автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Дизель-генераторная установка переменной частоты вращения

На правах рукописи

ПОЛЯКОВ ИВАН СЕРГЕЕВИЧ

ДИЗЕЛЬ - ГЕНЕРАТОРНАЯ УСТАНОВКА ПЕРЕМЕННОЙ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 В НОЯ 2013

005540988

Нижний Новгород 2013

005540988

Работа выполнена на кафедре "Электротехника и электрооборудование объектов водного транспорта" ФГБОУ ВПО Волжской государственной академии водного транспорта (г. Нижний Новгород).

Хватов Олег Станиславович -

доктор технических наук, профессор.

Онищенко Георгий Борисович -

доктор технических наук, профессор; ФБГОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет», профессор кафедры «Электрические системы»;

Шахов Андрей Валентинович-

кандидат технических наук; ФБГОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева», доцент кафедры «Электрооборудование, электропривод и автоматизация».

Ведущая организация - ОАО « Конструкторское бюро

по проектированию судов «Вымпел»» (г. Нижний Новгород).

Защита состоится "20" декабря 2013 г. в 14 часов 30 минут в аудитории № 1307 на заседании диссертационного совета Д212.165.02 в Нижегородском государственном техническом университете (603950, ГСП -41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 603950, ГСП-41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, д. 24, ФБГОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева», ученому секретарю диссертационного совета Д 212.165.02

Автореферат разослан "18" ноября 2013 г.

Научный руководитель -Официальные оппоненты: -

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.165.02 к.т.н., доцент

A.C. Плехов

Актуальность работы. Более 10 млн. человек в России получают электроэнергию от автономных установок типа "двигатель внутреннего сгорания - генератор" (ДГ). В качестве генератора, как правило, используется синхронная машина. Количество данных ДГ установок составляет порядка 50 тыс. штук, суммарной мощностью 17 млн. кВт с выработкой электроэнергии около 50 млрд. кВт-ч в год, для чего необходимо около 6 млрд. т условного топлива. Доставка топлива, особенно в северные регионы России, сопряжена с известными трудностями, а иногда из-за погодных условий невозможна.

Существующие дизель-генераторы работают с постоянной (номинальной) частотой вращения вала во всем диапазоне изменения нагрузки. Однако, работа двигателя внутреннего сгорания (ДВС) при постоянной частоте вращения, но при переменной нагрузке характеризуется неоптимальным расходом топлива, т.е. пониженным КПД. Следовательно, разработка и создание дизель-генераторной установки, работающей при переменной, в зависимости от нагрузки генератора, частоте вращения приводного ДВС, обеспечивающей существенную экономию топлива (до 20%), является актуальной народно-хозяйственной задачей.

Исследование и разработка дизель-генераторных установок переменной частоты вращения является относительно новым техническим направлением в малой энергетике. Работы в данной области проводятся за рубежом фирмами Fubag, Honda, Hyuntai, Курог и др. Известны исследования по данной тематике и в России - ВНИИЭ (г. Москва), ОАО "Звезда" (г. Санкт-Петербург), ОАО "Сигма" (г. Ковров), Волжская государственная академия водного транспорта (ВГАВТ, г. Н.Новгород) и Нижегородский государственный технический университет (НГТУ, г. Н.Новгород). Перечень отечественных и зарубежных научных публикаций, посвященных данной тематике достаточно мал. Анализ показал, что особенно это относится к исследованиям динамических режимов работы, разработке математической модели объекта (дизель-генератора с переменной частотой вращения вала), синтезу системы регулирования дизель-генератора с переменной частотой вращения вала.

Целью диссертационной работы является исследование и создание дизель-генераторной установки переменной частоты вращения на базе синхронного генератора и преобразователя частоты со звеном постоянного тока, обеспечивающей минимальный удельный расход топлива при изменяющейся нагрузке.

Цель определяет следующие задачи исследования:

- обоснование применения дизель-генераторной установки переменной частоты вращения;

- разработка математической модели дизель-генераторной установки переменной частоты вращения на основе синхронного генератора и преобразователя частоты со звеном постоянного тока;

- синтез структуры и параметров задатчика экономичного режима;

- разработка САР дизель-генераторной установки переменной частоты вращения;

- создание экспериментального образца дизель-генераторной установки переменной частоты вращения мощностью 3,2 кВт.

Связь диссертации с научно техническими программами.

Работа выполнялась в рамках НИР по теме "Разработка требований к судовым дизель-генераторным установкам с переменной скоростью вращения" № PI 1 4/12 между ВГАБТ и Российским Речным Регистром.

Научная новизна. Основные научные результаты работы заключаются в следующем.

1. Разработана математическая модель дизель-генераторной установки, отличающаяся от известных тем, что для минимизации расхода топлива ДВС работает при переменной частоте вращения.

2. Впервые разработана структура задатчика экономичного режима работы нейросетевого типа дизель-генераторной установки переменной частоты вращения.

3. Синтезирована трехканальная САР дизель-генераторной установки переменной частоты вращения.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в:

- разработке комплекса программ имитационного моделирования режимов дизель-генераторной установки переменной частоты вращения в пакете MatLab Simulink, позволяющего исследовать динамические режимы работы с учетом величины, характера нагрузки, и формируемой с целью минимизации расхода топлива, скоростной характеристики приводного двигателя;

- разработке алгоритмов обучения, а так же компьютерных программ имитационного моделирования задатчика экономичного режима нейросетевого принципа действия;

- создании опытного образца генераторной установки переменной частоты вращения с задатчиком экономичного режима, мощностью 3,2 кВт.

Реализация результатов работы. Результаты работы были использованы:

- в НИР по теме "Разработка требований к судовым дизель-генераторным установкам с переменной скоростью вращения" № Р11 4/12 между ВГАВТ и Российским Речным Регистром;

- в учебном процессе при подготовке в ВГАВТ инженеров специальности 24.06.00 "Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики" по дисциплине "Основы судового электропривода" в разделах "Статистические и динамические режимы судового электропривода переменного тока с полупроводниковыми преобразователями", по дисциплине "Моделирование судового электрооборудования и средств автоматизации"

в разделе "Судовой автоматизированный электропривод переменного тока", в курсовом и дипломном проектировании;

- в учебном процессе НГТУ при подготовке магистров по направлению 140400.68 "Электроэнергетика и электротехника" по дисциплинам "Энергетические системы автономных объектов", "Микропроцессорные системы управления автономных объектов".

В работе автор защищает:

1. математическую модель дизель-генераторной установки переменной частоты вращения на основе синхронного генератора и преобразователя частоты со звеном постоянного тока;

2. математическую модель и алгоритм обучения задатчика экономичного режима нейросетевого типа;

3. структуру САР дизель-генераторной установки переменной частоты вращения с задатчиком экономичного режима.

Публикации и апробация работы:

По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 2 работы в журналах, реферируемых ВАК. Получено положительное решение о выдаче патента на изобретение РФ, а также свидетельство о регистрации программы для ЭВМ. Основные положения, результаты и выводы диссертационной работы были доложены и обсуждены на следующих научно-технических конференциях:

- международный научно-промышленный форум "Великие реки". Н.Новгород, ННГАСУ 2011-2013;

- XI Всероссийская молодежная научно-техническая конференция "Будущее технической науки". Н.Новгород, НГТУ, 2012;

- ежегодная региональная научно-техническая конференция "Актуальные проблемы электроэнергетики". Н.Новгород, НГТУ, 2010-2012;

- международная научно-техническая конференция "Информационные системы и технологии ИСТ". Н.Новгород, НГТУ, 2010, 2013.

Объем и структура работы:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы из 120 наименований. Основная часть изложена на 155 страницах, содержит 80 рисунков и 2 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования.

В первой главе показана целесообразность применения ДГ электростанций переменной частоты вращения.

Автономные ДГ работают, как правило, на долевых режимах с нагрузкой в диапазоне от 30 до 70% номинальной. Для выбора экономич-

ного режима работы ДВС, работающего при изменяющейся нагрузке, удобно использовать его многопараметровую характеристику (рис. 1), где штрихпунктирной линией показана зависимость эффективного давления ре

и эффективной мощности Ые от частоты вращения вала дизеля при наименьшем удельном расходе топлива ge .Как видно из рис. 1, при изменяющейся нагрузке, для обеспечения экономичного режима работы дизеля необходимо регулирование его частоты вращения.

Рассмотрены варианты генераторных установок переменной частоты вращения: на базе асинхронных генераторов с коротко-замкнутым и фазным ротором, а также синхронных генераторов с электромагнитным возбуждением и постоянными магнитами. Общим недостатком рассмотренных вариантов ДГ установок с переменной частотой вращения является невозможность плавного регулирования частоты вращения ДВС при изменении мощности нагрузки.

Одной из важнейших задач при создании систем ДГ переменной частоты вращения является разработка задатчика экономичного режима (ЗЭР) работы дизеля, который в зависимости от величины мощности нагрузки, должен формировать на своем выходе оптимальные, с точки зрения потребления топлива, значения частоты вращения вала ДВС. Мно-гопараметровая характеристика для каждого конкретного образца ДВС носит индивидуальный характер и производителями, как правило, не предоставляется. Кроме того, данная характеристика будет меняться в зависимости от условий внешней среды, степени износа дизеля и марки топлива. В связи с этим необходимо такое специальное устройство, как ЗЭР, которое даже при отсутствии многопараметровой характеристики способно автоматически вычислять значение оптимальной частоты вращения для конкретного значения мощности нагрузки на конкретном временном интервале вне зависимости от меняющихся внешних и внутренних условий работы дизеля.

Схема ДГ установки работающей при переменной частоте вращения приведена на рис. 2. Для стабилизации параметров напряжения синхронного генератора использован статический преобразователя напряжения, состоящий из выпрямителя, широтно-импульсного преобразователя и повышающего инвертора напряжения. На устройство получено положительное решение о выдаче патента на изобретение РФ.

Рв.О.е И«,о.е.

Рис. 1 Многопараметровая характеристика ДВС

Рис. 2 Структурная схема ДГ установки переменной частоты вращения

ЗЭР - задатчик экономичного режима; РЧ - регулятор частоты вращения ДВС; ДРТ -датчик расхода топлива; ДНГ - датчик напряжения генератора; ДМ - датчик мощности; СФ - сетевой фильтр; В - выпрямитель; ШИП - широтно-импульсный преобразователь; ВФ - выходной фильтр; И - повышающий инвертор напряжения; РН - регулятор напряжения; ДНП - датчик напряжения статического преобразователя

Во второй главе разработана математическая модель ДГ установки переменной частоты вращения, на базе математической модели дизельной установки с турбонадцувом (1), синхронного генератора с учетом насыщения стали магнитопровода (2), преобразователя частоты со звеном постоянного тока и блока активно-реактивной нагрузки (уравнения не приведены). На основе математической модели на рисунке 3 представлена структурная схема дизель-генераторной установки переменной частоты вращения с системой автоматического регулирования.

Система уравнений дизеля с газотурбинным наддувом имеет вид:

В (1) приняты следующие обозначения:

Уа'>Ра'>Ун'>Ут>Хо'8ц ~ безразмерные величины изменения, соответствен, (1) но, скорости вращения вала и нагрузки дизеля, давления нагнетаемого воздуха, скорости вращения ротора турбины, положения рейки топливного насоса и цикловой подачи топлива;

Т^,Т, Тт,Тк - постоянные времени, соответственно, дизеля в каналах нагрузочного и регуляторного воздействий, турбонагнетателя и впускного коллектора;

,5Д,5Т ,5К - коэффициенты самовыравнивания, соответственно,

дизеля в каналах нагрузочного и регуляторного воздействий, турбонагнетателя и впускного коллектора;

{т<*Р + К)Уо=кіУн~Ро'> {ТгР + 8т)ут=кту0-уи-,

УЛткР + ^) = Уг~КУо> {т«хР + ^)у<, = Хо+кіУн'> (ТтР + Зт)уг =ккх0+кгу„-уи; =Хо+ в<,Уо>

к, ,кл,кт ,к1. ,кк - коэффициенты, учитывающие, соответственно, зависимость крутящего момента на валу дизеля от давления наддува, изменение момента сопротивления на валу дизеля при изменении мощности нагрузки, зависимость расхода воздуха через дизель от скорости его вращения, зависимость крутящего момента турбины от ее скорости вращения и положения рейки топливного насоса;

к і и в і - соответственно, коэффициенты самовыравнивания дизеля и

усиления топливоподающей аппаратуры дизеля.

Математическая модель синхронного генератора базируется на системе уравнений Парка - Горева и имеет вид:

и* = -г.'«, + РФ* У«,6*'

\

а.

= >-д,1м + РУ.Н

а.

V ,=хт, (-',,/+'V+)+-V/>

¥д, = *„, (~і„ + ід, ) + ;

а = /(«,,);

ілЛ (2)

+и:

V = (-(

2 2 и. =и1+и--.

„ Л„ </о>

т= 3

мл аг

В (2) приняты следующие обозначения:

и«1г "/ - соответственно, проекции вектора напряжения статора на оси ¿1 и напряжение ротора;

>'7 - соответственно проекции вектора тока статора и демпферного тока на оси <і и <7, ток ротора;

V*, ¥т, ¥/ ~ соответственно, проекции потокосцепле-ний статора и демпферного контура на оси <1 и <7, потокосцепление ротора;

, г{ - соответственно, активные сопротивления обмоток статора и ротора;

х, — соот-

Кт<1 9 ~*"г>1Ц 9 9 9 А/л '

ветственно, проекции индуктивных сопротивлений обмоток статора и демпферной обмотки на оси сі и <7, индуктивное сопротивление рассеяния обмотки возбуждения;

и — величина, пропорциональная полному потоку СГ;

ц, J, — соответственно, базисная угловая частота, момент нагрузки на валу СГ, момент инерции вращающихся масс СГ;

о — дополнительная намагничивающая сила, учитывающая эффект насыщения стали СГ.

Динмії

Рис. З Струкіурная схема ДГ переменной частота вращения №рс(р). Шд(р), №тн(р) . Я'вк(р) ІГпф). ІУт(р) - передаточные функции, соответственно, регулятора частоты вращения дизеля, сер-

водвигателя, турбонагнетателя, впускного коллектора, собственно дизеля, регулятора тока, регулятора напряжения;

ІУі(р), ІУсір), ІУц(р), 1У„,(р), (Уосір), ІУ1№(р) - передаточные функции, соответственно, индуктивности и емкости фильтра, выпрямителя, инвертора, канала обратной связи по напряжению, нагрузки фазы ; БПК - блок преобразования координат; БН - блок нагрузки; АРВ - автоматический регулятор возбуждения;

Рь Шэд, Вщ, ШрО^, - соответственно, давление надувочного воздуха, заданная скорость вращения дизеля, скорость вращения турбонагнетателя, величины скорости вращения дизеля, соответственно, в каналах регуляторного и нагрузочного воздействий.

В соответствии со структурной схемой (рис. 3) в среде \latLab разработана имитационная модель ДГ установки переменной частоты вращения мощностью 95 кВт. С помощью модели имитировалось изменение тока нагрузки при заданном значении частоты вращения ДВС. Получены зависимости перемещения рейки топливного насоса, а также линейного напряжения статора СГ для значения совср нагрузки, равного 0,9 и частоты вращения вала ДВС. При набросе нагрузки на 50% кратковременные провалы выходного напряжения достигают 5%. Отметим, что частота выходного напряжения ДГ переменной частоты вращения неизменна по величине, что обеспечивается средствами автономного инвертора напряжения.

В третьей главе рассмотрены этапы создания устройства управления дизель-генераторной установкой переменной частоты вращения - задатчи-ка экономичного режима работы, который при отсутствии многопарамет-ровой характеристики автоматически вычисляет значение оптимальной частоты вращения для текущего значения мощности нагрузки в данный момент времени при условии меняющихся внешних и внутренних условий работы ДВС.

Произведен сопоставительный анализ вариантов реализации ЗЭР: на основе аналоговых и цифровых средств. Обоснована целесообразность построения ЗЭР с использованием нейросетевых принципов управления.

Важнейшее свойство искусственных нейронных сетей состоит в параллельной обработке информации одновременно всеми нейронами. Во многих ситуациях становится возможна обработка информации в реальном масштабе времени. Другое не менее важное свойство состоит в способности к обучению и обобщению полученных знаний, т. е. автонастройке на наилучшую аппроксимацию необходимой функции.

Структурная схема задатчика экономичного режима приведена на

Задатчик состоит из четырех основных элементов: контроллера обучения (КО), контроллера управления (КУ), ассоциативной памяти (АП) и памяти данных, которые объединены общей информационной шиной.

Анализируя показания датчиков расхода топлива ge и мощности электрической нагрузки Рдг, задатчик экономичного режима определяет задание на положение топливной рейки, соответствующее оптимальному расходу топлива.

рис. 4.

рдг\ Я.І °>лг

М і

Контроллер Ассоциативная управления память

'І - IV, 1 Контроллер обучения Память банных н' (Г.в

Рис. 4 Структурная схема задатчика экономичного режима

Аппаратная часть задатчика экономичного режима построена на основе ассоциативной вычислительной системы. Для построения ассоциативной памяти наиболее целесообразным представляется использовать тип нейронных сетей, известных как радиально-базисные нейронные сети, имеющих такие преимущества, как относительная простота и способность решать задачу аппроксимации табличной функции многих переменных, дополненной процедурой интерполяции (экстраполяции).

Структурная схема нейронной сети АП приведена на рис. 5.

¿а—1

0<(и)

і ы—г 0—,

Скрытый слой

Рис. 5 Структурная схема ассоциативной памяти задатчика экономичного режима Представленная структурная схема описывается следующей системой:

где Рнагр - текущее значение

1 // л 12 гнагр ' Кнорм

Хц ~ X¡2 - Рнс Х21=гк(1Гп-Хц+В1) Х22=ЧІОГі2-Х12 + В2) а>о,.т = ■ Х21 + №22 ' *22 + В1)

(5)

мощности нагрузки;

(Оопт - найденное значение оптимальной частоты вращения; Xи - соответственно,

сигналы и соответствующий ему весовой коэффициент; В¡— дополнительный вход и соответствующий ему весовой коэффициент, используемые для инициализацииу-го нейрона.

Для ассоциативной памяти в структурной схеме задатчика экономичного режима предусмотрен контроллер обучения, реализующий алгоритм обратного распространения ошибки.

В пакете МАТЬАВ разработана программная модель задатчика экономичного режима. В результате процесса обучения задатчиком была сформирована кривая зависимости оптимальной частоты вращения от мощности нагрузки (рис. 6), в соответствии с которой, при уменьшении тока нагрузки ДГ, например до 50%, частота вращения ДВС должна быть снижена до 0,82 (йнои.

0.1 С.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 С.й РнагрА*.

Рис. 6 Зависимость оптимальной частоты вращения от мощности нагрузки

Результаты моделирования (рис. 7) показывают, что применение ЗЭР в составе ДГ установки переменной частоты вращения (рис. 7, г) обеспечивает топливную экономичность работы (рис. 7, а) при незначительном ухудшении динамических показателей (продолжительность переходных процессов и величина перерегулирования) (рис. 7, в).

1.0 075

0.5 0.23 О

Ч • Г ' • ' • ' • • • • • 1 .....X •

Л L : 1

:

L^ :

о •

150 100 • 60 -о /

-Г

-Г

<00 зоо -200 -100 I

O.B 0.7 0.6 -o.sf.

04

u>0«

e r ' I...... t.....1

10 15 20 25 n 30 35 40 45 t,C

Рис. 7 Результаты моделирования системы ДГ переменной частоты вращения с ЗЭР а - траектория перемещения рейки топливного насоса h, мм; б - изменение частоты вращения дизеля со, рад/с; в - изменение амплитуды выходного напряжения Ucr, В ; г -управляющее воздействие ЗЭР, Н o.e.; д - циклограмма тока нагрузки 1имр, o.e.

В четвертой главе произведен расчет топливной экономичности электростанции на базе ДВС переменной частоты вращения. На основании результатов расчета построены сравнительные характеристики удельного и абсолютного расхода топлива для двух режимов работы: с регулированием частоты вращения ДВС в зависимости от мощности нагрузки (рис. 8, кривая 2) и с постоянной частотой вращения ДВС (рис. 8, кривая 1). Установлено, что в режиме регулирования частоты вращения ДВС экономия топлива меняется от 18,8% до 9,6% по удельному расходу, и от 37,3% до 15,0% по абсолютному расходу топлива, по сравнению с работой при постоянной частоте вращения ДВС.

Рис. 8 Зависимость расхода топлива ДВС от мощности нагрузки а - абсолютный расход топлива ДВС; б - удельный расход топлива ДВС

При помощи программного продукта «Project Expert 7.0» произведен расчет финансовой эффективности проекта ДГ установки переменной частоты вращения мощностью 95 кВт при ее работе с нагрузкой 70% от номинальной. Результаты расчетов приведены на рис. 9.

2000000 '5000QQ

600000 0

-5GOOOO -1000000

Рис. 9 Зависимость чистого дисконтируемого дохода от срока эксплуатации установки 1 - при текущей стоимости дизельного топлива; 2 - при увеличении стоимости дизельного топлива на 50%; 3 - при снижении стоимости дизельного топлива на 50%

Исследованы динамические режимы работы экспериментальной генераторной установки переменной частоты вращения (рис. 13) .На рис. 10 - 12 приведены осциллограммы тока нагрузки, а также напряжения

синхронного генератора. В начальный момент времени (рис. 10, 11) к инвертору напряжения подключена нагрузка Р = 1.0 кВт, со зір = 1, частота вращения ДВС соответствует 2200 об/мин. В момент времени ^ мощность нагрузки увеличивается до Р = 2.0 кВт. Провал напряжения компенсируется средствами статического преобразователя напряжения.

Я ' " ' * "

м- V.-, [><['.' СЬ«1М< МО""Л— А Ш

а ш а л Т і/ (і !і» І п « = "і' > м т

Рис. 10 Осциллограмма тока инвертора при набросе нагрузки Р = 1.0 кВт

Рис. 11 Выходное напряжение СГ при набросе нагрузки Р = 1.0 кВт (разгон ДВС до п = 2750 об/мин)

В момент времени Х2 задатчик экономичного режима регистрирует изменение нагрузки инвертора и производит разгон ДВС, воздействуя на дроссельную заслонку. Критерием окончания процесса является достижение напряжения СГ заданной величины (285 В амплитудной величины). В момент времени 13 переходный процесс заканчивается, частота вращения ДВС соответствует 2750 об/мин.

Осциллограмма напряжения инвертора приведена на рис. 12. Благодаря наличию в инверторе собственной системы стабилизации, провалов и всплесков в кривой выходного напряжения при изменении нагрузки не наблюдается.

Рис. 12 Выходное напряжение экспериментальной генераторной установки переменной частоты вращения

Рис. 13 Общий вид экспериментальной генераторной установки переменной частоты

вращения

В приложении приведены акты внедрения результатов диссертационной работы и документы авторского права.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В итоге проведенных исследований получены следующие основные результаты:

1. Обоснована целесообразность разработки и создания дизель-генераторных установок переменной частоты вращения, обеспечивающих генерирование электроэнергии при оптимальном (минимальном) расходе топлива двигателем внутреннего сгорания.

2. Предложена структурная схема дизель-генераторной установки переменной частоты вращения с задатчиком экономичного режима работы, обеспечивающая наиболее оптимальный, с точки зрения потребления топлива, режим работы за счет плавного регулирования частоты вращения двигателя внутреннего сгорания, в зависимости от мощности электрической нагрузки и в соответствии с многопараметровой характеристикой ДВС.

3. Разработана математическая модель дизель-генераторной установки, отличающаяся от известных тем, что для оптимизации расхода топлива ДВС работает при переменной частоте вращения.

4. Синтезированы функциональная и структурная схемы задатчика экономичного режима дизель-генераторной установки переменной частоты вращения с использованием средств искусственных нейронных сетей. Разработана имитационная модель ЗЭР, проведено моделирование процесса обучения ЗЭР и его работы в составе комплекса ДГ установки переменной частоты вращения.

5. Синтезирована САР дизель-генераторной установки переменной частоты вращения, которая содержит три канала управления: по формируемой с целью оптимального расхода топлива, частоте вращения ДВС и амплитуде и частоте выходного напряжения с целью стабилизации его параметров.

6. Произведен сравнительный анализ результатов моделирования динамических режимов работы ДГ установки переменной частоты вращения без и с использованием ЗЭР, который показал улучшение топливной экономичности установки при использовании ЗЭР с допустимым снижением динамических показателей (перерегулирование, время регулирования).

7. Определены экономические показатели (чистый дисконтированный доход, срок окупаемости) ДГ установки переменной частоты вращения. Проанализирована чувствительность экономических показателей к возможным изменениям цен на топливо и силовое электрооборудование.

8. Разработана и создана экспериментальная генераторная установка переменной частоты вращения мощностью 3,2 кВт на базе двигателя внутреннего сгорания, синхронного генератора и ПЧ со звеном постоянного тока.

9. Результаты выполненных исследований использованы в учебном процессе в Волжской государственной академии водного транспорта (г. Нижний Новгород) и Нижегородском государственном техническом университете (г. Нижний Новгород).

СТАТЬИ, ТЕЗИСЫ ДОКЛАДОВ И ПАТЕНТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации по перечню ВАК.

1. Поляков, И. С. Имитационная модель дизель-генераторной электростанции с переменной скоростью вращения на базе синхронного генератора. / И.С. Поляков, О.С. Хватов, А.Б. Дарьенков, В.В. Пшеничников // Эксплуатация морского транспорта. - Санкт-Петербург, - 2012. -№1, -С.61-67.

2. Поляков, И. С. Нейросетевой алгоритм системы управления топ-ливоподачей дизель-генератора переменной скорости вращения. / И.С. Поляков, О.С. Хватов, А.Б. Дарьенков // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. - Иваново. - 2013. - №3, -С.50-54.

Патенты и свидетельства о регистрации.

3. Решение о выдаче патента на изобретение РФ "Автономная электростанция переменного тока".заявка № 2011130747/07 (045392).

4. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №2013612312. Расчет динамических режимов дизель-генераторной электростанции переменной скорости вращения вала / О.С. Хватов, А.Б. Дарьенков, И.С. Поляков, заявители и правообладатели. Опуб.21.12.2013г. бюл. №1.

Остальные публикации.

5. Поляков, И. С. Модель задатчика экономичного режима работы дизель-генераторной установки переменной частоты вращения. / И.С. Поляков, О.С. Хватов, А.Б. Дарьенков // Материалы межвуз. НТК "Актуальные проблемы электроэнергетики". НГТУ. - Н.Новгород. - 2010. — С.65 - 69.

6. Поляков, И. С. Электротехнический комплекс генерирования электрической энергии на основе дизель-генераторной установки переменной частоты вращения с интеллектуальной системой управления. / И.С. Поляков, О.С. Хватов, А.Б. Дарьенков // Материалы международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии» ИСТ-2010. НГТУ. - Н.Новгород. — 2010.-С.404-406.

7. Поляков, И. С. Интеллектуальная система управления автономным дизель-генератором переменной частоты вращения. / И.С. Поляков, О.С. Хватов, А.Б. Дарьенков // Международный научно промышленный форум "Великие реки 2011". / Труды конгресса. ННГАСУ. -Н.Новгород.- 2011.-С.298 —301.

8. Поляков, И. С. Интеллектуальная система управления автономным дизель-генератором переменной скорости вращения. / И.С. Поляков, О.С. Хватов, А.Б. Дарьенков, О.И. Орлов // Материалы межвуз. НТК "Актуальные проблемы электроэнергетики". НГТУ. - Н.Новгород -2011. - С.23 — 28.

9. Поляков, И. С. Алгоритм работы самообучающейся системы управления автономным дизель-генератором переменной скорости вращения. / И.С. Поляков, О.С. Хватов, А.Б. Дарьенков // Международный научно промышленный форум "Великие реки 2012". / Труды конгресса. ННГАСУ. - Н.Новгород. - 2012. - С.292 - 295.

10. Поляков, И. С. Экспериментальная автономная генераторная установка переменной скорости вращения с интеллектуальной системой управления. / И.С. Поляков, О.С. Хватов, А.Б. Дарьенков // XI Международная молодежная НТК "Будущее технической науки 2012". НГТУ. -Н.Новгород. - 2012.-С.59.

11. Поляков, И. С. . Интеллектуальный алгоритм управления экспериментальной автономной генераторной установкой переменной скорости вращения./ И.С. Поляков, О.С. Хватов, А.Б. Дарьенков // Материалы международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии» ИСТ-2013. НГТУ. - Н.Новгород. - 2013 -С.422 - 424.

12. Поляков, И. С. Автономная генераторная установка переменной скорости вращения с интеллектуальной системой управления, обеспечивающей экономичный режим ее работы. / И.С. Поляков, О.С. Хватов, А.Б. Дарьенков // Международный научно промышленный форум "Великие реки 2013". / Труды конгресса. ННГАСУ. - Н.Новгород. - 2013. - С.294 - 296.

Личный вклад соискателя. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат математические модели (1,2,5,11), алгоритмы работы (3,4,7,9), обобщение результатов (1,6,8,12).

Заказное. Подписано в печать 14.11.2013. Формат 60x90/16 Бумага для множительных аппаратов. Печать трафаретная Гарнитура «Тайме» Усл.печ.л. 1,0. Уч.-изд.л. 0,9 Тираж 100 экз. Заказ № 609

Отпечатано в типографии ОАО «Алтэкс» г. Нижний Новгород, ул. Новая, д. 36

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФФЕСИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ВОЛЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА

На правах рукописи

04201455678

Поляков Иван Сергеевич

Дизель - генераторная установка переменной частоты вращения

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Хватов О.С.

Нижний Новгород 2013 г.

Сокращения, принятые в работе:

ДВС - двигатель внутреннего сгорания;

ДГПЧВ - дизель-генератор переменной частоты вращения;

ДУ - дизельная установка;

СГ - синхронный генератор;

АГ - асинхронный генератор;

ПЧ - преобразователь частоты;

БН - блок нагрузки;

ДГ - дизель-генератор;

САР - система автоматического регулирования.

АИН - автономный инвертор напряжения;

У В - управляемый выпрямитель;

АРВ - автоматический регулятор возбуждения;

ЗЭР - задатчик экономичного режима;

ИНС - искусственная нейронная сеть;

АП - ассоциативная память.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................... 5

Глава 1. ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ И ВАРИАНТЫ ДИЗЕЛЬ -ГЕНЕРАТОРНЫХ УСТАНОВОК ПЕРЕМЕННОЙ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ........................................................................................ 10

1.1 Обоснование применения дизель-генераторных установок переменной частоты вращения............................................................ 10

1.2 Варианты генераторных установок переменной частоты вращения..................................................................................................................................................................14

1.3 Дизель-генераторная установка с задатчиком экономичного режима................................................................................................... 29

Выводы.................................................................................................................. 34

Глава 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИЗЕЛЬ

ГЕНЕРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ ПЕРЕМЕННОЙ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ....................................................................................... 35

2.1 Математическая модель дизельной установки................................ 35

2.2 Математическая модель синхронного генератора........................... 46

2.3 Математическая модель преобразователя частоты......................... 54

2.4 Математическая модель нагрузки..................................................... 57

2.5 Математическая модель дизель-генераторной установки переменной частоты вращения........................................................... 59

Выводы................................................................................................................... 67

Глава 3. РАЗРАБОТКА ЗАДАТЧИКА ЭКОНОМИЧНОГО РЕЖИМА ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ ПЕРЕМЕННОЙ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ.................................................................... 68

3.1 Функциональная схема задатчика экономичного режима............. 68

3.2 Варианты реализации задатчика экономичного режима................ 70

3.2.1 Задатчик экономичного режима на основе аналоговых

средств...................................................................................... 70

3.2.2 Задатчик экономичного режима на основе цифровых 71 средств.....................................................................................

3.2.3 Задатчик экономичного режима на основе нейросетевых

принципов управления........................................................... 73

3.3 Структурная схема и алгоритм работы задатчика экономичного режима.................................................................................................. 77

3.4 Математическая модель задатчика экономичного режима и динамические режимы дизель-генератора с переменной частотой вращения вала...................................................................................... 83

3.4.1 Математическая модель задатчика экономичного режима 83

3.4.2 Динамические режимы работы дизель-генераторной установки с задатчиком экономичного режима................... 96

Выводы................................................................................................................... 100

Глава 4. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ, РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ ПЕРЕМЕННОЙ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ........................................................................................ 101

4.1 Определение экономических показателей дизель-генераторной установки переменной частоты вращения........................................ 101

4.2 Функциональная и структурная схемы экспериментальной установки дизель-генераторной установки переменной частоты вращения............................................................................................... 106

4.3 Расчет и выбор элементов электрооборудования экспериментальной установки........................................................... 110

4.4 Экспериментальное исследование динамических режимов

работы генераторной установки переменной частоты вращения 128

Выводы................................................................................................................... 134

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................................... 136

ЛИТЕРАТУРА....................................................................................................... 138

ПРИЛОЖЕНИЕ..................................................................................................... 149

ВВЕДЕНИЕ

Более 10 млн. человек в России получают электроэнергию от автономных установок типа "двигатель внутреннего сгорания - генератор". В качестве генератора, как правило, используется синхронная машина. Количество данных ДГ установок составляет порядка 50 тыс. штук, суммарной мощностью 17 млн. кВт с выработкой электроэнергии около 50 млрд. кВт-ч в год, для чего необходимо около 6 млн. т условного топлива. Доставка топлива, особенно в северные регионы России, сопряжена с известными трудностями, а иногда из-за погодных условий невозможна.

Существующие дизель-генераторы работают с постоянной (номинальной) частотой вращения вала во всем диапазоне изменения нагрузки. Однако, работа двигателя внутреннего сгорания при постоянной частоте вращения, но при переменной нагрузке характеризуется неоптимальным расходом топлива, т.е. пониженным КПД. Следовательно, разработка и создание дизель-генераторной установки, работающей при переменной, в зависимости от нагрузки генератора, частоте вращения приводного ДВС, обеспечивающей таким образом существенную экономию топлива (до 20%), является актуальной народно-хозяйственной задачей.

Исследование и разработка дизель-генераторных установок переменной частоты вращения является относительно новым техническим направлением в малой энергетике. Работы в данной области проводятся за рубежом фирмами Fubag, Honda, Hyuntai, Курог и др. Известны исследования по данной тематике и в России - ВНИИЭ (г. Москва), ОАО "Звезда" (г.Санкт-Петербург), ОАО "Сигма" (г. Ковров), Волжская государственная академия водного транспорта (ВГАВТ) и Нижегородский государственный технический университет (НГТУ) (г. Н.Новгород). Перечень отечественных и зарубежных научных публикаций, посвященных данной тематике достаточно мал. Анализ показал, что особенно это относится к исследованиям динамических режимов работы, разработке математической модели объекта (дизель-генератора с переменной частотой вращения вала), синтезу системы регулирования дизель-генератора с переменной частотой вращения вала.

С учетом вышеизложенного, целью диссертационной работы является исследование и создание дизель-генераторной установки переменной частоты вращения на базе синхронного генератора и преобразователя частоты со звеном постоянного тока, обеспечивающей минимальный удельный расход топлива при изменяющейся нагрузке.

Цель определяет следующие задачи исследования:

- обоснование применения дизель-генераторной установки переменной частоты вращения;

- разработка математической модели дизель-генераторной установки переменной частоты вращения на основе синхронного генератора и преобразователя частоты со звеном постоянного тока;

- синтез структуры и параметров задатчика экономичного режима;

- разработка САР дизель-генераторной установки переменной частоты вращения;

- создание экспериментального образца генераторной установки переменной частоты вращения мощностью 3,2 кВт.

Диссертационная работа выполнялась в рамках:

- НИР по теме "Разработка требований к судовым дизель-генераторным установкам с переменной скоростью вращения" № Р11 4/12 между ВГАВТ и Российским Речным Регистром.

Научная новизна.

1. Разработана математическая модель дизель-генераторной установки, отличающаяся от известных работой при переменной частоте вращения с целью минимизации расхода топлива.

2. Впервые разработана структура задатчика экономичного режима работы нейросетевого типа дизель-генераторной установки переменной частоты вращения.

3. Синтезирована трехканальная САР дизель-генераторной установки переменной частоты вращения.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в:

- разработке комплекса программ имитационного моделирования режимов дизель-генераторной установки переменной частоты вращения в пакете MatLab Simulink, позволяющих исследовать динамические режимы работы с учетом величины, характера нагрузки, и формируемой с целью минимизации расхода топлива, скоростной характеристики приводного двигателя;

- разработке алгоритмов обучения, а так же компьютерных программ имитационного моделирования задатчика экономичного режима нейросетевого принципа действия;

- создании опытного образца генераторной установки переменной частоты вращения с задатчиком экономичного режима, мощностью 3,2 кВт.

Реализация результатов работы:

Результаты работы были использованы:

- в НИР по теме "Разработка требований к судовым дизель-генераторным установкам с переменной скоростью вращения" № Р11 4/12 между ВГАВТ и Российским Речным Регистром;

- в учебном процессе при подготовке в Волжской государственной академии водного транспорта (ВГАВТ) (г.Н.Новгород) инженеров специальности 24.06.00 "Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики" по дисциплине "Основы судового электропривода" в разделах "Статистические и динамические режимы судового электропривода переменного тока с полупроводниковыми преобразователями", по дисциплине "Моделирование судового электрооборудования и средств автоматизации" в разделе "Судовой автоматизированный электропривод переменного тока" (асинхронные вентильные каскады и машины двойного питания); в курсовом и диплом проектировании;

- в учебном процессе Нижегородского государственного технического университета (г.Н.Новгород) при подготовке магистров по направлению 140400.68 "Электроэнергетика и электротехника" по дисциплинам "Энергетические системы автономных объектов", "Микропроцессорные системы управления автономных объектов".

В работе автор защищает:

1. математическую модель дизель-генераторной установки переменной частоты вращения на основе синхронного генератора и преобразователя частоты со звеном постоянного тока;

2. математическую модель и алгоритм обучения задатчика экономичного режима нейросетевого типа;

3. структуру САР дизель-генераторной установки переменной частоты вращения с задатчиком экономичного режима.

Публикации и апробация работы:

По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 2 работы в журналах, реферируемых ВАК. Получено положительное решение о выдаче патента на изобретение РФ, а также свидетельство о регистрации программы для ЭВМ. Основные положения, результаты и выводы диссертационной работы были доложены и обсуждены на следующих научно-технических конференциях:

- международный научно-промышленный форум "Великие реки". Н.Новгород, ННГАСУ 2011-2013;

- XI Всероссийская молодежная научно-техническая конференция "Будущее технической науки". Н.Новгород, НГТУ, 2012;

- ежегодная региональная научно-техническая конференция "Актуальные проблемы электроэнергетики". Н.Новгород, НГТУ, 20102012;

- международная научно-техническая конференция "Информационные системы и технологии ИСТ". Н.Новгород, НГТУ, 2010, 2013.

Объем и структура работы:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы из 120 наименований. Основная часть изложена на 155 страницах, содержит 80 рисунков и 2 таблицы.

Глава 1. ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ И ВАРИАНТЫ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРНЫХ УСТАНОВОК ПЕРЕМЕННОЙ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ

1.1 Обоснование применения дизель-генераторных электростанций переменной частоты вращения

Системы дизель-генераторных установок обычно выполняются по схеме, представленной на рисунке 1.1. В такой схеме присутствуют две системы автоматического управления: частотой вращения ДВС и напряжением генератора. Назначение первой автоматической системы - стабилизация частоты вращения ДВС, назначение второй - стабилизация выходного напряжения генератора [24,108].

ДВС вращает вал генератора. Частота и амплитуда выходного напряжения СГ пропорциональна частоте вращения его ротора. Амплитуда выходного напряжения СГ также зависит от тока возбуждения. Регулятор частоты вращения воздействуя на органы управления ДВС, поддерживает постоянной частоту вращения вала дизеля и тем самым обеспечивает стабилизацию частоты выходного напряжения во всех режимах работы. Регулятор напряжения путем воздействия на ток возбуждения генератора поддерживает значение выходного напряжения близким к заданному при всех допустимых нагрузках. Благодаря относительной простоте подобные установки нашли широкое применение как в России, так и за рубежом.

Рис. 1.1 Классическая схема ДГ электростанции

Однако данная схема имеет два недостатка:

- необходимость работы при постоянной частоте вращения вынуждает отказываться от режимов, обеспечивающих уменьшение расхода топлива и увеличивающих срок службы ДВС;

- при нагрузке менее 20% от номинальной при сохранении постоянной скорости вращения ДВС длительно эксплуатировать нельзя, так как при этом происходит закоксовывание цилиндров;

Для устранения отмеченных недостатков необходимо создать источник электроэнергии, вырабатывающий напряжение стабильной частоты и стабильной амплитуды при обеспечении регулирования частоты вращения вала

Две.

Автономные электростанции выпускаются на базе бензиновых, дизельных или газовых ДВС. Бензиновые электростанции применяются для бытовых нужд, строительных и аварийно-восстановительных работ, для аварийного и резервного электроснабжения. Дизельные электростанции применяются для тех же целей, что и бензиновые, а также для электроснабжения таких автономных объектов, как речные и морские суда. Газовые электростанции работают на пропанобутановых смесях, природном или промышленном газе. В качестве электрического генератора в составе ДГ применяются, как правило, генераторы синхронного типа, реже - асинхронные генераторы [3, 50, 60].

При постоянной частоте вращения основные показатели дизеля (расход топлива, эффективный и механический КПД и др.) можно оценивать в зависимости от одного из показателей, отражающих нагрузку на его валу. Таким показателем может быть эффективная мощность Ые (рисунок 1.2) [23,52]. Из рисунка 1.2, на котором представлена нагрузочная характеристика дизеля, видно, что кривая расхода топлива ge имеет выраженный минимум при частичной загрузке двигателя. Таким образом, дизель, работая при постоянной скорости вращения, но при переменной нагрузке (как это обычно бывает) в основном работает с неоптимальным расходом топлива (с неоптимальным КПД).

ёе,г/кВгч

Рис. 1.2 Нагрузочная характеристика дизеля (л=сопз1;)

Автономные ДГ работают, как правило, на долевых режимах с нагрузкой в диапазоне от 30 до 70% номинальной. Для выбора экономичного режима работы дизеля, работающего при изменяющейся нагрузке, удобно использовать его многопараметровую характеристику. Многопараметровая характеристика дизеля строится в системе, в которой координатами служат два основных показателя его работы, при различных значениях третьего, используемого в качестве параметра и остающегося постоянным для каждой из кривых [92].

На многопараметровой характеристике, представленной на рисунке 1.3, штрихпунктирной линией показана зависимость эффективного давления ре и эффективной мощности Ые от частоты вращения вала дизеля при наименьшем удельном расходе топлива ge.

Ре,МПа №,кВт-ч

Рис. 1.3 Многопараметровая характеристика дизеля

Как видно из рисунка 1.3, при изменяющейся нагрузке для обеспечения экономичного режима работы дизеля необходима его работа при переменной частоте вращения. При этом, приводимый во вращение дизелем СГ будет вырабатывать напряжение переменной частоты и которое, как правило, будет ниже номинального значения. Выполнение требования стабильности частоты и амплитуды выходного напряжения установки ДГ при переменной частоте вращения вала требует нового подхода к построению автоматизированной ДГ электростанции. Система регулирования ДГ переменной частоты вращения должна содержать в своем составе устройство выбора оптимальной (с точки зрения потребления топлива) скорости вращения вала ДВС в зависимости от величины мощности нагрузки. Такое устройство также должно учитывать марку топлива и меняющиеся с течением времени рабочие параметры ДВС.

Исследования показывают, что уменьшение скорости вращения вала ДГ при снижении нагрузки позволяет сократить удельный расход топлива, а также обеспечить сн�