Математическое моделирование системы автоматического регулирования возбуждения судового синхронного генератора с внешней форсировкой

Тощев Александр Александрович; Сугаков Валерий Геннадьевич; Зобов Лаврентий Владиславович

DOI: 10.2493 7/2542-2324-2019-2-S-I-205-211 УДК 621.313.322

А.А. Тощев1, В.Г. Сугаков2, Л.В. Зобов2

^ерхне-Волжский филиал ФАУ «Российский Речной Регистр», Нижний Новгород, Россия 2Волжский государственный университет водного транспорта, Нижний Новгород, Россия

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ СУДОВОГО СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА С ВНЕШНЕЙ ФОРСИРОВКОЙ

Проведено математическое моделирование в пакете Matlab Simulink и исследована зависимость переходного отклонения напряжения от коэффициента форсировки при различных ступенях подключения нагрузки в имитационных моделях систем автоматического регулирования возбуждения судовых синхронных генераторов. Рассмотрены основные существующие системы возбуждения судовых синхронных генераторов. Приведена ранее апробированная система автоматического регулирования возбуждения судовых синхронных генераторов с внешней форсировкой (САРВ судовых СГ с ВФ). Представлена методология изучения зависимости переходного отклонения от коэффициента форсировки на различных ступенях нагрузки. Новая методология изучения зависимости переходного отклонения напряжения от коэффициента форсировки на различных ступенях нагрузки дает возможность количественной оценки исследований. Полученные математические и графические результаты проведенных исследований позволили дать рекомендации по применению внешней форсировки в САРВ судовых СГ.

Ключевые слова: система автоматического регулирования возбуждения судового синхронного генератора с внешней форсировкой, имитационная модель системы автоматического регулирования возбуждения судового синхронного генератора с внешней форсировкой, моделирование в пакете Matlab Simulink.

Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.

DOI: 10.2493 7/2542-2324-2019-2-S-I-205-211 UDC 621.313.322

A. Toshev1, V. Sugakov2, L. Zobov2

1 Upper-Volga branch of Russian River Register, Nizhny Novgorod, Russia 2Volga State University of Water Transport, Nizhny Novgorod, Russia

MATHEMATICAL SIMULATION OF AUTOMATIC EXCITATION TUNING SYSTEM FOR MARINE ALTERNATOR WITH EXTERNAL BOOSTING

This paper presents mathematical simulation results obtained in Matlab Simulink for the relationship between transitory voltage deviation and boosting coefficient at different loading stages of various automatic excitation tuning systems for marine alternators. The paper discusses main excitation systems of marine alternators and presents a proven system for

Для цитирования: Тощев A.A., Сугаков В.Г., Зобов J1.B. Математическое моделирование системы автоматического регулирования возбуждения судового синхронного генератора с внешней форсировкой. Труды Крыловского государственного научного центра. 2019; Специальный выпуск 2: 205-211.

For citations: Toshev A., Sugakov V., Zobov L. Mathematical simulation of automatic excitation tuning system for marine alternator with external boosting. Transactions of the Krylov State Research Center. 2019; Special Edition 2: 205-211

(in Russian).

A.A. Тощев, В.Г. Сугаков, Л.В. Зобов. Математическое моделирование системы автоматического регулирования возбуждения судового синхронного генератора с внешней форсировкой

automatic excitation tuning of marine alternators with external boosting, outlining the new research methodology for relationship between transitory voltage deviation and boosting coefficient at different loading stages. This new methodology enables quantitative assessment of research results. Research results (figures and plots) became the basis for recommendations on external boosting in automatic excitation control systems of marine alternators.

Keywords: automatic excitation tuning system, marine alternator, external boosting, simulation model, Matlab Simulink.

Authors declare lack of the possible conflicts of interests.

В существующих современных судовых электростанциях используется значительное количество вариантов систем возбуждения синхронных генераторов (СГ), в частности системы возбуждения СГ, содержащие регуляторы напряжения. Недостатком этих систем является низкое быстродействие. Для увеличения быстродействия применяют системы возбуждения СГ, содержащие элементы компаундирования (резисторы, автотрансформаторы, суммирующие трансформаторы). Однако такие системы имеют малую точность, т.к. производят регулирование только по главному возмущающему фактору, не учитывая остальные воздействия.

Также известны системы автоматического регулирования возбуждения (САРВ) с электромашинной и статической системами регулирования. При этом в качестве возбудителя используют генератор постоянного тока или синхронный возбудитель с вращающимся выпрямителем, а статическая система может получать питание от дополнительной или основной якорной обмотки. В СГ с электромашинной системой возбуждения, применяемых в автономных генераторах, возрастание напряжения на обмотке индуктора происходит медленнее, чем в генераторах со статической системой возбуждения. Средняя скорость нарастания напряжения на обмотке возбуждения генераторов с возбудителями составляет 110-230 В/с, а генераторов со статической системой самовозбуждения - 250-300 В/с. Максимальное возможное напряжение возбуждения называют потолком возбуждения.

Быстрое увеличение напряжения возбуждения до предельного значения называют форсировкой возбуждения генератора. Форсировочная способность системы возбуждения характеризуется коэффициентом или краткостью форсировки возбуждения Кф, которая определяется как отношение потолочного напряжения возбуждения 11в п к номинальному напряжению возбуждения £/в.ном., т.е.:

Кф ^В.п/^В.НОМ.'

Для СГ с электромашинными возбудителями краткость форсировки возбуждения не превышает 2,5, для СГ со статическим возбуждением она равна 3—4, а для бесщеточных СГ с тиристорами в системе возбуждения - 7-8.

Для организации форсировки могут использоваться внутренние ресурсы систем возбуждения или энергия внешних источников. В первом случае говорят, что система возбуждения имеет внутреннюю форсировку [1, 2], а во втором случае - внешнюю форсировку (ВФ) [3]. Форсировочная возможность систем возбуждения с внутренней форсировкой жестко ограничена па-раметрами суммирующих и других трансформаторов, входящих в систему возбуждения.

Все отраженные выше недостатки учтены в системе автоматического регулирования возбуждения синхронного генератора с внешней форсировкой (САРВ СГ с ВФ). Она имеет высокую форси-ровочную способность, ограниченную лишь параметрами внешнего источника, и обладает высоким быстродействием форсировки возбуждения, которое определяется частотой генератора импульсов стабильной частоты и осуществляется по приращению тока генератора еще до критического снижения напряжения [4].

Для определения возможности выполнения вышеуказанных целей научной работы и обоснования актуальности исследований в приложении МайаЬ БипиПпк разработана математическая и имитационная модель САРВ судового СГ с ВФ. Имитационная модель непосредственно самой САРВ судового СГ с ВФ была апробирована ранее [5] и собрана из стандартных блоков МаНаЬ БипиПпк и §ш1Ро\уегёу51ет [6-8].

Исследование проведено следующим образом. В разработанные и апробированные имитационные модели САРВ судовых СГ с компаундированием (рис. 1) и с ВФ (рис. 2) включались различные ступени нагрузки, а именно статическая нагрузка 10 % от номинальной мощности СГ и подключаемые нагрузки 50, 65, 80 и 100 % мощности СГ; при этом рассматривались следующие коэффициенты форсировки: 0, 1, 3, 5, 7.

Рис. 1. Имитационная модель системы автоматического регулирования возбуждения судового синхронного генератора с компаундированием

Fig. 1. Simulation model of automatic excitation tuning system for marine alternator with compounding.

Three-Phase Series RLC Load

HI

НагружаО

Sequence Analyzer Terminator

Three-Phase Series RLC Load2

О

Scopo7

Three-Phase Breaker Step

Нагрузка 50%

ЧЛ

Момент аокмения нагруэш 1

Three-Phase Series RLC Load3

m

Three-Phase Breaker' Slep2

НЬгруэа 80%

■ш

I I

Момент вкгючения нагружи ^hreePrvise Series RLC Loadl

com a

Three-Phase Breaker2 Stepl

■Ш

i ' i

Нагрузка 6S%

Момент еклочежя нагрузи 3Ttvee ph3se Serie» RLC Loa04

-p1

Three-Phase ВгеакегЗ Step3

■Ш

Нагрузка 100% Момент вхлочеьмя нагруэ<и 4

Рис. 2. Имитационная модель системы автоматического регулирования возбуждения судового синхронного генератора с внешней форсировкой

Fig. 2. Simulation model of automatic excitation tuning system for marine alternator with external boosting

A.A. Toshev, V.G. Sugakov, L.V. Zobov. Mathematical simulation of automatic excitation tuning system for marine alternator with external boosting

По итогам проведения математического моделирования получены графические результаты для обеих систем (рис. 3, 4). На основании полученных графических результатов зафиксированы числовые показатели зависимости переходного отклонения от коэффициента форсировки на различных ступенях нагрузки для САРВ. В таблице приведены сводные результаты зависимости переходного отклонения от коэффициента форсировки на различных ступенях нагрузки для САРВ судового СГ с компаундированием и ВФ.

Полученные числовые и графические результаты позволяют сделать вывод об эффективности работы САРВ судового СГ с ВФ в сравнении с аналогичным САРВ с компаундированием. На основе показателей, приведенных в таблице, построен график зависимости коэффициента форсировки от подключения нагрузки для САРВ судового СГ с ВФ (рис. 5).

Исходя из анализа полученных данных, следует выделить рекомендации по применению форсировки САРВ судовых СГ с ВФ:

■ для удовлетворительного качества переходного процесса с ростом ступени набрасываемой нагрузки следует увеличивать коэффициент форсировки;

■ при возрастании коэффициента форсировки снижается переходное отклонение напряжения. Также необходимо учитывать рис. 5, который

описывает закон изменения коэффициента форсировки для обеспечения удовлетворительного качества переходного процесса в зависимости от величины подключаемой нагрузки.

Таким образом, по результатам проведенных исследований сделаны следующие выводы:

1. Исследована зависимость переходного отклонения от коэффициента форсировки на различных ступенях нагрузки для различных САРВ судового СГ с ВФ.

2. Проведено математическое моделирование ранее апробированных САРВ судовых СГ.

3. Получены математические и графические результаты зависимости переходного отклонения напряжения от коэффициента форсировки при

О 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2

600 580 560 540

Рис. 3. Результаты 520

математического 500

моделирования системы | q

автоматического регулирования q ^ возбуждения судового синхронного генератора 0,2

с компаундированием

Fig. 3. Simulation results _q 5 for automatic excitation tuning

system of marine alternator —1,0 with compounding

Рис. 4. Результаты математического моделирования системы автоматического регулирования возбуждения судового синхронного генератора с внешней форсировкой

Fig. 4. Simulation results for automatic excitation tuning system of marine alternator with external boosting

570 550 530 510

6 4 2 0

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2

A.A. Тощев, В,Г. Сугаков, Л,В. Зобов. Математическое моделирование системы автоматического регулирования возбуждения судового синхронного генератора с внешней форсировкой

Результат зависимости переходного отклонения от коэффициента форсировки на различных ступенях нагрузки для системы автоматического регулирования возбуждения судовых синхронных генераторов с компаундированием и внешней форсировкой

The result of the dependence of the transverse deviation on the boost coefficient at various load levels for the system for automatically controlling the excitation of synchronous ship generators with compounding and external boost

Коэффициент форсировки Vf

50 65 80 100

Переходное отклонение напряжения

Ступени подключения нагрузки в сравнении с мощностью источника электрической энергии, %

В % В % В % В %

0 (компаундирование) 30 5,30 39 6,89 48 8,48 58 10,25

1 28 4,95 36 6,36 43 7,60 49 8,66

3 23 4,06 27 4,77 34 6,01 38 6,71

5 19 3,36 23 4,06 29 5,12 34 6,01

7 17 3,00 18 3,18 22 3,89 27 4,77

различных ступенях нагрузки для различных САРВ судового СГ.

4. С учетом полученных результатов исследования зависимости переходного отклонения от коэффициента форсировки на различных ступенях нагрузки даны обоснованные рекомендации по применению форсировки в САРВ судовых СГ с ВФ.

П-1-г

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Отклонение напряжения, %

Рис. 5. График зависимости переходного отклонения от коэффициента форсировки на различных ступенях нагрузки для системы автоматического регулирования возбуждения судового синхронного генератора с внешней форсировкой

Fig. 5. Transitory voltage deviation vs boosting coefficient at different loading stages for automatic excitation tuning system for marine alternator with external boosting

Библиографический список

1. СугаковВ.Г., Хватов О.С. Основы автоматического регулирования выходных электрических параметров. Часть 2. Автоматическое регулирование напряжения автономных источников электрической энергии. Учебное пособие для вузов. Кстово: НВВИКУ (ВУ), 2007. 150 с.

2. Сугаков В.Г., Хватов О.С. Системы автоматического регулирования параметров электрической энергии судовых электростанций. Часть 2. Автоматическое регулирование напряжения судовых источников электрической энергии. Учебное пособие. И. Новгород; Изд-во ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2011. 180 с.

3. Сугаков В.Г. Основы автоматического регулирования напряжения передвижных источников электроэнергии. Учебное пособие для вузов инженерных войск. Кстово: НФВИУ, 2000. 150 с.

4. Сугаков В.Г., Тощев АЛ., МапышевЮ.С. Анализ систем автоматического регулирования возбуждения синхронных генераторов // XVIII Нижегородская сессия молодых ученых. Технические науки: материалы докладов. 19-22 марта 2013,Н. Новгород. С. 195-197.

5. Сугаков В.Г., Тощев A.A. Моделирование системы автоматического регулирования возбуждения синхронного генератора с внешней форсировкой // Труды 20-го международного научно-промышленного форума «Великие реки - 2018». ФГБОУ ВО «ВГУВТ», 2018.

6. Черных II.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и SimuHuk. М.: ДМК Пресс, 2007. 288.

A,A, Toshev, V.G. Sugakov, L.V, Zobov, Mathematical simulation of automatic excitation tuning system for marine alternator with external boosting

7. Коробко Г.И., Попов C.B. Моделирование элементов судовых электроэнергетических систем. Н. .Новгород: Изд-во ФБОУ ВПО «ВГАВТ». 2011. 32 с.

8. Коробко ГЛ., Попов С.В. Моделирование судовых синхронных генераторов и систем их возбуждения. Н. Новгород: Изд-во ФБОУ ВПО «ВГАВТ», 2012. 34 с.

References

1. Pr. Sugakov, О. Khvatov. Fundamentals of automatic tuning of output electric parameters. Part 2. Automatic voltage tuning of autonomous power supplies. Student's guide. Kstovo. Nizhny Novgorod School of Military Engineering, 2007, 150 pp. {in Russian).

2. V. Sugakov, O. Khvatov. Automatic tuning system for marine electric power plants. Part 2. Automatic voltage tuning of marine electric power plants. Student's guide. Nizhny Novgorod, Publishing House of Volga State University of Water Transport, 2011, 180 pp. (in Russian).

3. V. Sugakov. Fundamentals of automatic voltage tuning of mobile power supplies. Cadet's Guide for military engineering schools. Kstovo, Nizhny Novgorod branch of Military Engineering Academy, 2000, 150 pp. (in Russian).

4. V, Sugakov, A. Toshes', Yu. Malyshev. Analysis of automatic excitation tuning systems for alternators 11 XVIIIth Nizhny Novgorod session of young scientists. Technical Sciences: compendium of papers. Nizhny Novgorod, March 19-22.2013, pp. 195-197 (in Russian).

5. V. Sugakov, A. Toshev. Simulation of automatic excitation tuning system for alternator with external boosting H Compendium of papers, 20th International scientific and economic forum ICEF/Great Rivers 2018, Nizhny Novgorod University of Water Transport, 2018 {in Russian).

6. I. Chernykh. Simulation of electric equipment in MATLAB, SimPowerSystems and Simulink. Moscow, DMK Press, 2007, 288 pp. (in Russian).

7. G. Korobko, S. Popov. Simulation of marine electric power system elements. Nizhny Novgorod, Publishing House of Volga State University of Water Transport, 2011, 32 pp. (in Russian).

8. G. Korobko, S. Popov. Simulation of marine alternators and their excitation systems. Nizhny Novgorod, Publishing House of Volga State University of Water Transport, 2011, 34 pp. (in Russian).

Сведения об авторах

Totij.ee Александр Александрович. эксперт Верхне-Волжского филиала ФАУ «Российский Речной Регистр».. Адрес: 603001, Россия, Нижний Новгород, ул.. Рождественская, 38В. Тел.: +7-920-027-57-90. E-mail: toshev_a@mail.ru. Сугаков Валерий Геннадьевич, д.т.н., профессор Волжского государственного университета водного транспорта. Адрес: 603950, Россия, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5. Тел.: +7-831-419-78-58. E-mail: vgavtMivgavt-nn.ru.

Зобов Лаврентий Владиславович, аспирант Волжского государственного университета водного транспорта. Адрес: 603950, Россия, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5. Тел.: +7-831-419-78-58. E-mail: vgavt@vgavt-nn.ru.

About the authors

Toshev, Alexandr A., Expert, Upper-Volga Branch of Russian River Register, address: 38B, Rozhdestvenskaya St., Nizhny Novgorod, Russia, post code 603001, tel..: +7 920 027-57-90. E-mail: toshev_a@mail.ru.

Sugakov, Valery G., Dr .Sci. (Eng), Prof, Volga State University of Water Transport, address: 5, Nesterova st., Nizhny Novgorod, Russia, post code 603950, tel.: +7 831 419-78-58. E-mail: vgavt@vgavt-nn.ru.

Zobov, Layrentiy V., Post-Graduate. Volga State University of Water Transport, address: 5, Nesterova st.. Nizhny Novgorod. Russia, post code 603950, tel.: +7 831 419-78-58. E-mail: vgavt@vgavt-nn.ru.