ЛекцииГМ2
.pdf
СШФ СФУ кафедра ГТС |
9 |
СШФ СФУ кафедра ГТС |
10 |
Лекция 24.
Основные принципы автоматического управления и регулирование режимов работы гидроагрегата.
24.1 Конструктивные схемы и принцип действия регуляторов скорости.
24.1.1 Задачи регулирования гидротурбин.
Все операции связанные с пуском, нормальной и аварийной остановками, синхронизацией и включением агрегата в сеть, а также изменение нагрузки агрегата происходят автоматически. Простым поворотом ключа управления с пульта ГЭС или диспетчерского пульта подается сигнал на пуск или остановку гидроагрегата.
Всевозможные неполадки в работе отдельных механизмов агрегата,
как, например, нагрев подшипника, прекращение подачи смазки в подшипник, падение давления в котле МНУ, обрыв разрывного элемента в звене направляющего аппарата (срез пальца), отказ регулятора скорости,
ненормальное повышение оборотов вала агрегата и др., контролируются соответствующими приборами и устройствами автоматики.
Если отказ в работе механизма не вызывает аварии, то датчик подает сигнал в систему управления о неисправности того или иного механизма, и
обслуживающий персонал восстанавливает его работу. Если же отказ от работы механизма вызовет аварию, то система автоматического управления
немедленно обеспечивают остановку агрегата. Автоматизация значительно упрощает управление работой агрегата и делает ее более надежной,
уменьшая число аварий.
Важнейшим элементом автоматизации гидротурбинного оборудования является автоматическое регулирование, задача которого состоит в поддержании, в заранее заданных пределах, скорости вращения вала агрегата.
Гидроагрегаты могут работать или каждый на свою самостоятельную сеть, или параллельно на сеть, питающуюся от многих агрегатов:
гидравлических, тепловых и т. д. К электрической сети подключаются электрические двигатели, которые приводят в движение рабочие машины, а
также различные производственные и бытовые приборы, освещение и др.
Потребление электрической энергии во время работы ГЭС непрерывно изменяется в широких пределах. Если не принять специальных мер по
СШФ СФУ кафедра ГТС |
1 |
регулированию агрегатов, питающих сеть, то это вызовет изменение частоты переменного тока.
Современные правила технической эксплуатации электрических
(ПТЭ), сетей переменного тока предусматривают поддержание постоянной частоты с отклонением от нормальной величины 50 гц ± 0,2% (49,9 ÷ 50,1)
Частота переменного, электрического тока зависит от скорости вращения ротора генератора:
f = p·n / 60
где f — частота переменного тока, гц;
р — число пар полюсов генератора;
n— скорость вращения ротора генератора, об/мин.
Следовательно, при заданной конструкции генератора (p=const) частота
f зависит от скорости вращения ротора генератора n, кроме того, уравнение
динамики |
машин |
показывает: |
|
|||
|
|
|
J × |
dω |
= M |
Д - МС |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
dt |
|
|
где J — момент инерции вращающихся масс; |
||||||
ω — |
угловая скорость; |
|
||||
t — |
время; |
|
|
|
|
|
МД – |
момент движущих сил; |
|
||||
МС – |
момент сил сопротивления. |
|
||||
Требование сохранения постоянной скорости вращения n, а поэтому и |
||||||
угловой |
скорости |
ω (dω / dt = 0) |
приводит к равенству моментов |
|||
движущих сил и сил сопротивления, т. е. МД = МС. |
||||||
Это |
равносильно требованию |
иметь равенство мощностей, |
||||
потребляемых генератором NГ и развиваемых турбиной NТ, т. е. NТ = NГ.
Если нагрузка в сети изменяется, а мощность, развиваемая турбиной остается постоянной, то скорость вращения агрегата будет изменяться,
причем так, что при избытке мощности турбины (dω / dt > 0), т.е. скорость будет увеличиваться, а при недостатке скорость (dω / dt < 0) будет уменьшаться.
Из уравнения мощности турбины
NТ = ρgQHηГ
СШФ СФУ кафедра ГТС |
2 |
видим, что мощность турбины можно изменить посредством изменения расхода воды Q и напора H, при этом к. п. д. ηГ будет тоже несколько меняться. "Обычно" "мощность турбины изменяют путем регулирования расхода воды Q, так как увеличение или уменьшение напора в условиях эксплуатации технически трудно выполнимо и экономически совершенно нецелесообразно. Регулирование расхода воды, поступающей на лопасти рабочего колеса, как было рассмотрено выше, производится у радиально-
осевых и |
пропеллерных турбин |
поворотом |
лопаток направляющего |
|
аппарата, |
у поворотно-лопастных |
турбин |
— |
одновременным и |
согласованным поворотом лопаток направляющего аппарата и лопастей рабочего колеса, у ковшовых турбин — перемещением иглы сопла.
Перемещение регулирующих органов на закрытие или на открытие может производиться при помощи исполнительных механизмов – сервомоторов, управляемых автоматическим регулятором скорости.
Автоматические регуляторы включают в себя также механизмы ручного регулирования, вследствие этого они могут работать как автоматически действующие от импульса, получаемого непосредственно от вала двигателя, так и посредством перестановки вручную указанных механизмов.
Каждый технологический процесс характеризуется:
а) количественным показателем – мощностью агрегата (N = var);
б) качественным показателем – параметром регулирования (ω = Const).
Задача регулирования состоит в поддержании качественного
показателя постоянным, либо в заданном диапазоне, при изменении
количественного показателя.
Рисунок 24.1. Структурная схема регулируемого объекта;
1 – измеритель-компаратор, 2 – усилитель, 3 – исполнительный орган.
СШФ СФУ кафедра ГТС |
3 |
Принцип регулирования заключается в следующем, параметр регулирования текущий, сравнивается с параметром регулирования заданным и в зависимости от их соотношения происходит действие регулятора.
По принципу действия различают следующие способы регулирования:
∙Непрерывное или дискретное;
∙Прямое или непрямое (с усилителем);
∙Астатическое или со статизмом.
Параметрырегулирования:
∙ |
ω = var, по скорости вращения; |
∙ |
dω / dt = var, поускорению; |
∙ |
∆М= var, по изменению момента на валу (по нагрузке). |
Для осуществления регулирования в гидротурбинах в основном используется принцип регулирования по скорости, с корректировкой по ускорению.
24.1.2 Принципиальные схемы автоматического регулирования.
По принципу действия различают два способа регулирования: прямое и непрямое. В соответствии с этим регуляторы изготовляются прямого и непрямого действия.
Регулятор прямого действия. На рисунке 24.2. изображена эскизная схема прямого регулирования.
Вал 1 центробежного маятника 4 приводится во вращательное движение электродвигателем 2, который электрически связан со специальным генератором, имеющим привод от вала регулируемого двигателя
(гидротурбины). Таким образом, всякое изменение скорости вращения двигателя мгновенно приводит к соответствующему изменению скорости вращения вала маятника.
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
СШФ СФУ кафедра ГТС |
||
Рисунок 24.2. Схема регулятора прямого действия.
При увеличении скорости вращения, что имеет место при недогрузке
турбины, грузы маятника, под действием центробежных сил, расходятся и тем самым перемещают муфту Н маятника вверх, а при уменьшении скорости
вращения, что имеет место при перегрузке турбины, грузы маятника сходятся под действием собственного веса и упругих сил пружины, и тем самым перемещают муфту маятника вниз.
С муфтой маятника связан рычаг H-Z-S, конец которого в точке S
соединен с заслонкой 3, устанавливаемой на трубопроводе, подводящем воду к турбине. Между крайними точками рычага имеется шарнирная опора Z,
вокруг которой рычаг может поворачиваться. На рис. 24.2 изображено среднее положение маятника и связанных с ним элементов системы регулирования,
соответствующее какой-то частичной нагрузке на турбину. При мгновенном уменьшении нагрузки скорости вращения турбины, а значит и маятника,
возрастут, грузы маятника будут расходиться и перемещать муфту Н вверх.
При этом заслонка будет опускаться вниз, уменьшая расход воды. Процесс регулирования прекратится тогда, когда уравняются нагрузки на агрегат и мощность турбины.
Новое положение рычага и заслонки, соответствующее концу процесса регулирования, на рис. 24.2 показано пунктиром. Очевидно, что скорость вращения при этом будет несколько выше начальной, так как здесь муфта маятника будет находиться выше начального положения, что возможно тогда,
когда грузы разойдутся, т. е. когда скорость вращения увеличится. Таким образом, чем выше положение муфты, тем выше скорость вращения, и
наоборот. При увеличении нагрузки весь процесс пойдет в обратном порядке.
По рассмотренной схеме регулирования маятник (регулятор)
выполняет две функции: реагирует на изменение скорости вращения двигателя и переставляет регулирующую заслонку.
Регуляторы прямого действия просты по конструкции, но обладают рядом существенных недостатков.
1.Они имеют относительно малое усилие в исполнительном механизме,
апоэтому пригодны только для регулирования расхода малых турбин.
СШФ СФУ кафедра ГТС |
5 |
2. Получается значительное различие в скоростях вращения двигателя при различных нагрузках — с максимальным значением скорости при минимальной нагрузке и с минимальным ее значением при максимальной нагрузке, т. е. такие регуляторы имеют довольно высокую степень неравномерности регулирования.
Степенью неравномерности называется отношение разности числа оборотов при холостом ходе и при полной нагрузке агрегата к но-
минальному числу оборотов, т. е. если
|
nН = ( nmax + nmin ) / 2, то |
||||
|
δ = (n |
- n ) / n = 2 × |
nmax − nmin |
|
|
|
|
||||
|
max |
min |
Н |
nmax + nmin |
|
|
|
|
|
||
где δ — |
степень неравномерности (статизм); |
|
|
||
nmax — |
число оборотов агрегата при холостом ходе; |
||||
nmin — число оборотов агрегата при полной нагрузке; |
|||||
nН — |
нормальное число оборотов агрегата. |
|
|
|
|
Степень неравномерности |
обычно |
выражается в процентах и в |
|||
современных регуляторах гидроэлектрических установок находится в пределах 2 ÷ 7 %. Тогда:
δ % = [(nmax - nmin ) / nН]·100%
Физический смысл степени неравномерности: если δ = 10%, то при изменении частоты вращения на 10%, открытие НА (ахх ÷ амах), и
следовательно нагрузка агрегата изменится от 0 ÷ 100%.
Регуляторы непрямого действия. Перестановка регулирующих органов (поворот лопаток направляющего аппарата или лопастей рабочего колеса) в этом случае производится при помощи одного или двух сервомоторов, действующих под давлением масла.
Впуск масла в цилиндр сервомотора происходит через специальный золотник, управляемый центробежным маятником. В этом случае энергия маятника может быть весьма незначительной, так как для смещения иглы золотника требуется небольшое усилие. Непрямое регулирование может быть осуществлено по разным схемам.
Схема непрямого регулятора без обратной связи.
На рисунке 24.3 изображена схема такого регулятора. Здесь муфта 1
центробежного маятника при помощи рычага 2 переставляет иглу 4
СШФ СФУ кафедра ГТС |
6 |
распределительного золотника 3. К золотнику подводится рабочая жидкость под давлением — обычно масло, которое направляется золотником в ту или иную полость сервомотора 5.
Рисунок 24.3. Схема регулятора непрямого действия без обратной связи
Усилие, развиваемое сервомотором, зависит от размеров его поршня и рабочего давления масла. Сервомотор представляет собой закрытый с обоих концов цилиндр с перемещающимися внутри поршнями. Поршень насажен на шток, который связывается с поворотным регулирующим кольцом турбины.
Полости цилиндра, расположенные по обе стороны поршня, соединяются трубопроводами с распределительным золотником.
Распределительный золотник представляет собой корпус цилиндрической формы, внутри которого помещается игла (тело) золотника. В
стенках корпуса имеются окна: через среднее окно подводится к золотнику масло под давлением (из какого-либо источника, например, от масляного насоса или специального резервуара); два окна, перекрываемые буртиками тела золотника, когда последнее находится в своем среднем положении,
соединяются с соответствующими полостями цилиндра сервомотора, а
крайние окна, расположенные вверху и внизу цилиндра, — со сливом.
Таким образом, при перемещении золотника вверх или вниз через одно окно масло под давлением поступает в одну полость цилиндра сервомотора,
тогда как из другой полости цилиндра сервомотора масло сливается через другое окно золотника. Масло под давлением, попадая в цилиндр
СШФ СФУ кафедра ГТС |
7 |
сервомотора, действует на поршень, создает на нем необходимое усилие,
перемещает поршень и производит перестановку регулирующих органов.
Непрямое регулирование без обратной связи практически не-
пригодно, так как регулирование по такой схеме неустойчиво и дает в
процессе регулирования незатухающие колебания.
Это происходит потому, что в процессе регулирования тело золотника несвоевременно возвращается в среднее положение — происходит, как говорят, перерегулирование. При этом, начатая маятником операция управления регулирующими органами сводится к попеременному открытию и закрытию, причем это переменное действие с течением времени не только не сокращается, а, наоборот, становится все более интенсивным, т. е. развивается
автоколебательный процесс.
Схема непрямого регулятора с жесткой обратной связью.
Для своевременного возвращения тела распределительного золотника в среднее положение в целях исключения излишнего перемещения поршня сервомотора и связанных с ним регулирующих органов машины, т. е. для предотвращения перерегулирования, должна быть введена система рычажных передач, так называемая обратная связь (рисунок 24.4).
Рисунок 24.4. Схема регулятора непрямого действия с жесткой обратной
связью
Система рычажных передач связывает перемещение штока сервомотора с перемещением точки Z рычага H-Z-S и возвращает распределительный золотник в среднее положение в процессе регулирования.
СШФ СФУ кафедра ГТС |
8 |