Автоматические регуляторы частоты.

Изменение нагрузки СЭС, например, включение мощных приемников электроэнергии ( пожарного насоса, компрессора пускового воздуха, работа грузовых лебедок и т.п. ) вызывает изменение величины тормозного электромагнитного момента генераторов и, как следствие, изменение частоты вращения приводных двигателей генераторов.

В свою очередь, это приводит к изменению частоты тока и напряжения синхронных генераторов, что неблагоприятно сказывается на работе приемников электроэнергии. Особенно чувствительны к провалам напряжения 3-фазные асинхронные двигатели у которых вращающий электромагнитный момент прямо пропорционален квадрату напряжения. Поэтому провалы напряжения могут привести к остановке ( насосы, вентиляторы ) и даже реверсу ( грузовые лебедки, краны, брашпили ) электродвигателей.

Провалы напряжения неблагоприятно сказываются на работе люминисцентных светильников, которые при этом гаснут. В то же время для восстановления нормального свечения им необходимо несколько десятков секунд или даже минут ( в зависимости от типа лампы ).

Поэтому приводные двигатели генераторов – дизели и турбины, обязательно снабжают автоматическими регуляторами частоты вращения.

Основные характеристики АРЧ

Основное требование к ПД генераторных агрегатов любого типа - сохранение частоты вращения вала ПД, что необходимо для стабилизации частоты тока генераторов.

Поэтому ГА снабжают АРЧ, для которых регулирующим воздействием является изменение подачи топлива (пара), а регулирующим органом - топливная рейка у дизелей и паровпускной клапан у турбин.

К основным характеристикам АРЧ относятся регуляторные и скоростные.

Регуляторные характеристики АРЧ

Регуляторная характеристика представляет собой зависимость частоты вращения nприводного двигателя от мощности Ргенератора при фиксированном положении регулирующего органа – рейки топливного насоса ( рис. 3.1).

Рис. 3.1. Астатическая ( 1 ) и статическая ( 2 ) регуляторная характеристики приводных двигателей генераторных агрегатов

Основным параметром регуляторной характеристики является наклон или статизм в ( % )δ = [ ( n - n ) / n ]100 ( 3.1 ), где n и n - частоты вращения соответственно холостого хода и номинальная, об/мин.

Для астатической характеристики δ = 0, т. е. частота вращения приводного двигателя ГА не зависит от нагрузки генератора (см. рис. 2.1, характеристика 1). Иначе говоря, определенному значению частоты вращения ПД соответствует множество значений мощности генератора. Это не позволяет обеспечить пропорциональное распреде­ление активных нагрузок параллельно работающих синхронных генераторов.

Иначе говоря, ПД с астатической регуляторной характеристикой нужно применять только при одиночной работе ГА с целью идеальной стабилизации частоты вращения ПД. При параллельной работе ПД должны иметь статическую регуляторную характеристику ( пояснение см. ниже ).

Скоростные характеристики АРЧ

К скоростным характеристикам АРЧ относятся внешние и частичные ( ограничительные ). Внешней характеристикой называется зависимость мощности ДВС N от частоты вращения вала n при подаче топлива, соответствующей номинальной мощности дизеля.

На рис. 3.1, а при частоте вращения n = n ( т.е. при n = 100% ) мощность дизеля N = 100%.

При уменьшении частоты вращения ( но неизменной подаче топлива ) мощность дизеля уменьшается. На рис. 3.1, а при работе дизеля на внешней характеристике 1 и уменьшении частоты вращения до минимально допустимого значения n = 25% n мощность дизеля N ≈ 45%.

Поскольку работа двигателя по внешней характеристике сопровождается дымным выпуском, высоким расходом топлива, высокой температурой выпускных газов и нарушением теплового равновесия двигателя, в эксплуатации работа на внешней предельной характеристике или даже на отдельных точках этой характеристики не допускается

Частичной характеристикой называется зависимость мощности ДВС N от частоты вращения вала n при подаче топлива, соответствующей меньшим номинальной значениям мощности дизеля.

Частичная характеристика лежит ниже внешней и определяет верхний предел поля допустимых наибольших мощностей при длительной работе двигателя и без дымления.

Обычно параметры внешних и частичных характеристик выражают в процентах ( рис. 3.2, 3.3 ) или относительных единицах.

Поле возможных режимов работы ДВС совместно с ге­нератором электрической энергии (рис. 3.2 ) расположено в интерва­ле n'—n'' допустимого отклонения частоты вра-щения генератора от номинального значения ( на рис. 3.2 заштриховано).

Рис.3.2. Характеристики ДВС,

Из рис. 3.2 видно, что при уменьшении электрической нагрузки до значения N₂ или N₃ двигатель должен перейти на частичные внешние характеристики 2 или 3, для чего надо уменьшить подачу топлива..

Для оценки работы двигателя с генератором обычно рассмат­ривают их совмещенные характеристики (рис. 3.3 ).

Если принять, что точка А пересечения внешней характеристики 1 ДВС и нагру­зочной характеристики 4 генератора представляет номинальный режим работы, a Δn – допустимое изменение частоты вращения, то очевидно, что даже незначительное уменьшение нагрузки гене­ратора (характеристика 3) повлечет за собой изменение частоты вращения, выходящее за намеченную границу (новый режим рабо­ты устанавливается в точке В).

Для обеспечения заданного диа­пазона частоты вращения нужно при новой нагрузке генератора перейти на новую частичную характеристику 2 двигателя, тогда новый режим работы установится в точке С.

Для перехода на частичную характеристику 2 при незначитель­ном уменьшении нагрузки и увеличении частоты вращения следует воздействовать на рейку топливных насосов в сторону уменьшения подачи, а при увеличении нагрузки на генератор и понижении ча­стоты вращения — в сторону увеличения подачи топлива.

Для этой цели на приводной двигатель, работающий совместно с генератором, устанавливают регулятор, который может поддерживать один скоростной режим в пределах допустимого изменения частоты враще­ния Δn.

Дизель-генератор и регулятор частоты вращения образуют замкнутую систему автоматического регулирования, которая обеспе­чивает автоматическое поддержание частоты вращения коленчатого вала двигателя с заданной степенью точности.

По классификационным признакам и назначению существуют различные типы регуляторов (табл. 3.1).

Классификация АРЧ

В настоящее время принята следующая классификация АРЧ (таблица 3.1.).

Классификация регуляторов частоты вращений вала приводных двигателей ГА

Тип регулятора	Выполняемые функции
По назначению и режимности работы
Однорежимный	Поддерживает один скоростной режим
Двухрежимный	Поддерживает два скоростных режима ( минимально устойчивой и номинальной частоты вращения )
Всережимный	Поддерживает любой скоростной заданный режим двигателя( выше минимально устойчивой частоты вращения )
Предельный	Включается в работу только в случае превышения номинальной частоты вращения
По типу измерительной части регулятора
Механический	Входной сигнал ( частота вращения ) преобразуется измерителем регулятора в механическое перемещение
Гидравлический	Входной сигнал ( частота вращения ) преобразуется в энергиюдавления масла
Электрический	Входной сигнал ( частота вращения ) преобразуется в электрическую величину ( напряжение или ток ) и механическое перемещение
По способу воздействия измерительного устройства на регулирующий орган
Прямого действия	Перемещение рейки ТНВД происходит только за счет энергии,сообщаемой ей измерительной частью регулятора
Непрямого действия	Выходной сигнал измерительной части регулятора передается на топливную рейку усиленным ( через усилитель )
По количеству входных сигналов
Одноимпульсные	Работает по отклонению только одной величины ( частоты вращения )
Двухимпульсные	Работает по отклонению двух величин ( частоты вращения иАктивной нагрузки генератора )
По виду регуляторной характеристики
Астатический	Поддерживает частоту вращения постоянной при любых нагрузках
Статический	Поддерживает частоту вращения коленчатого вала дизеля в установленных пределах Δn при изменении нагрузки
Комбинированный	В зависимости от настройки может работать как по статической, так и по астатической характеристике
По осуществляемому закону регулирования
Интегральный ( И - регулятор)	Отклонение частоты вращения влияет только на скорость пере-мещения рейки ТНВД
Пропорциональный ( П – регулятор)	Отклонение частоты вращения влияет только на величину перемещения рейки топливных насосов
Пропорционально-интегральный ( ПИ- регулятор)	Отклонение частоты вращения влияет на величину и скорость перемещения рейки топливных насосов
По типу обратных связей
С жесткой обратной связью	Осуществляет пропорциональный закон регулирования ( П – регулятор ). Регуляторная характеристика статическая
С гибкой обратной связью	Осуществляет пропорционально-интегральный закон регулирования ( ПИ – регулятор ), Регуляторная характеристика астатическая.

Применение разных типов АРЧ

Применение того или иного вида АРЧ зависит от условий работы ГА ( одиночная, параллельная работа ) и от требований, предъявляемых к точности регулирования частоты вращения ГА.

Например, АРЧ, обеспечивающие работу приводных двигателей ГА по астатическим характеристикам, применяют только при одиночной работе ГА и называют астатическими. Такие регуляторы называют также интегральными, или регуляторами И-типа. У них отклонение частоты вращения влияет только на скорость перемещения рейки ТНВД.

АРЧ, предназначенные для обеспечения параллельной работы ГА, должны работать только по статическим характеристикам. Для статической характеристики δ> 0, т. е. частота вращения ПД уменьшается с увеличением нагрузки генератора (см. рис. 2.1, характе­ристика 2).. Такие регуляторы называют статическими а также пропорциональны

ми или регуляторами П-типа. У них отклонение частоты вращения влияет только на вели-чину перемещения рейки топливных насосов

Регуляторы, обеспечивающие работу ПД по астатической и стати­ческой характеристикам, называют универсально-статическими.Такие регуляторы называют также пропорционально-интегральными или регуляторами ПИ-типа. У них отклонение частоты вращения влияет как на величину, так и на скорость перемещения рейки топливных насосов.

В зависимости от изменяемых величин различают АРЧ одно- и двухимпульсные. Одноимпульсные АРЧ изменяют подачу топлива при изменении частоты и потому

снабжаются центробежными (частоты вращения вала) или электрическими (частоты тока) датчиками.

ДвухимпульсныеАРЧ дополнительно снабжены датчиком активного тока, поэтому у них подача топлива зависит как от частоты вращения ( тока ), так и от активной нагрузки. Точность стабилизации частоты вращения у них лучше, чем у одноимпульсных, но при этом усложняется схема управления АРЧ.

В зависимости от наличия усиления различают АРЧ прямого и непрямого действия. В АРЧ прямого действия датчик часто­ты вращения воздействует на регулирующий орган непосредственно, а в АРЧ непрямого действия - через усилитель (сервомотор).

АРЧ прямого действия применяются для ГА небольшой мощности. На большинстве современных судов применяются двухимпульсные ГА.

Более подробная классификация АРЧ приведена в таблице 3.1.

Изменение положения регуляторных характеристик АРЧ

Для равномерного распределения активных нагрузок при парал­лельной работе СГ необходимо иметь возможность:

1. изменять наклон ( статизм ) регуляторных характеристик;

2. перемещать характеристики параллельно самим себе.

Наклон ( статизм ) характеристик устанавливается в процессе настройки АРЧ и в процессе эксплуатации не изменяется.

Параллельное перемещение характеристики обеспечивается установкой регулирующего органа в новое фиксированное положение. Если этому положению соответствует увеличение подачи топлива (пара), регуляторная характеристика перемещается вверх, если умень­шение - вниз.

Таким образом, параллельное перемещение регуляторных характеристик происходит каждый раз после включения генератора на шины с целью последующего перевода или распределения активной нагрузки.

Изменяют положение регулирующего органа с помощью серводвигателя – электрического двигателя постоянного или перемен­ного тока небольшой мощности.

Управление серводвигателем осущест­вляется вручную (оператором) или автоматически. Для обеспечения устойчивой параллельной работы генераторов и равномерного распре­деления активной нагрузки статизм регуляторных характеристик дизелей должен быть не менее 3 %.

Регуляторы, имеющие гибкую обратную связь по частоте враще­ния, совмещают свойства статического и астатического регуляторов, однако не могут применяться при параллельной работе ДГ. В этом случае используют регуляторы, которые имеют жесткую обратную связь с регулируемой степенью статизма. Такие регуляторы являются универсальными.