автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Электростанции автономных объектов на базе дизель-генераторных установок переменной частоты вращения

На правах рукописи

04«,Л

САМОЯВЧЕВ ИВАН СЕРГЕЕВИЧ

ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ АВТОНОМНЫХ ОБЪЕКТОВ НА БАЗЕ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРНЫХ УСТАНОВОК ПЕРЕМЕННОЙ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

2ь ЯНЗ 2015

005558220

Нижний Новгород 2014

005558220

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева» (НГТУ).

Научный руководитель Хватов Олег Станиславович - доктор технических наук, профессор; ФГБОУ ВО «Волжская государственная академия водного транспорта», заведующий кафедрой «Электротехника и электрооборудование объектов водного транспорта»;

Официальные оппоненты - Виноградов Анатолий Брониславович -

доктор технических наук, доцент; ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», профессор кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок»;

- Соловьев Алексей Валерьевич

кандидат технических наук,

ФАУ «Верхне-волжский филиал Российского

Речного Регистра», заместитель директора.

Ведущая организация ОАО « Конструкторское бюро

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

Защита состоится "27" февраля 2015 г. в 14 часов 00 минут в аудитории № 1258 на заседании диссертационного совета Д 212.165.02 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 дисерта-ционного совета Д 212.165.02.

Автореферат разослан «19» января 2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.165.02,

к.т.н., доцент A.C. Плехов

Актуальность работы. На водном, автомобильном и железнодорожном транспорте все большее распространение получают системы электродвижения. При этом тяговые (гребные) электродвигатели могут питаться вместе с другими потребителями от единой электростанции автономного объекта (ЕЭС). Применение ЕЭС позволяет повысить надежность и упростить обслуживание энергосистемы автономного объекта за счет уменьшения количества составляющих ее компонентов. В качестве первичных двигателей ЕЭС широко используются двигатели внутреннего сгорания (ДВС).

Как правило, ЕЭС строится на базе дизель-генераторных установок (ДГУ) постоянной частоты вращения. Повышение экономичности электростанции возможно за счет применения ДГУ переменной частоты вращения. Экономия топлива достигается за счет задания для каждого значения мощности нагрузки оптимальной частоты вращения вала ДВС, соответствующей наименьшему удельному расходу топлива.

Исследование и разработка ЕЭС на базе ДГУ переменной частоты вращения является относительно новым техническим направлением в малой энергетике. Работы в данной области проводят ряд известных зарубежных фирм (Fubag, Honda, Hyundai, Kypor, ABB, Wartsila и др.). Известны исследования по данной тематике и в России - ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС» (г.Москва), ОАО "Звезда" (г.Санкт-Петербург), ОАО "Сигма" (г.Ковров), ВГАВТ и НГТУ (г.Н.Новгород). Перечень отечественных и зарубежных научных публикаций, посвященных данной тематикадостаточно мал. Анализ показал, что особенно это относится к исследованиям динамических режимов работы, разработке математической модели ЕЭС с системой электродвижения на базе ДГУ переменной частоты вращения, синтезу систем регулирования каналов электродвижения, электроснабжения, расчету топливной экономичности ЕЭС на базе ДГУ переменной частоты вращения.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование электростанции автономного объекта с системой электродвижения на базе ДГУ переменной частоты вращения.

Цель определяет следующие задачи исследования:

- обоснование применения ЕЭС автономного объекта с системой электродвижения на базе ДГУ переменной частоты вращения;

- разработка математической модели ЕЭС автономного объекта с системой электродвижения на базе ДГУ переменной частоты вращения;

- анализ динамических режимов работы ЕЭС автономного объекта с системой электродвижения на базе ДГУ переменной частоты вращения;

- разработка САР ЕЭС автономного объекта с системой электродвижения на базе ДГУ переменной частоты вращения;

- исследование и анализ топливной экономичности ЕЭС автономного объекта с системой электродвижения на базе ДГУ переменной частоты вращения;

Связь диссертации с научно-техническими программами.

Работа выполнялась в рамках:

- «НИР в рамках проектной части государственного задания в сфере научной деятельности №8.2668.2014К» на кафедре «Электрооборудование, электропривод и автоматика» Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева;

- прикладного научного исследования по теме «Повышение эффективности и устойчивости локальной системы электроснабжения на основе оптимизации работы гибридного источника энергии с ветрогенератором» при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (соглашение №14.574.21.0009 о предоставлении субсидии от 17.06.2014, уникальный идентификатор проекта RFMEFI57414X0009).

Научная новизна:

1. Разработана структура ЕЭС автономного объекта на базе ДГУ переменной частоты вращения (патент на изобретение № 2436691, B60L 11/08, B60W 20/00, B60W 10/08. Опубликовано: 20.12.201 1 Бюл. № 35).

2. Разработана математическая модель ЕЭС автономного объекта на базе ДГУ, отличающаяся от известных тем, что для оптимизации расхода топлива частота вращения вала ДВС формируется в зависимости от мощности нагрузки.

3. Синтезированы САР каналов электродвижения и электроснабжения ЕЭС автономного объекта на базе ДГУ переменной частоты вращения.

4. Разработана методика расчета топливной экономичности ЕЭС автономного объекта на базе ДГУ переменной частоты вращения.

Пра1сгнческая ценность диссертационной работы заключается в:

- разработке комплекса программ имитационного моделирования режимов ЕЭС автономного объекта на базе ДГУ переменной частоты вращения в пакете MatLab Simulink, позволяющих исследовать динамические режимы работы с учетом величины, характера нагрузки и формируемой с целью оптимизации расхода топлива скоростной характеристикой приводного двигателя (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. № 201361248);

- разработке методики расчета топливной экономичности ЕЭС автономного объекта на базе ДГУ переменной частоты вращения;

- создании экспериментального образца ДГУ переменной частоты вращения мощностью 3 кВт.

Реализация результатов работы:

Результаты работы были использованы:

- в «НИР в рамках проектной части государственного задания в сфере научной деятельности №8.2668.2014К» на кафедре «Электрооборудование, электропривод и автоматика» Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева (НГТУ) (г.Н.Новгород);

- в виде прикладного научного исследования по теме «Повышение эффективности и устойчивости локальной системы электроснабжения на основе оптимизации работы гибридного источника энергии с ветрогенератором» при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (согла-

шеиие №14.574.21.0009 о предоставлении субсидии от 17.06.2014, уникальный идентификатор проекта RFMEFI57414X0009);

- в НИР по теме "Разработка требований к судовым дизель-генераторным установкам с переменной скоростью вращения" № Р11 4/12 между Волжской государственной академии водного транспорта (ВГАВТ) (г.Н.Новгород) 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";

- в учебном процессе Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева (НГТУ) (г.Н.Новгород) при подготовке инженеров и магистров специальностей 14.06.04 "Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов".

В работе автор защищает:

1. Структуру ЕЭС автономного объекта на базе ДГУ переменной частоты вращения.

2. Математическую модель ЕЭС автономного объекта на базе ДГУ переменной частоты вращения.

3. Систему автоматического регулирования ЕЭС автономного объекта на базе ДГУ переменной частоты вращения.

4. Методику расчета топливной экономичности ЕЭС автономного объекта на базе ДГУ переменной частоты вращения.

Публикации и апробация работы:

По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 3 работы в журналах рецензируемых ВАК, получены патент на изобретение РФ, а также свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Основные положения, результаты и выводы диссертационной работы были доложены и обсуждены на следующих научно-технических конференциях:

- Международные молодежные научно-технические конференции "Будущее технической науки". Н.Новгород, НГТУ, 2010, 2012;

- Международная научно-практическая конференция «Дни науки». Прага, 2013.

- Всероссийская конференция "Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве". Воронеж, ВГТУ, 2011.

- Региональные научно-технические конференции "Великие реки". Н.Новгород, ВГАВТ 2012-2013;

- Региональные научно-технические конференции "Актуальные проблемы электроэнергетики". Н.Новгород, НГТУ, 2010-2012.

Объем н структура работы:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 116 наименований и приложения. Основная часть изложена на 138 страницах, содержит 75 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе на основании анализа электростанций транспортных объектов с электродвижением показана целесообразность их построения на базе ДГУ переменной частоты вращения, что позволяет сократить расход топлива, обеспечить оптимальный тепловой режим работы ДГУ, повысить моторесурс электростанции, а также снизить количество вредных выбросов в атмосферу.

В настоящее время получили широкое распространение системы электродвижения, у которых в качестве первичных двигателей электростанций используются двигатели внутреннего сгорания. Основным недостатком электроэнергетических установок указанного типа является низкий коэффициент полезного действия, обусловленный многократным преобразованием энергии.

Рис. 1. ЕЭС автономного объекта на базе ДГУ переменной частоты вращения: 1 - ДВС; 2 - синхронный генератор; 3,4 - преобразователи частоты; 5 - гребной синхронный двигатель; 6 - гребной винт; 7 - выводы для подключения потребителей судовой сети; 8 - датчик частоты вращения ДВС; 9,10 - датчики тока; 11, 12-датчики напряжения; 13 - датчик частоты вращения гребного винта; 14 - блок формирования оптимальной частоты вращения; 15 - блок вычисления мощности нагрузки; 16 - задатчик частоты; 17 -блок регулирования частоты

В работе предложена концепция построения электростанций транспортных объектов с электродвижением на базе ДГУ, отличающихся повышенной топливной экономичностью, которая достигается за счет задания для каждого значения мощности нагрузки оптимальной частоты вращения вала ДВС, соответствующей наименьшему удельному расходу топлива. Разработана структура ЕЭС транспортного объекта (судно) на базе ДГУ переменной частоты вращения, защищенная патентом на изобретение РФ (рис.1). ЕЭС по-

строена на базе ДВС 1, приводящего во вращение синхронный генератор (СГ) 2. Гребной винт 6 приводится во вращение синхронным двигателем (СД) 5. Система работает следующим образом. Блок 14 формирования оптимальной частоты вращения (БОЧ) ДВС 1 задает частоту вращения вала, оптимальную с точки зрения потребления топлива. Блок 14 формирует выходной сигнал, согласно заложенной в его памяти многопараметровой характеристике ДВС, в зависимости от выходных сигналов блока 15 вычисления мощности нагрузки (БМН) и датчика 8 частоты вращения ДВС. Многопара-метровая характеристика представляет собой зависимость эффективной мощности ДВС от частоты вращения вала дизеля при наименьшем удельном расходе топлива. Блок 15 определяет мощность нагрузки на основе сигналов от датчиков тока 9, 10 и датчиков напряжения 11, 12.

В соответствии с требуемой скоростью движения судна, задат-чик частоты 16 формирует сигнал задания частоты выходного напряжения преобразователя частоты (ПЧ) 3, и, тем самым, определяет скорость вращения гребного электродвигателя 5. Блок регулирования частоты 17. формирует сигнал управления частотой ПЧ 3 на основе сигналов от задатчика частоты 16 и датчика 13 частоты вращения гребного электродвигателя. Таким образом, ПЧ 3 является согласующим элементом между СД 5 и СГ 2, работающими с разными частотами вращения. Для питания электропотребителей судна на выходе СГ включен ПЧ 4. который обеспечивает стабильные значения амплитуды и частоты напряжения бортовой сети.

Частота вращения, соответствующая наиболее экономичному режиму работы ДВС, может быть определена по универсальной (многопараметровой) характеристике. На рис. 2 представлена многопараметровая характеристика двигателя вЕМТ- «Пилстик» типа РС4-480 мощностью 1100 кВт.

На примере судовой ЕЭС с ДГУ переменной частоты вращения мощностью 1000 кВт показано, что экономия топлива может достигать 40-55% по абсолютному расходу.

200 ото 400

п, об/ми*

Рис.2. Многопараметровая (универсальная) характеристика СОД фирмы 8ЕМТ - «Пилстик» типа РС4-480. Ыс - мощность дизеля кВт, п -обороты дизеля об/мин, §е - удельный расход топлива - г/кВт*ч, ре - среднее эффективное давление на поршень - кгс/см2; кривая 1 - характеристика оптимального регулирования частоты ДВС, кривая 2 - характеристика работы ДВС с постоянной частотой коленчатого вала (неоптимальная)

Во второй главе разработана математическая модель ЕЭС автономного объекта на базе ДГУ, отличающаяся от известных тем, что для оптимизации расхода топлива частота вращения вала ДВС формируется в зависимости от мощности нагрузки каналов электродвижения и электроснабжения (1).

В (1) приняты следую-

(Т„„Р + Ьа1,)у« = к,у„-р,-\Тгр + Ьт)ут =кту,-у^ УЛТкР + 5д ) = Ут -кКУ„,(Тахр + Ъл)у„ = х„ + кдун; атр + Ьт )ут = к,х„ + кту„= х„ + вфу,„

К«, = ±ГЛ/ + РЧ,* -— V,,,«;

и, =;;,/, + рм/г = + рчД( —;

V« = +'/ +'«) - ) +

V = (-'«/+'/+'«);»« = *«, (-'ч+ц р = ".«л*+= -»Л+

, П., А) »1 = У---^ и/ / , — ш :

л:, 2Л'

щие обозначения:

безразмерные величины изменения соответственно скорости вращения вала и нагрузки дизеля, давления нагнетаемого воздуха, скорости вращения ротора турбины, положения рейки топливного насоса и цикловой подачи топлива;

Тац,ТаХ > Тт . К ~ постоянные времени соответственно дизеля в каналах нагру-(1) зочного и регуляторного воздействий, турбонагнетателя и впускного коллектора;

<5,„ >3,>8г А - коэффициенты самовыравнивания соответственно дизеля в каналах нагрузочного и регуляторного воздействий, турбонагнетателя и впускного коллектора;

и вл

соответст-

= г,',1 + *„ Р'н - '

+ *" а р'4 +

венно, коэффициенты самовыравнивания дизеля и уси-J ления толливоподающей аппаратуры дизеля;

к, ,кц,кг ,к,кь - 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 насос. Остальные обозначения в (1) являются общепринятыми.

Рис. 3. Структурная схема канала электродвижения ЕЭС автономного объекта на базе ДГУ переменной частоты вращения №"в(р), \Уос(р), ШЦр). \\'С(р). Wи(p) - передаточные функции соответственно выпрямителя ПЧ, обратной связи, индуктивности и емкости фильтра, инвертора;АРВ, ПЧ 1 (ПЧ2), ГВ - соответственно, автоматический регулятор возбуждения, преобразователи частоты, гребной винт; со1ад, Мс- заданная частота вращения СД. момент сопротивления на валу СД

На основе системы уравнений (1) разработана структурная схема ЕЭС транспортного объекта с электродвижением на базе ДГУ переменной частоты вращения. На рис. 3 представлена структурная схема канала электродвижения вышеуказанной ЕЭС.

На основе математической модели в программном пакете Ма1:ЬаЬ 8пп-иПпк разработаны имитационные модели, позволяющие производить анализ динамических режимов работы каналов электродвижения (рис. 4) и электроснабжения ЕЭС с учетом величины и характера нагрузки, а также формируемой с целью оптимизации расхода топлива скоростной характеристикой дизеля.

Синтезированы САР каналов электродвижения и электроснабжения ЕЭС автономного объекта на базе ДГУ переменной частоты вращения.

Рис. 4 Имитационная модель канала электродвижения ЕЭС на базе ДГУ переменной частоты вращения

В третьей главе на основе разработанной имитационной модели произведен сравнительный анализ результатов моделирования режимов плавного пуска гребного электродвигателя канала электродвижения для ЕЭС мощно-стного ряда 85-200-500-700-1000 кВт по линейной, 5-образной и экспоненциальной характеристикам. Установлено, что наименьшие колебания электромагнитного момента Мта:, и длительность пуска ?пуск соответствуют 8-образной пусковой характеристике гребного электродвигателя.

■VD1S 1.01 1.0&S

Мс, o.e.

Юз ад, о.е

............................:.............................................1................ \t

' ч .............................................i............................................1................ ij v v ' ............................i...........................................»............................................

П. ! f}' L................. —...............! ..........................1.....

, o.e. В

Л -

........i :•• i X \ 1 .. - / ............ Г ; ........ .. ..... 4 .. ..............i...... .......................)................. .................

Д г, с

Рис. 5. Временные зависимости параметров ЕЭС мощностью 500 кВт для режимов набро-

са и сброса нагрузки:

а - электромагнитный момент СД М, o.e.; б - частота вращения ротора СД ш, o.e.; в -момент нагрузки СД Мс, o.e.; г - частота вращения вала дизеля шд, o.e.; д- заданная частота вращения СД Ц)3ад, o.e.

----Аг.трсясииэция iäMl

а

ш.

ЫХ1 4.S0 4 UC

з.ю

300 2 SO 2,00

OSO 0.00

----Аппелксимэдия (ÜM>

O.ICO

O.WW

□.№4

0,003

0.002

0,001

О 1100 F кВт

Рис. 6 Зависимости АМ„„ и Дыппдля режимов наброса и сброса нагрузки на гребной электродвигатель СД (ЕЭС мощностью 85 кВт, 200 кВт, 500 кВт, 700 кВт, 1000 кВт): ДМ„„ - максимальное отклонение электромагнитного момента СД, ÄWnn— максимальное отклонение частоты вращения ротора СД; а - наброс нагрузки Мс =0,2 o.e.; б -сброс нагрузки до Мс =0

Произведено моделирование режимов наброса и сброса нагрузки в канале электродвижения для ЕЭС мощностного ряда 85-200-500-7001000 кВт. Например, для ЕЭС мощностью 500 кВт максимальная амплитуда колебаний электромагнитного момента при сбросе нагрузки до Мс=0 (оголение винта) достигает 1,7 o.e., при этом колебания частоты вращения вала гребного электродвигателя не превышают 0,5 % от заданного значения (рис. 5, 6). Также проведено моделирование режимов наброса и сброса нагрузки в канале электроснабжения ЕЭС.

Например, для ЕЭС мощностью 85 кВт при ступенчатом увеличении нагрузки на 50% провал амплитуды выходного напряжения СГ составляет 6,5%, а при ступенчатом уменьшении нагрузки на 50 % - всплеск амплитуды напряжения не превышает 4%.

Рис.7. Принципиальная электрическая схема экспериментальной дизель-генераторной

установки переменной частоты вращения: РО — регулятор оборотов ДВС; СУПН — система управления преобразователем напряжения; ТБ - топливный бак; ДРТ - датчик расхода топлива

На рис. 7, 8 представлены соответственно принципиальная электрическая схема и общий вид экспериментальной дизель-генераторной установки переменной частоты вращения мощностью 3 кВт.

Проведено исследование динамических режимов работы экспериментальной установки ЕЭС на базе ДГУ переменной частоты вращения. На рис. 9,10 представлены экспериментальные осциллограммы напряжений генератора и звена постоянного тока (на входе автономного инвертора) для режима наброса нагрузки.

Рис. 9. Напряжение СГ при на-бросе нагрузки (СО = (Он , Р = Рн , сояср = 1)

Рис. 10 Напряжение в звене постоянного тока при набросе нагрузки (&) = (Он , Р - Рн , соь<р = 1)

Рис. 8. Общий вид экспериментальной дизель-генераторной установки переменной частоты вращения мощностью 3 кВт

В четвертой главе разработана методика расчета коэффициента полезного действия ЕЭС автономного объекта с электродвижением на базе ДГУ переменной частоты вращения. Энергетическая диаграмма ЕЭС на базе ДГУ переменной частоты вращения представлена на рис.11. Произведен расчет топливной экономичности ЕЭС на базе ДГУ переменной частоты вращения на примере ЕЭС мощностью 100 и 1000 кВт. На основании результатов расчета построены сравнительные характеристики удельного и абсолютного расхода топлива для двух режимов работы: с регулированием частоты вращения ДГУ в зависимости от мощности нагрузки и с постоянной частотой вращения ДГУ. Например, для ЕЭС мощностью 100 кВт экономия топлива достигает 18% и 31% соответственно по удельному и абсолютному расходу (рис.12,13).

Трансформатор D

' Гг

Бортовая сеть

Рис. 11 Энергетическая диаграмма ЕЭС на базе ДГУ переменной частоты вращения: G-абсолютный расход топлива, Рд, Per, Рпч, Ртр, Рсд- выходная мощность соответственно ДВС, синхронного генератора, преобразователей частоты, трансформаторов, тягового синхронного двигателя, ДРд, АРсг, ДРпч, ДРтР, ДРсд— потери мощности соответственно ДВС, синхронного генератора, преобразователей частоты, трансформаторов, тягового

синхронного двигателя

/У /

2110 2211 240 2fin 2 КО Ш> 320

Рис. 12. Абсолютный расход топлива ДВС ЕЭС 100 кВт 1 - с регулированием частоты ДГУ, 2 - без регулирования частоты ДГУ

Произведена оценка влияния регулирования возбуждения СД и СГ в зависимости от мощности нагрузки синхронной машины на топливную экономичность ЕЭС. На примере ЕЭС мощностью 1000 кВт установлено увеличение топливной экономичности (до 27% по абсолютному расходу топлива) во всем диапазоне мощности нагрузки.

о 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40

Ч

Рис. 14. Зависимости потребления топлива судовой ЕЭС мощностью 1000 кВт: 1 - без регулирования частоты вращения ДГУ, 2-е регулированием частоты вращения

ДГУ

Л Об.'МИН

Рис 13. Диаграмма показателей топливной экономичности по абсолютному расходу топлива соответствующих различным частотам вращения гребного винта ЕЭС 100 кВт

б, г/ч

2.8* 10Э"|

1 75«105

1 4Ч10"1'

Рассчитана топливная экономичность ЕЭС по данным суточного энергопотребления малого гидрографического судна с ЕЭС мощностью 1000 кВт (рис.14). За 39 часов эксплуатации судна суммарная экономия топлива при работе ЕЭС с переменной частотой вращения ДГУ составит 369,8 кг (8,6%).

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

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В итоге проведенных исследований получены следующие основные результаты:

1. На основании анализа электростанций автономных объектов показана целесообразность их построения на базе ДГУ переменной частоты вращения, что позволит сократить удельный и абсолютный расходы топлива, обес-

печить оптимальный тепловой режим работы ДГУ, повысить моторесурс и снизить количество вредных выбросов в атмосферу.

2. Разработана структура единой электростанции автономного объекта на базе ДГУ переменной частоты вращения, защищенная патентом на изобретение РФ.

3. Разработана математическая модель единой электростанции автономного объекта на базе ДГУ, отличающаяся от известных тем, что для оптимизации расхода топлива частота вращения вала ДВС формируется в зависимости от мощности нагрузки каналов электродвижения и электроснабжения.

4. На основе математической модели в программном пакете Ма^аЬ 81ти1тк разработаны имитационные модели, позволяющие производить анализ динамических режимов работы каналов электродвижения и электроснабжения ЕЭС с учетом величины и характера нагрузки, а также формируемой с целью оптимизации расхода топлива скоростной характеристикой дизеля. Синтезированы САР каналов электродвижения и электроснабжения ЕЭС автономного объекта на базе ДГУ переменной частоты вращения.

5. Произведен сравнительный анализ результатов моделирования режимов плавного пуска гребного электродвигателя канала электродвижения для ЕЭС мощностного ряда 85-200-500-700-1000 кВт по линейной, 5-образной и экспоненциальной характеристикам. Установлено, что наименьшие колебания электромагнитного момента Мтах и длительность пуска Гпуск соответствуют 5-образной характеристике разгона гребного электродвигателя.

6. Исследованы динамические режимы работы экспериментальной установки ЕЭС на базе ДГУ переменной частоты вращения. Получены экспериментальные осциллограммы напряжений генератора, звена постоянного тока и инвертора напряжения при набросе и сбросе номинальной нагрузки, а также разгоне и торможении ДВС.

7. Предложена методика расчета коэффициента полезного действия ЕЭС на базе ДГУ переменной частоты вращения.

8. Произведен расчет топливной экономичности ЕЭС на базе ДГУ переменной частоты вращения на примере ЕЭС мощностью 100 и 1000 кВт. На основании результатов расчета построены сравнительные характеристики удельного и абсолютного расходов топлива для двух режимов работы: с регулированием частоты вращения ДГУ в зависимости от мощности нагрузки и с постоянной частотой вращения ДГУ. Например, для ЕЭС мощностью 1000 кВт экономия топлива достигает от 16% до 8% по удельному и от 55% до 25% по абсолютному расходу топлива соответственно.

Произведена оценка влияния регулирования возбуждения СД и СГ в зависимости от мощности нагрузки синхронной машины на топливную экономичность ЕЭС. На примере ЕЭС мощностью 1000 кВт установлено увеличение топливной экономичности (до 27% по абсолютному расходу топлива) во всём диапазоне мощности нагрузки.

9. Результаты выполненных исследований использованы в учебном процессе в Волжской государственной академии водного транспорта (ВГАВТ, Нижний Новгород) и Нижегородском государственном техническом университете им. P.E. Алексеева (НГТУ) (г. Нижний Новгород).

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В

РАБОТАХ

Научные работы, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Хватов, О.С. Имитационная модель единой судовой электростанции на базе двигателя внутреннего сгорания с переменной скоростью вращения/ О.С. Хватов, А.Б. Дарьенков, И.С. Самоявчев // Журнал «Вестник Ивановского государственного технического университета». Иваново. -2011. -№4. -С.50-54.

2. Хватов, О.С. Топливная экономичность единой электростанции автономного объекта на базе двигателя внутреннего сгорания с переменной скоростью вращения/ О.С. Хватов, А.Б. Дарьенков, И.С. Самоявчев // Журнал «Эксплуатация морского транспорта». СПб. -2013. -№1(71). -С.47-50.

3. Хватов, О.С. Оценка топливной экономичности в единых электростанциях автономных объектов на базе двигателей внутреннего сгорания переменной скорости вращения/ О.С. Хватов, А.Б. Дарьенков, И.С. Самоявчев // Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона». -2013. -№3.

Патенты и свидетельства о регистрации

4. Патент на изобретение № 2436691, B60L 11/08, B60W 20/00, B60W 10/08. Система электродвижения автономного объекта / А.Б.Дарьенков, О.С.Хватов, И.С.Самоявчев // Опубликовано Бюл. № 35, 20.12.2011.

5. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013612488. Расчет динамических режимов работы единой электростанции автономного объекта на базе двигателя внутреннего сгорания переменной скорости вращения / А.Б. Дарьенков, О.С. Хватов, И.С. Самоявчев // Приоритет от 11.01.2013г.

Работы, опубликованные в других изданиях

6. Самоявчев, И.С. Единая электростанция автономного объекта на базе ДВС переменной частоты вращения / И.С.Самоявчев, А.Б.Дарьенков, О.С.Хватов // Материалы всероссийской молодежной научно-технической конференция «Будущее технической науки». НГТУ, Н.Новгород. -2010.

7. Хватов, C.B. Математическая модель единой электростанции автономного объекта на базе ДВС с переменной скоростью вращения/ С.В.Хватов, А.Б.Дарьенков, И.С.Самоявчев, О.С.Хватов // Материалы научно-технической конференции «Актуальные проблемы электроэнергетики. НГТУ, Н.Новгород. -2010. -С.58-63.

8. Хватов, О.С. Имитационная модель единой электростанции автономного объекта на базе ДВС с переменной скоростью вращения/ О.С. Хватов, А.Б. Дарьенков, И.С. Самоявчев // Труды всероссийской конференции «Новые

технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве НТ-2011». ВГТУ, Воронеж. -2011. -С.194-195.

9. Хватов, C.B. Динамические характеристики единой электростанции судна на базе ДВС переменной скорости вращения/ C.B. Хватов, О.С. Хватов, А.Б. Дарьенков, И.С. Самоявчев // Материалы научно-технической конференции «Актуальные проблемы электроэнергетики». НГТУ, Н.Новгород. -2011. -С.37-42.

10. Хватов, О.С. Топливная экономичность единой электростанции автономного объекта на базе двигателя внутреннего сгорания переменной скорости вращения / О.С. Хватов, А.Б. Дарьенков, И.С. Самоявчев // Тезисы докладов XI Международной молодежной научно-технической конференции. НГТУ, Н. Новгород. -2012.

11. Хватов, О.С. Топливная экономичность единой электростанции автономного объекта на базе двигателя внутреннего сгорания с переменной скоростью вращения / О.С. Хватов, А.Б. Дарьенков, И.С. Самоявчев // Международный научно-практический форум «Великие реки». Н.Новгород. -2012.

12. Хватов, О.С. Методика оценки экономии топлива в единых электростанциях автономных объектов на базе двигателей внутреннего сгорания переменной скорости вращения / О.С. Хватов, А.Б. Дарьенков, И.С. Самоявчев // Материалы научно-технической конференции "Актуальные проблемы электроэнергетики". НГТУ, Н.Новгород. -2012. -С.84-90.

13. Хватов, О.С. Методика оценки экономии топлива в единых электростанциях автономных объектов на базе двигателей внутреннего сгорания переменной скорости вращения / О.С. Хватов, А.Б. Дарьенков, И.С. Самоявчев // Международная научно-практическая конференция «Дни науки». Прага. -2013.

14. Хватов, О.С. Оценка влияния ступенчатого регулирования скорости на экономию топлива в единых электростанциях автономных объектов на базе двигателей внутреннего сгорания переменной скорости вращения / О.С. Хватов, А.Б. Дарьенков, И.С. Самоявчев // Международный научно-практический форум «Великие реки». Н.Новгород. -2013.

Личный вклад соискателя. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат математические модели (1,5,7,8,9), методика расчета (2,3,10,11,12,13,14), обобщение результатов (4,6).

1

Подписано в печать 24.12.14. Формат 60 х 84 /16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 120 экз. Заказ 889.

Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева. Типография НГТУ. 603950, Нижний Новгород, ул. Минина, 24.