CC BY
76
Миханошин В.В. МГУ им адм. Г.И. Невельского
К О м Б И 11И РО В АШ IЫ Е ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ СУДОВ ПРИБРЕЖНОГО ПЛАВАНИЯ
При эксплу атации дизельных судов прибрежного плавания, особенностью которых является работа с частыми переходными режимами, возникает проблема низкой экономичности работы энергетической установки вследствие того, что мощность дизеля зависит примерно линейно от частоты вращения, а мощность гребного вала — пропорционально третьей степени частоты вращения. Поэтому существует только одна точка в плоскости М — со, в которой развиваемая дизелем мощность полностью уравновешивается мощностью нагрузки (т. А на рис.1). Обычно эта точка соответствует номинальному режиму работы дизеля и гребного винта. Во всех остальных случаях дизельный
агрегат работает с недогрузкой по моменту и, соответственно, мошности.
- - - - -
л
1
* щ *жт
Рисунок 1 - Винтовая (1) и внешняя характеристика дизеля (2)
По расположению кривых 1 и 2 на рисунке 1 видно, что при со < а>и дизель имеет резервы мощности, соответствующие отрезкам ординат, заключенных между обеими кривыми. Например, при частоте вращения щ гребной винт потребляет мощность Рь в то время как дизель способен развивать в данном скоростном режиме мощность Р} . При со < сои есть избыток мощности АР= р{ -Рх.
Работа дизеля в переходных и частичных режимах крайне неэкономична, ухудшаются условия сгорания топлива, увеличивается многократно содержание вредных веществ в выхлопных газах, увеличивается удельный расход топлива, уменьшается ресурс работы теплового двигателя Поэтому возникает проблема обеспечения работы дизеля с постоянной нагрузкой при неизменной частоте вращения. Ниже представлены способы решения указанной проблемы.
Можно использовать валогенератор (рис.2, а\ регулируя ток нагрузки которого, можно обеспечить постоянство номинальной нагрузки дизеля при изменении частоты вращения винта. Недостаток этого способа заключается в необходимости изменения частоты вращения дизеля при изменении скорости судна.
Преобразование механической энергии теплового двигателя по схеме дизель - синхронный генератор - выпрямитель - инвертор - гребной электродвигатель (ЭД) (рис.2, б) позволяет обеспечить постоянство частоты дизеля и номинальную его нагрузку при регулировании частоты вращения гребного вала. Основной недостаток такой схемы заключается 3 низком кпд (0.65), по сравнению прямой передачей вращающего момента дизеля на винт.
Схема, позволяющая изменять частоту вращения винта при постоянной частоте вращения дизеля, с возможностью прямой передачи крутящего момента от дизеля к винту, изображена на рис.2, в. Планетарная передача (ПП) выполняет роль делителя крутящего момента между дизелем, винтом и электродвигателем. Планетарные механизмы, в которых подвижны все три основных звена -центральная (солнечная) шестерня, водило сателлитов и внешняя шестерня (эпицикл), называются дифференциалами или дифференциальными механизмами.
Рисунок 2 — Структурные схемы судовых энергоустановок: а) с валогенератором; б) электроходного типа; в) с планетарной передачей: Д - дизель, ВГ - валогенератор, ДГ - дизель-1 енератор, УВ - управляемый выпрямитель, АБ - аккумуляторная батарея, И - инвертор, СГ - синхронный генератор, БК — блок контроля
Схемы, в которых для привода рабочего органа (РО) помимо дизельного или карбюраторного используется и электродвигатель, получающий питание, как правило, от химического источника тока, получили название гибридных. В таких энергоустановках нет необходимости выбирать дизель, соответствующий максимальной мощности на РО, т.к. есть еще один источник крутящего момента — ЭД. Поэтому преимуществом таких дизель-электрических гибридных энергетических установок является то, что меньший по мощности тепловой двигатель (по сравнению с обычным дизельным агрегатом) работает с постоянной мощностью и с постоянной частотой вращения. Благодаря этому достигается наибольший кпд и уменьшается удельный расход топлива.
Рассмотрим, как работает энергоустановка с ПП. При блокировке вала 2 дизель работает на винт в одиночку. При стоянке судна вал 1 отсоединяется от ПП, и дизель приводит во вращение только СГ, электроэнергия которого поступает на заряд АБ. Для того чтобы обеспечить мощность на винте большую, чем мощность дизеля, ЭД подключают к регулируемому частотному преобразователю, получающему питание от АБ. ПП обеспечивает совместную работу дизеля и ЭД на нагрузку. В случае, если мощность на винте меньше номинальной мощности дизеля, возможны два варианта работы энергоустановки- В первом случае ЭД при полностью заряженной АБ может обеспечить движение судна при остановленном дизеле. Во втором случае при разряженной АБ часть мощности дизеля идет на вращение винта, а оставшаяся часть - на вращение СГ. Уравнение движения элементов 1111 имеет вид
Псо-i = k)ne0l)— кп-ЗШЩ1 (1)
где пСОт пво0 и пэпщ — частота вращения солнечной шестерни, водила сателлитов и эпицикла соответственно;
к - передаточное число, равное отношению частоты вращения эпицикла к частоте вращения солнечной шестерни при остановленном водиле к = п1ПЩ /псо,.
Рассмотрим соединение дизель — эпицикл, винт - водило, солнечная шестерня - ЭД. Примем к = 4, частота вращения дизеля 1000 об/мин, номинальная частота вращения винта 1000 об/мин, отношение мощности дизеля к мощности ЭД 50 : 50. На рисунке 3 показана зависимость частоты вращения винта от частоты вращения ЭД.
ift
У
M V > i <t 1 о „ , /
<ч< Will
Рисунок 3 - Зависимость частоты вращения винта от частоты вращения электродвигателя
Из рисунка 3 видно, что при ncol — 0 частот вращения водила пвод - 800 об/мин. При п6 = 0 частота вращения солнца составила бы nLO¡ = — 4000 об/мин. Для того, чтобы обеспечить частоту вращения винта со скоростью пв= 900 об/мин частота ЭД должна быть равной 500 об/мин. При блокировке вала 1 на рис 2, е частота вращения винта п(> = nLOJ5. Если использовать АД с частотой вращения холостого хода п0 = 3000 об/мин, то пв ~ 3000/5 - 600 об/мин — это максимальная частота вращения при питании АД от сети с частотой 50 Гц. Правее оси ОУ должен работать ЭД совместно с дизелем, левее - либо один ЭД (при па < 600 об/мин), либо дизель и ЭД. Т.о., можно обеспечить диапазон регулирования частоты вращения винта в широких пределах. Обычно щ = пв шп! - 0,6пв,1Сш.
Благодаря конструктивным особенностям планетарный редактор при своих небольших массогабаритных показателях, относительной простоте изготовления, высокой надежности, долговечности и высоком кпд (0,97) позволяет передавать большую мощность [I]. На выбор элементов гибридной энергоустановки влияет несколько факторов. Дизельный агрегат должен работать с номинальной нагрузкой на полном ходу судна, в частичных режимах и в периоды кратковременных стоянок. При нагрузке на валу, меньшей номинальной мощности дизеля, дополнительный момент нагрузки должен создаваться СГ, который будет заряжать АБ В крайнем случае - в период стоянки судна, вся мощность, вырабатываемая дизелем, должна расходоваться на
заряд АБ, т.е. ее зарядная мощность, с учетом потерь в СГ и выпрямителе должна равняться мощности дизеля. При соотношении мощности дизеля и тягового электродвигателя Рд/ Рэд равном 50 / 50 разрядная мощность АБ должна быть больше зарядной в 1.5 — 1.6 раза. При Рг1! Рэд равном 60/ 40 разрядная мощность АБ примерно равна зарядной. В первом случае дизель при одиночной работе
на винт сможет обеспечить его частоту вращения со = ^/0.5Ри = 0.794суя . во втором со = 0.843шя.
На выбор соотношения Рд! Рэд влияет характер движения судна, возможность или ее отсутствие заряда АБ от береговой электросети. При увеличении дальности плавания судна мощность дизеля должна выбираться большей и наоборот, чем короче дистанции, тем чаще энергоустановка будет работать с переходными режимами и, следовательно, дизель может быть выбран меньших размеров. На выбор типа АБ, в первую очередь, влияет ее стоимость, срок службы, количество циклов заряд-разряд. Известно, что чем больше напряжение в линии электропередачи, тем меньший нужен ток для передачи той же мощности. При уменьшении тока в проводнике уменьшаются омические потери на нагрев проводов и можно уменьшить их сечение. Т. о., применив повышенное напряжение, можно сэкономить на проводниках: чем тоньше кабель, тем он дешевле. Поэтому элементы тяговой аккумуляторной батареи следует соединять последовательно, обеспечивая суммарное напряжение на АБ, равное сумме напряжений всех ее элементов. С другой стороны, чем больше напряжение электроустановки, тем большую опасность представляет для человека ее обслуживание и эксплуатация. Поэтому напряжение должно выбираться максимально допустимым при условии сохранения требований по электробезопасности.
На рисунке 4 показаны зависимости зарядного тока от напряжения АБ 14Ь = ДС^я) равного 110, 220, 380, 660, 1000, 1200 В при зарядной мощности АБ равной 22,5 кВт [2].
^ , ^ — —1 1 <'« ?? | 'Л О
Ь - - 1
¡7 А
• •< ^ > * £
Рисунок 4 - Зависимость 1АБ = £(11ЛБ): 1 - для свинцово-кислотной АБ; 2 - для щелочной АБ
Из рисунка видно, что при и = 110В для подвода зарядного тока к кислотной АБ нужен кабель с сечением жилы не менее 35 мм2, а при I) = 660 В для того же типа АБ сечение должно быть 2,5 мм2. Из сравнения видно, что при увеличении напряжения в 6 раз, сечение токопровода уменьшилось в 14 раз. Из рисунка 1 видно, что при напряжении АБ 380 В оба графика имеют наибольшую кривизну: при увеличении напряжения более 380 В зарядный ток уменьшается незначительно, а при уменьшении напряжения менее 380 В зарядный ток резко возрастает. Поэтому целесообразно выбрать напряжение АБ равное 380 В
Исходя из вышеизложенного можно сделать следующие выводы. Комбинированные энергетические установки (КЭУ) следует выполнять таким образом, чтобы была возможность прямой передачи вращающего момента на винт как от дизеля, так и от ЭД, как совместно, так и по отдельности. При таком исполнении КЭУ повышается ее надежность и живучесть, есть возможность использовать судно как электроход.
Напряжение АБ, в целях снижения омических потерь в проводах и уменьшения их сечения, следует выбирать максимально допустимым. Подобные гибридные энергоустановки успешно применяются в наземном транспорте и уже доказали свои преимущества по сравнению с обычными тепловыми агрегатами: меньший расход топлива и лучшие экологические показатели. Поэтому было бы целесообразно использовать КЭУ и на судах.
ЛИТЕРАТУРА
1 Планетарные передачи. Справочник под ред. д.т.н. наук В.Н. Кудрявцева и Ю.Н. Кирдяшева. — Л." Машиностроение. 1977. - С. 536.
2. Миханошин В.В., Веревкин В.Ф. Расчет величины напряжения и емкости аккумуляторной батареи для комбинированной энергоустановки // Сб. науч. тр. Дальрыбвтуза Вып.21. 4.1. - Владивосток, 2009.-С. 195-201.
Чепурин П.И.
Институт проблем морских технологий ДВО РАН
СИНТЕЗ САУ ГЛУБИНОЙ ПОГРУЖЕНИЯ ПОДВОДНОГО ОБЪЕКТА
Синтез САУ включает определение её структу ры, т.е. перечень измеряемых координат объекта управления (ОУ), количество регуляторов и связей между ними и ОУ, а также расчет параметров регуляторов.
Предлагается синтезировать САУ комбинированного типа с регулированием по основному возмущающему воздействию - качке судна (скорости и ускорению качки оси грузовой стрелы спускоподъемного ус1ройства) и обратной связью по перемещению нока грузовой стрелы. Объектом управления САУ является звено «трос-ПО». Модель троса ОУ будем рассматривать как линеаризованную с постоянными коэффициентами, однако фактически она является нелинейной с переменными параметрами [1]. Усилие сопротивления движению ПО и троса зависит нелинейно от скорости движения. Масса ПО изменяется в течение процесса производства подводных работ. Вероятностный характер процессов качки судна и морского волнения также вносит неопределенное]ь в описание поведения системы.
Достаточно высокие показатели компенсации качки достигаются при использовании электропривода грузовой стрелы, построенного по принципу подчиненного регулирования [2]. В качестве возмущающего воздействия сигнал с выхода акселерометра подается на вход ПИ-регулятора тока, а сигнал с выхода интегрирующего фильтра на вход ПИ-регулятора скорости Для проверки целесообразности введения в САУ двух возмущающих величин (скорости и ускорения качки) необходимо провести дальнейшие исследования.
На рисунке 1 приведена функциональная схема САУ глубиной погружения ПО с регулированием по основному возмущающему воздействию — ускорению хс и скорости хс качки судна, и обратной связью по перемещению нока грузовой стрелы.
Рисунок 1 — Функциональная схема САУ комбинированного типа-—— электрические связи, ——► - механические связи
