1.1.1 ППЧВ - общее описание и применение

В настоящее время актуальным является создание альтернативных источников энергии, в частности с использованием энергии перемещения воздушных масс. В связи с этим возникает задача преобразования переменной скорости рабочего двигателя в постоянную скорость двигателя - потребителя (например, электрического генератора) с высоким КПД при сохранении малых массогабаритных показателей. Для решения этой задачи в последнее время все больше используется привод постоянной частоты вращения (ППЧВ). На кафедре прикладной механики, автоматики и управления в БГТУ «Военмех» ведутся исследования в целях усовершенствования ППЧВ.

Также ППЧВ используется в ряде других систем, где необходимо получать электрический ток стабильной частоты, используя энергию двигателей, скорость которых является переменной. Это актуально для авиации, судостроения и тяжелого машиностроения. Например, история развития систем электроснабжения летательных аппаратов свидетельствует о том, что рост требований к массогабаритным показателям (материалоемкость) и КПД бортовых источников электроэнергии судовых и транспортных средств приведет со временем к более широкому использованию ОГМП в качестве стабилизаторов частоты вращения синхронных генераторов. Принципиально возможны и целесообразны комбинированные способы стабилизации, при которых ППЧВ стабилизирует с некоторой точностью частоту вращения, а электрические способы используются для компенсации погрешностей с точностью, зависящей от требований потребителей.

Силовая часть ППЧВ состоит из исполнительного двигателя Д, трехзвенного дифференциала 3 и двигателя-потребителя (в данной работе - электрического генератора) Г, связанных кинематическими передачами. В процессе работы переменный момент, развиваемый двигателем Д, преобразуется дифференциалом 3 в постоянный, который, в свою очередь, через передачу поступает на вал генератора Г. Дифференциал 3 имеет переменное передаточное отношение, которое должно изменятся в зависимости от значения входного момента в целях поддержания постоянного момента на выходе. Для регулирования передаточного отношения дифференциала 3 предназначен гидравлический привод, состоящий из неуправляемой объемной гидромашины 2, кинематически связанной с один из звеньев дифференциала 3 и управляемой объемной гидромашины 1, гидравлически связанной с 2. Схема ППЧВ представлена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Привод постоянной частоты вращения

Привод постоянной частоты вращения устанавливают между валами двигателя и генератора, автоматически поддерживая с определенной точностью частоту вращения генератора постоянной в случае изменения частоты вращения двигателя или нагрузки. Таким образом, сугубо электрическая задача стабилизации частоты тока решается чисто механическим способом -- стабилизацией частоты вращения.

Существуют ППЧВ с внешним и внутренним разветвлениями потока мощности, двух- и трехпоточные. Однако наибольшее распространение получили передачи типов А1 и А2. Трехпоточные передачи имеют некоторое преимущество по КПД, однако сложность базового механизма ограничивает их использование.

Опыт конструирования и результаты исследований показывают, что для двухпоточных ОГМП наиболее рациональным является привод с одной регулируемой и одной нерегулируемой гидромашинами. Относительные установочные мощности определяются выражением

где ; -- номинальная мощность генератора;

-- диапазон регулирования [9].

На рис. 1.2 представлены структурные схемы ППЧВ на основе передач типов А1 (рис. 1, а) и А2 (рис. 1, б). Вращение от вала отбора мощности двигателя Д передается на одно из звеньев дифференциала. Два других звена соединены соответственно с генератором Г и нерегулируемой гидромашиной 2. Регулируемая гидромашина 1 через согласующую передачу соединяется либо с генератором (схема А1), либо с двигателем (схема А2).

На рис. 1.3 приведены обобщенные графики механических и гидравлических характеристик ППЧВ типов А2 (а) и A1 (б).

Компоновочная особенность передач, представленных на рис. 1.2, состоит в том, что вал генератора и вал отбора мощности двигателя несоосны. Кроме того, для уменьшения размеров передачи обычно стремятся соединить генератор и нерегулируемую гидромашину с соответствующим звеном дифференциала напрямую.

а) б)

Рисунок 1.2 - Компоновочные схемы ППЧВ

Наиболее предпочтительной для применения в приводах постоянной частоты вращения является компоновочная схема А1. Во-первых, это подтверждается тем, что данная схема позволяет создавать приводы компонуемые совместно с генератором. В этом случае имеется возможность создать единый типоразмерный ряд систем электроснабжения различной мощности и с различным диапазоном регулирования без привязки к конкретным компоновочным условиям. Во-вторых, их характеристик ППЧВ, созданного по схеме А1, следует, что зависимость параметра регулирования гидравлического насоса от передаточного отношения имеет линейный вид. Можно сказать, что это свойство данной схемы позволит упростить процесс управления приводом, т.к. параметр регулирования насоса является регулируемой величиной.

1.1.2 Объемная гидропередача (ОГП). Описание и составные части

Объемная гидропередача, являющаяся силовой частью гидропривода, состоит из объемного насоса (преобразователя механической энергии приводящего двигателя в энергию потока рабочей жидкости) и объемного гидродвигателя (преобразователя энергии потока рабочей жидкости в механическую энергию выходного звена).

Объемные передачи устанавливают кинематические связи между ведущей и ведомой частями. Это значит, что они могут поддерживать на ведомом валу любую заданную скорость независимо от изменения нагрузки.

Не имея жесткой механической связи между ведущей и ведомой частями, объемные передачи допускают расположение валов на значительном расстоянии друг от друга, под углом и в разных плоскостях, допускают изменение вращательного движения в поступательное и обратно. Все это вместе взятое позволяет при помощи объемного гидропривода решить многие задачи, которые не могут быть решены электроприводом и зубчатым редуктором [15].

КПД объемной гидропередачи низок по сравнению с механическими передачами, так как превращение энергии происходит в 2 этапа: из механической в гидравлическую на входе, и обратно в механическую на выходе.

Гидравлический привод ОГМП может быть частью единой гидросистемы всей передачи или иметь автономный круг циркуляции жидкости. В этом наиболее часто встречающемся случае замкнутый гидропривод состоит из силовой части, систему управления (регулирования), защиты от перегрузок, подпитки, охлаждения и отчистки рабочей жидкости.

Типичная гидравлическая схема замкнутого гидропривода приведена на рис. 1.4. Гидрообъемная передача 13 включает насос 5, гидродвигатель 16. Вспомогательный насос 8 обеспечивает питание механизма управления рабочей жидкостью и создает минимально допустимое давление в рабочих камерах гидромашин.

Поток рабочей жидкости от вспомогательного насоса очищается фильтром 7, снабженным предохранительным клапаном 6. Предохранительный клапан 9 ограничивает давление вспомогательного насоса.

Редукционный клапан 10 устанавливают в случаях, когда давление подпитки недостаточно для обеспечения момента поворота регулирующего органа насоса и требуется большее давление жидкости в системе управления. Это влечет за собой дополнительную нагрузку на вспомогательный насос и дополнительные потери энергии.

Поток жидкости от вспомогательного насоса, компенсирующего утечки, одновременно выполняет функцию охлаждения и очистки ее в силовом контуре. Он поступает в силовой привод через обратные клапаны 11. Работает тот из клапанов, который соединяется с гидролинией низкого давления силового привода. В случае перегрузок срабатывают предохранительные клапаны 12, перепуская жидкость из высоконапорной гидролинии в низконапорную.

Избыток жидкости вспомогательного насоса, не израсходованный на управление и компенсацию утечек, через перпендикулярный золотник 14 и переливной клапан 15 поступает в корпус гидропередачи, откуда, смешиваясь с рабочей жидкостью из системы управления и утечками, поступает в систему охлаждения.

Управление регулирующим органом насоса осуществляется через сервозолотник 2 и силовые цилиндры 4. Входной управляющий сигнал поступает через управляющее звено 3, имеющее обратную связь с регулирующим органом насоса. Механизм управления может строиться с механической обратной связью, а также с электрическим входным сигналом и электрической обратной связью.

Жидкость охлаждается в теплообменнике 1, воздушный или водяной радиатор которого снабжен предохранительным клапаном. Из теплообменника жидкость поступает в бак 17, откуда забирается вспомогательным насосом [16].

Рисунок 1.4 - Гидравлическая схема замкнутого гидропривода

Единая система ОГМП помимо систем, обслуживающих гидропривод, может включать систему смазки базового механизма, которую обычно предусматривают в тех случаях, когда удается подобрать единую рабочую жидкость для гидропривода и базового механизма. Единая система в основном повторяет автономную. Различие состоит в том, что дополнительно предусмотрена система откачки жидкости из картера и система сепарации масла и воздуха.

1.1.3 Базовый механизм (БМ). Описание и составные части

Базовый механизм - механизм, состоящий из зубчатых дифференциалов и согласующих передач с постоянным передаточным числом.

Основные звенья базового механизма - звенья БМ, соединенные с двигателем, потребителем, гидромашинами 1 и 2. В дальнейшем рассматриваются передачи, предназначенные для работы с двухмашинным гидроприводом, и поэтому имеющие три или четыре основных звена.

Двухпоточная передача имеет базовый механизм с тремя основными звеньями, одно из которых соединено с двигателем, второе - с потребителем, третье - с гидромашинной. Вторая гидромашина присоединяется напрямую или через согласующую передачу с валом двигателя или потребителя. Соединенные трубопроводом гидромашины замыкают базовый механизм, образую передачу. Базовый механизм двухпоточных передач может быть и четырехзвенным, однако основными звеньями, передающими внешние вращающие моменты, являются 3 звена. На рис. 1.5 приведена структурная схема двухпоточной передачи с четырехзвенным дифференциалом с последовательным соединением трехзвенных дифференциалов, где Д - двигатель, П - потребитель, 1, 2 - гидромашины, D1, D2 - дифференциалы.

Рисунок 1.5 - Структурная схема двухпоточный передачи с четырехзвенным дифференциалом

Следует заметить, что помимо передач с внешним разветвлением потока мощности в приводах постоянной частоты вращения могут также использоваться передачи с внутренним разветвлением, в которых роль дифференциала выполняют машины «двойного вращения». Эти передачи могут быть наиболее компактными, однако их применение ограничено сравнительно малыми мощностями и передаточными отношениями, лежащими вблизи единицы, поэтому в данной работе они рассматриваться не будут.

1.1.4 Механизм управления (МУ). Описание и составные части

Так как целью данной работы является исследование и разработка системы автоматического управления ППЧВ, необходимо подробно остановиться на механизме управления объемным гидроприводом.

На рисунке 1.7 изображена условная схема управления объемной гидромашиной.

Рисунок 1.7 - Система управления объемной гидромашинной. 1- гидравлический цилиндр, 2- управляющий поршень, 3 - наклонный диск, 4 - поршень, 5 - блок цилиндров

Систему управления ОГП можно разделить условно на три узла - узел распределителя, узел управляющего цилиндра, узел наклонного диска [21]. Как показано на схеме, наклонный диск гидромашины жестко соединен со встроенным симметричным гидравлическим цилиндром, который перемещает наклонный диск, создавая угол наклона. Положение цилиндра управляется гидравлическим пропорциональным распределителем. Для управления объемными гидромашинами могут использоваться распределители с цилиндрическим или с плоским золотником [20].

Изменение рабочего объема регулируемой гидромашины и соответсовенное изменение передаточного отношения ОГМП осуществляются изменением угла наклона регулирующего органа с помощью механизма управления. Типичным примером МУ с гидроусилителем является механизм управления, применяемый в гидромашинах типа Зауэр. Конструктивная схема этого механизма представлена на рис. 1.8, где и - угол поворота регулирующего органа; z - управляющее воздействие; a/b - передаточное отношение рычажной передачи; - расстояние от оси силового цилиндра до оси поворота люльки; - приведенный момент инерции регулирующего органа; - площадь силового цилиндра; - коэффициенты расходов через золотник.

Рисунок 1.8 - Конструктивная схема механизма управления гидромашины

В зависимости от знака рассогласования между положением управляющего звена и положением регулирующего органа золотник открывается в ту или иную сторону и жидкость подается из системы подпитки в один из силовых цилиндров механизма управления. При этом другой силовой цилиндр соединяется с полостью слива.

Для ОГМП представляет особый интерес МУ с электрогидроусилителем, первый каскад которого является преобразователем электрического входного сигнала в управляющее воздействие на сервозолотник. Простейшим примером реализации такого входного каскада может служить электромагнитный преобразователь (ЭМП).

Однако чаще всего для удовлетворения требований к управляющему воздействию на сервозолотник необходимы такие мощности управления, что целесообразным становится добавление к ЭМП первого каскада гидроусилителя, преобразующего перемещение электромагнита в перепад давления. Этот перепад управляет сервозолотником основного каскада. При формировании электрического управляющего сигнала целесообразно вводить электрическую обратную связь через операционный усилитель, с помощью которого осуществляется суммирование управляющего сигнала с сигналом обратной связи и настройка коэффициента управления системы.

Запорно-регулирующим элементом золотниковых гидрораспределителей является цилиндрический золотник 1, который в зависимости от числа каналов (подводов) 3 в корпусе 2 может иметь один, два и более поясков (рис.1.9, а). На схемах гидрораспределители обозначают в виде подвижного элемента, на котором указываются линии связи, проходы и элементы управления. Рабочую позицию подвижного элемента изображают квадратом (прямоугольником), число позиций соответствует числу квадратов (рис.1.9, б).

На рис. 1.10 изображен наиболее актульный для нашего гидропривода гидрораспределитель с электрогидравлическим управлением и его условное обозначение. Он состоит из основного гидрораспределителя 2 с гидравлическим управлением и вспомогательного гидрораспределителя 1 с электромагнитным управлением. Основной гидрораспределитель управляет потоком рабочей жидкости гидросистемы, а вспомогательный регулирует поток управления. Такие гидрораспределители применяют в гидроприводах с дистанционным и автоматическим управлением при больших расходах и высоком давлении в гидросистеме, когда применение гидрораспределителей с электромагнитным управлением невозможно[16].

а) б)

Рисунок 1.9 - Схема (а) и обозначение (б) гидрораспределителя

Рисунок 1.10 - Гидрораспределитель с электрогидравлическим управлением

1.2 Математическое моделирование ОГМП. Основные уравнения