Способ и средства управления

18.1.1. Назначение автоматического управления. Гребные электрические установки состоят из нескольких частей и в этом смысле являются сложными системами. Для облегчения управления и сокращения обслуживающего персонала вводится комплексная автоматизация ГЭУ, охватывающая тепло-производящую установку, тепловой двигатель, генератор, распределительные и преобразовательные устройства и системы управления всех перечисленных частей.

Тепловой двигатель и электрическая передача (генератор и гребной электродвигатель) снабжаются системами автоматического регулирования (САР). У теплового двигателя регулируется частота вращения, а в системе генератор — двигатель — ток главной цепи, момент вращения или мощность.

В дальнейшем рассматриваются только САР, относящиеся к электрической части ГЭУ, т. е. генератору и ГЭД со всеми промежуточными устройствами, системами возбуждения и управления.

К САР ГЭУ предъявляются различные требования в зависимости от назначения судна, уровня технической оснащенности и обслуживания. Назначение САР состоит в том, чтобы получать наибольшую эффективность действия ГЭУ, т. е. иметь наилучшие показатели качества по всем или главным управляемым величинам координат. Такое управление является оптимальным.

Точность поддержания заданных значений регулируемых координат зависит от совершенства измерительных устройств; нижний предел погрешности регулирования устанавливается 1—2%. Погрешность регулирования в процентах е равна ста процентам минус точность регулирования заданной координаты в процентах.

18.1.2. Критерии оптимального управления. Эксплуатация является оптимальной, когда перевозится наибольшее количество груза с наименьшими затратами и в заданные сроки, достигается наибольшая скорость судна, наибольшее усилие при движении во льдах или при ходе с возом.

ГЭУ действуют в условиях переменного момента сопротивления (наличие качки судна или движение во льдах). В этом случае управление можно считать оптимальным, если имеет место мини­мум расхода энергии (топлива) и сохранение срока службы тепловых двигателей.

В работе решается задача определения оптимального управления судном, движущимся при нерегулярном волнении с минимальным расходом энергии на расстояние S за время Т. Заданные условия удовлетворяются при постоянной частоте вращения гребного винта (n = const). Для уменьшения максимальных моментов на гребном винте снижают частоту вращения гребного винта, а следовательно, и скорость судна. Такой способ управления является оптимальным для судов с непосредственным или редукторным соединением теплового двигателя с гребным валом и судов с ГЭУ переменного тока по системе СГ — СД или АД.

Система автоматического управления изменяет магнитный по­ток генератора обратно пропорционально току главной цепи, изменяющемуся пропорционально моменту сопротивления на гребном винте, вследствие чего момент сопротивления генератора поддерживается постоянным, и тепловой двигатель работает с постоянной частотой вращения.

Тот же результат можно получить, если изменять магнитный поток ГЭД обратно пропорционально его частоте вращения, вследствие чего противо-ЭДС электродвигателя остается, постоянной, а вместе с ней остается неизменным ток главной цепи и момент сопротивления генератора, так как его магнитный поток не регулируется. ГЭД действует с переменными частотой и моментом вращения.

В работе также рассмотрена задача определения оптимального закона управления для судна, движущегося с переменным сопротивлением (ход во льдах) на заданном участке пути в определенное время. Решение приводит к получению постоянного расхода энергии или иначе — постоянной мощности СЭУ. В этом случае автоматическая система управления ГЭУ ледокола и буксира должна поддерживать постоянство мощности, воздействуя на маг­нитный поток ГЭД.

Системы управления должны также иметь требуемое качество переходного процесса. Наиболее частыми переходными процессами являются пуски, реверсы, остановки и изменения скорости судна. Время изменения режима движения судна измеряется минутами, а время электромеханического переходного процесса ГЭД — несколькими секундами, вследствие чего продолжительность переходного процесса не влияет существенно на время изменения скорости судна при разгоне или торможении.

18.1.3. Метод последовательной коррекции. Выбор управляющих устройств (регуляторов). В теории и практике проектирования электропривода пользуются методом последовательной коррекции, который дает возможность сразу получить устойчивую систему с требуемым качеством переходного процесса.

Последовательное включение корректирующих звеньев, которые являются и управляющими органами, стало возможным благодаря применению электронных усилителей и вентильных (тиристорных) преобразователей. Для управления тиристорными преобразователями, являющимися мощными усилителями, требуются сигналы малой мощности, что позволяет применять операционные усилители и интегральные схемы с различными суммирующими, интегрирующими и другими блоками. Нашей промышленностью разработаны и выпускаются универсальные блоки системы регулирования (УБСР) на интегральных схемах для управления вентильными преобразователями. Эти блоки могут использоваться и для управления другими элементами, например машинными усилителями в сочетании с промежуточными электронными или вентильными усилителями..

Приведенная полная компенсация не только невозможна, но и вредна, так как выходная величина должна мгновенно изменяться вместе с входной, для чего потребуется большое быстродействие и форсировочная способность регулирующих органов, в том числе возбудителей генераторов и ГЭД ГЭУ, а следовательно, увеличение их мощности. Система окажется чувствительной ко всем внутренним и внешним факторам, будет не защищенной от помех.

Практически найдено, что можно компенсировать апериодические звенья с большой постоянной времени, не увеличивая мощность соответствующих органов, и оставлять нескомпенсирован-ными малые постоянные времени. Кроме того, для повышения точности и снижения астатизма применяют интегрирующие звенья при ограниченном коэффициенте усиления.

В ГЭУ регуляторы, как правило, действуют одновременно только в режимах, определяемых точками излома механической характеристики ГЭД. Обычно регуляторы действуют раздельно. Поэтому и выбирать их следует независимо друг от друга, что упрощает как отыскание передаточной функции регулятора, так и настройку системы.

18.2.1. Уравнения ГЭУ и их линеаризация. Системы автоматического управления широко используются в ГЭУ постоянного тока на судах с тяжелыми или меняющимися условиями плавания. В дальнейшем рассматриваются системы автоматического управления в применении к ГЭУ постоянного тока, т. е. системы СГ — В - Д и Г - Д.

Для синтеза систем управления используются уравнения для расчета переходных процессов. Эти уравнения подвергаются линеаризации известными методами с заменой производных приращениями переменных величин.

18.2.2. Функциональные схемы управления. Предпосылки к выбору схемы. Выбор схемы управления зависит от назначения гребной электрической установки и, следовательно, от предъявляемых к ней требований. Требуемые механические характеристики ГЭД и внешние характеристики генератора могут быть получены разными средствами. Оптималь­ная в эксплуатационном отношении установка в режимах переменного сопротивления движению судна может поддерживать постоян­ство мощности тепловых двигателей в широких пределах изменением тока и напряжения генератора или в ограниченных пределах (от швартовной характеристики до хода в свободной воде) измене­нием магнитного потока ГЭД. Аналогичным образом регулирова­ние частоты вращения ГЭД можно осуществлять изменением напряжения генератора или ослаблением магнитного потока ГЭД, так как магнитный поток ГЭД не может быть больше номинального значения, соответствующего наиболее тяжелому режиму.