СИСТЕМА ПРОГРАММНО-КОМПЕНСАЦИОННОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ СИЛОВЫХ АГРЕГАТОВ

Решение относится к энергетике, а именно к устройствам для получения электрической энергии, содержащим силовой агрегат типа газотурбогенераторов (ГТГ), паротурбогенераторов (ПТГ), дизельгенераторов (ДГ).
Теория этих регуляторов достаточно исследована учеными Ляпуновым A.M., Фельдбаумом А.А., Куропаткиным П.В., Поповым Е.П., Бессекерским В.А. и многими другими учеными и инженерами (1-13).
Известно изобретение, которое относится к теплотехнике, а именно к теплогенераторам. Мобильная многофункциональная тепловая станция (ММТС) содержит корпус-статор, имеющий патрубки для подвода нагреваемой жидкости и отвода нагретой жидкости, ротор, выполненный в виде двух соосных дисков, нагнетательный насос, привод ротора. Корпус-статор выполнен двухкамерным, один из дисков размещен в первой камере и выполнен с возможностью вращения электродвигателем, а другой размещен во второй камере с возможностью вращения силовой установкой (дизельным или бензиновым двигателем), соединенной с электрогенератором, обеспечивающим работу вспомогательных агрегатов и электрооборудования ММТС при отсутствии электроэнергии. Выходные патрубки рабочих камер соединены с теплоизолированнными бойлерами-аккумуляторами, которые связаны с блоком подключения к системе потребления, а система охлаждения силовой установки связана с теплообменником, размещенным в бойлере-аккумуляторе, причем все элементы станции жестко установлены в контейнере мобильной транспортировки. Регулирование теплопроизводительности выполнено за счет возможности изменения числа оборотов электродвигателя, связанного с преобразователем частоты или за счет изменения числа оборотов силовой установки. Станция снабжена теплоутилизатором и нейтрализатором выхлопных газов. Изобретение позволяет снизить тепловые потери при эксплуатации (14).
Известен регулируемый m-фазный преобразователь переменного напряжения в переменное.
Использование: устройства стабилизации переменного напряжения и тока большой мощности с широким диапазоном и равномерными ступенями регулирования. Сущность изобретения: преобразователь содержит вольтодобавочный силовой трансформаторный агрегат и n дополнительных вольтодобавочных силовых трансформаторных агрегата, где n=1-4. Коэффициент трансформации каждого последующего вольтодобавочного силового трансформаторного агрегата равен утроенному коэффициенту трансформации предыдущего. Каждый вольтодобавочный силовой трансформаторный агрегат содержит m первичных и m вторичных обмоток. Каждый вывод каждой первичной обмотки соединен через двунаправленный тиристорный ключ с входным выводом той же фазы устройства. Одноименные выводы всех фаз первичных обмоток в каждом из вольтодобавочных силовых трансформаторных агрегатов соединены между собой через введенные m-1 двунаправленные тиристорные ключи. Вторичные обмотки соответствующих фаз вольтодобавочных силовых трансформаторных агрегатов последовательно соединены между собой и включены в силовую цепь между входными и выходными выводами устройства (15).
Известен способ регулирования мощности парогазотурбинной установки и парогазотурбинная установка
Изобретение относится к газотурбостроению, в частности к конструкциям и способам получения электрической энергии в парогазотурбинных агрегатах. Целью изобретения является расширение диапазона регулирования, повышение надежности и экономичности на пониженных нагрузках, которая достигается тем, что в газотурбинном двигателе с котлом-утилизатором, включающем силовую турбину, соединенную с редуктором, и турбокомпрессор, содержащий компрессор и турбину, соединенный валом с дополнительным электрогенератором, и подключенную к котлу-утилизатору паровую турбину с конденсатором, регулятор мощности, связанный с датчиком температуры газа двигателя, при этом на пониженных нагрузках часть мощности турбины отводится к дополнительному электрогенератору и затем через электродвигатель эту мощность подводят к ротору основного электрогенератора. За счет этого снижают производительность компрессора, и повышают начальную температуру газа установки до номинального значения (16).
Известен способ управления подачей топлива для газотурбинных двигателей.
Изобретение относится к области управления газотурбинными двигателями, используемыми в качестве силовых агрегатов в газовой и энергетических отраслях. Способ заключается в том, что измеряется частота вращения ротора газогенератора, частота вращения ротора свободной турбины, температура продуктов сгорания в газовоздушном тракте двигателя, давление за компрессором газогенератора, и формируется управляющее воздействие на исполнительный орган-клапан, дозирующий подачу топлива в камеру сгорания, величину управляющего воздействия определяют с помощью совокупности регулирующих и ограничительных контуров контура отрицательной обратной связи с адаптивным законом регулирования, при этом регулирующие контуры поддерживают заданную величину частоты вращения ротора газогенератора или частоты вращения ротора свободной турбины, а ограничительные контуры предупреждают аварийные ситуации, удерживая параметры двигателя в заданном диапазоне, в каждый момент времени в качестве управляющего воздействия выбирают значение выхода одного из контуров, выбор которого осуществляют селектором минимума-максимума как результат формирования ошибки регулирования в каждом контуре на основании текущих измерений физических величин с последующим вычислением выходных значений контура, вычислением отдельно приращения к общему интегратору от каждого контура и дальнейшим последовательным сравнением выходных значений контуров друг с другом, при этом для регулирующих и верхних ограничительных контуров в качестве активных выбирают тот контур, выходное значение которого минимально, для нижних ограничительных контуров выбирают контур, выходное значение которого максимально, после чего выходное значение выбранного активного контура складывают с величиной, накопленной в общем интеграторе, а рассчитанное приращение от активного контура прибавляют к величине значения общего интегратора для последующих вычислений и вырабатывают согласованное управляющее воздействие. Данный способ позволяет повысить эффективность управления газотурбинным двигателем вблизи границ рабочего диапазона частот вращения, температуры продуктов сгорания и давления за компрессором, ресурс, эффективность и безопасность работы газотурбинного двигателя. Также улучшается способность системы управления противостоять возмущающим воздействиям по нагрузке и по изменению внешних условий (17).
Известен способ управления работой комплекса газотурбинных компрессорных агрегатов.
Изобретение относится к области управления работой газоперекачивающих агрегатов при обеспечении транспортировки газа. Технический результат, полученный при осуществлении средства, воплощающего изобретение, выражается в увеличении диапазона регулирования комплекса компрессорных агрегатов. Для вычисления индивидуальных заданий на частоты вращения используют промежуточную величину, определяемую по разности измеренного прямым или косвенным образом значения регулируемой величины (давления на выходе комплекса компрессорных агрегатов, степени сжатия комплекса компрессорных агрегатов или расхода транспортируемого газа через комплекс компрессорных агрегатов) и заданного значения этой величины с использованием алгоритма, соответствующего одному из известных законов регулирования. Посредством отнесения полученной величины к количеству работающих на нагрузку компрессоров получают среднее требуемое значение частоты вращения ротора каждого компрессора. После этого для определения заданной частоты вращения вала каждого газотурбинного привода по измеренным частотам вращения валов газогенератора газотурбинного привода, вала компрессора, температуре продуктов сгорания перед турбиной газогенератора и/или силовой турбиной газотурбинного привода компрессора, давлению за компрессором газотурбинного привода, давлению газа на входе компрессора и перепаду давлений на конфузоре компрессора определяют величины запасов до ограничений по частотам вращения валов, температуре продуктов сгорания, давлению в камере сгорания, давлению на входе компрессора и расстоянию до границы помпажа компрессора, полученные величины приводят к одному диапазону значений при помощи нормирующих коэффициентов, нормированные величины затем усредняют с учетом направленности ограничений, получая таким образом обобщенные значения запасов до верхних и нижних ограничений по каждому компрессорному агрегату. С использованием обобщенных значений запасов и среднего требуемого значения частоты вращения ротора компрессора определяют требуемое значение частоты вращения ротора для каждого компрессора, которое подают в локальные САУ компрессорных агрегатов в качестве управляющего задания (воздействия). Применение такого способа управления увеличивает диапазон регулирования комплекса компрессорных агрегатов, а вследствие этого улучшает способность системы противостоять возмущающим воздействиям по нагрузке и по изменению внешних условий (18).
Известен способ регулирования дизель-электрического агрегата и устройство для регулирования дизель-электрического агрегата.
Изобретение относится к дизельным электрическим агрегатам, работающим на внешнюю переменную нагрузку в составе дизеля и электрического генератора, и предназначено для регулирования дизеля, входящего в состав электрического агрегата. Изобретение позволяет обеспечить оптимальное (по выбранному критерию) протекание рабочих процессов дизеля на всех эксплуатационных режимах промышленного двигателя. Способ регулирования дизель-электрического силового агрегата заключается в регулировании мощности путем изменения необходимого расхода топлива для данной нагрузки на дизель и поддержании с заданной точностью постоянной частоты вращения вала дизеля. Изменение мощности, расхода топлива и поддержание постоянной частоты вращения вала дизеля осуществляют дискретно путем регулирования пропусков тактов впрыска топлива в соответствии со штатным порядком работы цилиндров дизеля в зависимости от величины мощности по его внешней скоростной характеристике. В зоне максимальной мощности пропуски тактов впрыска топлива в цилиндры не осуществляют, а по приближении к значению мощности, соответствующей номинальному режиму работы и вплоть до холостого хода, при постоянной частоте вращения вала дизеля частоту пропусков такта впрыска топлива в цилиндры дизеля увеличивают. При этом обеспечиваются неизменными, частота вращения вала дизеля, коэффициент избытка воздуха и цикловая подача топлива в работающих цилиндрах дизеля по выбранному заранее значению и требуемый расход топлива для данной нагрузки. Электронный регулятор частоты вращения вала дизеля использует входную информацию о нагрузке и частоте вращения вала дизеля соответственно по значениям эффективного тока нагрузки на электрический генератор и датчика частоты вращения вала дизеля. Раскрыто устройство, реализующее заявленный способ (19).
Известен способ регулирования турбогенераторной установки и устройство для его осуществления по патенту РФ №2278464.
Изобретение относится к энергетике, а именно к устройствам для получения электрической энергии, содержащим турбину и генератор. Способ регулирования турбогенераторной установки предусматривал измерение частоты вращения вала турбины, сравнение с заданной для получения управляющего сигнала и подачу его на исполнительный механизм управления подачей топлива в турбину, приводящий во вращение генератор, вырабатывающий электрическую энергию, одновременно с измерением частоты вращения вала турбин. Измеряют активную мощность установки, подаваемую на статический преобразователь частоты, причем управляющий сигнал частоты вращения турбины сравнивают с сигналом заданного расхода топлива, определяют сигнал с минимальным значением и подают его на исполнительный механизм управления подачей топлива, дополнительно измеряют температуру газов за турбиной, сравнивают ее значение с заданным значением температур и полученный управляющий сигнал сравнивают по значению с управляющим сигналом активной мощности установки. В качестве регулирующего сигнала выбирают сигнал с минимальным значением и подают на управляющий вход статического преобразователя частоты, выход которого имеет возможность соединения с сетью. Техническим результатом изобретения является обеспечение безопасности работы газотурбинной установки путем защиты ее от превышения максимально допустимых значений ее рабочих характеристик.
Описано устройство регулирования турбогенераторной установки (20).
Недостатки: используется способ регулирования по отклонению, соответственно, наличие статической и динамической ошибок. Целью предложения указанного наиболее близкого аналога является защита турбины от превышения ее параметров, а не улучшение параметров электроэнергии для потребителя. Схема не предусматривает регулирование электрогенератора, следовательно наличие собственного его регулятора. В системе добавляются контуры регулирования, что влечет возможность дополнительных динамических и статических ошибок. Система строится в аналоговом варианте, что снижает помехоустойчивость, и возможно появление нелинейности в системе.
Предложена следующая система, исключающая перечисленные недостатки В системе применяют цифровую форму использования сигналов управления для по меньшей мере двух преобразователей энергии топлива в механическую энергию и механической в электрическую,
- преобразователи рассматривают как единый аккумулятор энергии, в данном случае механической, который имеет возможность пополнения, что выполняет двигатель, и выдачи, что выполняет генератор электроэнергии,
- каждый из преобразователей имеет свои индивидуальные характеристики, которые имеют нелинейный характер и выражаются, в необходимости в зависимости от мощности требуемой потребителем, изменять их управляющие сигналы, соответственно их точность исполнения зависимостей (сигналов управления) зависит и точность удержания параметров для потребителей энергии,
- применяют программный способ, при котором возможно создание любой комбинированной характеристики из различных составляющих, т.к. каждый режим (уровень) требуемый потребителем индивидуален для каждого преобразователя,
- для точности работы используют цифровую форму представления сигналов двоичным кодом, который позволяет обеспечить точность около 1% и большую помехозащищенность, кроме того Цифровая форма сигнала дает возможность предложить образование магнитного потокосцепления с помощью секционирования обмотки возбуждения в электрогенераторе и возможность более точного удержания параметров электроэнергии как для любого комплектующего преобразователя,
- предусматривают возможность изменения устанавливаемых характеристик для всех комплектующих агрегатов, которые в процессе эксплуатации как правило изменяются,
- учитывая, что точно выполнять соответствие подаваемой и выдаваемой энергии невозможно, дополнительно измеряют энергию указанного аккумулятора и предусматривают ее дополнительную корректировку с помощью изменения потока топлива в размере 1-3% от номинала при измерении оборотов и управление,
- для получения быстродействия системы выбирают быстродействующую современную
элементную базу.
Система (фиг.1-5) рассчитана на случай двух преобразователей на примере газовой турбины и электрогенератора и имеет блоки
- блок, выполняющий алгоритм, заложенный в генераторе сигналов управления всей работой системы (Фиг.2),
- блок измерения требуемой потребителем электроэнергии для измерения тока, который при условии постоянства напряжения является эквивалентом мощности (Фиг 1),
- блок преобразования аналогового сигнала датчика тока в цифровой 7-разрядный двоичный код с помощью преобразователя АЦП (Фиг.1),
- блок преобразования полученного кода в код управления исполнительными механизмами преобразователей с помощью программирующих устройств, например, на элементах ЕПРОМ, содержащих устанавливаемые новые необходимые характеристики (Фиг 1),
- блок измерения оборотов энергии указанного аккумулятора и управления потоком топлива в размере 1-3%, что устанавливается заранее при наладке системы(Фиг.3),
- блок изменения устанавливаемых характеристик с помощью программирования элементов ЕПРОМ (Фиг.5).
- блок управления потокосцеплением (возбуждением) электрогенератора и подачей топлива исполнительными механизмами преобразователей (Фиг 4).
Вышеуказанная система предлагается для замены регуляторов по отклонению, устанавливаемых и на приводных машинах, и на генераторах электроэнергии. Эти регуляторы имеют присущие им недостатки, главным из которых является обязательное отклонение по статической характеристике регулируемых параметров при изменении требуемой потребителем энергии, и динамическое при переходном процессе.
Регулирование по отклонению осуществляется с помощью контура обратной связи.
Система сравнивает отклонение параметров энергии на выходе агрегата от стандартных значений и в зависимости от величины отклонения устанавливает изменение энергии на входе. Это означает предусматриваемое отклонение параметров от стандартных величин. При этом ухудшаются коэффициент полезного действия и эксплуатационные характеристики преобразователей энергии. Предлагаемый метод основан на инерционности процесса преобразования энергии в агрегате, который представляет собой аккумулятор энергии достаточно большой величины, значительно превышающей мощность - расход электроэнергии. При условии быстрого измерения требуемой мощности и быстрого установления необходимой мощности для потребления возможно осуществление программного метода регулирования процессов.
Теоретики не рассматривали этот метод вследствие отсутствия материальной базы.
В настоящее время материальная база имеется.
Предлагаемая система одновременно управляет и механическим, и электрическим агрегатом. Характеристика процесса преобразования энергии носит нелинейный характер и состоит из двух, тоже нелинейных характеристик для указанных агрегатов. Это обуславливает нелинейность характеристики системы регулирования ими.
Первая задача - измерение требуемой потребителю мощности энергии. Она определяется составляющими - напряжением, током, и частотой. Напряжение стандартизовано и для потребителей, и для производителей 220 В, трехфазное, переменное, с частотой 50 Гц. Мощность определяется произведением величин тока и напряжения. При условии постоянства напряжения и частоты величину тока можно считать эквивалентом мощности.
Задача системы регулирования - держать их постоянными. В зависимости от работы системы находится использование только величины тока для задания работы системы. Это может подтвердить только опыт, иначе нужно определять необходимую энергию, что вполне возможно осуществить дополнительным измерением напряжения и введением поправки в какой-то зависимости, которую нужно определить опытным путем.
Ограничиваемся измерением тока. Для этого необходимо на каждой фазе генератора сделать обмотку, которая должна обеспечить пропорциональность выдаваемого напряжения току фазы (линейность характеристики). Железо здесь неуместно из-за гистерезиса.
Предлагаемая схема системы (вышеназванные блоки) для удобства разделена на составные части: фиг.1 - схема измерения мощности и нелинейного преобразования сигнала; фиг.2 - схема управления и измерения оборотов; фиг.3 - схема индикации оборотов в % и управления восьмым клапаном; фиг.4 - схема управления исполнительными механизмами; фиг.5 - схема питания и программирования. Кроме того, в таблице 1 приведены результаты расчетов, на графике (фиг.6) показаны зависимости от мощности - расхода топлива и тока возбуждения - I=f(Wн), W нагр=f(Wн), Iвозб=f(Wн).
Простые аналоговые схемы не могут рассматриваться для применения вследствие малой точности и подверженности различным возмущающим факторам. Поэтому применяется цифровой метод вычисления необходимых характеристик. Начальным элементом системы становится аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Этот элемент широко применяется в компьютерных системах, особенно в системах преобразования звука, где точность и линейность подтверждена практикой. Выбранный АЦП указан на фиг.1. Максимальная величина напряжения на его входе составляет 2 вольта. Схема содержит схему измерения тока в обмотках генератора с обеспечением соответствия величины максимального тока генератора напряжению на выходе выпрямителя 10 вольт и далее 2 вольта. Обеспечивается линейность преобразования, нарушаемая диодами.
Далее определим главное - необходимые временные характеристики системы регулирования агрегата. Мощность агрегата выбираем 500 киловатт, она же и максимальная мощность потребителей. Обороты генератора определяют частоту электроэнергии. Для существующих ГТГ выбранной мощности скорость вращения турбины составляет 6000 об/мин, или 100 об/с - кратно вышеупомянутой частоте 50 Гц. Угловая частота вращения составляет:
f=2*р*F=2*3,14*100=628 рад/с.
Определим энергию вращения масс роторов двигателя и генератора как единого цилиндра длиной L 2 м и диаметром R 1 м. Сюда включен и мультипликатор согласования оборотов двигателя и генератора. Плотность железа цилиндра g=7,8*1000 кг/м.куб
Вес цилиндра:
2. G=2*p*R*L*g=2*3,14*0,5*2*7,8*1000=48,98*1000 Кг
Момент инерции цилиндра:
3. Jx=0,5*p*L*R*R*R*R*g=0,5*3,14*2*0,5*0,5*0,5*0,5*7,8*1000=1,53*1000Кгм.куб.
Кинетическая энергия цилиндра:
4. Т вр1=Jx*f*f*0,5=1,53*1000*628*628*0,5=3,014*(10 в 8 степени) Дж
Допустимое отклонение оборотов (стандарт) 3% составляет частоту вращения угловую
5. f2=0,97*1=609,16 рад/
Кинетическая энергия цилиндра при этом составит:
6. Т вр2=1,53*1000*609*609*0,5=2,83* (10 в 8 степени) Дж
Разность энергии составляет:
7. Т вр1-Т вр2=1,84*(10 в 7 степени) Дж
Время изменения энергии цилиндра на 3% оборотов, что эквивалентно изменению мощности за время t, обозначим t изм. При линейном изменении энергии агрегата, что почти соответствует действительности в данном случае, это время составляет:
8. t изм=(Т вр1-Т вр2)/W=1,84*(10 в7 степени)/5 * (10 в степени 5)=36 с
Выполнение условия Т рег. меньше t изм схема обеспечивает, как следует из дальнейшего.
9. -+5 в от программного блока.
10 - опорное напряжение для АЦП 2,5 вольт.
11 - напряжение 2,1 вольт для АЦП.
12. - напряжение опорное для АЦП 4,3 вольта
13. - сигнал управления восьмым клапаном.
14 - сигнал датчика оборотов двигателя.
Сигнал измеряемой мощности аналоговый преобразуется в цифровой с помощью АЦП. Для обеспечения высокой точности регулирования применено преобразование аналогового сигнала в 7-разрядный цифровой, что обеспечивает точность 1/128 часть от номинальных значений регулируемой величины. На выходе АЦП получим линейную зависимость цифрового сигнала от величины входного с высокой степенью точности. Нормальное преобразование семиразрядным АЦП занимает около 13 тактов. Тактовая частота преобразования выбрана равной 1 Мггц, это меньше предельной частоты работы АЦП и примененных микросхем. За 15 тактов время преобразования составляет 15 мкс. Выбранный АЦП 973Т8 имеет следующие характеристики: 8 бит, 30 МгГц - наибольшая частота преобразования, вход аналоговый U макс 2 вольта. Питание 5 вольт. Использование 7 разрядов старших и обеспечивает точность 1/128 наибольшей величины сигнала. К тому же характеристика турбины имеет достаточно большую величину холостого хода (нагрузочная).
Для обеспечения работы схемы преобразования составлена схема управления ею, обеспечивающая сигналы управления ее работой (см фиг.2). Схема управления содержит два кварцевых генератора с частотами 1 Мггц и 32768 Гц - часовой кварц. Второй необходим для организации импульсов 2 и 3 Гц, о чем будет сказано далее. Схема основного преобразования - (см. фиг..1). Цифры в кружках, как обычно, указывают соединение элементов, расположенных на разных частях схемы. Сигнал с АЦП поступает на регистр - защелку на 15 такте. Он освобождает АЦП для подготовки к следующему циклу и обеспечивает подачу сигнала на устройство преобразования прямолинейной характеристики вычисления мощности АЦП в криволинейные характеристики управления клапанами подачи топлива и тока возбуждения генератора. Преобразование выбрано производить при помощи элементов памяти ЕПРОМ КР558РР2. Это наиболее быстрый, достаточный и надежный способ преобразования. Характеристика элементов памяти: время считывания сигнала 0,35 мкс. Частота 1 Мггц вполне достаточна для записи и считывания цифрового кода в два элемента памяти для каналов подачи топлива и тока возбуждения.
Для предварительной записи в элементы памяти обоих каналов составлена схема, (см фиг.5). Запись производится в ручном режиме обеих характеристик одновременно в три позиции: 1 - выбор записываемого значения потребляемой мощности на выходе АЦП (линейной характеристики); 2 - запись значения нелинейной характеристики управления топливным клапаном; 3 - запись значения нелинейной характеристики управления током возбуждения. Приведены две таблицы программирования с указанием трех позиций - 1, 2, 3 - как указано выше для обоих каналов. Фиг 5 - схема для программирования элементов памяти и питания всей схемы регулирования. Данные по мощности двух трансформаторов схемы питания не приведены, они зависят от конкретного выбора элементов, в особенности электромагнитов клапанов и организации системы возбуждения генератора. Кнопка управляет подачей сигнала записи 18 вольт. Составление таблиц облегчается с помощью чертежа, где изображены рабочие характеристики агрегата(график 1):
- прямолинейная - мощности потребления, и две нелинейные - подачи топлива и тока возбуждения в соответствии с первой. Они должны быть нанесены с достаточной точностью согласно характеристикам агрегата.
Вернемся к схеме регулирования. На 16-17 такте первого кварцевого генератора будет выдан сигнал 2 разрешения выдачи кода из регистра АЦП на микросхему памяти К555ИР22. Время считывания из памяти - 0,5 мкс. На 18-19 такте будет выдан сигнал разрешения считывания из памяти и записи в выходные регистры К555ИР22 - сигнал 3. На 20-21 такте будет дан сигнал выдачи данных с регистров на выходные каскады управления исполнительными механизмами. Одновременно будет дан сигнал на остановку работы первого счетчика 1 Мггц и начнет работу счетчик с частотой 2 Гц. Он отсчитает 3 сек. и даст сигнал сброса обоих счетчиков и разрешения начала нового цикла. Полный цикл измерения и регулирования составляет чуть больше 3 сек, что значительно меньше рассчитанных 36 сек. для отклонения оборотов на 3%, тем более, что само изменение сигналов управления исполнительными механизмами произойдет за время 21 такта частоты 1 Мггц с момента измерения мощности. Максимальный промежуток времени от момента изменения мощности до установления требуемой выбрано произвольно для обеспечения надежной работы исполнительных механизмов - продолжительной эксплуатации всего агрегата. Задание нелинейных характеристик с помощью именно ЕПРОМ элементов позволит легко восстановить их или изменить при изменении характеристик агрегата в процессе эксплуатации или при длительных перерывах питания.
О работе схемы измерения оборотов. Используется счетчик удвоенной частоты генерации энергии (положительных и отрицательных полупериодов) за время 1 сек. частота 1 Гц, сигнал 8. Схема на фиг 3 - десятичный счетчик до 1000, где число 100 высвечивается на индикаторах и обозначает 100% частоты вращения. Его точность, таким образом, 1% или 1 оборот/с, что вполне достаточно. С помощью триггера-микросхемы М12 - К555ТМ2 организовано включение/выключение сигнала управления 13. клапаном №8 для его включения или отключения при отклонении оборотов на 1% или 1 оборот/сек от номинала. Таким образом компенсируется отклонение энергии самого агрегата вследствие неточности работы основной схемы регулирования. Во время опытной наладки системы необходимо определить величину подачи топлива восьмым клапаном: она не должна превышать 1-3% от номинала. Большая величина - свидетельство неточной настройки основной схемы. Его работа источник некоторой колебательности процесса генерации энергии, без этого невозможно обойтись. Но величина отклонения и устойчивость работы обеспечиваются наилучшим образом.
Конструкция исполнительных механизмов подачи топлива и тока возбуждения должна обеспечивать дискретное в двоичном коде ступенчатое выполнение сигналов управления. Каждый клапан подачи топлива или ступень включения тока возбуждения должны исполнять двоичную кодировку с высокой степенью точности, от этого зависит работоспособность всей системы. Для клапанного механизма нужно обеспечить высокое быстродействие. Для организации магнитного потока возбуждения есть разные способы изменения его величины. Магнитный поток определяется потокосцеплением (произведением тока на число витков обмотки возбуждения). Можно менять то и другое. При дискретном способе регулирования возникает возможность за счет и секционирования обмотки и тока возбуждения в ней. В предложенном варианте нужно сделать три обмотки на роторе, меняя в каждой число витков и сечение проводников. Для их коммутации нужно установить четыре кольца на роторе. Изменение тока в третьей обмотке производится коммутацией дополнительных сопротивлений. Наиболее экономный способ - коммутация всех обмоток, но при этом большое количество колец усложняет и конструкцию и эксплуатацию агрегата. Три обмотки обеспечивают старшие разряды величины потокосцепления при одном напряжении, а остальные разряды с помощью дополнительных сопротивлений, подключаемых к третьей обмотке. Это достаточно экономично.
Известно, что постоянная величина тока возбуждения - ток холостого хода - имеет относительно большую величину, которая у некоторых генераторов достигает 57%. Тогда диапазон регулирования сужается до 43% тока максимального. Обеспечив постоянное включение тока холостого хода можно исключить использование младшего разряда. Вес второго разряда будет достаточно мал. Это должно быть проверено при создании опытного образца. Тогда 3 строка таблицы приобретает значения, выражающие разность между старой характеристикой и величиной 57%, имея в виду, что одна обмотка будет постоянно включена для обеспечения этого. Сужение диапазона изменения тока уменьшает вес 1 бита кода при сохранении точности. Третья строка таблицы кода будет иметь значения в соответствии со следующим: 43% - максимальная величина соответствует при 7-значной двоичной структуре следующему.
Для 64% -27,5% от тока максимального: 32%-13,8%: 16%-6,8%:8% - 23,4%: 4%-1,7% 2%-0,9%.
Для обеспечения регулирования достаточно 6 разрядов, т.к. разряд с точностью меньшей 0,9% излишен. Каждая 3 строка таблицы содержит значения в %, рассчитанные в соответствии с изложенным. Некоторые 500 квт-ные генераторы имеют максимальное значение тока возбуждения около 60 ампер при 100 вольтах напряжения. Для этого случая вышеприведенное изложение превращается в следующее.
Ток обмотки постоянно включенной будет составлять 57% максимального - 34,2 ампера. Следовательно, первая обмотка должна иметь сопротивление с учетом падения на щетках - 98в/34,2а=2,9 ом.
Ток обмотки второй, подключаемой 7-ым разрядом схемы должен быть равен 64% от 25,8а или 16,5а. Сопротивление обмотки второй, с учетом падения напряжения на щетках и в коммутаторе, составит 97в/16,5а=5,9 ом
Ток обмотки третьей, подключаемой 6 разрядом схемы должен быть равен 32% от 25,8а или 8,2а. Сопротивление обмотки третьей, с учетом падения напряжения на щетках и в коммутаторе, составит 97в/8,2а=11,8 ом. Дальнейшее снижение тока обеспечивается подключением дополнительных сопротивлений к третьей обмотке коммутатором. 5 разряд должен иметь ток 16% от 25,8а или 4,13 а. Общее сопротивление обмотки и дополнительного составит 97в/4,13а=23,5 ом. Величина дополнительного сопротивления 23,5 ом-11,8 ом=11,7 ом, 4 разряд должен иметь ток 8% от 25,8а или 2,06 а. Общее сопротивление обмотки и дополнительного составит 97в/2,06а=47 ом. Величина дополнительного сопротивления 47 ом-11,8 ом=35,2 ом.
3 разряд должен иметь ток 4% от 25,8а или 1,03а. Общее сопротивление обмотки и дополнительного составит 97в/1,03а=94,1 ом. Величина дополнительного сопротивления 94,1 ом-11,8 ом=82,3 ом.
2 разряд должен иметь ток 2% от 25,8а или 0,52 а. Общее сопротивление обмотки и дополнительного составит 97в/0,52 а=188 ом. Величина дополнительного сопротивления 188 ом-11,8 ом=176 ом.
Для обеспечения заданных соотношений ампервитков целесообразно обмотки укладывать в одни и те же пазы, а ампервитки обеспечивать за счет изменения сечения проводников, т.е. их сопротивления.
Достаточно просто организовать параллельную работу агрегатов с данным способом регулирования. Необходимо добавить схему измерения общей мощности потребителей и определения долевого участия каждого агрегата. При этом можно учесть особенности каждого. Функцию компенсации энергии для каждого агрегата следует оставить (управление восьмым клапаном). Цифровой регулятор должен обеспечить значительно меньшую колебательность и при параллельной работе, число замкнутых контуров невелико Облегчается применение компьютерной аппаратуры для управления агрегатами в сети. При организации общей схемы управления агрегатами в сети следует переключатель П заменить (см фиг.5) соответствующим реле с двумя группами переключающих контактов. При выключении агрегата автоматически будет обеспечено питание микросхем памяти.
К недостаткам предлагаемой схемы следует отнести необходимость обеспечения питания +5 вольт для микросхем памяти непрерывное, иначе информация сотрется. Для исключения этого можно применить прожигаемые микросхемы, но при этом. характеристики корректировать можно только заменой их, для чего нужно предусмотреть их легкую замену и прожиг.
Обозначение соединения цепей переходов между блоками схемы.
1. - импульсы частотой 1 Мггц.
2. - импульс конца счета и выдачи разрешения на считывание из АЦП и образования кода управления подачи топлива и напряжения в микросхемах КР558РР- 2.
3. - импульс на выдачу кода управления из м\схем КР558РР2 на микросхемы К555ИР22 управления исполнительными механизмами подачи топлива и напряжения.
4. - сигнал выбора м\схемы КР558РР2 CS при считывании
5. - сигнал ОЕ при считывании и стирании - 0, при программировании - 5 в и 10 мс.
6. - сигнал минус 18 в при записи слова 10 мс, при стирании 1 с.
7. - сигналы Д0-Д7 при записи слова 10 мс \Д10-Д 17\.
8. - сигналы А-А, данные при записи и считывании.
9. - +5 в от программного блока.
10 - опорное напряжение для АЦП 2,5 вольт.
11 - напряжение 2,1 вольт для АЦП.
12. - напряжение опорное для АЦП 4,3 вольта
13. - сигнал управления восьмым клапаном.
14-сигнал датчика оборотов двигателя.
Комплектующие элементы схемы.
Фиг.1. М1-SP973Т8 (филлипс) АЦП. М2, М5, М6-К555ИР22. М3, М4-КР558РР2\ЕПРОМ\ Д1-Д33-КД103 А.Д25, Д26-Д7А.. R1-100 ом \перем\ R2-100 oм. R3-40 ом. R4-50 ом. R5-R8-1K
Фиг.2. М1, М4-К555ЛА3, М2-К555ИЕ5, М3-К555ЛИ6, М5-К555ЛЕ1, М6-К176ИЕ12, М7-К555ИР8, К1-кварц 1 мггц, К2-кварц - 32768 Гц, R1, R2, R4, - 510 ом, R3-20 Moм, R5, R6, R8, R9, R10-10 Koм, R11-R14-1 Ком, С1, С5, С7, С8 - 0,1 Мкф, С2-62 ПФ, С3, С4-10ПФ, С6-70 МкФ, С9, С10-0,1 МкФ, 250 вольт, В-0,5А, 250 вольт. Т1, Т2-КТ-315.
Фиг.3. М1-М3-К555ИЕ2, М4, М5-К555ИР22, М6-М8-КР514ИД2, М9-М11-АЛС321Б, М12-К555ТМ2, М13-К555ЛИ1, М14-К555ЛА3, Т1-Т21-КТ-315, Т22-КТ361, С1-0,1 МкФ, R1-R21-68 ом, R22, R23 - 10 Koм, R24, R25 - 1 Ком.
Фиг.4. Часть 1. Т1, Т2-ТКД 123-80-1, Т3-Т6-КТ-712А, Т7, Т8-КТ817, Т9-Т12-КТ-815, R1-R6-2 Ком, R7-2 ом 5 вт, R8-3 ом 2 вт, R9-6 ом2 вт, R10-45 ом 1 вт, R11-80 ом0,5вт, R12-160 ом 0,5 вт, R13-R18-500 ом, R19-11,7 ом 200 вт, R20-35,2 ом 150 вт, R21-82,3 ом 90 вт, R22-176 ом 50 вт.
Часть 2. Т1-Т8-КТ3 15, T9-T16-KT814Г, R1-R8-2 Ком, R9-R16-8 Ком, R17-R24-5 Ком
Фиг.5. Тр1.20 вт, обм~220, 15, 6 вольт, Тр 2.130 вт, обм~220,33 вольт5 А.6 вольт 3 А, Мосты - В1-1А, В2-1А, В3-5А, В4-3А.Т1, Т3, Т5-КТ-315, Т4-КТ-361, Д1-Д21-АЛ-102 В,R1-R21-300 ом, M1-К155ЛЛ1, Ст1, Ст2-КС456, Ст3-КС439, Ст4-КС 119, R24-35 ом, R25-200 ом, R23-20 ом, R22-100 ом, R26-20 ом, R27R29-1 Ком, R28-10 Ком, R30-150 Ком, R31-2,5 Ком, R32, R34-500 ом, R33-1,4 Ком С1, С2, С4-С8, С10-5 ТМкФ, С3, С9-1 ТМкФ, С11-10 МкФ, П1,1-П3, 7 - тумблеры, Кн - кнопка.
Приведены две таблицы программирования. Первая содержит значения для случая регулирования тока возбуждения в полном диапазоне для питания одной обмотки. Вторая - значения тока для рассмотренного варианта секционирования обмотки.
Предлагаемое решение системы регулирования обеспечивает следующие преимущества.
1. Вследствие одновременного управления обеими агрегатами и программного метода, который не имеет контура обратной связи, исключается автоколебательный характер процесса преобразования.
2. Цифровая форма сигналов управления обеспечивает возможность более точного установления параметров электроэнергии. Предлагаемая система семиразрядного двоичного кода предполагает точность выше 1%.
3. Обеспечивает меньшие динамические отклонения параметров при переходных процессах, что улучшает эксплуатационные характеристики (меньший износ, продление срока эксплуатации).
4. В электрогенераторе цифровой метод позволяет за счет секционирования обмоток возбуждения снизить потребление энергии системой возбуждения.
5. Облегчается организация параллельной работы агрегатов, а также автоматизация сети электростанций.
6. За счет вышеуказанного увеличивается КПД процесса преобразования.
Источники информации
1. Аналого-цифровые преобразователи систем автоматического контроля. Кондюкова Е.И. Редькин Б.Е. Библиотека по информатике, выпуск 248. Энергия.1967 г.
2. Собрание сочинений. Том 2 Автор Ляпунов А.М. Издание А.Н.СССР 1956 г.
3. Вычислительные устройства в автоматических системах. Фельдбаум А.А. Государственное издательство физико-математической литературы. Москва 1959 г.
4. 0сновы автоматического регулирования (теория) Коллектив авторов под редакцией Солодовникова В.В. Машгиз, 1954 г.
5 Теория автоматического управления. Куропаткин П,В. Высшая школа. Москва. 1973 г.
6. Теория линейных систем автоматического регулирования и управления. Попов Е.П. Наука 1986 г.
7. Теория нелинейных систем автоматического регулирования и управления. Попов Е.П. Наука 1988 г.
8. Теория систем автоматического регулирования. Бессекерский В.А. Попов Е.П. Наука 1966 г.
9. Курс теории автоматического управления. Первозванский А.А. Наука 1986 г.
10. Справочник по микросхемам т.2 Герман Шрайбер. Издательство ДМК, 2005 г.
11. Справочник. Микросхемы памяти ЦАП и АЦП Лебедев О.Н. Марцинкявичус А.К. Богданскис А.К. Издательство КУбК. Москва 1996 г.
12. Теория систем автоматического регулирования. Бессекерский В.А. Наука. Москва 1975 г.
13. Полупроводниковая схемотехника. Титце У. Шенк К. раздел 24.
14. Патент РФ «Мобильная многофункциональная тепловая станция» №2331823, F24J 3/00, опубл. 20.08.2008.
15. Патент РФ «Регулируемый m-фазный преобразователь переменного напряжения в переменное» №2054785, Н02М 5/12; G05F 1/30, опубл. 20.02.1996.
16. Патент РФ «Способ регулирования мощности парогазотурбинной установки и парогазотурбинная установка» №2046198, F02C 7/00, опубл. 20.10.1995.
17. Патент РФ «Способ управления подачей топлива для газотурбинных двигателей» №2322601, F02C 9/28, опубл. 20.04.2008.
18. Патент РФ «Способ управления работой комплекса газотурбинных компрессорных агрегатов» №2219375, F04D 27/00, опубл. 20.12.2003.
19. Патент РФ «Способ регулирования дизель-электрического агрегата и устройство для регулирования дизель-электрического агрегата» №2253030, F02D 17/02, 29/06, опубл. 27.05.2005.
20. Патент РФ «Способ регулирования турбогенераторной установки и устройство для его осуществления» №2278464, Н02Р 9/04, опубл. 20062006.