CC BY
16дународная научно-практическая конференция «Современные концепции научных исследований». Ежемесячный научный журнал № 9/2014 ч. 6. Международные индексы: The Asian Education Index, Base ит.д. Учредитель и издатель Еврозийский Союз Учёных (ЕСУ) Москва: типография Луж. наб. 2/4, 2014 с. 56-58.
IMPROVEMENT IN THE TECHNICAL OPERATION OF FLEET Yu.I. Matveev, A.I. Pyrkov, G.N. Chuplygin, V. V. Kolyvanov
Keywords: technical operation of fleet, energy efficiency, fuel usage, maintenance and repair offleet.
In article problems of technical operation of river fleet are stated: moral, physical aging of fleet, lack of necessary regulatory base, insufficient qualification of crew personnel and workers of coast guards. The solution of the put problem is offered to be reached by creation of scientific and technological center on TEF at Volzhsk the state university of a water transport (STC of TEF VGUVT).
УДК 629.12
Ю.П. Мухин, электромеханик ООО «СахМП», соискатель ФГБОУ ВО «ВГУВТ» В.И. Самулеев, к.т.н., профессор ФГБОУ ВО «ВГУВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ГЭУ ПАРОМОВ ПРОЕКТА 1809 (ТИП «САХАЛИН») С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНДУКТИВНО-ЕМКОСТНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
Ключевые слова: Модель, система Вард-Леонарда, преобразователь, колебательный контур, резонанс, источник тока.
Анализ существующих на данный момент схемных решений и исследований показывает, что работа гребной электрической установки (ГЭУ) с использованием индуктивно-емкостного преобразователя (ИЕП) изучена недостаточно. Индуктивно-емкостной преобразователь обладает свойством преобразовывать источник напряжения в источник тока.
Реальной установкой для сопоставления с моделируемой схемой послужила ГЭУ дизель электрического парома проекта 1809 (тип « Сахалин»1985 год спуска)[1,2,3]. В существующей установке применяется система Вард-Леонарда. Управление током главной цепи осуществляется при помощи регулирования напряжения возбуждения возбудителя главных электрических машин, включённых в схему. Принципиальная схема главного тока ГЭУ паромов типа «Сахалин» изображена на Рис. 1.
Учитывая продолжительность работы ГЭУ постоянного тока, такая установка морально устарела и требует технического обновления. Затраты на техническое обслуживание остались прежними. Вместе с тем, замена электро-графитированных щёток, продувка главных машин являются работами опасными для здоровья обслуживающего персонала. Решая проблемы модернизации судов данного проекта, по мнению авторов статьи, существует реальная возможность повысить технико-экономические показатели и существенно улучшить надёжностные характеристики ГЭУ.
Решение проблем заключается в изменении схемы с постоянного тока на схему двойного рода тока, с использованием в цепи главного тока ИЕП.
Тогда схема будет представлять собой структуру: дизель-генератор переменного тока (самовозбуждение) - ИЕП-выпрямитель неуправляемый (НВ) - двигатель постоянного тока с независимым возбуждением (Рис3). Система СГ-ИЕП-ВН-ГЭД позволяет:
- плавно изменять частоту вращения ГЭД в широких пределах и получать требуемые механические характеристики, т.е. удовлетворяет самым тяжелым условиям, в которых приходится действовать гребному винту и гребному электродвигателю (ГЭД);
- с помощью использования малой мощности(возбуждение ГЭД) управлять ГЭД;
- производить реверс гребного винта изменением направления магнитного потока ГЭД, т.е. изменением направления его тока возбуждения;
- допускать постоянную частоту вращения тепловых двигателей во всех режимах работы ГЭУ;
Рис. 1. Принципиальная схема главного тока ГЭУ паромов типа «Сахалин»
Более того, указанная схема ИЕП-НВ-ГЭД не требует обычных электрических защит, которые применяют в других схемных решениях, а её КПД при реальных доб-ротностях дросселей в основном определяется КПД выпрямителя, и при изменении напряжения на ГЭД от 0,25 о.е. до номинального значения меняется приблизительно от 0,95 до 0, 99. КПД самого источника, без учёта выпрямителя, определяется из следующего выражения(1):
(1)
где
иш - фазное напряжение на выходе источника, в относительных единицах(о.е.), ис.Ф - фазное напряжение в сети 1НГ - ток на выходе источника тока (ток нагрузки) Расчётное значение КПД составило 0,987
Также в теории ИЕП присутствует такой параметр, как коэффициент мощности. Это не что иное, как отношение активной мощности к произведению напряжения на
ток (2):
X =
) * при 0 < ил <
од
1.7^5(0,14-0, 1в71Г,П3
при ОД <11л <42
(2)
где и* - выходное напряжение НВ, выраженное в относительных единицах.
Ниже на Рис. 2 приведены теоретические зависимости, протекающего через дроссели и конденсаторы резонансного тока (/Р) от напряжения на них, а также потребляемого из сети тока (/с) и тока нагрузки (/нг) и коэффициента мощности X от и*
Из графиков наглядно видно, что при номинальном напряжении Ц=500 В (для одного якоря), коэффициент мощности стремится к единице.
Рис. 2. а) - зависимости /иг/ /нг.ном, Црез/ис.ф., /рез./ /нг. от инг/ис.ф.; б) - зависимостиX и /сети(п)/М от Ш/Шн.
В таких установках ток имеет постоянную величину (даже в аварийных режимах). КПД и коэффициент мощности данных ГЭУ очень высоки. Это и ряд других показателей делают ГЭУ с ИЕП в качестве источника тока ещё одним направлением развития ГЭУ.
Рис. 3. Структурная схема ГЭУ паромов типа «Сахалин»
Принцип ИЕП основан на явлении резонанса напряжений последовательного колебательного контура. В данном случае, в результате установки такого преобразователя в виде трёхфазной схемы «треугольник», будет иметь место постоянство тока нагрузки во всех режимах движения судна [4].
Таким образом, образуется, так называемый «источник момента»(3), в котором электромагнитный момент гребного электродвигателя, при условии, что ток якоря остаётся постоянным, будет пропорционален его потоку Ф(4):
М = км1нФ
М = С] Ф = С21в
21возб.,
(3)
(4)
где кМ - коэффициент пропорциональности
1Н - ток нагрузки
!возб. - ток возбуждения (А).
Реверс в данном случае осуществляется изменением полярности потока возбуждения, как и во всех схемах с неуправляемыми выпрямителями, при этом между выпрямителем и двигателем необходима установка фильтра сглаживающего пульсации выпрямленного тока. Наиболее плавный процесс регулирования возбуждения главных машин в схеме двойного рода тока также сложен, как и в схемах постоянного тока и требует объединения систем регулирования потока возбуждения. Однако вместе с тем повышаются и массогабаритные показатели. Согласно произведённым расчётам установки ИЕП ёмкость на фазу составила 24мФ; индуктивность 0,04 Гн. Поэтому целесообразным является применение конденсаторно-дроссельных установок необходимой мощности.
Моделирование режима внезапного повышения момента сопротивления на винте (ход во льду, ход в битом льду)
Исследование производилось в пакете Матлаб Симулинк. На Рис. 5 изображена максимально упрощённая схема для испытаний в режиме удара винта о лёд. Такая модель позволяет детально изучить нормальные и нестандартные эксплуатационные и аварийные режимы работы ГЭУ.
Рис. 4. Рабочая модель ГЭУ парома типа «Сахалин» в пакете Матлаб Симулинк.
В данном случае целесообразным оказалось применение непосредственной загрузки входного порта сопротивления ТЬ, к которому присоединялась модель винта в функции момента сопротивления. При разработке данной модели использовалась функция момента сопротивления, потому, что она позволяет лучше всего оценить переходные процессы, происходящие в ГЭУ, а именно при наличии всех составляющих моделей реальной ГЭУ.
При постоянной скорости набегающего на винт потока воды, т.е. в установившемся режиме движения судна, значения упора и момента винта зависят от размеров винта и частоты его вращения. Согласно выражениям коэффициентов винтов к\ и к2 момент сопротивления гребного винта равен (5):
МСопр.=к2Ю2, (5)
где к2 - коэффициент момента в номинальном режиме; ю - угловая скорость вращения винта.
Также необходимо отметить, что при составлении модели используется только один якорь. Это необходимо для того, чтобы избавиться от использования двух генераторов, а соответственно от их параллельной работы. Расчёт рабочих параметров двигателя постоянного тока (ДПТ) производился согласно методике изложенной в литературе по математическому моделированию [6,9]. В параметрах конфигурации был выбран метод Эйлера, шаг дискретизации составил 1х10-4.
На 9-й секунде происходит ситуация внезапного удара винта о лёд.
Для сравнения производилось моделирование Схемы ГЭУ без ИЕП.
Графики данного исследования изображены на Рис. 5, 6.
Рис. 5. График выходного тока и напряжения выпрямителя без ИЕП.
Рис. 6. График частоты вращения и тока якоря гребного двигателя без ИЕП.
Затем, в уже готовую схему производится включение рассчитанного ИЕП. Результаты исследования изображены на Рис. 7, 8.
№
а «е
В!
II) Я)
ао-
В
, ~ и а» а 11 аг я
Рис. 7. График выходного тока и напряжения выпрямителя с ИЕП
Согласно анализу данных графиков и сравнению их с графиками швартовных испытаний, ходовых испытаний в режиме пуска двигателя и хода во льдах можно сделать следующие выводы [7]:
1) Анализ и сопоставление реальной и моделируемой ГЭУ выявил большие возможности ГЭУ с применением ИЕП такие, как постоянство тока нагрузки, отсутствие токовой защиты и в связи с этим повышенная надёжность такой установки;
2) Вместе с постоянством тока наблюдалась и пульсация тока, напряжения и частоты вращения во время всего процесса моделирования. Этот факт можно объяснить наличием статической операторной ошибки находящейся в пределах расчётных погрешностей;
3) За время всего моделирования, в том числе и неожиданного наброса нагрузки, выброс тока не превышал 10% от номинального значения, а время от выброса до установившегося значения не превышает 2 секунд [8,9];
Список литературы:
[1] Полонский В.И. «Электрооборудование и электродвижение судов».-«Транспорт» Москва, 1965.
[2] Горбунов Б.А., Савин А.С., Сержантов В.В. «Современные и перспективные ГЭУ судов». -Л.: Судостроение, 1979.
[3] www.sasco.ru
[4] Богословский А.П. и др. Судовые электроприводы. Судостроение: Ленинград. 1983г. в 2 томах 184 стр.
[5] Баранов А.П., Раимов М.М. Моделирование судового оборудования и средств автоматизации. -СПб.: Элмор, 1997.-232 с.
[6] Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в Matlab, SimPowerSystems и Simulink. -М.:ДМК Пресс;Питер2008.288стр.:ил.
[7] Быков А.С., Башаев В.В., Малышев В.А., Романовский В.В. Гребные электрические установки атомных ледоколов.-СПб.: Элмор, 2004.-320 с.
[8] Воскобович В.Ю., Королева Т.Н., Павлова В.А. Электроэнергетические установки и силовая электроника транспортных средств. -СПб.: Элмор, 2001, 384с.
[9] Самулеев В.И., Хватов О.С. Математическое моделирование электропривода с машинами постоянного тока.-Н.Новгород: Издательство ВГАВТ, 2002.-36с.
THE STUDY OF TRANSIENTS PROCESSES IN DIESEL-ELECTRIC PROPULTION OF A RO-RO SHIP PROJECT 1809 (TYPE «SAKHALIN») USING INDUCTIVE-CAPACITIVE TRANSDUCER
U.P. Mukhin, V.I. Samuleev
Keywords: Model, system ward-Leonard, the inverter, the resonant circuit, the resonance, the current source.
Analysis of the currently existing circuit design and research indicates that the work of the electric propulsion system (geu) using inductive-capacitive transducer (ICT) has not been studied. Inductive-capacitive transducer has the property to convert the voltage source into a current source.
