Регуляторы частоты вращения первичных двигателей

Частота переменного тока СЭЭС зависит от частоты вращения первичных двигателей СГ. Снижение частоты приводит к уменьшению частоты вращения электродвигателей насосов, вентиляторов, что вызывает значительное понижение их производительности и уменьшение КПД электродвигателей. Повышение частоты приводит к увеличению потерь в агрегатах и ускоренному износу деталей. Возрастает перегрев электродвигателей, увеличивается потребляемая мощность и т.д.

Таким образом, поддержание постоянства частоты в СЭЭС – основное условие нормальной работы потребителей электроэнергии. К тому же, первичные двигатели (паровые и газовые турбины, дизели) рассчитываются на максимально возможную мощность на валу при номинальной частоте вращения.

Механизм регулирования частоты вращения у тепловых двигателей различный.

В настоящее время применяются регуляторы частоты вращения (РЧВ) следующих типов:

- по отклонению: частоты вращения, частоты вращения и частоты сети;

- комбинированные: двухимпульсные – по отклонению и возмущению (активная составляющая нагрузки); многоимпульсные – по отклонению, возмущению и их производным.

Регуляторы частоты вращения по отклонению. Наибольшее распространение среди регуляторов частоты вращения, работающих по отклонению, получили механические центробежные регуляторы. Они бывают:

- прямого действия, в них сигнал от измерительного элемента через кинематическую рычажную передачу подается на исполнительный орган;

- непрямого действия, в них для перемещения регулирующего органа воздействие измерительного элемента усиливается, т.е. чувствительный элемент управляет энергией внешнего источника.

Регуляторы прямого действия устанавливаются на дизелях малой мощности (до 100 кВт) и в некоторыхслучаях средней мощности (500 кВт). На большинстве дизелей средней и на всех дизелях большой мощности находят применение регуляторы частоты непрямого действия.

Любой центробежный регулятор включает в себя:

- измеритель, преобразующий частоту вращения в перемещение – центробежный маятник, тахометр, основным элементом которого являются грузы;

- выходной орган - муфту сцепления (толкатель);

- механизм сравнения – пружину;

- орган задания частоты вращения – верхнюю опору пружины.

Действует это устройство следующим образом: при увеличении частоты вращения вала w_вх возрастает значение центробежной силы, и закрепленные на валу грузы расходятся, поворачиваются на своих осях и, воздействуя на муфту, перемещают ее вверх, сжимая при этом пружину.

На рис. 10.1 представлена конструктивная схема центробежного регулятора частоты вращения прямого действия. Данный регулятор имеет статическую характеристику. Для изменения угла наклона (статизма) характеристики необходимо менять соотношение плеч а и б (рис. 10.1).

Для перемещения характеристики параллельно самой себе надо менять степень сжатия пружины 5 (уставку) с помощью изменения положения опоры задающего устройства. Это можно делать вручную, дистанционно или автоматически путем воздействия на устройство настройки 8 (рис. 10.1).

Рис. 10.1. Конструктивная схема регулятора частоты вращения прямого действия. 1 – приводной вал; 2 – грузы; 3 – муфта сцепления; 4 – опора задающего устройства; 5 – пружина; 6 – рейка топливного насоса; 7 – жесткая кинематическая связь; 8 – устройство настойки; z – величина возможного хода муфты; Р _ц – центробежная сила; Р _п – сила сжатия пружины

Рис. 10.2, а и б иллюстрируют характер изменения характеристик при указанных выше действиях.

Рис. 10.2. Изменение статизма (а), уставки (б) регуляторов частоты вращения ПД

В регуляторах непрямого действия для усиления действия измерительного элемента используется серводвигатель. В зависимости от применяемой энергии усиления различают следующие виды усилителей: гидравлические, пневматические, электрические и комбинированные.

Традиционно в локальных системах автоматического регулирования энергетических агрегатов и различных механизмов, где требуется непрерывная надежная работа при сравнительно простых схемах устройств, применяются гидравлические системы. Достоинством гидравлических элементов являются их высокая надежность и долговечность. Они нечувствительны к действию магнитных и электрических полей, имеют высокую стойкость к воздействию вибраций, сотрясений, температурных изменений. Вследствие несжимаемости жидкости сигналы по гидравлическим линиям передаются практически мгновенно.

Недостатком гидравлических систем является наличие подвижных частей, громоздких трубопроводов и большой массы самих элементов.

Рабочей жидкостью в гидравлических системах обычно служит масло или вода. Применение масла естественно в системах автоматического регулирования двигателей (дизели, паровые и газовые турбины), где то же масло служит для смазки подшипников двигателя.

Из большого числа разного рода гидравлических усилителей наибольшее применение в автоматических устройствах нашли поршневые гидравлические усилители с золотниковым управлением. Они являются усилителями мощности в форме механического движения и обычно используются в качестве исполнительных элементов – серводвигателей. Включение такого звена в отрицательную обратную связь (ПИ – регулятор) позволяет получить астатическую характеристику системы управления.

На рис. 10.3 представлена схема астатического регулятора частоты вращения непрямого действия.

Рис. 10.3. Конструктивная схема астатического регулятора частоты вращения непрямого действия. 1-5 см. подписи к рис. 10.1; 8 – управляющий золотник; 9 - серводвигатель

Из этой схемы видно, что при неизменной настройке регулятора (положение элемента 4) устойчивое состояние наступает только при одном и том же значении частоты вращения w – перекрываются каналы золотника 8. Это возможно, если подача топлива, определяемая положением рейки топливного насоса 6, будет соответствовать новому значению нагрузки. Именно это и обеспечивает такое включение серводвигателя.

Наряду с астатическими применяются и статические серводвигатели, в которых движение силового поршня повторяет в некотором масштабе движение золотника. Требуемое изменение характеристик достигается введением жесткой обратной связи, которая может быть выполнена, в частности, в виде рычажной передачи. Гидроусилитель в этом случае будет представлять собой апериодическое звено.

На рис. 10.4 представлена схема статического регулятора частоты вращения с жесткой обратной связью. Из этой схемы видно, что при изменении частоты вращения происходит перемещение штока золотника, который открывает доступ жидкости, находящейся под давлением, в серводвигатель.

Рис. 10.4. Конструктивная схема статического регулятора частоты вращения непрямого действия

Движение поршня серводвигателя происходит в сторону, обеспечивающую такую подачу топлива, чтобы компенсировать отклонение частоты вращения. Одновременно жесткая обратная связь 7 воздействует на золотник. В результате равновесие наступит уже при другом значении частоты вращения. Таким образом, данный регулятор обеспечивает статическую характеристику.

Известно, что для улучшения динамических характеристик системы в канал обратной связи вводится дифференцирующее звено, оно изменяет характер связи, делая ее гибкой. Гибкую обратную связь иногда называют изодромной.

Примером неэлектрического дифференцирующего звена могут служить катаракты поршневого типа с упругим закреплением цилиндра. В общем случае, катарактом называется механизм, оказывающий демпфирующее сопротивление движению измерительного органа, т.е. развивающий сопротивление, пропорциональное скорости.

На рис. 10.5 показана конструктивная схема изодромного регулятора с астатической характеристикой. Вначале процесс протекает точно так же, как и при статическом регулировании, но сопровождается (в случае увеличения нагрузки) растяжением пружины 10. Она, стремясь вернуть поршень 7 в начальное положение, действует на поршень катаракта, постепенно перемещая его влево по мере протекания масла из левой части цилиндра в правую. Обратное перемещение стержня 7 вызовет открытие каналов золотника, которое приведет к дальнейшему воздействию на поршень серводвигателя. Процесс будет продолжаться до тех пор, пока действие пружины 10 не прекратиться. Тогда рейка топливного насоса займет положение, соответствующее нагрузке, золотник перекроет отверстия и изодром займет первоначальное положение. Муфта 3 также займет первоначальное положение, и скорость вращения агрегата будет соответствовать начальному значению, т.е. останется постоянной.

Рис. 10.5. Конструктивная схема изодромного регулятора частоты вращения непрямого действия. 10 – пружина изодрома; 11 – цилиндр изодрома; 12 – жиклер (дроссельный клапан)

Центробежные регуляторы частоты вращения поддерживают частоту с точностью ±2,5% в статических режимах и ±(5…6%) в переходных. Время переходного процесса составляет около 5 с при набросе и сбросе 100% нагрузки. В большинстве случаев такие показатели качества регулирования частоты не удовлетворяют. К недостаткам этих регуляторов также можно отнести существенную зависимость их характеристик от таких факторов, как трение, вязкость масла и т.д. Различия характеристик даже у однотипных регуляторов усложняют параллельную работу генераторных агрегатов. Поэтому основное место в регулировании частоты в настоящее время занимают двухимпульсные и трехимпульсные электромеханические и электрические регуляторы частоты вращения, построенные на различных принципах.

Двухимпульсные регуляторы частоты вращения. Для повышения точности регулирования частоты вращения первичных двигателей, к каналу по отклонению добавляется канал по основному возмущению – активной составляющей нагрузки, имеющий в своем составе датчик активной мощности или активного тока и электромагнит определенного типа. Таким образом, реализуется принцип комбинированного регулирования.

Двухимпульсные регуляторы частоты позволяют повысить точность регулирования в статических режимах до 0,2…0,3%, в динамических – до 2…3 % для дизель-генераторов и менее 2 % для турбогенераторов.

В настоящее время двухимпульсное регулирование применяется для всех видов первичных двигателей. Несмотря на то, что первичные двигатели отличаются динамическими характеристиками, задачи измерения нагрузки и введения в схему регулирования соответствующего сигнала могут решаться одним способом.

Итак, двухимпульсный регулятор - это сочетание различных модификаций одноимпульсного регулятора (как правило, механического по отклонению частоты вращения) и электрических элементов, реализующих канал регулирования по активной нагрузке, частоте и т.д. При этом техническая реализация суммирования этих разнородных сигналов разная, но результирующее воздействие прикладывается к топливной аппаратуре первичного двигателя.

В качестве примера рассмотрим двухимпульсный электромеханический регулятор частоты типа Р-23Б. Данный регулятор создан на базе центробежного механического регулятора частоты вращения непрямого действия с изодромной обратной связью (Р-23А). В нем предусмотрена возможность регулирования величины статизма в диапазоне 0…7 %, обеспечиваемая изменением отношения плеч рычагов силовой обратной связи.

Регулятор Р-23Б отличается от базовой модели наличием подвижной втулки золотника, выполняющей функцию суммирования разнородных сигналов. Измерителем активного тока служит фазочувствительный мост.

Самостоятельная работа

Задание №7, тема 9

Классификация бесконтактных синхронных машин. Особенности реализации и регулирования напряжения в машинах с постоянными магнитами. Особенности реализации и регулирования напряжения в машинах с вращающимися выпрямителями.

Литература: Д3, стр. 10..14; 81…90; 107…122

Задание №8, тема 9

Системы возбуждения и регулирования напряжения бесщеточных генераторов серии 2СН

Литература: Д4, стр. 95…97

ЛЕКЦИЯ №9

Дата добавления: 2014-01-20