возможно осуществлять одновременное групповое управление агрегатами с пуль­та. С последнего возможно и ручное управление отдельными агрегатами. Для этого предусмотрены кнопки, которыми можно изменять направление вращения электро­двигателя 26.

Так как частота пропорциональна скорости вращения вала турбины, то в сис­теме обеспечивается двойное регулирование одной и той же величины с помощью двух регуляторов - регулятора скорости (первичное регулирование) и регулятора частоты (вторичное регулирование). Очевидно, что принципиально можно осущест­влять регулирование с астатической коррекцией и от одного измерительного элемен­та. Использовать для этой цели центробежный маятник неудобно из-за чисто конст­руктивных трудностей. Поэтому в последние годы начали получать распространение единые электрогидравлические регуляторы, у которых чувствительным элементом является схема для измерения частоты, а центробежный маятник отсутствует. Чувст­вительный элемент по одному каналу воздействует на электромагнит, управляющий движением побудительного золотника, а по другому - на электродвигатель механиз­ма изменения частоты. Наличие электрического измерительного элемента дает воз­можность легко вводить различные дополнительные воздействия - по производным изменения скорости, по нагрузке и по другим величинам, что делает более гибким и совершенным закон регулирования.

В поворотно-лопастных турбинах, кроме рассмотренного выше процесса регу­лирования скорости, используется еще поворот лопастей рабочего колеса турбины с целью получения наивысшего к.п.д. турбины. В существующих в настоящее время регуляторах скорости требуемая установка лопастей в функции угла открытия на­правляющего устройства вычисляется заранее на основе экспериментов, на модель­ной турбине. Для осуществления поворота лопастей в соответствии с этими данными к регулятору скорости пристраивается дополнительно система программного управ­ления поворотом лопастей рабочего колеса. Она состоит из датчика программы (про­граммирующего устройства) и следящей системы, обрабатывающей заданную про­грамму.

Датчиком программы служит механический функциональный преобразователь - профилированный кулачок 34, насаженный на вал 29. Профиль кулачка выполнен в соответствии с требуемой зависимостью угла поворота лопастей рабочего колеса от угла открытия направляющего устройства. Через ролик 32 и систему рычагов 33, 30, 31 кулачок воздействует на золотник 21, который через вспомогательный серводви­гатель 19 управляет телом главного золотника 20 серводвигателя рабочего колеса. Золотники и серводвигатель рабочего колеса образуют собой следящую систему, от­рабатывающую заданное кулачком 34 угловое перемещение. Серводвигатель рабоче­го колеса встроен в вал турбины и на схеме не показан. Через трос 36 осуществляет­ся обратная связь от серводвигателя к золотниковому рычагу 31, который служит в качестве органа сравнения следящей системы.

Математическое описание исследуемой двух контурной САР СВГТ осуществля­ется, используя структурную схему, представленную на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 - Структурная схема двух контурной САР СВГТ:

W₀(s),W'₀(s) - передаточная функция турбины; W₁(s) - передаточная функция цен­тробежного маятника; W₂(s) - передаточная функция вспомогательного сервоприво­да; W₃(s) - передаточная функция гидравлического серводвигателя; W₄(s) - переда­точная функция изодромного регулятора; W₅(s), W₆(s) - передаточные функции элементов регулятора поворота лопастей рабочего колеса.

Передаточные функции элементов представленных на структурной схеме двух контурной САР СВГТ имеют следующий вид:

_(2.1)

_(2.2)

_(2.3)

_(2.4)

_(2.5)

_(2.6)

_(2.7)

_(2.8)

Что касается программного кулачка, то этот элемент в общем случае переда­точной функции не имеет, так как является нелинейным элементом. В данной работе, проводя анализ системы, будем считать, что влияние программного кулачка на сиг­нал µ₂ будет являться линейным и численно равным коэффициенту K₈.