Главная

Популярная публикация

Научная публикация

Случайная публикация

Обратная связь

ТОР 5 статей:

Методические подходы к анализу финансового состояния предприятия

Проблема периодизации русской литературы ХХ века. Краткая характеристика второй половины ХХ века

Ценовые и неценовые факторы

Характеристика шлифовальных кругов и ее маркировка

Служебные части речи. Предлог. Союз. Частицы

КАТЕГОРИИ:






Средне индикаторное давление 2 страница




2. Регуляторы систем автоматического регулирования тепловым двигателем.

3. Способы управления тепловым двигателем.

4. Особенности регулирования газотурбинной установки.


Автоматизация управления режимами работы оборудования на подвижном составе позволяет обеспечить наиболее полное использование оборудования и наибольшую экономичность его работы, облегчить операции по управлению подвижным составом с тем, чтобы не отвлекать машиниста от наблюдения за путевыми сигналами и условиями движения, повысить безопасность движения, а также срок службы оборудования путем ограничения режимов работы подвижного состава и элементов его оборудования допускаемыми пределами.

Автоматизация режимов работы основных элементов оборудования направлена, прежде всего, на:

– автоматическое изменение э. д. с. генератора с целью наибольшего использования мощности теплового двигателя;

– программное регулирование момента сопротивления генератора для работы теплового двигателя при наибольшей экономичности;

– сохранение приблизительно постоянной силы тока в процессе разгона поезда;

– автоматическое изменение возбуждения тяговых электродвигателей и др.

Параметрическим или разомкнутыми системами регулирования присуще то, что они устанавливают определенные функциональные зависимости между некоторой величиной, характеризующей внешнее для данной машины воздействие (ток нагрузки, скорость и т. п.), и некоторым регулирующим параметром (магнитный поток и др.). В свою очередь регулирующий параметр функционально связан с той величиной, которая должна поддерживаться постоянной или изменяться по заданному закону (мощность, крутящий момент, напряжение и т.п.). Ее можно назвать регулируемой величиной. При изменении внешнего воздействия меняется регулирующий параметр и регулируемая величина устанавливается близкой к заданной.

Их основной недостаток заключается в том, что регулируемая величина зависит, как правило, не только от той величины, связь с которой установлена системой регулирования, но и от других факторов, воздействие которых вносит существенные погрешности. В принципе, возможно, осуществить параметрическое регулирование по всем воздействиям (температуре и давлению наружного воздуха, температуре обмоток, вспомогательной нагрузке и т. п.). Но такая система была бы чрезмерно громоздкой. Кроме того, не для всех воздействий можно реализовать зависимость, близкую к требуемой.

Замкнутые системы автоматического регулирования, в которых сигналом для регулирования является отклонение самой регулируемой величины от заданной программы, по какой бы причине это отклонение ни происходило. Регулирующий параметр изменяется так, чтобы происшедшее отклонение было устранено и регулируемая величина приблизилась к заданной (с некоторой погрешностью).

Основное отличие такой системы от параметрической заключается в наличии узла сравнения и в том, что выход регулятора через регулирующий параметр и регулируемую величину соединен со входом и основная цепь регулирования замкнута. Точность регулирования определяется в основном погрешностями в измерении действительного значения регулируемой величины и ее разности с заданной. Система реагирует на любые воздействия, изменяющие заданную или регулируемую величину.

Необходимость автоматического регулирования тепловых двигателей возникает в основном в следующих случаях:

– если сохранение постоянной угловой скорости вала двигателя необходимо по условиям работы приводного механизма;

– если без регулятора тепловой двигатель работает неустойчиво или нестабильно;

– для ограничения максимальной угловой скорости, в частности при разгрузке.

Во всех случаях регулирующим параметром является подача топлива и регулируемой величиной – угловая скорость.

В подвижном составе поддержание постоянной угловой скорости теплового двигателя путем изменения подачи топлива не является необходимым. Наоборот, при изменении подачи топлива желательно изменение угловой скорости, но это связано с регулированием нагрузки и не может решаться только регулятором теплового двигателя, как это будет показано ниже.

Рассмотрим условия устойчивой работы теплового двигателя с нагрузкой исходя из уравнения движения в общей форме

где J – момент инерции движущихся масс двигателя и приводимого механизма, приведенный к валу двигателя; Мс – момент сопротивления нагрузки.

Крутящий момент теплового двигателя Мд зависит от угловой скорости ω и от подачи топлива G, т. е. от положения х регулирующего органа (реек топливных насосов дизеля, топливного клапана газотурбинной установки). В общем случае зависимость Мд (х) (рис. 3.1) является нелинейной; но близкой к прямой. Координата х регулирующего органа изменяется от х1 (минимальная подача топлива при холостом ходе) до х2 (максимальная подача топлива).

Момент сопротивления приводимого механизма в общем случае определяется угловой скоростью, но может зависеть и от других величин, например, в подвижном составе с механической передачей – от сопротивления движению поезда и от передаточного отношения передачи, при гидродинамической передаче – от угловой скорости входного и выходного валов, момента на выходном валу и т. п., при электрической передаче – от магнитного потока и тока. Некоторые из этих зависимостей могут быть выражены аналитически, другие задаются графиками.

Для определения условий устойчивости в каждом отдельном случае надо исследовать уравнение движения с учетом этих зависимостей. Чтобы выяснить общие условия устойчивости системы при малых отклонениях от установившегося режима, в теории автоматического регулирования прибегают к линеаризации уравнений посредством разложения функций в ряд Тейлора с сохранением лишь членов первого порядка. Такое разложение допустимо, если уравнение не содержит существенных нелинейностей, пренебрежение которыми может исказить характер процесса даже при малых отклонениях.

Применяя этот метод, можно представить момент двигателя и момент сопротивления в следующей форме:

и

где Мд уст = МС уст – величины моментов дизеля и сопротивления в установившемся режиме работы;

– частные производные моментов по соответствующим переменным, определяемые аналитически или графически для установившегося режима; Δ МС1 – отклонение момента сопротивления под действием других величин.

Для каждого приводного механизма следует заменить ∆ М с1 разложением по величинам, от которых зависит его момент.

Используя эти разложения, получим уравнение движения в абсолютных отклонениях:

(3.1)

Положив

,

(реально это может быть осуществлено либо увеличением подачи топлива, либо выключением вспомогательной нагрузки, например тормозного компрессора. При обратных операциях отклонение а будет отрицательным) имеем

,

где и

где пдуст установившееся значение угловой скорости вала теплового двигателя.

Решение уравнения интегрированием

при Ад >0 (рис. 3.2, а)

;

при Ад <0 (рис. 3.2, б)

;

при Ад =0 (рис. 3.2, в)

Только в первом случае отклонение скорости в переходном процессе стремится к установившемуся значению (рис. 3.2, а)

Условием устойчивой работы теплового двигателя с нагрузкой без регулятора является неравенство Ад> 0.

В приведенном анализе принято, что крутящий момент двигателя и момент сопротивления изменяются по статическим характеристикам без отставания во времени от отклонения скорости, что свойственно механической передаче и гидродинамической передачам.

При электрической передаче момент сопротивления генератора зависит от магнитного потока и тока нагрузки, которые в большинстве случаев меняются при изменении угловой скорости, но с отставанием от нее во времени вследствие магнитной инерции цепи возбуждения генератора и силовой цепи. Момент сопротивления генератора при разложении в ряд Тейлора:

где МГ уст, ФГ уст и IГ уст – значения МГ, Ф Г и IГ при установившемся режиме.

Уравнение движения двигатель-генератора в абсолютных отклонениях имеет вид

(3.2)

Величина ∆ М C2 включает в себя отклонения момента сопротивления (и момента двигателя) по причинам, не связанным с отклонениями величин, указанных в правой части равенства (например, вследствие изменения вспомогательной нагрузки и т. д.). Из уравнения (3.2) следует, что если магнитный поток и ток не зависят от угловой скорости, двигатель-генератор может работать устойчиво только в той части внешней характеристики двигателя, для которой

.

При пологой внешней характеристике дизеля отклонение может оказаться большим даже при малом изменении нагрузки, и, следовательно, работа двигатель-генератора будет нестабильной.

Установившееся отклонение при постоянном отклонении правой части в этом случае равно

.

При малых скоростях крутящий момент на валу дизеля и момент потерь растут при увеличении скорости. Но так как крутящий момент равен разности индикаторного момента и момента потерь, то повышение его свидетельствует о более интенсивном росте индикаторного момента. Следовательно, работа теплового двигателя при холостом ходе неустойчива и для этого режима регулятор необходим.

Внезапная разгрузка теплового двигателя, работающего при высокой мощности, вызывает резкое повышение угловой скорости вследствие пологой характеристики Мд(пд), что опасно не только из-за механических нагрузок, но и вследствие неполного сгорания топлива (отложение твердых остатков его на форсунке, клапанах и т. п.). В подвижном составе внезапное снятие или резкое снижение нагрузки возможно при боксовании колес, срабатывании защитных устройств, вследствие неправиль­ных операций машиниста и т. п. Поэтому установка регулятора, ограничивающего наибольшую угловую скорость теплового двигателя, необходима.

Таким образом, автоматическое регулирование скорости дизеля необходимо по меньшей мере для режимов холостого хода и наибольшей угловой скорости. Для рабочих режимов вопрос об автоматическом регулировании двигателя связан с системой передачи и может быть различно.


Регуляторы служат либо для поддержания постоянной угловой скорости теплового двигателя, либо для изменения ее по заданной программе. Как правило, в транспортных тепловых двигателях они используются для поддержания постоянной скорости. Следует отметить, что регуляторы не могут обеспечить строгого постоянства скорости, а лишь ограничивают ее изменение в некоторых пределах, близких к заданному значению. Часто в регуляторах предусматривается возможность изменения значения скорости, поддерживаемой регулятором, т. е. изменения его настройки. Регулятор постоянной скорости может быть превращен в программный, если настройка изменяется автоматически при изменении нагрузки или какого-либо другого воздействия на двигатель или регулятор.

Регулятор в общем случае состоит из измерительного органа, усилителей, преобразователей, исполнительного органа и связей между отдельными элементами. Регулятор без усилителей с перемещением исполнительного органа за счет энергии измерительного органа, называется регулятором прямого действия.

Регулятор, в котором для перемещения исполнительного органа используется энергия постороннего источника, передаваемая через усилитель, называется регулятором непрямого действия, а регулирование – непрямым.

Измерительный орган (или кратко «измеритель») состоит из датчика скорости (часто называемого «чувствительным элементом»), который измеряет действительную угловую скорость вала двигателя, устройства, задающего требуемое значение скорости (уровень регулируемой величины), и узла сравнения этих двух значений. При отклонении угловой скорости от заданного уровня в ту или другую сторону измеритель подает сигнал для перемещения исполнительного органа в направлении, при котором отклонение устраняется.

По типу датчика различают измерители:

– центробежные – датчиком являются центробежные грузы; изменение угловой скорости вызывает перемещение их, которое используется в качестве сигнала, характеризующего действительную скорость;

– электрические – датчиком обычно служит тахогенератор постоянного или переменного тока; сигналом является изменение напряжения или частоты тока тахогенератора при отклонении угловой скорости;

– гидравлические – датчиком служит гидронасос; в качестве регулирующего сигнала используется отклонение давления рабочей жидкости, зависящего от угловой скорости;

– пневматические – в качестве сигнала используется повышение давления или разрежение, воздействующее на упругую мембрану.

В центробежных измерителях задаваемая величина угловой скорости определяется усилием нажатия пружины, противодействующим центробежной силе вращающихся грузов. Исполнительный орган регулятора служит для приведения в действие регулирующего органа двигателя. В дизелях таким органом являются рейки топливных насосов, перемещение которых изменяет подачу топлива за цикл.

В регуляторах прямого действия шток соединен с муфтой измерительного органа, а в регуляторах непрямого регулирования – с поршнем сервомотора (чаще всего гидравлического).

Нередко для обеспечения устойчивой работы или улучшения качества регулирования (ускорения процесса регулирования, уменьшения статических или динамических отклонений) вводят дополнительные (положительные либо отрицательные) связи между элементами системы регулирования.

Центробежный регулятор прямого действия.

На рис. 3.3 изображена кинематическая схема простейшего центробежного регулятора прямого действия. Грузы 3 шарнирно укреплены на тарелке 7, которая через зубчатую передачу приводится во вращение от вала двигателя.

Центробежные силы инерции, приложенные к грузам при их вращении, передаются через коленчатый рычаг 5 и подшипник 6 на муфту, 4 регулятора. Между муфтой 4 и опорой 1 помещена пружина 2, имеющая предварительное сжатие. Муфта 4 укреплена так, что может перемещаться только вертикально. Все перечисленные элементы относятся к измерительному органу, который используется в различных типах регуляторов. В регуляторе прямого действия шток 8 соединен с регулирующим органом 10 (рейками топливных насосов или топливным клапаном) посредством рычага 9 и является одновременно выходным элементом измерительного органа и исполнительным органом. Регуляторы, у которых ось поворота грузов перпендикулярна оси вращения их, называются коническими, а регуляторы, в которых эти оси параллельны, — плоскими. В некоторых регуляторах нажатие пружины приложено не к муфте, а к грузам или рычагам, на которых установлены грузы.

Когда нагрузка двигателя уменьшается, угловая скорость его вала растет и грузы расходятся. Муфта поднимается и уменьшает подачу топлива так, чтобы крутящий момент двигателя соответствовал новому моменту нагрузки. Установившийся режим работы двигателя возможен при соблюдении двух условий: крутящий момент двигателя должен равняться моменту сопротивления нагрузки, силы, действующие на муфту регулятора, должны взаимно уравновешиваться.

На муфту регулятора, помимо центробежной силы инерции грузов, действуют сила нажатия пружины Fпр, вес муфты и пружины, а также часть веса грузов и рычагов. Обозначим через приведенный к муфте вес всех действующих на нее частей регулятора. Сила

называется поддерживающей силой регулятора. Она зависит от положения муфты, так как, например, при поднятии муфты увеличивается нажатие пружины. Сила Q при этом также изменяется вследствие изменения положения грузов и рычагов. Зависимость F(z), где z — координата положения муфты, называется характеристикой поддерживающей силы регулятора.

Центробежная сила, действующая на грузы, равняется

где ωД — угловая скорость вращения вала двигателя; r - радиус вращения центра тяжести груза; kгр — величина, зависящая от массы грузов и подвижных частей регулятора, связанных с ними, а также от передаточного отношения между валом двигателя и осью вращения грузов.

Муфта регулятора может совершать лишь относительно небольшие перемещения, ограниченные упорами. При малых перемещениях величина kгр меняется весьма мало. Перемещение муфты приблизительно пропорционально изменению радиуса r. Если условно принять за начало отсчета координаты z муфты точку, соответствующую z = 0, то приведенная к муфте центробежная сила

где kц — величина, зависящая от kгр, соотношения длины плеч рычага 5 и его положения.

Практически в применяемых регуляторах k ц изменяется мало, и для качественного анализа можно принять его постоянным. Тогда при постоянной угловой скорости характеристика центробежной силы С(z) может быть изображена прямой линией, проходящей через начало координат (рис. 3.4).

Если пренебречь трением в подвижных частях регулятора, то при установившемся режиме работы центробежная сила должна уравновешивать поддерживающую силу регулятора:

Положение динамического равновесия регулятора (т. е. вращения при z=соnst) соответствует точке пересечения характеристик поддерживающей и центробежной сил.

Когда муфта поднимается, пружина сжимается и поддерживающая сила увеличивается. Угол наклона характеристики поддерживающей силы может быть больше (рис. 1.34, линия F2) или меньше (линия F1) угла наклона характеристики центробежной силы по отношению к оси абсцисс. В первом случае измеритель обладает устойчивой статической характеристикой, так как при выведении муфты из положения равновесия (точка А ), например, при увеличении z до z′ появляется разность сил F - С, стремящаяся вернуть муфту в положение равновесия. Во втором же случае при характеристике поддерживающей силы, соответствующей линии ,АВ1, появляется разность сил С - F, стремящаяся к удалению муфты от положения равновесия. Такой измеритель статически неустойчив.

Тангенс угла наклона характеристики С(z) пропорционален . При устойчивой характеристике измерителя каждому положению муфты соответствует определенное установившееся значение угловой скорости. Положение муфты регулятора практически может изменяться от некоторого минимального значения z1, соответствующего максимальной подаче топлива, до максимального значения z2, при котором подача топлива будет минимальной (см. рис. 3.5). При заданной характеристике поддерживающей силы этим значениям соответствуют точки А и В. Так как в установившихся режимах центробежная сила равна поддерживающей, положение характеристики центробежной силы при изменении z должно изменяться от С1 до С2. Следовательно, угловая скорость изменяется с изменением положения исполнительного органа, которое в свою очередь определяется нагрузкой двигателя.

Определение. Регуляторы, у которых регулируемая величина является функцией нагрузки, называются статическими.

Если характеристика центробежной силы на участке от z1 до z2 совпадает с характеристикой поддерживающей силы, то nД2 = пД1, то он может поддерживать постоянную скорость независимо от нагрузки.

Определение. Регуляторы, у которых регулируемая величина не зависит от нагрузки, называются астатическими.

В предыдущих уравнениях силы трения не учитывались. В реальном регуляторе при перемещении муфты возникает сила трения в регулирующем органе (рейка и плунжер топливного насоса или дроссельная заслонка), в механизме регулятора и в передаточном механизме между регулятором и регулирующим органом. Она направлена всегда против движения муфты. При движении муфты вверх центробежная сила должна преодолеть поддерживающую силу и силу трения (рис. 3.6).

Следовательно, при увеличении угловой скорости муфта начнет движение вверх не сразу после начала изменения скорости, а после того, как центробежная сила превысит значение, подсчитанное по формуле

где Rс тр – сила сухого трения при неподвижной муфте.

При снижении угловой скорости муфта начнет опускаться, когда при том же начальном z поддерживающая сила, являющаяся движущей, станет больше суммы центробежной силы и силы трения или

При работе дизеля в связи с периодическим характером рабочего процесса наблюдается вибрация движущихся частей его, которая часто передается исполнительному органу регулятора. Эта вибрация в значительной мере уменьшает влияние сухого трения, и во многих случаях им можно пренебречь.

Для уменьшения статизма иногда вводят в регулятор масляный катаракт (рис. 3.7), поршень 12 которого через пружину 11 и рычаг 9 присоединен к штоку 8 регулятора. Если отверстие А, соединяющее пространства над и под поршнем, достаточно мало, то при быстром перемещении штока центробежная сила преодолевает сопротивление не только пружины 2, но и пружины 11, и, следовательно, характеристика поддерживающей силы становится временно круче, что облегчает условие устойчивой работы. К концу переходного процесса пружина 11 разгружается, и статическая ошибка зависит от жесткости пружины 2, которая при наличии катаракта может быть выбрана меньшей, чем без него. Катаракт может быть также присоединен жестко к рычагу 9, при этом он усиливает вязкое трение в регуляторе.

Пусть в регуляторе рис. 3.3 кроме сухого, имеется вязкое трение (например, катаракт, непосредственно соединенный с рычагом 9).

Условие равенства сил, действующих на муфту регулятора во время его движения, определяется уравнением

(3.2)

где тм – масса подвижных частей измерительного органа, приведенная к муфте; – сила вязкого трения; знак sign противоположен знаку скорости перемещения муфты; kв тр, – коэффициент, зависящий от вязкости смазывающей жидкости и параметров катаракта.

Учитывая, что центробежная сила зависит от угловой скорости и координаты муфты, а поддерживающая сила – только от координаты муфты, напишем, как обычно, разложение их в ряд Тейлора с сохранением лишь членов с первой степенью производной:

После подстановки в уравнение движения (3.2) и вычитания из него уравнения установившегося режима получим (с учётом того, что ) уравнение измерительного органа в абсолютных отклонениях:

(3.3)

где

Условием устойчивой работы, как известно, является положительность всех коэффициентов левой части. Так как mм и kв тр всегда положительны, условие устойчивой работы отдельно взятого регулятора прямого действия может быть представлено неравенством

B >0,

т. е., как показано на рис. 3.4, характеристика поддерживающей силы должна быть круче характеристики центробежной силы.

Если пренебречь массой грузов и трением, получим приближенное уравнение измерительного органа:

(3.5)

В этом случае перемещение муфты линейно зависит от отклонения угловой скорости, и обе величины меняются одновременно.

Для выяснения условий устойчивой работы регулятора с тепловым двигателем нужно совместно исследовать уравнения движения их. Предварительно необходимо вывести уравнения связи между регулятором и регулирующим органом двигателя. При соединении муфты регулятора с регулирующим органом посредством жестких рычагов уравнение связи между регулятором и двигателем можно записать в виде

x=- aиz или ∆x=- aи∆z, (3.6)

где аи коэффициент, зависящий от соотношения плеч и взаимного положения рычагов; х – координата регулирующего органа.

Знак «минус» введен потому, что для координаты регулирующего органа положительным принято направление в сторону увеличения подачи топлива, а для координаты муфты – направление перемещения при расхождении грузов, когда подача топлива должна уменьшаться.

Рассмотрим работу двигателя с регулятором прямого действия, когда момент сопротивления зависит только от угловой скорости. В этом случае система описывается тремя уравнениями: (3.1), (3.3), (3.6).

Установим сначала условия устойчивости при приближенном уравнении (3.5) измерительного органа. Исключив из системы уравнений переменные ∆ x и ∆ z, получим приближенное уравнение движения двигателя с регулятором прямого действия:

Условие устойчивой работы в этом случае определяется неравенством

Сопоставляя это неравенство с условиями устойчивой работы теплового двигателя без регулятора > 0) и регулятора без двигателя (В > 0), следует отметить более широкие возможности их совместной работы, так как возможна устойчивая работа при Aд < О, если В > О, и наоборот: при В <0, если Ад > 0.Если обе величины меньше нуля, система неустойчива.

Установившееся отклонение скорости при постоянном отклонении момента сопротивления равно

При увеличении В статическая ошибка возрастает, как это видно и по статическим характеристикам. Наоборот, увеличение коэффициента саморегулирования снижает статическую ошибку. Таким образом, увеличение Aд полезно и для динамики, и для повышения точности регулирования.






Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском:

vikidalka.ru - 2015-2024 год. Все права принадлежат их авторам! Нарушение авторских прав | Нарушение персональных данных