книги из ГПНТБ / Болотин, Б. И. Инженерные методы расчетов устойчивости судовых автоматизированных электростанций

УДК 629.12.066:621.311.001.24—52

Б79

7 • -

r v

неуч '

биб

чит

Современные судовые электростанции .представляют собой сложные многосвязные системы автоматического регулирования.

Задача обеспечения устойчивости таких систем, состоящих из отдель­ ных самостоятельных подсистем (генераторов, первичных двигателей, локальных систем регулирования и т. д.), является одной из основных, так как устойчивость есть главный показатель надежности работы элект­ ростанции.

Книга посвящена широкому кругу вопросов устойчивости автоматизи­ рованных судовых электростанций (САЭС) переменного тока. В ней иссле­ дуются колебательные режимы, рассматриваются возможные причины возникновения колебаний.

Излагаются инженерные методики расчетов устойчивости судовых автоматизированных электростанций, в основу которых положен струк­ турный метод. Производятся расчеты свободных колебаний, автоколеба­ ний, вынужденных колебаний как отдельных контуров регулирования, так и систем в целом. Обобщаются методы экспериментальных исследова­ ний устойчивости. Рассматриваются возможности повышения устойчи­ вости автоматизированных электростанций путем выбора рациональной структуры, направленного изменения параметров генераторных агрега­ тов и их систем регулирования, а также путем введения специальных корректирующих связей.

Книга предназначена для инженерно-технических работников, зани­

© Издательство «Судостроение», 1974 г.

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящее время для исследования нормальных и аварийных процессов в судовых автоматизированных электростанциях (САЭС) широкое распространение получила вычислительная техника. Раз­ работаны типовые подпрограммы решения задач на ЦВМ по полным нелинейным уравнениям высокого порядка. Однако не следует думать, что современный инженер не должен участвовать в вычислительном процессе, так как все это за него сделает вычислительный центр.

Уже при первых попытках определения с помощью вычислитель­ ной техники такой важной характеристики нормального функциони­ рования станции как устойчивость исследователи столкнулись с не­ предвиденными трудностями. Эти трудности связаны с тем, что каждое решение на вычислительной машине дает результат только для задан­ ных числовых значений параметров исследуемой системы, но какие варианты их нужно брать, какие параметры наиболее существенны для анализа устойчивости — заранее неизвестно. Поэтому в некото­ рых случаях даже не удается воспроизвести картину неустойчивого состояния натурного объекта.

В связи с вышеизложенным немаловажное значение для исследо­ вания устойчивости САЭС приобретает разработка инженерных ана­ литических методов расчета. Предварительный, хотя бы и приближен­ ный расчет облегчает применение вычислительной техники, которая используется для получения уточненных значений параметров по под­ робным уравнениям.

Другой особенностью аналитических методов исследования устой­ чивости является возможность определения на их основе общих для исследуемого класса систем рекомендаций, не связанных с частными численными значениями параметров конкретных систем. Последнее обстоятельстве особенно важно, так как в настоящее время точность определения параметров отдельных элементов судовых электростан­ ций (СЭС) не всегда достаточна для оценки их устойчивости.

В книге изложены наиболее простые и удобные для практического применения приближенные методики расчетов устойчивости САЭС, основанные на методе структурного анализа, получившем широкое распространение в теории автоматического регулирования. Этот ме­ тод позволяет разбивать сложную многосвязную систему, которой

является САЭС, на простые подсистемы. Широко применяются также частотные методы и метод Гурвица.

Во введении производится постановка задачи исследования устой­ чивости САЭС и дается обзор работ, посвященных устойчивости и ко­ лебаниям в автономных электростанциях. Обращается внимание на колебательную неустойчивость системы, как основную для САЭС.

В главе I содержится описание судовой электростанции как объекта автоматического регулирования. Рассматриваются функциональные связи в САЭС, различные системы автоматизации. Обращается вни­ мание на замкнутые контуры в функциональной схеме СЭС, которые могут обуславливать неустойчивую работу станции. На основе экспе­ риментального материала производится классификация колебатель­ ных процессов в современных САЭС.

Дается сравнительная оценка условий работы генераторных агре­ гатов (ГА) в автономных САЭС и береговых электростанциях.

В главе II на основе анализа многочисленных САЭС судов различ­ ного назначения выбирается базовая для исследования устойчивости структура станции.

Производится выбор упрощенных линеаризованных уравнений элементов САЭС, рациональных при исследовании устойчивости. В связи с этим следует отметить, что необходимая для математиче­ ского подхода общность в постановке вычислительных задач, как пра­ вило, не нужна в применении к конкретным инженерным задачам.

Основная трудность при исследовании устойчивости САЭС состоит в приведении исходных достаточно сложных дифференциальных урав­ нений к виду, практически позволяющему вычислить коэффициенты характеристического уравнения и использовать критерии устойчи­ вости. В главе III изложены особенности применения метода струк­ турного анализа, позволяющего сложным дифференциальным уравне­ ниям САЭС сопоставить структурную схему, по которой легко произ­ водить оценку устойчивости известными методами теории автомати­ ческого регулирования. Производится структурный анализ двух параллельно работающих ГА, ГА с сетью, систем автоматизации. Ана­ лиз проводится путем' деления сложной системы на более простые под­ системы. Выводятся передаточные функции (ПФ) внутренних конту­ ров, по которым методом Гурвица определяются границы устойчиво­ сти в плоскости наиболее важных параметров системы.

Вдальнейшем выявляются особенности взаимодействия отдельных внутренних контуров между собой. Оцениваются возможности упро­ щения исследования устойчивости.

Вглаве IV систематизируется материал, позволяющий проводить статический расчет САЭС. Приводятся выражения, необходимые для расчетов установившихся значений режимных параметров, знание которых необходимо для расчетов значений частных производных. Определяются необходимые для обеспечения заданной точности регу­ лирования коэффициенты передачи систем автоматизации.

Глава V является расчетной. В ней объединены задачи расчетов устойчивости, охватывающие наиболее характерные случаи парал­ лельной работы, которые могут встретиться в судовой практике. При

4

расчетах используются результаты, полученные в предыдущих главах. Глава VI посвящена вынужденным колебаниям. Приводится клас­ сификация возмущающих воздействий, имеющих место в САЭС. Из­ лагается упрощенный метод моментных добавок в применении к оп­ ределению демпфирующих свойств ГА, работающего в параллель с сетью. Основное внимание уделяется изложению методов определе­ ния рационального закона регулирования возбуждения и двигатель­ ного момента в функции от обменной активной мощности (тока) и ее

производных.

В главе VII излагаются основные положения расчетов устойчиво­ сти нелинейных систем. Описываются определяющие виды нелиней­ ностей в различных элементах САЭС. На основе метода гармониче­ ской линеаризации рассчитываются автоколебания, определяются области устойчивости равновесия и области неустойчивости для слу­ чая параллельной работы ГА с сетью и для систем автоматизации САЭС.

В главе VIII рассматриваются мероприятия по повышению устой­ чивости САЭС, а также оцениваются мероприятия, применявшиеся на реальных объектах для обеспечения устойчивой параллельной ра­ боты. Предлагаются корректирующие связи, повышающие устойчи­ вость как электромагнитного, так и электромеханического контуров при параллельной работе ГА.

В главе IX приводится методология экспериментальных исследо­ ваний устойчивости САЭС. Первая часть главы посвящена экспери­ ментальным исследованиям отдельных элементов САЭС до их объеди­ нения в рамках станции на ранних стадиях создания ГА, вторая — экспериментальным исследованиям уже спроектированных САЭС с целью определения контура, обуславливающего неустойчивость.

Введение, главы I, II, III, VIII и IX написаны в основном Б. И. Болотиным; главы IV, V, VI, VII — В. Л. Вайнером.

В выборе главного направления книги авторы во многом обязаны работам д. т. н. проф. Тимофеева В. А. Инженерный подход к решению сложных задач автоматического регулирования, свойственный этим работам, способствовал выбору методов и средств решения конкрет­ ных задач устойчивости САЭС.

Авторы глубоко признательны к. т. н. Толчееву В. Н. и к. т. н. Топоркову В. П. за ценные замечания, сделанные при рецензировании рукописи, а также д. т. н. Лейкину В. С. за научное редактирование.

Так как данная книга является первой попыткой систематизации и обобщения вопросов колебательной устойчивости САЭС, она, веро­ ятно, не лишена недостатков. Авторы будут благодарны читателям, направившим свои замечания и пожелания по адресу: 191065, Ленин­ град, ул. Гоголя, 8, издательство «Судостроение».

Авторы

5

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ABM — аналоговые вычислительные машины БПР — блок параллельной работы

ГА — генераторный агрегат ГТГ — газотурбогенератор ДГ — дизель-генератор

ЛАФХ — логарифмические амплитудно-фазовые характеристики ЛАХ — логарифмические амплитудные характеристики МИО — механизм изменения оборотов первичного двигателя

МУ — магнитный усилитель НЭ — нелинейный элемент ПД —■первичный двигатель ПФ — передаточная функция PC — регулятор скорости

САР — система автоматического регулирования САРАМ — система автоматического распределения активной мощности

САРН — система автоматического регулирования напряжения САРС — система автоматического регулирования скорости САРЧ — система автоматического регулирования частоты САЭС — судовая автоматизированная электростанция

СГ — синхронный генератор СЭС — судовая электростанция

ТГ — турбогенератор ТФК — трансформатор фазового компаундирования

ЦВМ — цифровые вычислительные машины ЭВМ — электронно-вычислительные машины ЭГП — электрогидравлический преобразователь ЭЭУ — электроэнергетическая установка

р — оператор дифференцирования I — ток статора, о. е.

Iq — токи статора по продольной и поперечной осям, о. е. iв — ток обмотки возбуждения, о. е.

if — ток системы автоматического регулирования напряжения (АРН) поступающий на обмотку возбуждения (до выпрямителей), о. е

6

Ms0 — коэффициент синхронизирующего момента (синхронной связи)

D (р) — операторный коэффициент демпфирования, учитывающий влияние поперечной демпферной обмотки

Мд — двигательный момент первичного двигателя, о. е.

Мс — момент сопротивления, определяемый потерями при вращении агрегата, о. е.

Мн — момент нагрузки М — электромагнитный момент генератора, о. е.

б,- — временная степень неравномерности регулятора скорости, вноси­ мая катарактом (величина безразмерная)

Р — коэффициент самовыравнивания агрегата (величина безразмерная) Рб Р«; Pq — коэффициенты выпрямления переменного тока в системе АРН

г— активное сопротивление статора

Тд — механическая постоянная времени агрегата, с

Т2Г — постоянная времени регулятора скорости, характеризующая его массу, са

7

ВВЕДЕНИЕ

§1. Общие сведения по устойчивости работы САЭС

Внастоящее время в нашей стране и за рубежом завершено начав­ шееся в конце 40-х годов внедрение переменного тока на судах прак­ тически всех типов.

Значительное увеличение мощностей СЭС, вызванное появлением новых судовых механизмов, повышением мощности судового оборудо­ вания, использованием новых электрифицированных установок и т. д., привело к внедрению режима параллельной работы генераторных аг­ регатов (ГА). Параллельная работа ГА имеет ряд преимуществ перед автономной. Основные из них: повышение качества вырабатываемой электроэнергии и надежности работы СЭС, более рациональное исполь­ зование установленной мощности (и, следовательно, большая эконо­ мичность), снижение массы и габаритов распределительных устройств, упрощение их схем и т. п. [37]. В настоящее время параллельная ра­ бота ГА является основным режимом работы судовой электростанции.

В1961 г. был освоен промышленностью комплекс устройств судо­ вой электроавтоматики, позволяющий осуществить автоматизацию отдельных процессов управления СЭС, контроль ее параметров, а также эффективную сигнализацию при нарушении нормальных ре­ жимов работы. На базе этих устройств разработан ряд систем дистан­ ционного автоматического управления СЭС для судов различного на­ значения.

ной работы генераторных агрегатов значительно усложнили СЭС. Современные судовые электростанции (особенно электростанции

крупных судов) стали представлять собой сложные многосвязные си­ стемы автоматического регулирования. Обеспечение устойчивой ра­ боты таких электростанций является в некоторых случаях весьма труд­ ной задачей.

9