книги из ГПНТБ / Кутьин Л.И. Автоматизация судовых дизельных и газотурбинных установок учебник

ленные экспериментальные данные. Для получения эксперименталь­ ных кривых в форме переходных функций на входе объекта (или регу­ лятора) создают единичное скачкообразное возмущение и одновре­ менно записывают закономерность изменения выходной величины во времени. Такая экспериментальная графическая зависимость пред­ ставляет решение уравнения, описывающего движение, и называется кривой разгона, или переходной функцией. Под экспериментальную кривую подбирают близко описывающее ее уравнение, а при необ­ ходимости — и исходное дифференциальное уравнение, описыва­ ющее движение объекта (регулятора, системы).

Хзаа=иаг

Рис. 119. Структурная схема САРТ по способу перепуска.

Прежде чем приступить к рассмотрению переходных функций (кривых разгона) и их анализу, отметим особенности динамической структуры САРТ, для чего обратимся к структурной схеме, изобра­ женной на рис. 119.

На установившемся режиме тепловой поток от двигателя qnOA, представляющий нагрузку системы охлаждения, постоянен и равен тепловому потоку, отводимому с охлаждающей водой q07S. Естест­ венно, что температура воды на выходе из двигателя, представляю­ щая регулируемый параметр, также остается постоянной. Относи­ тельное приращение регулируемого параметра (температуры) на схеме рис. 119 обозначено <р, относительное регуляторное воздей­ ствие на объект роб, а относительное возмущающее воздействие — координата нагрузки — Я.

При нарушении равновесия со стороны нагрузки изменяется

координата нагрузки Я (температура газов ^г) и регулируемый пара­ метр <рѵ Регулятор через РО оказывает на систему воздействие, приводящее ее к равновесному состоянию, путем изменения входной координаты в объект роб. Пути, по которым проходят через объект нагрузочное (возмущающее) Я и регуляторное цоб воздействия, — различны. Возмущающее воздействие возникает внутри цилиндров двигателя и передается сначала через их стенки, а затем через ох­ лаждающую воду к месту измерения температуры, т. е. к чувстви­ тельному элементу. Регуляторное воздействие возникает в месте установки РО и следует по охлаждающим каналам с водой к стенке

288

цилиндра, нигде не проходя через металл. Различные пути прохо­ ждения воздействий через объект определяют различие в переходных функциях при возмущении объекта со стороны нагрузки и при воз­ мущении со стороны регуляторного воздействия.

Исследования, проведенные в ЦНИДИ (М. И. Левиным) и в ЦНИИМФ (В. П. Петровым), показали, что экспериментальные переходные функции для объекта при нагрузочном возмущении и при регуляторном воздействии (а также для терморегуляторов) могут быть заменены, т. е. аппроксимированы, математической кри­

ференциальные уравнения аппроксимированных кривых записы­ ваются так:

объекта по каналу регуляторного воздействия > Ток — постоянная времени объекта по каналу нагрузочного возмущения; т ъ т2, т3 — времена запаздывания регулятора, объекта по каналу регуляторного воздействия и объекта по каналу нагрузочного возм)#цения соответ­ ственно.

Три приведенных уравнения описывают динамику линейной модели САРТ. Совместное их решение при скачкообразном возму­ щении со стороны нагрузки представляет переходную функцию системы регулирования. Но такое решение весьма сложно. Для оценки устойчивости и определения вида переходного процесса рассматривают движение, полагая нагрузку неизменной Я (t) = 0 . В таком случае динамические свойства системы будут описываться

Продифференцировав уравнение (IV.27') и подставив в уравне­

19 Л. И. Кутьи

Уравнение (IV.30) — однородное линейное с постоянными коэф­ фициентами. Его особенностью является то, что в него одновременно входят значения функции, определяемые для двух моментов времени: t и (М - тх + т 2). Разность между этими моментами времени харак­ теризует запаздывание системы.

Найдем решение этого уравнения. Частное решение ищем в виде

уравнение может быть окончательно представлено следующим обра­ зом (характеристическое уравнение):

T\w2+ T2W+ 1 = ke~Wx- (ІѴ.ЗЗ)

Уравнение (ІѴ.ЗЗ) трансцендентно (не является алгебраическим полиномом) и многозначно. Исследование такого уравнения с помо­ щью критериев устойчивости невозможно. Применйм лишь прямой путь — нахождение самих корней и построение областей устойчи­ вости в параметрических зависимостях. При этом особое значение приобретает нахождение двух основных корней, наименьших по абсолютному значению, которые, в общем случае, могут быть и комплексными:

После замены по Эйлеру еь>х = cos (вт) + / sin (вт) и группи­ ровки вещественных и мнимых слагаемых можно записать

Сравнивая вещественные и мнимые части в правой и левой час­ тях, получаем два уравнения для двух неизвестных (а и в):

290

2. Переходный процесс будет протекать апериодически в устой­ чивой системе, если к тому же k ^ k KPl.

3. Чем меньше значение относительного времени общего запаз­

иапериодической устойчивости.

4.Чем меньше отношение времени регулятора к времени объекта

ß = т при данном т, тем выше граница апериодической 1Оц

устойчивости. Для границы общей устойчивости это отношение

системах получение апериодического процесса практически невоз­ можно, так как регулирование с коэффициентом усиления k = 1-н 1,5 нецелесообразно.

Как видно, для оценки устойчивости системы и характера пере­

ГЛАВА

V

А в т о м а т и з а ц и я д и з е л ь -г е н е р а т о р о в су д о в ы х э л ек т р о ст а н ц и й

§ 48

Особенности дизель-генераторов как объектов регулирования и автоматизации

Задачей судовых дизель-генераторов является выработка электри­ ческой энергии в достаточном количестве и надлежащего качества с целью удовлетворения нужд потребителей. Важнейшее требование потребителей электроэнергии — обеспечение постоянства напря­ жения в сети, а для потребителей переменного тока, кроме того, обеспечение постоянной частоты тока.

Напряжение, передаваемое в сеть генератором, зависит от на­ грузки, тока возбуждения и частоты вращения вала генератора. В связи с этим для поддержания постоянного напряжения необходимо поддерживать постоянную частоту вращения вала первичного дви­ гателя—дизеля.

Генераторы переменного тока обычно оборудуют специальными регуляторами, воздействующими на ток возбуждения возбудителя

292

и обеспечивающими постоянство напряжения при изменении часто­ ты вращения в определенных пределах. Обеспечение постоянства частоты вращения вала таких генераторов имеет первостепенное значение для получения постоянной частоты тока, так как частота f переменного тока непосредственно связана с частотой п вращения первичного двигателя зависимостью

, _ _рл_

'60 ’

где р — число пар полюсов генератора; п — частота вращения вала. Поддержание постоянной частоты вращения первичного двига­ теля осуществляется посредством регулятора скорости вращения. Поддержание постоянного напряжения генераторов переменного тока фактически осуществляется с помощью двух регуляторов: регулятора частоты вращения вала первичного двигателя и регуля­ тора напряжения. Современные регуляторы напряжения перемен­ ного тока позволяют поддерживать напряжение с требуемой степенью точности, если изменение частоты вращения не превышает ± 5 % . Дизели, служащие приводами электрогенераторов, оборудуют не только регуляторами скорости вращения, но и рядом других автоматических устройств. Объем используемых средств автомати­ зации таких дизелей зависит от требований и от организации их обслуживания. В соответствии с ГОСТ 14228—69, исходя из объема операций, выполняемых автоматически, и продолжительности не­ обслуживаемой работы, автоматизированные двигатели, как уже отмечалось, разделяют на четыре группы, характеризующие сте­

пень их автоматизации.

При первой степени автоматизации должны обеспечиваться автоматическое регулирование основных параметров: частоты вра­ щения вала, температуры охлаждающей воды, температуры масла, а также автоматическая аварийно-предупредительная сигнализация и защита. Время необслуживаемой работы должно быть не менее четырех часов.

Второй степенью автоматизации, кроме того, предусматривают автоматизированный пуск и остановку, дистанционное автоматизи­ рованное управление, автоматизацию совместной работы группы дизелей при времени необслуживаемой работы не менее 16—24 ч.

Время необслуживаемой работы при третьей степени автомати­ зации составляет 150 ч (для двигателей мощностью свыше 150 л. с.). На двигателях, соответствующих третьей степени автоматизации, должен обеспечиваться следующий объем операций, выполняемых автоматически (помимо операций, предусматриваемых второй сте­ пенью): пополнение топливных, масляных, водяных цистерн и воз­ душных пусковых баллонов; кроме того, должны быть автоматизи­ рованы вспомогательные агрегаты, обслуживающие двигатель.

Объем автоматизации четвертой степени позволяет использо­ вать двигатели в комплексно-автоматизированных установках, уп­ равляемых из единого центра с помощью управляющих машин,

293

а также контролируемых системой автоматического централизо­ ванного контроля.

Дизель-генераторы современных судовых электростанций авто­ матизируются в объеме второй или третьей степени; это определяется экономической целесообразностью, с учетом наличия машинной команды на судне. Двигатели резервных генераторов при безвахтенном обслуживании оборудуют, кроме того, системами автоматизи­ рованного прогрева, периодической смазки и удаления влаги.

Свойства дизеля, работающего на электрогенератор, как объекта регулирования частоты вращения были рассмотрены в гл. I.

Система регулирования дизель-генераторов несколько усложня­ ется по сравнению с главными двигателями из-за применения регу­ ляторов напряжения. Дизель-генераторы современных судовых электростанций, как правило, — переменного тока, трехфазные, синхронные и оборудованы системой автоматического регулирова­ ния напряжения. Основная особенность их эксплуатации и автома­ тического регулирования заключается в обеспечении надежной и устойчивой параллельной работы на общую электрическую сеть. Регуляторы скорости кроме основной функции выполняют функцию распределения нагрузки между агрегатами. При этом изменение уставки регулятора или неравномерности (наклона статической характеристики) прежде всего отражается на перераспределении нагрузки. Кроме того, между валами параллельно работающих генераторов действует момент синхронизации, который в динамичес­ ких режимах превращает параллельно работающие генераторы в упругую систему, склонную к колебаниям.

Рассмотрению этих вопросов в дальнейшем будет уделено особое внимание.

§ 49

Технические требования к системам автоматического регулирования

судовых дизель-генераторов

Технические требования к САР частоты вращения вала судовых дизель-генераторов регламентированы Правилами Регистра Союза ССР и ГОСТ 10511-69 «Дизели стационарные, судовые и тепловозные. Системы автоматического регулирования скорости». В Правилах Регистра СССР допускаемые статические отклонения напряжения ограничены пределами ±2,5% и ± 5 % для частоты тока.

ГОСТ 10511—69 предусматривает четыре класса точности САР частоты вращения вала двигателей, о чем уже говорилось в § 10. Первый класс точности — самый высокий, его требованиям могут удовлетворять САР с двухимульсными регуляторами. К системам автоматического регулирования частоты вращения дизель-генерато­ ров обычно предъявляют требования второго и третьего классов точности. Степень нечувствительности таких САР не должна пре­ вышать 0,2ч-0,3%. Наклон (средний) регуляторной характеристики должен настраиваться в пределах 0—8% при номинальной настройке скорости, Однако для параллельно работающих агрегатов номиналь­

294

ный наклон статической характеристики регуляторов должен быть не менее 2% и не более величины, обеспечивающей статические отклонения частоты тока в пределах ±5% .

Степень непрямолинейности регуляторной характеристики долж­ на быть не более 0,3 — 0,6%. Степень рассогласования нагрузки при параллельной работе дизелей зависит от класса точности САР и для третьего класса допускается до 10%.

Степень нестабильности частоты вращения для третьего класса допускается не более 1%. Время затухания переходных процессов не должно превышать 3 с, а при полном сбросе нагрузки — 5 с. Динамическая ошибка — заброс параметра — допускается до 5%.

Как видно, требования к системам регулирования скорости дизельгенераторов достаточно жесткие.

Учитывая повышенные требования к системам автоматического регулирования скорости и принимая во внимание перспективу внед­ рения автоматического регулирования пуском и синхронизацией, со­ временные дизель-генераторы оборудуют всережимными универсаль­ ными регуляторами непрямого действия типа Р13МА, РН-30, Вуд­ вард UG-8 и в отдельных случаях — двухимпульсными регуляторами. Конструкция, принцип действия и настройка перечисленных регу­ ляторов были освещены в гл. II.

Технические требования к системам терморегулирования дизельгенераторов судовых электростанций соответствуют требованиям к аналогичным системам главного двигателя. Абсолютные значения настроечных параметров при этом должны отвечать требованиям за­ вода—строителя двигателя.

В некоторых установках охлаждающую воду в системы охлаж­ дения дизель-генераторов прокачивают на ходу судна насосами глав­ ного двигателя, а на стоянке — стояночными насосами.

В качестве терморегуляторов применяют регуляторы прямого действия с измерителями объемного типа, имеющими жидкий или твердый наполнитель.

§ 50

Статика параллельной работы дизель-генераторов

При параллельной работе генераторов переменного тока на об­ щую сеть (шину) частота тока всех генераторов и сети является общей и одинаковой. Поэтому частота вращения всех двигателей, приводящих генераторы, также одинакова. Различаться она может лишь в кратное число раз, если у одного из дизель-генераторов пре­ дусмотрена зубчатая передача (редуктор), либо если у генераторов различное число пар полюсов.

По частоте тока в сети можно точно судить о частоте вращения валов на установившихся режимах. Статические характеристики систем автоматического регулирования скорости первичных двига­ телей, поэтому, могут быть представлены в координатах: частота тока f — нагрузка, измеряемая мощностью N или крутящим момен­ том М.

295

Для наглядного раскрытия существа взаимосвязи между общей (суммарной) активной нагрузкой генераторов, распределением ее между агрегатами, уставками задания регуляторов скорости и видом статических характеристик САР будем полагать, что характеристики прямолинейны и не имеют зоны нечувствительности, а агрегаты —

однотипны.

На рис. 121 представлены статические характеристики систем регулирования скорости двух параллельно работающих генераторов с различными уставками регуляторов, но с одинаковыми накло-

Рис. 121. Статические характеристики дизель-генераторов с разными уставками задания.

нами (неравномерностями) регуляторных характеристик. Рабочими точками генераторов при некоторой исходной мощности №, потреб­

ляемой сетью, будут точки пересечения А? и А°и статических харак­ теристик с горизонтальной прямой /° = const, а отрезок А°Аи в мас­

активной мощности N° первого генератора и активной мощности Nu второго: № — N° + jV?i. При увеличении нагрузки и неизменных уставках регуляторов скорость вращения валов двигателей сни­

296

ствует нагрузке N, со статическими характеристиками. При этом будет найдена новая частота вращения /, а распределение нагрузки между генераторами оценится отрезками А^В и А иВ.

Из построения характеристик видно, что при различных уставках регуляторов нагрузка между агрегатами распределяется неравно­ мерно. Чем больше различаются уставки, тем больше неравномер­ ность распределения нагрузки.

Как легко проследить по рис. 121, могут быть режимы с такой общей нагрузкой, когда двигатель II (назовем его условно «отста-

Рис. 122. Статические характеристики дизель-генераторов с раз­ личной неравномерностью (наклоном характеристик).

ющим», имея в виду его настройку) будет вообще ненагружен. Это

тельном упоре.

Рассмотрим другой случай, когда уставки регуляторов одинаковы, но статические характеристики имеют различный наклон, т.е. регу­ ляторы настроены на разную неравномерность. Как показано на рис. 122, ив этом случае нагрузка между агрегатами распределяется неравномерно. Однако существует одно значение общей нагрузки, при которой оба двигателя нагружены одинаково. Это значение отмечено на характеристиках точками А г и Аи. Чем меньше наклон характеристики агрегата (показан штриховой линией), тем ниже частота f , при которой он вступает в работу, и тем меньше пределы изменения частоты при выходе его на режим полной нагрузки.

297