SE420522B

SE420522B - Governor for controlling rotative speed of a hydroelectric unit

Info

Publication number: SE420522B
Application number: SE8001334A
Authority: SE
Inventors: O I Bashnin; V V Semenov; V N Fedorov; N M Gorbunov; E I Rodionov; N A Sorokin
Original assignee: Proizv Ob Turbostroenia
Priority date: 1980-02-20
Filing date: 1980-02-20
Publication date: 1981-10-12
Also published as: SE8001334L

Abstract

A speed governor for a hydroelectric unit includes an error signal shaper 1, an integrator 2 and a device 3 for controlling the degree of opening of the control device 4 for a water turbine, said device 3 being coupled to the output of the integrator 2. The governor further comprises a limiter 5 connected between the output of the error signal shaper 1 and the input of the integrator 2 for limiting the maximum value of the signal to the integrator 2 input to a level equal to the minimum amplitude of the integrator 2 input signal ensuring the maximum possible rate of change of the degree of opening of the control device 4. <IMAGE>

Description

8591334-5 insignalen till integratorn ej överstiger en bestämd nivå, högre, när ändringshastigheten för styrsignalen från integratorns utgång ökar, vilket med andra ord innebär att mot en större varvtalsavvi- kelse svarar en högre rörelsehastighet hos skovlarna i reglerings- anordningen. Ändringen i regleringsanordningens öppningsgrad kommer i detta fall att släpa efter styrsignaländringen en tidsperiod, som bestämmes av tröghetsegenskaperna hos anordningen för reglering av öppningsgraden för regleringsanordningen. Vid avsevärda varvtals- avvikelser leder emellertid ökningen av ändringshastigheten för styrsignalen från integratorns utgång, då amplituden av insignalen till integratorn överskrider nämnda nivå, ej till fortsatt ökning av rörelsehastigheten hos ledskovlarna i regleringsanordningen, var- vid denna rörelsehastighet förblir lika med högsta möjliga tillåtna hastighet, vilket resulterar i att eftersläpningen av ändríngen_i reg- leringsanordningens öppningsgrad från styrsignaländringen blir större. 8591334-5 the input signal to the integrator does not exceed a certain level, higher, when the change rate of the control signal from the integrator output increases, which in other words means that a larger speed deviation corresponds to a higher speed of movement of the vanes in the control device. The change in the degree of opening of the control device will in this case lag behind the change of control signal for a period of time, which is determined by the inertial properties of the device for controlling the degree of opening of the control device. However, in the case of significant speed deviations, the increase in the change rate of the control signal from the output of the integrator, when the amplitude of the input signal to the integrator exceeds said level, does not lead to a continued increase in the speed of the vanes in the control device, this speed remaining equal to maximum which results in the lag of the change_in the degree of opening of the control device from the control signal change becoming greater.

Eftersläpningen blir större, ju större varvtalsavvikelsen blir. Detta medför en ökning av det s.k. dynamiska regleringsfelet och en lång- sammare verkan av regulatorn vid avsevärda varvtalsavvikelser.The larger the speed deviation, the greater the lag. This leads to an increase in the so-called dynamic control error and a slower effect of the controller in the event of significant speed deviations.

Denna oöverensstämmelse mellan ändringshastigheten för inte- gratorns utsignal och ändringshastigheten för öppningsgraden för regleringsanordningen vid avsevärda varvtalsavvikelser kan elimine- ras genom ökning av integratorns tidskonstant. En dylik ökning av tidskonstanten är emellertid ej önskvärd, eftersom den försämrar regulatorns snabbhet vid låga varvtalsavvikelser.This discrepancy between the rate of change of the integrator output signal and the rate of change of the degree of opening of the control device in the event of significant speed deviations can be eliminated by increasing the integrator time constant. However, such an increase in the time constant is not desirable, as it impairs the speed of the controller at low speed deviations.

Det huvudsakliga syftet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en varvtalsregulator för ett vattenkraftaggregat, som är så utformad, att man kan minska det dynamiska reglerfelet vid avse- värda varvtalsavvikelser genom eliminering av oöverensstämmelsen mellan ändringshastigheten för en integralsignal, som är avsedd att styra öppningsgraden för en regleringsanordning för en turbin, och ändringshastigheten för regleringsnaordningens öppningsgrad utan att försämra regulatorns snabbhet vid låga varvtalsavvikelser.The main object of the present invention is to provide a speed regulator for a hydropower unit which is designed so that the dynamic control error can be reduced at considerable speed deviations by eliminating the discrepancy between the change rate of an integral signal intended to control the degree of aperture of a control device for a turbine, and the rate of change of the degree of opening of the control device without impairing the speed of the controller at low speed deviations.

Detta uppnås medelst en varvtalsregulator för ett vattenkraft- aggregat, som omfattar en vattenturbin försedd med en regleringsan- ordning för styrning av den vattenmängd per tidsenhet, som skall tillföras vattenturbinens löphjul, vilken regulator omfattar en fel- signalbildare, vars felsignal beror på en avvikelse i varvtalet hos vattenkraftaggregatet från det erforderliga varvtalet, en integra- tor, vars ingång är kopplad till felsignalbildarens utgång, och en anordning för styrning (reglering) av öppningsgraden för reglerings- 3 8001334-5 anordningen, vilken anordning är kopplad till integratorns utgång D i och för förinställning av öppningsgraden för regleringsanord- ningen i överensstämmelse med amplituden av en vid integratorn uppträdande utsignal, varvid_regulatorn, enligt uppfinningen, om- fattar en begränsare, vars ingång är kopplad till felsignalbilda- rens utgång och vars utgång är kopplad till integratorns ingång i och för begränsning av den maximala amplituden av den vid integra- torn uppträdande insignalen till en nivå lika med den minsta av de amplituder av insignalen till integratorn, som säkerställer högsta möjliga tillåtna ändringshastighet för regleringsanordningens öpp- ningsgrad. - Under arbetsförloppet hos regulatorn enligt uppfinningen leder en liten avvikelse i varvtal från det önskade, liksom vid kända re- gulatorer av detta slag, till en ändring i styrsignalen vid integra- torns utgång med en hastighet, som är proportionell mot varvtalsav- vikelsen. Till skillnad från kända regulatorer av detta slag ökas emellertid ändringshastigheten för utsignalen från integratorn en- bart, tills denna ündringßhastighet uppnått ett värde, vid vilket skovlarna i regleringsanordningen rör sig med högsta möjliga has- tighet. Fortsatt ökning av varvtalsavvikelsen leder ej till ökning av ändringshastigheten för den vid integratorn uppträdande utsigna- len, varvid denna hastighet förblir lika med ett minsta värde, vid vilket skovlarna i regleringsanordningen rör sig med högsta möjliga hastighet. Detta eliminerar oöverensstämmelsen mellan ändringshas- tigheten för styrsignalen, som från integratornsutgång matas till anordningen för reglering av öppningsgraden för regleríngsanordningen och ändringshastigheten för öppningsgraden för regleringsanordningen vid avsevärda varvtalsavvikelser, varigenom eftersläpningen av änd- ringen i öppningsgradcn för regleringsanordningen i förhållande till styrsignaländringen enbart bestämmas av tröghetsegenskaperna hos anordningen för reglering av öppningsgraden för regleringsanordningen.This is achieved by means of a speed regulator for a hydropower unit, which comprises a water turbine provided with a control device for controlling the amount of water per unit time to be supplied to the water turbine impeller, which regulator comprises an error signal generator, the error signal due to a deviation in the speed of the hydropower unit from the required speed, an integrator, the input of which is connected to the output of the error signal generator, and a device for controlling the degree of opening of the control device, which device is connected to the output D of the integrator in for presetting the degree of aperture of the control device in accordance with the amplitude of an output signal appearing at the integrator, the controller according to the invention comprising a limiter, the input of which is connected to the output of the error signal generator and the output of which is connected to the input of the integrator limiting the maximum amplitude of it at i the integrator the input signal to a level equal to the smallest of the amplitudes of the input signal to the integrator, which ensures the highest possible permissible change rate for the degree of opening of the control device. During the operation of the controller according to the invention, a small deviation in speed from the desired one, as in known regulators of this kind, leads to a change in the control signal at the output of the integrator at a speed which is proportional to the speed deviation. Unlike known controllers of this type, however, the rate of change of the output signal from the integrator is only increased until this rate of change has reached a value at which the vanes in the control device move at the highest possible speed. Continued increase in the speed deviation does not lead to an increase in the rate of change of the output signal appearing at the integrator, this speed remaining equal to a minimum value at which the vanes in the control device move at the highest possible speed. This eliminates the discrepancy between the rate of change of the control signal fed from the integrator output to the device for controlling the degree of aperture of the control device and the rate of change of the degree of aperture of the control device at significant speed deviations, whereby the delay of the device for controlling the degree of opening of the control device.

Detta resulterar i ett lägre dynamiskt reglerfel och snabbare verkan av regulatorn vid stora varvtalsavvikelser utan att regulatorns snabb- het försämras vid låga varvtalsavvikelser.This results in a lower dynamic control error and faster action of the controller at large speed deviations without the controller's speed deteriorating at low speed deviations.

Det är lämpligt, att begränsaren omfattar en mättbar förstär- .kare, vars ingång via ett motstånd är kopplad till felsignalbildarens utgång, och en potentiometer, som är kopplad över förstärkarens ut- gång, varvid potentiometerns glidkontakt är så ansluten till inte- gratorns ingång och via ett annat motstånd till förstärkarens in- gång, att en negativ återkopplingskrets bildas i förstärkaren.It is expedient for the limiter to comprise a measurable amplifier, the input of which is connected via a resistor to the output of the error signal generator, and a potentiometer which is connected across the output of the amplifier, the sliding contact of the potentiometer being so connected to the input of the integrator and via another resistor to the input of the amplifier, that a negative feedback circuit is formed in the amplifier.

Användandet av den så utformade begränsaren förenklar juste- ringen av regulatorn, eftersom man med denna begränsare kan ändra _ 8~ï9=ü'1334-5 den maximala ändringshastígheten för utspänningen från integratorn utan ändring av integreringskonstanten för felsignalen. l Uppfinningen beskrives närmare nedan under hänvisning till bi- fogade ritning, där fig. 1 visar ett blockschema över regulatorn för reglering av varvtal hos ett vattenkraftaggregat och fig. 2a-2e vi- sar kurvor över ändringen i regleringsanordningens öppningsgrad och i varvtalet hos vattenkraftaggregatet jämte tidsdiagram över de spän- ningar, som uppträder vid bestämda komponenter i kopplingen för re- gulatorn.The use of the limiter so designed simplifies the adjustment of the controller, since with this limiter it is possible to change the maximum change rate of the output voltage from the integrator without changing the integration constant of the error signal. The invention is described in more detail below with reference to the accompanying drawing, in which Fig. 1 shows a block diagram of the controller for regulating the speed of a hydropower unit and Figs. 2a-2e show curves of the change in the degree of opening of the control device and in the speed of the hydropower unit. time diagram of the voltages that occur at certain components in the coupling for the regulator.

Den i fig. 1 visade regulatorn för reglering av varvfrekven- sen (varvtalet) hos ett icke visat vattenkraftaggregat innefattar en felsignalformare 1, en integrator 2, en till integratorns 2 ut- gång kopplad anordning 3 för reglering av öppningsgraden för en reg- leringsanordning H och en begränsare 5, vars ingång är kopplad till felsignalformarens 1 utgång och vars utgång är kopplad till integra- torns 2 ingång. 0 Felsignalformaren 1 innefattar en varvfrekvensgivare 6, en förinställningsanordning 7 och en adderare 8, vars ena ingång 9 är kopplad till varvfrekvensgivaren 6 och vars andra ingång 10 är kopp- lad till förinställningsanordningen 7, medan adderarens 8 utgång ut- gör utgången från felsignalformaren 1. Varvfrekvensgivaren 1 är av- sedd att avkänna ändringar i varvfrekvensen hos vattenkraftaggrega- tet och forma en signal, som är proportionell mot en varvfrekvensav- vikelse från den varvfrekvens, som motsvarar den nominella frekven- sen hos ett elkraftförsörjningssystem, i vilket vattenkraftaggregatet ifråga arbetar (exempelvis 50 Hz). Förinställningsanordningen 7 bil- dar en signal, som är proportionell mot skillnaden mellan det önska- de varvtalet hos vattenkraftaggregatet och det varvtal, som motsva- rar den nominella frekvensen eller märkfrekvensen i elkraftförsörj- ningssystemet. Den signal, som skall bildas av bildaren 1, är allt- så proportionell mot avvikelsen i varvtal hos vattenkraftaggregatet från det önskade varvtalet.The controller for controlling the rotational frequency (speed) of a hydropower unit (not shown) shown in Fig. 1 comprises a fault signal former 1, an integrator 2, a device 3 connected to the output of the integrator 2 for controlling the degree of opening of a control device H and a limiter 5, the input of which is connected to the output of the error signal shaper 1 and the output of which is connected to the input of the integrator 2. The error signal generator 1 comprises a revolution frequency sensor 6, a presetting device 7 and an adder 8, one input 9 of which is connected to the revolution frequency sensor 6 and the other input 10 of which is connected to the presetting device 7, while the output of the adder 8 constitutes the output of the error signal generator 1. The rotational frequency sensor 1 is intended to detect changes in the rotational frequency of the hydropower unit and form a signal which is proportional to a rotational frequency deviation from the rotational frequency which corresponds to the nominal frequency of an electric power supply system in which the hydropower unit in question operates (e.g. 50 Hz). The presetting device 7 generates a signal which is proportional to the difference between the desired speed of the hydropower unit and the speed which corresponds to the nominal frequency or the rated frequency in the electric power supply system. The signal to be formed by the generator 1 is thus proportional to the deviation in speed of the hydropower unit from the desired speed.

Adderaren 8 omfattar en förstärkare 11, som omfattar ett i en negativ återkopplingskrets för förstärkaren 11 inkopplat motstånd, varvid förstärkarens 11 ingång är avsedd att via ingångsmotstånd tillföras signaler, vilka matas till ingångar 9 och 10 på adderaren.The adder 8 comprises an amplifier 11, which comprises a resistor connected in a negative feedback circuit for the amplifier 11, the input of the amplifier 11 being intended to supply signals via input resistors, which are fed to inputs 9 and 10 of the adder.

Integratorn 2 omfattar en förstärkare 12, som omfattar en i en negativ återkopplingskrets för förstärkaren 12 inkopplad kondensa- tor, varvid förstärkarens 12 ingång är avsedd att via ett ingångs- motutånd tillföras en signal, som matas till ïntegvaturnu 9 ingång. , soo1zs4-5 Regleringsanordningen Ä är avsedd att styra den vattenmängd, som skall tillföras ett ej visat löphjul på vattenkraftaggregatets ej visade vattenturbin, genom ändring av läget hos ledskovlar i regleringsanordningen U och följaktligen öppningsgraden för regle- ringsanordningen U.The integrator 2 comprises an amplifier 12, which comprises a capacitor connected in a negative feedback circuit for the amplifier 12, the input of the amplifier 12 being intended to be supplied via a input counter-tooth to a signal which is fed to the input of the integrated circuit 9. , soo1zs4-5 The control device Ä is intended to control the amount of water to be supplied to a impeller (not shown) on the water turbine of the hydropower unit, not shown, by changing the position of guide vanes in the control device U and consequently the degree of opening of the control device U.

Anordningen 3 för styrning av öppningsgraden för reglerings- anordningen Ä är avsedd att förinställa läget hos ledskovlarna i regleringsanordningen U i överensstämmelse med amplituden av en styr- signal, som från integratorns 2 utgång matas till styranordningen 3.The device 3 for controlling the degree of opening of the control device Ä is intended to preset the position of the guide vanes in the control device U in accordance with the amplitude of a control signal which is fed from the output of the integrator 2 to the control device 3.

Styranordningen 3 omfattar en adderare 13, en elektrohydraulisk, till adderarens 13 utgång kopplad omvandlare lä, som är avsedd att omvandla en elektrisk, vid adderarens 13 utgång uppträdande signal till en mekanisk kraft, som är avsedd att förflytta skovlarna i reg- leringsanordningen U, och en lägesgivare 15 för skovlarna i regle- ringsanordningen U. Adderarens 13 ena ingång 16 utgör ingång på styranordningen 3 och är kopplad till förstärkarens 12 utgång, me- dan adderarens 13 andra ingång 17 via en negativ återkopplingskrets är kopplad till givaren 15.The control device 3 comprises an adder 13, an electro-hydraulic converter Ie connected to the output of the adder 13, which is intended to convert an electrical signal occurring at the output of the adder 13 into a mechanical force, which is intended to move the vanes in the control device U, and a position sensor 15 for the vanes in the control device U. One input 16 of the adder 13 constitutes an input of the control device 3 and is connected to the output of the amplifier 12, while the second input 17 of the adder 13 is connected to the sensor 15 via a negative feedback circuit.

Begränsaren 5 omfattar en mättbar förstärkare 18, vars inver- terande ingång via ett ingångsmotstånd 19 är kopplad'till förstär- karens 11 utgång, och en potentiometer 20, vars resistivelement 21 är parallellkopplat med förstärkarens 18 utgång och vars glídkontakt 22 via ett motstånd 23 är ansluten till förstärkarens 18 inverteran- de ingång, varigenom en negativ återkopplingskrets bildas för för- stärkaren 18. Potentiometerns 20 glidkontakt 22 utgör utgångsklämma på begränsaren 5 och är kopplad till integratorns 2 ingångsklämma.The limiter 5 comprises a saturable amplifier 18, the inverting input of which is connected via an input resistor 19 to the output of the amplifier 11, and a potentiometer 20, the resistive element 21 of which is connected in parallel with the output of the amplifier 18 and whose sliding contact 22 is via a resistor 23. connected to the inverting input of the amplifier 18, whereby a negative feedback circuit is formed for the amplifier 18. The sliding contact 22 of the potentiometer 20 constitutes the output terminal of the limiter 5 and is connected to the input terminal of the integrator 2.

Adderaren 8 kan ha en extra (ej visad) ingång, som är avsedd att matas med en utsignal från en ej visad återkopplingsanordning, vars överföringsfaktor förinställes i överensstämmelse med ett för- utbestämt s.k. statikvärde hos regulatorn och vars ingång kan kopp- las till lägesgivaren 15 eller till integratorns 2 utgång. Det för- utbestämda varvtalet bestämmes i detta fall av summan av en signal, som matas till adderarens 8 ingång 10, och en återkopplingssignal.The adder 8 may have an additional input (not shown), which is intended to be supplied with an output signal from a feedback device (not shown), the transmission factor of which is preset in accordance with a predetermined so-called static value of the controller and whose input can be connected to the position sensor 15 or to the output of the integrator 2. The predetermined speed is determined in this case by the sum of a signal fed to the input 10 of the adder 8 and a feedback signal.

Regulatorn fungerar på följande sätt.The controller works as follows.

I det stationära drifttillstånd, där vattenkraftaggregatets varvtal är lika med det önskade varvtalet, utjämnar insignalerna till adderarens 8 ingångar 9 och 10 varandra, varigenom utspänningar- na från adderaren 8 och begränsaren 5 är lika med noll. Utspänningen från íntegratorn 2 är lika med ett värde, som motsvarar den öppnings- grad för regleringsanordningen 11, som säkerställer det önskade varv- ,sso1334-5 talet hos vattenkraftaggregatet. Den spänning, som från integratorn 2 matas till adderarens 13 ingång 16, utjämnas i detta fall av den spänning, som från lägesgivaren 15 matas till ingången 17, varige- nom utsignalen från adderaren 15 är lika med noll.In the stationary operating state, where the speed of the hydropower unit is equal to the desired speed, the input signals to the inputs 9 and 10 of the adder 8 equalize each other, whereby the output voltages from the adder 8 and the limiter 5 are equal to zero. The output voltage from the integrator 2 is equal to a value corresponding to the degree of opening of the control device 11, which ensures the desired speed, sso1334-5 of the hydropower unit. The voltage supplied from the integrator 2 to the input 16 of the adder 13 is equalized in this case by the voltage supplied from the position sensor 15 to the input 17, whereby the output signal from the adder 15 is equal to zero.

Om varvtalet avviker från det önskade, rubbas jämvikten mel- lan signalerna, som matas till adderarens 8 ingångar 9 och 10, vari- genom vid utgången på adderaren 8 en signal uppträder, vars ampli- tud är proportionell mot varvtalsavvikelsen. Denna signal överföres till begränsarens 5 ingång.If the speed deviates from the desired one, the equilibrium between the signals fed to the inputs 9 and 10 of the adder 8 is disturbed, whereby at the output of the adder 8 a signal appears, the amplitude of which is proportional to the deviation of the speed. This signal is transmitted to the input of the limiter 5.

Om varvtalsavvikelsen är låg och signalen, som matas till be- gränsarens 5 ingång, därför har förhållandevis låg amplitud och ej kan förorsaka mättning av förstärkaren 18, uppträder vid begränsa- rens 5 utgång en spänning, som är proportionell mot inspänningen till begränsaren 5, dvs. mot varvtalsavvikelsen. Genom att utspänningen ej uttages från förstärkarens 18 utgång utan från potentiometerns 20 glidkontakt, beror begränsarens 5 överföringsfaktor ej på kon- taktens 22 läge, utan bestämmes av resistansförhållandet mellan mot- stånden 19 och 23, dvs.If the speed deviation is low and the signal which is fed to the input of the limiter 5 therefore has a relatively low amplitude and cannot cause saturation of the amplifier 18, a voltage appears at the output of the limiter 5, which is proportional to the input voltage to the limiter 5, i.e. . against the speed deviation. Since the output voltage is not taken from the output of the amplifier 18 but from the sliding contact of the potentiometer 20, the transfer factor of the limiter 5 does not depend on the position of the contact 22, but is determined by the resistance ratio between resistors 19 and 23, ie.

K = m/Rz, där K är begränsarens 5 överföringsfaktor, R1 motståndets 23 resistans och R2 motståndets 19 resistans.K = m / Rz, where K is the transfer factor of the limiter 5, R1 the resistance of the resistor 23 and R2 the resistance of the resistor 19.

Vid låga varvtalsavvikelser ändras därför utspänningen från integratorn 2 med en hastighet, som är proportionell mot varvtals- avvikelsen. En ändring i utspänningen från integratorn 2 leder till att vid adderarens 13 utgång en signal uppträder, som medelst om- vandlaren 14 omvandlas till en mekanisk kraft] som förflyttar led- skovlarna i regleringsanordningen U och därför ändrar öppningsgra- den för regleringsanordningen Ä. Detta resulterar i att utsignalen från givaren 15 ändras, vilken ändring kompenserar ändringen i sig- nalen, som från integratorns 2 utgång matas till adderarens 13 in- gång 16. Ledskovlarna i regleringsanordningen förflyttar sig tills spänningsändringen vid integratorns 2 utgång upphör, dvs. tills aggregatets varvtal i stationärt drifttillstând blir lika med det förutbestämda varvtalet, vilket medför, att utspänningen från adde- raren 8 blir lika med noll.At low speed deviations, the output voltage from the integrator 2 therefore changes at a speed which is proportional to the speed deviation. A change in the output voltage from the integrator 2 leads to a signal appearing at the output of the adder 13, which is converted by means of the converter 14 into a mechanical force] which moves the guide vanes in the control device U and therefore changes the degree of opening of the control device Ä. in that the output signal from the sensor 15 changes, which change compensates for the change in the signal, which is fed from the output of the integrator 2 to the input 16 of the adder 13. The guide vanes in the control device move until the voltage change at the output of the integrator 2 ceases, ie. until the speed of the unit in steady state of operation becomes equal to the predetermined speed, which means that the output voltage from the adder 8 becomes equal to zero.

Rörelsehastigheten hos ledskovlarna i regleringsanordningen Ä är begränsad och får ej överskrida ett visst tillåtet högsta vär- de, som bör väljas så, att man kan förhindra att trycket i vatten- kraftaggregatets ej visade vattenledning ändras alltför plötsligt 8001334-5 genom uppkomst av en hydraulchock. Om ändringshastigheten hos ut- spänningen från integratorn 2 är lägre än ett visst värde, som mot- svarar den maximala rörelsehastigheten hos ledskovlarna i reglerings- anordningen H, förorsakar alltså ökning eller minskning av ändringe- hastigheten hos utspänningen från integratorn 2 ökning respektive minskning av rörelsehastigheten hos ledskovlarna i regleringsanord- ningen 4. Om ändringahastigheten hos utspänningen från íntegratorn 2 överstiger värdet, som motsvarar den maximala rörelsehastigheten hos ledskovlarna i regleringsanordnigen U, kan detta å andra sidan ej leda till en ökning av skovlarnas rörelsehastighet, som i detta fall kommer att förbli konstant oberoende av utspänningens ändrings- hastighet.The speed of movement of the vanes in the control device Ä is limited and must not exceed a certain permissible maximum value, which should be chosen so as to prevent the pressure in the water line of the hydropower unit (not shown) from changing too suddenly 8001334-5 due to a hydraulic shock. If the rate of change of the output voltage from the integrator 2 is lower than a certain value, which corresponds to the maximum speed of movement of the guide vanes in the control device H, then increasing or decreasing the rate of change of the output voltage from the integrator 2 causes an increase or decrease of the speed of movement. on the guide vanes in the control device 4. If the rate of change of the output voltage from the integrator 2 exceeds the value corresponding to the maximum speed of movement of the guide vanes in the control device U, this cannot lead to an increase in the moving speed of the vanes, which in this case will remain constant regardless of the rate of change of the output voltage.

Integreringskonstanten för den signal, som från felsignalbil- daren 1 matas till begränsarens 1 ingång, bör väljas så, att man kan förinställa ett sådant samband mellan varvtalsavvikelsen och rörel- sehastigheten hos ledskovlarna i regleríngsanordningen Ä, som säker- ställer att reglersystemet är så snabbverkande som möjligt och sam- tidigt arbetar stabilt. Denna integreringskonstant kan förinställas genom ändring av integratorns 2 tidskonstant eller resistansförhål- landet mellan motstånden 19 och 25. Glidkontakten 22 på potentiome- tern 20 inställes därför så, att den spänning, som från kontakten 22 skall matas till integratorns 2 ingång, om förstärkaren 18 är mättad, är lika med den minsta av de spänningar, som förorsakar en ändring av utspänningen från integratorn 2 med en hastighet, som säkerställer den maximala rörelsehastigheten hos ledskovlarna i reg- leringsanordningen H. Med den så inställda kontakten 22 kommer de stora varvtalsavvikelser hos aggregatet, som överskrider det minsta av de värden, vid vilka ledskovlarna i regleringsanordningen 4 måste röra sig med maximumhastighet, att förorsaka mättning av förstärka- ren 18, under det att låga varvtalsavvikelser, som är lägre än det- ta minsta värde, ej kommer att överföra förstärkaren 18 till mättat tillstånd. Om förstärkaren 18 ej är i mättat tillstånd inverkar kon- taktens 22 läge, såsom påpekats ovan, ej på begränsarens 5 överfö- ringsfaktor och följaktligen ej heller på integreringskonstanten för felsignalen. Glidkontaktens 22 läge inverkar således ej på regulatorns arbete vid låga varvtalsavvikelser, dvs. när dessa avvikelser ej uppnår det värde, som förorsakar att ledskovlarna i regleringsanord- ningen 4 rör sig med högsta möjliga hastighet.The integration constant of the signal fed from the error signal generator 1 to the input of the limiter 1 should be chosen so that such a relationship can be preset between the speed deviation and the speed of movement of the guide vanes in the control device Ä, which ensures that the control system is as fast as possible and at the same time work stably. This integration constant can be preset by changing the time constant of the integrator 2 or the resistance ratio between the resistors 19 and 25. The sliding contact 22 on the potentiometer 20 is therefore set so that the voltage to be supplied from the contact 22 to the input of the integrator 2, if the amplifier 18 is saturated, is equal to the smallest of the voltages which cause a change of the output voltage from the integrator 2 at a speed which ensures the maximum speed of movement of the guide vanes in the control device H. With the so set switch 22 comes the large speed deviations of the unit, exceeding the minimum of the values at which the guide vanes in the control device 4 must move at maximum speed, to cause saturation of the amplifier 18, while low speed deviations lower than this minimum value will not transmit the amplifier 18 to saturated state. If the amplifier 18 is not in a saturated state, the position of the contact 22, as pointed out above, does not affect the transmission factor of the limiter 5 and consequently also the integration constant of the error signal. The position of the sliding contact 22 thus does not affect the work of the regulator at low speed deviations, ie. when these deviations do not reach the value which causes the guide vanes in the control device 4 to move at the highest possible speed.

Regulatorns verkningssätt vid avsevärda varvtalsavvikelser be- skrives nu med ledning av fig. 2, som visar kurvor över en ändring 8001334-5 i öppningsgraden för regleringsanordningen ll och i varvtalet hos vattenkraftaggregatet samt tidsdiagram över signaländringsförlop- pet vid bestämda förbindningspunkter i kopplingen för regulatorn.The mode of action of the controller at considerable speed deviations is now described with reference to Fig. 2, which shows curves of a change 8001334-5 in the degree of opening of the control device 11 and in the speed of the hydropower unit and time diagrams of the signal change process at certain connection points in the controller.

Enligt fig. 2 svarar en tidpunkt ti mot en avvikelse i varv- tal hos vattenkraftaggregatet från det önskade varvtalet. Om be- gränsaren 5 saknas, är en ändring i inspänningen till integratorn 2 vid denna tidpunkt proportionell mot varvtalsavvikelsen. Inspän- ningsändringen till integratorn 2 visas, om begränsaren 5 saknas, medelst en streckad kurva i fig. 2a. Om begränsaren 5 föreligger, leder emellertid en avsevärd varvtalsavvikelse till att förstärka- ren 18 mättas. När förstärkaren 18 är mättad, bestämmas dess utspän- ning av matningsspänningen och förstärkarens koppling. Vid avse- värda varvtalsavvikelser beror därför inspänningen till integra- torn 2 ej på varvtalsavvikelsen, utan är lika med ett gränsvärde, som enbart beror på kontaktens 22 läge. Ändringen i spänningen, som från begränsarens 5 utgång matas till integratorns 2 ingång, visas medelst en heldragen kurva i fig. 2a. Det framgår av denna kurva, att inspänningen till integratorn 2 vid tidpunkten ti är lika med ett gränsvärde Uo.According to Fig. 2, a time t1 corresponds to a deviation in speed of the hydropower unit from the desired speed. If the limiter 5 is missing, a change in the input voltage to the integrator 2 at this time is proportional to the speed deviation. The voltage change to the integrator 2 is shown, if the limiter 5 is missing, by means of a dashed curve in Fig. 2a. However, if the limiter 5 is present, a considerable speed deviation leads to the amplifier 18 being saturated. When the amplifier 18 is saturated, its output voltage is determined by the supply voltage and the connection of the amplifier. In the event of significant speed deviations, therefore, the input voltage to the integrator 2 does not depend on the speed deviation, but is equal to a limit value, which only depends on the position of the contact 22. The change in the voltage, which is supplied from the output of the limiter 5 to the input of the integrator 2, is shown by means of a solid curve in Fig. 2a. It can be seen from this curve that the input voltage to the integrator 2 at the time t1 is equal to a limit value Uo.

Samtidigt som skillnaden mellan det verkliga varvtalet och det önskade förblir tämligen stor för att kunna hålla förstärkaren 18 i mättat tillstånd, förblir inspänningen till integratorn 2 (se fig. 2a) konstant, varvid den förorsakar en ändring i-utspänningen från integratorn 2 med konstant hastighet. Ändringen i utspänningen från integratorn 2 visas medelst en heldragen kurva i fig. 2b.While the difference between the actual speed and the desired one remains rather large in order to keep the amplifier 18 in a saturated state, the input voltage to the integrator 2 (see Fig. 2a) remains constant, causing a change in the output voltage from the integrator 2 at a constant speed . The change in the output voltage from the integrator 2 is shown by means of a solid curve in Fig. 2b.

En ändring i utspänningen från integratorn 2 rubbar jämvikten mellan signalerna vid ingângarna 16 och 17 på styranordningens 3 adderare 13, vilket resulterar i uppkomsten av utsignalen från adde- raren 13 och ändringen i regleringsanordningens H öppningsgrad, vilken ändring genom trögheten hos styranordningen 3 kommer att ske med en viss fördröjning i förhållande till ändringen i utspänningen från integratorn 2. Ändringen i utsignalen över adderaren 15 visas medelst en heldragen kurva i fig. 2c, medan ändringen i öppnings- graden för regleringsanordningen H visas medelst en heldragen kur- va i fig. 2d. När kontakten 22 på potentiometern 20 inställes i överensstämmelse med det ovan sagda, kommer relgeringsanordningens U öppningsgrad att ändras med den högsta hastigheten så länge för- stärkas-en 18 förblir mättad. ' ' ' Ändringen i öppningsgraden för regleringsanordningen U leder till en ändring i vattenkraftaggregatets varvtal. varvtalet ändras 8091334-5 med avsevärd fördröjning i förhållande till förflyttningen av led- skovlarna i relgeringsanordningen U, varvid varvtalsändring visas medelst en heldragen kurva i fig. 2e.A change in the output voltage from the integrator 2 upsets the equilibrium between the signals at the inputs 16 and 17 of the adder 13 of the control device 3, resulting in the emergence of the output signal from the adder 13 and the change in the degree of opening of the control device H, which change due to inertia of the control device 3 with a certain delay in relation to the change in the output voltage from the integrator 2. The change in the output signal over the adder 15 is shown by means of a solid curve in Fig. 2c, while the change in the degree of opening of the control device H is shown by a solid curve in Fig. 2d . When the switch 22 on the potentiometer 20 is set in accordance with the above, the degree of opening of the regulating device U will change at the highest speed as long as the gain 18 remains saturated. '' 'The change in the degree of opening of the control device U leads to a change in the speed of the hydropower unit. the speed changes 8091334-5 with a considerable delay in relation to the movement of the guide vanes in the regulating device U, whereby the change in speed is shown by means of a solid curve in Fig. 2e.

Vid en tidpunkt tg, då skillnaden mellan det verkliga varvta- let hos vattenkraftaggregatet och det önskade nedgått så, att för- stärkaren 18 blir omättad, börjar inspänningen till integratorn 2 att minska proportionellt mot ändringen av denna skillnad (fig. 2a) samtidigt som ändringshastigheten hos utspänningen från integratorn 2 sjunker (fig. 2b). Vid en tidpunkt t3, då det verkliga varvtalet är lika med det önskade, är inspänníngen till integratorn 2 och änd- vïngnhnßtigheten hon utspänningen från integratorn 2 lika med noll (fig. 2a och 2b). Genom att styranordningen 3 uppvisar tröghet, blir utsignalen från adderaren 13 lika med noll, medan öppningsgraden för regleringsanordningen U blir lika med ett ytterlighetsvärde något senare än vid tidpunkten t3 (fig. 2), nämligen vid en tidpunkt tu.At a time tg, when the difference between the actual speed of the hydropower unit and the desired one decreases so that the amplifier 18 becomes unsaturated, the input voltage to the integrator 2 begins to decrease in proportion to the change of this difference (Fig. 2a) at the same time as the change rate of the output voltage from the integrator 2 decreases (Fig. 2b). At a time t3, when the actual speed is equal to the desired one, the input voltage to the integrator 2 and the finality of the output voltage from the integrator 2 are equal to zero (Figs. 2a and 2b). Because the control device 3 exhibits inertia, the output signal from the adder 13 becomes equal to zero, while the degree of aperture of the control device U becomes equal to an extreme value slightly later than at time t3 (Fig. 2), namely at a time tu.

Genom att vattenkraftaggregatets varvtal ändras med fördröjning, skiljer sig öppningsgraden för regleringsanordningen H vid tidpunk- ten tu (fig. 2d) från den tidpunkt, då aggregatets varvtal i statio- närt drifttillstånd är lika med det förutbestämda varvtalet, vari- genom wæwtalsändringen fortsättes tills ledskovlarna i reglerings- anordningen U inställts till ett läge, som motsvarar det stationära drifttillståndet hos aggregatet vid en tidpunkt t5 (fig. 2).Because the speed of the hydropower unit changes with delay, the degree of opening of the control device H at the time tu (Fig. 2d) differs from the time when the speed of the unit in the stationary operating state is equal to the predetermined speed, whereby the wæw number change is continued. in the control device U is set to a position corresponding to the stationary operating state of the unit at a time t5 (Fig. 2).

Om begränsaren 5 saknas, förorsakar en avsevärd varvtalsavvi- kelse avsevärd ändring i inspänningen till integratorn 2, såsom det visas medelst en streckad kurva i fig. 2a, vilket resulterar i att utspänningen från integratorn 2 ändras med högre hastighet, såsom visas medelst en streckad kurva i fig. 2b. Rörelsehastigheten hos skovlarna i regleringsanordningen U förblir emellertid i detta fall under tiden mellan ti och t2 lika med den maximalt tillåtna hastig- heten. Ändringen i öppníngsgraden för regleringsanordningen H samt varvtalsändringen sker således i detta fall mellan ti och tg i över- ensstämmelse med de heldragna kurvorna i fíg. 2d och 2e på sådant sätt att öppningsgraden för regleringsanordningen U och varvtalet vid tidpunkten tg har samma värden som i det fall, då begränsaren 5 ingår. Detta leder till en ökning av skillnaden mellan utspän- ningen från integratorn 2 och utspänningen från lägesgivaren 15 vid tidpunkten tg, eftersom denna skillnad alstras ej enbart genom trög- heten hos styranordningen 3 utan även genom oöverensstämmelsen mel- lan ändringshastigheten hos utspänningen från integratorn 2 och rö- relsehastigheten hos ledskovlarna i relgeringsanordningen U, varvid ökningen av denna skillnad är desto större, ju större varvtalsavvi- åâﬂßåli-E .1O kelsen blir. Detta resulterar i att utsignalen från adderaren 13 endast blir lika med noll vid en tidpunkt t'4 såsom det visas me- delst en streckad kurva i fig. 2c, medan avvikelsen i öppningsgra- den för regléringsanordningen Ä från den öppningsgrad, som motsva- rar det stationära drifttíllståndet, vid denna tidpunkt blir stör- re än maximumavvikelsen från den stationära öppningsgraden för reg- 'leringsanordningen H, när begränsaren 5 ingår, såsom framgår av fig. 2d, där ändringen i öppningsgraden för regleringsanordningen, om begränsaren 5 saknas, visas medelst en streckad kurva. Detta leder i sin tur till en ökning av det dynamiska felet vid varvtalsänd- ringen, såsom framgår av fig. 2e, där ändringen i vattenkraftsggre- gatets varvtal, då begränsaren 5 saknas, visas medelst en streckad kurva, samt till en ökning av varaktigheten av det transienta för- loppet, som enbart upphör vid en tidpunkt t'5 (fig. 2).If the limiter 5 is missing, a considerable speed deviation causes a significant change in the input voltage to the integrator 2, as shown by means of a dashed curve in Fig. 2a, which results in the output voltage from the integrator 2 changing at a higher speed, as shown by means of a dashed curve in Fig. 2b. However, the speed of movement of the vanes in the control device U remains in this case during the time between t1 and t2 equal to the maximum permitted speed. The change in the degree of opening of the control device H and the change in speed thus takes place in this case between ti and tg in accordance with the solid curves in fig. 2d and 2e in such a way that the degree of opening of the control device U and the speed at the time tg have the same values as in the case where the limiter 5 is included. This leads to an increase in the difference between the output voltage from the integrator 2 and the output voltage from the position sensor 15 at time tg, since this difference is generated not only by the inertia of the control device 3 but also by the discrepancy between the change rate of the output voltage from the integrator 2 and the speed of movement of the guide vanes in the regulating device U, the increase of this difference being the greater the greater the speed deviation. This results in the output signal from the adder 13 only becoming equal to zero at a time t'4 as shown by a dashed curve in Fig. 2c, while the deviation in the degree of aperture of the control device Ä from the degree of aperture corresponding to the stationary operating condition, at this time becomes greater than the maximum deviation from the stationary opening degree of the control device H, when the limiter 5 is included, as shown in Fig. 2d, where the change in the opening degree of the control device, if the limiter 5 is missing, is shown by a dashed curve. This in turn leads to an increase in the dynamic error in the change of speed, as shown in Fig. 2e, where the change in the speed of the hydropower unit, when the limiter 5 is missing, is shown by a dashed curve, and to an increase in the duration of the transient process, which only ceases at a time t'5 (Fig. 2).

En minskning av varaktígheten av det transienta förloppet kan vid avsevärda varvtalsavvikelser uppnås genom användning av olika kopplingar, vilka säkerställer begränsning av utsignalens maximala amplitud, förutsatt att begränsningsnivån är lika med den minimala av de amplituder av insignalen till integratorn 2, som säkerställer den maximala ändringshastigheten för regleringsanordningens H öpp- ningsgrad, och att integreringskonstanten för felsignalen säkerstäl- ler den önskade snabbheten hos regulatorn och driftstabiliteten hos reglersystemet vid låga varvtalsavvíkelser. Genom att använda be- gränsaren 5 enligt fig. 1, som gör det möjligt att genom förskjut- ning av kontakten 22 på potentiometern 20 ändra den maximala änd- ringshastigheten för utspänningeníïånintegratorn 2 utan ändring av integreringskonstanten för felsignalen, förenklas emellertid juste- ringen av regulatorn, eftersom fínjusteringen av den maximala änd- ringshastigheten för utsignalen från integratorn 2 i överensstäm- melse med.den maximala rörelsehastigheten hos skovlarna i regle- ringsanordningen H inte kräver efterföljande finjustering av integre- ringskohstanten. I Föreliggande uppfinning bidrar till att minska det dynamiska felet och förbättra snabbheten (minska regleringstiden) hos regu- ' latorn för reglering av varvtal hos ett vattenkraftaggregat vid av- sevärda varvtalsavvikelser utan att försämra regulatorns snabbhet vid små varvtalsavvikelser. 'A reduction in the duration of the transient process can be achieved at considerable speed deviations by using different couplings, which ensure limitation of the maximum amplitude of the output signal, provided that the limitation level is equal to the minimum of the amplitudes of the input signal to the integrator 2, which ensures the maximum change rate for the degree of opening of the control device H, and that the integration constant of the error signal ensures the desired speed of the controller and the operational stability of the control system at low speed deviations. However, by using the limiter 5 according to Fig. 1, which makes it possible to change the maximum change rate of the output voltage in the integrator 2 by displacing the switch 22 on the potentiometer 20 without changing the integration constant of the error signal, the adjustment of the controller is simplified , since the fine adjustment of the maximum change speed of the output signal from the integrator 2 in accordance with the maximum speed of movement of the vanes in the control device H does not require subsequent fine adjustment of the integration coefficient. In the present invention it helps to reduce the dynamic error and improve the speed (reduce the control time) of the controller for controlling the speed of a hydropower unit at considerable speed deviations without impairing the speed of the controller at small speed deviations. '

Claims

aee1ss4-5 11 Claims

A controller for regulating the speed of a hydropower unit, comprising a water turbine provided with a control device (U) for controlling the amount of water to be supplied to an impeller on the water turbine, which controller comprises a former (1) for forming of an error signal due to a deviation of the speed of the hydropower unit from the desired speed, an integrator (2), the input of which is connected to the output of the error signal generator (1), and a device (3) for controlling the degree of opening for reg the control device (U), which device (3) is connected to the output of the integrator (2) in order to set the degree of opening of the control device (Ä) in accordance with the amplitude of the output signal from the integrator (2), characterized by a limiter (5), the input of which is connected to the output of the error signal generator (1) and the output of which is connected to the input of the integrator (2) in order to limit the maximum amplitude of the input signal to the integrator (2) to at a level equal to the smallest of the amplitudes of the input signal to the integrator (2), which ensures the maximum permissible rate of change of the degree of opening of the control device (H).

Regulator according to Claim 1, characterized in that the limiter (5) comprises a saturable amplifier (18), the input of which is connected via a resistor (19) to the output of the error signal generator (1), and a potentiometer (20), whose resistive element (21) is connected in parallel across the output of the amplifier (18) and whose sliding contact (22) is connected to the input of the integrator (2), the contact (22) of the potentiometer (20) also being connected via a second resistor (23) - closed to the input of the amplifier (18), so that a negative feedback circuit is formed for the amplifier (18).