Регулятор частоты вращения гидротурбины
Изобретение касается усовершенствования регулятора частоты вращения гидротурбины. Технический результат заключается в повышении точности и качества регулирования частоты вращения гидроагрегата. Предложен регулятор частоты вращения гидротурбины, содержащий датчик частоты вращения, датчик ускорения, интегратор, механизм управления, выходы которых соединены через сумматор с усилителем, распределительный золотник, соединенный с серводвигателем, датчик обратной связи положения штока серводвигателя (постоянный статизм), выход которого соединен с сумматором в который дополнительно введен блок коррекции, вход которого подключен к выходу усилителя, а выход - ко входу распределительного золотника. Сигнал интегратора комбинируется на сумматоре с сигналом отклонения частоты, сигналом ускорения, сигналом механизма управления и сигналом постоянного статизма. Результирующий сигнал с сумматора, усиленный усилителем и измененный блоком коррекции, приводит в действие распределительный золотник, управляющий серводвигателем системы клапанов. Положение серводвигателя системы клапанов определяет расход воды через гидротурбину, частота вращения которой определяется величиной расхода.
Заявленная полезная модель относится к регуляторам частоты вращения гидротурбин.
Существует достаточно большое многообразие регуляторов частоты вращения гидротурбин с различной степенью их усовершенствования.
В международном руководстве по испытанию регуляторов частоты вращения для гидравлических турбин (JEC 308/1970) [1] приведено несколько типов возможного построения регуляторов, схемы которых представлены на фиг.1, 2, 3. На указанных фигурах использованы следующие обозначения:
х - относительная частота вращения гидротурбины,
у - относительная величина положения штока серводвигателя,
с - относительная величина сигнала управления.
Так на фиг.1 показан регулятор, воздействующий по скорости.
Работа регулятора осуществляется следующим образом. Сигнал с датчика частоты вращения 1 комбинируется на сумматоре 7 с сигналом управления 5 и сигналом обратной связи постоянного статизма 6, пропорциональным положению штока серводвигателя системы клапанов 4. Сигнал с сумматора 7, усиленный усилителем 2, приводит в действие распределительный золотник 3, управляющий серводвигателем 4.
Недостаток регулятора - наличие статической ошибки регулирования. На фиг.2 показан регулятор, воздействующий как по скорости, так и по ускорению, который определяет кроме частоты вращения 1 угловое ускорение 2 турбины и комбинирует этот сигнал на сумматоре 8 с другими сигналами механизма управления 6 и сигналом обратной связи постоянного статизма 7. Сигнал с сумматора 8 усиленный усилителем 3 приводит в действие распределительный золотник 4, управляющий серводвигателем системы клапанов
5. Данный регулятор обладает более высоким быстродействием, но также имеет статическую ошибку регулирования.
На фиг.3 показан регулятор, воздействующий по скорости с переходным статизмом. В нем сигнал переходного статизма 6 пропорциональный скорости перемещения серводвигателя 4 комбинируется на сумматоре 8 с сигналом отклонения частоты 1, сигналом управления 5 и сигналом постоянного статизма 7. Результирующий сигнал с сумматора 8 усиливается усилителем 2 и приводит в действие распределительный золотник 3, управляющий серводвигателем 4.
Такой регулятор называют еще изодромным регулятором, см. например, В.А.Пивоваров "Проектирование и расчет систем регулирования гидротурбин" Ленинград "Машиностроение" 1973 г. стр.212 рис.92. [2]
При использовании этого типа регулятора можно в совокупности с сигналом по ускорению и скорости получить регулятор, сочетающий в себе способ регулирования по ускорению и скорости со способом регулирования по переходному статизму. В [2] на рис.106 стр.241 приведена структура такого регулятора, который по сравнению с описанными выше структурными схемами регуляторов скорости обладает более высоким быстродействием, но в тоже время имеет статическую ошибку регулирования.
В [2] описан также регулятор скорости с воздействием по интегралу от регулируемой величины (см. стр.243÷248). Такой регулятор по сравнению с описанными выше регуляторами обладает рядом достоинств, а именно: получить максимально возможное быстродействие системы по внешним управляющим сигналам; значительно увеличить статическую и динамическую точность и повысить надежность. Недостаток этих регуляторов заключается в отсутствии упреждающего воздействия при формировании управляющего сигнала.
В настоящее время широкое распространение получили регуляторы частоты вращения гидротурбины с воздействием по скорости, ускорению и интегралу от регулируемой величины, что позволяет получить хорошие динамические
и статические характеристики регулятора. Такие регуляторы носят еще название ПИД-регуляторы (пропорционально, интегрально, дифференциальные).
Типовая структура таких регуляторов, принятая за прототип, приведена на фиг.4 [3]. В них сигнал интегратора 3 комбинируется на сумматоре 9 с сигналом отклонения частоты 1, сигналом ускорения 2, сигналом механизма управления 4 и сигналом постоянного статизма 8. Результирующий сигнал с сумматора 9 усиленный усилителем 5 приводит в действие распределительный золотник 6, управляющий серводвигателем системы клапанов 7.
При проектировании регуляторов гидравлического типа для установленного комплекса гидроэнергетического оборудования в первую очередь определяются требования к золотниковым устройствам. Так для обеспечения заданных гарантий регулирования, например, по времени открытия/закрытия направляющего аппарата назначается с некоторым запасом максимальный потребный расход рабочей жидкости при максимальном управляющем сигнале на входе распределительного золотника.
Для обеспечения заданной точности и качества регулирования частоты вращения турбины или отдаваемой мощности, как правило, ориентируются на распределительные золотники пропорционального типа с приемлемой зоной нечувствительности.
Предварительная отработка функционирования регулятора с гидроагрегатом проводится разработчиком регулятора на математическом и полунатурном стендах с заданными характеристиками распределительных золотников.
По результатам математического и полунатурного моделирования устанавливаются оптимальные параметры регулятора и сервопривода направляющего аппарата, которые обеспечивают заданные: точность, качество и гарантии регулирования (частоты вращения турбины/отдаваемой мощности).
На практике из-за возможных ошибок производства, вызванных сложностью изготовления золотниковых устройств, характеристики их могут отличаться
от заданных. Это отличие может проявляться в увеличении или уменьшении зоны нечувствительности, а также в увеличении или уменьшении крутизны выходного сигнала (расхода рабочей жидкости) в зависимости от управляющего сигнала.
Отработка и настройка регуляторов с такими распределительными золотниками при запуске гидроагрегатов на гидроэлектростанциях представляет значительные трудности, требует неоправданно много времени и не всегда позволяет обеспечить должное качество регулирования.
Задачей, на выполнение которой направлено заявляемое техническое решение, является создание регулятора скорости гидротурбины, обладающего значительно большими регулирующими возможностями по сравнению с известными, что позволяет использовать в регуляторе золотниковые устройства с пониженными техническими характеристиками по сравнению с заданными.
Технический результат заключается в повышении точности и качества регулирования частоты вращения гидроагрегата.
Для повышения эффективности отработки регуляторов с характеристиками распределительных золотников отличающихся от заданных, авторы предлагают управляющий сигнал с усилителя 5 известного регулятора показанного на фиг.4 предварительно скорректировать в блоке коррекции, включив его между усилителем 5 и распределительным золотником 6.
Суть заявляемого технического решения заключается в том, что в известный регулятор, показанный на фиг.4., содержащий датчик частоты вращения, датчик ускорения, интегратор, механизм управления, выходы которых соединены через сумматор с усилителем, распределительный золотник, соединенный с серводвигателем, датчик обратной связи положения штока серводвигателя (постоянный статизм), выход которого соединен с сумматором дополнительно введен блок коррекции, вход которого подключен к выходу усилителя, а выход - к входу распределительного золотника.
На фиг.5 показан регулятор в соответствии с заявляемым техническим решением, где:
1 - датчик частоты вращения гидротурбины;
2 - датчик ускорения;
3 - интегратор;
4 - механизм управления;
5 - усилитель;
6 - распределительный золотник;
7 - серводвигатель системы клапанов;
8 - постоянный статизм;
9 - сумматор;
10 - блок коррекции.
Функционально блок коррекции 10 должен быть таким, чтобы в зависимости от управляющего сигнала на входе блока, в совокупности с реальной характеристикой распределительного золотника 6, обеспечить заданную характеристику расхода рабочей жидкости, т.е. такую характеристику, при которой по результатам математического и полунатурного моделирования были установлены оптимальные параметры регулятора и сервопривода и достигнуты наилучшие показатели регулирования частоты/мощности рассматриваемого гидроагрегата.
На фиг.6 представлены графики определения функциональной зависимости блока коррекции, где:
- относительный сигнал на входе блока коррекции;
- относительный сигнал на выходе блока коррекции;
Qф - фактическая характеристика расхода рабочей жидкости распределительного золотника от управляющего сигнала;
Qз - заданная характеристика расхода рабочей жидкости распределительного золотника от управляющего сигнала.
Для установления функциональной зависимости выходного сигнала с блока коррекции 10 от входного определяется фактическая характеристика
расхода рабочей жидкости распределительно золотника 6 от управляющего сигнала при фиксированном перепаде давления. Далее на графике в одном и том же масштабе строятся фактическая Qф и заданная Q з характеристики распределительного золотника в зависимости от относительного управляющего сигнала . Для упрощения показана лишь одна ветвь расходной характеристики распределительного золотника, т.е. при положительном сигнале на его входе. Технология определения функциональной зависимости блока коррекции 10 при отрицательном сигнале на входе распределительного золотника аналогична.
На фиг.6а фактическая расходная характеристика распределительного золотника 
имеет большую по сравнению с заданной 
зону нечувствительности и увеличенный расход рабочей жидкости при максимальном относительном управляющем сигнале 
. Функциональная зависимость выходного сигнала блока коррекции 10 от входного находится следующим образом: проводятся прямые линии, параллельные оси , до пересечения с фактической и заданной расходными характеристиками распределительного золотника для расходов Qi соответствующих положениям 1, 2, 3. При построении функциональной характеристики блока коррекции 10 входному значению управляющего сигнала 
соответствует выходной сигнал 
, 
соответствует 
и 
соответствует сигнал 
, при этом , , представляют собой пересечение прямых 1, 2 и 3 с фактической расходной характеристикой распределительного золотника , а значения сигналов , , соответствуют пересечениям указанных прямых с заданной расходной характеристикой распределительного золотника .
Для положения 1 координате на входе блока коррекции 10 должна соответствовать координата выходного сигнала с блока коррекции 10. Для положения 2 координата на входе блока коррекции 10 равна координате на его выходе. Для положения 3 координате 
на входе блока коррекции
10 должна соответствовать координата на его выходе. На фиг.6а для рассматриваемого случая показана функциональная зависимость блока коррекции 10 
, которая представляет собой кусочно-линейную функцию.
На фиг.6б фактическая расходная характеристика распределительного золотника 6, хотя по зоне нечувствительности совпадает с заданной, но по сравнению с ней она имеет низкую крутизну выходного сигнала при малых управляющих сигналах, при средних большую и увеличенный потребный расход рабочей жидкости при максимальном входном сигнале .
Технология определения функциональной зависимости блока кореекции 10 для данного отличия аналогична. Входным координатам на входе блока коррекции 10 , , , 
должны соответствовать координаты , , , 
на его выходе. На фиг.6б для данной фактической расходной характеристики распределительного золотника построена функциональная зависимость блока коррекции 10 , которая также представляет собой кусочно-линейную функцию.
На фиг.6в приведена функциональная зависимость блока коррекции 10 для приведенного на фиг.6в различия фактической и заданной расходных характеристик распределительного золотника.
Если фактическую расходную характеристику распределительного золотника аппроксимировать прямолинейными участками, то функциональная зависимость блока коррекции 10 также будет представлять собой кусочно-линейную функцию , причем точность аппроксимации зависит от количества прямых линий, которыми производится деление расходных характеристик и .
На фиг.6г фактическая расходная характеристика распределительного золотника отличается от заданной тем, что она не имеет зоны нечувствительности, обладает чрезмерно высокой чувствительностью при
малых управляющих сигналах и завышенным расходом рабочей жидкости при максимальном входном сигнале .
Отсутствие зоны нечувствительности и высокая крутизна расходной характеристики такого распределительного золотника нежелательны с точки зрения влияния различного рода помех на качество регулирования. Для получения заданной расходной характеристики распределительного золотника в данном случае необходимо обеспечить функциональную зависимость блока коррекции 10 приведенную на фиг.6г.
Таким образом, располагая фактической расходной характеристикой распределительного золотника снятой на гидроэлектростанции до отладки регулятора с гидроагрегатом, нетрудно найти функциональную зависимость блока коррекции 10.
Последовательно соединенные между собой блок коррекции 10 и распределительный золотник 6 обеспечат в совокупности заданную пропорциональную расходную характеристику , при которой по результатам математического и полунатурного моделирования определены оптимальные параметры регулятора и сервопривода и обеспечены надлежащая точность и качество регулирования по стабилизации частоты и отдаваемой мощности гидроагрегата.
Реализация кусочно-линейной функции блока коррекции 10 не вызывает трудностей и в цифровых регуляторах может быть осуществлена программно. При совпадении фактической и заданной расходных характеристик распределительного золотника блок коррекции 10 представляет собой повторитель, т.е. .
Работа регулятора, выполняющего функции регулирования, например, частоты вращения турбины/генератора электрического тока, осуществляется следующим образом. С помощью механизма управления 4 дистанционно или вручную с панели стойки управления подается на сумматор 9 управляющий сигнал «схх», соответствующий выходу гидроагрегата (турбина/генератор) на холостой ход. Управляющий сигнал «схх» через усилитель 5, блок коррекции
10 и распределительный золотник 6 приводит в движение шток серводвигателя системы клапанов 7, на открытие направляющего аппарата (на чертеже не показан), обеспечивая расход воды через турбину, соответствующий созданию момента на турбине, равного моменту холостого хода. Управляющему сигналу с=с хх соответствует положение штока серводвигателя системы клапанов 7 у=ухх. Это достигается в следящем приводе с помощью отрицательной обратной связи постоянного статизма 8.
Разгон турбины осуществляется до номинальной или близкой к номинальной частоте вращения турбины, после чего к сумматору 9 подключатся блоки 1, 2, 3 ПИД-регулятора.
Относительная частота вращения турбины «х», сформированная в чувствительном элементе (на чертеже не показан) производящем измерение регулируемой величины и ее сравнение с заданным значением, поступает на датчики 1, 2 и интегратор 3, составляющие ПИД-регулятор, выходы которых суммируются на сумматоре 9. При включении ПИД-регулятора в момент, когда частота вращения турбины меньше заданной, на выходе сумматора, 9 формируется сигнал положительного знака направленный на открытие направляющего аппарата, т.е. на увеличение «у», на увеличение расхода воды через турбину и увеличение частоты вращения турбины. При достижении заданной частоты вращения турбины сигнал с чувствительного элемента становится равным нулю, т.е. х=0 и открытие направляющего аппарата становится равным открытию холостого хода, т.е. у=у хх.
При увеличении нагрузки на генератор, момент турбины становится меньше момента нагрузки, а частота вращения турбины становится меньше заданной, т.е. х>0. На выходе сумматора 9 формируется положительный сигнал на открытие направляющего аппарата у>ухх, т.е. на увеличение расхода воды через турбину и увеличение момента до величины равной моменту нагрузки. Частота вращения турбины достигает заданной при х=0, а положение штока серводвигателя системы клапанов 7 «у» устанавливается в положение соответствующее положению заданной нагрузки у наг на генераторе.
При уменьшении нагрузки на генераторе или увеличении напора воды момент турбины становится больше момента нагрузки, частота вращения при этом увеличивается и превышает заданную частоту, относительная частота вращения становится меньше нуля х<0 и на выходе сумматора 9 формируется сигнал отрицательного знака. Усиленный усилителем 5 и преобразованный в блоке коррекции 10 отрицательный сигнал на выходе сумматора обеспечивает в распределительном золотнике 6 расход рабочей жидкости отрицательного знака и направлен на уменьшение хода штока серводвигателя системы клапанов 7 и уменьшение расхода воды через направляющий аппарат и турбину, а, следовательно, на уменьшение момента и частоты ее вращения. Это происходит до тех пор, пока момент на турбине не станет равным моменту нагрузки и частота вращения турбины не достигает заданной величины. Учитывая, что неравномерность расхода воды через направляющий аппарат и другие возможные факторы могут как увеличивать, так и уменьшать моменты турбины и нагрузки регулятор формирует на выходе сумматора 9 сигнал, который с помощью следящего сервопривода направляющего аппарата, состоящего из блоков 5, 6, 7, 8, 10 путем его открытия/закрытия уменьшает или увеличивает частоту вращения турбины относительно заданной, т.е. стабилизирует достижение х=0.
Необходимость введения блоков коррекции возникла при отладке регуляторов частоты вращения турбины или отдаваемой мощности трех одинаковых гидроагрегатов на Гунибской ГЭС с распределительными золотниками, имеющими различные расходные характеристики, из которых лишь один имел расходную характеристику, соответствующую заданной.
Регулятор с таким распределительным золотником обеспечил получение требуемых показателей точности и качества регулирования одного из гидроагрегатов с оптимальными коэффициентами ПИД-регулятора и сервопривода, установленными в процессе проектирования и отработки на математическом и полунатурном стендах без блока коррекции.
Попытки достичь такого же результата без введения блоков коррекции на двух других гидроагрегатах с распределительными золотниками, фактические расходные характеристики которых существенно отличались от заданных характеристик, не увенчались успехом. Точность и качество регулирования при этом снизились.
Применение блоков коррекции с установленными функциональными зависимостями по указанной технологии и показанное включение этих блоков в регуляторы позволило получить необходимую точность и качество регулирования этих гидроагрегатов с теми коэффициентами регулятора и сервопривода, которые были найдены при математическом и полунатурном моделировании.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ:
1. JEC 308/1970. Международное руководство по испытанию регуляторов частоты вращения для гидравлических турбин. Выпуск 308, первое издание, 1970 г. Центральное бюро Международной электротехнической комиссии, Швейцария. Перевод КН-03748. Всесоюзный центр переводов научно-технической литературы и документации, 1987 г.
2. В.А.Пивоваров «Проектирование и расчет систем регулирования гидротурбин», Ленинград, «Машиностроение», 1973 г.;
3. «Методы классической и современной теории автоматического управления», учебник в 3-х томах, т.2, «Синтез регуляторов и теория оптимизации систем автоматического управления» под ред. Н.Д.Егупова, М. Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2000 г.
Регулятор частоты вращения гидротурбины, содержащий датчик частоты вращения, датчик ускорения, интегратор, механизм управления, выходы которых соединены через сумматор с усилителем, распределительный золотник, соединенный с серводвигателем, датчик обратной связи положения штока серводвигателя (постоянный статизм), выход которого соединен с сумматором, отличающийся тем, что в него дополнительно введен блок коррекции, вход которого подключен к выходу усилителя, а выход - к входу распределительного золотника.
