Совместная работа теплового двигателя и генератора
Совместная работа теплового двигателя и генератора.
Характеристики дизель-генератора при саморегулировании.
При использовании трехобмоточного генератора и других систем, возбуждения, являющихся по существу разновидностями его, характеристики ЕГ(IГ) при постоянной угловой скорости будут выпуклыми. При совместной работе такого генератора с дизелем и соблюдении определенных условий можно получить характеристики ЕГ (IГ) гиперболического вида, обеспечивающие удовлетворительное использование мощности дизеля. Ниже рассмотрен характер совместной работы дизеля с генератором и условия повышения использования мощности дизеля без применения специальных регулирующих устройств.
На рис. 5.20а линия ABGCD соответствует желательной предельной характеристике (см. рис. 102) при номинальной мощности РД ном дизеля (линия В'С' на рис. 1.77б). Для того чтобы обеспечить возможность использования полной мощности дизеля в пределах изменения тока генератора от IГмин до IГмакс, внутренняя характеристика генератора ЕГ(IГ) должна пройти через точки В и С. Пусть линия A1BFCD1 представляет собой внутреннюю характеристику генератора при номинальной угловой скорости пдном дизель-генератора. Соответствующий ей график мощности на валу генератора представлен линией А1′В'F'С'D1′ (см. рис. 5.20б).
При токе генератора меньше Iгмин мощность, потребляемая последним, меньше номинальной мощности дизеля. Следовательно, подача топлива должна уменьшаться. То же самое должно происходить при увеличении тока генератора более Iгмакс. Эту задачу выполняет регулятор дизеля, поддерживающий предельную угловую скорость путем изменения подачи топлива. Примем, что регулятор настроен на номинальную угловую скорость дизеля. Следовательно, при токах нагрузки Iг < Iгмин и Iг > Iгмин дизель работает при постоянной скорости, и его мощность определяется характеристикой генератора.
При токах Iгмин и Iгмакс мощность, потребляемая генератором, равна свободной мощности дизеля. При Iгмин<Iг<Iгмин она при постоянной угловой скорости превышает номинальную мощность последнего. Если при этом регулятор дизеля будет увеличивать подачу топлива, реализуемая мощность будет соответствовать линии С'F'В' (см. рис. 5.20б), но по условию, номинальная мощность является предельной, ее превышение недопустимо. Поэтому на регуляторе дизеля должен быть предусмотрен упор, не позволяющий увеличивать мощность выше номинальной, что является обязательным условием при генераторе с выпуклой характеристикой. Таким образом, в рассматриваемом диапазоне токов нагрузки, охватывающем практически весь диапазон работы дизель-генератора при движении поезда, регулятор дизеля бездействует, и режим работы дизель-генератора определяется саморегулированием.
В рассмотренных системах возбуждения магнитный поток и момент генератора увеличиваются с повышением угловой скорости. При токе Iгмин по условию
Мг=Мд ном ,
Рекомендуемые материалы
где Мдном – момент, передаваемый дизелем на вал генератора при номинальной мощности.
Следовательно, линия QC" (рис. 5.21) момента генератора должна проходить через точку С" номинального режима (Мдном,nдном) дизеля.
Если ток генератора увеличивается, мощность, потребляемая им при номинальной угловой скорости, повышается по линии С'F'В' (см. рис. 5.20б) и пропорционально ей растет момент генератора при той же угловой скорости, т. е. характеристика момента перемещается вверх. Форма и наклон ее могут при этом несколько измениться, но это не имеет существенного значения. Наибольшая величина момента (точка F") соответствует наибольшему значению мощности (точка F') при токе Iг1 и неизменной угловой скорости nдном.
В результате перегрузки дизеля его угловая скорость начинает уменьшаться, при nд1 момент генератора вновь становится равным моменту дизеля и наступает новый установившийся режим работы, соответствующий точкам К (см. рис. 5.20а), К' (см. рис. 5.20б) и К'' (см. рис. 5.21).
При дальнейшем увеличении тока отклонение мощности, момента и угловой скорости уменьшаются. При токе Iгмакс характеристика генератора опять пересекает характеристику дизеля в точке С". Вследствие уменьшения угловой скорости при неизменной подаче топлива реализуемая мощность дизеля снижается и зависимость мощности дизеля от тока при совместной работе дизеля и генератора изображается линией А1'В'К'С'D1′ (см. рис. 5.20б). Реализуемая характеристика Ег(Iг) генератора соответствует линии А1BKCD1 Она имеет форму, более близкую к гиперболе, чем внутренняя характеристика при постоянной скорости, и расположена ниже линии постоянной мощности.
Совместная работа дизель-генератора при ограниченной подаче топлива и выпуклой внутренней характеристике генератора стала возможной вследствие того, что линия RF" момента генератора пересекла характеристику дизеля. Если бы момент генератора не зависел от угловой скорости или линия RF" была бы столь пологой, что не пересекла бы характеристики дизеля, то при увеличении тока более Iгмин угловая скорость продолжала бы снижаться до остановки дизеля. Таким образом, возможность работы дизель-генератора без регуляторов зависит от взаимного расположения характеристик двигателя и генератора.
Свойство агрегата приходить к установившемуся режиму без принудительного регулирования называется в теории автоматического регулирования самовыравниванием, или саморегулированием.
Задача повышения использования полной мощности при саморегулировании заключается в уменьшении наибольшего отклонения угловой скорости Δnд1 которое можно осуществить двумя способами:
1. Увеличением крутизны кривой Мг(nд). Для этого при одинаковой внешней характеристике и, следовательно, неизменном максимальном отклонении F"С" (рис. 1.78) момента генератора нужно изменять последний не по линии С"Q, а, например, по линии С"Q1; т. е. увеличить коэффициент саморегулирования. Тогда отклонение угловой скорости составит Δnд2;
2. Уменьшением максимального отклонения момента при Iг1,например до С"L" вместо С"F". Для этой цели необходимо изменить форму характеристики Ег(Iг) генератора. Например, характеристика MBLCN (см. рис. 5.20а) обеспечивает использование полной мощности для тех же пределов изменения тока генератора, как и характеристика А1BFCD1, но превышение L'G' мощности при номинальной скорости и соответствующее превышение L"С" момента генератора над номинальными меньше, чем в предыдущем варианте. Подбором степени магнитного насыщения и параметров обмоток можно, в частности, ограничить наибольшее отклонение угловой скорости равным Δnд2.
В большинстве систем саморегулирования используются оба эти способа. По терминологии теории автоматического регулирования первый способ является использованием собственно саморегулирования путем увеличения коэффициента саморегулирования. Второй способ может быть назван компенсацией возмущения, так как заключается в уменьшении отклонений момента генератора, вызываемых внешним возмущением — изменением тока нагрузки. Гиперболическая характеристика зависимости магнитного потока генератора от тока нагрузки является условием полной компенсации возмущений по току нагрузки, так как при этом момент генератора остается постоянным при изменении тока.
Характер зависимостей Ег(Iг) и Мг(nд) существенно влияет и на другие параметры работы теплового двигателя.
При рассмотренных выше характеристиках генератора А1BFCD1 (см. рис. 1.77а) и C"Q (см. рис. 5.21) дизель работает в диапазоне угловых скоростей от nд1до nдпо своей внешней характеристике, т. е. при полной подаче топлива. Для некоторых тепловозных дизелей работа с полной подачей топлива при значительном снижении угловой скорости недопустима вследствие уменьшения давления наддува и других причин.
При характеристике момента генератора C"Q1 площадь C"Q1R1F" охватывает все режимы теплового двигателя, которые могут быть реализованы при данном генераторе. При такой характеристике дизель даже при самых малых нагрузках вынужден работать с высокой угловой скоростью. Это может вызвать повышенный износ деталей дизеля (подшипников, шатунов, поршневых колец и т. д.).
Если область возможных моментов генератора изображается площадью C"QR F", то в отношении износа дизеля такая характеристика более благоприятна, так как частичные нагрузки реализуются при пониженных угловых скоростях. Если линия наибольшей экономичности дизеля соответствует линии TS, то область работы дизеля в данном примере располагается более близко к ней, чем при генераторе с характеристикой C"Q1 и поэтому работа дизеля при пониженной мощности более экономична.
При сравнении между собой внешних характеристик А1BFCD1 и MBLCN (рис. 5.20) легко заметить, что первая является более благоприятной в отношении пусковых характеристик, так как ток генератора, а, следовательно, и пусковая сила тяги меньше изменяются при изменении напряжения генератора. Она благоприятнее также и по более четкому ограничению максимального тока и напряжения.
Отсюда следует, что при выборе характеристик генератора, зависящих от выбора системы возбуждения, параметров обмоток и насыщения магнитной цепи последних, следует учитывать характеристики и особенности работы дизеля, назначение и условия работы локомотива.
Вместе с этой лекцией читают "Суточный и годовой ход температуры почвы".
Особенности совместной работы газотурбинной установки и генератора.
Как указывалось ранее, при снижении угловой скорости одновальной газотурбинной установки (ГТУ) подачу топлива нужно снижать, чтобы избежать повышения температуры газов на входе в турбину, вследствие этого крутящий момент Мд на валу ее будет уменьшаться (рис. 5.22). В результате мощность ГТУ резко падает с уменьшением угловой скорости и при этом существенно снижается ее к. п. д. Поэтому для ГТУ требуется более резкое уменьшение момента и магнитного потока генератора при снижении угловой скорости.
Увеличивать крутизну линии Мг(nд) необходимо также, чтобы обеспечить наибольшую экономичность работы при пониженной мощности вследствие большой крутизны линии наибольшей экономичности ГТУ. Кроме мер, рассмотренных выше, для этой цели может быть предусмотрено изменение возбуждения возбудителя в зависимости от угловой скорости. Для компенсации влияния тока нагрузки на момент генератора желательно применение систем возбуждения, обеспечивающих гиперболическую характеристику.
При ГТУ со свободной тяговой турбиной условия использования полной мощности значительно облегчаются, так как при относительно больших отклонениях угловой скорости тяговой турбины и генератора мощность и к. п. д. ГТУ меняются мало. Кроме того, момент тяговой турбины существенно увеличивается при уменьшении угловой скорости, вследствие чего отклонение угловой скорости при совместной работе с генератором относительно мало. По условиям экономичности работы при пониженной мощности ГТУ со свободной турбиной мало отличается от одновальной, так как мощность снижается посредством уменьшения угловой скорости турбокомпрессора и подачи топлива, причем линия наибольшей экономичности, являющаяся графиком зависимости мощности или момента ГТУ от угловой скорости турбокомпрессора, по крутизне близка к линии наибольшей экономичности одновальной ГТУ.
Поэтому для двухвальной ГТУ зависимость магнитного" потока генератора от скорости тяговой турбины не имеет решающего значения, но с уменьшением скорости турбокомпрессора магнитный поток должен снижаться достаточно резко.
