CS270766B1 - Elektrický regulátor Kaplanovy turbíny - Google Patents

Abstract

Zapojení se týká elektrického regulátoru Kaplanovy vodní turbíny v tzv. nevýrobním režimu s velkou hltností, kdy turbína nahrazuje činnost ventilu jhlové propusti. Regulátor turbíny zjistí ztrátu zátěže otáčkovým hladinovým členem. Pomocí derivačního clenu ee aktivuje sekvenční obvod, který zpdraalí zavírání regulačního orgánu turbíny dynamickým omezovačem. Současně nastaví oběžné kolo turbíny na hodnotu danou nelineárním členem v závislosti na spádu. Otáčky turbíny v nevýrobním režimu s velkou hltností se nastavují nastavovacím obvodem, který je ovládán sekvenčním obvodem. Zapojení se využije , při regulaci Kaplanových turbín umístěných v hydrocentrále na konci dlouhého plavebního kanálu.

Description

Vynález se týká regulace vodní turbíny a řeší zapojení hybridního elektrického regulátoru Kaplanovy vodní turbíny pro zvláštní pracovní režim stroje. Je to tak zvaný nevýrobní režim s velkou hltností, kdy turbínou protéká velké množství vody, ale elektrická energie se nevyrábí, protože není odběr.

Regulace Kaplanovy turbíny se provádí podle požadavků elektrárny, e ohledem na odběr elektrické energie v rozvodné síti. Jestliže klesá odběr elektrické energie, omezuje se přivíráním regulačního orgánu přítok vody do Kaplanovy turbíny. Jestliže je víee Kaplanových turbín umístěno v přehradní hrázi na konci plavebního kanálu, nelze snížit náhlým přivíráním regulačního orgánu přítok vody do turbíny, poněvadž vlna v kanále, způsobená rychlým zavřením více turbín, ohrozí bezpečnost plavby v kanále. Může totiž dojít k převrácení lodí tam plujících.

Aby se odstranilo toto nebezpečí používá se při uzavírání regulačního orgánu turbíny synchronní otevírání jezových klapek nebo synchronní otevírání ventilů jalové propusti, kterými se odvádí voda z kanálu mimo turbínu, aby se zamezil vznik nežádoucí vlny. Synchronní ovládání jezových klapek nebo ventilů jalové propusti musí být bezpečné a spolehlivé. Musí být doplněno velkými servomotory k ovládání klapek nebo ventilů a spolehlivými regulačními obvody. Toto uspořádání musí být zcela spolehlivé, a proto je drahé.

Tyto nedostatky odstraňuje zapojení elektrického regulátoru pro řízení Kaplanovy turbíny v nevýrobním režimu s velkou hltností podle vynálezu. Podstata vynálezu spočívá v tom, že nastavovací vátupní svorka zapojení je spojena e nastavovacím vstupem regulátoru otáček, jehož signálový vstup je spojen s první signálovou vstupní svorkou zapojení. Druhá signálová vstupní svorka zapojení je spojena se signálovým vstupem rozdílového členu, se vstupem derivačního členu a se vstupem otáčkového hladinového členu, jehož' výstup je spojen s otáčkovým vstupem sekvenčního obvodu. Časovači výstup sekvenčního obvodu je spojen s časovači výstupní svorkou zapojení, jehož spádová vstupní svorka je spojena se spádovým vstupem nelineárního členu, jehož spouštěcí vstup je spojen se signalizačním výstupem sekvenčního obvodu, se signalizační výstupní svorkou zapojení a se signalizačním vstupem nastavovacího obvodu. Nastavovací výstup nastavovacího obvodu je spojen s nastavovacím vstupem rozdílového členu, jehož výstup je spojen se vstupem ukončovacího hladinového členu, jehož výstup je spojen s ukončovacím vstupem sekvenčního obvodu. Akcelerační vstup sekvenčního obvodu je spojen s výstupem akceleračního hladinového členu, jehož vstup je spojen s výstupem derivačního členu. Spouštěcí výstup sekvenčního obvodu je spojen se spouštěcím vstupem nastavovacího obvodu, se spouštěcím vstupem nelineárního členu a se spouštěcím vstupem dynamického omezovače. Výstup dynamického omezovače je spojen s omezovacím vstupem regulátoru otáček, jehož výstup je spojen se sledovacím vstupem dynamického omezovače a s řídicí výstupní svorkou zapojení. Výstup nelineárního členu je spojen s polohovou výstupní svorkou zapojení, jehož otáčková výstupní svorka je spojena s otáčkovým výstupem nastavovacího obvodu.

Výhodou uspořádání podle vynálezu je, že regulátor Kaplanovy turbíny umožňuje přímo řídit zcela automaticky soustrojí turbína-generátor při ztrátě zátěže, například vypnutím vypínače od el. ochrany, nebo při rozpadu siíového systému, takovým způsobem, že regulační orgány se zavírají pomalu a k nebezpečné vlně v přívodním kanálu vůbec nedojde. Není tedy zapotřebí žádného zvláštního zařízení. Stačí elektrický regulátor doplnit popisovanými obvody a vhodně je zapojit a je dosaženo žádoucího účinku při říze: ní turbíny v nevýrobním režimu s velkou hltností.

Příklad uspořádání podle vynálezu je znázorněn na výkresu.

Jednotlivé bloky zapojení je možno charakterizovat takto. Regulátor 1 otáček je • regulátor typu PID opatřený omezovačem polohy regulačního orgánu. Je vytvořen z operačních zesilovači! se zápornými zpětnými vazbami pro dosažení dynamického přenosu. Slouží

CS 270766 Bl k regulaci otáček soustrojí turbína-generátor a zároveň omezuje horní a dolní polohu regulačního orgánu (např. rozvádžcího kola) Kaplanovy turbíny.

Dynamický omezovač 2 je vytvořen z operačních zesilovačů a slouží k časově zpožděnému průchodu vstupního signálu při zachování přenosu v ustáleném stavu, kdy je přenos roven jedné. Svým výstupem sleduje signál svého signálového vstupu bez časového zpoždění nebo se značným zpožděním, řádově až několik minut podle logického signálu na svém nastavovacím vstupu 22.

Sekvenční obvod 3 je sestaven z invertorů, členů pro logický součin a derivačních logických členů. Je opatřen obvodem počátečních podmínek, které se nastavují po zapnutí pomocné elektrické energie obvodu. Slouží k realizaci po sobě jdoucích kroků, které jsou podmíněny vstupními podmínkami. V těchto krocích se provádějí požadované operace.

Otáčkový hladinový člen 4 je vytvořen operačním zesilovačem s klopným charakterem a opatřen předpětím pro posunutí pracovního bodu. Slouží k indikaci překročení dané hodnoty u vstupního signálu.

Derivační člen 5 je vytvořen RC členem nebo zesilovačem s derivačním účinkem a slouží k měření časové změny vstupního signálu, to je, skutečných otáček soustrojí a převedení této změny na úměrný signál.

Akcelerační hladinový člen 6 je sestaven podobně jako otáčkový hladinový člen 4 a obsahuje ještě invertor na výstupu. Slouží ke zjišťování okamžiku, kdy otáčky soustrojí začnou klesat po předchozím přechodném nárůstu otáček při ztrátě zátěže.

Rozdílový člen 7 je tvořen dvěma operačními zesilovači. Slouží k vyčíslení absolutní hodnoty rozdílu žádaných otáček turbíny v nevýrobním režimu s velkou hltností a skutečných otáček turbíny za účelem zjištění okamžiku, kdy se tyto signály právě sobě rovnají.

Ukončovací hladinový člen 8 je vytvořen obdobně jako akcelerační hladinový člen 6. Slouží k zjišťování okamžiku, kdy soustrojí dosáhne otáček rovných požadovaným .otáčkám v nevýrobním režimu.

Nastavovací obvod 9 je vytvořen z potenciometru pro nastavení požadované hodnoty a ze spínače pro připnutí této hodnoty k výstupu. Slouží pro nastavení žádaných otáček v nevýrobním režimu a pro připojení signálu žádaných otáček k regulátoru otáček.

Nelineární člen lo je vytvořen z několika operačních zesilovačů nebo paměťovou maticí typu PROM či EPROM pro modelování závislosti výstupního signálu na spádu a spínačem pro zapínání tohoto signálu ke vstupu regulátoru polohy lopatek oběžného kola turbíny. Slouží k ovládání otevření lopatek oběžného kola v závislosti na spádu při nevýrobním režimu turbíny.

Zapojení elektrického regulátoru pro řízení Kaplanovy turbíny v nevýrobním režimu s velkou hltností je provedeno takto.

Nastavovací vstupní svorka ol zapojení je spojena s nastavovacím vstupem 11 regulátoru 1 otáček. Signálový vstup 12 regulátoru otáček je spojen s první signálovou vstupní svorkou o2 zapojení. Druhá signálová vstupní svorka o3 zapojení je spojena se signálovým vstupem 71 rozdílového členu 7, ae vstupem 51 derivačního členu 5, a se vstupem 41 otáčkového hladinového členu 4. Výstup 42 otáčkového hladinového členu 4, je spojen e otáčkovým vstupem 31 sekvenčního obvodu _3. časovači výstup 34 sekvenčního obvodu 3 je spojen a časovači výstupní svorkou o6 zapojení. Spádová vstupní svorka o4 zapojení je spojena se spádovým vstupem lo3 nelineárního členu lo. Spouštěcí vstup lo2 nelineárního členu lo je spojen se signalizačním výstupem 36 sekvenčního obvodu 3, ae signalizační výstupní svorkou 08 zapojení a se signalizačním vstupem 92 nastavovacího obvodu 9. Nastavovací výstup 93 nastavovacího obvodu 9 je spojen s nastavovacím vstupem 72 rozdílového členu 7. Výstup 73 rozdílového členu 7 je spojen se vstupem 81 ukončova

CS 270766 Bl 3 čího hladinového členu 8. Výstup 82 ukončovacího hladinového členu 8 je spojen s ukončováním vstupem 33 sekvenčního obvodu 3· Akcelerační vstup 32 sekvenčního obvodu 3 spojen s výstupem 62 akceleračního hladinového členu 6. Výstup 61 akceleračního hladinového členu £ je spojen s výstupem 52 derivačního členu £. Spouštěcí výstup 35 sekvenčního obvodu 3 je spojen se spouštěcím vstupem 91 nastavovacího obvodu 9, se epouštěcím vstupem lol nelineárního členu lo a se spouštěcím vstupem 22 dynamického omezovače 2.

Výstup 23 dynamického omezovače 2 je spojen s omezovacím vstupem 13 regulátoru £ otáček. Výstup 14 regulátoru £ otáček je spojen se sledovacím vstupem 21 dynamického omezovače 2 a s řídicí výstupní svorkou o9 zapojení. Výstup lo4 nelineárního členu lo je spojen s polohovou výstupní svorkou o5 zapojení. Otáčková výstupní svorka o7 zapojení je spojena s otáčkovým výstupem 94 nastavovacího obvodu 9.

Zapojení pracuje takto. Na nastavovací vstupní svorku ol zapojení se přivádí signál žádaných otáček. Na první signálovou vstupní svorku o2 zapojení se přivádí signál skutečných otáček regulovaného soustrojí turbína-generátor. Regulátor £ otáček vytváří na výstupu 14 a tedy na řídicí výstupní svorce o9 zapojení signál požadovaného otevření rozváděcího kola turbíny. Tento signál se současně přivádí na sledovací vstup 21 dynamického omezovače 2. Výstup 23 dynamického omezovače 2 je na nulovém potenciálu a nijak neomezuje činnost regulátoru 1. otáček. Jakmile však dojde ke zvýšení otáček soustrojí a tedy ke zvýšení hodnoty signálu na druhé signálové vstupní svorce o3 zapojení, přes hodnotu nastavenou v otáčkovém hladinovém členu 4, například na llo %, aktivuje se sekvenční obvod 2· Sekvenční obvod 3 se aktivuje výstupním signálem, který přechází z výstupu 42 otáčkového hladinového členu 4 na otáčkový vstup 31 sekvenčního obvodu 3. Aktivuje se také signál na časovacím výstupu 34 sekvenčního obvodu 3. Tím se aktivuje signál na časovači výstupní svorce 06 zapojení. Tento signál se využívá k signalizaci přechodu do nevýrobního režimu turbíny. Jakmile otáčky soustrojí přestanou stoupat vlivem zavírání rozváděcího kola turbíny působením regulátoru 1'otáček, indikuje se tento stav derivačním členem 5 ve spolupráci s akceleračním hladinovým členem 6. Akcelerační hladinový člen 6 vyšle ze svého výstupu 62 signál na akcelerační vstup 32 sekvenčního obvodu 2· Sekvenční obvod 2 začne provádět operace druhého kroku. Na spouštěcím výstupu 35 sekvenčního obvodu 2 ae objeví aktivní signál, který přechází na spouštěcí vstup 22 dynamického omezovače 2. Tímto signálem se uvede v činnost dynamický omezovač 2 takto. Jednak se objeví výstupní signál na výstupu 23 dynamického omezovače 2, jednak se zvětší časová konstanta dynamického omezovače 2. Tak se dynamicky omezí činnost regulátoru 2 otáček ve směru zavírání. Dynamický omezovač 2 dovolí pouze velmi pomalé změny ve směru klesání výstupního signálu. Aktivní signál na spouštěcím výstupu 35 sekvenčního obvodu 2 dále uvede v činnost nastavovací obvod 9.· který přivede signál požadovaných otáček v nevýrobním režimu přes svůj otáčkový výstup 94 k otáčkové výstupní svorce o7 zapojení. Nastavovací výstup 93 nastavovacího obvodu 9 je spojen trvale se signálem požadovaných otáček turbíny v nevýrobním režimu. Týž aktivní signál na spouštěcím výstupu 35 sekvenčního obvodu 2 uvede v činnost nelineární člen lo přes jeho spouštěcí vstup lol. Nelineární člen lo připne příslušný signál na svůj výstup lo4, a tím i k polohové svorce o5 zapojení. Turbína tedy pomalu zavírá a současně regulátor 1 otáček reguluje otáčky turbíny na novou požadovanou hodnotu otáček v nevýrobním režimu a souSaa^y ně se přestavuje oběžné kolo na požadovanou hodnotu, závislou od spádu v nevýrobním režimu turbíny.

Rozdílový člen 7 zatím stále měří a-sleduje rozdíl žádaných otáček turbíny v nevýrobním režimu s velkou hltností a skutečných otáček, a to provádí srovnáváním signálů, které ee přivádějí na jeho signálový vstup 71 a na jeho nastavovací vstup 72. Absolutní hodnota odchylky obou otáček, která je na výstupu 73 rozdílového členu 7 se přivádí na vstup 81 ukončovacího hladinového členu 8. Na výstupu 82 ukončovacího hladinového členu 8 je aktivní signál. Jestliže je absolutní hodnota odchylky rovná nule, aktivuje ae úkon4 CS 270766 Bl

Sovací vstup 33 sekvenčního obvodu 3. Sekvenční obvod 3 přechází do třetího kroku. Na signalizačním výstupu 36 sekvenčního obvodu J se objevuje aktivní signál, který současně aktivuje signalizační výstupní svorku 08 zapojení, nastavovací obvod 9 a nelineární člen lo. Současně mizí aktivní signál na spouštěcím výstupu 35 sekvenčního obvodu 3. Po dosažení žádaných otáček v nevýrobním režimu turbíny s velkou hltností končí tedy funkce dynamického omezovače 2 a turbína pracuje v nevýrobním režimu na otáčkách vhodných pro nevýrobní režim. Tyto otáčky jsou obvykle vyšší než otáčky jmenovité. Turbína pracuje s otevřením oběžného kola vhodným pro nevýrobní režim, a jde obvykle o velké otevření. Regulátor £ otáček reguluje otáčky v nevýrobním režimu s velkou hltností.

Vynálezu se využije při automatické regulaci vodních turbín.

Claims (1)

1. PŘEDMĚT VYNÁLEZU

   Elektrický regulátor Kaplanovy turbíny v nevýrobním režimu s velkou hltností, vyznačující se tím, že nastavovací vstupní svorka (ol) zapojení je spojena s nastavovacím vstupem (11) regulátoru (1) otáček, jehož signálový vstup (12) je spojen s první signálovou vstupní svorkou (o2) zapojení, jehož druhá signálová vstupní svorka (o3) je spojena ee signálovým vstupem (71) rozdílového členu (7), se vstupem (51) derivačního členu (5), a se vstupem (41) otáčkového hladinového členu (4), jehož výstup (42) je spojen s otáčkovým vstupem (31) sekvenčního obvodu (3), jehož časovači výstup (34) je spojen s časovači výstupní svorkou (06) zapojeni, jehož Spádová vstupní svorka (o4) je spojena se spádovým vstupem (lo3) nelineárního členu (lo), jehož spouštěcí vstup (lo2) je spojen se signalizačním výstupem (36) sekvenčního obvodu (3), se signalizační výstupní svorkou (08) zapojení a se signalizačním vstupem (92) nastavovacího obvodu (9), jehož nastavovací výstup (93) je spojen s nastavovacím vstupem (72) rozdílového členu (7), jehož výstup (73) je spojen se vstupem (81) ukončovacího hladinového členu (8), jehož výstup (82) je spojen s ukončovacím vstupem (33) sekvenčního obvodu (3), jehož akcelerační vstup (32) je spojen s výstupem (62) akceleračního hladinového členu (6), jehož vstup (61) je spojen s výstupem (52) derivačního členu (5) a spouštěcí výstup (35) sekvenčního obvodu (3) je spojen se spouštěcím vstupem (91) nastavovacího obvodu (9), se spouštěcím vstupem (lol) nelineárního členu (lo), dále se spouštěcím vstupem (22) dynamického omezovače (2), jehož výstup (23) je spojen s omezovacím vstupem (13) regulátoru (1) otáček, jehož výstup (14) je spojen se sledovacím vstupem (21) dynamického omezovače (2) a a řídicí výstupní svorkou (o9) zapojení, přičemž výstup (lo4) nelineárního členu (lo) je spojen s polohovou výstupní svorkou (o5) zapojení, jehož otácková výstupní svorka (o7) je spojena s otáčkovým výstupem (94) nastavovacího obvodu (9).