.

Основы взаимодействия дизеля и устройств автоматического регулирования

Понятие о судовом дизеле как объекте регулирования частоты вращения. К основным параметрам судового дизеля, которые необходимо стабилизировать с помощью автоматических регуляторов, относятся частота вращения, температура охлаждающей воды и масла. Требования, предъявляемые к регуляторам, определяются статизмом регуляторной характеристики (степенью неравномерности регулирования и динамическими отклонениями упомянутых параметров от статических характеристик в переходных режимах (см. “Классификация систем автоматики. Основы теории взаимодействия дизеля и устройств автоматического регулирования“).

Рассмотрим особенности дизеля как объекта регулирования частоты вращения.

Уравнение вращения коленчатого вала дизеля с присоединенными к нему массами поступательно движущихся деталей, а также валопроводом и винтом с общим моментом инерции I можно упрощенно представить при отклонениях параметров от установившихся режимов в виде:

I·d(Δω1)=MeMнагр,(*)

где:

  • Me=Me0+ΔMe, Mнагр=Mнагр0+ΔMнагрΔMe

     

    – отклонение эффективного момента от исходного значения 

    Me0

    ;

  • ΔMнагр

     – отклонение момента нагрузки от исходного значения

    Mнагр0

    ;

  • Δω

     – изменение частоты вращения.

Примем допущение, что приращение эффективного момента

ΔMe

 пропорционально приращению хода рейки топливных насосов дизеля 

Δhp

 и не зависит от ω, а приращение момента нагрузки при работе на винт с фиксированным шагом определяется по зависимости:

Mнагр=cω2,ΔMнагр=Δ(cω2)=c·2ω0·Δω0

Тогда уравнение (*) приводим к виду:

Tadφdτ+βφ=μλ, (**)

где:

  • T0=1·ω0Mнагрc

     – время разгона;

  • β=2cω02Mнагр

     – самовыравнивание объекта;

  • φ=Δωω0

     – относительное изменение приращения частоты вращения коленчатого вала дизеля.

μ=(ΔMe/Me0)

 – относительное изменение эффективного момента, принимаемого пропорциональным относительному изменению хода рейки топливных насосов:

z=Δh/Δhp0

Me0=Mнагр0

 – моменты эффективный и нагрузки на исходном установившемся режиме. Величина, обратная времени разгона 

Ta

, характеризует важные свойства объекта – чувствительность объекта к возмущению.

Предположим, что относительный ход Топливные насосы золотникового типарейки топливных насосов и, поэтому, эффективный момент μ изменяется на единицу, а величина 

β=0

, величина 

φ=0

.

Тогда:

  • dφ=dτTa

Через время 

τ=Ta

  величина φ изменится на единицу

ω на ωном

.

Чем меньше время

Ta

,

 тем быстрее будет изменяться частота вращения дизеля, тем большие требования необходимо предъявлять к конструкции регулятора скорости с тем, чтобы он был более быстродействующим. Обычно с увеличением форсировки дизеля растут величины φ и 

Mнагр0

, поэтому величина

Ta

 может уменьшиться.

Если значение 

β>0

, то решение уравнения (*) примет вид:

φ=1β1e τTa при τ=,φ=1/β

С течением времени, при 

τ=

  коленчатый вал дизеля увеличит свою частоту вращения, которая примет новую, вполне определенную, постоянную величину, отличаю-щуюся от начальной на значение 

1/β

. Таким образом ω не изменяется до бесконечности, а происходит самовыравнивание процесса или саморегулирование дизеля (без воздействия регулятора скорости). Чем больше величина β, тем меньше конечное изменение частоты вращения дизеля.

Величина β зависит не только от свойств нагрузки дизеля, но и от зависимости эффективного момента от ω.

Совместное действие регулятора скорости и дизеля. Рассмотрим как взаимодействуют регулятор скорости и дизель в установившихся и переходных режимах на примере регулятора непрямого действия с жесткой обратной связью. На рис. 1, а представлена схема регулятора скорости непрямого действия с жесткой обратной связью, подобная схеме “Рис. 1 Схема уровня воды“.

Регулятор скорости непрямого действия
Рис. 1 Схема регулятора скорости и его характеристики

Чувствительный элемент частоты вращения в виде вращающихся центробежных грузов 1 передает усилие от центробежной силы грузов на пружину 2. В случае повышения ш под действием разности сил грузов и пружины, золотник 3 перемещается влево и открывает окно 4 в подвижной втулке 5. Масло, подающееся шестеренным насосом, попадает в цилиндр под сервопоршень 6, который передвигаясь, сжимает пружину 7 и передвигает рейку топливных насосов 9 дизеля 10 на уменьшение подачи топлива. В результате частота вращения дизеля ω восстанавливается. Одновременно сервопоршень 6 с помощью рычага жесткой обратной связи 7 передвигает втулку в направлении движения золотника, которая прикрывает окно 4 и способствует устойчивости системы.

В случае, если происходит наброс нагрузки и Реверс дизельного двигателячастота вращения дизеля увеличивается, то процессы в системе регулятор скорости — дизель, идут в обратном направлении. Сервопоршень движется под действием пружины и масло сбрасывается через окно 4.

Дифференциальные уравнения системы регулирования (включающей объект регулирования дизель, и регулятор скорости). Уравнение вращения коленчатого вала дизеля представим в упрощенном виде, пренебрегая самовыравниванием 

(β=0)

:

1

Tadφdτ=μλ,

где:

  • λ – относительное изменение момента нагрузки.

Уравнение движения чувствительного элемента при малых изменениях ш можно получить, пренебрегая силами инерции грузов в виде:

Δx=кч.э.Δω,

где:

  • кч.э.

    — коэффициент передачи чувствительного элемента обратно пропорционален жесткости пружины 2.

В относительных единицах это уравнение примет вид:

2

ζ=кч.э.φ где: ζ=Δx/x0.

Уравнение движения сервомотора можно получить. Пренебрегая силами инерции и силами, действующими на сервопоршень извне, из уравнения расходов жидкости через окно и при движении сервопоршня:

Qж=F·dΔZdτμист·fΔρρ

(общий перепад давления 

Δp

 делится на 2 — для каждого окна), где:

  • μист

     – коэффициент истечения через окно;

  • p – плотность жидкости, 

    f=bxy

    ;

  • b – ширина окна.

В результате преобразований получим:

3

Tx·dzdτ=ζn, где: n=ΔY/X0; Z=ΔZ/Z0;

Ts=F·Z0μист·bΔ3ρ·X0

 – время сервомотора.

Уравнение жесткой обратной связи:

Y=Kос·Z, где Kос=BO/AO

(см. схему рис. 1, а).

Предлагается к прочтению: Современные транспортные суда различного назначения

Уравнение основной обратной связи, характеризующее назначение регулятора, стабилизирующего какой-либо параметр путем уменьшения (или увеличения) подвода энергии:

μ=Z

Зависимость наклона регуляторной характеристики и устойчивости от параметров системы. Предположим, что при работе на холостом ходу, когда

λ=μ=0,

то и

φ=0.

Увеличим нагрузку λ на относительную единицу. Тогда из уравнений на установившемся режиме, когда все производные в уравнениях равны 0

xy=0 или Kч.э.φ+Kосμ=0 или φ=KосKч.э.·μ

Величина

δ=Kос/Kч.э.

 – характеризует наклон характеристики и называется также степенью неравномерности. На рис. 1, б показаны статическая характеристика системы. 

Если

Kос

 увеличить передвигая опору с шарниром вниз, то

Kос

 и δ – возрастут.

Таким образом, изменяя положение шарнира 0 настраивает наклон статической характеристики системы.

Если увеличить жесткость пружины чувствительного элемента, то

Kч.э.

 уменьшится, а наклон статической характеристики увеличится.

Рассмотрим динамику системы например при внезапном увеличении нагрузки на единицу.

Читайте также: ТОП 5 самых больших танкеров в мире

В момент

τ=0

 уравнение объекта примет вид:

Tadφdτ=μ1

Tsdμdτ=Kч.э.φ+Kосμ

продифференцируем второе уравнение, определим из него

dφ/dτ

 и подставим в первое уравнение, получим:

TaTsd2μdτ2+TaKосdμdτ+Kч.э.μ=Kч.э.

Характеристическое уравнение для определения корней примет вид:

TaTsp2+TaKосp+Kч.э.=0

корни характеристического уравнения равны:

P1.2=Kос2Ts±Kос24Ts2KчэTaTs

Решение дифференциального уравнения при условии, что подкоренное выражение корней имеет отрицательный знак, получим:

μ=ceKос2TsτcosΩτ+γ,

где:

  • Ω=Kос2/4Ts2(Kчэ/TaTs)

Вид решения представлен на рис. 1, в. Решение представлено в виде затухающих колебаний. Амплитуда колебаний уменьшается по экспоненте

eKос2Tsτ.

Пунктиром показаны линии для случая уменьшенного значения

Kос

.

 

Чем больше

Kос

,

 тем быстрее затухает переходный процесс, чем меньше

Kос

,

 тем медленнее затухает Требования и процесс регулирования судовой автоматикипереходный процесс и колебательность системы больше, что нежелательно.

Вывод из приведенного анализа: следует, что стремление стабилизировать регулируемую величину и уменьшить значение δ приводит к колебательности системы регулирования, к ухудшению устойчивости. Для решения вопроса применяют устройства, которые позволяют временно увеличить наклон регуляторной характеристики и улучшить устойчивость в переходных режимах. Эти устройства не влияют на значение δ на установившихся режимах. К таким устройствам относятся упруго присоединенные катаракты регуляторов прямого действия и изодромные (гибкие) обратные связи регуляторов непрямого действия.

Классификация регуляторов скорости и требования к ним

Регуляторы классифицируются по ряду признаков. Некоторые из них:

  1. Прямого и непрямого действия.
  2. По конструктивному исполнению чувствительных усилительных и исполнительных элементов: гидромеханические, электрические, электронные.
  3. По наклону регуляторной характеристики: астатические и статические.
  4. По диапазону регулирования δ (ОРЛиОРН) подразделяются на однорежимные для дизель-генераторов, предназначенные для работы в узком диапазоне изменения скоростей, всережимные ВРП и ВРН, обеспечивающие заданные параметры в диапазоне от минимальной до номинальной скорости, применяемые для транспортных дизелей; двух- и трехрежимные, применяемы, например, в зонах минимального и максимального Указатели угловой скорости поворотазначения скорости; предельные, применяемые для ограничения скорости. Регуляторы должны оборудоваться устройствами для выполнения следующих операций: дистанционной настройки скорости, регулировки наклона статической характеристики, местного и дистанционного выключения подачи топлива, исполнение команд по аварийным сигналам, автоматического ограничения подачи топлива (по заданной программе, в функции от скорости вращения или давления наддува) и др.
Точность САРС
Класс точности САРС1234
φ %57,51015
τn C23510

Должна быть предусмотрена возможность регулирования наклона регуляторной характеристики, как правило, от 0 до 6 %. Однорежимные регуляторы могут быть разбиты на 4 класса по точности регулирования. 1-ый класс — самая высокая точность; 2, 3 и 4 — соответственно ниже.

Краткие сведения о дизеле, как объекте управления пуском. Понятие автоматическое управление является более общим, чем автоматическое регулирование. В случае автоматизации дизельных установок в качестве систем управления будем понимать системы, осуществляющие автоматизированный (часто часто операции выполняются человеком) или автоматический пуск, прогрев и выход на режим дизеля (ДГ), остановку, реверсирование, разгон, поддержание дизеля в состоянии горячего резерва, обслуживание во время работы.

Как правило, системы ДАУ построены на логических элементах, в основе соединения которых лежит алгоритм, соответствующий выполняемой операции.

Рассмотрим в качестве примера последовательность основной операции — пуска. Обслуживающие системы главного дизеляПуск и прогрев дизеля требует тщательного соблюдения последовательности включения и выключения вспомогательных устройств и изменения частоты вращения при прогреве. При пуске дизеля путем постепенного изменения числа оборотов необходимо добиться снижения вредного влияния:

  • трения из-за повышения вязкости масла на износ деталей;
  • повышенных тепловых напряжений в деталях цилиндро-поршневой группы вследствие перерегулирования тепловых напряжений на 30 % и более;
  • уменьшения зазоров между поршнем и втулкой, приводящего к заклиниванию поршня при прогреве и остановке из-за неодновременного изменения температуры поршня и втулки. Одновременно необходимо обеспечить надежное выполнение операций пуска и остановки в установленное время.

Время пуска и приема нагрузки для прогретого дизеля зависит обычно от мощности и лежит от 50° С для агрегатов Ре до 50 кВт до 60° С для агрегатов от 500 до 1 000 кВт с воздушным пуском, и 80° С для агрегатов свыше 1 000 кВт.

При пуске и прогреве дизеля автоматические операции должны обеспечиваться датчиками, контролирующими температуру охлаждающей воды и масла, частоту вращения, давление пускового воздуха, наличие топлива, масла, уровня воды и другие параметры (например при работе на тяжелом топливе — вязкость топлива) и т. д.

Технологическая последовательность операций при пуске включает перепусковые операции:

  • предварительная прокачка системы смазки (контролируется время прокачки и давление масла);
  • предварительная прокачка системы топливоподачи;
  • предварительное включение свечей накаливания (на двигателях с внутрикамерным смесеобразованием).

Монтаж судовых двигателей внутреннего сгоранияПусковые операции начинаются после завершения предпусковых. По импульсу, поступающему в схему автоматики от реле давления, контролирующего окончание предпусковой прокачки малом, включается стартер или разрешающий пусковой воздушный клапан.

Для двигателей со стартерным пуском пусковая схема предусматривает несколько попыток раскрутки с промежутками (паузами) между ними.

В случае удавшегося пуска схема автоматики отключается по импульсу от реле скорости вращения. Хороший двигатель после пуска выходит на режим прогрева на холостом ходу и пониженной частоте вращения. Реле контроля температуры масла может включить двигатель под нагрузку лишь после прогрева масла до температуры 35-40 °С. Регулятор снабжается серводвигателем, перемещающим орган задания по команде от системы автоматики. По импульсу от реле скорости происходит включение нагрузки (ДГ) или ввод ДГ в параллельную работу.

Сноски
Sea-Man

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Сентябрь, 07, 2021 366 0
Добавить комментарий

Читайте также

Текст скопирован
Пометки
Избранные статьи
Loading

Здесь будут храниться статьи, сохраненные вами в "Избранном". Статьи сохраняются в cookie, поэтому не удаляйте их.

Статья добавлена в избранное! Перезагрузка...