автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Эксплуатационные нагрузочные режимы ГЭУ с отбором мощности судов активного ледового плавания

ГОСУДАРСТВЕННАЯ МОРСКАЯ АКАДЕМИЯ ИМЕНИ АДМИРАЛА С.О.МАКАРОВА

На правах рукописи

ИВАНОВ ВЛАДИМИР СЕРГЕЕВИЧ

УДК 629.12.064:621.311

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ НАГРУЗОЧНЫЕ РЕЖИМЫ ГЭУ С ОТБОРОМ МОЩНОСТИ СУДОВ АКТИВНОГО ЛЕДОВОГО ПЛАВАНИЯ

Специальность: 05.09.03 — Электротехнические комплексы и , системы, включая их упрапление и регулирование

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических

наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1991

Работа выполнена в Государственной морской академии имени адмирала С.О.Макарова. Научный руководитель -

кандидат технических наук доцент США£В U.A. Официальные опоненты:

доктор технических наук профессор Недялков К.В. кандидат технических наук доцент 'Гитар A.C. Ведущая организация - Центральное конструкторское бюро "Айсберг".

Защита состоится " " 199£ г. в У/™

часов на заседании специализированного совета Д 101.02.01 по присуждении ученой степени кандидата технических наук в Государственной морской акадешш икени адкирала С.0.Макарова по адресу: 199026 г. Ленинград, Косая линия. д.15-а, ГМА.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печать», просим направлять ученому секретарю специализированного совета по вышеукааанному адресу.

Автореферат разослан " W. " ..... 1992 г.

Ученый секретарь специализированного Совета доктор технических наук

Н.Е.Жадобин

„ " ощля харлкгьр.клмка рабс/ш

ШШ. Основными направлениями экономического и юциального развития СССР на период до 2000 года предусматривает-:я обеспечение круглогодичной навигации в западней части Северно-•о »юрского пути и своевременной доставки необходимых грузов в >айоны Крайнего Севера и Дальнего Бостона, Основой выполнения 'Той задачи является надежная и экономичная работа в сложных лиевых условиях судов активного ледового плавания (СЛЛ11), под ко-орыми подразумеваются линейные, портовые ледоколы, трансиорт-ые суда.

За последние годы значительно увеличилось число СЛЛ11, которых мощность главных генераторных агрегатов (ГА) использу-тся как для целей влвктродвижения, так и для питания общесудо-ых электропотребителей (0Э11). При этом отбор мощности осущест-ляется либо от первичных двигателей (ЦЦ) через навешенные гене-вторы, либо от шин электродвижения, так называемые гребные лектрические установки (ГЭУ) с единой электростанцией (ЕЭС), гбор мощности на ОЭП позволяет повысить надежность и экономичность х работы.

С ростом мощности энергетических установок САЛГ существенно заросло время непрерывного поступательного движения во льдах начительной толщины и время работы мощных 0У11 (электрокомнрессо-л пнеьмообмыва, буксирные лебедки и т.п.). Переменная нагрузка врвичных двигателей (1Щ), вызываемая переменной нагрузкой ГЭУ 0311, приводит к понижению надежности, экономичности 1Щ, к ухуд-анию экологических показателей, а также - к недоиспользованию гганивленной мощности уотановки, что, в свои очередь, снижает роизводительность САШ1.

До настоящего времени задача оптимизации нагрузочных режиме 1Щ в ГЭУ с отбором мощности САЛ11 не иолуч.,.ш однозначного ¿шышя, является важной и актуальной задачей и требует смициаль-исследований.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Целью работы является исследовании возможности >вышения стабилизации нагрузки первичных двигатилей САЛ11 с 1 'ЗУ отбором мощности. Для достижения поставленной цели необходимо шить следующие задачи:

- выполнить исследования характера нагрузки 1оД и ОУ11 н ус-шовившихся режимах и при взаимодействии гребного ыинта со .дом (ВГШ1);

- оценить существующие способы управления ГЭУ и чспомога-тельной электростанцией и найти оптимальный закон управления и режиме установившегося движения во льдах;

- разработать математические модели нагрузочных процессов ГОД и 0Э11 и модель переключения нагрузочных режимов в ГЗУ с отбором мощности;

- провести анализ потребителей-регуляторов нагрузки в ГЭУ с отбором мощности и разработать мотдики выбора основных параметров накопителей энергии;

- выполнить синтез оптимального регулятора мощности 1ЭД и его экспериментальные исследования.

МЕТОДЫ ИССЛЭДСВАНИП. В процессе экспериментальных исследований нагрузочных режимов работы ГЭУ и ОЭП ряда САШ из электромеханических журналов выполнены сбор и обработка статистических данных по потребляемой мощности ГОД и ОЭП. Получены осциллограммы основных параметроь ГЭУ при различных ледовых условиях, запись производилась посредством свотолучового осциллогра/^а 1С12-22, Обработка данных по нагрузочным режимам с целью определения их статистических характеристик и законов распределения провидона на ЭВМ ЕС с использованием прикладного математического обеспечения, Аппроксимация корреляционных функции илюлнеиа методом наименьших квадратов. Определение выравненных графиков нагр.уэки ген« раторных агрегатов (ГА) при использовании накопителя энергии (НЭ) Различной энергоемкости и заданных уроьнях стабилизации проведши н& ЭЬЫ на базе разработанного алгоригма.

Оптимизация режимов работы ГЭУ и синтез оптимального регулятора мощности ГЭД осуществлены вариационными методами теории оптимального управления.

Для исследования точности стабилизации мощности ГА 1*ЭУ двойного рода тока с ЕЭС при различных алгоритмах рогули рошния использована линеаризованная математическая модель, полученная путем структурных преобразований на основе направленных градов и математическое моделирование на аналоговой вычислительной мавнсе АШ-1Ш. Про» едены судовые испытания разработанного блока корреция мощное1 и ГЭД >ш д/э типа "Сахалин".

НОВЫЕ НАУЧ11Ш£ РЕШЬТА"Ш И ОСНОВНЫЕ ПОЛОДШЯ, ШЛШШК НА ЗАЩИТУ. В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты, которые выносятся на защиту:

- выполнены исследования нагрузочных режимов ГЭД при взаимодействии гребного винта со льдом и ОЭП ряда САМ и получены со-отййтстьушие математические модели;

- обосновина модель процесса переключения нагрузочных ;хим » виде дискретно-непрерывной марковской модели;

- определен оптимальный закон управления ГЭД при работе во 1ьдах при критерии эффективности в виде удельных затрат энергии m движение судна и провидено количественное сопоставление двух :пособор управления " Ргэд , ГКгд - const " при различных воз-¿ущающих воздействиях ледоього момента;

- разработаны методики расчета основных параметров и топ-швной составляющей экономической эффективности накопителей шергии, стабилизирующих нагрузку ГА;

- разработаны перспективные схемы 1'ЗУ с отбором мощности : использованием потребителей-регуляторов;

- разработан оптимальный регулмтор мощности ГЭД для ГЭУ ^резонно-постоянного тока с ЕЭС и получены результаты вычислительного эксперимента на математической модели по оценке качест-)о его работы.

Ш'АКТИЧЬСКЛН ЦЕННОСТЬ. Разработанные математические модели ютребляекой мощности ГЭД при работе во льдах и мощности 0Э11, юдель переключения нигрузочных схем ГЭУ с отбором мощности, )8эреботанныи схемы 1'ЗУ с отбором мощности, облвдаящие расширен-1ыки функциональными возможностями, схемы с потребителлми-регу-1яторами, методика выборп основных параметров накопителя энер-■ии, алгоритм и программа расчета выравненных грьфиков нагрузки 'А, методика расчете топливной составляющей эффективности исполь-ювания 11Э - voryr быть использованы при модернизации зкеплузти-)уемых и проектировании новых 1'ЗУ с отбором мощности.

»Использование методики выбора нагрузочной схемы и соответ-¡твующей ей мощности ГЭД и ОЭН по критерию максимальной энерго-шработки позволит определить эксплуатационный настроечный нагрузочный режим 1ЭУс с отбором мощности.

Оснащение 1'ЗУ с отбором мощности оптимальным регулятором мощности ГЗД, разработанным в диссертации, позволяет поьыемть :гепень стабилизации нагрузки Щ в условиях ВГВЛ и переменной |ягрузке ОЭН.

ЫВД'ШИК РИШьТАТОЬ РАБОТЫ. Результаты диссертационного 1сследо»ания использованы при выполнении научно-исследояатель-:ких работ 3/Н » 7 ЛВ1«У I» ГР 0183004364В), # 1102 ЛВМУ » ГР 0Ib!4XX>4VI3), » 1274 JiBrfAy (* ГР 01ВС00оь269), » 1293 1Н»ЫУ (» IV 0Ьо0096416), » 1Ь32 ЛВИКУ (» IP 019000ПЬШ), принты к внедрению Сахалинским морским пароходством и Балтийским

морским пароходством при модержзации соответственно ¡'ЗУ д/э типе "Сахалин" и ГЗУ л/к "Капитан М.Измайлов". Оптимальный регулятор мощности ГЭД и методика периодической поднастройки САР ГЭУ приняты к внедрение Сах. МП, подтвержденный годовой экономический эффект на одно судно составил 47,2 тыс.руб. На устройствс регулирования мощности получено авторское свидетельство СССР М 149-7110. Ряд технических решений по стабилизации мощности 1Щ посредством программного управления ГЭД носового и кормового контуров и общесудовых электропотребителей, защищенные авторскими свидетельствами СССР # 1221059, * 1393715, » 1432720, № 1ЬООЬ4Ь, позволяет повысить эффективность работы ГЭУ д/э типа "Сахалин", ожидаемый суммарный годовой экономический эффект на одно судно составляет 60 тыс. рублей.

Разработанные схемы ГЭУ с отбором мощности с применением № копителей энергии разных типов учитываются заинтересованными организациями при разработке перспективных систем электродвижения САЛ11. Так разработанная судовая энергетическая установка со сверхпроводниковык накопителем энергии (положительное решение Ы1.1ИП1Э, по заявке » 4517329/27-11) используется с 19Ь9 года в научно-исследовательской'работе В11ИЮМ.

Методики расчета параметров на.-сопителей энергии, составляющих экономической эффективности их использования, программа определения выравненных графиков нагрузки ГА с использованием накопителей энергии на ЭВМ внедрены в учебный процесс ЛВШУ им. аду., С.О.Макарова в курсовом и дипломном проектировании.

Л11]\)БЛЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и результаты работы доложены на научно-технической конференции ЛБНТОВТ "Экономия топливно-энерегтических ресурсов" 19ВЗ г.), на заседаниях секции электрооборудования судов ЛБНТ0ЬТ(1968, 19Ь9 гг.), на науч-нотехнических конференциях профессорско-преподавательского состава Л8НМЧим.8дк.С.0.Макарова в 19В2-1990 гг.

[1УБЛЖАЦИИ. Основные научные результаты, полученные в дис-сертвциии, опубликованы в девяти статьях (из них семь в соавторстве) и шестнадцати авторских свидетельствах (из них четырнадцать в соавторстве), перечень которых приведен в списке литературы к автореферату.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ.РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, перечня использованной литературы и приложения. Изложена на 168 страницах машинописного текста, зключаег 63 страницы рисунков, 14 страниц таблиц и библиографию из 172 наименований. Объем приложений составляет 146 страниц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дан анализ вопроса и опубликованных робот, обос-пованы актуальность темы, её логическое построение и сформулиро-заны задачи, решаемые в диссертационной работе.

В первой главе проведен сравнительный анализ схемных реше-шй 1"ЭУ с отбором мощности на ОЭП САЛГ1, которые можно классифи-дировать по типу ГЭУ, способу отбора мощности и типу агрегатов питания ОЭП. Перспективными установками с высокими технико-эксплуатационными, технико-экономическими показателями являются "ЗУ переменно-переменного тока с преобразователем частоты цик-юконвертного типа в главной цепи и синхронным ГЭД с отбором мощности от шин электродвижения через трансформаторы, снабженные фильтрами высших гармоник. Для ряда САДЛ проводится регрессион-1ЫЙ анализ по определению зависимости установленной мощности )ЭП от мощности ГЭД. Получена эмпирическая линейная корреляцион-1ая зависимость вида: Роэпх - 0,472 Рг>р,£ , показывающая :оизкеримость нагрузок ОЭП и ГЭД.

Выполнен анализ материалов по эксплуатационным нагрузочным эехимак ГЭД и ОЭП в установившихся режимах работы ГЭУ по материалам вахтенных электромеханических журналов. Для оценки на-'рузочных режимов ГЭД при 13ГВЛ были проведены многочисленные «турные испытания, в большинстве из которых автор являлся исполнителем и осуществлена обработка осциллограмм основных параметров ГЭУ. Для анализа были взяты установка а/л типа "Арктика", \гш отбор мощности осуществляется от ядерной паролроизводящей гстановки (Н1В1У) и имеется вспомогательная электростанция, д/э рипа "Сахалин" - отбор мощности посредством навешенных генераторов, л/к типа "Капитан М.Измайлов" - отбор мощности от шин £ЭС через электромашинные греобразователи. Получены статистические характеристики нагрузочных процессов ГЗД и ОЭП в установившихся режимах работы в виде значений оценок математического )жидания, дисперсии, коэффициента вариации, коэффициента аекк-¿етрии, коэффициента эксцесса, коэффициент» загрузни ИД. Лока-

зяно, что коо<]фициент загрузки ГЩ увеличивается по мере по вылепил установленной мощности частичного режима.

Проведен вероятностный анализ квяэиустановившихся нагрузочных процессов ГЭД при ВГВЛ, получены оц нки значений математических ожиданий и корреляционных функция (pic. I). Проведенная проверка показывает, что эти процессы - стационорпыо, эргодические с нормальным распределением. Показано, что степень стабилизации нагрузки ГЭД при способе управления "^jcortst. «f выраженная в виде коэффициента вариации, определяется не только ледовым моментом сопротивления, но также типом системы автоматического регулирования (САР) ГЭУ, видок статической механической характеристики 1 ЭД. Наибольшая стабилизация нагрузки ГЭД достигается при использовании полупроводниковой САР с последовательной коррекцией. Проведена аппроксимация нормированной корреляционной функци потребляемой мощности ГЭД при ЫНЛ сказанной син^соидельно-коси-пусоидальной зависимостью: Janp(i)~& 5in./>t )

(рис. I). Получена модель потребляемой мощности^ГЭД при^ВГВЛ в виде последовательности импульсов: Рг»д(0*4 Sln^t

где: ¿и««- ) (5рг.а (рис.1). Интегральная

оценка точности модели равна 79£. Учитывая, что расчетный критический уровень момента сопротивления при ВГВЛ равен 2, ГЭУ при способе управления " P.^const." 3035 времени работает в режиме ограничения момента ("Mr*"const").

Вероятностный анализ нагрузочного процесса ОЭЛ показывает, что распределение нагрузки ОЭИ описывается норкельнык законом, при этом математическое ожидание зависит от схемы ГЭУ, а дисперсия является однородной при всех схемах ГЭУ. За математическую модель случайного нагрузочного процесса J03I1 принимается последовательность импульсов «и 0. , га* 6pw

Анализ эксплуатационных нагрузочных режимов ГЭУ с отбором мощности на ОЭП показывает, что смена нагрузочных режимов происходит случайным образок. Для 1ЭУ САЛП время работы при определенной нагрузочной схеме до переключения с этой схемы нп другую описывается как экспоненциальным, так и усеченным нормальным законом в зависимости от условий эксплуатации. Для САЛП, сравнительно длительное время находящихся в непрерывной эксплуатации (ледоколы), время работы при определенной нагрузочной схеме до переключения на другую описывается икспоненциальшк распределением, параметр которого зависит от последующей нагрузочной схемы.

о,» с> о.* и и 1.ь г.* 2.ч г.1 д» >> зь 1» Ч,с

Рис.1. Реализации потребляемой иоишости 1ЭД при

ВГШ1, её автокорреляционная функция и модель

Рис.И Размеченный г\)аф переходов маркивокоИ модели нагрузки.

В это« случае процесс переключения нагрузочных схем можно представить математической моделью в виде цели Маркова, которая задается вектором начального распределения, вектором параметров экспоненциального распределения промежутков времени пребывания в данном состоянии, а твкже матрицей переходных вероятностей. Нагрузочный процесс определенного состояния задается математическим ожиданием и автокорреляционной функцией. На рис. 2 представлен размеченный граф переходов марковской модели нагрузочных режимов. Значения предельных вероятностей состояний определяются из решения системы уравнений:

а

Е ~ Р. ЕДч =0

,¡4 * '

Р, ] (I)

Они могут быть использованы при оценке качества функционирования электроэнергетической установки.

Во второй главе приведены основные теоретические положения методик оптимизации способов управления судовой электроэнергетической установкой при различных критериях эффективности. Задача выбора оптимального способа управления 1'ЭУс отбором мощности на ОЭ11 СМИ окончательно не решена. Сложность решения объясняется разнообразием режимов работы судна, отсутствием единого подхода к оценке эффективности способа управления. Был вЗят за основу интегральный критерий эффективности, предложенный Гликиным Б.А., с целью оптимальной комплектации судовой электростанции вида:

' г

р.,

4 ГЭП1 «як

(2)

Данный критерий обеспечивает заданный нагрузочный режим минимальным числом генераторных агрегатов при наибольшей величине их загрузки, а также обеспечивает в условиях заданного режима нагрузки минимум суммарной мощности принудительно отключаемых электропотребителей. С учетом этого критерия предложен алгоритм ограничения мощности ГЭД в зависимости от схемы ГУУ, с учетом вероятностных характеристик нагрузочного процесса ОЭН и заданной

вероятности бесперебойного электроснабжения 1ЭД. В случав нвл»*-чия соответствующих навигационных условий предложено следящее /правление ГЭД в функции реальной нагрузки ОЭ11, а в случае мно-говальных установок - программное управление 1'ЭД разных контуров, с целью более полной загрузки ГА.

Определен закон управления ГЭУ САЛ11, обеспечивающий \синиуум значения критерия эффективности в виде функционала показателей: производительности судна (А), полезных затрат энергии ( V*/ ):

3mcn = fi-m т J V ^

(з)

Т-» ~> о

Вариационными методами теории оптимального управления определена [ункция И ,ч » i доставляющая минимум критерию удель-

1ых затрат энергии на движение судна при ВГНП. При подстановке зместо 4(t) функции-представителя ледового момента сопротив-1ения показано, что в данном случае необходимо обеспечивать за-<он управления "fri*~const. т.е. минимизация критерия (3) юстигае^я на экстремали постоянства мощности ГЭД. В практике жеплуатации ГЭУ CAJ1I1 получили распространение как способ управ-1ения " Pr»» -const..'', так-и " П'т-const.", последний - при >пределенных навигационных условиях: при проводке каравана и жолке судов, когда требуется достаточно точно поддерживать шределеиное расстояние между судаки. Для этих двух способов гправления ¡'ЭУ определены выражения, сопоставляющие производительность судна, полезных затрат энергии и потерь при ледовом юзкущамцек воздействии с различными параметрами:

л' _!_ - *■ _ hi. ~dF^Pr

1.Р-.

1 * — 1 q

2<(Г

tf+Jb1

Эр. 1 ZfiK*/*)

(4)

<ofi'

3 P ' 21Г V 4a

( ^ -

\ jSV

Экономичность способа управления " Р-сопьЪ' увеличивается по мере увеличения среднеквадратического отклонения & и равен стве и .

Очевидно, что вид критерия эффективности определяет свой способ управления установкой, при которой обеспечивается локаль ный оптимум, причем способы эти - взаимоисключающие. Глобальный оптимум будет иметь место в случав одновременной реализации всех локальных оптимумов, что может быть обеспечено только вводом вспомогательной подсистемы: электропотребителя - регулятора нагрузки.

Для расчета оптимальной структуры регулятора, реализующего требуемый способ управления, разработана методика определения настроечного нагрузочного режима ГЭУ с отбором мощности на ОЭП (количество ГА и АП и соответствующие им уровни мощности 1ЭД и ОЭЛ) по критерию максимальной энерговыработки на базе раз работанной математической модели переключении нагрузочных схем.

Разработаны схемы ГЭУ с отбором мощности на ОЭЛ, обладаици! расширенными функциональными возможностями.

В третьей главе оценивается повышение стабилизации нагрузки Щ для случая Г'ЭУс отбором мощности на ОЭП в отличие от авто номной работы ГЭУ и ОЭП,а в случае многовальных ГЭУ - автономной работы контуров. Определен диапазон изменения коэффициентов в виде отношения математических ожиданий и дисперсий составляющих нагрузочных процессов ГЭД и ОЭП, при которых относительное значение коэффициента вариации суммы нескольких случайных нагру зочных процессов будет меньше относительного значения коэффициента вариации любого отдельно взятого нагрузочного процесса.

Суммирование 2-х случайных некоррелированных процессов:

^ТГ-1 (а;

полностью коррелированных процессов:

ТЖ-1 4а 4 . . 1

\ (6) Суммирование 3-х случайных некоррелированных процессов:

VT7g7dn4-c N< а < , / ^ , .

W + i-g C7)

полностью коррелированных процессов:

M^^^i^f <

(в)

^де. a- j.^-fn,' а ;

С учетом параметров эксплуатационных нагрузочных процессов ПЭД и ОЭП использование ГЭУ с отбором мощности на ОЭП приводит ;{ повышению стабилизации нагрузки 1Щ.

Рассматриваются потребители электроэнергии, которые могут 5ыть использованы в качестве регуляторов (IIP) нагрузки ЦЦ. приведена их классификация по виду накопляемой энергии, форме «копления, типу установки. Для первого этапа создания оптималь-той структуры ПР важным показателем является техническая готов-!ость. С этих позиций могут быть рассмотрены следующие ПР: 'ЭУ, электролизные установки, дублирующие электрокотлы, воэдуш-ttie аккумуляторы. В этом случае ГЭУ исп<?льзуегся в режиме сле-шцего управления в зависимости от Нагрузки ОЭП, программного управления контурами ГЭУ для многовальных установок при поочередном реверсировании ГЭД, использование генераторного торможе-1ия ГЭД постоянного тока и динамического торможения ГЭД переменно тока. Перспективными ПР являются накопители энергии {НЭ) j виде кинетического (маховичного) аккумулятора электроэнергии [КАЭЭ), сверхпроводникового индуктивного накопителя 1С1ЫН), злектрохикического с электрохимическим генератором (ЭХГ), имеющие промышленные образцы и опыт эксплуатации. Дан внализ многофункционального использования НЭ. Приводятся разработанные автором схемы ГЗУ с отбором мощности на ОЭП с использованием ПР различных типов.

Рассматриваются экономические аспекты применения НЭ. Эконо-шческая эффективность использования НЭ определяется выражением:

и «.

S»= ASr * A S„ot * E.ESl + ERSt с9)

1ч ы

е..

где: Л Б*- экономия топлива, экономия за счет уменьшения ущерба от ненадежности за счет выравнивания графика нагрузки

< ИД;

д н) пет - экономия топлива за счет уменьшения потерь энергии в линиях;

нормированный коэффициент эффективности капитальных р. вложений;

Г1 - с -ый коэффициент амортизационных отчислений; - уменьшение капиталовложений в электроэнергетическую установку;

Получено выражение для относительной экономии текущих затрат при уменьшении установленной мощности ГА за счет использования Ш:

-({ —т~~г~ С £> х) X

С4 Л 1 - Л. ^.Г С, )

где: 3 - экономия годовых текущих затрат;

С - годовые затраты на аккумулирование энергии; С« - годовые затраты на I кВт установленной мощности; Сх- годовые затратг на I кВг'ч запасаемой энергии; & - коэффициент зависящей от формы срезаемой части нагрузочного пика X ; £ - угол наклона нагрузочного графика к оси времени. Получено выражение для относительное экономии топлива эа счет выравнивания графика нагрузки ГЩ (для установившегося режима работы):

ЕЗСср ЕЭСср

Б X ЕЭС ср

(/♦г

ЕЭСср

Л.)

при

где: В) - расход,топлива в ГЭУ с 1£)С 6и<ИЭ;

ИН - средний КЦД выработки энергии с использованием НУ

^ ^ 1н= 1;

Ч - среднее значение КЦД НУ с учетом цикла "заряд" -Ь Н Ч* „ „

"разряд .

1, ЕЭС*р | кн + 1

(11)

ЕЭСср

Разработана методика вибора основных параметров Ш: мощности, энергоемкости, времени рабочего цикла, времени реверса. Приведена блок-схема алгоритма расчета выравненных графиков нагрузки ГА при различной энергоемкости НУ и уровни стабилизации нагрузки. Но этому алгоритму составлена программа на языке Ра5Са 6 на компьютера ivoßotron - (715 (версия языкаТ^Я ВО) и проведен расчет выравненных графиков нагрузки ГА с определением их статистических характеристик для д/э типа "Сахалин".

Ь четвертой главе рассмотрены особенности синтеза оптимального регулятора мощности 1'ЗИ при использовании ГЬУ в качестве ¡1Р, работающей в режиме следящего управления при стохастически изменяющихся нагрузке 0311 и ледовом моменте сопротивления на rpeö-нок винте. Била использована методика синтеза фсзически реализуемых оптимальных регуляторов, предложенная в работах профессора 0.11.Петрова, и основанная на получении устойчивого семейства экстремалей. Следящая система управления ГЭД преобразуется в систему стабилизации с обобщенным возмущающим воздействием. 11а рис. 3 приведена структурная схема лииеанировашой системы стабилизации потребляемой мощности гцц, а на рис. 4 - преобразованная расчетная схема при пренебрежении малыми постоянными времени. Где: - электромагнитная постоянная времени якорной цепи;

Пщ - активное сопротивление якорной цени; д1*- отклонение тока в цепи якоря; дЦз(Р)а ~ лП>эп - отклонение'нагрузки Ш11; дШрЬШр)- отклонение напряжения на ьиходе усилителей

ЛП - отклонение момента сопротивления гребного нинта; ^«г - коэффициент усиления У2 в статике; отклонение напряжении сети;

Се,См- коэффициенты пропорциональности о*ду частотой врищи ния и ЭДС ГУД, током якоря и электромагнитным моментом;

1м- электромеханическая постоянная времени -пиши вали; дЕш(Р) - отклонение напряжения холостого холи тиристорного преобризовителя; Кс - коэффициент усиления по ьозмущамцьму иоанейогний

а1/С(Р) ;

iv im - коэффициент усилении тиристорного нреиорииинитеян;

I л

АП(Р)

ЫДр)

Рис.3. Структурная схема линеанизированной систаш ГЭУ с ЕЭС

ДЧЧР) 1

См

К 4 С* См Г,Ц _

С&ТиР +К»г,и,

(¿СиТмР* К»^) 1 Г«(ЙС:ТнР *КЛч,) + С^СиТмР

Рис.4 Расчетная структурная схема ГЭУ

Кдт - передаточный коэффициент датчика тока;

Т<рдт- постоянная времени фильтра в контуре датчика тока;

Кдн - передаточный коэффициент датчика мощности ГЗД;

Тдм - постоянная времени датчика мощности ГйД;

Tai - постоянная времени усилителя У2.

При стабилизации мощности ГЗД целью регулирующего устройства И становится обеспечение минимума дисперсии фазовой координаты А Рг»д . С учетом ограничения на модуль управляющего воздействия д1я приходим к решении из^ериметрнческой задачи со вспомогательной функцией. Регулирование приобретает составную форму; из участков экстремали .'• 'А I**opt и участков границы области

я шах , подчийешых 0Т8[еч1{в .-по току. Оптимальным регулятором является регулятор вида:-'

д J.« opt

А0>)-

Ш

а+ ßp

Л Го А

(12)

где: /|(р) - полином системы;

¿(р)-устойчивый полном системы;

О^ ¡2 - коэффициенты, определяемые корреляционным анализом ' возмущающего воздействия оС , р и зависящие от множителя СИ1 (весового коэффициента дисперсии АРгзд ).

Коэффициенты О- , о определены по правилам методики О.П.Петрова и для рассматриваемой системы ГЗУ о Ь^С получен оператор регулирующего устройства " Рг>д соиь1 " вцла: аТ*о(Л"

д(м

TzP.r3__¿аТЛ

> +Кз ' 2 ¿ЪКч - Г'Кч ычГъ -/т; т, (г, )>s-t k.üp

(13 )

ГЧ

где:

Т,-с;Сн1н-, 1»-(к4-к,|;чl>„ U-J i,a» mJ I/ ;

Ks-Kj;4) K»-u(K4i(» • K.KJ;4 'K.cic;,), j'" \|ui <ni'id,

I 3

Рассчитаны параметры оптимальной 11/Щ структуры системы стабилизации мощности Г<Щ на базе параметров 1'ЗУ л/к типа "Капитан Сорокин". Проведено математическое моделирование на ABM-IBM 1'ЭУ, управляемой по закону " Рг»»-const ", посредством штатного регулятора мощности с ПЛ-структурой и синтезированного ПДЦ-опти-мального регулятора. На АШ-IbM моделировалась работа обеих систем при обобщенном возмущающем воздействии вида Д М » " Пь/» С 3trxJit И различных параметрах oL и J> . Выполнен анализ осциллограмм основных параметров ГЭУ

при моделировании^который показал, что при одинаковом возмущаю-; щек воздействии и одинаковом ограничении на модуль управления ( Л„ ) степень стабилизации мощности Г1ЭД при использовании оптимального регулятора в 1,53 раза выше в сравнении с ПИ-типовым регулятором. Более эффективная стабилизация мощности ГЭД достигается за счет большей интенсивности управляющего сигнала дUt , траектория которого достигает ограничения в 1,Ы раза быстрее, чем аналогичная траектория этого параметра с ПИ-регулятором. Проведена оценка основных погрешностей, внесенных в процессе решения задачи синтеза оптимального регулятора, определены гарантии его работы и условия использования. Показано, что синтезированный регулятор не критичен к ошибкам корреляционно! о анализа возмущающего воздействия и обеспечивает устойчивую работу в среде при неполностью известных возмущающих силах.

Проверка работоспособности опытного образца блока коррекции мощности, а также его параметрическая настройка выполнена в процессе экспериментальных исследований ГЭУ д/э типа "Сахалин" и соответствует результатам теоретического анализа.

В приложении к диссертации приведены таблицы с данными по статистической обработке нагрузочных режимов ГЭД и ОЭП а/л "Арктика", л/к "Капитан II.Измайлов", д/э "Сахалин", расчет регрессионной зависимости Роэп ■ f(P«n) , расчет предельных вероятностей времени работы нагрузочных схем ГЭУ л/к "Капитан М.Измайлов" расчет настроечного нагрузочного режима по критерию максимальной энерговыработки для д/э-'Сяхалин-I", программа расчета выравненных графиков нагрузки при использовании НЭ, краткое описание раз работанных схем ГЭУ с отбором мощности на ОЭП, использующих гютре бители-регуляторы нагрузки ГА, данные По программе математическог моделирования ГЭУ, а также представлены акты внедрения основных результатов работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненные в диссертации исследования позволили сделать следующие выводы и рекомендации:

1. Исследование нагрузочных режимов ГЭУ с отбором мощности на 0Э11 ряда CAJ1JI, различающихся по способу отбора мощности, типу ГЭУ и САР показало, что:

- эмпирическую линейную корреляционную зависимость установ-'ленной мощности ГЗД и ОЭП можно представить в виде:

Р.,«* 0,172 Рг,А

- процессы изменения потребляемой мощности ГЭД при взаимодействии гребного винта со льдом и ОЭП представляют из себя квазистационарные процессы с нормальным распределением, характеристики процессов потребляемой мощности ГЗД зависят от типа САР ГЭУ и характеристик ледового момента. Эти процессы можно описать математическими моделями в ви^е последовательности и^ульсов соответственно: Рздм. 3 <эг>дм ¿ Sin flt и 1о<пм3 (5o»nm¿ ;

- в режиме стабилизации мощности ГОД I" В»* - const ") при взаимодействии гребного винта со льдом, около времени САР ГЭУ работает н«.. ограничительной характеристике " t1i»n(l)-const "j

- значения математических ожиданий нагрузки ОЭП определяются нагрузочной схемой ГЭУ, ь центрированный нагрузочный процесс ОЭП не зависит от схемы ГЭУ;

- процесс переключения нагрузочных схем ГЭУ с отбором моц-ности можно представить в виде математической модели, описываемой дискретной цепью Маркоьа с непрерывном временем.

2. Разработана инженерная методика расчета нагрузочной схемы ГЭУ с отбором мощности, соответствующая режиму максимальной энерговыряботки за определенный период эксплуатации CAJ1I1, для использования ее в дальнейшем в качестве исходной при аналитическом конструировании оптимального регулятора и эксплуатационной параметрической настройке САР ГЭУ. ,

3. Оптимальный способ управления электроэнергетической установкой судна по критерию минимизации расхода топлива и монтированному электроснабжению ответственных электропотребителей для случая ГЭУ с отбором мощности может быть реализован следующим образом:

- для ГЭУ с навешенными генераторами необходимо осуществлять следящее управление мощностью главных генераторов а функции степени неравномерности нагруаки 111', работающих на счотнететнумции

секции ГЩ, т.е. Ргг - f (д Ро»п) при заданной мощности ГЭД;

- для ГЬУ с ЬчХ! уровень ограничения мощности ГЭД в зависимости о? схемы ГЬУ необходимо определять на основе статистических характеристик потребляемой мощности ОЭП и заданного значения вероятности гарантированного электроснабжения ГЗД;

- следящее управление мощностью ГЭД в функции переменной мощности 0У11, т.е. Рид - f(Po»n) или для миоговальных установок Рид ( - $(Р.здi) , при наличии соответствующих навигационных условий;

- следящее управление вспомогательной подсистемой потребителем-регулятором в функции недоиспользованной (или превышающей заданное значение) мощности ВД, т.о. позволяющее обеспечить глобальный оптимум.

С этой целью были разработаны соответствующие перспективные схемы ГЗУ с отбором мощности.

4. Оптимальным законом управления ГЭД при взаимодействии гребного винта со льдом по критерию эффективности в виде удельных затрат энергии на движение судка яэляется закон управления вида

И ' т,е' УаРавлв,,ив по поддержанию постоян-

ства потребляемой мощности ГОД. При этом соотношение значений критерия при способах управления " Рг»д~ const. " и н rV^-con&t " зависит от параметров возмущающего ледового момента сопротивления МмДОи достигает наибольшего значения при максимальном значении среднего квадратического отклонения ( ) и равенстве ( <Хм ) и ( ).

5. Разработан блок коррекции мощности 1БКЫ) ГЭУ д/е типа "Сахалин", реализующий режим "Рг»а~ const. " при BTBJ1 и прошедший экспериментальную проверку в условиях вксплуатвции.

6. Получены аналитические выражения степени стабилизации нагрузки JW в вцде коэффициента вариации суммарного нагрузочного процесса от пнрскетрои составляющих процессов и определены соотношения этих параметров, при которых обеспечивается повышение стабилизации нагрузки ПД в ГНУ с отбором моцности, в отличии

от автономной работы

7. Предложены методики определения основных параметров накопителя энергии, используемого в качестве отабилизьтора нагрузки ОД в Г'ЗУ с отб' рок мощности на ОЭП:

- расчет оптимального значения мощности и энергоемкости НЭ, обеспечивающего максимальную экономию за счет уменьшения устано»-

ленной мощности ГА;

- расчет выравненных графиков нагрузки 11Д при заданных значениях энергоемкости НЭ и уровне стабилизации нагрузки;

- расчет относительной экономии топлива ЦЦ в зависимости от энергоемкости, КГД накопителя энергии, степени повышения К1Щ ГЭУ с ЕЭС.

В. С привлечением математического аппарата синтеза оптимальных систем управления при неполностью известных возмущающих силах найдена структура регулятора мощности ГЗД, обеспечивающего минимум среднеквадраткческого критерия и ограничении на мощность управления при обобщенном возмущающем нагрузочном воздействии, т.е. с учетом стохастически изменяющихся нагрузки ОЗП и ледового момента сопротивления.

9. Вычислительный эксперимент на математической модели ГЭУ показал, что оптимальный ГЩ - регулятор, повышает степень стабилизации нргруэки в 1,5 раза за счет большего быстродействия по сравнению с применяемыми в современных ГЭУ ледоколов регуляторами с Ш!-структурой. Синтезированный регулятор обеспечивает •устойчивую реботу ГЭУ и гарантирует стабильность потребляемой мощности ГЭД при неизвестных характеристиках ледовой среды.

10. Основте результаты исследований реализованы следующим образом:

- регулятор мощности ГЭД (защищенный а.с. СССР № 1497110) и методика периодической настройки САР ГЭУ приняты к внедрению Сахалинским морским пароходством, подтвержденный годовой экономический эффвчт на одно судно составляет 47,2 тыс. руб.;

- оптимальный регулятор мощности принят к вкгдретга Балтийским морским пароходством при модернизации регулятора ГЭУ

л/к "Капитан М.Измайлов";

- р»щ технических решений по стабилизации мощности ГЩ посредством программного управления ГЭД разных контуров, следящего управления мощностью ГЭД в функции нагрузки ОЭЛ, защищенные

а.с. СССР № 122ЮЬ9, 1393715,1432720,150054а приняты к внедрению Сах.МП с ожндаемик годовым экономическим аффектом на одно судно 60 тыс.руб;

- методики расчета параметров накопителей «анергии и разработанные схемы ГЭУ с отбором мощности, использующие потребители-регуляторы нагрузки 1Щ. учитываются заинтересованными организациям! при проектировании САЛП перспективной постройки, так разра-

ботаниая схема ГЭУ с отбором мощности и сверхпроводниковым накопителем энергии (положительное решение ВНИИГПЭ по заявке № 4517329/ 27-11) используется с 1989 года в научно-исследовательской работе ВШШЗМ;

результаты исследований используются при выполнении НИР отраслевой лабораторией электродвижения судов ГМЛ имени адмирала С.О.Макарова и в учебном процессе.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТИЛЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Филсь И.П., Шегалов И.Л., Болвшенков И.М., Иванов B.C. Пути экономии топлива на судах с электродвижением // Экономия топливо-энергетических ресурсов: Тезисы докладов первой научно-технической конференции ЛБНТОВТ, -Л.: Судостроение,

I9Ö3. - с.59-61.

2. Фиясь И.П., Болвашенков И.М,, Быков A.C., Иванов B.C., Макашов Э.В. Сравнительный анализ систем электродвижения паромов челночного типа мощностью 6600 кВт// Вопросы теории и эксплуатации судового электрооборудования: Сб. ЛЕШУ. - М.: В/о "Мортех-информреклама", 1984. - с.5-13.

3. Гипслис P.A., Иванов B.C., Макашов Э.В., Романовский В.В. Анализ эксплуатационных режимов гребной электрической установки

с единой электроэнергетической системой ледоколов типа "Капитан М.Измайлов" // Техническая эксплуатация дизельных энергетических установок: Сб. ЦНИИМФ. - Л.: Транспорт, I9Ö5. - с.96-99.

4. Фиясь И.П., Иванов B.C. и др. Электроэнергетическая силовая установка судна. A.c. СССР № II34479, опубл. в БИ # 2, 198Ь.

5. Вожаков A.A., Сюбаев М.А., Иванов B.C. Опыт эксплуатации регулятора мощности гребной электрической установки паромов типа "Сахалин" // Экспресс-информация. - Серия "Техническая эксплуатация флота". - Ы.: В/о "Мортехинформреклэма", 1986, вып.6 (626). -

с. 13-17.

6. Иванов B.C., Сюбаев H.A. Анализ настройки систем автоматического регулирования ГЭУ ледоколов и судов ледового плавания// Экспресс-информация. - Серия "Техническая эксплуатация флота". -

М.: В/о "Мортехинформреклама", 1987. - ДО1, # 624 - мф.-31 с.

7. Иванов B.C. Пути повышения эффективности работы судовых единых электроэнергетических установок // Повыпение эффективности и надежности энергетических установок судов: Сб. ЛВИМУ - И.: В/о "Мортехин!$юрмреклама", 1987. - с.32-36.

8. Фиясь И.П., Иванов B.C., Малышев В.А. Электроэнергетике -кая установка судна. A.c. СССР № I28I476, опубл. в БИ 0 1,1987.

9. Иванов B.C., Шегалов И.Л., Романовский В.В. и др. Способ испытания двигателя внутреннего сгорания. A.c. СССР 0 II377I0, опубл. в БИ 0 34, 1987.

10. Иванов B.C. и др. Электропривод гребной установки. A.c. СССР 0 I363410, опубл. в БИ 0 48, 1987.

11. Иванов B.C. Оценка способов управления РЭУ ледокола по энергетическим показателям // Автоматизация энергетических установок и систем судов: Сб.ЛВИМУ. - Ы.: В/о "Мортехим^юрмреклама", I9B8. - с. 89-93.

12. Иванов B.C., Быков A.C. Заявка на изобретение. Гребная электрическая установка судна. Положительное решение ВНИИГПЭ от 26.09.89г. по заявке 0 4663249/27-11.

13. Иванов B.C. и др. Электроэнергетическая установка судна. A.c. СССР 0 1393715, опубл.' в БИ 0 17, 1988.

14. Иванов B.C., Быков A.C. Электроэнергетическая установка судна. A.c. СССР 0 I4I5395, опубл. в БИ 0 29, 1988.

15. Фиясь И.П., Иванов B.C. Электроэнергетическая установка судна. A.c. СССР 0 I42I6I5, опубл. в БИ 0 33; 1988.

16. Иванов B.C. и др. Способ пуска гребной электрической установки судна. A.c. СССР 0 1432720, опубл. в БИ 0 39, 1988.

17. Иванои B.C. Электроэнергетическая установка судия. A.c. СССР 0 1439034, опубл. в БИ 0 43, 1988.

18. Фиясь И.П., Иванов B.C. Системы электродвижения судов с высокой готовностью пуска и топливосберегаюшими способами настройки и испытаний // Повышение топливоиспользования энергетических установок судов: Сб. ЛВИМУ. - М.:В/о "Мортехинформ-реклама", 1989. - с. 67-73.

19. Иванов B.C., Якушин В.И. Выбор настроечного режима ГЭУ по критерию максимальной знерговыработки // Повьшение топливо-использования энергетических установок судов: Сб. ЛВИМУ. - М.: В/о "Мортехи»{юрмреклама", 1989. - с.88-94.

20. Иванов B.C. и др. Устройство для регулирования мощности гребной электрической установки. A.c. СССР 0 I497II0, опубл.

в БИ 0 28, 1989.

21. Иванов B.C. Гребная электрическая устпновкя судна. A.c. СССР 0 1497111, опубл. в БИ 0 28, 1989.

'¿2. Иванов B.C. и др. Заявка на изобретение. Элвктроэнерге-тичш'кал установка судна. Положительное решение В11ИИПЮ от 3.0t).90 по ййявке » 46I7329/2MI.

23. Иванов U.C., Шегалов И.Л. Электроонпргетическая установка судил. A.c. Cap * 1537604, опубл. в ВИ » 3, 1990.

2-1. Быков A.C., Иванов B.C., Кальсии B.C. Грибная турбо-плйкгричвская устбмвка . A.c. СССР № I57G423, опубл. в ВИ * 25, IWO.

25. Иванов B.C., Быков A.C. Гребная олекгрическая установка. A.c. ОСИ » 1Ы30513, опубл. в ВИ » 27, I9W.