Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ развития систем автоматического регулирования гидротурбин и основные проблемы их совершенствования 13
1.1. Структурные особенности систем автоматического регулирования гидротурбин 13
1.2. Требования, предъявляемые к регуляторам скорости гидротурбин 36
1.3. Устойчивость внутреннего контура регуляторов скорости гидротурбин 39
1.4. Автоколебания в системе регулирования гидротурбин, вызванные нелинейностями внутреннего контура 41
1.5. Основные выводы 44
Глава 2. Динамика электрогидравлических регуляторов скорости гидротурбин 46
2.1. Математическая модель системы автоматического регулирования радиально-осевой гидротурбиной 47
2.1.1. Математическая модель гидроагрегата, учитывающая основные нелинейности переходного процесса 49
2.1.2. Передаточная функция формирователя закона частоты вращения 52
2.1.3. Математическая модель электрогидравлической следящей
системы регулятора скорости радиально-осевой гидротурбины 54
2.2. Исследование влияния основных параметров внутреннего контура на динамику регулятора скорости радиально-осевой гидротурбины 72
2.3. Результаты и выводы 85
Глава 3. Экспериментальное исследование динамических характеристик внутреннего контура регуляторов скорости гидротурбин 86
3.1. Цели и задачи экспериментального исследования 86
3.2. Экспериментальное исследование динамических свойств электрогидравлической следящей системы ГЭС Аль-Адаим 87
3.3. Теоретический анализ динамических свойств системы, экспериментально исследованной на стенде 103
3.4. Сравнение теоретических и экспериментальных результатов для ГЭС Аль-Адаим 109
3.5. Экспериментальные исследования электрогидравлической следящей системы регулятора скорости Красноярской ГЭС 114
3.6. Основные результаты и выводы 122
Глава 4. Теоретическое исследование динамических свойств внутреннего контура регулятора скорости гидротурбины при работе в условиях повышенного рабочего давления 123
4.1. Цели и задачи теоретического исследования 123
4.2. Теоретическое исследование динамики внутреннего контура регулятора скорости радиально-осевой гидротурбины, выполненного на базе традиционных элементов управления 124
4.3. Теоретическое исследование динамики внутреннего контура регулятора скорости радиально-осевой гидротурбины, выполненного на базе типового электрогидравлического усилителя 137
4.4. Основные выводы 147
Заключение 148
Библиографический список использованной
Литературы 150
Приложения 157
- Требования, предъявляемые к регуляторам скорости гидротурбин
- Математическая модель гидроагрегата, учитывающая основные нелинейности переходного процесса
- Экспериментальное исследование динамических свойств электрогидравлической следящей системы ГЭС Аль-Адаим
- Теоретическое исследование динамики внутреннего контура регулятора скорости радиально-осевой гидротурбины, выполненного на базе традиционных элементов управления
Введение к работе
В последние годы конкуренция на мировом и отечественном рынках энергетических машин резко возросла. Это связано с тем, что турбины различных типов, в том числе и гидравлические, а также вырабатываемая ими электрическая энергия, играют все более важную роль в экономике любого государства.
К качеству электрической энергии предъявляются определенные требования, которые регламентируются отечественными и зарубежными нормативными документами. Одним из важнейших требований является точность поддержания заданной частоты, значение которой согласно ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» составляет ±0,2 Гц [18].
Устройством, призванным поддерживать частоту вращения ротора гидротурбины в заданных пределах, служит автоматический регулятор скорости [19]. Для выполнения поставленной задачи регулятор формирует управляющее воздействие, призванное компенсировать влияние возмущений на режим работы данного агрегата. Отклонения регулируемого параметра системы регулирования гидравлическими турбинами — частоты вращения — возникают, главным образом, при изменениях режима потребления электрической энергии. Обеспечить высокое качество стабилизации указанного параметра оказывается трудной задачей. И дело здесь не только в приемах разработки алгоритма, учитывающего все разнообразие возможных режимов функционирования. Не меньшее значение имеют проблемы создания средств регулирования, реализующих разработанный алгоритм наиболее эффективно. Вместе с тем пути создания эффективных аппаратных средств регулирования решающим образом зависят от требований, предъявляемым к их динамическим характеристи кам.
Все проблемы, возникающие при проектировании и испытании системы регулирования, могут быть разделены на две группы. Одна включает в себя
5 принцип работы регулятора, устойчивость, точность и скорость его действия, влияние различных факторов на эти свойства. Вторая касается технологических и эксплуатационных характеристик и охватывает крайне многообразные вопросы. Указанные проблемы объединяются общим понятием динамики регулирования. Факторы, определяющие эффективность системы регулирования, находятся в диалектической взаимосвязи с ее динамическими свойствами, которые непосредственно отражают качество выполнения задачи регулирования, то есть качество функционирования системы по своему назначению.
Увеличение быстродействия, надежности, уменьшение габаритов и возможность высококачественной отработки быстро и медленно изменяющихся сигналов являются* основными требованиями развития современных систем автоматического регулирования гидравлическими турбинами.
Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют системы, построенные на основе электрогидравлических элементов — электрогидравлические регуляторы скорости (ЭГР).
Структура* современных ЭГР гидравлических турбин включает командную - электрическую и исполнительную - гидромеханическую части, которые связаны между собой через электрогидравлический усилитель (ЭРУ). Гидромеханическая часть с ЭГУ, охваченная обратной связью по положению поршня сервомотора направляющего аппарата, образует внутренний контур регулятора - электрогидравлическую следящую систему (ЭГСС).
Широкое применение электрогидравлических следящих систем в гидротурбиностроении требует проведения большого объема работ, связанных с их проектированием, изготовлением, наладкой и освоением.
В процессе проектирования возникают многочисленные вопросы, связанные с теоретическими и экспериментальными исследованиями ЭГСС. Объясняется это большим числом элементов, входящих в их структурные схемы, высоким порядком дифференциальных уравнений, описывающих их движение, наличием нелинейных характеристик и различных ограничений.
Решение этих вопросов требует знания динамических свойств элементов системы, а также глубокого понимания протекающих в них процессов. Поэтому теоретическое изучение и обоснование рабочих процессов отдельных звеньев системы, является актуальной задачей.
Мировые тенденции, направленные на снижение габаритов регуляторного оборудования и повышения устойчивости его работы, требуют применения надежных узлов гидроавтоматики в ЭГР. Существуют два объективных пути разрешения этого вопроса. Первый путь связан с конструированием нового или доработкой имеющегося регуляторного гидрооборудования применительно к новым условиям работы. Второй путь предусматривает освоение типовой гидроаппаратуры, главным образом типовых электрогидравлических усилителей, в системах регулирования гидротурбин. В обоих случаях указанные проблемы требуют специального изучения.
Как показывает зарубежная практика [66,71], типовая гидроаппаратура, в том числе и ЭГУ, отвечает всем условиям, необходимым для ее использования в регуляторах скорости гидротурбинных установок. Однако она наиболее эффективно работает при рабочем давлении в гидравлическом приводе не менее 12 МПа, против традиционных для ЭГР 4-7 МПа. Поэтому в международной практике наметилась тенденция на увеличение рабочего давления в регуляторах гидроагрегатов. Примерами могут служить ГЭС AUNFOSS (Норвегия), ГЭС JAJCE (Босния и Герцеговина) у которых рабочее давление в гидроприводе ЭГР составляет 18 и 16 МПа соответственно.
Увеличение рабочего давления в системе регулирования, вызывает новые проблемы, связанные с влиянием сжимаемости жидкости, утечками, устойчивостью и с необходимостью изменения структуры ЭГСС.
К сожаление в отечественной и зарубежной специальной технической литературе практически нет работ, посвященных исследованию особенностей работы внутреннего контура регуляторов гидроагрегатов в условиях повышенного давления, а также нет сведений о поведении этой системы с
7 типовым ЭГУ, Поэтому возникает необходимость развития старых и создания новых методов теоретического исследования динамических свойств ЭГР, и в частности ЭГСС.
При рассмотрен и її динамики системы регулирования гидравлическими турбинами наиболее важное значение имеют проблемы устойчивости системы и качества процессов управления. Поскольку ЭГУ является связующим звеном между электрической и гидромеханической частями ЭГР, то качество его функционирования и работа ЭГСС в целом значительно влияеют на качество процессов управления системы регулирования гидравлическими турбинами. Таким образом, исследование динамики внутреннего контура регуляторов скорости гидроагрегатов имеет немаловажное значение и является актуальным.
Теоретическое исследование ЭГСС ведется методами математического моделирования. Основные узлы, входящие во внутренний контур регулятора описываются дифференциальными уравнениями и составляют единую систему, называемую математической моделью. Решение такой модели с минимальными упрощающими допущениями до последнего времени было довольно сложно получить.
Традиционным способом анализа математической модели ЭГСС была ее линеаризация одним из известных способов [7,12,44] и исследование методами теории линейных систем, которая к настоящему времени хорошо разработана.
Однако, на практике идеализация ЭГСС часто не допустима, т.к. при замене нелинейных уравнений линейными уменьшается не только точность расчетов процессов регулирования, но искажаются и даже могут исчезнуть качественные особенности процессов, возникающих во внутреннем контуре [45]. Последнее связано с наличием в системе регулирования гидротурбин элементов с существенно нелинейными характеристиками, к которым относят характеристики, не линеаризуемые при переходе к малым отклонениям переменных. Одна из важнейших особенностей нелинейности ЭГСС заключается в том, что, в ней могут возникать автоколебания. Численный расчет нелинейного внутреннего контура регуляторов скорости гидроагрегатов
8 [25,36,41] можно вести, используя метод конечных элементов Рунге-Кутта или аналогичными.
В связи с ранее существовавшими трудностями в решении нелинейной математической модели ЭГСС, которые были вызваны необходимостью обрабатывать большое количество математических вычислений при отсутствии быстродействующих вычислительных устройств и необходимого программного обеспечения, анализ динамических свойств внутреннего контура производился либо без учета, либо с учетом одной существенной нелинейности. Основное внимание было уделено влиянию положительных перекрытий исполнительного золотника на характер движения сервомотора направляющего аппарата [48,56]. Характер изменения рабочих процессов в ЭГСС вследствие наличия положительных перекрытий на управляющем золотника, а также сил сухого трения в золотниковых парах исследован еще не достаточно.
Анализ показывает, что дальнейшее совершенствование теоретических методов исследования систем регулирования гидравлическими турбинами требует более полного учета нелинейных свойств элементов этих систем и разработки уточненных методов решения.
Таким образом, из изложенного выше следует, что развитие теоретических методов исследования систем автоматического регулирования гидротурбинами представляет собой актуальную задачу, имеющую большое научное и практическое значение.
Исходя из вышесказанного, сформулированы следующие положения диссертационной работы.
Основная задача диссертации заключается в обосновании возможности совершенствования систем регулирования гидротурбин путем применения в них типовых электрогидравлических усилителей и повышения давления питания гидравлического привода ЭГСС.
Современное развитие вычислительной техники и прикладного программного обеспечения достигло уровня, позволяющего методом математического моделирования исследовать нелинейные системы. В
9 настоящей работе исследование динамических свойств ЭГСС регуляторов скорости гидротурбин велось в среде Matlab Simulink.
Теоретическое моделирование должно быть подкреплено опытными данными, которые в условиях ограниченного финансирования науки нелегко получить. Однако в данной работе удалось провести экспериментальные исследования, которые подтвердили теоретические вычисления.
Конкретные задачи работы: - разработка математических моделей ЭГР, содержащего гидравлический привод необходимой структуры, позволяющих повысить точность при расчетах динамики процессов регулирования и учитывающих характер нагрузки на поршень сервомотора направляющего аппарата; разработка методики и программы расчета на ЭВМ электрогидравлической следящей системы ЭГР гидротурбины радиально-осевого типа; - исследование на основе разработанной методики влияния отдельных конструктивных и физических параметров устройств ЭГСС на качество процессов регулирования гидроагрегатами; - обоснование предложенных расчетных методик путем сравнения результатов экспериментальных исследований и математического моделирования ЭГСС регулятора скорости гидротурбин; исследование возможности применения в ЭГСС регуляторов скорости гидротурбин, типовых ЭГУ общепромышленного назначения; исследование динамики ЭГСС, работающей в условиях повышенного рабочего давления.
На основе теоретических исследований и экспериментальных данных получены следующие новые научные результаты: - составлена система нелинейных дифференциальных уравнений, учитывающая как специфику нагрузки на поршень СМ НА, так и практически все значимые факторы, влияющие на свойства ЭГСС ЭГР гидротурбин. Эта система решена численными методами в среде Matlab Simulink; разработана методика расчета ЭГР гидротурбин радиально-осевого типа, которая обеспечивает удовлетворительное совпадение теоретических результатов с экспериментальными и пригодна для использования в инженерной практике; изучено влияние ряда конструктивных и физических параметров устройств, входящих в состав ЭГСС на рабочие процессы регулятора скорости гидротурбины; - исследована в широком диапазоне частот полоса пропускания управляющей гидравлической части ЭГСС с ЭГУ, широко применяемом в гидротурбиностроении; исследованы основные проблемы, связанные с применением повышенного давления в ЭГСС регулятора скорости гидротурбин; показано, что при этом может быть обеспечено необходимое качество процессов управления, в том числе регулирование скорости гидроагрегатов, в пределах, устанавливаемых международными стандартами. Практическая ценность: обоснованы практические рекомендации по расчету и проектированию ЭГСС регулятора скорости гидротурбин, обеспечивающего требуемое качество управления, соответствующее международным стандартам, и имеющего увеличенный запас устойчивости; определена возможность оперативной оценки неисправностей ЭГР на основе разработанной методики и программы расчета; показана целесообразность и техническая возможность перехода на повышенные давления питания в системах регулирования гидротурбин; введен в опытную эксплуатацию регулятор на Красноярской ГЭС, построенный на базе типового электрогидравлического усилителя.
Работа состоит из введения, четырех глав и заключения. В первой главе на основании обзора научно-технической литературы проведен анализ принципиальных схем регуляторов гидравлических турбин, основных проблем их эксплуатации и обоснованы цели и задачи диссертационной работы.
Вторая глава посвящена разработке усовершенствованной методики расчета динамики ЭГР, обеспечивающей получение более точных и надежных результатов. Проведено теоретическое исследование влияния параметров внутреннего контура регулятора на динамику процессов регулирования гидроагрегатам и.
В третьей главе изложены цели, методика и результаты экспериментальных исследований рабочих процессов во внутреннем контуре регуляторов гидротурбин с традиционными и типовыми ЭГУ. Приведено описание технических средств, используемых в этих исследованиях.
Четвертая глава посвящена теоретическим исследованиям особенностей поведения электрогидравлической следящей системы регуляторов скорости радиально-осевых гидротурбин в условиях повышенных рабочих давлений.
Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном политехническом университете. В основу диссертации положены результаты теоретического и экспериментального исследования электрогидравлической следящей системы гидравлических турбин, полученные на ОАО «СМ»-«ЛМЗ» при разработки комплекса прикладных программ для инженерных расчетов.
Основные результаты диссертации содержатся в 5 работах, приводимых в списке литературы, и доложены на: Международной научно-технической конференции «Научно-технические проблемы современного гидромашиностроения и методы их решения» (5-7 июня 2001г., г.С-Петербург); на НТС кафедры «Гидромашины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика» ГОУ СПБИМАШ (1999-2002ТТ.); на НТС ПК ЗАО «Гидроавтоматика» (2000-2002гг.); на НТС кафедры «Гидромашиностроение» ГОУ СПбГПУ (2003-2004гг.); на НТС ОАО «СМ»-«ЛМЗ» (2002-2004гг.), на Международной научно-технической конференции «Современное состояние и перспективы развития гидромашиностроения в XXI веке» (4-6 июня 2003г, г.С-Петербург).
12 Работа включает 165 листов машинописного текста, 54 иллюстрации, 4 приложения и библиографию из 72 наименований.
Требования, предъявляемые к регуляторам скорости гидротурбин
Одним из основных требований, предъявляемых к регуляторам скорости гидротурбин, является обеспечение устойчивости замкнутой системы. Условия работы системы регулирования гидротурбины имеет ряд особенностей, первой из которых является сложный характер нагрузки на поршень сервомотора. При его движении на открытие гидравлический момент, действующий на лопатки направляющего аппарата, препятствует этому действию, в то время как при движении на закрытие способствует.
Вторая особенность данной системы заключается во многообразии возможных режимов эксплуатации гидроагрегата, которые существенно отличаются друг от друга с точки зрения динамики автоматического регулирования. Основными режимами являются: работа на энергосистему большой мощности, работа на изолированную нагрузку, работа на холостом ходу и работа при сбросах нагрузки с отключением генератора от энергосистемы. Эти вопросы подробно освещены в работах Е.В. Гутовского [31], Л.А. Кдявина [29], Г.И. Кривченко [32] и др. Разнообразие режимов эксплуатации гидроагрегатов выдвигает ряд противоречивых требований к регулятору скорости, затрудняющих решение вопроса о выборе его параметров настройки.
С точки зрения обеспечения устойчивости системы регулирования наиболее тяжелыми режимами являются работа гидроагрегата на изолированную нагрузку и на холостом ходу, что объясняется малым суммарным коэффициентом саморегулирования управляемой системы. В тех же случаях, когда гидроагрегат работает в мощную энергосистему, когда систему регулирования можно считать разомкнутой по частоте [44], вопрос об устойчивости данного агрегата не возникает благодаря синхронизирующему моменту, который развивает синхронный генератор. Этот момент создает мощное стабилизирующее воздействие, обеспечивающее устойчивость системы регулирования при весьма малых значениях параметров корректирующих устройств регулятора. При работе гидроагрегата на изолированную нагрузку, наоборот, синхронизирующий момент полностью отсутствует, и устойчивость будет определяться только параметрами управляемой системы.
Расчет устойчивости и выбор параметров системы регулирования гидротурбинами проводится для наиболее тяжелых условий: работа гидроагрегата на изолированного потребителя и на холостом ходу. Подавляющее большинство малых ГЭС работает именно на изолированную нагрузку или слабую сеть, но и даже на крупных ГЭС имеют место случаи, когда в результате отключения линий электропередачи станция или группа агрегатов оказывается работающей на изолированный район [44]. Кроме того, в связи с процессами приватизации в области гидроэнергетики работа ГЭС на изолированную нагрузку может стать распространенным явлением,
Однако требования к регуляторам не ограничиваются вопросами устойчивости замкнутой системы регулирования. Необходимо еще так выбрать параметры регулятора, чтобы обеспечить желаемое качество переходных процессов, которое определяется отклонением частоты в энергосистеме при изменениях нагрузки и временем установления нового режима или быстродействием системы.
Для обеспечения большей точности поддержания частоты энергосистемы, система автоматического регулирования гидроагрегатом должна иметь малую зону нечувствительности. Однако уменьшение зоны нечувствительности вызывает определенные трудности, которые заключаются в обеспечении устойчивости внутреннего контура системы регулирования, включающего инерционные звенья [38].
Малая величина зоны нечувствительности, в свою очередь, повышает требования и к стабильности регулятора, так как его уставка по частоте должна поддерживаться постоянной, с минимальной точностью, определяемой величиной мертвой зоны. Такие жесткие требования в отношении чувствительности регуляторов обусловлены главным образом необходимостью регулирования перетоков мощности по линиям электропередачи.
Математическая модель гидроагрегата, учитывающая основные нелинейности переходного процесса
Как указывалось выше для проведения сравнительного анализа различных структур ЭГСС и их влияния на процесс стабилизации частоты вращения будем ограничиваться при описании гидроагрегата квазистационарным подходом по точкам на его статических характеристиках. В процессе работы радиально-осевой турбины на вход МП-панели (см. рис.2 Л) подается ряд дискретных сигналов: от датчика положения открытия НА, от генератора сигналов скорости, от датчика частоты синхронного генератора, частота сети, действующий напор, мощность генератора, в случае работы в групповом режиме - задание от группового регулятора частоты. При этом на выходе формируются сигналы управления ЭГСС НА - Супр, задаваемые компьютерной программой управления. При работе гидроагрегата в режиме «Частота» в блоке МП-панели ФЗСЧ формируется ПИД-закон стабилизации частоты по принципу трех составляющих. По принципу действия и своим конструктивным особенностям ФЗСЧ представляет собой линейный элемент, его структурная схема показана на рис.2.2. Сигнал отклонения частоты генератора от величины задания обрабатывается предварительно в блоке фильтров ФЗСЧ. Фильтры служат для подавления высокочастотных помех (Tj-), вызванных случайными сбоями и не синхронностью получения данных с запуском управляющей программы, а также для ограничения диапазона дифференцирования (TJv) в формирователе закона стабилизации. Передаточная функция блока фильтров имеет следующий вид (рис.2.2): П jf Гфакт Э 1 1— (Tf»s + l)(Tlv s + l) Рис.2.2. Структурная схема формирователя закона стабилизации частоты вращения: (зад - эталонная частота; (факт - фактическая частота; fi - ошибка по частоте I 1Гф= (Tfs + I)(Tlvs + l) В целом передаточная функция формирователя определяется следующим операторным выражением bp( rs + l)(Tfs + l)(Tlvs + l) РЬР .= П +1ХЪ+0 ; (2Л1а) KJ)r где Td - постоянная времени интегральной составляющей; Tv,T}v - постоянные времени дифференциальной составляющей; Ър - постоянный етатизм; Кр =—, bt - коэффициент по пропорциональной составляющей. bt При работе на холостом ходу и на изолированный район, когда цепь статизма отключена, передаточная функция ФЗСЧ согласно схеме рис.2.2 имеет следующий вид: Kp(TdS + I)(Tvs + l) W фЗСч =— . (2.116) Tds(Tfs + l) Как было выше сказано, вследствие сложности решения математических моделей гидроагрегатов принято вводить упрощения в соответствующие расчетные соотношения. Обычно пренебрегают теми составляющими, которые, по мнению расчетчиков, имеют малые постоянные времени. При этом неизбежно снижается точность расчетов. Однако при исследовании динамики внутреннего контура ЭГР, имеется практическая необходимость в повышении расчетной точности. Это возможно, если описание внутреннего контура ЭГР выполняется с минимально возможными допущениями. Возникающие при этом трудности обусловлены нелинейным характером математических моделей. Предлагаемая в данном случае математическая модель ЭГСС учитывает эти особенности и базируется на общепринятых в теории гидравлического привода уравнении нагрузки на поршень сервомотора и уравнении баланса расходов [11,22].
Составим математическую модель внутреннего контура цифрового ЭГР в соответствии с расчетной схемой исследуемой системы, представленной на рис.2.3. Из расчетной схемы следует, что сервомотором СМ направляющего аппарата гидроагрегата управляет исполнительный золотник ИЗ дросселирующего гидрораспределителя второго каскада ЭГУ, который в свою очередь перемещается под воздействием управляющего золотника УЗ дросселирующего гидрораспределителя первого каскада ЭГУ. Управляющий золотник конструктивно выполнен на базе традиционных устройств управления, применяемых в подавляющем большинстве отечественных ЭГР уже длительное время. На вход ЭГУ подается сигнал управления от блока управления БУ ЭГСС МП-панели следующим образом. С датчика обратной связи по положению сервомотора НА сигнал Суос поступает в суммирующее устройство БУ ЭГСС, где сравнивается с заданным сигналом управления Супр от ФЗСЧ. Полученная ошибка через усилительное звено поступает на вход суммирующего устройства, где сравнивается с сигналом датчика обратной связи по положению исполнительного золотника Схос. Сигнал ошибки по положению исполнительного золотника усиливается в соответствующих звеньях и поступает на вход ЭГУ.
Экспериментальное исследование динамических свойств электрогидравлической следящей системы ГЭС Аль-Адаим
Для определения динамических свойств электрогидравлической следящей системы ГЭС Аль-Адаим на стенде регуляторного оборудования ОАО СМ-ЛМЗ была проведена серия экспериментов, целью которой было получение частотных характеристик и переходных процессов замкнутого контура ЭГСС и замкнутого контура электрогидравлического усилителя. Функциональная схема лабораторной установки приведена на рнс.ЗЛ. Она включает задатчик сигналов, являющийся составной частью микропроцессорной панели управления, построенный на микропроцессорных контроллерах; гидравлический блок управления гидроагрегата ГЭС Аль-Адаим, включающий управляющий и исполнительный золотники; сервомотор стенда; и компьютерный регистратор. Лабораторная установка представлена на рис.3.2. Значения коэффициентов, параметров и постоянных времени, относящихся ко внутреннему контуру исследуемого регулятора, при проведении экспериментов сведены в таблицу 3.1.
Для определения частотных характеристик рассматриваемой системы на ее входе было сформировано управляющее воздействие в виде синусоиды амплитудой равной 20%-40% от максимального сигнала управления. Частота управляющего сигнала изменялась в диапазоне 0,005-МО Гц. Такие значения амплитуд и частот соответствуют характерным режимам эксплуатации электрогидравлической следящей системы цифрового ЭГР гидротурбин.
Результаты опытного определения частотных характеристик замкнутой электрогидравлической системы при отсутствии осцилляции на управляющем золотнике представлены в виде ЛАЧХ и ЛФЧХ на рис.3.4. Анализ полученных кривых показывает, что ярко выраженного резонанса не наблюдается. Полоса пропускания внутреннего контура составила 0,06 Гц. На рис.3.5 даны для дополнительного изучения экспериментальные графические зависимости управляющего сигнала от времени (кривая 1), перемещения исполнительного золотника от времени (кривая 2), перемещения поршня сервомотора от времени (кривая 3), при сигнале управления частотой 0,8 Гц. Как видно из графиков рис.3.5 кривая перемещения исполнительного золотника содержит ярко выраженные нелинейные искажения в виде горизонтальных площадок, соответствующих положительным перекрытиям управляющего (в точках минимума и максимума) и исполнительного (в точках перехода графика через среднее положение) золотников.
ЛАЧХ и ЛФЧХ замкнутого контура исследуемой электрогидравлической следящей системы с принудительной осцилляцией на управляющем золотнике приведены на рис.3.8. Резонанс отсутствует. Для экспериментального определения переходных процессов на входе системы было сформировано управляющее воздействие в виде ступенчатой функции высотой 20%-40% от максимального сигнала управления. Запись процессов на выходе осуществлялась с помощью компьютерного регистратора. В ходе эксперимента было проведено 4 опыта.
В первом опыте исследовалась замкнутая электро гидравлическая следящая система при отсутствии принудительной осцилляции на управляющем золотнике. Конечное значение управляющего сигнала составило 40% от максимального. Анализ переходного процесса показал, что процесс на выходе монотонно возрастает, без перерегулирования; время регулирования составляет 15 с.
Во втором опыте был получен переходный процесс замкнутого контура электрогидравлического усилителя с введением принудительной осцилляции на управляющий золотник рис.3.10. Конечное значение управляющего сигнала составило 40% от максимального. Анализ переходного процесса показал, что время регулирования составляет 0,18 с; в установившемся процессы наблюдаются автоколебания частотой равной частоте принудительной осцилляции; время чистого запаздывания составляет 0,02 с.
Теоретическое исследование динамики внутреннего контура регулятора скорости радиально-осевой гидротурбины, выполненного на базе традиционных элементов управления
В качестве конкретного объекта этих исследований был выбран внутренний контур цифрового регулятора ГЭС Аль-Адаим, так как для него имелись соответствующие теоретические и экспериментальные зависимости.
Упрощенная структурная схема внутреннего контура цифрового регулятора ГЭС Аль-Адаим представлена на рис.4.1. Она включает управляющий УЗ и исполнительный ИЗ золотники, которые в совокупности составляют электрогидравлический усилитель замкнутый электрической обратной связью. ЭГУ управляет поршнем сервомотора СМ направляющего аппарата. Главная обратная связь внутреннего контура — электрическая - по положению поршня сервомотора.
Для решения уравнений математической модели (2.36)-(2.38) использовалась, рассмотренная выше, подпрограмма «EGSS» при исходных данных, приведенных в таблице 4.1. Расчетные значения коэффициентов соответствуют ранее рассмотренному контуру ГЭС Аль-Адаим.
Заметим, что эффективная площадь поршней сервомоторов и объем рабочей жидкости в гидролинии между исполнительным золотником и поршнями сервомоторов, при работе регулятора в условиях давления питания
Переходный процесс внутреннего контура цифрового регулятора, полученный при работе системы в условиях давления питания 14 МПа и его сравнение с переходном процессом при работе регулятора при давлении питания 6,3 МПа показаны на рис.4.2. Из этих графиков следует, что быстродействие системы повышается практически в 2 раза, но усиливаются автоколебания в установившемся процессе на частотах 23 и 5 Гц.
Причиной увеличения автоколебаний является влияние нелинейностей на процесс работы, которое усиливается с повышением давления. Таким образом, при работе электрогидравлической следящей системы цифрового регулятора в условиях высокого давления, повышается ее быстродействие и точность, но при этом ухудшаются показатели качества эле ктро гидравлического усилителя, построенного на базе традиционных устройств управления. Такое ухудшение динамики ЭГСС может при незначительных изменениях параметров регулятора во время работы привести к потери устойчивости внутреннего контура. Для исследования возможностей снижения обнаруженного роста автоколебаний с увеличением рабочего давления был проведен специальный математический эксперимент. Изменялась механическая постоянная времени управляющего золотника TMJs путем изменения массы и жесткости системы. Если исходить из минимально приемлемых изменений в конструкции управляющего золотника, рассматриваемой системы, то масса золотника не может быть реально выполнена менее 0,1 кг, а жесткость пружины не может быть более 15000 Н/м. Поэтому были проведены расчеты, с целью определения оптимального соотношения массы и жесткости, практически реализуемых в существующей конструкции управляющего золотника.
Расчеты проводились на основе подпрограммы «EGSS». Результаты расчетов обрабатывались в виде трехмерных графиков. На одном из них рис.4.За представлено изменение частоты сдвига фазы электро гидравлического усилителя на 90 в зависимости от массы и жесткости пружины управляющего золотника. А на рис.4.36 зависимость времени переходного процесса ЭГУ от тех же параметров. Масса управляющего золотника изменялась в пределах 0,08-0,2 кг; жесткость пружины управляющего золотника изменялась в пределах 6000-15000 Н/м.
