Россия
Нижний Новгород, Нижегородская область, Россия
Анализ режимов работы некоторых проектов судов небольшого водоизмещения свидетельствует: большую часть рабочего времени суда находятся в режиме ожидания либо передвигаются малым ходом. Работа главных судовых дизельных двигателей проходит при загрузке 10–15 % (максимум 20 %), что негативно отражается на эксплуатационных показателях: не успевают прогреться масло и водяная рубашка двигателя, повышается расход топлива и масла. Происходит коксование поршневых колец, интеркулеров и других узлов, что приводит к резкому снижению ресурса главного судового двигателя. В целях устранения недостатков при работе главных двигателей в режимах долевой нагрузки рассматривается возможность использования судовой валогенераторной установки в качестве гребной электрической установки во время продолжительной работы судна на малых ходах и при маневрировании. Подобный вариант валогенераторной установки можно назвать обратимой валогенераторной установкой (ОВГУ), способной работать как в генераторном, так и в двигательном режимах. Питание ОВГУ и общесудовых потребителей при этом целесообразно осуществлять от дизель-генераторной установки, которая может быть реализована как дизель-генераторная установка переменной частоты вращения с целью экономии топлива. Представлен вариант ОВГУ на основе асинхронной машины с фазным ротором и преобразователем частоты в роторе (машина двойного питания). Приведены функциональная и структурная схемы судовой электроэнергетической системы на базе дизель-генераторной установки переменной частоты вращения и пропульсивной системы на основе ОВГУ по схеме машины двойного питания. В прикладной программе Matlab разработаны имитационные модели и представлены результаты имитационного моделирования режимов работы вышеуказанных систем.
обратимая валогенераторная установка, дизель-генераторная установка переменной частоты вращения, машина двойного питания, судовая электроэнергетическая система, преобразователь частоты
Введение
Особенность обратимой валогенераторной установки (ОВГУ) заключается в ее способности работать в качестве гребной электрической установки на низких скоростях движения судна [1]. Установленные на судне дизель-генераторы (ДГ) обеспечивают электрической энергией ОВГУ и общесудовые потребители. Главная энергетическая установка при этом не используется. С целью повышения энергоэффективности при работе ДГ целесообразно одну из генераторных установок перевести в режим переменной частоты вращения, т. е. реализовать машинно-вентильный вариант дизель-генераторной установки переменной частоты вращения (ДГПЧВ) [2–4]. Необходимо отметить, что ОВГУ выступает в роли не основной, а вспомогательной пропульсивной установки судна. Продолжительный ход судна с максимальной скоростью обеспечивается главной энергетической установкой и питанием общесудовых потребителей от ОВГУ. В штормовых условиях питание общесудовых потребителей осуществляют ДГ, а ОВГУ отключается.
Функциональная схема судовой электроэнергетической системы с дизель-генера-торной установкой переменной частоты вращения и обратимой валогенераторной установкой по схеме машины двойного питания
Валогенераторные установки являются генераторными комплексами переменной частоты вращения. Требование стабилизации параметров генерируемой электроэнергии (амплитуды и частоты напряжения) у современных валогенераторных установок обеспечивается средствами полупроводниковых преобразователей частоты (ПЧ). При использовании в составе валогенераторной установки электрического генератора синхронного типа ПЧ подключен к статорным обмоткам синхронного генератора и, следовательно, его установленная мощность определяется полной мощностью синхронного генератора. При использовании в качестве электрического генератора в составе валогенераторной установки асинхронной машины, как альтернативного типа, можно получить ряд преимуществ как в плане надежностных и стоимостных показателей (для асинхронного короткозамкнутого генератора), так и по установленной мощности силового электрооборудования (для варианта машины двойного питания (МДП)). Для варианта валогенераторной установки по схеме МДП мощность ПЧ, который подключен к роторной цепи асинхронного генератора с фазным ротором, определяется мощностью скольжения и, как правило, существенно меньше мощности ПЧ в статоре синхронного генератора. В настоящем исследовании рассмотрен вариант ОВГУ на основе МДП. Отметим, что МДП обладает хорошими регулировочными возможностями и особенно перспективна при широком диапазоне изменения скорости вращения вала, когда к мощности, генерируемой через статор, добавляется мощность скольжения [5, 6]. На рис. 1 представлена функциональная схема судовой электроэнергетической системы с ДГПЧВ и ОВГУ на основе МДП.
Рис. 1. Функциональная схема судовой электроэнергетической системы
с ДГПЧВ и ОВГУ на основе МДП
Проведем математическое описание элементов силового оборудования электроэнергетической системы (рис. 1): ДГПЧВ, ОВГУ и нагрузки (винт). Поскольку мы исследуем двигательный режим работы ОВГУ при отключенном главном судовом дизельном двигателе, то его математическое описание не приводим.
Моделирование режимов работы судовой электроэнергетической системы с дизель-генераторной установкой переменной частоты вращения и обратимой валогенераторной установкой по схеме машины двойного питания
Математическая модель ДГПЧВ на основе асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором представлена следующими уравнениями системы:
(1)
Первое уравнение системы (1) описывает дизельный двигатель, последующие – асинхронную короткозамкнутую машину. В качестве ПЧ в составе ДГПЧВ предлагается использовать ПЧ на основе активного выпрямителя напряжения (ПЧ2), что позволяет отказаться от необходимости использования отдельных конденсаторных устройств для возбуждения асинхронного генератора [7, 8]. Отметим, что все обозначения в уравнениях системы (1) являются общепринятыми в теории двигателей внутреннего сгорания и электрических машин [9].
В дальнейшем при исследовании динамических режимов работы активное сопротивление статорных обмоток и изменение потокосцепления в статоре асинхронной машины (трансформаторная электродвижущая сила статора) не учитывались. Данные допущения являются известными и общепринятыми в теории асинхронных машин при анализе динамических режимов их работы [5, 10]. Как объект управления, АГКЗ имеет два взаимосвязанных канала: канал по оси x определяет активную составляющую тока статора, канал по оси y – реактивную составляющую тока статора. По условию настройки на модульный оптимум определена передаточная функция регулятора в контуре стабилизации амплитуды генерируемого напряжения ДГПЧВ.
Математическое описание ОВГУ на основе МДП представлено уравнениями асинхронной машины с фазным ротором, записанными в синхронно вращающейся системе координат:
(2)
Все обозначения в уравнениях системы (2) являются общепринятыми в теории электрических машин [9].
Построение системы управления для двигательного режима ОВГУ на основе МДП по асинхронному принципу работы основано на раздельном управлении по двум каналам. В качестве первого канала используется канал регулирования частоты вращения, который по своей структуре является двухконтурным, где внешнему контуру частоты вращения (главный регулируемый параметр) подчинен контур активного тока статора. Второй канал реактивного тока статора является одноконтурным. Также предусмотрены контуры регулирования фазного тока ротора (по токам ПЧ в роторе). По правилам методики последовательной коррекции при настройке переходных процессов в контурах регулирования на модульный и симметричный оптимумы получены передаточные функции соответствующих регуляторов [5, 6].
В качестве двигательной нагрузки представлен винт, величина вращающего момента которого определяется его геометрической формой при постоянной скорости набегающего потока, а также зависит от рода жидкости, в которой работает винт и от скорости его вращения:
где D – диаметр винта; ρ – плотность воды; n – скорость вращения винта; K2 – коэффициент момента винта.
Для исследования динамических режимов работы судовой электроэнергетической системы (см. рис. 1) в программном пакете Matlab получена ее имитационная модель (рис. 2).
Рис. 2. Имитационная модель судовой электроэнергетической системы
с ДГПЧВ и ОВГУ на основе МДП
На рис. 3 представлены временные зависимости изменения частоты вращения вала ω(t) (рис. 3, а) и вращающего момента М(t) (рис. 3, б) на валу ОВГУ по схеме МДП, а также амплитуды напряжения ДГПЧВ (рис. 3, в). Мощность ДГПЧВ – 600 кВт, мощность ОВГУ – 160 кВт.
Имитационный эксперимент состоит из следующих этапов: разгона ОВГУ, резкого сброса нагрузки на 15-й секунде (оголение винта), наброса нагрузки на 18-й секунде (вход винта в воду), последующего дополнительного наброса нагрузки на винт на 21-й секунде и снятия дополнительной нагрузки на 24-й секунде.
|
б |
|
в |
|
а |
Рис. 3. Переходные процессы в судовой электроэнергетической системе с ОВГУ на основе МДП и ДГПЧВ:
а – ωОВГУ; б – МОВГУ; в – UДГПЧВ
Результаты моделирования подтвердили обеспечение системой регулирования требуемых показателей качества как по статическим, так и по динамическим показателям. С учетом стабилизации частоты вращения ОВГУ и напряжения ДГПЧВ кратковременные отклонения вышеуказанных параметров находятся в допустимых (согласно Российскому морскому регистру судоходства) пределах: от 2 до 2,5 и от 3 до 5 % соответственно.
Заключение
Предложена концепция построения судовой электроэнергетической системы на основе ДГПЧВ и пропульсивной установки с ОВГУ по схеме МДП, обеспечивающая высокие энергетические показатели работы (минимизация по расходу углеводородного топлива). Разработана математическая модель и проведено имитационное моделирование динамических режимов работы данной системы, которое подтвердило обеспечение требуемых показателей качества регулирования в статических и динамических режимах. Отметим, что предлагаемый вариант системы снижает также нагрузку на окружающую среду за счет уменьшения объема отработанного масла для утилизации и отличается пониженным уровнем шума, т. к. главные судовые двигатели отключены.
Важным моментом является обеспечение безопасности судовождения. В экстренном случае, при выходе из строя главной энергетической установки, ОВГУ позволит судну сохранить управляемость и продолжить движение.
В заключение отметим, что предложенная концепция структуры судовой электроэнергетической системы применима как для новых судов, так и для модернизации существующих. Кроме того, этот вариант может использоваться для различных типов судов, где важен комфорт и не требуется предельная скорость: прогулочные катера, суда для перевозки грузов и пассажиров, для речного туризма, аренды, рыбалки, спасательные катера. Предложенное решение будет приобретать особенное значение в случаях передвижения в охраняемых зонах или соблюдения строгих требований в области охраны природы и окружающей среды.
1. Хватов О. С., Бурда Е. М., Тарпанов И. А., Дарьенков А. Б., Кобяков Д. С. Параллельная работа дизель-генераторных установок постоянной и переменной частоты вращения // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2018. № 1. С. 93-99.
2. Khvatov O. S., Kobyakov D. S. Increasing the efficiency of a diesel-generator power plant // Russian Electrical Engineering. 2020. Vol. 91. Iss. 12. P. 742-748.
3. Хватов О. С., Кобяков Д. С. Повышение эффективности дизель-генераторной электростанции // Электротехника. 2020. № 12. С. 25-31.
4. Delgado C., Dominguez-Navarro J. A. Optimal design of a hybrid renewable energy system ecological vehicles and renewable energies // Ninth international conference on publication year (EVER) (Monaco, March 25-27, 2014). Monaco Sustainable Development Association (MC2D), 2014. P. 1-8.
5. Онищенко Г. Б., Локтева И. Л. Асинхронные вентильные каскады и двигатели двойного питания. М.: Энергия, 1979. 265 с.
6. Хватов О. С. Электротехнические генераторные комплексы переменной частоты вращения на основе машины двойного питания: моногр. Н. Новгород: Изд-во ВГУВТ, 2015. 276 c.
7. Зиновьев Г. С. Основы силовой электроники: учеб. пособие. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003. 644 с.
8. Шрейнер Р. Т., Ефимов А. А. Активные преобразователи в регулируемых электроприводах. Новоуральск: Изд-во НГТИ, 2001. 250 с.
9. Хватов О. С., Дарьенков А. Б., Самоявчев И. С., Поляков И. С. Автономные генераторные установки на основе двигателей внутреннего сгорания переменной частоты вращения: моногр. Н. Новгород: Изд-во НГТУ им. Р. Е. Алексеева, 2016. 172 с.
10. Трещев Н. И. Методы исследования электромагнитных процессов в машинах переменного тока. Л.: Энергия, 1974. 287 с.
