- •Автоматизированные гребные электрические установки
- •Содержание
- •Введение
- •1. Гребные электрические установки (гэу)
- •1.1 Назначение и типы гэу
- •1.2 Сопротивление воды и воздуха движению судна
- •1.3 Судовые движители
- •1.4 Рабочие характеристики винта
- •1.5 Реверсивная характеристика винта
- •2 Выбор основных параметров гэу. Выбор типа гэу
- •2.1 Выбор рода тока, напряжения, частоты
- •3 Выбор числа и мощности гребных электродвигателей
- •3.1 Порядок расчета мощности на валу гребного электродвигателя
- •4 Выбор главных генераторов
- •4.1 Требования к качеству электроэнергии в гэу
- •4.2 Пример расчета мощности гэд и главных генераторов
- •5 Гребные электродвигатели, генераторы и вентильные преобразователи тока и частоты
- •5.1 Общие положения
- •5.2 Возбудители генераторов и гэд
- •5.3 Гэу постоянного тока
- •5.3.1 Структура гэу и схемы главного тока
- •5.3.4 Защита гэу постоянного тока
- •5.4 Гэу переменного тока
- •5.4.4 Типы гребных двигателей
- •5.4.5 Асинхронные синхронизируемые машины
- •5.4.6 Асинхронно-вентильный каскад (авк)
- •5.4.7 Электромеханический каскад
- •5.4.8 Электрические машины с водяным охлаждением
- •6 Новые источники электроэнергии
- •6.1 Магнитогидродинамические генераторы
- •6.2 Электрохимические генераторы (эхг)
- •6.3 Термоэлектрические генераторы (тэг)
- •7 Режимы работы гэу переменного тока. Работа одновальной тэгу
- •7.1 Режимы экономичного хода и аварийные режимы
- •8 Защита гэу переменного тока
- •8.1 Максимальная защита
- •8.2 Продольная дифференциальная защита
- •8.3 Защита обмотки возбуждения от замыкания на корпус
- •8.4 Защита гребных электродвигателей
- •9 Пуск и реверсирование гэд в гэу переменного тока
- •9.1 Пуск гэд
- •9.2 Реверсирование гэд
- •10 Гэу двойного рода тока
- •11 Единая судовая электростанция с гэу постоянного тока на управляемых вентилях
- •12 Гэу с гэд переменного тока со статическими преобразователями частоты
- •12.1 Двухзвенный полупроводниковый преобразователь частоты
- •12.2 Непосредственный полупроводниковый преобразователь частоты (нппч)
- •12.3 Есэ с повышенным переменным напряжением 800в и гэд постоянного тока
- •12.4 Снижение высших гармоник в судовой сети при применении управляемых выпрямителей и преобразователей частоты
- •13 Судовые схемы гэу переменного тока с есэ
- •14 Гэу современных судов и их системы управления
- •14.2 Гэу морских паромов типа "Сахалин"
- •14.4 Гэу океанографического судна "Аранда"
- •14.5 Сравнительный анализ схем управления гэу
- •14.6 Гэу промысловых судов
- •15 Вопросы эксплуатации гэу
- •16 Электробезопасность и пожаробезопасность гэу
- •17 Оптимизация эксплуатационных режимов гэу
- •17.1 Гэу как системы подчиненного управления
- •17.2 Способ подчиненного управления со связью регуляторов по нагрузке
- •17.3 Оптимизация параметров синтезированных регуляторов
- •18 Автоматическое управление гэу
- •18.1 Способ и средства управления
- •Список использованной литературы
- •Автоматизированные гребные электрические установки
- •98309 Г. Керчь, ул. Орджоникидзе, 82
17.2 Способ подчиненного управления со связью регуляторов по нагрузке
Основные положения подчиненного управления по нагрузке такие же, как в традиционном подчиненном управлении со связью регуляторов со стороны управления. Эти положения заключаются в следующем:
количество управляемых переменных величин в системах подчиненного управления (СПУ) по нагрузке должно быть равно числу звеньев объекта управления;
объект управления представляет собой последовательное соединение линейных апериодических (реже интегральных) звеньев;
число регуляторов должно быть равным количеству управляемых переменных параметров системы;
ограничение величины управляемых параметров осуществляется путем ограничения величины выходного сигнала предыдущего регулятора;
на выходе регулятора целесообразно устанавливать электрический фильтр для регулирования полосы пропускания сигнала и защиты от внешних помех.
Регуляторы параметров в СПУ по нагрузке соединены каскадно, но связь с последующим регулятором происходит не путем подачи выходного сигнала предыдущего регулятора на вход последующего, а на объект управления и далее через внутреннюю обратную связь в переходном процессе на последующий регулятор
Как правило, системы подчиненного управления со связью регуляторов по нагрузке являются двухконтурными. К таким системам можно отнести валогенераторные установки судов, гребные электрические установки, дизель-генераторные установки, особенно в тех случаях, когда скорость вращения приводного двигателя не стабильна.
В СПУ по нагрузке внутренним контуром является регулятор напряжения или тока, а внешним - регулятор скорости вращения.
Передаточные функции регуляторов целесообразно выбирать с учетом компенсации этих функций звеньями объекта управления. В качестве требуемых передаточных функций контуров регулирования желательно иметь стандартные оптимальные передаточные функции.
Порядок дифференциального уравнения последующего контура управления на единицу больше, чем порядок дифференциального уравнения предыдущего контура. Тогда в качестве требуемой передаточной функции замкнутого k-го контура необходимо использовать стандартную передаточную функцию Dk+l(р)(k + 1) порядка.
Передаточную функцию замкнутого оптимально настроенного k-го контура можно записать в общем случае следующим образом:
G3K(р) = Dk+1(р)= l/2kTmр + 1, (17.1)
где Dk(p) - стандартная передаточная функция k-го порядка.
Поскольку в СПУ обратные связи в контурах управления приняты единичными, требуемая передаточная функция разомкнутого контура записывается в виде
GK(p)=Dk(p)/2kTmp . (17.2)
В каждом k-м контуре имеется регулятор с передаточной функцией Gpk(p), оптимально настроенный замкнутый контур (к-1), контур с передаточной функцией G3(к-1)(p) = Dk(p) и объект управления с передаточной функцией GОК(p). Следовательно, для передаточной функции разомкнутого k-го контура справедливо выражение
GK(p) = GРК(p) G3(К-1)(p)GОК(p) = GPK(p)Dk (p)G0K(p) (17.3)
Передаточная функция регулятора k-го контура, обеспечивающая оптимальную настройку данного контура, получается путем приравнивания выражения (17.2) и (17.3) и имеет вид
GPK(p) = l/GOK(p)/2kTmp. (17.4)
Анализ выражения (17.4) показывает, что в передаточной функции регулятора каждого контура управления имеется сомножитель, компенсирующий передаточную функцию объекта управления данного контура.
Поэтому в зависимости от типа звеньев объекта управления регулятор будет также соответствующего типа. Если объект управления содержит одно апериодическое звено, регулятор будет интегрально-пропорциональным (ИП-регулятор). Если в объекте управления имеются два последовательно включенных апериодических звена, то регулятор будет интегрально-пропорционально-дифференциального типа (ИПД-регулятор). При наличии в объекте управления интегрального звена регулятор будет пропорциональным (П-регулятор ). Интегральный регулятор (И-регулятор) применяется в случаях, когда в системе управления имеется несколько переменных параметров, связанных пропорциональными зависимостями.
Для устранения помех уменьшить быстродействие в системе управления можно путем включения в нее фильтра, а не отладкой времени переходного процесса регулятора. Для уменьшения влияния помех фильтры устанавливаются на выходах измерительных устройств, ограничивая пропускание помех на входы систем управления.
При установке фильтра с постоянной времени Тф на входе (к-1) регулятора в задающей цепи от к-го регулятора получим
. (17.5)
Из выражения (7.5) следует, что при наличии фильтра в к-ом контуре СПУ эквивалентная постоянная времени этого контура управления может быть записана в следующем виде:
Tmk = 2 к-1 Tm+Тф = Tm(к-1)+ ТФ.
При наличии фильтра быстродействие контура управления уменьшается, а запас по фазе получается большим, чем в СПУ без фильтра. С увеличением постоянной времени фильтра Тф величина перерегулирования в переходном процессе становится ближе к стандартной для СПУ второго порядка.
Однако для k-го контура управления замкнутый (к-1) контур выполняет аналогичные функции, как и фильтр с постоянной времени Т для первого контура управления. Это видно из формулы (7.2), где в передаточную функцию разомкнутого внутреннего контура управления входит передаточная функция фильтра D1(p) = 1/(1+Tmp), а в передаточную функцию разомкнутого к-го контура включена передаточная функция замкнутого (к-1) контура.
В соответствии с (17.1) замкнутый (к-1) контур представляется в виде апериодического звена вида
G3(к-1)(р)=l/2 к-1 Tmp+1, (17.6)
а каждый k-й контур рассматривается в первом приближении в виде системы управления второго порядка, эквивалентная постоянная времени которой равна Tmk = 2 к-1Tm.
Количественные данные погрешности при такой замене по запасу устойчивости для двухконтурной СПУ не превышают 0,12÷0,14, что говорит о приближенном характере замены передаточной функции (17.1) выражением (17.6), но может быть использовано в теории СПУ по нагрузке.
Величина постоянной времени Tm играет важную роль в СПУ по нагрузке, поскольку она определяет динамические свойства системы управления, а не параметры объекта управления. При использовании стандартных систем управления только величина Tm может изменить параметры качества переходного процесса в СПУ.
В системах управления судовых ЭЭС система подчиненного управления является двухконтурной. В этом случае фильтр на выходе системы управления можно не устанавливать. При этом для внутреннего контура целесообразно использовать ИПД-регулятор, компенсируя, таким образом, большие постоянные времени объекта управления. В этом случае эквивалентная постоянная времени контура управления принимается равной малым постоянным времени объекта управления.
Для повышения быстродействия и помехозащищенности СПУ, исходя из принятой при расчете величины постоянной времени Tm, требуется производить компенсацию всех постоянных времени объекта управления с тем, чтобы сумма оставшихся была во много раз меньше величины Tm, т.е.
.
В регуляторе при этом целесообразно оставить одну постоянную времени ТФ1 или обеспечить выполнение соотношения
.
В этом случае, при отклонении от расчетных данных величин
.
Это не приводит практически к изменению быстродействия от расчетного значения, поскольку величина Tm от указанных постоянных времени зависит в слабой степени.
В системах подчиненного управления по нагрузке, характерных для судовых электроэнергетических установок, в объекте управления кроме последовательного соединения апериодических и интегральных звеньев имеются и внутренние обратные связи, через которые осуществляется подчинение внутреннего регулятора (напряжения или тока) и внешнего (регулятора скорости вращения). Если учитывать внутреннюю обратную связь, то поведение СПУ будет зависеть не только от параметров электрического фильтра с постоянной времени Tm, но и от количественных данных объекта управления. Это приведет к тому, что параметры СПУ будут отличаться от оптимальных и заданные свойства системы не будут обеспечиваться регулятором. Расчет такой системы управления отличается от стандартного. Для оптимизации переходного процесса в такой системе требуется компенсация внутренней обратной связи объекта управления.
Компенсирующую связь в СПУ целесообразно вводить через фильтр. Существуют различные способы введения компенсирующей связи. На вход (k-l)-гo регулятора подается единичная обратная связь, если в качестве передаточной функции фильтра принять передаточную функцию замкнутого (к-1) контура управления.
Если компенсация требуется для внутреннего контура управления, то компенсирующая обратная связь может подаваться на вход k-го регулятора через звено, передаточная функция которого имеет вид:
В судовых СПУ по нагрузке k-тое звено объекта управления является апериодическим. В этом случае компенсацию целесообразно реализовать с помощью дифференцирующего звена, представляющего собой звено с гибкой связью и не влияющее на стационарный процесс в к-м контуре системы управления. Компенсирующая связь должна иметь полярность противоположного знака по отношению к внутренней обратной связи.
Компенсация тем более эффективна, чем больше быстродействие внутреннего (к-1) контура, т.е. чем меньше величина Tm. Рассмотренная компенсация внутренней обратной связи не является полной, так как влияние передаточных функций составляющих звеньев объекта управления частично сохраняется. Однако полная компенсация путем введения обратной связи с выхода n-го звена объекта управления через звено с передаточной функцией, обратной передаточной функции замкнутого (к-1) контура, практически сложно осуществляется; ее введение повышает уровень помех, отрицательно влияющих на работу СПУ.
Компенсирующая связь может быть подана в систему управления и через нелинейный элемент с характеристикой, обратной характеристике НЭ объекта управления, включаемой на выходе (k-l)-гo регулятора. Компенсация внутренней обратной связи будет тем эффективнее, чем более инерционны управляющие и возмущающие факторы, влияющие на систему управления.
С учетом связей регуляторов, рода тока и назначения можно предложить классификацию СПУ электроэнергетических установок, представленную на рис. 17.1.
Классификация систем подчиненного управления производится по принципу передачи сигналов управления с выхода предыдущего регулятора на вход последующего, а также с учетом рода тока и назначения установок, отличающихся количеством машин, постоянная времени которых компенсируется регулятором.