СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ПРИВОДА РЕГУЛИРУЮЩЕГО ОРГАНА
CONTROL MEMBER HYDRAULIC DRIVE CONTROL SYSTEM

Изобретение относится к системам электрогидравлического привода лопаток направляющего аппарата, лопастей рабочего колеса и других регулирующих поток рабочей жидкости органов гидравлических турбин любого типа. Предлагаемое устройство может использоваться как в системах управления гидравлических турбин, так и в других областях применения гидропривода с силовым выходным элементом гидроцилиндром или гидромотором.
Управление гидравлическими турбинами представляет собой сложную техническую задачу. Надежность и долговечность работы турбины напрямую зависит от совершенства системы управления. Для изменения мощности турбины служат регулирующие органы: лопатки направляющего аппарата, лопасти рабочего колеса, иглы сопел и отсекатели потока, которые предназначены для изменения расхода и характеристик закрутки потока рабочей жидкости. Требующее больших перестановочных усилий изменение положения регулирующих органов осуществляется гидравлическим приводом, состоящим из главного сервомотора (гидроцилиндра) и системы управления им.
Известно устройство гидромеханической колонки управления конструкции Ленинградского металлического завода (см. Гидроэнергетическое и вспомогательное оборудование гидроэлектростанций. Справочное пособие под ред. Ю.С.Васильева и Д.С.Щавелева, том №1, основное оборудование, стр.117).
Колонка управления включает однополостной вспомогательный сервомотор, перемещающий главный золотник, побудительный золотник и рычажную систему. Колонка предназначена для управления скоростью движения главного сервомотора, конструктивно входящего в состав турбины. Побудительный золотник, вспомогательный сервомотор главного золотника и главный сервомотор связаны масляными трубопроводами и образуют гидравлическую часть привода. Система управления приводом (колонка) включает канал автоматического (КАУ) и канал ручного управления (КРУ). Задача каждого из каналов - установить главный сервомотор регулирующего органа в требуемое, заранее известное положение. Это положение определяется верхним уровнем управления в случае работы КАУ или положением ручного задатчика в случае использования КРУ.
Побудительный золотник, вспомогательный сервомотор, рычаг обратной связи ОС от вспомогательного сервомотора к побудительному золотнику и главный золотник образуют совокупность элементов, участвующих в работе как КАУ, так и КРУ.
Канал автоматического управления содержит электронный усилитель управления катушкой электрогидравлического преобразователя (ЭГП), электрогидравлический преобразователь, датчики положения штоков ЭГП и главного сервомотора. Механическое перемещение штока ЭГП является выходом КАУ.
Система ручного управления включает рычажную систему, которая механически (посредством тросовой передачи) связана со штоком главного сервомотора и непосредственно с рабочим органом ручного задатчика. Выходом системы является механическое перемещение конца рычага рассогласования (РР) между положениями ручного задатчика и главного сервомотора.
Конец штока ЭГП и камень рычага рассогласования РР в зависимости от режима работы привода являются точками опоры для рычага обратной связи.
Привод работает следующим образом.
Сигналы задания и датчиков положения штоков поступают в электронную систему, вырабатывающую управляющий сигнал, который преобразуется ЭГП в механическое перемещение. Одновременно перемещается и камень рычага рассогласования ручного управления. Рычажная система устроена таким образом, что точкой опоры для рычага ОС будет выбран либо конец штока ЭГП, либо камень РР. Если задание открытия КАУ меньше, чем задание КРУ, то выбирается шток ЭГП и управление ведет КАУ. В противном случае выполняется задание от ручного задатчика. Таким образом, рычаг ОС является селектором для выбора канала управления, требующего минимального расхода воды, поступающей в турбину.
Работа устройства характеризуется плавностью перехода от ручного управления к автоматическому - и обратно.
Работа такого устройства использует преобразование всех управляющих сигналов в механические перемещения. При этом механическое перемещение, определяемое одним каналом управления, сравнивается с механическим перемещением, определяемым другим каналом управления на входе гидрораспределителя с механической обратной связью от управляемого им сервомотора. Это приводит к относительно низкому быстродействию по каналу автоматического управления КАУ. Однако наличие ручного управления, схема которого реализована без использования электрических сигналов, является серьезным эксплуатационным преимуществом гидромеханической колонки этого типа, позволяющим сохранить управляемость системой даже при отсутствии электропитания, например в результате аварии или при выходе из строя САУ.
В настоящее время для управления гидравлическим приводом регулирующих органов гидравлических турбин чаще всего применяются системы, построенные на регулирующих гидрораспределителях и не имеющие механических обратных связей в контуре автоматического управления.
Известна одноканальная система электрогидравлического привода регулирующих органов гидравлических турбин без механических связей, использующая электронный канал управления приводом (см. Иванов А.В., Тараканов Д.Л. Создание полномасштабной АСУ ТП Павловской ГЭС. Электрические станции, №4, 2007 г., стр.26). Гидрокинематическая схема такой системы приведена, например, на сайте ОАО ПромАвтоматика (http://www.pa.ru) в разделе ЭГР ГМЧ. Такое построение системы управления гидроприводом является де факто мировым стандартом: оно используется в регуляторах T.SLC фирмой ALSTOM (http://www.alstom.com), а также в регуляторах VOITH-SIEMENS.
Система включает регулирующий пропорциональный гидрораспределитель с одним выходом для реверсивного расхода и двумя входами для пропуска расходов разных направлений. Выход гидрораспределителя подключен посредством трубопровода (маслопровода) к однополостному вспомогательному сервомотору (сервомотору главного золотника). Главный золотник, также посредством трубопроводов (маслопроводов), подключен к главному сервомотору. Перемещение штоков главного золотника и главного сервомотора контролируются датчиками линейного перемещения, сигналы от которых поступают в электронную систему управления. Электронная система управления вырабатывает маломощный управляющий сигнал, поступающий на регулирующий гидрораспределитель, причем электронная система управления учитывает задание, поступающий от верхнего уровня управления.
Система работает следующим образом. Маломощный управляющий электрический сигнал поступает на регулирующий гидрораспределитель, в котором указанный сигнал преобразуется в изменяющийся по направлению и пропорциональный ему расход масла, подводимый к полости вспомогательного сервомотора главного золотника. Отклонение главного золотника от среднего положения задает скорость движения главного сервомотора. Электронное управляющее устройство формирует сигнал управления гидрораспределителем на основе получаемой от датчиков линейного перемещения вспомогательного и главного сервомоторов информации о положении главного золотника и главного сервомотора. В отличие от системы управления, описанной выше, в которой электрический сигнал вначале преобразуется в механическое перемещение и только потом в расход рабочей жидкости, при использовании управляющего гидрораспределителя электрический сигнал от электронной системы сразу преобразуется в расход рабочей жидкости. Этим обеспечивается высокая точность отработки сигнала задания и значительное превосходство по быстродействию, примерно в два-три раза, по сравнению с описанной ранее системой, использующей механические обратные связи.
Однако отсутствие системы ручного управления, которая бы поддерживала работу гидропривода даже в отсутствии электроснабжения, является существенным эксплуатационным недостатком этого технического решения.
Применение систем многоканального управления силовым элементом гидропривода актуально не только для гидравлических турбин, но и для других турбодвигателей.
Задачей настоящего изобретения является создание системы управления приводом, обеспечивающей сохранение высокого быстродействия по каналу автоматического управления с автоматическим переходом на другой канал управления без использования электронных и электротехнических компонентов и повышение надежности за счет применения независимых источников управляющих сигналов, изменения состава системы и структуры гидравлических связей между ее элементами.
Поставленная задача решается тем, что в систему управления приводом регулирующего органа, включающую первый источник управляющего сигнала, первый регулирующий пропорциональный гидрораспределитель, электрически связанный с указанным первым источником управляющего сигнала, при этом указанный гидрораспределитель имеет один подключенный к полости сервомотора выход реверсивного расхода и два входа для пропуска расходов разных направлений, в соответствии с изобретением дополнительно введены второй источник управляющего сигнала и второй пропорциональный регулирующий гидрораспределитель, управляемый входным сигналом от второго источника сигнала, и невозвратный клапан, при этом выход первого гидрораспределителя подключен к входу для неприоритетного направления расхода второго гидрораспределителя и через невозвратный клапан в направлении пропуска приоритетного расхода к его выходу, соединенному с полостью сервомотора, остальные входы гидрораспределителей подключены к линиям подвода и отвода рабочей жидкости в соответствии с их прямым назначением.
Благодаря использованию двух гидрораспределителей, соединенных между собой указанным образом, обеспечивается позиционирование устройства по тому каналу управления, который требует наименьшего смещения в сторону неприоритетного направления расхода, обуславливается резервирование каналов управления и плавный переход с одного канала на другой.
Селекция (выбор) каналов происходит без промежуточного преобразования всех управляющих сигналов в механические перемещения, что обеспечивает достижение максимально возможного быстродействия, присущего каждому из каналов.
Целесообразно использовать в качестве одного из источников управляющего сигнала механический задатчик. При этом будет реализована возможностью управления системой по двум независимым каналам, один из которых не требует наличия электропитания, что позволяет обеспечить высокую эксплуатационную надежность системы.
Изобретение поясняется чертежами, на которых:
Фиг.1 показывает функциональную схему соединения - гидрораспределителей, выполненную согласно изобретению, обеспечивающую приоритет вытекающего расхода;
Фиг.2 показывает функциональную схему соединения гидрораспределителей, выполненную согласно изобретению, обеспечивающую приоритет втекающего расхода;
Фиг.3 показывает вариант воплощения изобретения с использованием ручного управления гидроприводом;
Фиг.4 показывает схему включения серийных гидрораспределителей и обратного клапана согласно изобретению, для реализации приоритетного управления по двум полностью развязанным каналам с электрическим управлением.
Фиг.5 показывает схему приоритетного управления двухполостным гидроцилиндром или реверсивным гидромотором.
Принцип соединения гидрораспределителей в соответствии с изобретением становится понятным из фиг.1 и 2.
Как показано на фиг.1 и фиг.2, соединение гидрораспределителей может производиться как для обеспечения приоритета вытекающего расхода, так и приоритета втекающего расхода. Первый регулирующий гидрораспределитель 1 имеет один выход 2 для реверсивного расхода и два входа 3, 4 для расходов разных направлений. Выход 2 подключен к входу 6 для неприоритетного направления расхода второго гидрораспределителя 5 и через невозвратный клапан 7 в направлении пропуска приоритетного расхода к его выходу 8.
Если оба гидрораспределителя 1, 5 находятся в среднем положении, то расход на выходе 8 гидрораспределителя 5 будет равен нулю. Смещение плунжера любого из гидрораспределителей 1, 5 вверх при среднем положении другого не приводит к появлению расхода на выходе гидрораспределителя 5, так как для пропуска расхода неприоритетного направления должны быть открыты выходные окна обоих распределителей. При смещении плунжеров обоих гидрораспределителей вверх расход на выходе 8 будет противоположен приоритетному направлению. Если хотя бы один из плунжеров гидрораспределителей смещен вниз, то независимо от положения другого на выходе 8 всегда будет наблюдаться расход приоритетного направления. Так как устройство предназначено для управления скоростью сервомотора, то оно будет обеспечивать позиционирование по тому каналу управления, который требует наименьшего его смещения в сторону неприоритетного направления расхода. Каждая из приведенных на чертежах фиг.1 и фиг.2 схем соединения пропорциональных гидрораспределителей функционально может быть представлена как гидрораспределитель с двумя входами и одним выходом. К выходу этого гидрораспределителя, реализующего функцию селекции управляющих сигналов, может быть по предлагаемой схеме подключен зашунтированный невозвратным клапаном следующий пропорциональный гидрораспределитель. Таким образом, предложенная схема управления гидроприводом позволяет реализовать управление с большим количеством входных сигналов, при селекции их как по минимальному, так и по максимальному значениям.
Как показано на фиг.3, предлагаемое устройство может быть использовано для реализации функции ограничительного ручного управления гидроприводом. В состав гидропривода входят: регулирующий гидрораспределитель канала автоматического управления 9. Источником управляющего сигнала для гидрораспределителя 9 является задатчик 10 (входной сигнал - постоянный ток). Источником сигнала для регулирующего гидрораспределителя 11 является механический задатчик 12, воздействующий на шток плунжера гидрораспределителя 11 рычагом 13 обратной связи. Входной сигнал для гидрораспределителя 11 - механическое перемещение средней точки рычага 13 обратной связи.
Конец рычага 13 обратной связи механически связан со штоком сервомотора 14; положение штока сервомотора 14 контролируется датчиком 15.
Выход первого гидрораспределителя 9 подключен к входу для неприоритетного направления расхода второго гидрораспределителя 11 и через невозвратный клапан 16 в направлении пропуска приоритетного расхода к его выходу, соединенному с полостью сервомотора 14. Остальные входы гидрораспределителей подключены к линиям подвода и отвода рабочей жидкости в соответствии с их прямым назначением. Гидрораспределители и обратный клапан включены по схеме приоритетного вытекающего расхода, аналогично схеме, показанной на фиг.1. Поскольку неприоритетным в приведенной схеме является втекающий расход, что соответствует движению сервомотора 14 на увеличение координаты «Y», то позиционирование выхода будет осуществляться по заданию, которому соответствует наименьшее смещение в сторону неприоритетного изменения расхода. То есть схема обеспечивает реализацию минимального по «Y» задания.
Для контроля включения каналов управления служит дифференциальный манометр 17. Если дифманометр 17 показывает, что перепад давлений на гидрораспределителе 11 близок к нулю, то работает канал электрического управления. Если его показания составляют приблизительно 50% от давления рабочего масла высокого давления, то работает канал ограничительного управления. На фиг.4 представлена схема включения гидрораспределителей и обратного клапана для реализации приоритетного управления по двум полностью развязанным каналам с электрическим управлением. В состав гидропривода входят: регулирующий гидрораспределитель 18 первого канала автоматического управления, источник сигнала задатчик 19 (входной сигнал - постоянный ток) и регулирующий гидрораспределитель 20 второго канала автоматического управления.
Источник сигнала - задатчик 21 (входной сигнал - постоянный ток). Гидропривод включает также сервомотор 22 и датчики положения штока сервомотора для первого и второго каналов управления, соответственно 23 и 24. В системе установлен также дифференциальный манометр 25 и невозвратный клапан 26.
Система работает аналогично описанной выше, за исключением того, что задатчики 19 и 21 вырабатывают электрические управляющие сигналы. Приоритетным здесь является направление расхода, вытекающего из нижней полости сервомотора. Схема реализует управление выбора максимального из задаваемых положений регулирующего органа.
На фиг.5 показано, как изменяется конструкция гидрораспределителей при необходимости использовать в качестве выходного двухполостной гидроцилиндр или гидромотор. В этом случае плунжеры гидрораспределителей имеют в два раза большее количество полей, управляющих выходным расходом, а корпуса в два раза больше окон для выходных расходов. Для генерации приоритетного направления расхода плунжер гидрораспределителя 27 нужно смещать вверх, а плунжер гидрораспределителя 28 вниз. Приоритетное движение сервомотора 29 по направлению «Y». Невозвратные клапаны 30 включены в соответствии с пропуском приоритетного направления расхода для верхней и нижней полостей сервомотора.
Как уже упоминалось выше, любая из приведенных выше схем соединения гидрораспределителей может быть расширена путем использования дополнительных гидрораспределителей, каждый из которых может управляться независимым управляющим сигналом, как электрическим, так и механическим. Это обеспечивает повышение надежности работы системы и сохранение управляемости даже в случае отсутствия электроснабжения.
Предлагаемая конструкция может использоваться как при разработке новых систем управления гидравлическими турбинами, так и реконструкции имеющихся.