Регулятор частоты вращения вала энергетической установки

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 1/00, 41/ 51)5 Р ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТПРИ ГКНТ СССР ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) Авторское свидетельство СССР М 1254188, кл, Р 02 О 41/00, 1986,(54) РЕГУЛЯТОР ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ВАЛА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ (57) Использование: энергомашиностроение и автономные злектрознергетические установки, С целью повышения быстродействия регулирования в состав регулятора введены преобразователь 9 напряжение генератора 8, источник 10 опорного напряжения и пороговый коммутатор 11. обеспечивающие формирование управляющего воздействия через сумматор 5, усилитель-ограничитель 6 и исполнительный орган 7 на рейку топливногонасоса приводного двигателя генератора 2, Причем управляющее воздействие формируется как по отклонению частоты вращения датчика 1, кинематически связанного с валом приводного двигателя 2, так и по отклонению напряженияия генератора 8. П ри незначительных изменениях нагрузки регулирование осуществляется по линейному закону, при значительных изменениях нагрузки - по релейному закону, что обеспечивает экстремальные значения подачи топлива в отдельных фазах переходного процесса 5 ил10 15 Изобретение относится к энергомашиностроению, в частности к системамавтоматического регулирования энергетическими установками, и может быть использовано для регулирования частотывращения вала дизель-генератора.Известны системы стабилизации частоты установок с синхронными генераторами,которые содержат центробежные и электронные регуляторы с постоянным задающим воздействием. Эти системывыполнены в виде контуров стабилизациичастоты вращения вала двигателей внутреннего сгорания.Недостатком таких устройств являетсянизкое быстродействие в переходных режимах.Наиболее близкой к изобретению является система, содержащая измеритель частоты вращения, задающее устройство,сумматор, формирователь сигнала управления, усилитель мощности и исполнительноеустройство подачи энергоносителя, образующие контур регулирования по отклонениючастоты, датчик активной нагрузки и формирователь импульса сброса-наброса нагрузки, образующие контур регулирования повозмущению, Управление в переходном пережиме исполнительным органом подачиэнергоносителя осуществляется суммарным сигналом контура регулирования по отклонению частоты и канала регулированияпо возмущению.Недостатком прототипа является низкое быстродействие при значительных набросах (сбросах) нагрузки, Это обусловленотем, что в прототипе реализован пропорциональный закон формирования управляющего воздействия.Цель изобретения - повышение быстродействия,Указанная цель достигается. тем, что визвестное устройство, содержащее датчикчастоты вращения, кинематически связанный с валом приводного двигателя, датчикактивной нагрузки, задатчик напряжения,сумматор, усилитель-ограничитель и исполнительный орган, выход которого соединенс рейкой топливного насоса приводногодвигателя генератора, причем выход сумматора соединен с входом усилителя-ограничителя, выход которого соединен с входомисполнительного органа, выход задатчиканапряжения соединен с первым неинвертирующим входом сумматора, второй инвертирующий вход которого соединен свыходом датчика частоты, дополнительновведены преобразователь напряжения генератора, источник опорного напряжения ипороговый коммутатор, причем выход дат 20 25 30 35 40 45 50 55 чика активной нагрузки соединен с первым входом порогового коммутатора, второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, выход порогового коммутатора соединен с третьим неинвертирующим входом сумматора, четвертый инвертирующий вход которого соединен с выходом преобразователя напряжения, соединенного с выходом генератора. На фиг,1 представлена функциональнаясхема регулятора; на. фиг,2 - статические характеристики датчика активнои нагрузки и датчика частоты вращения; на фиг.3 - статическая характеристика усилителя-ограничителя; на фиг.4 - вариант исполненияисполнительного органа; на фиг.5 - временные диаграммы сигналов на выходах отдельных элементов регулятора,Регулятор частоты вращения вала энергетической установки содержит датчик 1 частоты вращения, кинематически связанный с валом приводного двигателя 2, датчик 3 активной нагрузки, задатчик 4 напряжения, сумматор 5, усилитель-ограничитель б и исполнительный орган 7, выход которого соединен с рейкой топливного насоса приводного двигателя 2 генератора 8, причем выход сумматора 5 соединен с входом усилителя-ограничителя б, выход которого соединен с входом исполнительного органа 7, выход задатчика 4 напряжения соединен с первым неинвертирующим входом сумматора 5, второй инвертирующий вход которого соединен с выходом датчика 1 частоты. В состав регулятора входят также преобразователь 9 напряжения генератора, источник 10 опорного напряжения и пороговый коммутатора 11, причем выход датчика 3 активной нагрузки соединен с первым входом порогового коммутатора 11, второй вход которого соединен с выходом источника 10 опорного напряжения, выход порогового коммутатора 11 соединен с третьим неинвертирующим входом сумматора 3, четвертый инвертирующий вход которого соединен с выходом преобразователя 9 напряжения, соединенного с выходом генератора 8,На фиг,2 приведена статическая характеристика датчика активной нагрузки в виде зависимости Он = 1(Р,) (кривая 1), где 0 - выходной сигнал датчика; Рн - активная мощность. В качестве датчика активной нагрузки используется трехфазная схема, выполненная по принципу амплитудно-фазового компаундирования с учетом фазы и амплитуды токов и напряжений,На фиг.2 приведены статические характеристики датчика частоты вращения (кривые 3, 2 на фиг.2). Датчик совмещает в себе5 10 15 20 25 30 40 50 55 две функции; функцию датчика частоты вращения и функцию задатчика оптимальной зависимости между нагрузкой и частотой вращения. Оптимальные зависимости числа оборотов от нагрузки определяются заранее известными методами, т.е. зависимость и = 1(Рн) характеризует все скоростные режимы п для всех возможных нагрузок, такие, что имеет место минимум расхода топлива. Очевидно, что зависимость, обратная зависимости и = 1(Рн), т.е. Рн = 1(п) характеризует значения оптимальных нагрузок для имеющихся (текущих) скоростных режимов, Эта зависимость может быть как линейная, так и нелинейная (кривая 2, 3). Статическая характеристика датчика деформируется таким образом, чтобы полностью совпадать с оптимальной зависимостью Р = 1(п). Таким образом, сигнал О м(фиг.2) на выходе датчика 1 частоты вращения (фиг,1) характеризует величину оптимальной нагрузки Рдля текущего значения частоты вращения приводного двигателя, В случае линейной зависимости в качестве датчика может использоваться тахогенератор, наклон статической характеристики которого выбирается включением соответствующего сопротивления в цепь якоря. В случае нелинейной зависимости в цепь тахогенератора включается любой тип стандартных функциональных преобразователей, реализующих требуемую нелинейность с высокой точностью аппроксимации,Датчики 3 и 1 активной нагрузки и частоты вращения подстроены таким образом,что сигналы О и смогут быть равны лишь при частоте вращения, оптимальной для данной нагрузки силовой установки. При любых отклонениях частоты вращения от оптимального значения равенство этих сигналов не будет выполняться (при этом статическая ошибка регулирования не учиты вается),На фиг.З предстаалена статическзя характеристика усилителя-ограничителя 6, который может быть выполнен по любой схеме линейных усилителей постоянного тока, в которой путем соответствующего подбора элементов возможно максимальное сужение линейного участка, Диапазон линейного участка выбирается минимальным по условиям сохранения устойчивости силовой установки в переходных процессах.В качестве порогового коммутатора 11 могут использоваться диоды, образующие связь источника 10 опорного напряжения с выходом датчика 3 активной нагрузки в режиме подпора, т,е. на вход суммирующего усилителя 5 всегда подается большее напряжение из Оно и О (фиг.1). На фиг,4 представлен вариант исполнения исполнительного органа 7. В его состав входит серводвигатель с исполнительным поршнем 21, шток которого соединен с рейкой 20 топливного насоса, Управление положением сервопоршня осуществляется посредством перемещения золотника 19, который при перемещении подключает соответствующие полости серводвигателя к магистралям высокого давления 17 и низкого давления 18, Высокое давление в магистрали 17 создается насосом 16, Перемещения золотника 19 управляются перемещением штока, который связан с якорем электромагнита 14 и упругой пластины 15. Под воздействием напряжения Оу, подаваемого на обмотку электромагнита 13, якорь электромагнита 14 перемещается, управляя при этом положением золотника и, следовательно, положением поршня 21 и рейки 20 топливного насоса приводного двигателя,Регулятор работает следующим образом,На холостом ходу на 1, 2 и 4 входы сумматора 5 поступают сигналы Ои, Ор Ою соответственно с выходов элементов 4, 1, 9. При этом сигнал. с выхода датчика 3 активной нагрузки О = О, пороговый коммутатор 11 подключает к входу 3 сумматора 5 выход источника 10 опорного напряжения. На выходе сумматора 5 формируется управляющий сигналОи - Ои+ Оно - Оцй,значение которого таково, что усилитель-ограничитель 6 работает на линейной части своей статической характеристики (фиг,3) и реализуется пропорциональный закон управления.Под воздействием напряжения Оу (соответствующего Оу), подаваемого на обмотку 13 электромагнита (фиг.4), за счет электромагнитной силы Г 1 якорь 14 перемещается до установления баланса силы Р и силы Г 2 сопротивления упругой пластины 15. При этом изменяется положениезолотника 19, подключающего соответствующие полости серводвигателя к магистралям 17 и 18, В результате перемещения поршня 21 переместится топливная рейка 20 и изменится цикловая подача топлива приводного двигателя. Управляющее воздействие в виде напряжения Оу будет близко к нулю, если сигналы Ои и Ои, а также Оно и ОьдбудутФравны с точностью до статической ошибки регулирования, Таким образом. частота вращения энергетической установки будет отрегулирована относительно уровня1740734 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 напряжения Оно, т.е. будет работать на минимальной устойчивой частоте.На малых нагрузках (десятые доли от номинальной) напряжение с датчика 3 активной нагрузки О по-прежнему меньше напряжения источника 10 опорного напряжения Оно, т.е. ОнОно. Следовательно, пороговый коммутатор 11 по-прежнему подключает к сумматору 5 выход источника 10 опорного напряжения, и процесс регулирования остается неизменным.В момент т 1 (фиг.5) происходит наброс нагрузки. Это приводит к мгновенному провалу напряжения на выходе генератора, который фиксируется преобразователем напряжения (сигнал Ои). В момент т ток нагрузки остается еще неизменным. Поскольку датчик активной нагрузки предполагает перемножение сигналов, характеризующих ток и напряжение, то в момент т провал напряжения будет повторен на выходе датчика 3 активной нагрузки (сигнал Он). При этом Он станет больше Оо, и пороговый коммутатор 11 подключит 3-й вход сумматора 5 к выходу датчика 3 активной нагрузки, Датчик 1 частоты вращения в момент тц зафиксирует провал по частоте (сигнал Од), установившееся же значение сигнала О будет соответствовать оптимальной нагрузке для установившегося значения частоты (согласно статической характеристике фиг,2). На. сумматоре 5 сигФналы Ои, Ои, Он и Оа суммируются, т,е, Осу = Ои Ои+ Он О 4 так что в момент т 1 сигнал Оу переводит усилитель-ограничитель б в релейный режим, обусловленный его статической характеристикой (фиг.1). Ступенчатое воздействие с выхода усилителя-ограничителя в виде сигнала Оу переводит исполнительный орган 7 в экстремальное положение. За счет максимальной цикловой подачи достигается форсировка приводного двигателя, напряжение и ток на выходе электрического генератора возрастают почти прямо пропорционально частоте вращения. Поэтому в последующие моменты тт сигнал Оу начинает убывать, а при ОуОсуг усилитель-ограничитель переходит от релейного к пропорциональному закону управления. При этом регулирование будет производиться относительно нового уровня О, т.е, до равенства Он и сигнала Одс датчика 1 частоты вращения,что будет соответствовать новым оборотам, оптимальным для данной величины нагрузки,В случае сбросов нагрузки, при которых имеют место мгновенные всплески выходного напряжения (момент т 2 фиг.5), управление осуществляется аналогичным образом, причем ступенчатое воздействие на исполнительный орган будет иметь обратный знак.Таким образом, при набросах (сбросах) нагрузки практически мгновенно (в момент начала изменения напряжения) регулятором формируется ступенчатое (а не монотонно изменяющееся, как в прототипе) управляющее воздействие, Такой тип воздействия на исполнительный орган подачи топлива сокращает время перехода приводного двигателя на новый скоростной режим при изменениях нагрузки,Формула изобретения Регулятор частоты вращения вала энергетической установки, содержащий датчик частоты вращения, кинематически связанный с валом приводного двигателя, датчик активной нагрузки, задатчик напряжения, сумматор, усилитель-ограничитель и исполнительный орган, выход которого соединен с рейкой топливного насоса приводного двигателя генератора, причем выход сумматора соединен с входом усилителя-ограничителя, выход которого соединен с входом исполнительного органа, выход задатчика напряжения соединен с первым неинвертирующим выходом сумматора, второй инвертирующий вход которого соединен с выходом датчика . частоты, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения быстродействия регулирования, в состав регулятора введены преобразователь напряжения генератора, источник опорного напряжения и пороговый коммутатор, причем выход датчика активной нагрузки соединен с первым входом порогового коммутатора, второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, выход порогового коммутатора соединен с третьим неинвертирующим входом сумматора, четвертый инвертирующий вход которого соединен с выходом преобразователя напряжения, соединенного с выходом генератора,1740734 Р Х Составитель В. Гре Техред М,Моргента Редакто рректор Н. Ревская меш аказ 2066 ТиражВНИИПИ Государственного комитета113035, Москва, Ж КНТ СС зводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагари У,Ю ф