книги из ГПНТБ / Толшин В.И. Основы автоматики и автоматизации энергетических установок учебник

Падение числа оборотов дизеля продолжается и после вывода рейки на упор и достигает 18% гаНомНоминальные обороты дизеля и крутящий момент восстанавливаются через 9,9 сек после наброса нагрузки. Таким образом, качество переходных процессов не удовлетворяет предъявляемым требованиям.

Величина индикаторного к. п. д. во время переходного процесса снижается до 0,23, в то время как на номинальном режиме она равна 0,41.

Основной причиной низких показателей качества переходных процессов при набросе нагрузки является резкое ухудшение рабо­ чего процесса при выводе рейки на упор максимальной подачи. В первый момент после наброса нагрузки число оборотов ТК и давление наддува продолжают оставаться соответствующими холо­ стому ходу двигателя, обусловливая низкое значение коэффициента избытка воздуха и индикаторного к. п. д.

переходного процесса в значительной степени зависит от быстроты разгона ТК, в то время как величина максимального снижения числа оборотов зависит в основном от величины эффективного момента, развиваемого двигателем при выходе рейки на упор.

Расчетное исследование показателей переходных процессов позволяет выявить пути их улучшения и наметить соответствующие коиструктивные решения.

Переходный процесс при уточненном расчете разбивается на три следующих этапа:

—от начала наброса нагрузки до момента выхода рейки на' упор; эксперименты показывают, что изменением /гтк за этот короткий промежуток времени можно пренебречь;

—от момента выхода рейки на упор до момента достижения дизелем нового установившегося числа оборотов; регулятор ско­ рости в этот период «бездействует»;

—от момента достижения дизелем нового установившегося

числа оборотов до момента окончания переходного процесса (за­ тухание колебаний числа оборотов дизеля).

Таким образом, дифференциальные уравнения дизеля будут различны для различных моментов времени.

В первый период переходного процесса момент М, развиваемый дизелем, приближенно принимается пропорциональным . относи­ тельной величине хода рейки z, умноженной на постоянный коэф­ фициент k\, который равен величине относительного момента, раз­ виваемого дизелем при мгновенном выходе рейки на упор:

[X= k xz,

г д е k x= д^дв , а МдВможет быть определена по эксперименталь-

' ^ Н О М

ным зависимостям -г)Да) при условии равенства давления наддува

260

где / (ар) — относительная величина момента, развиваемого двига­ телем во второй период переходного процесса в зависимости от числа оборотов ТК или давления наддува. (Относительно неболь­ шим влиянием изменения числа оборотов дизеля на его крутящий момент пренебрегают.)

Уравнение вращения ротора ТК записывается так:

Величины f(\j>) и F(ф, ф) можно определить путем расчета совместной работы дизеля и агрегатов наддува на установившихся режимах по графо-аналитическим методикам, обычно изучаемым в курсе ДВС. Для этого дизель с газотурбинным наддувом пред­ ставляют в виде элементов, между которыми имеются газовые и механические связи. Условно предполагают, что дизель и турбо­ компрессор вращаются с заранее заданным постоянным числом оборотов, которое у ТК варьируется в широких пределах, а у ди­ зеля — в узких (например, задаются только 0,9/глв ном и ядв.ном).

Каждая пара значений чисел оборотов дизеля и ТК, выбранных при расчете, не соответствует реальным установившимся режимам, а может соответствовать лишь одной точке переходного режима. Влиянием объемов системы воздухосиабжения, которое обычно мало, пренебрегают.

Задачей расчета третьего периода переходного процесса яв' ляется определение длительности процесса затухания, так как дальнейшее изменение дТ1{ не представляет практического инте­

реса. Для его расчета, как и в первый период переходного про­ цесса, прибегают к решению системы уравнений дизеля без над­ дува. Однако учитывают действие регулятора скорости. Величи­ на k\ принимается равной единице. Исследование такой нелиней­ ной системы удобно вести с помощью ЭВМ.

Расчет может быть выполнен на малых моделирующих маши­ нах (МИ-7, ИПТ-5, АМУ и др.) с использованием блоков нелиней­ ности и реле, обеспечивающих_переключения в схеме при переходе от периода к периоду.

261

Способы улучшения показателей переходных процессов дизель-генераторов с дизелями, имеющими автономный газотурбинный наддув

В настоящее время имеется целый ряд. способов улучшения показателей переходных процессов дизелей автономными ТК.

К способам улучшения показателей переходных процессов можно отнести:

а) увеличение быстродействия' регулятора скорости, например путем использования второго импульса по нагрузке. Это обуслов­ ливает уменьшение величины падения числа оборотов агрегата к концу первого периода переходного процесса. Чем выше число оборот9в ДГ, тем больше топлива и воздуха поступает в цилиндры в единицу времени, тем выше давление воздуха, определяемое числом оборотов приводного компрессора в дизелях с двухступен­ чатым наддувом, тем больше тепла отводится с выпускными га­ зами, тем выше температура выпускных газов. Таким образом, увеличение быстродействия регулятора скорости приводит к убыст­ рению разгона ТК во второй период переходного процесса, а по­ этому к росту к. п. д. дизеля, уменьшению провала числа оборотов и сокращению времени переходного процесса;

б) увеличение времени разгона ДГ (момента инерции его вра­ щающихся масс). Это уменьшает провал числа оборотов при набросе нагрузки. Однако установка маховиков большего веса тре­ бует увеличения габаритов агрегата и усложняет его конструкцию:

в) уменьшение момента инерции ротора ТК. Такой способ позво­ ляет увеличить темп разгона ТК, уменьшает длительность пере­ ходного процесса и незначительно сказывается на провале числа оборотов;

г) изменение положения упора максимальной подачи топлив­ ных насосов в сторону увеличения подачи топлива. Эффективность

основании анализа величины индикаторного к. п. д. и эффективного момента дизеля при выходе рейки на упор;

д) применение комбинированной системы наддува с приводным нагнетателем второй ступени объемного типа вместо центробеж­ ного (для двухтактных дизелей). Характеристики PK(G„) объем­ ного нагнетателя более «крутые», чем центробежного. Это при­ водит к росту давления наддува на режимах хол-остого хода и частичных нагрузок, а также в момент выхода рейки на упор, Вследствие этого возрастает эффективный момент, развиваемый дизелем на переходном режиме. Повышение давления газов в вы­ пускном коллекторе приводит к повышению ускорения ротора ТК ео время переходного процесса;

е) уменьшение сечения соплового аппарата турбины на режи­ мах холостого хода и малых нагрузок. Это приводит к увеличению числа оборотов ТК на режимах холостого хода, улучшению заряда

262

цилиндра воздухом и индикаторного к. п. д. при выходе рейки па упор максимальной подачи. При увеличении числа оборотов ТК сечение соплового аппарата должно увеличиваться до расчетного, соответствующего номинальной нагрузке.

Исследован ряд и других способов улучшения показателей переходных процессов дизелей рассматриваемого типа.

Отметим, что устойчивость работы ДГ с автономным газотур­ бинным наддувом на установившихся .режимах оценивается так же, как и дизелей без наддува или с приводными нагнетателями, потому что отклонения скорости вращения и хода рейки от уста­ новившегося значения предполагаются малыми. Эти отклонения не влияют на заметное изменение а и ту. Поэтому настройка САРС для обеспечения устойчивости упомянутых ДГ производится таким же образом, как и для-ДГ с дизелями без наддува.

§ 10.3. Автоматическое регулирование напряжения синхронных генераторов

Классификация автоматических регуляторов напряжения

В синхронных генераторах при увеличении нагрузки происходит уменьшение напряжения генератора. Это объясняется воздействием реакции статора на магнитный поток в обмотке возбуждения. Наи­ более сильно размагничивающее действие реакции статора про­ является при чисто индуктивном характере нагрузки, когда вектор магнитного потока реакции статора направлен по продольной оси против потока возбуждения машины.

При отсутствии регулятора напряжения из-за реакции статора напряжение синхронного генератора может уменьшаться до 50% от номинальной величины, а в некоторых случаях и значительно больше. Особенно значительное падение напряжения имеет место при пуске мощных короткозамкнутых асинхронных двигателей. Снижение напряжения затягивает процесс разгона включаемых двигателей, так как вращающий момент асинхронных двигателей пропорционален квадрату напряжения. В наиболее неблагоприят­ ных случаях двигатель может совсем не запуститься.

Снижение напряжения недопустимо также потому, что ряд потребителей требует стабильного напряжения. К ^аким потреби­ телям относятся, в частности, вычислительные машины, некоторые устройства связи и др.

Все это приводит к необходимости использовать в генераторах переменного тока системы автоматического регулирования напря­ жения (САРН), задачей которых является поддержание напряже­ ния генераторов в заданных пределах при различных нагрузках.

Системы автоматического регулирования напряжения должны удовлетворять следующим требованиям:

1) статическая ошибка, определяемая разностью напряжения при холостом ходе и номинальной нагрузке, должна быть в задан­ ных пределах. Обычно статизм САРН составляет ± (2-^-3) %;

263

2) быстродействие системы, характеризуемое скоростью на­ растания напряжения возбуждения синхронного генератора и по­ казателями , переходных процессов (максимальным отклонением напряжения Дг/ и временем затухания переходного процесса t„), должно удовлетворять заданным требованиям (обычно при набросе 100% нагрузки Ди не более 15—20% £п~ 3 сек);

3) распределение реактивных мощностей параллельно рабо­ тающих генераторов, зависящее от зоны нечувствительности и ве­ личины статизма регуляторов, должно быть пропорционально номи­ нальным мощностям генераторов.

Кроме того, при оценке систем регулирования напряжения надо учитывать ряд дополнительных факторов, в том числе:

—надежность действия системы и срок службы отдельных узлов и деталей;

—простоту и удобство обслуживания;

—вес и габариты системы регулирования.

В настоящее время применяется ряд автоматических систем регулирования напряжения. К их числу относятся: система регули­ рования напряжения с угольный регулятором; система автомати­ ческого регулирования напряжения с применением электромашинных усилителей; система компаундирования возбудителя током нагрузки с коррекцией по напряжению; система прямого фазового компаундирования.

Для генераторов переменного тока напряжением 0,4 и 0,6 кв небольшой и средней мощности наибольшее распространение полу­

система прямого фазового компаундирования с коррекцией напря­ жения (регуляторы генераторов типа МСК, ГСС и др.). В обеих системах использован принцип фазового компаундирования. В первой системе сигнал подается на обмотку возбудителя, а во второй — прямо на обмотку возбуждения генератора.

Принцип фазового компаундирования

Компаундированием называется такой способ возбуждения ге­ нератора, при котором часть тока возбуждения определяется на­ пряжением. генератора и практически остается неизменной, если напряжение генератора, не меняется, а другая часть пропорцио­ нальна току нагрузки.

При фазовом компаундировании эта изменяющаяся часть тока возбуждения зависит не только от величины тока нагрузки, но и от его фазы по отношению к напряжению (от коэффициента мощ­ ности нагрузки cos ср).

Принцип фазового компаундирования можно пояснить по­ строением векторной диаграммы токов (рис. 10.8) для вторичной обмотки трансформатора фазового компаундирования, устройство которого позволяет реализовать этот принцип.

•264

Одна из первичных обмоток трансформатора (обмотка напря­ жения) подключена к фазам статора и имеет большую индуктив­ ность, благодаря чему ток в обмотке напряжения /„ отстает на 90° от напряжения статора и. Вторая первичная обмотка трансформа­ тора (токовая) включена таким образом, чтобы ток в этой обмот­ ке /т совпадал по направлению с током статора.

Cos ( f- 0

Рис. 10.8. Векторные диаграммы: a—cosy*»l; б - cos cp=U

При чисто активной нагрузке (coscp=l) сложение напряжений во вторичной обмотке w<x производится геометрическим суммирова­ нием напряжений от токов /т и /„, направленных под углом 90° друг к другу. В результате этого суммарная величина напряжения во вторичной обмотке, определяющая ток возбуждения / в, равна

на 90°. Нетрудно доказать, что геометрическое суммирование на­ пряжений от токов /т и /„ для случая coscp = 0 приводит к их алге­ браической сумме для тока / в. В этом случае ток возбуждения / в больше, чем в первом (рис. 10.8 6).

Таким образом, с увеличением сдвига фазы между током на­ грузки и напряжением увеличивается м. д. с. первичных обмоток трансформатора фазового компаундирования, что обеспечивает компенсацию продольной реакции якоря и стабилизацию напряже­ ния на выходе генератора.

Однако схема фазового компаундирования не обеспечивает стабилизацию выходного напряжения генератора с требуемой точ­ ностью. Поэтому в схему регулирования вводится дополнительное корректирующее устройство — корректор напряжения.

Регулятор напряжения типа PHА

Регулятор РИА применяется для регулирования напряжения: многополюсных тихоходных генераторов с возбудителями мощ­ ностью до 1500 кет и двухполюсных быстроходных мощностью до 12 000 кет. Принципиальная схема регулятора напряжения РНА-60 представлена на рис. 10.9.

265-

Регулятор состоит из двух основных блоков: блока фазового компаундирования БУФК, включающего многообмоточный универ­ сальный трансформатор с подмагничиваиием УТП, и корректора напряжения КН, обеспечивающего подмагничивание УТП в зави­ симости от величины напряжения генератора. Кроме перечислен­ ных основных блоков на схеме показаны генератор Г, возбудитель постоянного тока В с обмоткой возбуждения ОВВ и обмотка воз­ буждения генератора ОВГ. Рассмотрим устройство и принцип действия основных элементов регулятора.

Блок фазового компаундирования. Блок фазового компаундиро­ вания включает трансформатор^ фазового компаундирования УТП, который имеет первичную токовую обмотку первичную обмотку напряжения wn, вторичную обмотку w2 и обмотку управления w y (рис. 10.9). Регуляторы РНА выпускаются с двумя видами УТП: прямого и непрямого включения. В первом случае токовые обмот­ ки УТП включены непосредственно в цепь статора — так называе­ мый шинный вариант. Во.втором случае первичная токовая об­ мотка УТП получает питание от двух трансформаторов тока, пер­ вичные обмотки которых включены в две фазы генератора

(рис. 10.9).

Вторичные обмотки трансформаторов тока включаются на раз­ ность токов двух фаз, с выхода этих обмотокполучают питание первичные токовые обмотки УТП Ш|. Первичная обмотка напряже­ ния 'се1,, включена на линейное напряжение генератора через дрос­ сель с воздушным зазором, что обеспечивает сдвиг фазы между током и напряжением в этой обмотке на 90°.

2 6 6

Вторичная обмотка У777 w2 через выпрямитель ВС питает об­ мотку возбуждения возбудителя. Обмотка управления w y получает питание от корректора напряжения.

Корректор напряжения. Корректор напряжения КН является регулятором, работающим по принципу отклонения напряжения от

вторичным обмоткам 777;

— усилительный элемент в виде дроссельного магнитного уси­ лителя МУ\

■— исполнительный элемент -- обмотка управления УТИ wy\

—частотный корректор КЧ, который представляет собой резо­ нансный контур;

—установочный реостат УР, предназначенный для настройки регулятора на определенную величину напряжения.

Рассмотрим принцип действия основных элементов корректора напряжения.

Измерительный трансформатор ТИ имеет одну первичную трех­ фазную обмотку, соединенную в звезду, и две вторичные. Одна из них соединена в звезду и представляет собой линейный элемент ЛЭ измерительного органа. Ток на выходе линейного элемента ЛЭ /л пропорционален величине напряжения (рис. 10.10).

Вторая обмотка ТИ соединена в открытый треугольник: Так

линейный характер, со «снятием» вершин (рис. 10.11). Следова­ тельно, вместо одной гармоники напряжения будет иметь место сумма гармоник: первой, третьей и выше. При суммировании гар­ моник на выходе вторичной обмотки, соединенной открытым тре­ угольником, сумма первых гармоник (со сдвигом по фазе на 120°) равна нулю, сумма третьих гармоник — утроенному значению одной гармоники. При росте напряжения влияние насыщения бу­

2G7

дет существеннее, поэтому амплитуда третьих гармоник воз­ растает. Статическая характеристика НЭ представлена графи­ ком /„ (рис. 10.10).

Сигналы с ЛЭ и НЭ через выпрямители поступают на обмотки управления магнитного усилителя, где они действуют противо­ положно друг другу: ток от НЭ подмагничивает сердечник МУ,. а ток от ЛЭ размагничивает его.

Рис. 10.11. Кривая напряжения во вторичной обмотке трансформатора

Таким образом, если напряжение генератора и больше номи­ нальной величины иноы, то это ведет к подмагничиванию сердеч­ ника МУ. Ток выхода МУ возрастает, ток в обмотке wy УТП уве­

личивается, а поэтому коэффициент трансформации УТП падает. Выходное напряжение вторичной обмотки УТП w2 снижается, уменьшается возбуждение возбудителя и снижается напряжение генератора.

При ы-< ином характер происходящих явлений будет обратным.

Помимо двух перечисленных обмоток МУ имеет дополнитель­ ные обмотки обратной связи 1—3, на которые питание поступает:

—от тока нагрузки генератора для настройки статизма регу­ лятора— на обмотку 1;

—с выхода УТП для обеспечения устойчивости и настройки фазочувствительности регулятора — на обмотку 2;

—с выхода МУ для обеспечения устойчивости регулирова­ ния — на обмотку 3 (за счет включения диодов в рабочие об­ мотки) .

Для увеличения коэффициента усиления МУ служит внутрен­ няя положительная обратная связь.

Частотный корректор регулятора КЧ обеспечивает постоянство напряжения при изменении скорости вращения дизель-генератора (частоты тока).

268

Известно, что э. д. с. генератора Е пропорциональна потоку Ф и числу оборотов п:

Е = кпФ,

где k — постоянная.

Поэтому при увеличении п для обеспечения постоянства Е ве­ личину Ф необходимо снижать.

Корректор последовательно включен в измерительную цепь НЭ и представляет собой резонансный R—L— С контур, настроенный на резонанс при частоте 180 гц.С увеличением частоты генератора

частоты). Таким образом, увеличение частоты приводит к увели­ чению сигнала с НЭ.

Частотный корректор обеспечивает поддержание постоянства напряжения при изменении частоты в пределах ±4% .

Настройка регулятора. Настройка регулятора напряжения сво­ дится к нижеследующим операциям (см. рис. 10.9):

а) настройке величины регулируемого напряжения, которая производится путем регулировки сопротивления УР на выходе ЛЭ\ б) настройке статизма с помощью регулировки сопротивле­

ния СРС в цепи обратной связи\МУ; в) настройке величины выходного сигнала НЭ по частоте пу­

тем изменения активного сопротивления в цепи корректора КЧ.

Регулятор напряжения генератора типа МСК и ГСФ

Рассмотрим особенности системы регулирования напряжения типа прямого фазового компаундирования. Такими системами ре­ гулирования напряжения оборудованы генераторы типа МСК и ГСФ. На рис. 10.12 представлена принципиальная схема регуля­ тора напряжения генератора типа МСК-

Регулятор напряжения включает следующие основные узлы:

— трансформатор фазового компаундирования ТФК с первич­ ными обмотками — сериесной wc и шунтовой w\, вторичной обмот­ кой w2 и обмоткой управления wy\

—обмотку возбуждения ОВ, ток на которую приходит со вто­ ричной обмотки ТФК W2 через выпрямитель В1;

—корректор напряжения КН, включающий: измерительный элемент напряжения — измерительный трансформатор ТИ, первич­

ная обмотка которого подключена через регулируемое сопротивле­ ние уставки напряжения СУЯ, нерегулируемое сопротивление Р2 и обмотку трансформатора параллельной работы ТПР к фазам статора; преобразовательный элемент — выпрямитель ВК, пре­ образующий переменный ток со вторичной обмотки трансформа­ тора ТИ в постоянный ток на вход полупроводникового усили­ теля УС; усилительный элемент — .полупроводниковый усили­ тель УС, который питается от обмотки трансформатора w„ через

269