книги из ГПНТБ / Болотин, Б. И. Инженерные методы расчетов устойчивости судовых автоматизированных электростанций

тивление дросселя отбора на номинальной частоте. Выражая из (VIII.2)

чину емкости и тем самым, согласно (VIII. 1), частоту самовозбужде­ ния, можно существенно влиять на сопротивление дросселя отбора переменному току. Так, при увеличении частоты самовозбуждения на 1 0 % по сравнению с номинальной (при Ь = 1 ,2 ) сопротивление дрос­ селя отбора увеличивается в два раза, при уменьшении частоты само­ возбуждения на 1 0 % — соответственно в два раза уменьшается. Таким образом, все мероприятия, проводившиеся на реальных объектах для обеспечения устойчивости электромагнитного контура генератора МСК с системой самовозбуждения типа БССВ, связаны с изменением коэффициента отбора k, коэффициента усиления и постоянной времени МУ. Последнее осуществляется с помощью жесткой обратной связи по току выхода, охватывающей МУ. Обычно МУ охватывается поло­ жительной обратной связью, вследствие чего коэффициент усиления и инерционность МУ повышаются. Высокий коэффициент усиления и обеспечивает статическую точность поддержания напряжения. Повы­ шение инерционности МУ обеспечивает лучшую форсировку возбуж­ дения. При уменьшении коэффициента усиления по контуру, образо­ ванному положительной обратной связью и усилителем, постоянная времени усилителя уменьшается. При изменении знака обратной связи с уменьшением коэффициента усиления постоянная времени увели­

чивается.

Из выражения ах 0 для области устойчивости электромагнит­ ного контура можно получить приближенную зависимость, связываю­ щую наиболее сильно влияющие на устойчивость параметры системы возбуждения БССВ генератора МСК. Разрешая неравенство ах ^ 0 от­ носительно k, получим

Из (VIII.5) следует, что повысить устойчивость электромагнитного

контура при заданных R lt Td, xd можно либо путем уменьшения Тк, либо путем увеличения коэффициента отбора k. Увеличение k дости­ гается увеличением коэффициента обратной связи по напряжению возбуждения, охватывающей дроссель отбора, и увеличением емкостей резонансного контура этого дросселя. Как отмечалось выше, умень­

280

шить Тк можно, изменив полярность положительной обратной связи и увеличив петлевой коэффициент усиления или (при положительной обратной связи) уменьшив петлевой коэффициент усиления.

Следует отметить, что изменение емкости в резонансном контуре одновременно с изменением коэффициента отбора k иногда приводит к изменению постоянной времени Т к. В этом случае влияние емкости

врезонансном контуре будет обратным. Так, при уменьшении емкости

врезонансном контуре (а, следовательно, уменьшении k и понижении устойчивости) МУ, охваченный положительной обратной связью, может быть переведен в область работы с меньшим коэффициентом усиления, а следовательно, и с меньшей постоянной времени Т к (что повышает его устойчивость). Таким образом, если при уменьшении

емкости в резонансном контуре Т к уменьшается более интенсивно, чем коэффициент отбора k, то устойчивость электромагнитного контура повышается. Такое «необычное» поведение электромагнитного кон­ тура при варьировании величиной емкости, когда для одного генера­ тора необходимо емкость увеличивать, а для другого уменьшать, дало повод ошибочно полагать, что подключение емкостей в дроссель отбора создает колебательное звено, входящее в замкнутый контур регулирования, частота которого при определенной настройке может совпадать с собственной частотой электромагнитного контура и уси­ ливать колебания. Разбор физики работы этого контура доказывает ошибочность этого предположения. Частота резонансного контура, близкая к номинальной, значительно выше собственной частоты элект­ ромагнитного контура, которая колеблется от 0,3 — 0,6 Гц на парал­ лельной работе ГА до 1,5 Гц на одиночной работе. Поэтому для сиг­ нала управления от МУ дроссель отбора с подключенными к нему ем­ костями является практически безынерционным.

Перечисленные мероприятия, повышающие устойчивость электро­ магнитного контура и связанные с увеличением коэффициента отбора и уменьшением коэффициента усиления МУ, ухудшают статическую точность поддержания напряжения. Требования поддержания напря­ жения достаточно высоки, что ограничивает подчас возможность обеспечения необходимого запаса устойчивости регулирования. Это привело к созданию новых систем регулирования возбуждения, от­ личающихся, главным образом, тем, что к корректору напряжения подключаются гибкие обратные связи, обеспечивающие необходимый запас устойчивости без снижения статической точности поддержания напряжения. Особенностью новых корректоров напряжения является также практическая безынерционность их усилительного канала.

Повышение устойчивости электромеханического контура при па­ раллельной работе Г А изменением параметров генератора и системы регулирования возбуждения. Как было показано в главе III, увели­ чение демпфирования электромагнитного контура является необхо­ димым, но не достаточным для обеспечения устойчивости параллель­ ной работы ГА. Не менее важным мероприятием является разнесение собственных частот колебаний электромагнитного контура и нерегу­ лируемого объекта. Настроечным параметром, существенно влияю­ щим на собственную частоту колебаний электромагнитного контура,

281

является круговой коэффициент усиления по контуру, образованному связью по реактивной мощности, kKk6.п. р.

Анализ, проведенный в главе III, показал, что в целях увели­ чения устойчивости электромеханического контура коэффициент кцкб.п.р необходимо уменьшать настолько, насколько это позволяет точность распределения реактивных мощностей. Заметим, что су­ ществующая структура систем регулирования возбуждения судовых генераторов не предусматривает дополнительных корректирующих связей, обеспечивающих необходимый запас устойчивости при сохра­ нении точности распределения реактивных мощностей. Это приводит к тому, что в некоторых случаях, особенно при близости собственных частот нерегулируемого электромеханического и электромагнитного контуров, устойчивая параллельная работа с уравнительными свя­ зями по реактивной мощности становится невозможной и приходится вводить уравнительные связи непосредственно между обмотками возбуждения генераторов, тем самым ийключая влияние регулятора возбуждения на относительное движение ГА. Такой случай, проис­ шедший при паралельной работе ТГ типа ТД1000 описан в § 5 (см.

рис. 1.9).

Одной из мер, позволяющих увеличить запас устойчивости электро­ механического контура, является увеличение демпфирования в самом генераторе за счет увеличения постоянной времени поперечной демп­

ферной обмотки Тд. Увеличение демпфирования особенно необходимо для инерционных объектов, к которым относятся газо- и турбогенера­ торы. Если при существующих параметрах поперечных демпферных

раллельной работе один и тот же тип генератора, сочлененный с «лег­ ким» первичным двигателем (дизелем) обладает большим запасом ус­ тойчивости, а сочлененный с инерционным первичным двигателем (паровая или газовая турбина)—меньшим.

Повышение устойчивости электромеханического контура измене­ нием параметров PC. В работе [50] проведен сравнительный анализ запаса устойчивости механического контура ДГ, включающего PC и дизель при одиночной работе, и электромеханического контура, вклю­ чающего PC при параллельной работе ДГ с сетью. Показано, что за­ пас устойчивости электромеханического контура существенно ниже. Это подтверждается и практикой. ГА, устойчиво работающие парал­ лельно с сетью, как правило, устойчивы и на одиночной работе. По­ этому рассмотрим лишь мероприятия по повышению запаса устойчи­ вости при параллельной работе ГА.

В главе III отмечалось, что при параллельной работе ГА основ­ ными параметрами PC, влияющими на устойчивость, являются коэф­ фициент усиления регулятора, собственная частота колебаний юр с и демпфирование | р с. В свою очередь, эти обобщенные параметры за­ висят от конструктивных параметров регуляторов скорости, т. е. непосредственно от типа регулятора. Для PC прямого действия ДГ необходимое по расчету увеличение частоты собственных колебаний PC

282

можно получить путем уменьшения массы грузов измерителя скорости, а также увеличения жесткости пружин муфты в приводе от коленчатого вала дизеля к регулятору. (К данным мероприятиям пришлось прибег­ нуть в случае наладки параллельной работы ДГ типа ДГР150-750, описанном в § 5). Необходимо также по возможности уменьшать люфт в приводе выходного штока регулятора прямого действия к топливному насосу. Его величина, приведенная к номинальному перемещению рейки, не должна превышать 5 — 7%. Наиболее распространенными способами повышения устойчивости являютсяследующие:

— увеличение собственной частоты колебаний упругой муфты

вприводе к измерителю скорости;

—уменьшение динамического коэффициента усиления PC за счет увеличения передаточного отношения изодромной обратной связи.

Первое достигается увеличением жесткости упругой муфты. Вто­ рое увеличением диаметра ведущего поршня изодромной обратной связи. Однако увеличение собственной частоты муфты ухудшает фильтрующие свойства регулятора в области частот возмущений, вызванных неравномерностью частоты вращения. Увеличение коэф­ фициента передачи изодрома приводит к ухудшению динамических качеств системы регулирования, к увеличению провала частоты вра­ щения, поэтому эти способы не всегда возможны. В тех случаях, когда предъявляются жесткие требования по динамике регулирования ча­ стоты вращения, вступающие в противоречие с устойчивостью регули­ рования, приходится существенно изменять конструкцию PC, в част­ ности, переходить на «двухимпульсное» регулирование, позволяющее уменьшить динамическое и статическое отклонения частоты враще­ ния при сохранении устойчивости параллельной работы.

Для ТГ, оборудованных гидродинамическими PC, повышение за­ паса устойчивости на параллельной работе осуществляется, главным образом, за счет уменьшения постоянной времени сервомотора. Как отмечалось выше, она должна удовлетворять соотношению

П< ф в т д.

Другим, не менее важным, способом является устранение зависи­ мости давления на выходе насоса-импеллера от расхода масла при движении сервомотора регулятора.

Для всех типов PC общим мероприятием, повышающим запас устойчивости при параллельной и одиночной работе, является увели­ чение наклона регуляторной характеристики, если это допустимо по условиям точности поддержания частоты вращения. Так, на большин­ стве ТГ завода «Красный гидропресс» принят статизм б = 4% вместо

3%.

Повышение устойчивости систем автоматизации С А РЧ и САРАМ .

Устойчивость работы этих систем в основном определяется парамет­ рами МИО. На основании проведенных расчетов к этому механизму были сформулированы единые требования для всех типов ГА (ТГ, ДГ и ГТГ), выполнение которых обеспечивает устойчивую работу

283

систем САРЧ и САРАМ при одновременном соблюдении требуемой статической точности без введения дополнительной коррекции.

Эти требования, ограничивающие круговой коэффициент усиления замкнутого контура и величину люфта в МИО, заключаются в сле­ дующем:

1. Темп изменения скорости вращения агрегата при постоянном номинальном напряжении на серводвигателе МИО должен составлять 0 ,7 + 0 ,2 % за 1 с от номинального значения числа оборотов при про­ хождении зоны допустимого смещения регуляторной характеристики.

2. Запаздывание в отработке сигнала управления при реверсиро­ вании серводвигателя МИО не должно превышать 0,5 с.

§ 35. Повышение устойчивости САЭС введением корректирующих связей

В ряде случаев простое уменьшение контурных коэффициентов усиления с целью увеличения запаса устойчивости не всегда допустимо из-за высоких требований к точности поддержания режимных пара­ метров. Чтобы увеличить запас устойчивости, в соответствующие регуляторы необходимо вводить гибкие корректирующие связи. Рассмотрим некоторые способы введения таких связей в регуляторы возбуждения и скорости.

Введение гибких обратных связей, повышающих демпфирование электромагнитного контура, в регулятор возбуждения. В настоящее время на генераторах завода «Электросила» типа МСК и ГСМ и на ге­ нераторах типа МСК и ГСС Баранчинского электромеханического завода устанавливаются безынерционные полупроводниковые коррек­ торы напряжения, которые для обеспечения демпфирования электро­ магнитного контура охватываются гибкой обратной связью по напря­ жению возбуждения, реализующей ПФ вида

kp. рТр, ср

w 0. c(p)

1 + То. сР

Такой вид имеют ПФ реальных дифференцирующих цепочек, наи­ более просто реализуемых. На рис. VIII. 1 приведена такая цепочка. Рассмотрим характеристический полином замкнутого электромагнит­ ного контура при параллельной работе генератора с мощной сетью при введении гибкой обратной связи по напряжению возбуждения. Для простоты выкладок будем пренебрегать действием естественной обратной связи по вынужденному току возбуждения iBвьш (см.

рис. III.5).

В этом случае коэффициенты характеристического полинома будут:

ао= kTKT 0,<Td\

ai —xdkTKT 0, с+ Td [k(TK + T 0. c) + T 0. tk0. ckK] xd— R iT KT 0. c;

a 2 = [ k ( T K + T o - c) + M o . p T O. cl x d + 2&б. п. p T о. c R q O^k + k T d X d —

- { T K + T 0' J R i;

a3 kxd-(- 2kKk6 п pE q0 /?i.

284

Если в выражении для определения колебательной границы устой­ чивости а г = 0 положить Т0 с > Тк, то можно определить крити­ ческое значение kKk0 с:

Данное выражение совпадает с выражением, определяющим коэф­ фициент жесткой обратной связи. Так, при R 1 — xd (k + 1) получим

k k — Тк _k

Л к ^ 0 . С — ,

тW

Таким образом, все сказанное выше о настроечном коэффициенте жесткой обратной связи kKk0 с относится и к коэффициенту kKkQ0

гибкой обратной связи. В частности, она почти не изменяет собствен­ ную частоту электромагнитного контура.

Теперь рассмотрим легко реализуемую гибкую обратную связь по реактивной мощности. Так как сигнал по реактивной мощности необходим для точного распределения реактивных мощностей и введе­ ния статизма по напряжению, то данная корректирующая обратная связь должна содержать одновременно сигналы по реактивной мощ­

Выбирая k0. с х значительно меньше единицы и компенсируя ослабле­ ние усиления увеличением коэффициента усиления усилителя, можно

285

Из двух видов рассмотренных обратных связей предпочтение сле­ дует отдать обратной связи по напряжению возбуждения, так как она обеспечивает демпфирование на параллельной и одиночной работе генератора. Связь же по реактивной мощности может использоваться лишь на параллельной работе, так как на одиночной работе сигнал по реактивной мощности не выявляется (генератор работает без статизма по напряжению)

Введение в регулятор возбуждения обратных связей, повышающих устойчивость электромеханического контура. В главе III было у ста ­

новлено, что увеличение коэффициента передачи по реактивной мощ­

этого коэффициента передачи в ряде случаев нежелательно из-за сни­ жения статической точности распределения реактивных мощностей. Поэтому необходимо предусматривать дополнительные обратные связи, повышающие запас устойчивости электромеханического контура и не влияющие на распределение этих мощностей. Эксперименты на реальных объектах показывают, что наиболее действенным средством повышения устойчивости являются обратные связи по активной мощ­ ности и ее производным.

тивного тока, высокий уровень выявляемого сигнала, что особенно важно при необходимости дифференцирования данного сигнала. Кроме того, данные обратные связи не меняют демпфирование и соб­ ственную частоту электромагнитного контура, так как при измене­ ниях выходной координаты этого контура — э. д. с. EQ активная мощность практически не меняется. Для пояснения этого проведем

незначительна, и, следовательно, действием связи по активной мощ­ ности в электромагнитном контуре можно пренебречь. В то же время влияние связей по активной мощности в электромеханическом контуре значительно сильнее. Действительно, например, при работе ГА с сетью:

dQ Eg0u sin б12; dSi2

dP

cos б12.

бб12

287

составляет 0,1 — 0,5, т. е. при одних и тех же коэффициентах регу­

При параллельной работе нескольких генераторов целесообразно вводить в регулятор возбуждения сигналы, пропорциональные раз­ ности активных мощностей и их производных. Следует заметить, что эти сигналы не ухудшают статическую точность распределения реак­ тивных мощностей, так как в статике активные мощности распределены пропорционально своим номинальным мощностям. При этом сигнал, пропорциональный разности активных мощностей, равен нулю, и, следовательно, отсутствует воздействие на регулятор возбуждения. Так как действие обратной связи по активной мощности проявляется лишь при изменениях угла 612, то целесообразно рассмотреть ее влия­ ние на вид проходной ПФ по углу 6 12W72 (р). Отклонение активной мощности содержит две составляющие: синхронную, пропорциональ­ ную углу б 12, и асинхронную, пропорциональную первой производной от угла б12 (скольжению),

ДР = M s0Si2 -j- Db\2.

При анализе для простоты выкладок будем полагать коэффициент D = 0 и, следовательно, считать отклонение мощности ДР пропорцио­ нальным только углу б12. С учетом того, что сигнал по активной мощ­ ности и ее первой производной вводится в корректор напряжения с тем же знаком, что и сигнал по реактивной мощности, ПФ (р) при параллельной работе с сетью определится выражением

Подставляя значения частных производных (см. Приложение 1), после несложных преобразований получим полином третьей степени от р

(Р) — (d0P3"Г dip2-f d2p -f dij ■" 12

Л д

где

d0= T d0T2 Kk {xq— xd);

di = l{kji0. c-|- k) jrd() + (&+ 1) T K] Td0 {xq—Xd) + TdoTKR i —

— TdoTKk (xd— Xq) — T d0T o. ckKkpE Q0ctg 612;

di = Tdo {xq Xd) (1 + k -f- kKk0. c) — (xd— Xq) (kKk0 c-j-k) Tdo +

288

4~ (Xd— xq) (^~Ь 1) Т к-\-Тйо (R i — k6' n. vkKEq0— kKkpEq0ctg 612) +

Из приведенных выражений следует, что, изменяя коэффициенты обратных связей kp и kpT0. с. р, можно существенно изменить и коэффи­

стота, ни демпфирование электромагнитного контура практически не изменяются. Следовательно, добиваться необходимого демпфирования электромагнитного контура нужно правильной настройкой обратной связи по реактивной мощности и ее производной, а также обратной связи по напряжению возбуждения. Настройкой обратной связи по активной мощности и ее производной следует целенаправленно изме­ нять коэффициенты k6 и k6T61, достигая устойчивости электромехани­ ческого контура.

При введении первой производной от активной мощности одновре­ менно уменьшаются коэффициенты d x и d 2 и, согласно (III. 133), умень­ шается коэффициент Тб1, /гб при этом остается неизменным. Сигнал по активной мощности уменьшает коэффициент d 2 и увеличивает по абсолютной величине d3. При этом коэффициент усиления контура k5 согласно (III. 132) увеличивается, a k6T61 уменьшается. С уменьше­

частот колебательных звеньев электромеханического контура и PC. Увеличение коэффициента k6 нежелательно из-за увеличения коэффи­ циента усиления по контуру регулирования скорости k0l.

контура. Поэтому введение первой производной от активной мощности в закон регулирования, не изменяющей коэффициент k6, более пред­ почтительно, чем введение сигнала, пропорционального активной мощности. Изменение знака обратной связи по активной мощности

иее первой производной понижает устойчивость электромехани­ ческого контура и увеличивает его собственную частоту, приближая к частоте PC. Следовательно, сигналы обратной связи по реактивной

иактивной мощностям и их первым производным должны совпадать по знаку

При существующих конструкциях корректоров напряжения имеется возможность просто выявлять активную и реактивную мощности. Так как при параллельной работе в относительном движении напряжение

289