САР электромашинного регулирования по угловой скорости генератора (тахометрическая схема).

В системе возбуждения гене­ратора сочетается саморегулирование при помощи возбудителя с радиально расщепленными полюсами (рис. 5.19) и система автоматического регулирования, позволяющая повысить использование мощности дизеля и улучшить пусковые характеристики тепловоза.

Цепи САР включают в себя: G –тяговый генератор; L₁ – независимая обмотка возбуждения генератора; РН –регулятор напряжения; G1 – вспомогательный генератор; G2, G3 –тахогенераторы; G4 – возбудитель; L4₁…L4₆ – обмотки возбуждения возбудителя; VD1, VD2 –диоды.

Кроме обмоток возбуждения L4₃…L4₆, назначением которых является изменение магнитного потока генератора для создания характеристики, близкой к гиперболе, в возбудителе предусмотрены на ненасыщенных полюсах обмотки L4₁ и L4₂. Обмотка L4₁ служит для повышения использования мощности дизеля путем автоматического регулирования по его угловой скорости. Она действует согласно с независимой обмоткой L4₃. Обмотка L4₂ предназначена для автоматического регулирования пускового тока генератора, и ее н.с. направлена навстречу н.с. обмотки L4₃.

Рассмотрим сначала работу узла регулирования мощности (АРМ), считая ток в обмотке L4₂ равным нулю. Обмотка L4₁ включена на разность напряжений тахогенератора G2, приводимого от вала двигатель-генератора, и вспомогательного генератора G1. Регулятор напряжения РН поддерживает постоянным напряжение U_G1 вспомогательного генератора.

Сопротивление в цепи независимой обмотки возбудителя подобрано так, что при отсутствии тока в обмотке L4₁ генератор не может полностью нагрузить тепловой двигатель. Сопротивление R1 в цепи обмотки возбуждения тахогенератора G2 подобрано таким образом, что при максимальной угловой скорости, поддерживаемой ре­гулятором теплового двигателя, ток в регулирующей обмотке достигает максимально допустимого значения. Это значение, соответствующее максимальному возбуждению возбудителя и сохраняется неизменным, пока момент сопротивления генератора меньше свободного момента теплового двигателя при максимальной подаче топлива. При этом действует регулятор теплового двигателя, поддерживая постоянную угловую скорость его и меняя подачу топлива в зависимости от момента генератора. Когда шток регулятора достигает положения упора, дальнейшее повышение момента вызывает снижение угловой скорости. При этом резко уменьшается ток регулирующей обмотки L4₁ и новое равновесие между моментом теплового двигателя и генератора восстанавливается при некотором снижении угловой скорости. Наоборот, уменьшение момента генератора или увеличение свободного момента теплового двигателя (например, вследствие выключения части вспомогательной нагрузки) повышает угловую скорость, в результате возрастает момент генератора. Таким образом, схема поддерживает приблизительно постоянную угловую скорость путем изменения возбуждения возбудителя.

В схеме отсутствует регулятор генератора как самостоятельный аппарат, и поэтому она может быть отнесена к системам саморегулирования. Однако по своим характеристикам и динамическим свойствам она может быть причислена к замкнутым системам раздельного регулирования. Узел схемы, состоящий из тахогенератора G2, вспомогательного генератора G1 и регулирующей обмотки L4₁, может рассматриваться как регулятор прямого действия. В регуляторе имеется элемент сравнения, состоящий из тахогенератора, измеряющего угловую скорость и являющегося измерительным органом, и вспомогательного генератора, напряжение которого определяет величину угловой скорости, поддерживаемой регулирующим устройством, и который, следовательно, может рассматриваться как задающий орган. В качестве исполнительного органа служит регулирующая обмотка L4₁ возбудителя, изменяющая его магнитный поток, являющийся регулирующим параметром.

Диод VD1 защищает цепь АРМ от повышенного тока при снижении угловой скорости дизеля.

Для цепи регулирующей обмотки при установившемся режиме справедливо равенство

E_G2=c_{e G2}Ф_G2ω=U_G1+i _L41(R_L41+R_G2)+u₁, (8.1)

де Е_G2, Ф_G2 – э. д. с. и магнитный поток тахогенератора; R_L41 — сопротивление регулирующей обмотки; R_G2 – сопротивление цепи якоря тахогенератора G2 (вместе с соединительными проводами узла АРМ); и₁– падение напряжения в диоде VD1 и на щетках тахогенератора.

Изменение тока в обмотке РВ является результатом отклонения угловой скорости и ЭДС тахогенератора. В установившемся режиме ток должен достигнуть величины, при которой момент генератора М_г становится равным свободному моменту теплового двигателя М_д.

В свою очередь угловая скорость устанавливается в соответствии с равенством (8.1) в зависимости от тока регулирующей обмотки. При отклонениях М_д или М_г изменяется i_рв, при этом изменяются падения напряжения в цепи регулирующей обмотки, а следовательно, и угловая скорость двигатель-генератора. Таким образом, регулирование угловой скорости является статическим.

Изменение тока в обмотке L4₁ является результатом отклонения угловой скорости и ЭДС тахогенератора G2. В установившемся режиме ток должен достигнуть величины, при которой момент генератора М_г становится равным свободному моменту теплового двигателя М_д.

В свою очередь угловая скорость устанавливается в зависимости от тока регулирующей обмотки. При отклонениях М_дили М_г изменяется i_L41, при этом изменяются падения напряжения в цепи регулирующей обмотки и угловая скорость двигатель-генератора. Таким образом, регулирование угловой скорости является статическим.

Ток в регулирующей обмотке L4₁ устанавливается в процессе регулирования таким, чтобы момент сопротивления генератора при любом его значении был равен свободному моменту дизеля.

Узел АРМ, как и регулятор теплового двигателя, является регулятором угловой скорости дизель-генератора. Однако цели их применения различны. Регулятор теплового двигателя поддерживает постоянную угловую скорость при изменении развиваемой генератором мощности и устанавливает подачу топлива в соответствии с последней, т. е. режим дизеля определяется режимом генератора. Регулятор генератора имеет целью обеспечить полное использование мощности дизеля путем изменения возбуждения генератора при неизменной подаче топлива, причем мощность, потребляемая генератором, определяется величиной свободной мощности, передаваемой от дизеля на вал генератора. Наличие двух отдельных регуляторов, поддерживающих одну величину, вызывает необходимость строгого разграничения областей их работы и взаимной настройки.

Регулятор дизеля должен действовать, пока генератор не может полностью нагрузить его из-за ограничения по напряжению. Для возможно большего использования мощности дизеля целесообразно обеспечить при этом наибольшее допустимое возбуждение генератора. Следовательно, в области тока нагрузки от 0 до I_гмин нужно посредством изменения тока возбуждения тахогенератора G2 установить наибольший ток регулирующей обмотки. Так как в этой области угловая скорость поддерживается постоянной, ток регулирующей обмотки не изменяется, т.е. регулятор генератора не действует.

Для того чтобы регулятор генератора выполнял свое назначение – поддерживал (с той или иной точностью) постоянный режим работы дизеля, необходимо постоянство подачи топлива. Для этого нужно, чтобы в области I_г>I_гмин магнитный поток тягового генератора при максимальном значении тока регулирующей обмотки и любых условиях (нагретые обмотки возбуждения и т. п.) был больше потока, соответствующего наибольшему свободному моменту дизеля. Тогда при I_г>I_гмин регулирующий орган дизеля достигает положения упора. Дальнейшее увеличение тока нагрузки приводит к перегрузке дизеля, его угловая скорость снижается, в результате чего ток регулирующей обмотки уменьшается до тех пор, пока момент генератора не станет равным свободному моменту дизеля. Система возбуждения возбудителя при отключенной обмотке L4₁ должна настраиваться так, чтобы при всех условиях магнитный поток генератора был меньше потока,соответствующего минимальному свободному моменту дизеля. Это нужно для того, чтобы ток в обмотке РВ был всегда больше нуля.

При заданном напряжении вспомогательного генератора настройка регулятора генератора на определенную угловую скорость может осуществляться посредством изменения тока возбуждения тахогенератора.

Если регулятор теплового двигателя вследствие неправильной настройки или нарушения ее в эксплуатации поддерживает не номинальную угловую скорость, а меньшую, то максимальный ток L4₁ уменьшится и дизель может оказаться недогруженным. Необходимость взаимной настройки и опасность нарушения ее являются существенным недостатком схемы.

Обмотка L4₂ узла регулирования пускового тока (АРТ) включена на разность напряжения U_c, пропорционального току нагрузки, и напряжения тахогенератора G3. В тепловозах ТЭЗ и ТЭ7 узел АРТ включен на суммарное падение напряжения в обмотках возбуждения одной группы тяговых двигателей и в обмотке дополнительных полюсов генератора.

Узел регулирования пускового тока приходит в действие, когда входное напряжение U_с становится больше ЭДС тахогенератора G3 (см. рис. 8.1). Возбуждение тахогенератора G3 устанавливается так, чтобы при номинальной угловой скорости двигатель-генератора ЭДС тахогенератора равнялась входному напряжению U_с при токе тяговых двигателей, близком к предельному по условиям сцепления колес с рельсами или коммутации генератора. При токе в силовой цепи, меньшем этого значения и называемым током отсечки, в цепи тахогенератора G3 протекает незначительный ток, равный обратному току вентиля VD2. При превышении тока отсечки в обмотке L4₂ появляется ток i_L42.

При установившемся режиме для цепи обмотки ПВ справедливо уравнение

U_c=I_гR_с=Е_G3+u₂+i_L42(R_L42+R_G3), (8.2)

где R_с – эквивалентное сопротивление участка силовой цепи, с которого снимается напряжение; u₂ – падение напряжения на диоде VD2 и под щётками G3; R_L42 – сопротивление обмотки L4₂ и соединительных проводов; R_G3 – сопротивление цепи якоря G3.

При увеличении U_с растет ток i_L42, что вызывает уменьшение напряжения на зажимах возбудителя и генератора.

Ток в обмотке L4₂ достигает максимального значения при трогании поезда, когда ЭДС тяговых двигателей равна нулю и напряжение генератора равно падению напряжения в силовой цепи (линия ОА на рис. 8.2). При разгоне поезда ток генератора уменьшается. В результате снижается ток i_L42 и увеличивается напряжение генератора по кривой АВ. При i_L42 = 0 размагничивающее действие обмотки L4₂ прекращается, что соответствует выходу на характеристику полной мощности двигатель-генератора (точка В).

Желательно, чтобы сила тяги в процессе пуска не изменялась, для чего необходимо сохранение постоянного значения тока генератора. Точное выполнение этого условия затрудняется тем, что для повышения напряжения генератора требуется снижение тока i_L42, следствием чего будет уменьшение членов правой части равенства (8.2), в то время как для уменьшения отклонения тока генератора при пуске необходимо добиваться их постоянства. Для этой цели элементы цепи следует выполнять с минимальным сопротивлением.

Увеличение сопротивления R_с и ЭДС Е_G3 уменьшает относительное влияние отклонения переменных членов правой части, а также и отклонение пускового тока.

Возможна также компенсация изменения падений напряжения в цепи АРТ обратным по знаку изменением ЭДС тахогенератора G3. Для этой цели в тахогенераторе предусмотрена последовательная обмотка возбуждения, действующая навстречу независимой, и возможность поворота щеток.

Особенностью данной схемы является автоматическое изменение тока отсечки без всяких переключений в схеме при отклонениях угловой скорости двигатель-генератора. Ток отсечки, т.е. ток начала действия узла АРТ,

.

ЭДС тахогенератора изменяется пропорционально угловой скорости и ток отсечки, следовательно, также пропорционален ей. Поэтому при повороте рукоятки контроллера одновременно с увеличением мощности теплового двигателя растет пусковой ток и ускорение поезда, устанавливающиеся в результате работы узла АРТ. Статизм регулирования с понижением угловой скорости возрастает в связи с относительным увеличением влияния переменных членов. Поэтому пусковые характеристики генератора с понижением угловой скорости делаются более пологими.

Существенным недостатком схемы АРТ является зависимость тока отсечки от температуры обмоток, с которых снимается входное напряжение U_с, в связи с изменением их сопротивления. Кроме того, вследствие гистерезиса в магнитных цепях тахогенератора G3 и возбудителя ток отсечки при увеличении напряжения генератора (во время пуска поезда) больше, чем ток отсечки при снижении напряжения (ограничение тока).

Рассмотренная схема решает задачу полного использования мощности теплового двигателя, регулирования пускового тока и ограничения максимального тока. Пусковая сила тяги изменяется в зависимости от угловой скорости двигатель-генератора без всяких переключений. Режимы работы двигатель-генератора при частич­ных нагрузках определяются характеристиками возбудителя с расщепленными полюсами (см. главу IV).

Достоинством схемы является ее простота и значительный запас устойчивости. В случае неисправности в узле АРМ он может быть отключен. Наличие возбудителя с расщепленными полюсами обеспечивает возможность удовлетворительной работы тепловоза, но с пониженным использованием мощности.

Вследствие рассмотренных выше недостатков раздельного регулирования теплового двигателя и генератора в современных тепловозах широкое распространение получили системы регулирования, в которых регулятор теплового двигателя и регулятор генератора кинематически связаны между собой.

Применяются различные способы выполнения таких регуляторов. В одних системах регулятор теплового двигателя по существу остается без изменения, но на его выходном штоке, соединенном с регулирующим органом теплового двигателя (например, с рейками топливных насосов дизеля), добавляется рычаг, приводящий в действие регулятор генератора. При токах нагрузки меньше I_{г мин} и других режимах работы, когда генератор не может полностью нагрузить тепловой двигатель, регулятор генератора не действует, находясь в положении, соответствующем наибольшему возбуждению. При этом регулятор теплового двигателя поддерживает постоянную угловую скорость двигатель-генератора, изменяя подачу топлива. Когда подача топлива достигает наибольшей допустимой величины, шток регулятора при дальнейшем перемещении приводит в действие регулятор генератора, изменяющий возбуждение последнего так, чтобы угловая скорость и подача топлива поддерживались постоянными.

Такое соединение регуляторов можно назвать каскадным, так как выходной – исполнительный орган регулятора теплового двигателя – является одновременно входным органом регулятора генератора. Оба регулятора могут представлять собой отдельные конструкции со своими усилительными, преобразовательными и исполнительными органами. В некоторых системах они объединены в одну общую конструкцию, но и в этом случае можно в ней выделить узлы, относящиеся к каждому из регуляторов. Процесс регулирования всегда начинается с отклонения угловой скорости в результате изменения нагрузки двигатель-генератора или настройки регулятора теплового двигателя, что приводит последний в действие, а в зависимости от положения исполнительного органа меняется подача топлива или возбуждение генератора или то и другое одновременно. При каскадном соединении необходима взаимная настройка обоих регуляторов.

Применяются также системы, в которых имеется один общий регулятор, исполнительный орган которого соединен непосредственно с регулирующими органами теплового двигателя и генератора так, что при увеличении потребляемой мощности генератора исполнительный орган сначала увеличивает подачу топлива до наибольшей величины, а затем уменьшает возбуждение генератора.

Существует достаточно большое количество вариантов исполнения объединённых регуляторов, построенных на различных принципах работы: угольный гидравлический регулятор, вибрационный регулятор, гидравлический регулятор с гибкой обратной связью, электрогидравлический объединенный регулятор, объединенные регуляторы с индуктивными датчиками, бесконтактный регулятор мощности и т.д.

Ниже рассмотрены принципиальные схемы устройства и принцип действия некоторых из применяемых на современных локомотивах систем регулирования.

Гидравлический объединённый регулятор с гибкой обратной связью

На рис. 8.3 изображена упрощенная принципиальная схема регулятора с гибкой обратной связью. В качестве регулятора дизеля применен изодромный гидромеханический регулятор (см. рис. 3.11).

Регулятор генератора состоит из золотникового устройства, гидравлического сервомотора и регулировочного реостата РР (рис. 8.3). Регулировочный реостат включен в цепь управления регулировочной обмотки магнитного усилителя (МУ) – на схеме не показан. Золотниковый плунжер 6 (рис. 8.3) шарнирно связан с ломаным рычагом АВСDЕ, который в свою очередь, соединен в шарнире Е с тягой 11, связанной с поршнем сервомотора 12 и выходным штоком 13 регулятора дизеля, а в шарнире А с поршнем 3, являющимся органом настройки регулятора.

Рассмотрим работу регулятора при настройке регулятора на номинальную скорость при неизменном положении поршня 3. Положение регулятора на рис. 8.3 соответствует установившемуся режиму работы дизеля, причем выходной шток 13 занимает положение, соответствующее полной подаче топлива. При увеличении нагрузки угловая скорость дизель-генератора снижается, грузы сходятся и шток 13 поднимается в сторону увеличения подачи топлива. При этом рычаг СЕ поворачивается против часовой стрелки, золотниковый плунжер 6 поднимается, открывая доступ рабочей жидкости в цилиндр над поршнем 10 сервопривода регулятора генератора. Поршень 10 и движок 9 опускаются, уменьшая ток в регулировочной обмотке управления МУ. В результате этого уменьшается ток возбуждения, а следовательно, и нагрузка генератора.

При опускании поршня 10 часть рабочей жидкости из-под поршня перетекает в корпус золотника и под давлением жидкости золотниковая втулка 8 поднимается, уменьшая отверстие, открытое золотником, и тем самым замедляет перемещение поршня 10. В конце процесса регулирования золотниковая втулка под действием компенсационной пружины 7 возвращается в первоначальное положение, заставляя рабочую жидкость перетекать из нижней полости золотника в верхнюю через малые отверстия игольчатых клапанов 5.

Золотниковая втулка 8 вместе с пружинами 7 и игольчатыми «клапанами 5 представляет собой гибкую обратную связь – изодром и регулятор генератора, как и регулятор дизеля, является изодромным. Устойчивая работа системы достигается регулировкой игольчатых клапанов.

К концу процесса регулирования золотниковая втулка 8 и золотник 6 занимают первоначальное положение. Следовательно, шток 13 также возвращается в первоначальное положение, а контактный движок 9 и поршень 10 занимают новое положение, требуемое по условиям равенства моментов теплового двигателя и генератора.

Таким образом, регуляторы действуют по принципу каскадного соединения: сначала приходит в действие регулятор дизеля, его выходной шток приводит в действие золотник регулятора генератора, который поддерживает постоянное положение исполнительного органа регулятора дизеля.

Связь между рычагами АВ и СЕ устанавливает определенную зависимость между угловой скоростью и подачей топлива. Для снижения угловой скорости нужно уменьшить натяжение пружины 4, т. е. поднять поршень 3. В результате уменьшения силы пружины грузы 2 расходятся и шток 13 опускается, уменьшая подачу топлива, что приводит к снижению угловой скорости дизель-генератора. В то же время вследствие поворота рычага АВ против часовой стрелки точка О поднимается, золотниковый плунжер 6 сдвигается вверх и регулятор генератора уменьшает ток в регулировочной обмотке магнитного усилителя и возбуждение генератора. Следовательно, в начале процесса регулирования оба регулятора приходят в действие одновременно, но в дальнейшем перемещение вниз штока 13 приводит к опусканию плунжера 6, уменьшению скорости, а затем и к остановке поршня 10. Установившийся режим возможен, когда оба золотника регулятора дизеля и регулятора генератора находятся в положении перекрытия проходных отверстий, т. е. центробежные грузы и точка О занимают первоначальное положение. Так как сила пружины 4 уменьшилась, уравновешивающие ее центробежные силы должны соответственно быть меньше, что возможно при неизменном положении грузов за счет снижения угловой скорости. При перемещении вверх точки А сохранение первоначального положения точки В возможно, если в установившемся режиме точка Е и шток 13 опустятся по отношению к первоначальному положению, что означает уменьшение подачи топлива в новом режиме. Таким образом, при снижении угловой скорости уменьшается подача топлива, т. е. устанавливается определенная зависимость крутящего момента дизеля от угловой скорости. В регуляторе предусмотрена возможность изменения этой зависимости путем изменения длин рычагов 11, СD и DЕ. Следовательно, регулятор позволяет при частичных нагрузках обеспечить работу дизеля в режимах наибольшей экономичности.

Перемещение поршня 3 осуществляется электрогидравлическим приводом управления, схема и принцип действия которого рассмотрены ниже.

Когда поршень 10 достигает крайнего верхнего положения, соответствующего максимальному возбуждению генератора, регулятор последнего выключается и положение точки D не влияет на режим работы двигатель-генератора. При этом подача топлива изменяется в соответствии с мощностью, потребляемой генератором. Регулятор генератора поддерживает постоянный момент теплового двигателя путем изменения возбуждения на различном уровне для каждого положения рукоятки управления, но не препятствует уменьшению момента теплового двигателя, когда момент сопротивления генератора при максимальном возбуждении его меньше крутящего момента дизеля при заданной подаче топлива.

Гибкая обратная связь в регуляторе генератора и возможность обеспечения желательной зависимости М_д(п_д) за счет кинематической связи между органом управления и исполнительным органом являются существенным преимуществом данной схемы в сравнении с ранее рассмотренными.

Недостаток системы заключается в наличии контактов реостата, подверженных износу и подгоранию, в особенности при размещении в непосредственной близости от дизеля, так как повышенная температура воздуха, водяные и масляные пары, попадание масла и топлива на контакты понижают надежность их работы. Реостат РР и сервопривод к нему могут выполняться с поступательным движением или с поворотным движком и поршнем.

Регулятор генератора в описанной системе имеет те же элементы, как и регулятор теплового двигателя: золотник, изодром, гидропривод. Уравнения их выводятся, так же, как уравнение соответствующих звеньев регулятора теплового двигателя, и отличаются от них постоянными коэффициентами и регулируемыми величинами.

При пониженной угловой скорости регулирующий орган не достигает положения упора. Регулятор генератора поддерживает постоянную подачу топлива со статической ошибкой, зависящей от мертвых ходов и трения в золотнике регулятора генератора и шар­нирах рычажной системы. При номинальной угловой скорости работа регулятора зависит от настройки регулятора генератора по отношению к рейкам топливных насосов. Если перемещение золотникового плунжера вверх начинается после того, как рейки топлив­ных насосов достигают положения упора, то при работе регулятора подача топлива постоянна и, следовательно, устраняется статическая ошибка по подаче топлива. Однако при этом трудно обеспе­чить устойчивую работу регулятора. Устойчивая работа легче достигается, если одновременно с изменением возбуждения меняется подача топлива, т. е. упор реек топливных насосов сдвигается дальше по отношению к положению штока 13, при котором золотник регулятора генератора находится в положении перекрытия отверстий, но при этом вводится статическая ошибка по подаче топлива.

Рассмотренный регулятор может быть использован не только совместно со схемой с селективным узлом, но и с любой схемой возбуждения генератора. Системы, подобные этой, имеют наибольшее применение в современных тепловозах США, Франции, Швейцарии и других стран, часто в цепи независимой обмотки трехобмоточного генератора.

Электрогидравлический объединенный регулятор

Принципиальная электрическая и кинематическая схемы регулирования дизель-генератора (рис. 8.4) разработана фирмой Дженерал Электрик и применена на тепловозах и газотурбовозах США. Электрогидравлический регулятор состоит из регулятора скорости РС и ограничителя подачи топлива ОП. Каждый из них включает в себя золотник с электромагнитным приводом и гидравлический сервопривод. Поршень П1 сервопривода связан с одной стороны с коробкой КП, которая рычагами соединена с регулирующим органом теплового двигателя. С другой стороны он соединен с контактными движками Дв1 и Дв2 потенциометров R₁ и R₂, включенных на источник тока постоянного напряжения, например, аккумуляторную батарею. Напряжение между движком Дв1 и минусом батареи является входным напряжением для усилителя цепи возбуждения генератора. В первых тепловозах по этой системе это напряжение приложено к обмотке управления электромашинного усилителя с поперечным полем (амплидина), в газотурбовозах и позднейших тепловозах – к обмотке управления магнитного усилителя в цепи возбуждения возбудителя.

Поршень П1 управляется золотником, на который действует снизу усилие пружины и сверху усилие электромагнита. При установившемся режиме работы двигатель-генератора отверстия золотника перекрыты. Ток катушки L2 равен

(8.3)

где – ЭДС тахогенератора G1, приводимого от двигатель-генератора; а_G2 –коэффициент, зависящий от параметров тахогенератора и передаточного отношения к валу теплового двигателя; R₃′ – часть реостата, включенная в цепь тахогенератора; R_L2– сопротивление катушки L2 и якоря тахогенератора.

Положению золотника, при котором отверстия его закрыты, соответствует определенное усилие пружины и уравновешивающее его усилие электромагнита и, следовательно, определенное значение тока катушки и установившейся угловой скорости.

При увеличении нагрузки генератора угловая скорость и ток катушки уменьшаются. Золотник перемещается вверх. Поршень П1 движется влево, увеличивая подачу топлива. Движок Дв1 скользит по контактной пластине и в цепь возбуждения подается наибольшее напряжение потенциометра, что соответствует максимальному возбуждению генератора.

Когда коробка КП касается упора У, увеличение подачи топлива прекращается. Если перегрузка теплового двигателя при этом еще не устранена, поршень П1 и движок Дв1 перемещаются дальше, вследствие чего уменьшается возбуждение генератора.

Процесс регулирования продолжается до тех пор, когда восстановится равновесие между двигателем и генератором и золотник перекроет оба отверстия. Последнее становится возможным, когда угловая скорость восстанавливает первоначальное значение. Отсюда вытекает, что угловая скорость, поддерживаемая регулятором, не зависит от положения исполнительного органа и регулятор является астатическим.

Настройка регулятора осуществляется движком Дв3, при перемещений которого вправо уменьшается сопротивление R3′, что вызывает снижение установившейся угловой скорости, как это следует из равенства (8.3).

Для обеспечения устойчивой работы регулятора предусмотрена стабилизирующая катушка , присоединенная через конденсаторы и к тахогенератору и движку Дв2. При установившемся режиме ток в катушке равен нулю.

В процессе изменения угловой скорости и координаты х поршня П1 через конденсаторы и стабилизирующую катушку протекает ток. Рассмотрим уравнения переходного процесса.

Измерительным органом регулятора является электромагнит с тахогенератором, пружиной и золотником. Его работа описывается следующими уравнениями.

Уравнение цепи катушки L2 (если пренебречь взаимоиндукцией между катушками и )

(8.4)

Ток в цепи катушки L3 зависит от изменения напряжения на обкладках конденсаторов C1 и C2. Напишем уравнения для цепи конденсаторов C1 и C2 в соответствии с обозначениями на рис. 8.4:

; (8.5)

; (8.6)

, (8.7)

где – сопротивление стабилизирующей катушки; U_GB – напряжение источника тока.

При равномерной намотке провода на сопротивлении R2, пренебрегая влиянием тока в C1 на падение напряжения в R2 и принимая за начало отсчета координаты х исполнительного органа крайнее правое положение, соответствующее выключенной подаче топлива, при котором движок Дв2 находится на крайнем правом зажиме потенциометра R2, получим

(8.8)

где b_ст – постоянный коэффициент.

Продифференцировав равенства (8.5), (8.6) и (8.8), получим (при U_GB=const) уравнения:

(8.9)

. (8.10)

Для обеспечения достаточной эффективности действия стабилизирующей катушки необходимо получить наибольший ток в ней при относительно малом ускорении двигатель-генератора и небольшой скорости поршня П1. Поэтому дроссели L2 и L3 следует выполнять с возможно меньшими индуктивностями и сопротивлениями. Если в первом приближении в уравнениях (8.9) и (8.10) пренебречь слагаемыми с параметрами дросселей в силу их малости, то с учетом равенства (8.7) уравнения в отклонениях для токов цепей дросселей L2 и L3 примут вид:

(8.11)

и . (8.12)

Роль муфты в центробежном измерителе для данного регулятора выполняет золотник. Он находится под действием силы электромагнита F_эм и поддерживающей силы F_n. В установившемся режиме работы золотник занимает положение z_н (рис. 8.5), и силы, действующие на него, уравновешиваются. Устойчивое равновесие отдельно взятого измерителя возможно, если крутизна характеристики поддерживающей силы больше крутизны характеристики электромагнита. Сила электромагнита, как правило, увеличивается при притяжении якоря, т. е. при опускании золотника. Если изменение воздушного зазора при перемещении золотника мало в сравнении с начальным зазором, электромагнит имеет пологую характеристику. Поддерживающая сила равна сумме веса частей, связанных с золотником, и силы пружины. Крутизна ее зависит главным образом от жесткости пружины.

В переходном процессе движение золотника описывается уравнением

, (8.13)

где т_з – масса подвижных частей, связанных с золотником; F_тр – сила трения в золотнике и электромагните.

Сила электромагнита зависит нелинейно от токов в дросселях L2 и L3 и от положения якоря. При анализе линейное отклонение силы электромагнита можно представить в виде

,

где – определяются по опытным или расчетным характеристикам электромагнита для z_н.

Отклонение поддерживающей силы

.

С учетом вязкого и сухого трения силу трения можно представить в виде

.

Подставив отклонения сил в равенство (8.69), получим уравнение движения золотника:

. (8.14)

Сравнивая это уравнение с уравнением (3.3) центробежного измерителя, видно, что левые части их практически одинаковы, но в правой части уравнения (8.14) вместо отклонения угловой скорости имеются отклонения токов в катушках, связанных с угловой скоростью и координатой исполнительного органа уравнениями (8.4), (8.7), (8.9) и (8.10). Полная система уравнений измерительного органа достаточно сложна, т.к. состоит из пяти уравнений 7-го порядка.

Одним из достоинств рассматриваемой системы является отсутствие центробежных грузов, представляющих собой основную массу в центробежном измерителе, а также рычагов и шарниров, создающих дополнительную силу трения.

Для качественного приближенного анализа динамики измерителя примем массу и силы трения равными нулю. Тогда приближенное уравнение движения золотника получим в форме:

. (8.15)

Исключив из уравнений (8.11), (8.12) и (8.15) токи в катушках, получим приближенное уравнение измерителя

(8.16)

Приближенное уравнение (8.16) позволяет оценить влияние стабилизирующей катушки и конденсаторов на процесс регулирования. Первый член правой части представляет собой основное воздействие регулятора: при отклонении угловой скорости золотник открывает отверстие и регулятор начинает изменять подачу топлива или возбуждение генератора. Одной из главных причин возникновения колебаний в астатических регуляторах является перерегулирование, возникающее вследствие того, что в начале процесса регулирования, когда Δп_д мало, проходное сечение золотника и скорость исполнительного органа также малы, что замедляет процесс уравнивания моментов двигателя и нагрузки и приводит к увеличению Δп_д. Максимальные Δп_д и скорость исполнительного органа достигаются, когда эти моменты уравновешиваются и, следовательно, исполнительный орган проходит положение нового установившегося режима.

Второй член представляет собой воздействие, находящееся в прямой зависимости от ускорения двигатель-генератора. Оно пропорционально разности моментов двигателя и генератора и, следовательно, является наибольшим в начале изменения режима двигателя или генератора. В процессе регулирования разность моментов уменьшается и при уравновешенности двигатель-генератора это воздействие р