Проектирование гребной электрической установки

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1 Разработка принципиальной схемы главной цепи ГЭУ и выбор её основных элементов

2 Система автоматического поддержания постоянства тока

2.1 Закон постоянства тока и способ его реализации

2.2 Построение характеристик

2.2.1 Построение рабочих характеристик винта

2.2.2 Построение желаемой механической характеристики ГЭД

2.2.3 Построение желаемой внешней характеристики главного генератора

2.2.4 Пересчет механической характеристики ГЭД из относительных единиц в именованные

2.3 Расчет регулятора тока возбуждения

2.4 Расчет регулятора тока якорной цепи

2.5 Расчет регулятора частоты ГЭД

2.6 Расчет задатчика интенсивности

3 Оптимизация САР

3.1 Выбор метода оптимизации

3.2 Синтез регуляторов

3.2.1 Расчет параметров ПИ-регулятора тока возбуждения двигателя

3.2.2 Расчет параметров ПИД-регулятора контура тока якорной цепи генератора

3.2.3 Расчёт параметров ПИД-регулятора контура частоты вращения генератора

3.2.4 Расчёт параметров ПИ-регулятора контура тока возбуждения генератора

3.2.5 Расчёт элементов сглаживающего фильтра

3.3 Моделирование динамических процессов в системе управления.

4 Выбор элементной базы системы регулирования

4.1 Выбор элементной базы для реализации регуляторов системы управления

4.2 Выбор тиристорных преобразователей для питания обмоток возбуждения

4.3 Выбор измерительных преобразователей

4.4 Выбор тахогенераторов постоянного тока

4.5 Выбор постов управления

4.6 Выбор избирательных переключателей

5 Техника безопасности

5.1 Введение

5.2 Анализ опасных и вредных производственных факторов при эксплуатации ГЭУ постоянного тока

5.3 Обеспечение безопасности при обслуживании гребной электрической установки

ВВЕДЕНИЕ

Гребная электрическая установка (система электродвижения) представляет собой комплекс, состоящий из сочетания первичных двигателей, генераторов, преобразователей, гребных электродвигателей, движителей, аппаратуры управления, регулирования, защиты и блокировки, предназначенный для движения судов.

Элементы комплекса электродвижения, находясь во взаимодействии, обеспечивают генерирование, трансформацию, распределение и потребление электроэнергии, поэтому ГЭУ является специальной судовой электроэнергетической системой. Однако поскольку вся мощность, генерируемая электростанцией ГЭУ, затрачивается на обеспечение вращения движителей, ГЭУ обладает свойствами электропривода.

Составные части комплекса электродвижения могут иметь несколько типовых форм: первичный двигатель (паровая или газовая турбина, дизель, газовый двигатель), гребной электродвигатель (постоянного тока, синхронный, асинхронный, синхронно-асинхронный), преобразователи (управляемые или неуправляемые вентили, инверторы, полупроводниковые преобразователи частоты), движитель (гребной винт, гребное колесо, гребной ротатор). Различаются ГЭУ числом гребных валов, главных генераторов, гребных электродвигателей и их взаимной связью.

Каждый из этих элементов может иметь различное исполнение, их число в системе тоже может быть различным, при этом возможно весьма большое число сочетаний типов и исполнения элементов системы. Возможность большого числа сочетаний основных элементов системы электродвижения представляет собой благоприятный фактор, позволяющий выполнять ее проектирование весьма гибко, с учетом удовлетворения разнообразных требований по мощности, роду тока, системе регулирования, коэффициенту использования мощности машин, маневренности, безотказности.

По сравнению с гребными установками других типов ГЭУ Имеют 2 следующие характерные особенности: отсутствие жесткой механической связи между валами первичных двигателей и движителей и большое число факторов влияющих на выбор оптимальных параметров установки. Эти особенности дают возможность при проектировании подавлять отрицательные и усиливать положительные стороны ГЭУ.

Применение гребных электрических установок постоянного тока в настоящее время сравнительно ограниченно. Используются они преимущественно на ледоколах, паромах, судах промыслового флота, рейдовых буксирах, судах технического флота. В некоторых случаях ГЭУ постоянного тока применяются и на транспортных судах, но это не является характерным и вызывается обычно конъюнктурными условиями. Таким образом, исходя из существующей практики, можно сделать вывод, что ГЭУ постоянного тока чаще всего применяются на электроходах, от которых требуются повышенные маневренные качества. Одна из особенностей ГЭУ это удобство осуществления дистанционного управления, обуславливается тем, что эти установки выполняются в виде мультиплицированных систем генератор-двигатель. Это обстоятельство даёт возможность регулировать частоту вращения гребных винтов путем изменения возбуждения главных генераторов.

Применение дистанционного управления при малой инерционности элементов ГЭУ, значительно повышает маневренные качества электроходов, что является крупным преимуществом ГЭУ постоянного тока.

Применение системы Г-Д обеспечивает также возможность широкого и плавного регулирования частоты вращения гребных винтов и скорости судна при неизменной частоте вращения главных первичных двигателей. Весьма ценным качеством является также возможность быстрого реверса ГЭД, без каких-либо переключений в цепях главного тока, а лишь изменением направления возбуждения главных генераторов или их возбудителей.

Независимость частоты вращения ГЭД от частоты вращения главных генераторных агрегатов обуславливает еще одну характерную особенность ГЭУ постоянного тока: возможность использовать полную мощность установки при промежуточных скоростях судна. Это качество является очень ценным для ледоколов, буксиров, траулеров и некоторых других типов судов, скорость которых сильно колеблется в зависимости от сопротивления их движению льда, ветра и буксируемых объектов. Наряду с особенностями положительного характера, имеются и недостатки, наиболее значительными из которых являются: большая масса, меньший КПД высокая стоимость; потребность в многочисленном обслуживающем персонале и повышенная опасность для него; значительные затраты на ремонт; уязвимость изоляции и вероятность ее повреждения.

На первый взгляд может показаться, что перечисленные выше недостатки являются недостатками органического характера, т. е. неотъемлемо присущими этому типу установок. Однако при детальном изучении ГЭУ выявляется неправильность такого представления. В отличие от приведенных выше положительных сторон ГЭУ, которые являются действительно характерными, каждый из недостатков при умелом проектировании и надлежащей эксплуатации ГЭУ может быть в значительной мере скомпенсирован и даже переведен из разряда отрицательных в разряд положительных качеств.

Масса каждой ГЭУ в большой мере зависит от масс ее машинной части, в частности от массы первичных главных двигателей. При электрификации гребных турбинных установок снижения массы обычно не наблюдается, но благодаря отсутствию турбины заднего хода, укорочению линии гребных валов повышение массы бывает незначительным и составляет от 2 до 10%. Коэффициент полезного действия ТЭГУ можно повысить посредством улучшения параметров пара, отсутствия турбин заднего хода, сокращения длины главных паропроводов и улучшения контроля качества работы установки. В неэлектрифицированных гребных турбинных установках относительный расход пара и топлива обычно с годами эксплуатации увеличивается, в ТЭГУ же он первые 5-6 лет работы часто уменьшается из-за лучшего освоения установки и улучшения контроля. Ряд подсчетов и исследований, произведенных машиностроительными заводами, показывает, что в отношении расхода топлива и общего к. п. д. ТЭГУ имеют преимущества перед неэлектрифицированными турбинными установками начиная с мощности 6000 кВт на гребных валах.

Снизить расход топлива в ДЭГУ по сравнению с ДГУ при полных скоростях судна более затруднительно и возможно лишь посредством повышения к.п.д. гребных винтов.

Провести надежное сравнение стоимостей гребных установок различных типов на основании публикуемых данных трудно, так как стоимость оборудования судна зависит от конъюнктурных условий.

Практика показала, что благодаря дистанционному управлению ГЭУ и большой свободе передвижения обслуживающего персонала его численность не превышает численности обслуживающего персонала на судах с неэлектрифицированными гребными установками. Зафиксировано много случаев, когда при модернизации судов и замене их неэлектрифицированных гребных установок электрифицированными на них оставался прежний обслуживающий машинное отделение персонал:

Расходы на ремонт за длительный срок эксплуатации (9-11 лет) ГЭУ ниже обычных по нормативам для неэлектрифицированных установок в 4-20 раз.

1 РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ ГЛАВНОЙ ЦЕПИ ГЭУ И ВЫБОР ЕЁ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Исходные данные. Длина между перпендикулярами по главной ватерлинии L=91м

Ширина судна в= 16,6 м

Осадка средняя Ф= 5,5 м

Водоизмещение D= 5684 м

Скорость судна U_c=14,5 уз

Коэффициент К= 2,4

Принцип регулирования - по схеме неизменного тока.

Расчет буксировочной мощности. Расчет буксировочной мощности выполняется по приближенной формуле, предложенной Э.Э. Пампелем в (1).

Выбор числа мощности ГЭД и главных генераторов. Предположим, что с_гэд= 2N_R=2*1153.3=2306.6 кВт. По справочным данным выбираем двигатель:

Тип ПГ-150

Мощность 2350 кВт,

Напряжение 1000 В,

Частота вращения 150 об/мин,

КПД 94%

Число главных полюсов 12

Величина потока 28,8 мкс*10⁶

Ток возбуждения 52 А

Напряжение возбуждения 220 В

Маховый момент 41,5 тм²

Общая масса 48 т

Габариты 3740х3650х3680 мм

Обмотка якоря: число проводников 1584

Число параллельных ветвей 6

R=0,0066 Ом

Обмотка добавочных полюсов: число проводников 3

Сопротивление 0,0013 Ом

Параллельная обмотка возбуждения: число витков 186

Сопротивление 2,94 Ом

Компенсационная обмотка: число витков 3,5

Сопротивление 0,0045

Проверочный расчет выбора ГЭД. По полученному значению буксировочной мощности N_R определим мощность на валу гребного двигателя P_дв.

1. Буксировочное сопротивление R или равная ему полезная тяга с_е, кН

где U=0.515 U_д=0.515*14.5=7.47 м/с

2. Коэффициент попутного потока щ по эмпирическим формулам Тейлора:

- для одновинтовых судов

Коэффициент засасывания t по формулам Шенхера:

где R=(0.5†0.7) для судов с обтекаемым румпелем применен R=0.6

3. полная сила упора P, кН создаваемым гребным винтом:

4. Осевая скорость винта U_p, м/с относительно обтекающей струи волны:

5. Диаметр гребных винтов из условий размещения в кормовом подзоре:

6. Выбрав условную скорость винта находят с помощью вспомогательной диаграммы Э.Э. Пампеля КПД изолированного винта.



7. Пропульсивный КПД,%

Мощность подводимая к гребному винту

8. Зная КПД валопрвода з_в=0,95, мощность на валу ГЭД

Результат проверки выявил, что выбранный двигатель удовлетворяет условиям и его мощность отличается от расчетной 2350 кВт, менее чем на 20%.

Выбор главных генераторов. По справочным данным выбираем генератор:

Тип ГП-1375-810 2шт

Мощность 1375 кВт

Напряжение 500 В

Частота вращения 810 об/мин

Исполнение одноякорное

КПД 94%

Масса 7,9 т

Габариты 1950х1700х1800 мм

Ток якоря 2750 А

Число главных полюсов 16

Велечина потока 8,2 мкс 10⁶

Ток возбуждения 23 А

Напряжение возбуждения 180 В

Маховый момент 1,3 тм

Обмотка якоря: число проводников 464, параллельных ветвей 8, сопротивление 0,00209 Ом

Параллельная обмотка возбуждения: число витков 530

Сопротивление 6,25 Ом

Обмотка дополнительных полюсов: число витков 5, сопротивление 0,00046 Ом

Разработка главной цепи ГЭУ. Обоснование выбора схемы главного тока. В современных схемах электродвижения применяется в основном последовательное соединение главных машин. Параллельное соединение генераторов используется в конструкции двухъякорного генератора для увеличения мощности машины.

Схемы главного тока могут быть одновальные (один ГЭД в схеме) и многовальные, одноконтурные (все машины соединены последовательно) и двухконтурные с двухъякорным ГЭД, где один якорь ГЭД получает питание от своих генераторов, а другой, электрически с первым не связанный, получает питание от своей пары генераторов. Попеременно-последовательное соединение позволяет получить напряжение между двумя любыми точками главной цепи не более 1200 В при номинальном напряжении генератора 600 В, что удовлетворяет требованиям Регистра Российской Федерации. Если четыре генератора соединить последовательно, то максимальное напряжение между точками главной цепи будет 2400 В.

Схема, представленная на рис. 18,а, называется одновальной двухконтурной, используется на судах типа «Лена», «Амгуэма» и на атомоходе «Ленин». Двухконтурная схема имеет преимущества перед одноконтурной, так как обеспечивает большее число режимов при частичном использовании генераторной мощности. С помощью четырех переключателей для каждого генератора можно получить 15 вариантов включения при работе всех генераторов, т. е. любых трех генераторов, двух и одного. Один переключатель в одноконтурной схеме позволяет создать только семь вариантов: включить четыре генератора, любые три и по два на каждый якорь ГЭД. Два контура, электрически не связанные, создают большие возможности для производства ремонтных работ на ходу судна и повышают надежность всей установки. В схеме, приведенной на рис. 18, в, используются три двухъякорных генератора, каждый дизель-генератор имеет переключатель, с помощью которого оба якоря генератора могут быть включены в два контура или выключены. Схема двухвальная и двухконтурная используется на портовых ледоколах.

Схемы соединения генераторов могут быть последовательные и параллельные. Рассмотрим преимущества последовательного соединения генераторов. При последовательном соединении генераторов имеется возможность регулирования частоты вращения ГЭД в более широких пределах, чем при параллельном. Регулирование частоты вращения ГЭД при любом способе соединения генераторов осуществляется по системе Г-Д, т. е. путем одновременного изменения возбуждения всех генераторов в одинаковых пределах. Однако при последовательном соединении генераторов изменение напряжения, подаваемого на ГЭД, может быть произведено без изменения возбуждения, т. е. путем отключения одного или нескольких генераторов. Последовательное соединение генераторов обеспечивает большую устойчивость и большую равномерность загрузки генераторов, чем параллельное.

На судах с электрооборудованием постоянного тока электростанция состоит из нескольких компаундных генераторов, работающих в параллель. Устойчивость и равномерность загрузки генераторов обеспечиваются совпадением их внешних характеристик и наличием сериесных обмоток, которые уравнительным проводом соединяются параллельно. При последовательном соединении генераторов, независимо от различия их внешних характеристик, токи нагрузки генераторов будут всегда одинаковы. При увеличении нагрузки на винт токи нагрузки увеличатся в одинаковой степени, а напряжение генератора Г1 упадет до определённой величины U_i, меньшей, чем напряжение U₂ генератора Г2. Неравномерность загрузки генераторов по мощности будет меньше при последовательном соединении, так как различие напряжений в этом случае значительно меньше, чем различие токов при параллельном соединении.

Снижение частоты вращения одного из дизелей приведет к уменьшению напряжения на ГЭД и тока нагрузки генераторов. Таким образом, уменьшение частоты вращения одного генератора приведет к недогрузке второго, в то время как при параллельном соединении уменьшение частоты вращения одного генератора приводило к перегрузке второго. Из вышеизложенного следует, что последовательное соединение генераторов обеспечивает более устойчивую работу ГЭУ.

Механически связанные генераторы (двухъякорные) с параллельным соединением якорей работают более устойчиво, чем механически не связанные, так как частота вращения изменяется синхронно, а для компенсации несовпадения внешних характеристик применяются уравнительные обмотки. При последовательном соединении генераторов и отключении одного или нескольких из них для снижения скорости хода судна оставшиеся генераторы можно загрузить полностью, в то время как при параллельном соединении полную нагрузку оставшихся генераторов осуществить не удается. Использование неполной мощности ГЭУ называется частичным режимом или дроблением мощности установки.

При последовательном соединении четырех генераторов отключение одного из них уменьшает напряжение на ГЭД до 75%, соответственно частота вращения ГЭД также составит 75%. Мощность, потребляемая винтом, пропорциональна третьей степени частоты вращения и составляет 0.75³ = 0,422. Момент сопротивления на винте пропорционален второй степени частоты вращения, т.е. 0,75²=0,562. Сила тока уменьшается пропорционально моменту при постоянном магнитном потоке ГЭД и составляет 56,2%. Три генератора в схеме при номинальном напряжении на каждом загружены только на 56,2% по мощности. Для полной загрузки трех генераторов мощность ГЭД должна быть 75%, а частота вращения:

Момент сопротивления на винте при такой частоте вращения составит 0,91² = 0,83. При полной нагрузке трех генераторов (ток - 100%) магнитный поток ГЭД пропорционален моменту сопротивления и составляет 83%.

Таким образом, для полной загрузки трех генераторов из четырех магнитный поток ГЭД должен быть ослаблен на 17%, что производится введением резистора в цепь возбуждения возбудителя ГЭД. Произведя такие же расчеты, можно убедиться, что для полной загрузки двух генераторов поток ГЭД нужно уменьшить на 37%, при этом частота вращения составит 79%. Для полной загрузки одного генератора магнитный поток ГЭД следует уменьшить на 603%, при этом частота вращения будет 62%.

При параллельном соединении двух генераторов отключение одного из них не меняет напряжения на ГЭД и оставшийся генератор будет перегружен вдвое.

Для уменьшения силы тока нагрузки генератора до номинального значения можно уменьшить напряжение генератора или увеличить магнитный поток ГЭД. Для того чтобы генератор не перегружался, мощность ГЭД не должна превышать 50%. При этом частота вращения будет:

такая частота вращения может быть получена при напряжении 79,4% или при магнитном потоке ГЭД 126%, который можно подсчитать по формуле для частоты вращения ГЭД. Таким образом, оставшийся в работе генератор при номинальном значении силы тока должен иметь напряжение, соответствующее 79,4%, и дизель по мощности не загружен.

При увеличении магнитного потока ГЭД на 26% дизель загружается полностью. Для возможности форсирования потока ГЭД необходимо установить двигатель с ненасыщенной магнитной системой, т. е. с завышенными габаритами и стоимостью. Кроме того, ГЭД будет перегружен по моменту на 26%.

Последовательное соединение генераторов позволяет, применяя сравнительно низковольтные машины, получать на якоре ГЭД суммарное напряжение.

В машинах большой мощности удается обеспечить удовлетворительную коммутацию при разности потенциалов между соседними коллекторными пластинами не более 25 -28 В. С увеличением напряжения генератора должно быть увеличено число коллекторных пластин между двумя соседними пальцами по коллектору и, следовательно, общее число коллекторных пластин, диаметр коллектора и его окружная скорость. Условия для сохранения достаточно большой частоты вращения генератора и удовлетворительной коммутации создаются при пониженном напряжении на коллекторе. ГЭД имеют небольшую частоту вращения (115-200 об/мин), тем самым условия для удовлетворительной коммутации при повышенном напряжении на коллекторе улучшаются.

Последовательное соединение генераторов позволяет уменьшить напряжение между любыми точками главной цепи и корпусом судна. При последовательном соединении генераторов создается один токовый контур, упрощается система защиты и контроля за работой ГЭУ, устанавливается меньшее число контрольно-измерительных приборов и аппаратов защиты, чем при параллельном соединении генераторов. Недостатком последовательного соединения генераторов можно считать необходимость защиты от непроизвольного реверса дизеля. Как уже было изложено выше, дизель реверсируется после остановки и в режиме работы генератора двигателем.

При параллельном соединении генераторов необходимость в подобной защите отпадает, так как генератор в режиме электродвигателя будет вращаться в прежнем направлении (изменится направление тока в якоре генератора). Параллельное соединение ГЭД в двухвальной схеме ГЭУ не получило распространения, так как на гребных винтах из-за качки, ледовой обстановки и маневрирования нагрузки постоянно меняются. ГЭД с большей нагрузкой будет потреблять ток большей силы, и равномерное распределение токов невозможно. На современных электроходах для привода гребного винта применяются одноякорные ГЭД при мощности до 2500 кВт и двухъякорные при большей мощности. Якоря двухъякорного двигателя монтируются на общем валу коллекторами наружу, имеют обособленные магнитные системы и общий корпус с системой вентиляции.

Двухъякорный ГЭД по сравнению с одноякорным таких же параметров имеет к. п. д. на 1-2% меньше, а объемные габариты и массу на 22-37% больше. Однако двухъякорные ГЭД имеют ряд преимуществ, особенно при большой мощности, что объясняет их широкое применение в схемах ГЭУ.

На коллекторах двухъякорного ГЭД проще обеспечить удовлетворительную коммутацию. При последовательном соединении якорей на каждый коллектор подается 50% напряжения, что позволяет при конструировании машины уменьшить диаметр коллекторов и окружную скорость на их поверхности.

Применение двухъякорного ГЭД повышает надежность ГЭУ. При выходе из строя одного якоря винт приводится во вращение от другого якоря. Подобная схема используется на промежуточных ходах судна. Последовательное соединение якорей ГЭД обеспечивает одинаковую нагрузку по току и примерно одинаковую по мощности. При параллельном соединении якорей нагрузки по току и по мощности будут различны.

Таким образом последовательное соединение генераторов более предпочтительно с т.з. экономичности ГЭУ, т.к. в случае параллельного соединение генераторов работающие генераторы недоиспользуются по мощности. В тоже время двухконтурная ГЭУ с неполным включением генераторов более предпочтительна, чем ГЭУ с одним контуром с точки зрения полного использования работающих генераторов по мощности и увеличения скорости хода судна.

Исходя из выше изложенного, целесообразно выбрать схему последовательного соединения. Таким образом, в схеме последовательного соединения для полного использования мощности включенных генераторов ток в цепи ГЭД должен быть номинальным, а магнитный поток ослаблен до значения



Рисунок 1 - Схема главной цепи ГЭУ

Таблица 1.5 - Таблица замыканий контактов избирательного переключателя

	1	2	3	4	5	6
Г1-Г2
Г1	Х	Х				Х
Г2			Х	Х	Х

2 СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО ПОДДЕРЖАНИЯ ПОСТОЯНСТВА ТОКА

2.1 Закон постоянства тока и способ его реализации

Гребные электрические установки по системе неизменного тока занимают обособленное место и применяются лишь на судах вспомогательного и промыслового флота, где могут иметь место режимы с одновременной работой и ГЭД, и двигателей другого назначения, включенных в одну общую цепь и соизмеримых с ними по мощности. Характерным отличием этой системы ГЭУ является неизменность не столько главного тока (который хотя и сохраняется неизменным при разнообразных режимах, но может принципиально быть различным даже и при тождественных режимах), сколько контура главного тока, так как даже при выключении электродвигателей их якоря остаются включенными в данный контур.

Включение данного электродвигателя и регулирование его частоты вращения достигаются изменением его возбуждения, что обусловливает появление у двигателя вращающего момента, пропорционального магнитному потоку, который доводится до значения, соответствующего заданной частоте вращения. При этом для того, чтобы ток в главном контуре оставался неизменным, необходимо одновременно с изменением возбуждения электродвигателей изменять возбуждение и главных генераторов и их возбудителей так, чтобы общая разность суммарных прямых и обратных электродвижущих сил (э.д.с.) оставалась постоянной.

В отличие от ГЭУ, работающих по принципу Г-Д, в которых магнитный поток ГЭД остается обычно постоянным, ГЭУ по системе неизменного тока допускают работу ГЭД «враздрай» при любых соотношениях частот вращения включенных электродвигателей. Характерным здесь является также и то обстоятельство, что снижение магнитного потока ГЭД уменьшает их частоту вращения, так как при этом уменьшается их вращающий момент.

Частота вращения любого двигателя (вплоть до реверса) регулируется изменением его магнитного потока. При этом регуляторы генераторов выполняют одну функцию: осуществляют регулирование напряжения в системе так, чтобы ток главной цепи оставался неизменным. Недопущение перегрузок первичных двигателей обеспечивается введением в регуляторы генераторов отсечек. Таким образом, важной особенностью систем неизменного тока является отсутствие всякой связи между числом главных генераторов (ГГ) и гребных электродвигателей ГЭД.

Возможность независимого регулирования скорости любого двигателя является одним из важных достоинств систем неизменного тока. Не менее важным достоинством является хорошее использование генераторов, суммарная мощность которых может быть заметно меньше суммарной мощности потребителей главной цепи.

Системам неизменного тока присущ и ряд недостатков. В частности, все двигатели, включенные в главную цепь, должны быть рассчитаны на ток наибольшего из них и иметь большой запас по возбуждению, что приводит к увеличению их массогабаритных показателей. Системы этого типа имеют пониженную экономичность в парциальных режимах, так как ток главной цепи независимо от режима равен номинальному. Поддержание тока главной цепи неизменным требует одновременного и связанного регулирования потоков ГГ и ГЭД, т. е. достаточно сложной системы регулирования.

Для иллюстрации этого положения рассмотрим возможности регулирования в системе с т_г генераторами и т_я двигателями. Для любого (к-го) двигателя справедливы соотношения:

В установившемся режиме M_к = М_с = к_т п²_р Полагая I_к=I_доп= const (в соответствии с назначением системы), получим

Для всей главной цепи уравнение равновесия э. д. с. примет вид

Частоты вращения генераторов можно считать одинаковыми и неизменными, поэтому из формулы (2.1.4) получаем выражение, связывающее магнитные потоки генераторов и двигателей,

Следовательно, из выражения (2.1.5) следует, что для поддержания постоянства тока главной цепи необходимо одновременно с изменением потока любого ГЭД регулировать магнитные потоки генераторов. В противном случае изменение режима работы одного из двигателей системы приводит к изменению режимов остальных. Следует отметить, что в системе неизменного тока уменьшению магнитного потока ГЭД соответствует не возрастание (как обычно), а уменьшение частоты вращения. Действительно, так как к_т n_Д²= Ф_кI_доп, то

т. е. частота вращения пропорциональна квадратному корню из магнитного потока.

Поскольку регуляторы системы должны обеспечить значение тока неизменным во всем диапазоне нагрузок (от швартовного режима до хода в свободной воде), запас по возбуждению ГЭД оказывается связанным с характеристиками момента сопротивления гребного винта

Полагая приближенно момент сопротивления гребного винта пропорциональным квадрату скорости, имеем в швартовном режиме,

Аналогично для хода в свободной воде

Следовательно,

Поскольку система регулирования обеспечивает постоянство мощности генераторов в любом режиме, М_шn_ш = М_с._в n_с,_н, откуда

На основе выражений () и () получим



Выражение (5.11) определяет требуемый диапазон регулирования магнитного потока ГЭД. Например, если на швартовах номинальное значение момента достигается при п_т = 0,66 (весьма частый случай), то диапазон изменения магнитного потока ГЭД с изменением нагрузки должен быть не менее 1,3.

Механические характеристики системы неизменного тока могут быть получены в относительных единицах (о.е). Установившемуся режиму соответствует равенство моментов

при

Приняв во внимание, что найдем

При регулировании значения Ф_д пропорционально меняется и M_at частота вращения ГЭД также будет изменяться, пока не наступит равновесие моментов.

На рис.2, а представлены механические характеристики ГЭД в системе неизменного тока при различных значениях магнитного потока и при одной и той же внешней характеристике генератора. Особенностью характеристик является их почти релейная отсечка при предельных значениях момента, обусловленных равенством т_пред=I_допФ_Д. Для реализации такой формы характеристик ГЭД необходимо, чтобы внешняя характеристика ГГ была не просто экскаваторной формы, а имела практически вертикальный участок в пределах которого и осуществляется регулирование напряжения в установившихся режимах.

Рисунок 2

Точность поддержания тока якорной цепи неизменным существенно зависит от быстродействия системы регулирования. В переходных режимах крутопадающая форма внешней характеристики ГГ способствует возникновению колебаний напряжения, для подавления которых увеличивают индуктивность цепи возбуждения и вводят стабилизирующие обратные связи (ОС). Наиболее полно требованиям в отношении быстродействия соответствуют системы регулирования генераторов, построенные с использованием статических возбудителей и унифицированных электронных блоков регуляторов.

Функциональная схема системы регулирования. ПУ-пост управления, ЗИ-задатчик интенсивности, РЧВ-регулятор частоты вращения, РТЯ-регулятор тока якоря, РТВ-регулятор тока возбуждения, СИФУ-система импульсного-фазового управления, ТП-теристорный преобразователь, ДТВ-датчик тока возбуждения, ДТЯ-датчик тока якоря, Г1, Г2-главные генераторы, Д-ГЭД, ТГ-тахогенератор.

В режиме неизменного тока схема работает следующим образом. На вход регулятора тока подаётся задающий сигнал с поста управления, который сравнивается с сигналом обратной связи от измерительного преобразователя тока якоря. Выходной сигнал с регулятора тока якоря поступает на вход регулятора тока возбуждения генератора, где сравнивается с сигналом ООС тока возбуждения. Выходной сигнал с регулятора тока возбуждения генератора поступает на блок СИФУ, который вырабатывает управляющие импульсы для теристорного возбудителя генераторов.

Управление частотой вращения ГЭД осуществляется воздействием на его магнитный поток. Задающий сигнал с поста управления подаётся на вход регулятора частоты вращения, где сравнивается с сигналом ООС тока возбуждения. Выходной сигнал регулятора тока возбуждения ГЭД поступает на блок СИФУ, который вырабатывает управляющие импульсы для теристорного возбудителя ГЭД, который питает обмотку возбуждения ГЭД.

2.2 Построение характеристик

2.2.1 Построение рабочих характеристик винта

Для ТР рабочие характеристики винта строят при ходе судна в свободной воде (ХСВ) и в швартовном режиме работы, причем ХСВ считается основной. Основная характеристика строится в относительных единицах по квадратичной зависимости

М_{* ХСВ} = щ².

Для швартовного режима работы характеристика винта строится в соответствии с выражением

М_{* мх} = к щ²_*,

где к - коэффициент указанный в исходных данных.

2.2.2 Построение желаемой механической характеристики ГЭД

Желаемая механическая характеристика ГЭД строится в относительных единицах на графике характеристики винта, полученных в предыдущем пункте расчета. Для обеспечения постоянства мощности ГЭУ при режимах работы от хода в свободной воде до швартового, желаемая механическая характеристика ГЭД строится в виде гиперболы постоянства мощности (ГПМ) в соответствии с зависимостью М_* щ_*=1. после этого графически определяется значение моментов и оборотов ГЭД в точках пересечения характеристик в относительных единицах. Номинальный момент и обороты соответствуют точке пересечения (ТПМ) и основной характеристике винта. Далее из точки А параллельно оси ординат до оси абсцисс проводится отрезок, соответствующий участку механической характеристике ГЭД, обеспечиваемому регулятором частоты вращения. Участок механической характеристики от ГПМ точки до точки на оси ординат, соответствующий моменту стоянки ГЭД под током М_ст, определяется в зависимости от заданного принципа регулирования следующим образом: для ГЭУ по схеме НТ момент стоянки равен номинальному моменту (если не предусмотрен запас по стали ГЭД), поэтому последний участок механической характеристики ГЭД строится в виде отрезка проведённого из точки М_ст=М_нн до пересечения с ГПМ.

2.2.3 Построение желаемой внешней характеристики главного генератора

Для ГЭУ по схеме неизменного тока желаемая внешняя характеристика генератора без учета падения напряжения в якорной цепи представляет собой два перпендикулярных осям тока и напряжения отрезка, проведенных до этих осей из точки, соответствующей номинальному напряжению генератора U_гн и номинальному току двигателя I_мн. После построения желаемой характеристики генератора надо убедится, что не нарушается условие:

U_т?U_гн ; I_г?I_гн

2.3.4 Пересчет механической характеристики ГЭД из относительных единиц в именованные

,

где с_нн - номинальная мощность двигателя;

з - КПД двигателя

щ - номинальная угловая частота двигателя

Все полученные результаты пересчета занесены в таблицу 1

n, об/мин	M, кНм
50	422,102
100	211,051
150	140,7

2.3 Расчет регулятора тока возбуждения

Расчет регулятора тока возбуждения в соответствии с теорией подчиненного регулирования. Рассматриваемая ниже методика расчета относится как к РТВ генераторам, так и к РТВ ГЭД и состоит из следующих этапов.

Составляется структурная схема контура регулирования тока возбуждения.



Рисунок 3 - Структурная схема контура регулирования тока возбуждения.

U_{iвз -} задаточное значение тока возбуждения;

U_{iвд -} действительное значение тока возбуждения;

ДU_{iв -} рассогласование между U_iвз и U_iвд

U_{у -} напряжение управления теристорным преобразователем;

U_{в -} напряжение возбуждения;

I_{в -} ток возбуждения;

W_ртв(Р) - передаточная функция РТВ;

W_тп(Р) - передаточная функция ТП;

W_ов(Р) - передаточная функция обмотки возбуждения;

W_дтв(Р) - передаточная функция измерительного преобразователя тока возбуждения;

Передаточные функции ТП, ОВ, ДТВ обычно представляют в следующем виде:

где К - коэффициент ТП и определяется по формуле:

U_{вн -} номинальное значение коэффициента возбуждения, В

U_{ун -} номинальное значение напряжения управления, которое для СИФУ типовых ТП обычно принимается 5В.

Т_{тп -} постоянная времени ТП, обычно принимается равной половине периода напряжения судовой сети, т.е Т_тп< 0,01 с ;

где U_{дтвн -} номинальное значение напряжения U_{i дтв}, которое для типовых систем датчиков обычно принимается равным 5В;

I_{вн -} номинальное значение тка возбуждения, А ;

К_{дтв -} коэффициент усиления без инерционной обратной связи, образованной измерительным шунтом и измерительным трансформатором постоянного тока.

К_дтв= К_{и штв}=К_иттв

где К_{и штв} - коэффициент усиления измерительного шунта;

К_иттв - коэффициент усиления измерительного трансформатора.

Контур возбуждения настраивается на модульный оптимум:

где Т_µ - малая постоянная времени контура регулирования.

В соответствии с правилами преобразования структурных сем, структура, представленная на рис преобразуется в контур с единичной обратной связью.

Рисунок 4 - Преобразованная структурная схема с одной обратной связью

Передаточная функция регулятора определяется в соответствии с теорией подчиненного регулирования с учетом объекта регулирования. За малую постоянную времени контура принимается постоянная времени теристорного преобразователя Т_µ=Т_тп .

Далее находится передаточная функция замкнутого оптимизированного контура.

где К₁=К_тп К_ов К_дтв-эквивалентный коэффициент.

2.4 Расчет регулятора тока якорной цепи

Составляется структурная схема контура регулирования тока якорной цепи.

Рисунок 5 - Структурная схема контура регулирования тока якорной цепи

U_{i яз} - задаточное значение тока якоря;

U_{i я -} действительное значение тока якоря;

ДU_{i я -} рассогласование между U_{i яз} и U_{i я} ;

i_{я -} ток якорной цепи;

W_ртя(Р) - передаточная функция РТЯ;

W_я(P) - передаточная функция якорной цепи ГЭД по управляющему воздействию;

W_дтя(Р) - передаточная функция измерительного преобразователя тока якоря.

Передаточные функции могут быть представлены в следующем виде:



U_{ТН -} номинальное напряжение генератора;

I_{ТН -} номинальный ток генератора;

Р - число пар полюсов генератора;

I_{В ТН -} номинальный ток возбуждения генератора;

где U _{I Ян -} номинальное значение напряжения U_{i я}, которое для типовых схем датчиков тока обычно принимается равным 5 В.

I_ян - номинальный ток якорной цепи ГЭУ, А

К_дтя=К_иштя К_иття - коэффициент усиления безинерционной обратной связи, образованной измерительными шунтом и измерительным трансформатором тока с коэффициентом усиления соответственно К_иштя и К_иття.

Контур регулирования тока якоря настраивается на модульный оптимум.

структурную схему приведенную на рис преобразуем в структуру единичной обратной связью

Рисунок 6 - Преобразованная структурная схема с единичной обратной связью

Передаточная функция регулятора определяется в соответствии с теорией подчиненного регулирования с учетом структуры объекта регулирования.

Передаточная функция регулятора тока якоря:

2.5 Расчет регулятора частоты ГЭД

Составляется структурная схема контура регулирования частоты вращения ГЭД.



Рисунок 7 - Структурная схема контура регулирования частоты вращения ГЭД

U_щз - напряжение, соответствующее заданной частоте вращения ГЭД;

U_щн - напряжение, соответствующее действительной частоте вращения ГЭД;

ДU_щ - рассогласование между U_щз и U_щн;

щ_н - частота вращения ГЭД;

W_РЧВ(P) - предапточная функция РЧВ;

W_ЭКВ(P) - передаточная функция оптимизированного контура тока возбуждения;

W_М(Р) - передаточная функция механической части ГЭД;

W_дW(P) - передаточная функция измерительного преобразователя частоты вращения ГЭД.

2.6 Расчет задатчика интенсивности

Передаточная функция задатчика интенсивности имеет вид интегрирующего звена, напряжение на выходе, которое линейно возрастает до величины, заданной выходным сигналом.

где Т_ЗИ - постоянная времени интегрирования ЗИ, величина которой определяется экспериментально и составляет обычно Т_ЗИ=(2†5)

Т_Н=2 3,375=6,75 с



Рисунок 8 - Схема задатчика интенсивности

3 ОПТИМИЗАЦИЯ САР

3.1 Выбор метода оптимизации

В качестве метода оптимизации была выбрана настройка контура на модульный оптимум. При настройке контура на модульный оптимум параметры К_р и Т_и регулятора выбираются из соотношений

где К_о.р=К_µ К_о -коэффициент усиления ОР

Тогда передаточные функции соответственно замкнутого и разомкнутого контуров

Если правую часть уравнения (3.1.3) представить в виде , то коэффициент колебательности = 0,7. Передаточная функция замкнутого контура по моменту сопротивления гребного винта М_с (по возмущению)

,

Нормированные частотные характеристики разомкнутого контура W_раз(р) по выражению (3.1.2) изображены сплошными линиями на рис.9 (с наклонами -1 и -2). Если управляющее воздействие ступенчатое, то выходная величина первый раз достигает установившегося значения через t_у = 4,7*Т, а перерегулирование составит 4,3% (рис.). Длительность переходного процесса при этом не зависит от постоянной времени Т₀ объекта регулирования и определяется только суммарной малой постоянной времени т. Смысл термина ОМ в том, что при настройке на этот оптимум стремятся в широкой полосе частот сделать модуль ЛАЧХ замкнутого контура близким к единице. Длительность и вид переходного процесса при передаточной функции по возмущению формула (3.1.4) определяются только соотношением То и Т (сплошные линии на рис. 10б).

3.2 Синтез регуляторов

3.2.1 Расчет параметров ПИ-регулятора тока возбуждения двигателя

Передаточная функция ПИ-регулятора представим в виде:

где К_р^* - динамический коэффициент передачи,

где К_{ф -} коэффициент передачи объекта регулирования.

Требуемое коэффициента передачи К_ос:

где I_{в -} ток возбуждения двигателя

Расчетное значение К_ос=R_ш К_дт К_т

где R_{ш -} сопротивление шунта, необходимое для измерения тока возбуждения двигателя, выбираем стандартный шунт 75 Ом, он имеет падение напряжения 75 мВ, при токе возбуждения 17,827ь А, следовательно сопротивление шунта определяется как:

0,0046=R_ЗТ / R_ОСТ,

здесь К_Т= R_ЗТ / R_ОСТ - коэффициент приведения цепи ОСТ к заданному входу РТ. Принимаем R_ОСТ=56 кОм ; R_ЗТ=261,05 Ом

Принимаем R_вх= 10 кОм ; тогда 2Т_µ К₁ = К_в С_ос

2 0,008 152,29=(R_ОСТ + R_ЗТ ) С_ос

2,436=( 56 10³ + 261,05 ) С_ос

С_ос=2,436 / 56261=43 мкФ

Рисунок 11 - Схема контура тока возбуждения двигателя

3.2.2 Расчет параметров ПИД-регулятора контура тока якорной цепи генератора

Рисунок 12 - Типовая схема ПИД-регулятора

Передаточную функцию регулятора тока якорной цепи генератора запишем в следующем виде:

Произведения С₀₁ и С₀₂ вносит искажения в типовой ПИД закон, поэтому С₀₁R₀₂ стремятся сделать меньше, для чего при выборе номиналов резисторов R_вх, R₀₁, R₀₂ и емкостей С₀₁, С₀₂ необходимо соблюдать следующие условия

что выполняется при R₀₁ >> R_02. Передаточную функцию ПИД закона регулирования представим в виде:



Требуемое значение коэффициента передачи ОСТ:

где I_{д.max -} максимально допустимый ток якоря двигателя

Расчетное значение

К_ост=R_ш К_дт К_т

где К_дт - коэффициент передачи датчика тока

К_т - коэффициент приведения цепи ОСТ к заданному входу РТ

Величина К_{ост.Треб} обеспечивается за счет соответствующего выбора R_ост из условия:

К_{ост.Треб}=К_ост

Используя формулу К_ост=R_ш К_т К_т получим

0,00087=429 83 R_эт / R_ост

R_ост=2,2 Мом, R_зг=0,054 Ом

Расчет фильтра R_фт, С_фт Элементы сглаживающего фильтра выбираются таким образом, чтобы постоянную времени

Т_фт=R_фт С_фт=0,02 с

Выбираем R_фт=100 кОм, С_фт=0,5 мкФ. Уточняем значение постоянной времени

T_фт = R_фт*С_фт = 0,05 с.

Для определения значения ёмкости С₀₁ приравняем уравнения:

и

подставим в последнее уравнение

Т_из=(R₀₁+R₀₂)*C₀₁=Т₀₁;

из этого уравнения выведем значение

C₀₁ = 0,0915 мкФ.

Составим систему уравнений:

;

Т_из=(R₀₁+R₀₂)*C₀₁;

Из второго уравнения определим сумму сопротивлений

R₀₁+R₀₂ = 87431,69399 Ом.

Подставим полученное значение суммы в первое уравнение системы:

;

Примем C₀₁ = C₀₂ = 0,0915 мкФ. Для расчёта значений сопротивлений R₀₁ и R₀₂ составим систему уравнений:

; R₀₁+R₀₂ = 87431,69399;

Подставим второе уравнение в первое, в результате чего получим квадратичное уравнение:

R₀₁*87431,7-R²₀₁-425069007,7=0;

Решая это уравнение, получим его корни, которые и будут являться значениями сопротивлений R₀₁, R₀₁.

R₀₁ = 11143,81508 Ом ; R₀₂ = 76287,87891 Ом.

3.2.3 Расчёт параметров ПИД-регулятора контура частоты вращения генератора

Расчёт сопротивлений R₀₁, R₀₂, C₀₁, C₀₂. Составим систему уравнений:

,

подставим в последнее

Т_из=(R₀₁+R₀₂)*C₀₁=Т₀₁;

Откуда C₀₁ = 8,18*10^-4 Ф.

Из Т_из=(R₀₁+R₀₂)*C₀₁

уравнения получим значение суммы сопротивлений

R₀₁+R₀₂ = Т_из/ C₀₁ = 0,008/8,18*10^-4 = 9,77995

Подставим в первое уравнение полученную сумму и определим значение динамического коэффициента передачи К_р^*

Примем C₀₁ = C₀₂ = 8,18*10^-4 Ф. Для расчёта значений сопротивлений R₀₁ и R₀₂ составим систему уравнений:

;

R₀₁+R₀₂ = 9,77995;

Подставим второе уравнение в первое, в результате чего получим квадратичное уравнение:

0,004350591-0,00799999(9)*R₀₂+8,18*10^-4 * R₀₂²;

В результате решения этого уравнения получаем значения сопротивлений R₀₁, R₀₂:

R₀₁ = 11143,81508 Ом; R₀₂ = 76287,87891 Ом.

3.2.4 Расчёт параметров ПИ-регулятора контура тока возбуждения генератора