Объединённое регулирование теплового двигателя и генератора

Объединённое регулирование теплового двигателя и генератора

Вследствие рассмотренных выше недостатков раздельного регулирования теплового двигателя и генератора в современных тепловозах широкое распространение получили системы регулирования, в которых регулятор теплового двигателя и регулятор генератора кинематически связаны между собой.

Применяются различные способы выполнения таких регуляторов. В одних системах регулятор теплового двигателя по существу остается без изменения, но на его выходном штоке, соединенном с регулирующим органом теплового двигателя (например, с рейками топливных насосов дизеля), добавляется рычаг, приводящий в действие регулятор генератора. При токах нагрузки меньше I_{г мин} и других режимах работы, когда генератор не может полностью нагрузить тепловой двигатель, регулятор генератора не действует, находясь в положении, соответствующем наибольшему возбуждению. При этом регулятор теплового двигателя поддерживает постоянную угловую скорость двигатель-генератора, изменяя подачу топлива. Когда подача топлива достигает наибольшей допустимой величины, шток регулятора при дальнейшем перемещении приводит в действие регулятор генератора, изменяющий возбуждение последнего так, чтобы угловая скорость и подача топлива поддерживались постоянными.

Такое соединение регуляторов можно назвать каскадным, так как выходной – исполнительный орган регулятора теплового двигателя – является одновременно входным органом регулятора генератора. Оба регулятора могут представлять собой отдельные конструкции со своими усилительными, преобразовательными и исполнительными органами. В некоторых системах они объединены в одну общую конструкцию, но и в этом случае можно в ней выделить узлы, относящиеся к каждому из регуляторов. Процесс регулирования всегда начинается с отклонения угловой скорости в результате изменения нагрузки двигатель-генератора или настройки регулятора теплового двигателя, что приводит последний в действие, а в зависимости от положения исполнительного органа меняется подача топлива или возбуждение генератора или то и другое одновременно. При каскадном соединении необходима взаимная настройка обоих регуляторов.

Применяются также системы, в которых имеется один общий регулятор, исполнительный орган которого соединен непосредственно с регулирующими органами теплового двигателя и генератора так, что при увеличении потребляемой мощности генератора исполнительный орган сначала увеличивает подачу топлива до наибольшей величины, а затем уменьшает возбуждение генератора.

Существует достаточно большое количество вариантов исполнения объединённых регуляторов, построенных на различных принципах работы: угольный гидравлический регулятор, вибрационный регулятор, гидравлический регулятор с гибкой обратной связью, электрогидравлический объединенный регулятор, объединенные регуляторы с индуктивными датчиками, бесконтактный регулятор мощности и т.д.

Ниже рассмотрены принципиальные схемы устройства и принцип действия некоторых из применяемых на современных локомотивах систем регулирования.

Гидравлический объединённый регулятор с гибкой обратной связью

Рекомендуемые материалы

На рис. 8.3 изображена упрощенная принципиальная схема регулятора с гибкой обратной связью. В качестве регулятора дизеля применен изодромный гидромеханический регулятор (см. рис. 3.11).

Регулятор генератора состоит из золотникового устройства, гидравлического сервомотора и регулировочного реостата РР (рис. 8.3). Регулировочный реостат включен в цепь управления регулировочной обмотки магнитного усилителя (МУ) – на схеме не показан. Золотниковый плунжер 6 (рис. 8.3) шарнирно связан с ломаным рычагом АВСDЕ, который в свою очередь, соединен в шарнире Е с тягой 11, связанной с поршнем сервомотора 12 и выходным штоком 13 регулятора дизеля, а в шарнире А с поршнем 3, являющимся органом настройки регулятора.

Рассмотрим работу регулятора при настройке регулятора на номинальную скорость при неизменном положении поршня 3. Положение регулятора на рис. 8.3 соответствует установившемуся режиму работы дизеля, причем выходной шток 13 занимает положение, соответствующее полной подаче топлива. При увеличении нагрузки угловая скорость дизель-генератора снижается, грузы сходятся и шток 13 поднимается в сторону увеличения подачи топлива. При этом рычаг СЕ поворачивается против часовой стрелки, золотниковый плунжер 6 поднимается, открывая доступ рабочей жидкости в цилиндр над поршнем 10 сервопривода регулятора генератора. Поршень 10 и движок 9 опускаются, уменьшая ток в регулировочной обмотке управления МУ. В результате этого уменьшается ток возбуждения, а следовательно, и нагрузка генератора.

При опускании поршня 10 часть рабочей жидкости из-под поршня перетекает в корпус золотника и под давлением жидкости золотниковая втулка 8 поднимается, уменьшая отверстие, открытое золотником, и тем самым замедляет перемещение поршня 10. В конце процесса регулирования золотниковая втулка под действием компенсационной пружины 7 возвращается в первоначальное положение, заставляя рабочую жидкость перетекать из нижней полости золотника в верхнюю через малые отверстия игольчатых клапанов 5.

Золотниковая втулка 8 вместе с пружинами 7 и игольчатыми «клапанами 5 представляет собой гибкую обратную связь – изодром и регулятор генератора, как и регулятор дизеля, является изодромным. Устойчивая работа системы достигается регулировкой игольчатых клапанов.

К концу процесса регулирования золотниковая втулка 8 и золотник 6 занимают первоначальное положение. Следовательно, шток 13 также возвращается в первоначальное положение, а контактный движок 9 и поршень 10 занимают новое положение, требуемое по условиям равенства моментов теплового двигателя и генератора.

Таким образом, регуляторы действуют по принципу каскадного соединения: сначала приходит в действие регулятор дизеля, его выходной шток приводит в действие золотник регулятора генератора, который поддерживает постоянное положение исполнительного органа регулятора дизеля.

Связь между рычагами АВ и СЕ устанавливает определенную зависимость между угловой скоростью и подачей топлива. Для снижения угловой скорости нужно уменьшить натяжение пружины 4, т. е. поднять поршень 3. В результате уменьшения силы пружины грузы 2 расходятся и шток 13 опускается, уменьшая подачу топлива, что приводит к снижению угловой скорости дизель-генератора. В то же время вследствие поворота рычага АВ против часовой стрелки точка О поднимается, золотниковый плунжер 6 сдвигается вверх и регулятор генератора уменьшает ток в регулировочной обмотке магнитного усилителя и возбуждение генератора. Следовательно, в начале процесса регулирования оба регулятора приходят в действие одновременно, но в дальнейшем перемещение вниз штока 13 приводит к опусканию плунжера 6, уменьшению скорости, а затем и к остановке поршня 10. Установившийся режим возможен, когда оба золотника регулятора дизеля и регулятора генератора находятся в положении перекрытия проходных отверстий, т. е. центробежные грузы и точка О занимают первоначальное положение. Так как сила пружины 4 уменьшилась, уравновешивающие ее центробежные силы должны соответственно быть меньше, что возможно при неизменном положении грузов за счет снижения угловой скорости. При перемещении вверх точки А сохранение первоначального положения точки В возможно, если в установившемся режиме точка Е и шток 13 опустятся по отношению к первоначальному положению, что означает уменьшение подачи топлива в новом режиме. Таким образом, при снижении угловой скорости уменьшается подача топлива, т. е. устанавливается определенная зависимость крутящего момента дизеля от угловой скорости. В регуляторе предусмотрена возможность изменения этой зависимости путем изменения длин рычагов 11, СD и DЕ. Следовательно, регулятор позволяет при частичных нагрузках обеспечить работу дизеля в режимах наибольшей экономичности.

Перемещение поршня 3 осуществляется электрогидравлическим приводом управления, схема и принцип действия которого рассмотрены ниже.

Когда поршень 10 достигает крайнего верхнего положения, соответствующего максимальному возбуждению генератора, регулятор последнего выключается и положение точки D не влияет на режим работы двигатель-генератора. При этом подача топлива изменяется в соответствии с мощностью, потребляемой генератором. Регулятор генератора поддерживает постоянный момент теплового двигателя путем изменения возбуждения на различном уровне для каждого положения рукоятки управления, но не препятствует уменьшению момента теплового двигателя, когда момент сопротивления генератора при максимальном возбуждении его меньше крутящего момента дизеля при заданной подаче топлива.

Гибкая обратная связь в регуляторе генератора и возможность обеспечения желательной зависимости М_д(п_д) за счет кинематической связи между органом управления и исполнительным органом являются существенным преимуществом данной схемы в сравнении с ранее рассмотренными.

Недостаток системы заключается в наличии контактов реостата, подверженных износу и подгоранию, в особенности при размещении в непосредственной близости от дизеля, так как повышенная температура воздуха, водяные и масляные пары, попадание масла и топлива на контакты понижают надежность их работы. Реостат РР и сервопривод к нему могут выполняться с поступательным движением или с поворотным движком и поршнем.

Регулятор генератора в описанной системе имеет те же элементы, как и регулятор теплового двигателя: золотник, изодром, гидропривод. Уравнения их выводятся, так же, как уравнение соответствующих звеньев регулятора теплового двигателя, и отличаются от них постоянными коэффициентами и регулируемыми величинами.

При пониженной угловой скорости регулирующий орган не достигает положения упора. Регулятор генератора поддерживает постоянную подачу топлива со статической ошибкой, зависящей от мертвых ходов и трения в золотнике регулятора генератора и шар­нирах рычажной системы. При номинальной угловой скорости работа регулятора зависит от настройки регулятора генератора по отношению к рейкам топливных насосов. Если перемещение золотникового плунжера вверх начинается после того, как рейки топлив­ных насосов достигают положения упора, то при работе регулятора подача топлива постоянна и, следовательно, устраняется статическая ошибка по подаче топлива. Однако при этом трудно обеспе­чить устойчивую работу регулятора. Устойчивая работа легче достигается, если одновременно с изменением возбуждения меняется подача топлива, т. е. упор реек топливных насосов сдвигается дальше по отношению к положению штока 13, при котором золотник регулятора генератора находится в положении перекрытия отверстий, но при этом вводится статическая ошибка по подаче топлива.

Рассмотренный регулятор может быть использован не только совместно со схемой с селективным узлом, но и с любой схемой возбуждения генератора. Системы, подобные этой, имеют наибольшее применение в современных тепловозах США, Франции, Швейцарии и других стран, часто в цепи независимой обмотки трехобмоточного генератора.

Электрогидравлический объединенный регулятор

Принципиальная электрическая и кинематическая схемы регулирования дизель-генератора (рис. 8.4) разработана фирмой Дженерал Электрик и применена на тепловозах и газотурбовозах США. Электрогидравлический регулятор состоит из регулятора скорости РС и ограничителя подачи топлива ОП. Каждый из них включает в себя золотник с электромагнитным приводом и гидравлический сервопривод. Поршень П1 сервопривода связан с одной стороны с коробкой КП, которая рычагами соединена с регулирующим органом теплового двигателя. С другой стороны он соединен с контактными движками Дв1 и Дв2 потенциометров R₁ и R₂, включенных на источник тока постоянного напряжения, например, аккумуляторную батарею. Напряжение между движком Дв1 и минусом батареи является входным напряжением для усилителя цепи возбуждения генератора. В первых тепловозах по этой системе это напряжение приложено к обмотке управления электромашинного усилителя с поперечным полем (амплидина), в газотурбовозах и позднейших тепловозах – к обмотке управления магнитного усилителя в цепи возбуждения возбудителя.

Поршень П1 управляется золотником, на который действует снизу усилие пружины и сверху усилие электромагнита. При установившемся режиме работы двигатель-генератора отверстия золотника перекрыты. Ток катушки L2 равен

                     (8.3)

где  – ЭДС тахогенератора G1, приводимого от двигатель-генератора; а_G2 –коэффициент, зависящий от параметров тахогенератора и передаточного отношения к валу теплового двигателя; R₃′ – часть реостата, включенная в цепь тахогенератора; R_L2– сопротивление катушки L2 и якоря тахогенератора.

Положению золотника, при котором отверстия его закрыты, соответствует определенное усилие пружины и уравновешивающее его усилие электромагнита и, следовательно, определенное значение тока катушки и установившейся угловой скорости.

При увеличении нагрузки генератора угловая скорость и ток катушки уменьшаются. Золотник перемещается вверх. Поршень П1 движется влево, увеличивая подачу топлива. Движок Дв1 скользит по контактной пластине и в цепь возбуждения подается наибольшее напряжение потенциометра, что соответствует максимальному возбуждению генератора.

Когда коробка КП касается упора У, увеличение подачи топлива прекращается. Если перегрузка теплового двигателя при этом еще не устранена, поршень П1 и движок Дв1 перемещаются дальше, вследствие чего уменьшается возбуждение генератора.

Процесс регулирования продолжается до тех пор, когда восстановится равновесие между двигателем и генератором и золотник перекроет оба отверстия. Последнее становится возможным, когда угловая скорость восстанавливает первоначальное значение. Отсюда вытекает, что угловая скорость, поддерживаемая регулятором, не зависит от положения исполнительного органа и регулятор является астатическим.

 Настройка регулятора осуществляется движком Дв3, при перемещений которого вправо уменьшается сопротивление R3′, что вызывает снижение установившейся угловой скорости, как это следует из равенства (8.3).

Для обеспечения устойчивой работы регулятора предусмотрена стабилизирующая катушка , присоединенная через конденсаторы  и  к тахогенератору и движку Дв2. При установившемся режиме ток в катушке равен нулю.

В процессе изменения угловой скорости и координаты х поршня П1 через конденсаторы и стабилизирующую катушку протекает ток. Рассмотрим уравнения переходного процесса.

Измерительным органом регулятора является электромагнит с тахогенератором, пружиной и золотником. Его работа описывается следующими уравнениями.

Уравнение цепи катушки L2 (если пренебречь взаимоиндукцией между катушками и)

                                              (8.4)

Ток в цепи катушки L3 зависит от изменения напряжения на обкладках конденсаторов C1 и C2. Напишем уравнения для цепи конденсаторов C1 и C2 в соответствии с обозначениями на рис. 8.4:

;                           (8.5)

;                                                            (8.6)

,                                                                                                  (8.7)

где – сопротивление стабилизирующей катушки; U_GB – напряжение источника тока.

При равномерной намотке провода на сопротивлении R2, пренебрегая влиянием тока в C1 на падение напряжения в R2 и принимая за начало отсчета координаты х исполнительного органа крайнее правое положение, соответствующее выключенной подаче топлива, при котором движок Дв2 находится на крайнем правом зажиме потенциометра R2, получим

                                                                                          (8.8)

где b_ст – постоянный коэффициент.

Продифференцировав равенства (8.5), (8.6) и (8.8), получим (при U_GB=const) уравнения:

                                  (8.9)

.                                                          (8.10)

Для обеспечения достаточной эффективности действия стабилизирующей катушки необходимо получить наибольший ток в ней при относительно малом ускорении двигатель-генератора и небольшой скорости поршня П1. Поэтому дроссели L2 и L3 следует выполнять с возможно меньшими индуктивностями и сопротивлениями. Если в первом приближении в уравнениях (8.9) и (8.10) пренебречь слагаемыми с параметрами дросселей в силу их малости, то с учетом равенства (8.7) уравнения в отклонениях для токов цепей дросселей L2 и L3 примут вид:

                           (8.11)

и .                               (8.12)

Роль муфты в центробежном измерителе для данного регулятора выполняет золотник. Он находится под действием силы электромагнита F_эм и поддерживающей силы F_n. В установившемся режиме работы золотник занимает положение z_н (рис. 8.5), и силы, действующие на него, уравновешиваются. Устойчивое равновесие отдельно взятого измерителя возможно, если крутизна характеристики поддерживающей силы больше крутизны характеристики электромагнита. Сила электромагнита, как правило, увеличивается при притяжении якоря, т. е. при опускании золотника. Если изменение воздушного зазора при перемещении золотника мало в сравнении с начальным зазором, электромагнит имеет пологую характеристику. Поддерживающая сила равна сумме веса частей, связанных с золотником, и силы пружины. Крутизна ее зависит главным образом от жесткости пружины.

В переходном процессе движение золотника описывается уравнением

,                                                                             (8.13)

где т_з – масса подвижных частей, связанных с золотником; F_тр – сила трения в золотнике и электромагните.

Сила электромагнита зависит нелинейно от токов в дросселях L2 и L3 и от положения якоря. При анализе линейное отклонение силы электромагнита можно представить в виде

,

где  – определяются по опытным или расчетным характеристикам электромагнита для z_н.

Отклонение поддерживающей силы

.

С учетом вязкого и сухого трения силу трения можно представить в виде

.

Подставив отклонения сил в равенство (8.69), получим уравнение движения золотника:

.                        (8.14)

Сравнивая это уравнение с уравнением (3.3) центробежного измерителя, видно, что левые части их практически одинаковы, но в правой части уравнения (8.14) вместо отклонения угловой скорости имеются отклонения токов в катушках, связанных с угловой скоростью и координатой исполнительного органа уравнениями (8.4), (8.7), (8.9) и (8.10). Полная система уравнений измерительного органа достаточно сложна, т.к. состоит из пяти уравнений 7-го порядка.

Одним из достоинств рассматриваемой системы является отсутствие центробежных грузов, представляющих собой основную массу в центробежном измерителе, а также рычагов и шарниров, создающих дополнительную силу трения.

Для качественного приближенного анализа динамики измерителя примем массу и силы трения равными нулю. Тогда приближенное уравнение движения золотника получим в форме:

.                                                 (8.15)

Исключив из уравнений (8.11), (8.12) и (8.15) токи в катушках, получим приближенное уравнение измерителя

        (8.16)

Приближенное уравнение (8.16) позволяет оценить влияние стабилизирующей катушки и конденсаторов на процесс регулирования. Первый член правой части представляет собой основное воздействие регулятора: при отклонении угловой скорости золотник открывает отверстие и регулятор начинает изменять подачу топлива или возбуждение генератора. Одной из главных причин возникновения колебаний в астатических регуляторах является перерегулирование, возникающее вследствие того, что в начале процесса регулирования, когда Δп_д мало, проходное сечение золотника и скорость исполнительного органа также малы, что замедляет процесс уравнивания моментов двигателя и нагрузки и приводит к увеличению Δп_д. Максимальные Δп_д и скорость исполнительного органа достигаются, когда эти моменты уравновешиваются и, следовательно, исполнительный орган проходит положение нового установившегося режима.

Второй член представляет собой воздействие, находящееся в прямой зависимости от ускорения двигатель-генератора. Оно пропорционально разности моментов двигателя и генератора и, следовательно, является наибольшим в начале изменения режима двигателя или генератора. В процессе регулирования разность моментов уменьшается и при уравновешенности двигатель-генератора это воздействие равно нулю. Таким образом, воздействие по производной увеличивает смещение золотника в начальный момент, ускоряя начало процесса уравнивания моментов двигателя и генератора, и замедляет скорость исполнительного органа при подходе к положению равновесия. Такое воздействие снижает динамическую ошибку, повышает быстродействие и степень устойчивости.

Третий член представляет собой гибкую обратную связь исполнительного органа с измерительным, аналогичную изодрому. При увеличении угловой скорости (Δп_д>0) исполнительный орган перемещается в направлении уменьшения подачи топлива (или увеличения возбуждения). При этом  и обратная связь стремится уменьшить Δz и скорость исполнительного органа тем в большей степени, чем больше эта скорость. Таким образом, обратная связь по перемещению исполнительного органа является отрицательной и замедляет процесс регулирования главным образом вблизи нового положения. Обе дополнительные связи действуют только в переходном процессе и не влияют на статические характеристики системы регулирования. Их эффективность зависит в основном от величин емкостей.

В лекции "Организационные системы" также много полезной информации.

Механизм ограничения подачи топлива по конструкции аналогичен регулятору скорости, но имеет один дроссель L1, который последовательно с реостатами R4, R5 и R3" включён на зажимы аккумуляторной батареи. Ток в ней

,                                                                             (8.73)

где R_L1 – активное электрическое сопротивление дросселя L1.

При перемещении движка ДЗ вправо для снижения угловой скорости увеличивается часть реостата R3", введенная в цепь дросселя L1. Ток в нём уменьшается, вследствие чего золотник поднимается под действием пружины и поршень П2 перемещается вправо, передвигая упор У и уменьшая предельную подачу топлива. Одновременно перемещается движок Д4, уменьшая сопротивление в цепи дросселя L1. Поршень П2 останавливается, когда восстанавливается первоначальное значение тока дросселя L1 и золотник закрывает отверстия. Таким образом, каждому положению движка Д3 соответствует определенное положение движка Д4 и упора У. Этим достигается изменение крутящего момента теплового двигателя в зависимости от изменения угловой скорости. Желательная зависимость М_д(п_д) устанавливается настройкой сопротивлений R4, и R5.

Неравномерность регулирования определяется нечувствительностью измерительного органа – тахогенератора, электромагнита и золотника. Отклонения угловой скорости могут быть вызваны изменением магнитного потока тахогенератора и падением напряжения на щетках. Для снижения этих отклонений тахогенератор выполняется трехфазным с постоянными магнитами. Для питания катушки ток его выпрямляется по мостовой схеме. Выпрямитель может вносить некоторое отклонение тока вследствие изменения падения напряжения его в зависимости от приложенного напряжения и в результате старения. Изменение температуры катушки дросселя L1, мертвый ход и трение золотника также увеличивают неравномерность регулирования. Однако все эти отклонения могут быть сделаны достаточно малыми.

Достоинствами системы регулирования являются объединение регуляторов теплового двигателя и генератора в единую конструкцию, что избавляет от взаимной настройки их введение регулирования по производной, а также возможность установить практически любую желательную зависимость М_д(п_д). С другой стороны, схема сложна. В связи с необходимостью управления несколькими локомотивами по системе многих единиц практически вместо движка Д3 применяются реле, переключающие ступени сопротивления R3. В схеме тепловоза для получения восьми ступеней настройки регулятора использованы три четырехконтактных реле.