CC BY
17УДК 629.12.001.2: 656.66.
В.И. Самулеев, к.т.н., профессор ФГБОУВО «ВГУВТ»
Ю.П. Мухин, судовой электромеханик «Балтик Групп Интернэйшенел»
В.К. Калачёв, к.т.н., доцент ФГБОУ ВО «ВГУВТ»
603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВАРИАНТОВ СХЕМ ЭЛЕКТРОДВИЖЕНИЯ ПРИ МОДЕРНИЗАЦИИ ПАРОМА ПРОЕКТА 1809 (ТИП «САХАЛИН»)
Ключевые слова: сравнение, гребная электрическая установка, гребной электродвигатель, фрезерование льда, имитационная модель, высшие гармонические составляющие, калькуляция, график годовых расходов.
В работе произведено определение, сравнение, проработка четырёх вариантов схем электродвижения, взятых с едиными параметрами типовой гребной электрической установки (далее ГЭУ). Данными параметрами являются мощность, момент, скорость вращения гребного электродвигателя (далее ГЭД). В качестве типовой схемы была взята схема гребной электрической установки морского парома проекта 1809 (тип Сахалин).
Для сравнения технических характеристик исходного варианта с предлагаемыми вариантами используются данные ледовых испытаний ГЭУ парома [1] и данные испытаний моделей схем ГЭУ в пакете Матлаб Симулинк (Лицензия № 271828).
В процессе моделирования производилось максимальное сближение всех вышеуказанных характеристик к единым параметрам. Оценка и сравнение производились на основании графиков тока и напряжения.
Варианты, которые даются для сравнения, по мнению авторов статьи следующие:
- Вариант № 1 - Сохранение существующей установки проекта 1809;
- Вариант № 2 - Установка на переменном токе с использованием конвертора ШИМ (широтно-импульсная модуляция) в цепи главного тока;
- Вариант № 3 и 4 - Установка двойного рода тока с использованием индуктивно-ёмкостного преобразователя (ИЕП) и неуправляемого выпрямителя (НВ) в цепи главного тока (различие между вариантами № 3 и № 4 заключается в ГЭД постоянного тока новой модели) [2].
Рисунок 1 изображает схему управления носового контура ГЭУ парома. На рисунке 2 показаны графики ледовых испытаний парома при условии частичного фрезерования, полного фрезерования и заклинивания гребного винта.
В. И. Самулеев, Ю.П. Мухин, В.К. Калачёв
Технико-экономический анализ вариантов схем электродвижения при модернизации парома
Рис. 1. Схема управления носового контура ГЭУ парома
Рис. 2. Графики ледовых испытаний носового контура ГЭУ парома «Сахалин» (Бросок тока 5250 А провал частоты 52,5 об/мин)
Представляется возможным сравнить данные графики с графиками испытаний моделей вариантов модернизации № 2, 3(4).
На рис. 3 показана схема имитационной модели варианта № 2 модернизации парома с использованием ШИМ-конвертора в цепи главного тока [3].
Рис. 3. Схема имитационной модели варианта модернизации парома с использованием ШИМ-конвертора в главной цепи
После сборки блоков имитационной модели в Матлаб Симулинк, согласно литературе [4, 5] спроектирован новый двигатель на необходимую мощность, данные которого прописываются в окне параметров модели асинхронного гребного электродвигателя.
Рис. 4. График напряжения, тока якоря и скорости вращения ГЭД при ледовых испытаниях имитационной модели варианта модернизации № 2 (ГЭУ на переменном токе с использованием конвертора ШИМ-конвертора в цепи главного тока) (Нужен дополнительно график тока)
В результате моделирования удалось добиться снижения тока ГЭД с 300 А до 220 А. Провал частоты при этом составил свыше 70 об/мин. Это стало возможным при точной настройке регулятора напряжения ШИМ-конвертора. При этом расчёт высших гармонических составляющих напряжения показал, что при фрезеровании льда действие оказывают 5, 7, 11, 13 гармоники напряжения кроме основной. Расчёт гармонических составляющих производился в программе Mathcad (версия 2015) на основании графика напряжения ГЭД [6] в программе Matlab (версия 2014). При этом блок THD (total harmonic distortion) в Матлаб симулинк показал уровень 80% на общей осциллограмме ГЭД.
В.И. Самулеев, Ю.П. Мухин, В. К. Калачёв
Технико-экономический анализ вариантов схем электродвижения при модернизации парома ...
Рис. 5. График, иллюстрирующий действие высших гармонических составляющих напряжения при условии фрезерования льда на ГЭД переменного тока
В варианте № 3 (4) используется индуктивно-ёмкостный преобразователь (далее ИЕП) (Самулеев-Мухин), который, так же как и предыдущий вариант, снижает броски тока при фрезеровании или заклинивании. Это явление возникает в результате появления последовательного резонанса в настроенном колебательном контуре. Для снижения отрицательного воздействия высших гармонических используется фильтрующее устройство в цепи постоянного тока.
Рис. 6. Имитационная модель варианта № 3(4) ГЭУ двойного рода тока
Рис. 7. График ледового испытания модели варианта модернизации № 3 и 4 (Установка двойного рода тока с использованием ИЕП и НВ в цепи главного тока)
В данном варианте расчёт гармонических составляющих велся в двух участках схемы - между генератором и ИЕП, и между ИЕП и неуправляемым выпрямителем.
Расчёт показал, что действие оказывают на первом участке (рис. 8) 5-я, 7-я, 11-я, 13-я гармоники, так же как и при ГЭУ переменного тока с ШИМ-контроллером. На втором же участке замера (рис. 9), на неуправляемый выпрямитель проходят только 5-я и 7-я гармоники, кроме основной. При этом блок THD (total harmonic distortion) в Матлаб Симулинк показал уровень 40% на общей осциллограмме.
Рис. 8. Графики расчёта высших гармонических составляющих для первого участка замера в схеме варианта № 3(4)
В.И. Самулеев, Ю.П. Мухин, В. К. Калачёв
Технико-экономический анализ вариантов схем электродвижения при модернизации парома ...
4 з е ~
5 5 ш( 1
Рис. 9. Графики расчёта высших гармонических составляющих для второго участка замера в схеме варианта № 3(4)
Для сравнения экономических показателей всех трёх вариантов модернизации с существующим были приняты следующие допущения.
Учёт модернизации производился только для электрооборудования кроме цен на топливо и масло. Цены на топливо взяты у организаций, производящих бункеровку вышеуказанного парома в городе Холмск (Сахалинская область). Цены на масло взяты у организаций, поставляющих масло в городе Владивосток (перевозка судами Сахалинского морского пароходства не учитывается).
Цены на оборудование взяты у организаций, производящих проектирование, разработку, производство, поставку и монтаж электрооборудования в городах Санкт-Петербург, Владивосток, Корсаков, имеющие все необходимые лицензии и опыт монтажа данного оборудования на судах.
На основании цен на оборудование, топливо, смазку, зарплаты экипажа, цены на перевозку груза, вагонов, автотранспорта, пассажиров, военной техники, были составлены графики годовых расходов и модернизационных статей по всем четырём вариантам [7]. Также выполнены расчёты срока окупаемости с учётом дисконтирования для 1 года и семи лет по вариантам модернизации не включая исходного варианта.
На основании таблиц и расчётов составлены Графики годовых расходов и калькуляции модернизационных статей (графики на рис. 10 и рис. 11).
Рис. 10. Затраты на модернизацию по вариантам
Рис. 11. Зависимость срока окупаемости от периода дисконтирования по вариантам модернизации
Анализируя данные таблиц и графиков можно сделать следующие выводы:
1) при точном регулировании регулятора напряжения инвертора ШИМ ГЭУ переменного тока возможно добиться снижения бросков тока главной цепи, что очень важно для безаварийной работы; Наличие ЮВТ транзисторов позволяет получить преобразователь на такую мощность, а соответственно и ГЭУ такого типа может рассматриваться как вариант модернизации;
2) схема двойного рода тока по сравнению со схемой переменного тока имеет более лучшие показатели по качеству электрической энергии. Также она не имеет схем защиты тока главной цепи, что удешевляет её конструкцию;
3) основываясь на принципе постоянного улучшения схемных решений можно сделать вывод, что ГЭУ двойного рода тока имеет более перспективное будущее;
В.И. Самулеев, Ю.П. Мухин, В. К. Калачёв
Технико-экономический анализ вариантов схем электродвижения при модернизации парома ...
4) при сохранении прежней схемы ГЭУ (вариант № 1) затраты годовые будут только увеличиваться при снижении их окупаемости;
5) вариант модернизации № 2 имеет очень большие затраты на установку и регулировку всех агрегатов, поэтому невыгоден;
6) вариант № 4 обязывает к замене всей установки, что удорожает его ровно на цену гребных электродвигателей при практически таких же технических данных, что и в варианте модернизации № 3;
7) вариант модернизации № 3 наиболее предпочтителен в условиях модернизации судов на Дальнем востоке, так как более окупаем технически и экономически.
Список литературы:
[1] Отчёт по научно-исследовательской работе «Исследование режимов работы и определение мероприятий по повышению эффективности работы гребной электрической установки паромов типа «Сахалин» / ЛВИМУ им. С.О. Макарова. - Ленинград, 1978.
[2] Самулеев В.И., Мухин Ю.П. Исследование переходных процессов в ГЭУ паромов проекта 1809 (тип «сахалин») с использованием индуктивно-емкостного преобразователя. // Вестник ВГАВТ. - Вып. 45. 2015. - Н. Новгород: Изд-во ФГОУ ВПО ВГАВТ. - С. 281-288.
[3] Штумпф Э.П. Судовая электроника и силовая преобразовательная техника. - СПб: Судостроение, 1993. - 352 с.
[4] Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в МайаЬ, SimPowerSystems и Simulink. - М.: ДМК Пресс; Питер, 2008. - 288 с.
[5] Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в МАТЬАВ 6.0: учебное пособие. - СПб.: КОРОНА-принт, 2001. - 320 с.
[6] Макаров Е.Г. Инженерные расчёты в МАТНСАБ 15: учебный курс. - СПб.: Питер, 2011. -400 с.
[7] Эффективность проектных решений: метод. указания для студ. оч. и заоч. обучения специальности 180404 «Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики» / сост. -В.К. Калачев, А.С. Трошин. - Н. Новгород: Изд-во ФБОУ ВПО «ВГАВТ», 2014. - 24 с.
TECHNICAL AND ECONOMIC ANALYSIS OF ELECTRIC PROPULSION SCHEMES VARIATIONS IN THE MODERNIZATION OF THE FERRY PROJECT 1809 (TYPE «SAKHALIN»)
V.E. Samuleev, J.P. Mukhin, V.K. Kalatscheov
Keywords: comparison, electric propulsion plant, propeller motor, milling of the ice simulation model, the higher harmonic components, costing, schedule of annual expenditures.
We have made a definition, a comparison study of four propulsion scheme variants, taken from the unified parameters of the electric propulsion model (the power plant). These parameters are power, torque, the electric engine speed of rotation. We have taken the electric propulsion system scheme of the marine ferry project 1809 (type Sakhalin) as a model.
Статья поступила в редакцию 28.03.2016 г.
