13.4. Ступенчатое уменьшение потока возбуждения

Ступенчатое уменьшение потока возбуждения стартера применяют для управления им в системах запуска турбоагрегата ТГ-16. Напряжение на якоре стартера в течение всего запуска постоянно и равно номинальному. На первом этапе пуска стартер работает при максимальном магнитном потоке Ф₁ значительно большем, чем поток Ф₂ на втором этапе (рис. 13.3).

Поток от значения Ф₁ до значения Ф₂ уменьшается при угловой скорости стартера ω₁, которая должна быть достаточно близка к угловой скорости идеального XX ω₁₀ = U/(СФ₁). В противном случае уменьшение потока приведет к провалу, а не к возрастанию угловой скорости. В реальных системах запуска поток стартера уменьшают после вступления в работу турбины и частичной загрузки стартера. Стартер на втором этапе обеспечивает надежное сопровожде­ние турбины до скорости его отключения ω₂ и сокращает время второго этапа.

Электроэнергия, потреблен­ная от источника за весь за­пуск,

.

В качестве условия переключения принимают равенство тока якоря в момент переключения и в конце пуска I₁ = I₂ или (U-C ω₁ Ф₁)/R_A=(U-C ω₂ Ф₂)/R_A, откуда ω₁ Ф₁= ω₂ Ф₂ .Выразив из последнего уравнения поток Ф₁, как Ф₁= Ф₂(ω₂/ω₁), получают

.

Для определения оптимальной угловой скорости переключения потока находят экстремум функции

,

откуда ω₁=ω₂/2. Считая, что U=С·ω₀·Ф₂; ω₂=0,7·ω₀ и, используя соот­ношение ω₁=ω₂/2, определяют:

расход электроэнергии при пуске:

;

к. п. д. пуска

.

Время пуска определяют как суммарное время работы на первом и втором его этапах: t_П= t₁ + t₂.

На первом этапе пуска для угловой скорости используют уравнение

ω₀=ω_С+(ω_НАЧ-ω_С)_·ехр(-t/T_M). Для этого этапа ω=ω₁= ω₂/2; ω_С= ω₀/2; ω_НАЧ=0.

Тогда , где ;

Здесь .

Электромеханическая постоянная времени на первом этапе:

.

Используя общее решение для второго этапа ω=ω_С+(ω_НАЧ-ω_С)_·ехр(-t₂/T_M) и подставляя значения ω=ω₂=0.7ω₀; ω_НАЧ=0.5 ω₂=0.35 ω₀; ω_С=ω₀, получают . Время работы стартера t_П=1,07T_M.

Изменение тока при этом способе управления для аккумуляторной батареи благоприятнее, чем при прямом пуске. Основной бросок тока (пусковой ток) на первом этапе быстро затухает. Второй бросок тока значительно меньше первого. Ступенчатое уменьшение потока возбужде­ния имеет преимущества перед прямым пуском по энергетическим пока­зателям и по времени запуска. Авиагенераторы, применяемые при запуске ВСУ в качестве стартеров, допускают значительную кратность тока воз­буждения.

В системах запуска ВСУ поток меняется в два этапа. На втором этапе ток возбуждения стартера ограничен сопротивлением в цепи возбуждения, на первом же это сопротивление шунтировано контактами контактора, управляющего запуском ГТД.

13.5. Плавное уменьшение потока стартера

Способ управления стартером плавным уменьшением его потока ши­роко применяют при запуске авиадвигателей от СТГ. При этом способе поток на втором этапе запуска двигателя плавно уменьшают. При этом возрастает угловая скорость и обеспечивается надежное сопровождение авиадвигателя до конца запуска. Уменьшение потока, как и при его ступенчатом изменении, должно начинаться при угловой скорости ω_1, достаточно близкой ω₀₁= U/(CФ₁). Если поток начать снижать слишком рано, угловая скорость может упасть, а не возрасти. Поток возбуждения стартера, начиная с угловой скорости ω₁ уменьшают по такому закону, который при нарастании угловой скорости обеспечил бы постоянство противо-э.д.с. машины Е=СωФ=const. При соблюдении этого условия поток возбуждения должен изменяться обратно пропорционально угловой скорости привода Ф=Е/(Сω), а ток якоря в процессе регулирования изменением потока должен оставаться постоянным, т. е.

I_А=(U-СωФ)/ R_А= const.

Постоянство тока и противо-э.д.с. означает и постоянство электро­магнитной мощности Р_Э= ЕI_А=const. Поскольку при I_А=const электри­ческие потери в якоре постоянны , а магнитные потери вследствие уменьшения потока при увеличении угловой скорости меняются незначительно, считают, что такой закон изменения потока обеспечивает и приблизительное постоянство потребляемой мощности:

,

где - механические потери.

При работе с постоянным потоком максимальная электромагнитная мощность стартера достигается при t₁=0,69Т_М, что соответствует угловой скорости ω≈0,5ω₀. Диаграммы тока якоря, потока возбуждения и угловой скорости стартера (в о.е.) приведены на рис. 13.4,а.

При постоянном напряжении питания якоря и максимальном потоке возбуждения стартера Ф₁=const система стартер - ротор ГТД разгоняется до угловой скорости ω₁. Начиная с момента времени t₁, соответствующего угловой скорости ω₁ поток возбуждения уменьшают таким образом, чтобы выполнялись усло­вия Е = СωФ=const и 1_А=const.

Поток на втором этапе запуска снижают от его форсированного зна­чения Ф₁ до номинального значения, соответствующего угловой скорости ω₂ в момент отключения стартера. Из условия постоянства противо-э.д.с. и тока якоря при работе на втором этапе запуска следует, что поток в функции от угловой скорости меняется по закону Ф(ω)=Ф_Н(ω₂/ω), где ω₂ - конечная угловая скорость стартера; ω - текущее значение угловой скорости. Максимальное значение потока равно Ф₁(ω)=Ф_Н(ω₂/ ω₂).

Электроэнергия, потребляемая стартером при запуске, равна суммарной энергии, которую стартер потребляет на первом и втором этапах запуска:

.

Используя уравнение движения привода М-M_С=J(dω/dt), выражая ток в виде

i_a=[J/(СФ)](dω/dt), и учитывая, что U=Сω₀Ф_ПОТ, выражение для электроэнергии, израсходованной при запуске, записывают так:

.

Функция А_Э = f (ω₀) экстремума не имеет.

Запасенная системой в процессе разгона кинетическая энергия

.

К. п. д. запуска при этом способе управления определяют из соотношения:

. (13.3)

Так как на этапе регулирования потоком между значениями угловой скорости и потока должно выполняться соотношение ω₂/ω₁ = Ф₁/Ф₂, то выражение (13.3) переписывают в виде:

,

где - коэффициент форсировки потока.

Значение функции при коэффициентах формировки по­тока φ=2-3 возрастает довольно быстро, однако дальнейшее увели­чение коэффициента форсировки (φ >3) не вызывает быстрого возраста­ния функции ψ (рис. 13.4,б). Поэтому в реальных системах запуска делают обычно φ=2.5-3 . Поскольку ω₂/ω₁= 0,7, то . Полу­ченная зависимость η =f(φ) позволяет выбрать значение φ , эффективно влияющее на к. п. д.

Время запуска определяют как сумму интервалов времени при работе на первом и втором этапах пуска t_П= t₁+ t₂ - Значение t₁ определяют, используя выражение:

ω₁= ω₀₁ [1-eхр(-t₁/T_M)],

где ;

;

Время t₂ запуска на втором этапе определяют из уравнения движения системы:

С I_АФ =J(dω/dt), где Ф = Ф_Н(ω₂/ ω); I_А=(U - С ω Ф/R_А) = const.

Используя законы изменения Ф и I_А в уравнении движения привода с учетом того, что U= С ω_оФ_н, получают

или ,

откуда

.

При φ = 2 к.п.д. запуска η=0.56, время пуска t_П= t₁+ t₂= 1,17Т_М.

Для плавного изменения потока возбуждения стартера применяют угольный регулятор тока РУТ-600. Основной рабочей обмоткой регуля­тора тока является его последовательная (токовая) обмотка w_П (рис. 13.5, а), по которой проходит весь ток якоря стартера. В отличие от регулятора напряжения электромагнитная сила F_П последовательной обмотки сжимает угольный столб, а реакция пружины F_ПР ослабляет сжатие. Управляющая обмотка w_У служит для постройки регулятора на нужное значение тока якоря стартера; ее электромагнитная сила F, тоже сжимает угольный столб. Когда регулятор включен, любое отклонение тока якоря СТГ от значения, установленного при настройке, приводит к изменению силы F_П. В результате изменяются сжатие угольного столба и его сопротивление R_УС, ток возбуждения СТГ и его противо-э.д.с. Е=СωФ. Плотность и значение приращения противо-э.д.с. таковы, что их воздействие устра­няет отклонение тока (с определенной статической ошибкой) от его зна­чения, установленного при настройке. В системе запуска с плавным изме­нением потока возбуждения возможно возникновение неустойчивого ре­жима вследствие особенностей параметров регулятора. Точность стабили­зации тока в первую очередь определяется чувствительностью регулятора и цепи возбуждения, которую характеризуют коэффициенты передачи электромагнита к_ЭМ=(дF_Э/дi_p)₀, угольного столба К_УС=(дК_УС/дδ)₀ регуля­тора и К_В=( дi_В /дR_УС)₀ обмотки возбуждения (здесь i_Р = i_А+ w_Уi_У/w_П - суммарный ток электромагнита регулятора; δ - воздушный зазор).

С увеличением чувствительности регулирование приближается к аста­тическому, но уменьшается запас устойчивости системы. Учитывая, что характеристики реальных угольных регуляторов (рис. 13.5,б) близки к ас­татическим, не исключена опасность неустойчивой работы. Для повышения устойчивости в регулятор тока вводят ОСС по току возбуждения СТГ, используя специальную обмотку стабилизации w_CT, включенную на паде­ние напряжения на обмотке возбуждения. Сила электромагнита F_Э = F_П+ F_У- F_СТ.