CC BY
14Таким образом, предложенная модель позволяет выполнять моделирование процесса точной синхронизации двух судовых генераторов работающих под нагрузкой.
Анализ полученных результатов подтверждает адекватность модели с погрешностью менее 2,5%, что позволяет использовать модель при проектировании судовых электроэнергетических систем, а также при обучении студентов для понимания процессов, происходящих в СЭЭС.
Список литературы:
[1] Черных И.В. «Моделирование электротехнических устройств в MATLAB. SimPowerSystems и Simulink.» - М.: ДМК Пресс, 2007. - 288 с., ил. (Серия «Проектирование»).
[2] Коробко Г.И., Попов С.В. « Моделирование элементов судовых электроэнергетических систем» Н.Новгород: Изд-во ФБОУ ВПО «ВГАВТ», 2011. - 32 с.
[3] Коробко Г.И., Попов С.В. « Моделирование судовых синхронных генераторов и систем их возбуждения» Н.Новгород: Изд-во ФБОУ ВПО «ВГАВТ», 2012. - 34 с.
[4] Герман-Галкин С.Г. «Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0: учебное пособие» - СПб.: КОРОНА принт, 2001. - 320 с., ил.
[5] Качество электрической энергии на судах/ В.В. Шейнихович [и др.]: Справочник/Л.: Судостроение, 1988.
A SHIP POWER PLANT SIMULATION MODEL
O.A. Burmakin, M.P. Shilov, Y.S. Malyshev, S. V. Popov
Keywords: ship power plant, simulation model, synchronization, parallel operation.
The article offers a ship power plant simulation model, allowing to investigate the processes occurring in the diesel generator unit at varying loads, synchronization and two diesel generators parallel operation The major model blocks schemes and the model's work waveform are shown. The model functioning adequacy check was carried out.
Статья поступила в редакцию 01.07.2016 г.
УДК 621.317
И.Г. Коробко, аспирант ФГБОУВО «ВГУВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
РЕГУЛИРОВАНИЕ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРНОГО АГРЕГАТА С ИЗМЕНЯЕМОЙ ЧАСТОТОЙ ВРАЩЕНИЯ
Ключевые слова: автономная электростанция, дизель-генератор, система регулирования напряжения, преобразователь частоты.
В статье рассматривается автономная электростанция на базе дизель-генераторного агрегата с изменяемой частотой вращения. Предложена система стабилизации выходного напряжения генераторного агрегата, обеспечивающая в замкнутой системе регулирования компенсацию снижения напряжения при возрастании тока нагрузки.
Автономные электростанции на базе генераторных агрегатов с изменяемой часто-
той вращения обеспечивают экономию топлива и повышение КПД при переменной активной нагрузке [1]. Работа дизель-генераторов электростанции зависит от эффективности следующих систем автоматического регулирования:
- частоты вращения приводного двигателя;
- напряжения синхронного генератора;
- частоты и амплитуды выходного напряжения генераторного агрегата.
На рисунке 1 показана блок-схема систем регулирования параметров дизель-генераторного агрегата. Для управления частотой вращения дизеля (или газопоршневого двигателя) Д используется регулятор частоты вращения РЧВ. На входы регулятора поступает сигнал отрицательной обратной связи датчика частоты вращения ДЧВ и задающий сигнал от задатчика экономичного режима ЗЭР. На вход задатчика подается сигнал о величине активной мощности РА, отдаваемой синхронным генератором G, который формируется блоком измерения БИ. Точное поддержание заданной частоты вращения дизеля обеспечивает оптимальный расход топлива [2].
Рис. 1. Блок схема дизель-генератора с системами автономного регулирования
Снижение частоты вращения дизеля (до 75-80% от номинальной величины) приведет к уменьшению частоты выходного напряжения генератора. Поддержание амплитуды напряжения генератора на номинальном уровне будет обеспечено за счет регулятора возбуждения РВ, на входе которого сравнивается значение напряжения на выходе генератора и заданного напряжения UH. Для этого используются синхронные генераторы с «высокой» характеристикой холостого хода и повышенным номинальным напряжением до 415 В и более [3].
Одной из задач является поддержание амплитуды переменного напряжения на выходе дизель-генератора с достаточно высокой точностью. В состав этой системы входят силовые элементы и управляющие устройства.
На выходе дизель-генераторного агрегата через дроссель Д подключен преобразователь частоты ПЧ, особенностью которого является работа при снижении входной частоты на 25% от номинального значения (преобразователи фирмы Siemens, Mitsubishi, Danfoss и др). ПЧ состоит из выпрямительного блока В, конденсатора С в цепи постоянного напряжения и инвертора И, представляющего собой трехфазный мост на базе IGBT-транзисторов. Управление транзисторами осуществляет ШИМ-контроллер, вырабатывающий сигналы на включение или отключение силовых ключей, формируя синусоидальное напряжение заданной частоты на всех трех фазах. На входы контроллера поступают сигналы управления частотой Uy4, и напряжением UyH. На выходе преобразователя частоты установлен фильтр низких частот ФНЧ, предназначенный для получения синусоидальной формы выходного напряжения, поступающего на нагрузку Н. Поддержание амплитуды переменного напряжения на
выходе генераторного агрегата осуществляется регулятором напряжения РН, на входы которого поступают напряжения задания UЗН и обратной связи иОСН. Для получения этого сигнала используется датчик напряжения ДН, подключенный к выходу генераторного агрегата.
По мере увеличения тока нагрузки выходное напряжение ЦВЫХ будет снижаться из-за роста потерь в дросселе, фильтре низких частот, а также в элементах преобразователя частоты. Для компенсации снижения напряжения на выходе дизель-генераторного агрегата представлена структурная схема системы стабилизации на рисунке 2.
Рис. 2. Структурная схема системы стабилизации напряжения на выходе дизель-генераторного агрегата
На схеме показаны передаточные функции основных элементов замкнутой системы. Нагрузка представляет собой апериодическое звено с передаточной функцией WH. Напряжение на нагрузке Цн определяется разностью выходной ЭДС преобразователя частоты - Еп и падения напряжения ДищКВ на эквивалентном сопротивлении Wzэкв, которое возрастает при увеличении тока нагрузки 1Н Передаточная функция эквивалентного сопротивления WZЭКВ представлена форсирующим звеном первого порядка. Передаточная функция датчика напряжения WдН в виде апериодического звена первого порядка формирует сигнал обратной связи по напряжению иОСН. Этот сигнал сравнивается с сигналом задания ЦЗН, и полученная разница поступает на вход регулятора напряжения WРН, передаточная функция которого будет определена при моделировании. В результате на выходе регулятора напряжения будет получен сигнал компенсации ЦК. В сигнал задания ЦЗН добавляется величина сигнала компенсации ЦК, а полученный сигнал ЦУН является задающим по напряжению для преобразователя частоты. Его передаточная функция Wпч представлена произведением апериодического звена и звена постоянного запаздывания с постоянными времени Т^ и тп соответственно. В режиме холостого хода, когда ток нагрузки равен нулю, сигнал задания ЦЗН = ЦОСН, при этом значение компенсации ЦК = 0.
Оценка ошибки по напряжению на нагрузке определяется формулой:
АЦ
НАГР
-АЦ ,
(1 + Wpн)
при условии WпЧWдН = 1,
где ДЦ - величина падения напряжения на нагрузке при номинальном токе без замкнутой системы регулирования.
При значении ДЦ; = 6% от UH при номинальном токе нагрузки и коэффициенте усиления регулятора - KРН = 10, ошибка ДUнAгР = 0,54%.
Большинство систем управления по отклонению требуют наличие датчика напряжения с низким уровнем пульсаций выходного сигнала. В случае применения измерителя на базе выпрямителя потребуется сглаживающий фильтр высокого порядка с большой постоянной времени, который заметно снизит быстродействие системы. Основное достоинство предложенной системы управления по сравнению с классической системой - возможность работы при наличии пульсаций на выходе измерителя напряжения, что позволяет отказаться от использования дополнительных фильтров и повысить быстродействие и точность работы системы.
Для моделирования системы регулирования напряжения дизель-генераторного агрегата изменяемой частоты вращения в пакете МайаЬ Simulink была создана модель, представленная на рисунке 3.
Рис. 3. Модель системы регулирования выходного напряжения ПЧ.
В модели использованы стандартные блоки библиотеки SimPowerSystem. Генератор представлен эквивалентной явнополюсной фундаментальной синхронной машиной «Syncronous Machine pu Fundamenal» мощностью 250 кВт с номинальным выходным напряжением 415В частотой 50 Гц. Регулятор возбуждения генератора представлен блоком Excitation System, который формирует напряжение возбуждения Vf в соответствии с величиной выходного напряжения на зажимах генератора и заданием, поступающим на вход vref. Блок SM_Demux предназначен для разбивки текущих параметров генератора с выхода m (напряжения Vd и Vq, которые поступают на вход регулятора возбуждения). К выходу генератора подключен блок Power Meter, измеряющий значение активного и реактивного тока и выходного напряжения. Задатчик экономичного режима представлен блоком EMS. На его вход поступает измеренное значение активного тока, в соответствии с которым формируется задание на скорость дизеля, приводящего в действие синхронный генератор.
Нагрузкой генератора является эквивалентная активно-реактивная нагрузка «Series RLC Load». Через входные дроссели к генератору подключен преобразователь частоты, состоящий из выпрямителя «FC Rectifier», фильтра в звене постоянного тока «LC Filter», инвертора «FC Invertor» и системы управления «PWM Control». Значение частоты и напряжения на выходе задается через входы F и A соответственно. К выходу преобразователя частоты через синусный LC-фильтр «FC Filter LC1» подключена активно-индуктивная нагрузка «Load RL». Для измерения выходного трехфазного переменного напряжения используется блок «Output V Meter», представляющий собой трехфазный понижающий трансформатор и выпрямитель с фильтром низких час-
тот. Таким образом, на выходе блока формируется сигнал, пропорциональный измеренному значению.
Для регулирования величины выходного напряжения используется регулятор напряжения - «Regulator», блока схема которого представлена на рисунке 4.
Vin
Рис. 4. Блок-схема регулятора выходного напряжения преобразователя частоты
На входы регулятора Vref и Vin поступают задание напряжения и сигнал измеренного напряжения с выхода блока «Output V Meter». С помощью блока вычитания формируется разность сигналов задания и измеренного напряжения. Эта разность поступает на вход регулятора, представляющего собой апериодическое звено первого порядка. Выходное значение регулятора затем суммируется с сигналом задания, после чего поступает на блок ограничения «Saturationl», ограничивающего диапазон регулирования напряжения. Данный сигнал поступает на вход задания напряжения блока системы управления преобразователя частоты «FC Control».
Для измерения параметров напряжения на выходе преобразователя частоты подключен блок измерения напряжения, активной и реактивной мощности, а также измеритель нелинейных искажений THD и осциллографы.
На рисунке 5 представлена диаграмма изменения величины активной мощности, отдаваемой в нагрузку, и огибающая действующего значения напряжения на нагрузке в разомкнутой системе и замкнутой системе. При изменении нагрузки от 0 до 200 кВт снижение линейного напряжения в разомкнутой системе составляет приблизительно 23 В. В замкнутой системе стабилизации изменение напряжения не превышает 2,1 В в статике, а величина динамических провалов составляет около 7 В.
На рисунке 6 показана осциллограмма выходного напряжения одной из фаз преобразователя частоты и коэффициента нелинейных искажений. За счет применения фильтра низких частот форма напряжения на выходе практически синусоидальная, а коэффициент нелинейных искажений составляет чуть более 1%.
в)
|
0.1
Рис. 5. Диаграмма изменения активной мощности на нагрузке (а) и огибающей напряжения разомкнутой (б) и замкнутой (в) систем
0.03 0.025 0.02 б) 0.015 001 0.005 о
0.13 0.135
Рис. 6. Диаграмма выходного напряжения (а) и коэффициента нелинейных искажений (б)
Список литературы:
[1] Дарьенков А.Б., Хватов О.С. Автономная высокоэффективная электрогенерирующая станция // Труды Нижегородского государственного технического университета, том 77. - Н. Новгород, 2009.
[2] Дарьенков А.Б., Хватов О.С., Юрлов Ф.Ф., Усов Н.В. Определение экономической эффективности дизель-генераторных электростанций с переменной частотой вращения вала // Вестник АГТУ, серия: морская техника и технология. - Астрахань. - № 3. - 2014.
[3] Коробко Г.И., Лебедев В.В., Коробко И.Г. Электроснабжение потребителей на судах с ЕЭС // Вестник ВГАВТ. - Вып. № 44. - Н.Новгород. - 2015.
THE OUTPUT VOLTAGE REGULATION IN RELATION TO THE INVERTER IN DIESEL GENERATOR UNIT WITH VARIABLE SPEED
I.G. Korobko
Keywords: autonomous power station, diesel-generator, voltage regulation system, frequency inverter.
The article discusses the autonomous electric station, based on diesel-generator unit with variable rotation speed. The stabilization system concerning the generator unit output voltage, which provides closed loop voltage loss control compensation with the load current increase is offered.
Статья поступила в редакцию 31.05.2016 г.
УДК 681.5
В.Г. Сугаков, д.т.н., профессор ФГБОУВО «ВГУВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ДАТЧИКИ И ПРИЕМНЫЕ РЕЛЕ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ СУДОВЫМИ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯМИ
Ключевые слова: асимметрия, трехфазная система напряжений, модуль, асимметрия на углу, симметричные составляющие, момент двигателя, переменный ток.
В статье рассматриваются вопросы повышения надежности систем автоматического управления судовыми электростанциями. Предлагается использование устройств реконструктивной диагностики для цифровых датчиков и приемных реле. Для цифровых датчиков используется принцип хроноконтроля, а для трех приемных реле -принцип последовательности.
Важными составными компонентами аппаратуры автоматического управления являются датчики и приемные реле, которые служат источниками информации о значениях контролируемых физических величин, определяющих состояние судовой электростанции (СЭС) [1]. К числу контролируемых физических величин СЭС относятся температуры охлаждающей жидкости, масла и воздуха; уровня масла, топлива и охлаждающей жидкости; давления масла и воздуха; частота вращения коленчатого вала первичного двигателя, которые образуют группу неэлектрических величин. В группу электрических контролируемых физических величин входят выходные напря-
