Регулирование частоты

Частота переменного тока электроэнергетической системы зависит от частоты вращения первичных двигателей синхронных генераторов. Отклонение частоты переменного тока от номинального значения влияет на работу механизмов, аппаратов, приборов, на экономичность работы электроэнергетической системы.

Снижение частоты приводит к уменьшению частоты вращения электродвигателей насосов, вентиляторов, что вызывает значительное понижение их производительности и уменьшение КПД электродвигателей.

Повышение частоты приводит к увеличению потерь в агрегатах и ускоренному износу деталей. Возрастает перегрев электродвигателей, увеличивается потребляемая мощность и т.д.

Таким образом, поддержание постоянства частоты в электроэнергетической системе – основное условие нормальной работы потребителей электроэнергии. Кроме того, первичные двигатели (паровые и газовые турбины, дизели) рассчитывают на максимально возможную мощность на валу при номинальной частоте вращения. Требования к точности поддержания частоты в статических и динамических режимах изложены в § 2 главы 1.

Механизмы регулирования частоты вращения у тепловых двигателей различны.

В дизеле процесс регулирования заключается в подаче определенной дозы топлива, зависящей от угла поворота коленчатого вала (выполняются функции дозирования и фазирования), и в распыливании его топливными насосами высокого давления (ТНВД). Этот процесс осуществляется посредством воздействия на ТНВД топливной рейки.

На рис. 38 показан упрощенный механизм регулирования частоты вращения у паровой турбины.

Несмотря на указанные различия, принципы формирования управляющих воздействий при стабилизации частоты вращения у применяемых первичных двигателей одинаковы.

Рис. 38. Упрощенный механизм регулирования частоты вращения паровой турбины

В настоящее время применяют регуляторы частоты вращения (РЧВ) следующих типов:

– по отклонению: частоты вращения и частоты сети;

– комбинированные: двухимпульсные – по отклонению и возмущению (активная составляющая нагрузки); многоимпульсные – по отклонению, возмущению и их производным.

Регуляторы частоты вращения по отклонению.Наибольшее распространение среди регуляторов частоты вращения, работающих по отклонению, получили механические центробежные регуляторы. Они бывают: прямого действия, в которых сигнал от измерительного элемента через кинематическую рычажную передачу подается на исполнительный орган; непрямого действия, в которых для перемещения регулирующего органа воздействие измерительного элемента усиливается, то есть чувствительный элемент управляет энергией внешнего источника.

Регуляторы прямого действия устанавливают на дизелях малой (до 100 кВт) и, в некоторых случаях, средней мощности (400...500 кВт). На большинстве дизелей средней и на всех дизелях большой мощности находят применение регуляторы частоты непрямого действия.

Любой центробежный регулятор (рис. 39) включает в себя:

– измеритель, преобразующий частоту вращения в перемещение (центробежный маятник, или тахометр, основным элементом которого являются грузы);

– выходной орган (муфту сцепления, или толкатель);

– механизм сравнения (пружину);

– орган задания частоты вращения (верхнюю опору пружины).

Действует это устройство следующим образом: при увеличении частоты вращения вала ωвх возрастает величина центробежной силы, и закрепленные на валу грузы 1 расходятся, поворачиваются на своих осях и, воздействуя на муфту 3, перемещают ее вверх, сжимая при этом пружину 2. На рис. 40 представлена конструктивная схема центробежного регулятора [14] частоты вращения прямого действия. Этот регулятор имеет статическую характеристику. Для изменения угла наклона (статизма) характеристики необходимо менять соотношение плеч «а» и «б» (см. рис. 40).

Рис. 39. Центробежный воспринимающий элемент: 1 – грузы; 2 – пружина; 3 – муфта

Для перемещения характеристики параллельно самой себе нужно менять степень сжатия пружины 5 (уставку), изменяя положение опоры задающего устройства 4. Это можно делать вручную, дистанционно или автоматически, воздействуя на устройство настройки 8 (рис. 40).

Рис. 40. Конструктивная схема регулятора частоты вращения прямого действия: г – величина возможного хода муфты; Р – центробежная сила; Р – сила сжатия пружины

Рис. 41. Изменение статизма (а) и уставки регуляторов частоты вращения первичных двигателей (б)

Рис. 41 иллюстрирует изменение характеристик при указанных выше действиях. В регуляторах непрямого действия для усиления действия измерительного элемента используется серводвигатель. В зависимости от приме-

няемой энергии усиления различают следующие виды усилителей: гидравлические, пневматические электрические и комбинированные.

Традиционно в локальных системах автоматического регулирования энергетических агрегатов и различных механизмов, когда требуется непрерывная надежная работа при сравнительно простых устройств, применяют гидравлические системы.

Из большого числа разного рода гидравлических усилителей наибольшее применение в автоматических устройствах нашли поршневые гидравлические усилители с золотниковым управлением. Они представляют собой усилители мощности в форме механического движения.

На рис. 42 представлена схема астатического регулятора частоты вращения непрямого действия. Из схемы видно, что при неизменной настройке регулятора (положение элемента 4) устойчивое состояние наступает только при одном и том же значении частоты вращения ω – перекрываются каналы золотника 7. Это возможно в том случае, если подача топлива, определяемая положением рейки топливного насоса 6, соответствует новому значению нагрузки. Именно это обстоятельство и обеспечивает такое включение серводвигателя [14].

На рис. 43. представлена схема статического регулятора частоты вращения с жесткой обратной связью. Из схемы видно, что при изменении частоты вращения происходит перемещение штока золотника, который открывает доступ жидкости, находящейся под давлением, в серводвигатель. Движение поршня серводвигателя происходит в сторону, обеспечивающую такую подачу топлива, которая позволяет компенсировать отклонение частоты вращения. Одновременно жесткая обратная связь 7 воздействует на золотник. В результате равновесие наступит уже при другом значении частоты вращения. Таким образом этот регулятор обеспечивает статическую характеристику.

Рис. 42. Конструктивная схема статического регулятора

частоты вращения непрямого действия:

1 – приводной вал; 2 – грузы; 3 – муфта сцепления; 4 – опора западающего устройства; 5 – пружина; 6 – рейка топливного насоса; 7 – жесткая кинематическая связь; 8 – управляющий золотник; 9 – серводвигатель

Рис. 43. Конструктивная схема астатического регулятора

частоты вращения непрямого действия:

1 – приводной вал; 2 – грузы; 3 – муфта сцепления; 4 – опора западающего устройства; 5 – пружина; 6 – рейка топливного насоса; 7 – управляющий золотник; 8 – серводвигатель

На рис. 44 показана конструктивная схема изодромного регулятора с астатической характеристикой. Вначале процесс протекает точно так же, как при статическом регулировании, но в случае увеличения нагрузки сопровождается растяжением пружины 10. Пружина, стремясь вернуть стержень 7 в начальное положение, действует на поршень катаракта, постепенно перемещая его влево (по мере протекания масла из левой части цилиндра в правую). Обратное перемещение стержня 7 вызывает открытие каналов золотника, которое приводит к дальнейшему воздействию на поршень серводвигателя. Процесс будет продолжаться до тех пор, пока не прекратится действие пружины 10. Тогда рейка топливного насоса займет положение, соответствующее нагрузке, золотник перекроет отверстия и изодром займет первоначальное положение. Муфта 3 также займет первоначальное положение, и скорость вращения агрегата будет соответствовать начальному значению – то есть останется постоянной.

Рис. 44. Конструктивная схема изодромного регулятора

частоты вращения непрямого действия:

1 – приводной вал; 2 – грузы; 3 – муфта сцепления; 4 – опора западающего устройства; 5 – пружина; 6 – рейка топливного насоса; 7 – жесткая кинематическая связь; 8 – управляющий золотник; 9 – серводвигатель; 10 – пружина изодрома; 11 – цилиндр изодрома; 12 – жиклер (дроссельный клапан)

Центробежные регуляторы частоты вращения поддерживают частоту с точностью ±2,5% в статических режимах и ±(5 ... 6)% в переходных. Время переходного процесса составляет около 5 с при набросе и сбросе 100% нагрузки. В большинстве случаев такие показатели качества регулирования частоты не удовлетворяют требованиям. К недостаткам таких регуляторов можно также отнести существенную зависимость их характеристик от таких факторов, как трение, вязкость масла и т.д. Различия характеристик даже у однотипных регуляторов усложняют параллельную работу генераторных агрегатов. Поэтому в настоящее время основное место в регулировании частоты занимают двухимпульсные и трехимпульсные электромеханические и электрические регуляторы частоты вращения, построенные на различных принципах.

Двухимпульсные регуляторы частоты вращения. Для повышения точности регулирования частоты вращения первичных двигателей к каналу по отклонению добавляют канал по основному возмущению – активной составляющей нагрузки. Этот канал имеет в составе датчик активной мощности или активного тока и электромагнит определенного типа. Таким образом реализуется принцип комбинированного регулирования.

Двухимпульсные регуляторы частоты позволяют повысить точность регулирования в статических режимах до 0,2 ... 0,3%, в динамических – до 2 ... 3% для дизель-генераторов и менее 2% для турбогенераторов.

В настоящее время двухимпульсное регулирование применяют для всех видов первичных двигателей. Несмотря на то, что первичные двигатели отличаются динамическими характеристиками, задачи измерения нагрузки и введения в схему регулирования соответствующего сигнала могут быть решены одинаковыми способами.

Двухимпулъсный регулятор – это сочетание различных модификаций одноимпульсного регулятора (как правило, механического по отклонению частоты вращения) и электрических элементов, реализующих канал регулирования по активной нагрузке, частоте и т.д. При этом техническая реализация суммирования этих разнородных сигналов может быть различной, но результирующее воздействие прикладывается к топливной аппаратуре первичного двигателя.

В качестве примера рассмотрен двухимпульсный электромеханический регулятор частоты типа Р-23Б [4]. Этот регулятор создан на базе центробежного механического регулятора частоты вращения непрямого действия с изодромной обратной связью (Р-23А). В нем предусмотрена возможность регулирования величины статизма в диапазоне 0 ... 7%, обеспечиваемая изменением отношения плеч рычагов силовой обратной связи.

Регулятор Р-23Б отличается от базовой модели наличием подвижной втулки золотника, выполняющей функцию суммирования разнородных сигналов. Измерителем активного тока служит фазочувствительный мост. Принципиальная схема двухимпульсного электромеханического регулятора частоты вращения типа Р-23Б представлена на рис. 45, где приняты следующие обозначения: 1 – ручка управления частотой вращения; 2 – червячная передача; 3 – электродвигатель для дистанционного управления; 4 – пружина измерителя; 5 – исполнительный золотник стоп-устройства; 6 – управляющий золотник стоп-устройства; 7 – якорь электромагнита стоп-устройства; 8 – обмотка электромагнита стоп-устройства; 9 – рычаг; 10 – камень; 11 – управляемая полость серводвигателя; 12 – рычаг жесткой обратной связи; 13 – большой поршень серводвигателя; 14 – выходной вал регулятора; 15 – измерительный трансформатор напряжения; 16 – трансформатор тока; 17 – рычаг; 18 – малый поршень серводвигателя; 19 – дающий поршень изодрома; 20 – игла изодрома; 21 – золотник электрогидравлического преобразователя; 22 – поршень электрогидравлического преобразователя; 23 – обмотка электромагнита; 24 – клапанный электромагнит; 25 – приемный поршень изодрома; 26 – пружина; 27 – подвижная втулка золотника; 28 – масляный насос; 29 – управляющее окно во втулке; 30 – сливное окно во втулке; 31 – аккумулятор; 32 – золотник; 33 – муфта измерителя; 34 – грузы измерителя.

Далее работа электрической части регулятора рассмотрена более подробно. В режиме холостого хода генератора напряжения в секционированных частях вторичной обмотки трансформатора напряжения TV1 равны между собой и, так как напряжение на сопротивлении R1 равно нулю, напряжения на выходе выпрямительных мостов (VD1 ... VD4 и VD5 ... VD8) также равны между собой. Выходы выпрямительных мостов подключены к обмоткам электромагнита 23 электрогидравлического преобразователя. Электрогидравлический преобразователь включает в себя дифференциальный Ш-образный электромагнит с якорем клапанного типа 24, золотник 21 и поршень 22. Равенство напряжений на обмотках электромагнита уравновешивает его якорь – он находится в исходном горизонтальном положении.

Рис. 45. Принципиальная схема

двухимпульсного электромеханического регулятора

частоты вращения типа Р-23Б

При активной нагрузке генератора (cos φ = 1) напряжение на сопротивлении R1 совпадает по фазе с напряжением одной из частей вторичной обмотки трансформатора TV1 и сдвинуто на 180° относительно другой ее части. В результате появляется разница напряжений на выходах выпрямительных блоков, следовательно, якорь притягивается к стержню электромагнита, на катушке которого напряжение больше. При этом перемещается связанный с ним золотник 21 преобразователя, управляющий движением поршня 22. Поршень 22 воздействует на пружину обратной связи таким образом, чтобы уравновесить электромагнитную силу на якоре. При равенстве сил якорь и золотник возвращаются в исходное положение, а поршень останавливается в новом положении. С поршнем 22 непосредственно связан поршень изодрома 25, выполняющий суммирование сигналов по нагрузке и отклонению частоты вращения.

При реактивной нагрузке генератора (cos φ = 0) напряжение на сопротивлении R1 сдвинуто на 90° относительно напряжений частей вторичной обмотки трансформатора TV1, что соответствует одинаковому увеличению напряжений на выходах выпрямительных блоков, следовательно, отсутствию воздействия на якорь электромагнита.

Применение дифференциального электромагнита с клапанным якорем дает возможность получить значительное тяговое усилие при малых габаритах этого устройства. Постоянная времени нарастания тока в катушке электромагнита составляет 0,016 с, постоянная времени гидроусилителя равна 0,019 с. Испытания этого регулятора показали, что при изменении активной нагрузки на 100% максимальное отклонение оборотов не превосходит 1,6% от номинального, а время переходного процесса не превышает 1 с.