ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРНЫХ УСТАНОВОК ПОСТОЯННОЙ И ПЕРЕМЕННОЙ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ
Авторы:
1.
Волжский государственный университет водного транспорта
(аспирант кафедры электротехники и электрооборудования объектов водного транспорта)
Россия
Россия
2.
Волжский государственный университет водного транспорта
3.
Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева
4.
Волжский государственный университет водного транспорта
(кандидат технических наук; доцент кафедры электротехники и электрооборудования объектов водного транспорта)
5.
Волжский государственный университет водного транспорта
(доктор технических наук, профессор; заведующий кафедрой электротехники и электрооборудования объектов водного транспорта)
Россия
Россия
Тип:
Статья
Страницы:
с 93
по 99
Статус:
Опубликован
Получено:
20.02.2018
Одобрено:
25.02.2018
Опубликовано:
25.02.2018
Классификаторы:
УДК 621.313.3
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
электростанция, электродвижение, звено постоянного тока, дизель-генератор переменной частоты вращения
Аннотация (русский):
В контексте разработки концепции новых пассажирских судов с колесно-движительным рулевым комплексом в качестве одного из вариантов энергетической установки рассмотрена судовая единая электростанция с общим звеном постоянного тока и дизель-генератором переменной частоты вращения. Отмечается, что работа дизель-генераторной установки при постоянной (номинальной) частоте вращения, но переменной нагрузке характеризуется неоптимальным (завышенным) удельным расходом топлива. В то же время принудительное регулирование частоты вращения двигателя внутреннего сгорания, в соответствии с величиной электрической нагрузки генератора, позволяет обеспечивать энергоэффективный режим генерирования электроэнергии. Одним из способов повышения энергетических показателей судовой единой электростанции может быть перевод одного из параллельно работающих дизель-генераторов в режим переменной частоты вращения. При этом нагрузка между параллельно работающими дизель-генераторами распределяется пропорционально их частотам вращения независимо от индивидуальной загрузки гребных электродвигателей. Для стабилизации напряжения дизель-генератора, работающего в режиме переменной частоты вращения, используется силовой полупроводниковый преобразователь. Представлены функциональная схема и математическая имитационная модель судовой единой электростанции, графики переходных процессов при изменении нагрузки в канале электродвижения судна.
В контексте разработки концепции новых пассажирских судов с колесно-движительным рулевым комплексом в качестве одного из вариантов энергетической установки рассмотрена судовая единая электростанция с общим звеном постоянного тока и дизель-генератором переменной частоты вращения. Отмечается, что работа дизель-генераторной установки при постоянной (номинальной) частоте вращения, но переменной нагрузке характеризуется неоптимальным (завышенным) удельным расходом топлива. В то же время принудительное регулирование частоты вращения двигателя внутреннего сгорания, в соответствии с величиной электрической нагрузки генератора, позволяет обеспечивать энергоэффективный режим генерирования электроэнергии. Одним из способов повышения энергетических показателей судовой единой электростанции может быть перевод одного из параллельно работающих дизель-генераторов в режим переменной частоты вращения. При этом нагрузка между параллельно работающими дизель-генераторами распределяется пропорционально их частотам вращения независимо от индивидуальной загрузки гребных электродвигателей. Для стабилизации напряжения дизель-генератора, работающего в режиме переменной частоты вращения, используется силовой полупроводниковый преобразователь. Представлены функциональная схема и математическая имитационная модель судовой единой электростанции, графики переходных процессов при изменении нагрузки в канале электродвижения судна.
Ключевые слова:
электростанция, электродвижение, звено постоянного тока, дизель-генератор переменной частоты вращения
электростанция, электродвижение, звено постоянного тока, дизель-генератор переменной частоты вращения
Состояние проблемы В настоящее время в судостроении все больше внимания уделяется гребным электрическим установкам (ГЭУ), которые имеют ряд преимуществ перед установками с непосредственной передачей мощности от тепловых двигателей на винт: повышенные маневренные качества, надежность и живучесть судна, возможность отбора мощности от ГЭУ для вспомогательных нужд. В Волжском государственном университете водного транспорта разрабатывается концепция новых пассажирских судов с использованием ГЭУ с колесно-движительным рулевым комплексом. Суда планируется использовать на реках, где в настоящее время судоходство ограничено небольшими глубинами, например на Оке. Опираясь на опыт эксплуатации судов проекта ПКС-40, одним из вариантов энергетической установки судна выбрано использование единой электростанции, содержащей два дизель-генератора (ДГ1, ДГ2) и являющейся общей для питания как ГЭУ, так и общесудовых потребителей. В качестве движителей рассматриваются гребные колеса диаметром 4,5-6 м, электродвигатели которых питаются от преобразователей частоты (ПЧ). Эксплуатация судов проекта ПКС-40 показала их высокую экономичность и маневренность, однако были выявлены и существенные недостатки: - неравномерное и быстроизменяющееся распределение мощности между гребными электродвигателями при активном маневрировании; - сложность включения генераторов на параллельную работу и распределения между ними активной мощности, связанная с наличием высших гармонических в сети при работе ПЧ. Практика показывает, что один из ДГ может быть загружен на 150-170 % от номинальной мощности, а другой существенно недогружен. Для ПЧ и электрических двигателей данные перегрузки являются допустимыми. Однако перегрузка генераторов может составлять не более 110-115 % от их номинальной мощности. Решение данной проблемы заключается в реализации так называемой псевдопараллельной работы генераторов, когда ПЧ каналов электродвижения соединены на стороне постоянного тока. Такое решение было предложено авторами статьи в [1]. Научно обосновано и подтверждено экспериментально, что работа дизель-генераторной установки при постоянной (номинальной) частоте вращения, но переменной нагрузке характеризуется неоптимальным (завышенным) удельным расходом топлива. В то же время принудительное регулирование частоты вращения ДВС в соответствии с величиной электрической нагрузки генератора позволяет обеспечивать энергоэффективный режим генерирования электроэнергии [2-5]. Задачи, методы и результаты исследования С целью повышения энергетических показателей судовой единой электростанции (СЭС) нами предложен вариант ее структуры, когда один из параллельно работающих ДГ переводится в режим переменной частоты вращения (рис. 1). Рис. 1. Функциональная схема судовой единой электростанции с общим звеном постоянного тока и дизель-генератором переменной частоты вращения Принцип работы схемы заключается в принудительном регулировании частоты вращения ДВС2 при снижении нагрузки в канале электродвижения судна. Цель данного регулирования обусловлена поддержанием высоких энергетических показателей процесса генерирования электроэнергии за счет сохранения оптимального (близкого к номинальному) удельного расхода топлива ДВС. При этом нагрузка между параллельно работающими генераторами СГ1 и СГ2 будет распределяться пропорционально их частотам вращения и независимо от индивидуальной загрузки гребных электродвигателей АД1 и АД2. Для стабилизации напряжения СГ2, работающего в режиме переменной частоты вращения, используется повышающий трансформатор ТV и широтно-импульсный преобразователь, реализованный на транзисторе Т3. Преобразователи обоих ДГ соединены на стороне постоянного тока. Регулятор нагрузки Рнаг воздействует на систему возбуждения СГ1, изменяя величину напряжения на его статоре. Согласно структурной схеме (рис. 1) нами разработана математическая имитационная модель (рис. 2). Рис. 2. Структурная схема математической модели единой судовой электростанции с общим звеном постоянного тока и дизель-генератором переменной частоты вращения Результаты имитационного моделирования динамических режимов при снижении нагрузки в канале электродвижения судна на 20 % представлены на рис. 3-6. Рис. 3. Зависимость частоты вращения ГЭУ при снижении нагрузки Графики зависимости частоты вращения ГЭУ и частот вращения ДГ1 и ДГ2 представлены на рис. 3 и рис. 4 соответственно. Рис. 4. Зависимости частоты вращения ДГ1 (1) и ДГ2 (2) при снижении нагрузки в канале электродвижения При снижении на 20-й секунде нагрузки на гребные электродвигатели система регулирования снижает частоту вращения ДГ2 до 80 % от номинальной, при этом регулятор нагрузки Рнаг увеличивает напряжение на выходе СГ1, а распределение нагрузки между ДГ1 и ДГ2 происходит пропорционально их частотам вращения и независимо от величин нагрузок на гребные электродвигатели. На рис. 5 представлены графики зависимости напряжений на выходе выпрямителя НВ1 (UНВ1) и ШИП-преобразователя (UШИП). Рис. 5. Зависимости UНВ1 и UШИП при снижении нагрузки в канале электродвижения Графики зависимости изменения токовой загрузки генераторов СГ1 и СГ2 приведены на рис. 6. Рис. 6. Зависимости IСГ1и IСГ2 при снижении нагрузки в канале электродвижения Таким образом, разработанная математическая имитационная модель единой судовой электростанции позволяет проводить анализ переходных процессов при параллельной работе двух дизель-генераторов, один из которых имеет переменную частоту вращения. Заключение Предложена структура системы параллельной работы дизель-генераторных агрегатов в составе электростанции судна с электродвижением. С целью повышения энергетических показателей СЭС обоснована целесообразность перевода одного из ДГ агрегатов в режим переменной частоты вращения. Разработана математическая имитационная модель динамических режимов параллельной работы ДГ агрегатов постоянной и переменной частоты вращения.
1. Бурда Е. М., Хватов О. С., Тарпанов И. А., Кшталтный Н. И. Вариант единой электростанции колесного судна с электродвижением // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2016. № 2. С. 102-108.
2. Хватов О. С., Дарьенков А. Б. Дизель-генераторная электростанция переменной скорости вращения // Электротехника. 2014. № 3. С. 28-32.
3. Хватов О. С., Дарьенков А. Б. Единая электростанция транспортного объекта с электродвижением на базе дизель-генераторной установки переменной частоты вращения // Электротехника. 2016. № 3. С. 35-40.
4. Хватов О. С., Дарьенков А. Б., Самоявчев И. С., Поляков И. С. Автономные генераторные установки на основе двигателей внутреннего сгорания переменной частоты вращения: моногр. // Ниж. Новгород: Нижегор. гос. техн. ун-т им. Р. Е. Алексеева. 2016. 172 с.
5. Хватов О. С., Дарьенков А. Б., Самоявчев И. С. Топливная экономичность единой электростанции автономного объекта на базе двигателя внутреннего сгорания переменной скорости вращения // Эксплуатация морского транспорта. 2012. № 1 (71). С. 47-50.
