Методика определения частоты вращения вала центробежного компрессора и дизель-генератора

На современном этапе развития общепромышленных электросетей, промышленного производства наблюдается рост потребляемых мощностей и, как следствие, увеличение интенсивности эксплуатации энергооборудования. Системы электроснабжения сталкиваются с дефицитом мощности. В Вооруженных силах Российской Федерации потребители специальных объектов электроэнергию заданных параметров получают от электроустановок, входящих в состав системы электроснабжения (СЭС). Под системой электроснабжения понимается взаимосвязанная совокупность электроустановок, предназначенных для выработки, преобразования и распределения электрической энергии между потребителями специального объекта [1]. Системы электроснабжения включают систему автономного энергоснабжения (САЭС) и систему внешнего электропитания (СВЭП), состоящие из дизельных электростанций (ДЭС) и распределительно-преобразовательных устройств (РПУ) (рис. 1).

Системы электроснабжения специальных объектов различного целевого назначения могут отличаться друг от друга составом и структурой входящих электроустановок, режимами работы, вариантами электроснабжения и др.

Расчет и конструирование

Рис. 1. Структура системы электроснабжения потребителей специальных объектов

Подсистему системы внешнего электропитания образуют придаваемые электроустановки, такие как дизельные электростанции, распределительно-преобразовательные устройства, перевозимые трансформаторные подстанции (ПТП) с кабельными комплектами и пультами местного и дистанционного управления. Одна из структур приведена на рис. 2 (Z – потребители).

Рис. 2. Структура системы внешнего электропитания СВЭП

Постановка задачи

Одним из главных требований, предъявляемых к системам электропитания, является качественная и бесперебойная передача по кабельным сетям электроэнергии, поэтому одним из основных направлений работы является определение частоты вращения с использованием измерительных датчиков [2]. Для определения с высокой точностью частоты вращения необходимо использование современных методов измерений. Поэтому необходим эксперимент по минимизации погрешностей при проведении регулировок.

Обзор литературы

Измерительные датчики получили широкое применение в автомобильной технике, горной промышленности, медицинской, космической и военной технике. Датчики разрабатывают с различной конструкцией в зависимости от области применения [3].

Измерительные датчики обладают следующими достоинствами: наличие гальванической развязки, малые вес и габариты, безопасность при обслуживании, низкий уровень напряжения выходного сигнала, высокая точность измерений и др. [4]. Поскольку методы измерений токов, основанные на законе электромагнитной индукции, не могут применяться в цепях постоянного тока, наиболее распространенным и недорогим способом измерения тока становятся измерения с помощью датчиков, основанных на эффекте Холла [5, 17]. Эффект Холла, открытый Эдвином Холлом в 1879 году, является результатом действия силы Лоренца на заряженные частицы (носители тока) проводника или полупроводника, которые движутся в поперечном магнитном поле [4, 6, 16]. Датчики Холла очень удобны, так как имеют малые размеры и обеспечивают высокую точность измерений.

Датчики на эффекте Холла используют физический эффект, в котором магниточувствительный статор реализует весь потенциал элементной базы интегральных датчиков, позволяющий упрощать, улучшать измерительные системы, а также удешевлять их [7, 19]. Датчики позволяют проводить точные измерения практически в любых условиях окружающей среды (температура, вибрация, загрязнения), имеют низкую цену компонентов, требуют минимум обрабатывающей электроники, поэтому широко используются в технике [8, 20].

Теоретическая часть

В работе представлен эксперимент с использованием датчика на основе эффекта Холла в компрессоре и предложен вариант его использования в дизель-генераторе дизельной электри ч еской станции [9]. Был использован датчик, представленный на рис. 3 и разработанный для широкой области применения, включая автомобильную и военную технику [10, 18]. Датчик рассчитан на диапазон рабочих температур от –40 до +150 °С, напряжение пита н ия 4,5–24 В, имеет частотную характеристику до 100 кГц – 10–3600 об/мин.

Датчик (см. рис. 3) применяется для определени я положения распределительного вала двигателя внутреннего сгорания (ДПРВ), а в данном случае он применен для определения часто т ы вращения коленчатого вала дизель-генератора.

Практическая часть

Первый этап эксперимента был проведен в лаборатории ка-

Рис. 3. Датчик ДПРВ

федры «Компрессорная, вакуумная и холодильная техника» Института энергетики и транспортных систем для определения частоты вращения ротора стенда экспериментал ь ного цент р обежного компрессора (ЭЦК-2М) [11–13]. Для определения частоты вращения ротора стенда ЭЦК-2М применялся датчик фаз торцевой (датчик положения распределительного вала – ДПРВ), принцип действия которого основан на эффекте Холла.

На рис. 4 датчик закреплен на корпусе стенда ЭЦК-2М с помощью шпильки в непо д вижном состоянии. В отверстие муфты ротора вкручивается металлический болт, который вращается вместе с муфтой. Между болтом и неподвижно за к репленным датчиком выставляется зазор от 0,5 до 1,5 мм.

Собирается электрическая схема, показанная на рис. 5. Принцип действия основан на регистрации сигнала осциллографом при прохождении болта через датчик, т. е. происходит замыкание цепи. Программа DisCo в режиме «Осциллограф» регистрирует частоту сигнала в Гц. Принцип работы программы DisCo приведен в Интернет-ресурсе [14]. Для того чтобы узнать час т оту оборотов ротора, нужно частоту сигнала умножить на 60: n = f • 60, об/мин.

Рис. 4. Датчик ДПРВ на корпусе стенда экспериментального центробежного компрессора ЭЦК-2М

Рис. 5. Схема подключения осциллографа к датчику

Согласно результатам эксперимента частота сигнала равна 23,7 Гц, следовательно, искомая частота вращения – 1422 об/мин.

Второй этап эксперимента был проведен на военной кафедре Факультета военного о б учения. При проведении практических занятий с использованием военной техники одним из заданий является проверка величины угла наклона малой регуляторной характеристики дизель-генератора.

Расчет и конструирование

Проверка угла наклона малой регуляторной характеристики проводится в следующей последовательности [15].

• 1.    Запустить дизель-генератор, прогреть до рекомендуемой температуры охлаждающей жид

• 2.    Снять нагрузку и проверить частоту тока, которая при 3%-ном основном наклоне регуляторной характеристики должна быть 51,5 Гц, что соответствует скорости вращения вала 1545 об/мин.

• 3.    Для регулировки наклона характеристики регулятора ослабить гайку упора 1 (см. рис. 6) крепления рычага 3 и, перемещая рычаг в нужном направлении, найти такое положение, при котором частота тока будет равной требуемой величине при сбросе нагрузки. Нужно иметь в виду, что при перемещении рычага 3 по часовой стрелке наклон характеристики увеличивается.

  

  Рис. 6. Регулятор скорости: 1 – упор максимальных оборотов;

  2 – упор останова дизеля; 3 – рычаг управления

  
  

кости и масла и при установившемся тепловом режиме нагрузить его на номинальную мощность (100 кВт) при частоте тока 50 Гц.

Наклон характеристики определяется по формуле:

f■ — f2 -100%, f2            , где f - частота тока при частоте вращения дизеля на холостом ходу; f2 - частота тока при номинальной частоте вращения дизеля.

Пример определения 3%-ного наклона регуляторной характеристики:

51,5 - 50

- 100 = 3%.

Для повышения точности снятия показаний и, соответственно, точности регулировки частоты вращения коленчатого вала двигателя используем метод, описанный в первом этапе эксперимента, закрепив датчик на блок-картере, а металлический элемент, воздействующий на датчик, крепим на маховике (рис. 7).

Согласно результатам эксперимента частота сигнала равна 25,7 Гц, следовательно, искомая частота вращения - 1542 об/мин. При снятии показаний со штатного частотометра погрешность измерений составляет 2 %, а в данном случае погрешность составляет 1 %.

Рис. 7. Установка датчика Холла в дизель-генераторе 1Д20

Заключение

В результате работы был представлен и реализован альтернативный метод определения частоты вращения центробежного компрессора и коленчатого вала дизель-генератора. Эксперимент подтвердил, что данный метод является более точным, простым и надежным в эксплуатации.