CC BY
15три этапа. На первом этапе в учебном классе с использованием проекционного оборудования и интерактивной доски ставится цель работы, объясняются условия и последовательность ее выполнения. После этого студенты будут способны перейти ко второму этапу - самостоятельному выполнению работы в компьютерном классе. Третий этап - проверку результатов работы и появившихся гипотез - также целесообразно проводить публично с использованием мультимедийного оборудования. Расположение тренажера в нескольких учебных аудиториях позволяет реализовать предлагаемое деление лабораторной работы на этапы, что, несомненно, повысит качество учебного процесса.
Перспектива использования тренажера с целью реализации на его основе лабораторных работ по СДВС достаточно широка. До сих пор не исчерпаны возможности по исследованию описанной выше модели, а кроме нее компания Kongsberg предлагает и другие. Так нами приобретены два рабочих места, оснащенных моделью СЭУ супертанкера. Детализация систем главного двигателя (MAN B&W 5L90MC) в данной модели выполнена на существенно более высоком уровне. Работа по освоению тренажера продолжается.
Список литературы:
[1] Марков К.В. Возможные направления развития тренажера судовой энергетической установки // Вестник АГТУ. Серия: Морская техника и технология. - 2010. - №2. - С. 125 - 128.
[2] Райнич А. Тренажер готовит судовых механиков. / А. Райнич // Волго-Невский Проспект. -2010. - №23. - С. 3.
[3] New Engine Room Simulator for Volga State Academy // The Maritime Simulator newsletter. -April, 2011. - P. 18.
KONGSBERG NEPTUNE ENGINE ROOM SIMULATOR AS APPLIED TO «MARINE INTERNAL COMBUSTION ENGINES»
COURSE STUDY
A.V. Troitsky
This article describes an approach to the «Marine Internal Combustion Engines» Course study, based on the rejection of full-scale experiments and their replacement in educational process by modeling on Kongsberg Neptune Engine Room Simulator.
УДК 621.314
О.С. Хватов, д.т.н., профессор ФБОУВПО «ВГАВТ» Е.М. Бурда, к. т.н., ФБОУ ВПО «ВГАВТ» И.А.Тарпанов, аспирант ФБОУ ВПО «ВГАВТ» 603950, г.Н.Новгород, ул. Нестерова, д. 5А. А.Б. Дарьенков, к.т.н., доцент НГТУ им. Р.Е. Алексеева 603950, г.Н.Новгород, ул. Минина, д. 24
ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ АВТОНОМНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ НА БАЗЕ СИСТЕМЫ «ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ - ГЕНЕРАТОР» ПЕРЕМЕННОЙ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ
Рассмотрены математическая модель, функциональная и структурная схемы дизельной электростанции переменной скорость вращения на основе асинхронного генера-
тора с фазным ротором. Приведены результаты моделирования электростанции в пакете ЫайаЪ.
Системы «двигатель внутреннего сгорания - генератор» представляют широкий класс электроэнергетических систем, к которому относятся установки типа «дизель-генератор» (Д-Г), «бензиновый двигатель - генератор», судовые валогенераторные установки, ветро-дизель-электрические установки и ряд других. Из приведенных систем наибольшее распространение получили установки типа Д-Г.
Подавляющее большинство систем Д-Г работает со стабильной скоростью вращения (ю) вала дизеля независимо от мощности нагрузки (Р). Такой режим работы дизеля является неоптимальным с точки зрения потребления топлива. Для обеспечения оптимального режима работы дизеля необходимо с изменением Р менять ю [1]. Известно, что уменьшение ю при снижении нагрузки сокращает удельный расход топлива дизеля на 20-30%. При этом также обеспечивается оптимальный тепловой режим работы дизеля, снижение его износа и, следовательно, повышение моторесурса. Однако, при этом должно выполняться требование стабильности частоты выходного напряжения ([1=соп&1) при ю=уат.
Функциональная система Д-Г с переменной ю на базе машины двойного питания (МДП), в качестве которой используется асинхронный генератор с фазным ротором (АГ), представлена на рис. 1. Устройство работает следующим образом. Электропривод рейки топливного насоса (ЭПН) получает сигнал с блока вычислителя мощности нагрузки (ВМ), который соединен с выходами датчиков напряжения (ДН) и тока (ДТ), измеряющими соответственно напряжение и ток на выходе преобразователя частоты (ПЧ). В зависимости от значения Р задатчик экономичного режима работы дизеля (ЗЭР) формирует на своем выходе оптимальное значение скорости вращения юопт вала дизеля, при котором потребление топлива минимально для текущего значения Р.
Рис. 1. Функциональная схема системы Д-Г с переменной скоростью вращения
С помощью сумматора сигналов, входящего в состав ЭПН, вычисляется разность сигнала задания юопт и сигнала датчика скорости вращения вала дизеля (ДСВ). Сигнал от сумматора поступает на вход регулятора скорости вращения вала дизеля (РСВ), который с помощью исполнительного электродвигателя (ИЭД), перемещающего рейку топливного насоса, поддерживает скорость вращения вала дизеля на уровне, заданном ЗЭР. Таким образом, при изменении Р на выходных выводах, а значит и на
(1)
валу дизеля, скорость вращения вала w будет поддерживаться оптимальной с точки зрения минимального потребления топлива.
Поскольку w дизеля изменяется в зависимости от P, то амплитуда U1m и частотаf переменного напряжения АГ будут также меняться в зависимости от P. При работе дизеля во всем диапазоне нагрузок стабилизацию амплитуды и частоты выходного напряжения (U1m=const и f^const) возможно обеспечить за счет ПЧ, включенного в цепь ротора АГ. Система автоматического регулирования САР формирует сигналы управления ПЧ в функции сигналов с датчиков частоты (ДЧ), а также датчиков ДТ и ДН.
Объектом управления ЭПН является дизель с газотурбинным наддувом, который описывается системой дифференциальных уравнений, характеризующих его динамические свойства и составленных для двух случаев [2]:
- изменение состояния дизеля под влиянием нагрузки MC при неизменной координате регуляторного воздействия - цикловой подаче gu, однозначно связанной с ходом топливной рейки h;
- изменение состояния дизеля под влиянием регуляторного воздействия при неизменной величине активной мощности нагрузки P.
Система уравнений дизеля с газотурбинным наддувом имеет вид:
(Tvp + ¿д И к = КУн - ц; (Tx p + ¿т )Ут = К У0- Ун; Ун (Тк p + ¿к) = Ут- К У0; iTaxp + ¿д )У0 = Х0 + кд Ун; (Ттp + ¿т )Ут = khx0 + ктУ0 - Ун ;
kggu = x0 + в<р Уo,
где у0 , ц, Ун, Ут, x0, g4 - безразмерные величины изменения, соответственно, скорости вращения вала и нагрузки дизеля, давления нагнетаемого воздуха, скорости вращения ротора турбины, положения рейки топливного насоса и цикловой подачи топлива;
Тац, Tax, Тт , Тк - постоянные времени, соответственно, дизеля в каналах нагрузочного
и регуляторного воздействий (при этом Tax ~ Ta^), турбонагнетателя и впускного коллектора;
Sm, Sn , 8т, Зк , - коэффициенты самовыравнивания, соответственно, дизеля в каналах нагрузочного и регуляторного воздействий (при этом 8д « ), турбонагнетателя и впускного коллектора; k1, kT, кд, kK, kh - коэффициенты, учитывающие, соответственно, зависимость крутящего момента на валу дизеля от давления наддува, изменение момента сопротивления на валу дизеля при изменении мощности нагрузки; зависимость расхода воздуха через дизель от скорости его вращения; зависимость крутящего момента турбины от ее скорости вращения и положения рейки топливного насоса; kg и вф - соответственно, коэффициенты самовыравнивания дизеля и усиления топ-
ливоподающей аппаратуры дизеля.
Математическая модель МДП - генератора основывается на базе уравнений Парка - Горева в системе синхронно вращающихся координат, опорный вектор которой вращается с частотой поля статора ©ъ и имеет следующий вид:
(2)
Ulх/= ю J2p//1Х; U1Y ^ш^у + со^т12У;
U2^ ^Ьх+ paX212Х " ^У; U2У = R2+ pOX212у + E2X; Ч*1Х = X1I1X+ Xт I2X; = X1I1Y + XтI2Y ;
^2^ ^212^ XmЛх;
^2У = aX2I2Y+ XmI1Y,
где U1X, U1Y, U2X, U2Y - проекции векторов напряжения статора и ротора на оси «X»
и «У» ортогональной системы координат; I1X,!1У,I2X,I2Y - проекции векторов токов статора и ротора на оси «X» и «У»; Ч^, Ч^, Ч^, - проекции векторов потокосцеплений на оси «X» и «У»; E2X,E2Y - проекции ЭДС ротора на оси «X» и «У»;
, ш, о - частота поля статора, частота вращения ротора и коэффициент рассеяния; J■L - суммарный момент инерции МДП, приведенный к валу дизеля; R2 - активное сопротивление ротора МДП;
X1, X2, Xm , Rн, Xн - реактивные сопротивления статора, ротора и цепи намагничивания МДП, активное и реактивное сопротивления нагрузки.
Нагрузка МДП-генератора описывается системой уравнений:
U1X - ^ ^ X + ^ ^ X
U1Y - ^ ^ У + xн ^ У
Iн X _ I1X + IпчX; Iн У = А У + IпчY;
АР = Р - P ■
ш А ген ^ наг>
ю, - юот =— А а;
+ 4 ^ ; н dt
+ Lн ^; н dt
dt
А а ~ AP;
(I
рген Iрнаг ) * ZБ ~ ^
(3)
где Lн - индуктивность нагрузки;
I х,I У - проекции вектора тока нагрузки на оси «X» и «У»;
нЮ нУ IпчX, ^пчУ
- проекции обобщенного вектора тока ПЧ на стороне сети, определяемого
током12 и углами управления ПЧ, на оси «X» и «У»; Pген , Pнaг - соответственно активные мощности МДП и нагрузки; юэт - эталонное значение частоты напряжения статора МДП; Да - изменение фазы вектора напряжения статора МДП;
!рген, !рнаг - соответственно, реактивные составляющие токов МДП и нагрузки;
Zв - сопротивление контура возбуждения МДП;
Д^ - изменение величины напряжения статора генератора.
На основе систем уравнений (1), (2) и (3) разработана структурная схема системы 208
Дизель
ы о чо
Рис. 2. Структурная схема Д-Г с переменной скоростью вращения на базе МДП ^РС(р), ЖСд(р) , WТН(р) , ЖВК(р) , Жд(р), ЖРТ(р), ЖРН(р), ЖРЧ(р) - передаточные функции, соответственно, регулятора скорости
вращения дизеля, серводвигателя, турбонагнетателя, впускного коллектора, собственно дизеля, регулятора тока, регулятора напряжения и регулятора частоты; п - КПД АГ; Кдч, Кдт - коэффициенты передачи датчиков частоты и тока; Рк, ^зад, ^ТН, - соответственно, давление надувочного воздуха, заданная скорость вращения дизеля, скорость вращения
турбонагнетателя, величина скорости вращения дизеля в канале регуляторного воздействия, величина скорости вращения дизеля в канале нагрузочного воздействия; иЗАда, иЗАди - сигналы задания напряжения и частоты АГ; иЭТ - эталонное значение напряжения.
В
з л Г
Э я
а
д
о
о В
а:
кй
Я ^
А
В
я
г
° у
У Й
О Ьч)
о&
а ^
а: Ко
§ Го
Д-Г (рис. 2). Система регулирования содержит три канала: по скорости вращения а вала дизеля, частоте Д и амплитуде и1т выходного напряжения АГ [3].
Одной из важнейших задач при создании систем Д-Г с переменной скоростью вращения является разработка ЗЭР дизеля, который в зависимости от Р должен формировать на своем выходе оптимальные, с точки зрения потребления топлива, значения скорости вращения юопт вала дизеля [4]. Зависимость юопт = ДР) может быть легко определена по многопараметровой характеристике дизеля. Однако, многопарамет-ровая характеристика для каждого конкретного дизеля носит индивидуальный характер, и производители дизелей, как правило, не предоставляют таких характеристик. Кроме того, многопараметровая характеристика дизеля будет меняться в зависимости от условий внешней среды, от степени износа дизеля и от марки топлива.
Функциональная схема ЗЭР приведена на рис. 3 и состоит из четырех основных элементов: контроллера обучения (КО), контроллера управления (КУ), ассоциативной памяти (АП) и памяти данных, которые объединены общей информационной шиной.
Основным функциональным элементом ЗЭР, является АП, представляющая собой нейронную сеть с радиальными базисными функциями. Важное достоинство нейронных сетей данного типа - способность решать задачу аппроксимации табличной функции многих переменных, дополненной процедурой интерполяции (экстраполяции) для нахождения произвольного значения данной функции. Таким образом, АП обладает способностью накапливать дискретные значения скорости юопт в зависимости от Р, а также генерировать значения юопт для отсутствующих в памяти дискрет. Это свойство освобождает ЗЭР от необходимости знания непрерывной зависимости ®опт = ДР).
Обучение нейронной сети осуществляется КО на основе алгоритма «обратного распространения ошибки». Целью обучения нейронной сети является такая настройка ее весов, чтобы некоторое множество значений, поданное на ее входы, приводило к получению требуемого множества выходных значений. При этом минимизируется ошибка выходного параметра юопт в соответствии с целевой функцией среднеквадра-тического отклонения результата работы нейронной сети от целевой функции. Используемое в процессе обучения «обучающее множество» логических пар юопт = ДР) формируется КУ в процессе управления Д-Г установкой.
Р
ёе
(О А
информационная шина
Контроллер обучения (КО)
Контроллер управления (КУ)
Память данных
Ассоциативная память (АП)
Рис. 3. Функциональная схема ЗЭР В случае выхода текущего значения мощности нагрузки Р за пределы диапазона в 210
котором производилось обучение АП, соответствующее значение юопт определяется контроллером КУ. При этом контроллером КО производится «дообучение» нейронной сети АП. Точность расчета зависимости тоПТ = ^(Р) и как следствие экономичность системы будет определяться плотностью значений и шириной диапазона обучения, который можно сравнить с накопленным «опытом» ЗЭР.
На основе структурной схемы Д-Г с переменной скоростью вращения (рис. 2) и функциональной схемы ЗЭР (рис. 3) в пакете МайаЬ разработана имитационная модель электростанции на базе Д-Г с переменной скоростью вращения.
Результаты моделирования для дизеля номинальной мощностью 142 кВт представлены на рис. 4. В частности, моделировался наброс нагрузки Р на 100% и сброс на 30%, при этом получены зависимости изменения скорости вращения вала дизеля а> (рис. 3,а,б), а также частотыи амплитуды и1т выходного напряжения системы (рис. 3,в,г) для значений cosф нагрузки, равных 0,5 и 0,9. Анализ показал, что при набросе нагрузки на 100% скорость вращения а> вала дизеля увеличилась на 50% и достигла номинального значения, а при сбросе нагрузки на 30% - снизилась от номинальной на 10%. При набросе нагрузки кратковременные провалы величины выходного напряжения достигают 8% и 16% соответственно для cosф=0,9 и cosф=0,5; провалы частоты выходного напряжения достигают 10% и 20% соответственно для cosф=0,5 и cosф=0,9.
'.в
м /| — сойс^О.Ц
»//
У5
в)
500
400
100
100
со. рад;с
(
1
20
30
40
50
/1 Гц
?0
48
46 -
44 ■
4:
40 14,95
еоярО,?
/ СОЙ|>=( .У
1
1
15 05
15.1
б)
Г)
Рис. 4. Результаты моделирования системы Д-Г переменной скорости вращения на базе МДП в пакете МаАаЬ при значениях То8ф=0,5;0,9; а) - наброс нагрузки Р - 100%, сброс нагрузки Р - 30%; б) - изменение скорости вращения вала дизеля а>, соответствующее набросу и сбросу нагрузки; в, г) - изменение частоты /1 и напряжения и1 системы Д-Г в момент наброса нагрузки.
На рис. 5 приведена кривая, являющаяся результатом работы модели ЗЭР. Точками обозначены дискретные значения юопт в относительных единицах, полученные с
помощью КО, для соответствующих им значениям Р в относительных единицах. Сплошной линией показана непрерывная зависимость юопт = ДР), полученная на основе дискретных значений с помощью АП. При этом значения юопт, рассчитанные с помощью АП, отличаются от дискретных значений, определенных КО для соответствующих значений Р, на величину, не превышающую 0.03% от номинального значения скорости вращения ю вала дизеля.
w опт отн ед.
0.2
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Р, отн.ед.
Рис. 5. Результат работы модели ЗЭР
Выводы
1. Работа системы Д-Г с переменной скоростью вращения позволит обеспечить экономию топливных ресурсов до 20-30%.
2. Применение в составе электрогенерирующих установок дизелей с переменной скоростью вращения требует нового подхода к управлению топливоподачей, который возможно реализовать на базе интеллектуальной управляющей системы, построенной на базе нейронной сети.
3. Разработанные при моделировании Д-Г с переменной скоростью вращения и ЗЭР в МаЙаЬ алгоритмы в дальнейшем возможно реализовать на базе современной микропроцессорной техники при создании экспериментального стенда.
Список литературы
[1] Орлов А.В. Перспективы создания дизель-электрических установок с переменной частотой вращения/ А.В. Орлов, В.А. Путятинский, В.В. Сапожников// Судостроение. 1976. №10. С. 28-29.
[2] Крутов В.И. Автоматическое регулирование двигателей внутреннего сгорания: учебное пособие для втузов / В.И. Кругов. - М.: Машиностроение, 1979. - 615 с.
[3] Хватов О.С. Высокоэффективная дизель-генераторная электростанция переменной частоты вращения на основе машины двойного питания/ О.С. Хватов, И.А. Тарпанов, В.В. Пшеничников, А.Б. Дарьенков // журнал «Приводная техника». Москва, 2010 г. №5. С. 14-19.
[4] Хватов О.С. Интеллектуальные средства управления высокоэффективной дизель-генераторной установкой переменной частоты вращения / О.С. Хватов, А.Б. Дарьенков // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3: в 5 ч. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010, Ч.4. с. 126-131.
SIMULATION MODEL OF AUTONOMOUS ELECTRIC POWER STATION ON THE BASIS OF SYSTEM «AN EXPLOSION ENGINE - THE GENERATOR» VARIABLE SPEED OF ROTATION
O.S. Khvatov, A.B. Daryenkov, E.M. Burda, I.A. Tarpanov
The consideration of the mathematical model, flow and structural sheets of diesel electric power station based on the asynchronous generator with a phase rotor. The description of results of modeling of electric power station in Matlab.
УДК 621.314
О.С. Хватов, д.т.н., профессор ФБОУВПО «ВГАВТ» И.С. Самоявчев, аспирант ФБОУ ВПО «ВГАВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5А. А.Б. Дарьенков, к.т.н., доцент НГТУ им. Р.Е. Алексеева 603950, г. Н.Новгород, ул. Минина, д. 24
ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ЕДИНОЙ СУДОВОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ НА БАЗЕ СИСТЕМЫ «ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ - ГЕНЕРАТОР» ПЕРЕМЕННОЙ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ
Приведено описание функциональной и структурной схем единой электростанции судна на базе двигателя внутреннего сгорания переменной скорости вращения. Рассмотрены результаты работы имитационной модели единой электростанции судна.
На судах с электродвижением получили широкое распространение единые электростанции (ЕЭС), от которых получают питание все потребители электроэнергии, в том числе гребные электродвигатели. В качестве первичных двигателей ЕЭС зачастую используются двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Основной недостаток электростанций на базе ДВС - низкий КПД. Одним из вариантов повышения экономичности ЕЭС является применение ДВС с переменной скоростью вращения [1].
Функциональная схема предлагаемой ЕЭС судна на базе ДВС с переменной скоростью вращения представлена на рис. 1 [2].
Рис. 1. Функциональная схема ЕЭС судна на базе ДВС с переменной скоростью вращения: 1 - ДВС; 2 - синхронный генератор; 3,4 - преобразователи частоты; 5 - гребной синхронный двигатель; 6 - гребной винт; 7 - выводы для подключения потребителей судовой сети; 8 - датчик скорости вращения ДВС; 9,10 - датчики тока; 11, 12 - датчики напряжения; 13 - датчик скорости вращения гребного винта; 14 - БОС; 15 - БМН; 16 - задатчик частоты; 17 - блок регулирования частоты
