Система автоматического управления скоростью вращения ротора турбины Советский патент 1981 года по МПК F01D17/20 

(54) СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ СКОРОСТЬЮ ВРАЩЕНИЯ РОТОРА ТУРБИНЫ

.

Изобретение относится к средствам автоматизации паровых турбин, преимущественно судовых.

По основному авт. св. № 545753 известна система автоматического управления скоростью вращения ротора турбины, содержащая задатчик с выходным сигналом по напряжению, снабженный источником питания, два частотных датчика скорости вращения, подключенные через фильтр, усилитель и электрогидравлический преобразова- )Q тель к сервомотору с датчиком положения, выявитель направления вращения с логическими вых одами, переключатель знака, ключевой элемент и интегратор, введенные между задатчиком и фильтром, причем выход интегратора подключен также к первому 15 входу блока начального значения, ко второму входу которого через переключатель знака, соединенный с логическими выходами выявителя направления вращения, подключен источник питания задатчика, а с выходом частотного датчика связан 4)ормирова- 2 тель периодов, выход которого соединен с управляющими- входами блока начального значения и ключейого элемента 1.

Недостатками известной системы являются ее несколько ограниченные функциональные возможности, в том числе ухудщенные динамические свойства при малой частоте вращещя и трудности перехода на режим дистанционного управления.

Цель изобретения - расщирение функциональных возможностей системы.

Для достижения поставленной цели в систему дополнительно введены RC-контур с ключом разряда конденсатора, соединенным с формирователем периодов, переключатель, включенный между выходом частотного датчика и формирователем периодов и снабженный источником переменного тока, первый и второй пороговые элементы, входы которых соединены соответственно, с задатчиком и конденсатором RC-контура, схема И-НЕ, подключенная к выходам пороговых элементов, дифференцирующая цепь с диодом на выходе, соединенная своим входом С выходом формирователя периодов, схема запрета, управляющий вход которой соединен с выходом второго порогового элемента, и триггер, один вход которого соединен с выходом схемы И-НЕ, а другой вход через схему запрета подключен к выходу дифференцирующей цепи,- причем датчик положения сервомотора снабжен делителем выходного напряжения, интегратор - источником компенсирующего напряжения с ключом, а частотные датчики - цепями блокировки, и один из выходов триггера подключен к делителю выходного напряжения, к ключу источника компенсирующего напряжения и к выходу переключателя, а другой выход триггера подключен к цепям блокировки частотных датчиков. На фиг. 1 представлена схема системы управления; на фиг. 2 - диаграмма сигналов при скорости вращения выще минимальной; на фиг. 3 диаграмма сигналов при частоте вращения ниже минимальной. Система содержит задатчик 1 с источником 2 питания, интегратор 3, блок 4 начального значения, вход 5 которого подключен к выходу интегратора, а вход 6 - к переключателю 7 знака, выявитель 8 направления вращения с логическими выходами 9 (передний ход) и 10 (задний ход), турбину И; ротор которой связан с частотными датчиками 12 и 13, формирователь 14 периодов, ключевой элемент 15, фильтр 16, усилитель 17 рассогласования, электротрогидравлический преобразователь 18, сервомотор 19 с датчиком 20 положения и регулирующий клапан 21, управляющий подачей пара в турбину 11. В систему дополнительно введены первый 22 и второй 23 пороговые элементы, схема И-НЕ 24, триггер 25 с двумя входами 26 и 27 и выходами 28 и 29, схема запрета 30, RC-контур 31 с резистором 32, конденсатором 33 и ключом 34 разряда конденсатора, выполненным на транзисторе 35, резисторах 36 и 37 и диоде 38, дифференцирующая цепь 39 с диодом 40 на выходе, ключ 41, соединенный с источником 42 компенсирующего напряжения, и переключатель 43 с двумя входами 44 и 45 и выходом 46. Датчик 20 положения снабжен делителем 47 выходного напряжения частотные датчики 12 и 13 - цепями 48 и 49 блокировки, а переключатель 43 - источником 50 переменного тока. Первый пороговый элемент 22 подключен к задатчику 1, а второй пороговый элемент 23 подключен к конденсатору 33 RC-контура 31. Вых«ды пороговых элементов 22 и 23 через схему И-НЕ 24 соединены с входом 26 триггера 25. Другой вход 27 триггера 25 через схему запрета 30 соединен с выходом дифференцирующей цепи 39. Выход 28 триггера 25 соединен с цепями управления ключа 41, переключателя 43 и делителя напряжения 47, а выход 29 - с цепями 48 и 49 блокировки частотных датчиков 12 и 13. Ко входам 44 и 45 переключателя 43 подсоединены частотный датчик 13 и источник 50 переменного тока. Дифференцирующая цепь 39 подключена к выходу формирователя 14 периодов, соединенному также с цепью управления ключа 34. Работает система автоматического управления скоростью вращения ротора турбины следующим образом. В режиме автоматического регулирования напряжения задатчика 1 больще уставки порогового элемента 22 ( ), и пороговый элемент 22 находится в сое-, тоянии, при котором его выходное напряжение равно нулю. При этом независимо от состояния второго порогового элемента 23 на выходе схемы И-НЕ 24 действует единичный сигнал.. В этом режиме триггер 25 устанавливается в положение, при котором ключ 41 разомкнут и компенсирующее напряжение не поступает от источника 42 на дополнительный вход интегратора. При этом переключатель 43 соединяет выход частотного датчика 13 с формирователем 14 периодов, а делитель 47 напряжения настраивается на «малый коэффициент передачи, определяемый заданной неравномерностью регулятора. Принципиально коэффициент передачи делителя 47 в режиме автоматического регулирования может быть равен нулю (интегральный регулятор скорости вращения). В режиме автоматического регулирования, когда фактическая скорость вращения w превыщает минимально допустимую(/w/ ), пороговый элемент 23 находится в нулевом состоянии, поскольку напряжение Ujs заряда конденсатора 33 не достигает уставки Uy порогового элемента 23 (фиг. 2). В нечетные периоды частотного датчика (положительные полупериоды выходного напряжения формирователя 14) транзистор 35 ключа 34 открыт и конденсатор 33 разряжается практически до нуля. В четные периоды частотного датчика (отрицательные полупериоды формирователя 14) ключ 35 закрыт, конденсатор 33 заряжается от электродвижущей силы Е источника 51 и Ujj Е (), где t - постоянная RC-контура 31. К концу отрицательных полупериодов (t Т) Озз Е ( - Так как X - (к - коэффициент пропорциональности), то Ujs Ё(1-е - щ). Отсюда видно, что с увеличением скорости вращения w напряжение Ujj уменьщается и при напряжение йзз меньше напряжения уставки порогового элемента 23. При этом сигнал на запрещающем входе схемы запрета 30 равен нулю, и схема про пускает положительные импульсы с выхода дифференцирующей цепи 39 на вход 27 триггера 25. Эти импульсы устанавливают триггер 25 в указанное состояние, В нечетные периоды сигнала частотного датчика 13 по частотному сигналу формирователя 14 в интеграторе 3 записывается напряжение начальных условий ио,.знак которого определяется выявителем 8 направления вращения. Это достигается за счет охвата интегратора 3 глубокой отрицательной обратной связью через блок 4 начального значения. В периоды записи начальных условий ключевой элемент 15 разомкнут и выходной сигнал интегратора не проходит на фильтр 16 и усилитель 17 рассогласования. В четные периоды частотного датчика 13 формирователь 14 замыкает ключевой элемент 15 и размыкает цепь обратной связи, охватывающей интегратор 3. Интегратор 3 переходит в режим интегрирования напряжения Ucj задатчика 1, и напряжение на выходе интегратора 3 изменяется от напряжения начальных условий Uo до некоторого конечного значения Ue. Для простоты здесь рассматривается случай интегрального регулятора угловой скорости, когда обратная связь по положению сервомотора отсутствует, т. е. U/ - О- Если скорость вращения турбины w соответствует заданному значению, то U Uo и среднее значение напряженияя на выходе интегратора-3 за четные периоды частотного датчика равно нулю, т. е. f / и. di % - Uo О t / т I JJ.UwtI I н - 7. и скорость вращения w K(j Ui (К«/ jpjкоэффициент пропорциональности, Тк- - постоянная интегрирования интегратора 3). Поэтому постоянная составляющая напряжения Ui6 на выходе фильтра 16 Отсутствует и сервомотор неподвижен. При этом регулирующий клапан 21 обеспечивает расход пара в соответствии с заданной скоростью вращения турбины. Если под действием возмущений (например из-за изменений давления пара или нагрузки на валу турбины) скорость вращения отклоняется от заданного значения, вследствие изменения периода интегрирования конечная величина и будет отличаться от указанного значения. В результате в четные периоды на выходе интегратора 3 возникает постоянная составляющая напряжения, знак которого определяется знаком отклонения частоты вращения. Это напряжение выделяется фильтром 16 и приводит к изменению положения сервом.отора 19, который с помощью регулирующего клапана 21 изменяет расход пара в направлении уменьщения рассогласования. В конечном счете клапан 21 перемещается до тех пор, пока напряжение на входе усилителя 17 не равно нулю, т. е. пока скорость вращения не достигает заданного значения, определяемого условием w Кц UwТаким образом, система обеспечивает автоматическую стабилизацию скорости вращения турбины. Аналогичным образом протекают процессы в системе и при,изменении сигнала задания, если напряжение задания не попадает в зону переключения порогового элемента 22 ( Под действием возникающего рассогласования сервомотор 19 перемещает клапан 21, регулирующий расход пара, в направлении уменьщения сигнала рассогласования. В конечном счете скорость вращения принимает новое установивщееся значение, соответствующее заданию. При реверсе турбины в процессе отработки рассогласования скорость вращения w переходит через нуль, а потому пороговый элемент 23 в течение некоторого времени, когда /w/ WMHH -, устанавливается в положение, при котором его выходной сигнал принимает единичное значение. Однако это не приводит к изменению выходного сигнала схемы И-НЕ 24, так как на другом входе этой схемы сохраняется нулевой потенциал. Поэтому триггер 25 остается в исходном состоянии и система работает в режиме автоматического регулирования. Рассмотрим теперь работу системы, когда /Ucj I Uj . В этом случае пороговый элемент 22 находится в состоянии, при котором да его выходе действует единичный сигнал. При w второй пороговый элемент 23 находится в аналогичном состоянии, поскольку напряжение на выходе конденсатора 33 превУщает уставку этого порогового элемента (фиг. 3). В результате на выходе схемы И-НЕ 24 появляется нулевой сигнал, что приводит к опрокидыванию триггера 25 (импуль.сы дифференцирующей цепи 39 не проходят на вход 27 триггера 25, поскольку схема запрета 30 блокируется единичным сигналом порогового элемента 23). После опрокидывания триггера 25 ключ 41 замыкается и компенсирующее напряжение U( источника 42 поступает на дополнительный вход интегратора. Одновременно переключатель 43 переходит в положение, при котором на вход формирователя 14 периодов вместо сигнала частотного датчика подается напряжение U- источника 50. Выходы . частотных датчиков 12 и 13 блокируются сигналом с выхода 29 триггера 25. Таким образом, при Uur UJ обратная связь по скорости вращения ротора турбины отключается и система переходит в следящий режим.. В этом режиме обратная связь осуществляется по положению сервомотора 19 (по положению клапана 21, регулирующего расход пара), поэтому для согласования масштабов задатчика 1 и датчика 20 положения предусмотрено переключение делителя 47 выходного напряжения по сигналу триггера 25. Поскольку напряжение Un. имеет фиксированную частоту, режимы записи начальных условий в интегратор 3 и интегрирование осуществляют .в данном случае периодически с постоянной частотой, несвязанной со скоростью вращения турбины. В следящем режиме при согласованном положении задатчика 1 и датчика 20 обратной связи напряжение рассогласования (постоянная составляющая напряжения на выходе интегратора 3) должно быть равно нулю. Это условие обеспечивается соответствующим выбором величины компенсирующего напряжения UK , которое выбирается таким образом, чтобы fj -i4ft 2Uo , где Т - период напряжения источника U-v, т. е. приращение напряжения на выходе интегратора 3 за период Т, вызванное напряжением UK, должно быть равно двойному напряжению началь ного значения. При изменении положения задатчика в пределах / U и возникновении рассогласования между сигналами рассогласования задатчика 1 и датчика 20 положения выходное напряжение интегратора 3 в периоды интегрирования изменяется под действием результирующего сигнала, определяёмого суммой напряжений ( ) где LUr - напряжение на выходе делителя 47. В результате конечное напряжение и отличается от LJa, что приводит к появлению постоянной составляющей напряжения на выходе фильтра 16 и, соответственно, на входе усилителя 17, а следовательно, к перемещению сервомотора 19. Сервомотор 19 перемещается до тех пор, пока не будет достигнуто равенство Уы/ U./, т. е. до устранения рассогласования в электрогидравлической следящей системе. При этом регулирующий клапан 21 расхода пара устанавливает в положение, определяемоезадатчиком 1. Таким образом, в зависимости от положения задатчика 1 в системе автоматически выбирается необходимый режим работы. При /Uuf / UJJ обеспечивается следящее управление клапаном расхода пара, при /Uu/ / и) система работает в режиме автоматического регулирования скорости вращения. Благодаря введенным в систему элементам и связям необходимый режим работы сохраняется и при реверсе турбины, когда скорость вращения w, проходя через нуль, в течение некоторого времени находится в зоне /W . Наряду с автоматическим выбором режима управления данная система позволяет также осуществлять переход на следящее управление скоростью вращения турбины по решению оператора. Для этого оператору достаточно перевести триггер 25 в положение, при котором переключатель 43 подсоединит к формирователю 14 периодов напряжение сети U, ключ 41 соединит дополнительный вход интегратора 3 с источником компенсирующего напряжения. Переход на следящий режим работы по решению оператора обеспечивает повыщение надежности управления скоростью хода судна, так как при отказе канала автоматического регулирования появляется возможность дистанционного управления скоростью вращения турбины. Кроме того, режим следящего управления скоростью вращения турбины имеет важное значение при пуско-наладочных работах, а также при проведении профилактических и ремонтных работ в судовых условиях, когда возникает необходимость проверки функционирования контура управления сервомотором без подачи пара на турбину. Следовательно, предлагаемая система позволяет осуществлять автоматическое управление скоростью вращения турбины в полном диапазоне от О до 100% с автоматическим или по команде оператора переходом на режим следящего управления, Таким образом, в системе обеспечивается расщирение функциональных возможностей повышение надежности управления турбиной. Формула изобретения Система автоматического управления скоростью вращения ротора турбины по авт. св. № , отличающаяся тем, что, с целью расщирения функциональных возможностей системы, в нее дополнительно введены RC-контур с ключом разряда конденсатора, соединенным с формирователем периодов, переключатель, включенный между выходом частотного датчика, и формирователем периодов и снабженный источником переменного тока, первый и второй пороговый элементы, входы которых соединены соответственно, с задатчиком и конденсатором RC-контурГа, схема И-НЕ, подключенная к выходам пороговых элементов, дифференцирующая цепь с диодом на выходе, соединенная своим входом с выходом формирователя периодов, схема запрета, управляющий вход которой соединен с выходом второго порогового элемента, и триггер, один вход которого соединен с выходом схемы И-НЕ, а другой вход через схему запрета подключен к выходу дифференцирующей цепи, причем датчик положения сервомотора снабжен делителем выходного напряжения, интегратор - источником компенсирующего напряжения с ключом, а частотные датчики - цепями блокировки, и один из выходов триггера подключен к делителю выходного напряжения, к ключу источника компенсирующего напряжения и к входу переключателя, а другой выход триггера подключен к цепям блокировки частотных датчиков. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР № 545753, кл. F 01 D 17/20, 1974.

Фиг. 1

Ч