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

не отклоняется, то сигнал по соответствующей мощности может быть заменен сигналом по току.

На рис. VII 1.3 проиллюстрированы различные способы вклю­ чения векторомерного устройства, использующегося в современных корректорах, которое позволяет вводить в усилитель корректора сигналы, пропорциональные активному и реактивному токам с проти­ воположными знаками. На рис. V III.3, а показана схема выявления реактивного тока, на рис. V III.3, б — схема выявления активного и реактивного токов противоположных знаков, на рис. V III.3, в схема выявления активного и реактивного токов одного знака. В первом слу­ чае сигнал, пропорциональный току фазы В, суммируется с сигналом, пропорциональным линейному напряжению АС, во втором случае — с сигналом, пропорциональным линейному напряжению ВС, и в тре­ тьем — с сигналом, пропорциональным линейному напряжению АВ.

Рис. VIII.3. Различные способы включения векторомерного устройства корректора напряжения

Главное достоинство этой схемы в ее чрезвычайной простоте. Подавая сигнал, пропорциональный активному и реактивному токам на цепь R — С, реализующую пропорционально-дифференциальный закон К (1 + Тр), можно одновременно получать статизмы по реак­ тивной и активной мощностям и сигналы их первых производных. На рис. V III.4 показана схема такого включения на вход усилителя корректора.

Недостатком схемы является невозможность разделения сигналов по реактивному и активному токам для обеспечения различных коэф­ фициентов усиления, требуемых расчетом.

Схемы выявления активного тока, перечисленные выше, требуют иного подключения корректоров напряжения. На рис. V III.5 пока­ зана схема выявления активного тока, не требующая переключения штатного корректора. Это достигается подключением емкости на вы­ ход блока параллельной работы корректора напряжения. Следует подчеркнуть, что данные обратные связи обеспечивают запас устой­ чивости при параллельной работе за счет снижения контурных ко­ эффициентов усиления и в конечном итоге за счет уменьшения влия­

290

ния регулятора возбуждения. Обеспечить демпфирование большее, чем в нерегулируемом объекте, они не могут из-за низкой собственной частоты электромагнитного контура. Следовательно, для обеспечения большего демпфирования, чем в нерегулируемом объекте, необходимы производные более высокого порядка.

Так, в работе [2] предлагается использовать вторую производную от активной мощности, знак которой совпадает со знаком связи по то­ ковому компаундированию, т. е. противоположен знаку рассмотренной выше первой производной от активной мощности. В общем случае, как показано в § 27, порядок производной определяется порядком уравнения электромагнитного контура, через который осуществляется воздействие на возбуждение.

Введение корректирующих связей в PC, повышающих демпфирова­ ние электромеханического контура. Выше отмечалось, что осуществле­ ние демпфирования электромеханического контура через регулятор возбуждения достаточно сложно из-за сравнительно низкой собственной частоты электромагнитного контура, что заставляет вводить произ­ водные высокого порядка через существенные коэффициенты усиле­ ния, повышать потолки возбуждения и т. д. В то же время введение этих сигналов через быстродействующий PC до последнего времени было невозможно из-за отсутствия комбинированных PC, содержащих в своей конструкции электрические суммирующие усилители. В настоя­ щее время такие PC созданы. Они включают быстродействующие полу­ проводниковые усилители, позволяющие вводить в них различные

системы сигналы.

Особенно эффективно демпфирование через PC для газотурбогенераторов, в канале управления которых отсутствует чистое запазды­ вание (см. § 21). Так как собственная частота электрогидравлического

291

преобразователя, через который осуществляется воздействие на топ­ ливо, может быть сделана в несколько раз выше собственной частоты электромеханического контура, то часто введение первой производной по активной мощности оказывается вполне достаточным для демпфи­ рования свободных и вынужденных колебаний при параллельной

работе.

Для дизель-генераторов, электромеханический контур которых обладает высокой собственной частотой колебаний, а в канале регули­ рования имеется чистое запаздывание, демпфирование колебаний сопряжено с более сложными мероприятиями, связанными с пониже­ нием собственной частоты колебаний электромеханического контура посредством воздействия на регулятор возбуждения (например, вве-

Рис. VIII.5. Схема выявления активного тока подключением емкости на выход ТПР

дения рассмотренных выше сигналов по Р и Р' и введением производ­ ных по активной мощности в PC.

В § 12 рассмотрена методика расчета корректирующих последова­ тельных звеньев, вводимых в комбинированный PC. Они обеспечивают демпфирование свободных и вынужденных колебаний активной мощ­ ности при параллельной работе разнотипных ГА. Воспользуемся этой методикой на примере синтеза корректирующих связей по активной мощности для наиболее сложного случая параллельной работы ГА с разными моментами инерции. Оба агрегата оснащены комбиниро­ ванными PC, между которыми проложены уравнительные связи по

292

ГА, после синхронизации со скольжением 0,5 Гц); ——=3,5 (отношение

4 2

амплитуд предыдущего и последующего полупериодов обменных перетоков мощности); т = 0,04 с (время чистого запаздывания по ка­ налу управляющего воздействия).

Предполагается, что демпфирующее воздействие осуществляется через PC дизель-генератора.

На основании данных осциллограммы определяются эквивалентная

по нагрузке приняты, исходя из современных возможностей конструи­ рования этих механизмов [16]: Тя — 0,02 с; £и = 1.

Определим коэффициенты M s0 и D при параллельной работе

двух ГА по формулам (11.46) и (11.49). Тогда коэффициент —— , требуе44so

мый по расчету, будет 0,02 — 0,03 в рабочем диапазоне нагрузок

25 — 100%.

В соответствии с выражением (III.147), для нескорректированной

Перейдем от выражений (VIII.6) и (VIII.7) к логарифмическим частотным характеристикам.

Построение ЛАФХ и синтез последовательных звеньев, обеспечи­ вающих качество регулирования АР, для системы с вышеуказанными параметрами проведены на рис. V III.6. Здесь

Т в (со) = 20 log | WD(/со) | — желаемая ЛАХ по возмущению замк­ нутой системы, обеспечивающая точность распределения нагрузки на всем частотном диапазоне — 10%;

LBl (со) = 201og | Wal (jсо) | — ЛАХ по возмущению разомкнутой системы при статических регуляторах скорости первичных двигателей (может быть получена из выражения (III. 150) при Ти = 0 и b = 0);

293;

Рис. VIII.6. ЛАФХ для «сильной» САРАМ

Ly (со) = 20 log | Wy (/со); сру (/со) | — желаемые ЛАФХ по управле­ нию разомкнутой системы.

Как видно из рис. V III.6, Ly (со) может быть получена в соответствии с выражением (III. 155) путем введения в канал управления дифферен­ цирующего звена с частотой сопряжения, равной первой частоте со­

294

пряжения ЛАХ Ly (со) (т. е. = 3,31 с), и увеличения коэффициента усиления в два раза (на 6 дБ), т. е.

буемым для устойчивости системы наклоном в 20 дБ на декаду). Двойное дифференцирование может компенсировать не более 90°

отрицательной фазы. Препятствием для получения большей компен­ сации (путем сдвига влево частот сопряжения дифференцирующих звеньев) является расширение полосы пропускания системы, т. е.

сдвига частоты среза Ly (со) вправо. При наличии запаздывания это приводит к более интенсивному росту отрицательной фазы.

Для получения требуемого уровня ослабления возмущений во всем частотном диапазоне при сохранении устойчивости параллельной работы ГА необходимо уменьшить частоту собственных колебаний системы. Это может быть осуществлено либо путем введения в регуля­ тор возбуждения сигналов по АР и ее производных, рассмотренных выше, либо применением дополнительного маховика. Очевидно, пер­ вый путь является более предпочтительным. ЛАХ по управлению исследуемой системы при уменьшении собственной частоты колебаний системы в 2 раза представлена на рис. V III.6.

Уменьшив частоту собственных колебаний системы, необходимо пропорционально уменьшить быстродействие системы регулирования

операций характеристики уменьшится до со = 35,1/с. При этом отри­ цательная фаза, вносимая запаздыванием, на частоте среза составит

Применением двойного дифференцирования эта система может быть сделана устойчивой.

Действительно, если частоту сопряжения дифференцирующих звеньев выбрать несколько правее частоты среза системы (со = 35 1/с), то двойное дифференцирование в этом случае компенсирует та 90° из­ бытка фазы, не расширяя при этом полосы пропускания системы, т. е. в системе получается запас по фазе, равный 10°. При этом запас по амплитуде составляет 4 дБ. Скорректированная передаточная функция системы по управлению при частоте сопряжения дифферен­ цирующего звена со = 50 1/с будет иметь вид

^ у ( р ) к о р р е Кт = ^ ; ( р ) ( 1 + - ^ р ) .

295

Таким образом, общая коррекция, обеспечивающая устойчивость и требуемую точность распределения нагрузки во всем диапазоне частот, будет иметь следующий вид:

{р) = 2 ( ix p + l ) ( ~ k p + l ) ^ 2 (0>3р +1}(0,02р+1}-

Реализовать эту коррекцию можно с помощью усилителей, охваченных апериодической обратной связью.

ГЛАВА IX

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ САЭС

§ 36. Общие положения

Методика проведения экспериментальных исследований устойчи­ вости САЭС, как правило, предопределяется непосредственно самой задачей исследования.

С этой точки зрения задачи экспериментального исследования устойчивости можно разбить на две группы:

— задачи, связанные с созданием и разработкой новых САЭС,

вкоторых должна быть обеспечена устойчивая работа;

—задачи, связанные с обнаружением причин возникновения и поиском путей устранения колебаний, которые имеют место в уже

существующих САЭС.

В первом случае необходимо обеспечить такие характеристики

•отдельных элементов и систем регулирования, чтобы в целом во всех режимах работа САЭС была заведомо устойчивой. Данная задача родственна задаче синтеза, в которой по характеристикам отдельных элементов воссоздается характеристика заведомо устойчивой системы. При этом в некоторых случаях приходится определять и изменять в нужном направлении характеристики тех или иных элементов САЭС. Это обусловлено тем, что при создании САЭС отдельные ее элементы (первичные двигатели, генераторы, устройства электроавтоматики и т. д.) до определенного времени не могут быть сосредоточены в одном месте и собраны в единую систему, так как все они изготовляются и поставляются разными предприятиями. Поэтому на данном этапе экспериментальных исследований удается получить характеристики и провести испытания лишь отдельных элементов (частей) САЭС. Полученный в результате экспериментов материал является исходным для обязательного предварительного расчета устойчивости систем САЭС в целом.

Если расчеты показывают, что какие-то системы САЭС неустой­ чивы, то добиться устойчивости можно либо целенаправленным изме­

-296

нением характеристик тех или иных элементов системы, либо введением специальных корректирующих связей в соответствующие регуляторы. Выбор того или иного мероприятия должен определяться экономичес­ кой целесообразностью.

Естественно, что подобные частичные эксперименты и расчеты в силу сложности и многосвязности систем САЭС, а также в силу наличия в них нелинейности не могут гарантировать устойчивости работы той или иной системы в целом. Подтверждение правильности предвари­ тельных расчетов можно получить лишь тогда, когда система будет собрана на объекте или на стенде. Если при этом окажется, что ка­ кая-либо из систем САЭС работает неустойчиво, то экспериментальное исследование с целью определения путей повышения устойчивости должно производиться так же, как и при неустойчивой работе сущест­ вующих систем.

Во втором случае, когда в реальной системе имеют место незатухаю­ щие колебания, встает задача целенаправленного поиска тех частей или элементов системы, которые могут обусловливать неустойчивую работу, а также поиска рациональных путей повышения устойчивости.

Экспериментальные исследования устойчивости САЭС, так же как и расчеты, целесообразно разделить на два этапа: исследование устойчивости параллельной работы ГА и исследование устойчивости систем автоматизации. Такое деление основывается на существующих требованиях нормативных документов, согласно которым должна быть обеспечена устойчивая параллельная работа ГА без систем автомати­ зации.

Необходимо отметить, что в настоящее время не существует тре­ бований к характеристикам и элементам серийно изготавливаемых ГА, выполнение которых обеспечивало бы устойчивую параллельную ра­ боту. Практически не имеется также характеристик и параметров ГА, по которым определяется устойчивость параллельной работы. Однако для систем автоматизации такие требования сформулированы и зане­ сены в нормативные документы.

§ 37. Проведение экспериментальных исследований устойчивости проектируемых ГА

Как было показано в главе III, для обеспечения устойчивости наи­ более общего случая параллельной работы разнотипных ГА необхо­ димо обеспечить устойчивую параллельную работу каждого ГА с сетью и однотипными ГА. Поэтому при проведении экспериментальных ис­ следований устойчивости следует ориентироваться именно на эти два случая параллельной работы.

Действительно, если каждый из заводов-изготовителей обеспечит устойчивость параллельной работы своих ГА с сетью и друг с другом, то проблема устойчивости разнотипных ГА отпадает. В то же время заводам легче организовать всесторонние исследования своих ГА. Как показывает опыт, экспериментальные исследования параллельной работы разнотипных ГА требуют гораздо больших организационных и материальных затрат.

297

В связи с указанным, материал данного параграфа будет базиро­ ваться лишь на экспериментальных исследованиях параллельной ра­ боты ГА с сетью и однотипных ГА.

Структура параллельной работы ГА с сетью и однотипных ГА мо­ жет быть сведена к структуре, в которой имеются определенные замк­ нутые контуры:

—электромагнитный, связанный лишь с регулированием возбуж­

дения;

—механический, связанный с регулированием скорости первичного двигателя;

—электромеханический без учета регулирования скорости и воз­ буждения (нерегулируемый электромеханический контур);

—электромеханический, в котором учтено только регулирование возбуждения генератора;

—электромеханический, в котором учтено регулирование возбуж­ дения генератора и частоты вращения первичного двигателя.

Подобное структурное представление регулируемого объекта по­ зволяет заранее планировать ход экспериментов с целью получения предварительной информации для проведения расчетов устойчивости параллельной работы на ранних стадиях проектирования.

Экспериментальное исследование устойчивости электромагнитного контура. Так как устойчивость электромагнитного контура опреде­ ляется только параметрами генератора и не зависит от параметров первичного двигателя и его системы регулирования скорости, то целе­ сообразно вначале определить устойчивость именно этого контура. Заметим, что требование обеспечения устойчивости электромагнитного контура является обязательным для обеспечения устойчивости ра­ боты ГА в целом.

Наиболее удобным методом экспериментального исследования устойчивости генератора с регулируемым возбуждением является широко применяемый за рубежом метод скачкообразного или периоди­ ческого изменения уставки по напряжению [41 ]. Различают испытания при больших и малых возмущениях, последние являются основным для оценки устойчивости. При этом величина возмущающих воздей­ ствий не должна превышать 1—2%, чтобы ни один из элементов регу­ лирования не работал в зоне ограничения. В противном случае свой­ ства регулируемого генератора не будут определяться в условиях линейной системы.

В разных странах испытания систем регулирования возбуждения

проводятся при различных условиях.

В зависимости от принятой структуры систем регулирования возбуждения эти испытания могут быть разделены на следующие группы:

1)скачкообразное изменение уставки напряжения при одиночной работе генератора на холостом ходу и под полной нагрузкой;

2)скачкообразное изменение уставки при работе генератора в па­ раллель с сетью на холостом ходу и под полной нагрузкой;

3)периодическое изменение уставки напряжения при одиночной работе генератора на холостом ходу и под полной нагрузкой;

298

4) периодическое изменение уставки при работе генератора в па­ раллель с сетью на холостом ходу и под полной нагрузкой.

В режиме параллельной работы с сетью величина изменения уставки должна быть такой, чтобы генератор не перегружался. Испытания по первым двум пунктам позволяют определить передаточную функцию системы, характеризующую устойчивость абсолютного движения па­ раллельно работающих генераторов, которое физически проявляется в виде колебаний напряжения на шинах. Испытания по двум последним пунктам позволяют определить передаточную функцию, характери­ зующую устойчивость относительного движения параллельно работаю­ щих генераторов, которое физически прбявляется в виде колебаний реактивного тока или реактивных мощностей.

Эти испытания позволяют одновременно определить такие важные для оценки устойчивости параметры, как собственная частота и декре­ мент затухания электромагнитного контура. В некоторых случаях испытания по пунктам 3 и 4 производятся с целью оптимальной на­ стройки цепей внутренних обратных связей.

Заметим, что наиболее простыми и легко организуемыми в завод­ ских условиях являются испытания по первому и второму пунктам. Проведение испытаний по двум последним пунктам требует специаль­ ной аппаратуры для снятия частотных характеристик [13]. Эта ап­ паратура особенно необходима для тех генераторов, системы регули­ рования возбуждения которых имеют электрические усилители.

При снятии характеристик на одиночной работе на осциллограмме должны быть зафиксированы в качестве входного сигнала контура напряжение уставки, а в качестве выходного сигнала — напряжение генератора. При снятии частотных характеристик в качестве проме­ жуточных сигналов полезно фиксировать напряжение и ток возбужде­ ния, ток обмотки управления дросселя отбора. Знание этих величин позволяет определить передаточные функции не только всего элект­ ромагнитного контура в целом, но и отдельных его составляющих (корректора, дросселя отбора, обмотки возбуждения и т. д.).

При снятии характеристик на параллельной работе с сетью на осциллограмме должны быть зафиксированы в качестве входного сиг­ нала контура напряжение уставки, в качестве выходного сигнала — реактивная мощность (или реактивный ток).

При снятии частотных характеристик электромагнитного кон­ тура полезно фиксировать напряжение возбуждения и ток в обмотке управления дросселя отбора, знание которых позволяет определить передаточные функции элементов системы регулирования возбуж­ дения с учетом действия связи по реактивной мощности. Частотные характеристики должны сниматься в диапазоне частот от 0,1 Гц до частоты среза системы регулирования возбуждения (частота среза системы регулирования возбуждения, как правило, не превышает

1 - 2 Гц).

Представляется целесообразным ограничиться испытаниями по пунктам 1 и 2, так как получение частотных характеристик весьма трудоемко из-за необходимости обработки большого количества за­ меров, а также вследствие того, что ПФ электромагнитного контура

299