CC BY
7O.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
О. С. Хватов, И. С. Самоявчев, А. Б. Дарьенков
Имитационная модель единой судовой электростанции на базе системы «двигатель.
ЕЭС построена на базе ДВС 1, приводящего во вращение синхронный генератор (СГ) 2. Гребной винт 6 приводится во вращение синхронным двигателем (СД) 5. Система работает следующим образом. Блок 14 формирования оптимальной скорости вращения (БОС) ДВС 1 задает скорость вращения его вала, оптимальную с точки зрения потребления топлива. Блок 14 формирует выходной сигнал согласно заложенной в его памяти многопараметровой характеристики ДВС в зависимости от выходных сигналов блока 15 вычисления мощности нагрузки (БМН) и датчика 8 скорости вращения ДВС [3]. Многопараметровая характеристика представляет собой зависимость эффективной мощности ДВС от скорости вращения его вала дизеля при наименьшем удельном расходе топлива. Блок 15 определяет мощность нагрузки на основе сигналов от датчиков тока 9, 10 и датчиков напряжения 11, 12. В соответствии с требуемой скоростью движения судна задатчик частоты 16 формирует сигнал задания частоты выходного напряжения преобразователя частоты (ПЧ) 3, и тем самым определяет скорость вращения гребного электродвигателя 5. Блок регулирования частоты 17 формирует сигнал управления частотой ПЧ 3 на основе сигналов от задатчика частоты 16 и датчика 13 скорости вращения гребного электродвигателя. Таким образом, ПЧ 3 является согласующим элементом между СД 5 и СГ 2, работающими с разными скоростями вращения. Для питания электропотребителей судна на выходе СГ включен ПЧ 4, который обеспечивает стабильные значения амплитуды и частоты напряжения бортовой сети.
Для исследования ЕЭС в различных режимах работы, разработана ее математическая модель. В качестве генератора и гребного электродвигателя ЕЭС (рис. 1) используются синхронные машины (СМ). При разработке математической модели СМ приняты следующие допущения: потери в стали, а также зависимость активных сопротивлений от температуры не учитываются; обмотки статора симметричны; высшие пространственные гармоники поля отсутствуют.
Математическая модель СМ построена на основе уравнений Парка-Горева [4], все величины которой представлены в системе координат ё и q, вращающейся синхронно с ротором. Ток, напряжение и параметры обмотки возбуждения приведены к статору.
Система уравнений, описывающая СМ, имеет вид:
где иё, и6Ч , и/ - проекции вектора напряжения статора на оси ё и q, напряжение
, , '/, V, 'щ - проекции вектора тока статора на оси ё и q, ток ротора, демпферные токи;
V, , V/ , ¥дё , - проекции потокосцепления статора на оси ё и q, потокосцеп-ление ротора, потокосцепления демпферных контуров;
ихЧ = ^ + Р¥ ^ + ¥ хё ®; и/ = V/ + Р¥ /; ¥= Ьоё'/+
¥ ~ + Laq^дq'>
¥дё = ¥тё+ ^дёа'дё ; ¥Д4 _ ¥Ш4+ АД4О'Д4 ; ¥ / = ¥тё + 1/а'/;
(1)
ротора;
rs, г^ - активные сопротивления обмоток статора и ротора;
Ld , Lq, Lad, Laq , Lndc , L, - индуктивности соответственно статора по осям d
и q, взаимная индуктивность обмоток статора и ротора по осям d и q, индуктивности рассеяния демпферных контуров по осям d и q, индуктивность ротора от потоков рассеяния;
M , J - момент на валу генератора (двигателя), суммарный момент инерции.
В качестве первичного двигателя ЕЭС (рис. 1) выбран дизель с газотурбинным наддувом, который описывается следующей системой уравнений [5]:
(ТадР + 5дд Ь) = k1 Ун - Ц (ТТ Р + ST )УТ = кт У) - Ун; Ун (ТкР + 5к ) = Ут - ккУо /
(Tal Р + 5Д )У0 = X 0 + кд Ун / I (2)
(Ттp + 5т )Ут = khX0 + ктУо - Ун / kggm = Xо + Уо -
где У0; ц0; Ун; Ут ; х0; £ц - 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;
Tav.; Tax ; Тт ; Тк - постоянные времени, соответственно, дизеля в каналах нагрузочного и регуляторного воздействий (при этом Та^ ~ Тах), турбонагнетателя и впускного коллектора;
; дд ; ST ; SK - коэффициенты самовыравнивания, соответственно, дизеля в каналах нагрузочного и регуляторного воздействий (при этом 8д « <5), турбонагнетателя
и впускного коллектора; k1; кд ; кт ; кк ; 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. к8 и - соответственно, коэффициенты самовыравнивания дизеля и усиления топ-
ливоподающей аппаратуры дизеля.
Математическая модель гребного винта описывается уравнением [6]:
M в = K 2РП 2 Dp, (3)
где Мв, р , K2, n, Dp - соответственно момент на валу гребного винта, плотность
воды, безразмерный коэффициент момента гребного винта, частота вращения винта, диаметр гребного винта.
На основе систем уравнений (1) - (3) разработана структурная схема ЕЭС судна на базе ДВС с переменной скоростью вращения (рис. 2). По структурной схеме (рис. 2) в пакете Matlab Simulink разработана имитационная модель ЕЭС (рис. 3). Имитационная модель построена в системе относительных единиц и позволяет анализировать динамические и статические режимы работы ЕЭС, а также осуществлять синтез регуляторов системы автоматического управления.
1
6
Рис. 2. Структурная схема ЕЭС судна на базе ДВС с переменной скоростью вращения ^(р), ^ос(р), Шь(р), Шс(р\ Ши(р) - передаточные функции соответственно выпрямителя ПЧ, обратной связи, индуктивности и емкости фильтра, инвертора; ^"ТН(р) , ^ВК(р) ,^ц(р) - передаточные функции, соответственно, турбонагнетателя, впускного коллектора, собственно дизеля; АРВ - автоматический регулятор возбуждения; шзад - заданная частота вращения СД.
. .
ц а
с ^ о г г
я
. .
с 1
г ч
о гъ ,
у .
^ Б
о И
® -к
о Ъ
^ е
к а
Л о
О 1
о г -к с с н о
а
О.' ®
с г о
л
Рис. 3. Имитационная модель ЕЭС на базе ДВС с переменной скоростью вращения
в пакете МаНаЬ 81шиНпк
В качестве примера работы имитационной модели на рис. 4 приведены результаты моделирования для ЕЭС, состоящей из трехфазного дизель-генератора типа 8БМО I 66К (номинальные параметры: выходная мощность - 48 кВт, выходное напряжение - 230/400 В, частота вращения - 1500 об/мин) и гребного двигателя, в качестве которого выбрана СМ типа БеагАэМ WT-224D (номинальные параметры: мощность -40 кВт, напряжение 230/400 В, частота вращения - 1500 об/мин). В частности, моделировался плавный пуск СД по 8-образной характеристике (рис. 4, а, б), режимы оголения винта с моментом нагрузки на винте, а, следовательно, и на СД, равном нулю (М =0 о.е.) и ударное возрастание нагрузки (М =0,95 о.е.) (рис. 4, г). При работе с моментом сопротивления на гребном винте, близким к нулю, скорость вращения вала ДВС равна 60 % от номинального значения (ш д =0,6 о.е.), а при работе с М=0,45 о.е. -
ш д =0,85 о.е. При оголении винта, когда момент М снижается до нуля, скорость дизеля начинает уменьшаться и стремится к скорости, соответствующей нулевой мощности нагрузки. При ударной нагрузке, скорость дизеля увеличивается и в переходном процессе превышает номинальное значение.
Выводы
Применение ЕЭС судна на базе ДВС с переменной скоростью вращения вала обеспечивает оптимальный расход топлива при одновременном поддержании на заданном уровне скорости вращения гребного винта, необходимой для конкретного режима хода судна. Реализация оптимального режима работы ДВС с переменной скоростью вращения требует нового подхода к управлению топливоподачей, который возможно реализовать на базе интеллектуальной управляющей системы [7].
О. С. Хватов, И. С. Самоявчев, А. Б. Дарьенков
Имитационная модель единой судовой электростанции на базе системы «двигатель.
Рис. 4. Результаты моделирования ЕЭС в системе МаЙаЬ ЗтиНпк а) задание на скорость вращения вала СД (гребного винта); б) изменение скорости вращения вала СД (гребного винта); в) - изменение скорости вращения дизеля; г) - изменение момента на валу СД (гребном винте)
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. 2829.
[2] Самоявчев И.С., Единая электростанция автономного объекта на базе ДВС переменной частоты вращения/Самоявчев И.С., Хватов О.С., Дарьенков А.Б.// Тезисы докладов IX Международной молодежной научно-технической конференции/ НГТУ. Н.Новгород, 2010, С. 62-63.
[3] Хватов О.С. Дизель-генераторная электростанция с переменной частотой вращения вала / О.С. Хватов, А.Б. Дарьенков, И.М. Тарасов // Вестник Ивановского государственного технического университета. Иваново. 2010. Вып. 2. с. 53-56.
[4] Ковач К.П., Переходные процессы в машинах переменного тока/К.П. Ковач, И.М. Рац// -М.: Госэнергоиздат, 1963. - 744 с.
[5] Кругов, В.И. Автоматическое регулирование двигателей внутреннего сгорания: учебное пособие для втузов/ В.И. Крутов// - М.: Машиностроение, 1979. - 615 с.
[6] Полонский В.И. Гребные электрические установки/ В.И. Полонский//- Л.: Морской транспорт, 1958.
[7] 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 UNIFIED ELECTRIC POWER STATION OF SHIP ON THE BASIS OF SYSTEM «AN EXPLOSION ENGINE - THE GENERATOR» VARIABLE SPEED OF ROTATION
O.S. Khvatov, A.B. Daryenkov, I.S. Samoyavchev
Пе description of the flow and structure sheets of unified electric power station of ship based on a explosion engine b)> alternating frequenc)> rotation of shaft. ne consideration the results of simulation for unified electric power station of ship.
