автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Повышение эффективности технической эксплуатации судовых электроприводов

На правагарукодиси

Бурков Алексей Федорович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНИЧЕСКОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ СУДОВЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

Специальность 05.09.03 — Электротехнические комплексы и системы (технические науки)

/1

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

005553442

Сан кт-Петербург 2014

005553442

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова» на кафедре «Судовые автоматизированные электроэнергетические системы».

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Кузнецов Сергей Емельянович,

Официальные оппоненты: Наумов Леонид Анатольевич,

доктор технических наук,

член-корреспондент РАН, ФГБУН «Институт проблем морских технологий» ДВО РАН, директор

Самойленко Анатолий Юрьевич,

доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «ГМУ имени адмирала Ф. Ф. Ушакова», профессор

Цицикян Георгий Николаевич,

доктор технических наук, профессор, филиал «ЦНИИ СЭТ» ФГУП «Крыловский государственный научный центр», заместитель начальника отдела

Ведущая организация: ОАО «Научно-исследовательский и

проектно-конструкторский институт по развитию и эксплуатации флота» («ГИПРОРЫБФЛОТ»),

г. Санкт-Петербург

Защита состоится «23» сентября 2014 года в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 223.009.06 при ФГБОУ ВПО «ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова» по адресу: г. Санкт-Петербург, ул. Двинская, д. 5/7, зал заседаний диссертационного совета (ауд. 257).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова»:

http://www.gumrf.ru/naiideiat сИ85ру zd22300906.html

Автореферат разослан «22 » А^&Я 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 223.009.06 д.т.н., профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Рыночные отношения диктуют необходимость адекватного восприятия действительности и перспектив на различных временных интервалах. Государственная программа развития флота в России обозначена в «Стратегии развития морской деятельности Российской Федерации до 2030 года» (Стратегии), утвержденной распоряжением Правительства от 08.12.2010 № 2205-р и направленной на обеспечение интересов Российской Федерации в Мировом океане, повышение эффективности основных видов морской деятельности.

К основным задачам Стратегии относятся, в частности, повышение конкурентоспособности эксплуатирующегося транспортного флота и увеличение добычи рыбопродукции.

Техническое совершенство судовых производственных механизмов и осуществляемых ими технологических процессов в значительной степени определяются совершенством соответствующего привода и степенью его автоматизации. В настоящее время и в перспективе основными типами приводов производственных механизмов остаются электроприводы (ЭП), которые потребляют ориентировочно до 90 % электроэнергии (ЭЭ), вырабатываемой общесудовыми генераторами.

Значительная часть судов различного назначения построена и введена в эксплуатацию в 90-х, 80-х и даже в 70-х годах XX века. Оборудование этих судов включает, в том числе, многие морально и физически устаревшие системы ЭП, возможности технического совершенствования которых в настоящее время крайне ограничены или практически исчерпаны.

Дальнейший прогресс в области судовых ЭП тесно связан с общим развитием промышленного производства, тенденциями развития флота.

Известно, что развитие той или иной отрасли науки и техники основывается на результатах исследований, сборе и анализе фактов, которые упорядочиваются и систематизируются (классифицируются).

В настоящее время ЭП классифицируются по ряду признаков. Развитие систем управления (СУ) ЭП и внедрение в них достижений преобразовательной техники привело к необходимости корректировки и дополнения существующих классификационных признаков.

Анализ научно-технической литературы позволяет сделать вывод об отсутствии общепринятой классификации судовых ЭП, включающей приемлемый диапазон классификационных признаков, наиболее полно характеризующих особенности отдельных ЭП. Не отражена связь судовых ЭП с общепромышленными.

Таким образом, классификация судовых ЭП, обусловленная, в первую очередь, увеличением их количества и функций, становится вынужденной необходимостью.

Развитие судостроения, ремонта и модернизации сопровождаются изменением электрификации эксплуатируемых судов, которую принято оценивать коэффициентами электровооруженности. Так как ЭП являются основными потребителями судовой ЭЭ, эти коэффициенты опосредовано характеризуют степень использования на судах ЭП.

Применяемые в настоящее время при оценке электрификации судов коэффициенты не являются достаточно объективными, так как при опережающем увеличении водоизмещении Б судов увеличения мощностей судовых генераторов

Р^сэс > они изменяются не достаточно объективно. Кроме того, при расчете и выборе числа и мощности генераторов судовой электростанции (СЭС) на стадии проектирования или модернизации судов различного назначения, представляющем достаточно сложный процесс, вводятся определенные допущения. В связи с этим мощность генераторов СЭС, а, следовательно, и коэффициенты степени электровооруженности рассчитываются с погрешностями, величины которых зависят от корректности и количества вводимых допущений.

Несмотря на относительно большое разнообразие, многие судовые ЭП в качестве основных компонентов включают в себя трехфазные асинхронные двигатели (АД), благодаря их конструктивной простоте, технологичности, относительно высоким энергетическим и эксплуатационным показателям. Для ЭП с регулируемой рабочей скоростью широко используются многоскоростные (как правило, трехскоростные) АД с отдельными или полюсопереключаемыми обмотками статора и релейно-контакторными системами управления (РКСУ).

К вероятным направлениям развития судовых ЭП, отвечающих современным требованиям, относятся: теоретические исследования и практическая реализация новых технических решений; модернизация существующих систем преимущественно для судов, находящихся в эксплуатации.

Исходя из предъявляемых требований, различные судовые ЭП обладают определенными совокупностями свойств. Наиболее важным технико-экономическим показателем качества является надежность, которая при прочих равных условиях зависит от их конструктивных особенностей, режимов и условий эксплуатации.

Для судовых автоматизированных ЭП, как технических изделий, являющихся электромеханическими системами, представляются актуальными мониторинг, анализ и повышение их надежности на стадии потребления «жизненного цикла» - при их использовании.

Непрерывный рост потребления энергоресурсов и увеличение стоимости энергии на современном этапе ставят задачу повышения энергосбережения. Эффективное использование энергетических ресурсов, включая и электромагнитную энергию, относится к приоритетным аспектам развития современной отечественной и мировой экономики.

Поскольку асинхронные автоматизированные ЭП потребляют значительную часть вырабатываемой судовой ЭЭ, положительное влияние на энергоэффективность оказывают разработанные и внедренные научно-технические решения, направленные на повышение энергетических показателей АД.

Таким образом, тема диссертационной работы, посвященная научно-обоснованным техническим решениям комплекса актуальных задач, направленных на повышение эффективности технической эксплуатации (ТЭ) (надежности) судовых ЭП, является актуальной.

Степень разработанности темы исследований. Вопросами классификации ЭП, в том числе и судовых, в разное время занимались: Андреев В. П., Богословский А. П., Китаенко Г. И., Попов В. К., Сабинин 10. А., Сандлер А. С., Сивере П. Л., Фрейдзон И. Р., Чиликин М. Г. и др.

Исследованиям электрических машин посвящены работы Адкинса Б., Воль-дека А. И., Иванова-Смоленского А. В., Казовского Е. Я., Копылова И. П., Костен-ко М. П., Мейстеля А. М., Петрова И. И., Пиотровского Л. М. и др.

На развитие теоретических разработок и практическое совершенствование ЭП, включая решение задач энергосбережения, ориентированы работы Абрамова Б. И., Башарина А. В., Браславского И. Я, Жимерина Д. Г., Мустафы Г. М., Подо-бедова Е. Г., Тихонова В. В., Шаранова И. М., Шубенко В. А., Яуре А. Г. и др.

Теория и практика электрических аппаратов нашла отражение в работах Брона О. Б., Буля Б. К., Буткевича Г. В., Гордона А. В., Залесского А. М., Кукеко-ва Г. А., Родштейна Л. А., Таева И. С., Хольма Р. и др.

Существенные результаты в развитии теории и практики надежности, включая судовые технические изделия, получены при активном участии Астахова С. В., Гольдберга О. Д., Ермолина Н. П., Жерихина И. П., Капуры К., Киреева Ю. Н., Кузнецова С. Е., Ламберсона Л., Рябинина И. А. и др.

Цель и задачи исследований. Целью исследований является совершенствование СУ судовых ЭП для повышения надежности судовых производственных механизмов на основе статистических исследований и обобщенного анализа мониторинга ТЭ судовых ЭП, модернизации с использованием элементов полупроводниковой техники основных СУ, аналитических и экспериментальных исследований, сравнительных оценок.

Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие основные задачи:

— разработана классификация судовых ЭП, включающая приемлемый для исследований диапазон классификационных признаков, наиболее полно характеризующих их индивидуальные особенности, наличие связей с общепромышленными приводами;

— выполнен анализ опыта эксплуатации с целью выявления судовых ЭП, компонентов и элементов в составе приводов, обладающих низкой надежностью, исследована структура и алгоритмы работы таких ЭП;

— разработаны теоретические и технические мероприятия, направленные на ликвидацию или уменьшение основных причин снижения эксплуатационной надежности судовых ЭП;

— создана математическая модель и выполнены аналитические исследования режимов, обусловленных технической реализацией предложенных мероприятий, направленных на повышение надежности ЭП, проведено физическое моделирование с целью проверки адекватности предложенной математической модели реальному объекту;

— выполнены исследования способов повышения энергетических показателей АД, позволяющие разработать и технически реализовать мероприятия, направленные на повышение энергосбережения при эксплуатации ЭП;

— предложена методика повышения эффективности использования контактных коммутационных аппаратов (ККА) в специальных режимах, алгоритмы расчетов и программное обеспечение;

— выполнены исследования основных положений теории надежности применительно к судовым ЭП, имеющим специфические особенности, выделены необходимые показатели надежности в пределах поставленных задач;

— разработаны теоретические модели надежности, выполнены расчеты показателей надежности эксплуатируемых и модернизированных ЭП, проведен их сравнительный анализ.

Научная новизна состоит в следующих положениях:

- создана на основе системного анализа и синтеза единая классификация судовых ЭП, отличающаяся от существующих приемлемым для исследований диапазоном классификационных признаков, наиболее полно характеризующих их индивидуальные особенности, наличием связей с общепромышленными приводами, организацией предпосылок для корректного прогнозирования основных направлений развития судовых ЭП;

- разработаны впервые для судов Дальневосточного бассейна научно-прикладные подходы к анализу эксплуатационных испытаний судовых ЭП, основанные на эффективных методах сбора и обработки статистической информации, позволяющие комплексно оценивать надежность ЭП, как технических изделий;

- выполнены теоретические и технические исследования, направленные на устранение и уменьшение основных причин образования электрической дуги у контактных коммутационных аппаратов (контакторов) СУ, снижающих эксплуатационную надежность судовых ЭП; реализация исследований в виде комбинированных систем управления (КСУ), отличающихся от известных методом управления коммутационными аппаратами, защищена свидетельством на полезную модель;

- разработана на основании обобщенных теоретических исследований математическая модель для исследований несимметричных режимов работы АД, обусловленных введением в СУ судовых ЭП силовых полупроводниковых приборов (СПП), которая нашла отражение в алгоритме, защищенном свидетельством о регистрации программ;

- разработана впервые для судовых ЭП методика расчетов элементов СУ (контакторов), позволяющая определять эффективность их функционирования в специальных режимах, алгоритмическое и программное обеспечения, защищенные свидетельствами о регистрации программ;

- определены на основании исследований основных положений теории чисел, вероятности и математической статистики, впервые законы распределения отказов автоматизированных многоскоростных электроприводов (МЭП) судов Дальневосточного бассейна;

- разработаны обобщенные модели надежности судовых МЭП с РКСУ и КСУ, отличающихся от известных синтезом и компоновкой функциональных блоков, расчетами и сравнением показателей надежности.

К практической значимости работы относятся:

- полученные впервые обобщенные результаты опыта эксплуатации автоматизированных ЭП судов Дальневосточного бассейна;

- предложенное комбинированное управление, повышающее надежность судовых МЭП, универсальность технических решений которого, имеющих внедрения заключена в возможности применения как на стадии проектирования и изготовления ЭП, так и находящихся в эксплуатации;

- результаты аналитических расчетов и экспериментальных исследований несимметричных режимов работы трехфазных АД, позволяющие оценить их опасность;

- изготовленные и внедренные технические изделия, повышающие энергетические показатели АД;

— разработанные инженерные методики и алгоритмы для определения эффективности использования ККА в специальных режимах, алгоритмы расчетов и программное обеспечение;

— полученные в результате расчетов по разработанным моделям количественные показатели надежности традиционных судовых МЭП, включающих РКСУ, и ЭП с КСУ.

Методология и методы исследований. Методология исследований при выполнении диссертационной работы обусловлена использованием для решения сформулированных задач методов теорий электрических машин и аппаратов, чисел, математической статистики, вероятностей, численных методов решения аналитических задач.

Основные положения, выносимые на защиту. К основным положениям и результатам работы, выносимым на защиту, относятся:

— концепция повышения эффективности ТЭ судовых ЭП, основанная на результатах анализа сравнительных оценок статистических исследований опыта эксплуатационных испытаний, теоретических разработок и технических реализаций основных систем ЭП, аналитических и экспериментальных исследованиях;

— классификация судовых ЭП, включающая приемлемый для исследований диапазон классификационных признаков;

— результаты анализа опыта ТЭ на стадии потребления «жизненного цикла» судовых ЭП и рекомендации по повышению их эксплуатационной эффективности;

— комбинированный способ, защищенные свидетельством, технически реализованные и внедренные изделия для ликвидации и уменьшения основных причин снижения сроков межремонтных периодов и эксплуатации ЭП на судах;

— математическая модель для аналитических исследований специальных режимов функционирования ЭП как электромеханических систем, обусловленных технической реализацией предложенных мероприятий;

— методика расчетов ККА как элементов СУ судовых ЭП, позволяющая определять эффективность их функционирования в специальных режимах, защищенное алгоритмическое и программное обеспечение;

— результаты исследований положений теорий вероятности и надежности применительно к судовым ЭП;

— методика решения задач, позволяющая выполнять расчеты показателей надежности судовых ЭП и сравнительный анализ.

Степень достоверности и апробация результатов подтверждена полученными результатами аналитических и экспериментальных исследований, их сравнительным анализом, наличием свидетельств на полезную модель и о государственной регистрации программ для ЭВМ, внедрением результатов.

Основные положения и результаты работы представлены и обсуждались на: XXIV научно-методической конференции «Проблемы высшего морского образования», г. Владивосток, 2000 г.; XXVII и XXVIII научно-методических конференциях «Проблемы управления качеством образования», г. Владивосток, 2003 г., 2004 г.; научных конференциях «Вологдинские чтения. Радиоэлектроника, информатика и электротехника», г. Владивосток, 2003 г., 2010 г.; региональной науч-

но-практической конференции «Техническая эксплуатация флота. Пути совершенствования. Флот-05», г. Владивосток, 2005 г.; шестой, седьмой, восьмой и девятой международных научно- практических конференциях «Проблемы транспорта Дальнего Востока. РЕВЯАТ-05, 07, 09, 11», г. Владивосток, 2005 г., 2007 г., 2009 г. и 2011 г.; XXIX научно-методической конференции «Обеспечение качества профессионального образования в условиях реформы высшей школы», г. Владивосток, 2005 г.; международной научной конференции «Исследования мирового океана», г. Владивосток, 2008 г.; международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы освоения биологических ресурсов Мирового океана», г. Владивосток, 2010 г.; XII Всемирном электротехническом конгрессе, г. Москва, 2011 г.; международной научно-практической конференции «Электрические аппараты и электротехнические комплексы и системы», г. Ульяновск, 2011 г.; научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и курсантов, г. Санкт-Петербург, ГМА им. адм. С.О. Макарова, 2011 г., 2012 и др.

К реализации отдельных результатов исследований относятся: используемая в учебном и научно-техническом процессе в ДВГТРУ, ДВФУ и МГУ им. адм. Г. И. Невельского (г. Владивосток) разработанная единая классификация судовых ЭП; изготовленные и внедренные для СУ ЭП переменного тока устройства бездуговой коммутации и переключения малонагруженных АД в однофазный режим.

Работа в полном объеме докладывалась на кафедре «Электрооборудование судов» МГУ им. адм. Г. И. Невельского и на кафедре «Судовые автоматизированные электроэнергетические системы» ГУМРФ им. адм. С. О. Макарова.

Основное содержание работы отражено в 70 основных публикациях (монографиях, научных статьях, свидетельствах, брошюрах и докладах на конференциях) в том числе: 7 монографиях; 27 статьях в рецензируемых научных журналах перечня ВАК.

В работах 4, 36, 38 и 41 списка соискателю принадлежит теоретическая часть; постановка задачи и обработка результатов выполнены совместно с соавторами. В 3 постановка задачи, теоретическая часть и обработка результатов выполнены совместно с соавтором. В работах 5, 7, 11, 13, 15, 17, 51, 57, 58, 59, 60, 62 и 68 соискателю принадлежит постановка задачи и теоретическая часть. Обработка результатов выполнена совместно с соавторами. В 16, 19, 22 и 35 соискателю принадлежит постановка задачи и обработка результатов; теоретическая часть выполнена совместно с соавторами.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 190 наименований. Общий объем диссертации составляет 340 страниц основного текста, включая 84 рисунка, 35 таблиц и 2 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражено современное состояние научных исследований и практические результаты в области судовых ЭП. Обоснована актуальность темы на основании преемственности исследований и существующих результатов, сформулированы цель и задачи, изложены сведения о значимости работы. Описа-

ны методы исследований, приведены основные положения, выносимые на защиту, степень достоверности и апробация результатов.

Первая глава посвящена исследованию классификационных признаков и разработке классификации судовых ЭП.

С учетом нормативных материалов на рисунке 1 представлена обобщенная структурная схема ЭП при работе электродвигателя (ЭД) в двигательном режиме.

и„1,,

(Ш»0 1С

РМ - рабочая машина; УУ - управляющее устройство; ПЭЭ - преобразователь ЭЭ; МП -механический преобразователь; ИО - исполнительный орган; ЗС - задающий сигнал; ис,1с,/с,тс — напряжение, ток, частота и число фаз питающей сети; и,1,/,т - напряжение, ток, частота и число фаз ЭД; М,со - момент на валу и угловая скорость вала электромеханического преобразователя; М„, со„, /•"„, Уп - момент, угловая скорость, сила и линейная скорость МП; Мр,Рр— момент или сила, создаваемые на ИО; юр,Ур- угловая или линейная скорости ИО; ОС - обратные связи

Рисунок 1 — Структурная схема ЭП механизма при работе ЭД в двигательном режиме

Выполненный анализ научно-технической литературы позволил сделать вывод об отсутствии единообразия при классификации судовых ЭП. До настоящего времени, несмотря на достаточно большое число классификационных признаков, приведенных в различных источниках, нет общепринятой классификации, включающей приемлемый диапазон классификационных признаков, наиболее полно характеризующих особенности отдельных судовых ЭП. Не отражена связь судовых ЭП с общепромышленными приводами, используемыми в других отраслях..

Исходя из большого разнообразия, обусловленного конструктивными и эксплуатационными особенностями, судовые ЭП целесообразно условно классифицировать по общим и специальным признакам.

С учетом особенностей и основных требований предложены классификационные признаки, используемые как средство для установления связей между су-

довыми ЭП и уточненной ориентировки в их количественном и функциональном многообразии, объединяющие судовые ЭП по характерным конструктивным и эксплуатационным особенностям и наиболее полно отражающие индивидуальную специфику, их связь с ЭП, используемыми в других отраслях хозяйственной деятельности, учитывающие как неотъемлемое свойство действительности отсутствие строгих разграничений между отдельными ЭП - рисунок 2 и рисунок 3.

СУДОвы к эл Ек П'011 рИ В()Ды

Общая классификации

Рисунок 2 - Общая классификация судовых ЭП

На рисунке 2 классификация: 1 — вариантов судовых ЭП (1.1 — по степени значимости (1.1.1 - главные, 1.1.2 - вспомогательные); 1.2 - по уровню автоматизации (1.2.1 - неавтоматизированные, 1.2.2 - автоматизированные, 1.2.3 - автоматические); 1.3 - по степени управляемости (1.3.1 - следящие, 1.3.2 - позиционные, 1.3.3 - программно-управляемые, 1.3.4 - адаптивные); 1.4 - по числу скоростей (1.4.1 - односкоростные, 1.4.2 - многоскоростные)); 2 - ПЭЭ (2.1 - по типу преобразователя (2.1.1 - дискретные, 2.1.2 - аналоговые, 2.1.3 - инверторные, 2.1.4 - импульсные); 2.2 - по технической реализации преобразователей (2.2.1 - статические, 2.2.2 - электромеханические, 2.2.3 - электромеханотронные)); 3 - электродвигательных устройств (3.1 - по принципам преобразования электрической энергии в механическую энергию (3.1.1 - электромашинные, 3.1.2 - электромагнитные); 3.2 -по роду тока (3.2.1 - постоянного, 3.2.2 - переменного)); 4 - передаточных устройств (4.1 - по способу распределения механической энергии (4.1.1 - индивидуальные, 4.1.2 - групповые, 4.1.3 — взаимосвязанные, 4.1.4 - многодвигательные); 4.2 -по типу передаточного устройства (4.2.1 - механические (4.2.1.1 - безредук-торные, 4.2.1.2 - редукторные), 4.2.2 - гидравлические); 4.3 - по регулированию координат движения (4.3.1 - нерегулируемые, 4.3.2 - регулируемые); 4.4 - по виду движения (4.4.1 - вращательного, 4.4.2 - поступательного, 4.4.3 - возвратно-

поступательного (.1 - непрерывного, .2 - дискретного)); 4.5 - по направлению движения (4.5.1 - нереверсивные, 4.5.2 - реверсивные); 4.6 - по наличию тормозного устройства (управляемой муфты) (4.6.1 — без устройства (муфты), 4.6.2 - с устройством (муфтой)); 5 — видов механических характеристик (5.1 - вращающий момент не зависит от угловой скорости; 5.2 - изменяется прямо пропорционально угловой скорости; 5.3 - изменяется пропорционально второй степени угловой скорости; 5.4 — изменяется обратно пропорционально угловой скорости; 5.5 - другие).

1.4

судовык электроприводы i

Специальная классификация

- 4.4

4.5

5.1

4.3

5.3

Рисунок 3 - Специальная классификация судовых ЭП

На рисунке 3 классификация судовых ЭП: 1 -по виду (1.1 - палубные; 1.2 -бортовые; 1.3 - машинные и системные; 1.4 - обслуживающие); 2 - по функциональному назначению; 3 — по степени ответственности (3.1 - ответственные (3.1.1 -первой категории, 3.1.2 — второй категории); 3.2 — неответственные; 3.3 - для поддержания комфортных условий; 3.4 — прочие); 4 - по режимам работы (4.1 - продолжительного; 4.2 - кратковременного; 4.3 - повторно-кратковременного; 4.4 -повторно-кратковременного с влиянием пусковых процессов; 4.5 — повторно-кратковременного с влиянием пусковых процессов и процессов электрических торможений; 4.6 - иного); 5 - по расположению рабочей оси (5.1 - вертикальные; 5.2 - горизонтальные; 5.3 - прочие); (6 - по особенностям руля (6.1 - активные; 6.2 - пассивные (6.2.1 - обыкновенные, 6.2.2 - рули-насадки))). В свою очередь рулевые ЭП с пассивными обыкновенными рулями классифицируются по форме пера руля и степени компенсации на простые, полубалансирные и балансирные. Кроме того, рулевые ЭП с пассивными обыкновенными рулями классифицируются по профилю пера руля на пластинчатые и профильные (удобообтекаемые)).

Разработанная на основе теоретического осмысления многообразия факторов классификация выражает систему, присущую отображенному действительному состоянию судовых ЭП, обуславливающую их зафиксированные свойства и отноше-

ния. Представляет собой естественную динамическую классификацию, выполненную по существенным видообразующим признакам, которая позволяет свести все разнообразие судовых ЭП к небольшому числу групп и тем самым упростить изучение и дальнейшее осмысление их развития. Стимулирует развитие теоретических аспектов исследований, способствует формированию более обоснованного подхода к развитию теории и практики судовых ЭП, позволяет делать обоснованные прогнозы относительно неизвестных еще фактов или закономерностей.

Во второй главе выполнен анализ опыта ТЭ судовых автоматизированных ЭП на основе данных по судам Дальневосточного бассейна.

Проведенные исследования основных этапов развития электрификации судов выявили особенность — возрастающее количество и многообразие судовых ЭП. В настоящее время число установленных на судах различного назначения ЭД составляет, как правило, сотни единиц, а судовые ЭП являются основными потребителями, на долю которых приходится до 90 % судовой ЭЭ.

Степень использования ЭП на судах различного назначения опосредовано характеризует электрификация судов, которую принято оценивать коэффициентами электровооруженности у и у,, определяемыми следующими формулами:

В (1) Мг - чистая грузоподъемность судна.

Сравнительный анализ показал, что коэффициент у не является достаточно объективным, так как при опережающем увеличении водоизмещений D судов увеличения активных мощностей генераторов СЭС Р^сэс, он уменьшается. Более убедительным является коэффициент у,. По результатам обработанного статистического материала произведены расчеты у, для широко используемых морских транспортных судов Дальневосточного бассейна и России.

У основных исследуемых типов судов показатели трех значений коэффициентов у, составляют: min = 0,091 - относится к контейнерным судам; шах = 0,271 — у судов для перевозки генеральных грузов.

Недостатки известных коэффициентов для оценок электрификации судов заключаются в следующем. К исходным данным при расчете мощности СЭС относится установленная мощность судового электрооборудования (СЭО) Р^сэо, режимы работы судна и т. д. Расчет числа и мощности генераторов СЭС на стадии проектирования или модернизации судов различного назначения представляется достаточно сложным процессом, обусловленным введением определенных допущений на различных стадиях. Таким образом, мощность судовых генераторов, а, следовательно, и коэффициенты у и у, рассчитываются с погрешностями, величины которых зависят от вводимых допущений.

С целью дополнения и корректировки оценочных показателей электрификации судов предложен коэффициент ß, учитывающий ^сэо и исключающий

основные погрешности расчетов мощности и комплектации генераторами СЭС:

ß = (2)

D-M, v '

Показатели расчетов трех величин коэффициентов р морских судов Дальневосточного бассейна и России имеют значения: min = 0,237 - у судов для перевозки генеральных грузов; шах = 0,781 — у судов для перевозки массовых грузов.

Анализ выполненных расчетов позволяет сделать вывод о том, что электрификация основных серий эксплуатируемых судов и степень использования судовых ЭП сопровождается изменением коэффициентов у, у, и р при отсутствии общих устойчивых тенденций и закономерностей их изменений в функции времени постройки серий судов.

Условия эксплуатации судовых ЭП специфичны и отличаются от береговых. Они подвергаются климатическим, механическим и химическим воздействиям.

Технические характеристики основных судовых ЭП и основные требования, предъявляемые к ним, регламентирует Российский морской регистр судоходства, классификационные общества других стран.

Большое многообразие числа и мощности ЭП, установленных на судах, обусловливает повышенные по сравнению с другими видами СЭО трудозатраты на их техническое обслуживание (ТО). Например, на ЭП судов серии «Капитан Гаврилов» трудозатраты составляют 36,5 % от общего объема трудозатрат на ТО СЭО и электрических средств автоматизации (ЭСА).

Все судовые ЭП с учетом их функционального назначения и количества в соответствии с разработанной классификацией (гл. 1) можно условно объединить в три основные группы.

Первая группа включает в себя ЭП режимов работ, близких к условным обозначениям S1 и S6. Время динамической работы ЭП этой группы несоизмеримо мало по сравнению со временем работы в статических режимах. К ним относятся, как правило, нерегулируемые ЭП нагнетателей машинных механизмов (топливных и охлаждающих насосов и др.), общесудовых систем (пожарных насосов, трюмных вентиляторов и т. д.), и пр.

Ко второй группе относятся ЭП режимов работ, соответствующих преимущественно условному обозначению S2. Такие приводы отличаются во многих случаях большими продолжительностями времени работы в переходных режимах. Примерами ЭП второй группы являются ряд ЭП грузоподъемных механизмов (ГПМ) общесудового назначения (траповых и шлюпочных лебедок и т. д.), якорно-швартовных механизмов (ЯШМ) (брашпилей, швартовных лебедок и т. п.), и др.

Третья группа включает в себя ЭП режимов, близких к режимам с условными обозначениями S3, S4, S5, S7 и S8. Отличительной эксплуатационной особенностью многих ЭП третьей группы, в частности ЭП грузовых лебедок и кранов, является соизмеримость по времени переходных и установившихся режимов работы.

Таким образом, в силу специфических эксплуатационных особенностей, наряду с общими требованиями, к каждой группе судовых ЭП, предъявляется комплекс обособленных требований, продиктованных условиями эксплуатации, которые выявляют актуальность повышения эффективности их функционирования.

Для выполнения анализа опыта ТЭ судовых ЭП использовался метод, основанный на сборе и обработке статистической информации в эксплуатационных условиях, являющийся наиболее эффективным, который позволяет учитывать комплексное влияние на надежность ЭП всех эксплуатационных факторов, труд-

невоспроизводимых при испытаниях, и не требует затрат на создание испытательных стендов и выполнение испытаний.

Исходя из общих принципов подхода к работе со статистическим материалом сформулированы основные принципы работы с исходными данными по судовым ЭП, к которым относится качественный анализ собранного статистического материала с целью извлечения наибольшего объема необходимой информации и обязательная проверка однородности объединяемых выборок из различных источников при необходимости объединения информации в случаях недостаточности имеющегося статистического материала отдельного источника.

Многие судовые ЭП режимов, близких к типовым Б1 и Я6, являются нерегулируемыми и нереверсивными. Такие ЭП и нерегулируемые режимов, близких к 82, компонуются, как правило, односкоростными трехфазными АД и относительно простыми СУ, включающими нереверсивные или реверсивные магнитные пускатели.

Отличительной особенностью большинства нереверсивных нерегулируемых судовых ЭП режимов, близких к БЗ, 84, 85, 87 и 88, является наличие дополнительных элементов СУ (реле давления, уровня и др.), обеспечивающих их автоматическую работу. Число отказов на один технический объект (ЭП) режимов, близких к 83, 84, 85, 87 и 88, примерно на 25 % больше по отношению к нерегулируемым приводам, работающим в режимах, близких к Б2.

В большинстве реверсивных ЭП судовых механизмов с регулируемой скоростью ориентировочного режима 82 (брашпилей, шпилей и др.) и режимов 83, 84, 85, 87 и 88 (грузовых лебедок и кранов) с механическими передаточными устройствами установлены и эксплуатируются многоскоростные асинхронные двигатели (МАД) с одной полюсопереключаемой или несколькими отдельными обмотками статора и с короткозамкнутыми или фазными обмотками ротора, что обусловлено, прежде всего, рациональными решениями для ЭД в соотношениях чисел полюсов статорных обмоток, кратностей пусковых и максимальных моментов, маховых масс и пр. СУ ЭП включают, как правило, контроллеры или РКСУ. Другие варианты, включая приводы с гидравлическими МП, составляют, например у ГПМ, около 14 % от общего числа установленных ЭП.

Эти ЭП отличаются более «тяжелыми» условиями пуска, повышенной частотой включений, широким диапазоном изменения знакопеременных нагрузок, необходимостью изменения скорости в процессе работы, электрическим торможением. Они менее надежны по сравнению с другими судовыми ЭП.

В Дальневосточном бассейне, для объема выборки, составляющего 89 судов торгового и рыбного флота, ориентировочное соотношение отказов на один ЭП первой, второй и третьей групп составляет 7 %, 24 % и 69 % - рисунок 4.

У судовых ЭП первой группы и нерегулируемых ЭП второй группы коэффициенты отказов Ка распределены как: РКСУ - 42 %; АД - 39 %; прочие - 19 %.

Основными компонентами РКСУ являются силовые контактные коммутационные аппараты (СККА), реле и кнопки управления, причем более 50 % отказов приходится на контакторы. Отказы реле и кнопок управления распределены между собой ориентировочно как 9:1.

Большинство отказов АД происходит из-за повреждения обмоток (до 95 %), причем около 15 % - вследствие несоответствия конструктивного исполнения условиям эксплуатации.

Кол-во отказов,

/о

70.0

60,0 -

40.0 -

20,0 -

50.0 -

30.0 -

10,0 -

Режимы рабо!ы

0

рвяяивН группа

8 КЯб

Ь2

Рисунок 4 - Гистограмма ориентировочных соотношений между отказами судовых ЭП основных типовых режимов работы

Для объема выборки 458 ЭД отечественного и зарубежного производства примерные соотношения основных неисправностей АД составляют: снижения сопротивления изоляции обмоток ниже допустимых норм - 39,8 %; пробои электрической изоляции на корпус, межвитковые замыкания - 24,2 %; выгорания витков обмоток - 19,0 %; обрывы обмоток - 10,9 %; повреждения подшипников и их посадочных мест - 6,1 %.

Несмотря на имеющиеся случаи отказов, ТЭ судовых ЭП первой группы и нерегулируемых приводов второй группы в основном не вызывает затруднений. Минимальное число компонентов СУ, относительно «легкие» условия работы и резервирование многих приводов предопределили их высокую надежность.

У нереверсивных нерегулируемых судовых ЭП третьей группы число отказов на один технический объект приблизительно на 28 % больше по отношению к нерегулируемым ЭП второй группы.

Отдельную подгруппу третьей группы составляют регулируемые палубные ЭП ЯШМ и ГПМ. С целью определения работоспособности основных компонентов и элементов произведен сбор и анализ статистического материала по МЭП судов различного назначения, эксплуатируемых в Дальневосточном бассейне.

Согласно выполненным расчетам долевого участия МЭП в общем потреблении ЭЭ на судах Дальневосточного бассейна, их суммарная установленная активная мощность Р-£МЭП, определяемая мощностью АД, составляет до 86,8 % от

мощности Р^сэс (У судов для перевозки массовых грузов (лесовозов)) и до 35,5 %

от установленной мощности Р^-сэо (у судов для перевозки генеральных грузов).

На некоторых из исследуемых серий судов установлены другие варианты регулируемых ЭП, мощность которых не учитывалась.

Примерные соотношения основных причин отказов МАД судовых ЭГ1 при объеме выборки 347 ЭД отечественного и зарубежного производства составляют: пробои электрической изоляции на корпус, межвитковые замыкания - 29,0 %; снижения сопротивления изоляции обмоток ниже допустимых норм - 27,5 %; вы-

горания витков обмоток - 21,3 %; повреждения подшипников и их посадочных мест - 12,2 %; обрывы обмоток - 10,0 %.

Основными общими причинами отказов судовых МАД являются недостатки процесса их производства и ТО.

Мощности судовых МАД и их конструктивные особенности предопределяют использование схемных решений СУ.

Судовые ЭП (рисунок 1) могут быть представлены тремя основными составными частями: ЭД; СУ, включающими УУ и ПЭЭ; МП.

По результатам обработанного статистического материала на рисунке 5 представлена гистограмма соотношений отказов МЭП ЯШМ и ГПМ основных типов транспортных судов, эксплуатируемых в Дальневосточном бассейне.

Кот-во

ОИОВЦЦ

%

Типы МОП

Отказы: кк - командоконтроллеров; р - реле; к - контакторов; пр - прочие

Рисунок 5 - Гистограмма соотношений среднегодовых отказов МЭП ЯШМ и ГПМ основных типов транспортных судов Дальневосточного бассейна

Анализ отказов показывает, что на долю МАД приходится относительно меньшее, по сравнению с СУ приводов, их количество. На рисунке 5 отказы ЭД отнесены к прочим отказам.

Наибольшее число отказов приходится на долю СККА. Из суммарного количества, включающего 277 отказов МЭП ЯШМ транспортных судов, отказы контакторов составляют 39,0 %, прочие, в том числе, отказы АД - 33,7 %, реле -17,0 % и командоконтроллеров (КК) - 10,3 % отказов. У ЭП ГПМ на долю контакторов приходится 40,5 % от общего числа, составляющего 491 отказ. Прочие отказы составляют 31,5%, отказы реле -17,1 %, а КК - 10,9 %.

Кроме того, отдельно изучалась работа МЭП судов рыбного флота. Установлено, что среднесуточное время работы ЭП ГПМ универсальных плавбаз (УПБ) составляет (10...15) часов, а на промысле минтая грузовые лебедки работа-

] ПМ

40,0 35,0 30,0 25,0 20.0 15,0 10,0 5,0 0

ЯШМ

ют до 20 и более часов в сутки. На всех рассматриваемых базах отмечено от одного до трех случаев приваривания подвижных главных контактов СККА к неподвижным контактам РКСУ после 12 часов интенсивной работы, случающейся от одного до трех раз в месяц. При работе ЭП ГПМ на УПБ в среднем за сутки происходит около двух отказов, для устранения которых требуется около 20 минут.

Случаи приваривания главных контактов СККА отмечены и на транспортных рефрижераторах (TP), в среднем один раз в два месяца.

Отказы ЭП ЯШМ судов рыбного флота распределены следующим образом: 37,9 % приходится на долю контакторов, по 22,7 % - на реле и прочие отказы, 16,7 % - на долю КК. Из суммарного числа, составляющего 215 отказов ЭП ГПМ, 44,5 % зафиксировано у контакторов, 24,5 % - у реле, 11,2 % - у КК. Прочие отказы составляют 19,8 % - рисунок 6.

45,0

ЯШМ

ГПМ

Рисунок 6 - Гистограмма соотношений среднегодовых отказов МЭП ЯШМ и ГПМ судов рыбного флота Дальневосточного бассейна

Как и у судов торгового флота, наибольшее число отказов у МЭП судов рыбного флота приходится на долю СККА, основной причиной которых также является электрический износ и приваривание главных контактов из-за образования электрической дуги между ними.

Другие причины отказов контакторов (до 20 % от общего числа) являются разнообразными и нетипичными - обрывы обмоток и короткозамкнутых витков магнитопроводов, повреждения вспомогательных контактов, поломки пружин и др. Встречаясь на одних судах серии, они отсутствуют на других.

Выполненный анализ опыта ТЭ ЭП судов Дальневосточного бассейна позволяет сделать вывод о пониженной надежности палубных МЭП ЯШМ (комбинированных якорных и швартовных механизмов) и ГПМ (грузовых лебедок и грузовых кранов). Наибольшее число отказов приходится на долю СККА.

Третья глава посвящена решению задач по разработке комбинированного управления, повышающего эффективность ТЭ судовых ЭП и позволяющего вырабатывать рекомендации для рационального конструирования нового судового оборудования.

Доказано, что при разработке и технической реализации мероприятий, направленных на устранение процесса дугообразования, электрическая износостойкость СККА, характеризующаяся числом циклов «включение-отключение» (ВО), может быть существенно увеличена (ориентировочно до 90 %).

Выполненный анализ основных направлений работ по ликвидации или уменьшению электрической дуги при коммутацияхх цепей позволяет сделать вывод о перспективности использования в судовых МЭП с РКСУ комбинированной последовательной коммутации, которая будет технико-экономически оправдана при условии обеспечения бездуговой коммутации группы главных контактов СККА минимальным числом силовых полупроводниковых приборов (СПП).

На основании исследований опыта ТЭ, элементных баз и схемных решений разработаны структура и алгоритмы работы судовых МЭП, включающих МАД и КСУ - рисунок 7.

АЛЛ

I

мк

п

\ КМ 3 \ КМ4 \КМ5 \ КТ

L. Г"

ЗС (2С Ос

ПК

QS

. J I_____

УКП

—i—Г

\ КГ \ КЮ \ KM4 \ KM5

OS

1_. I

ГукГ'

-J L. "Л

T ГЗС Г2С Г 1С

МК - магнитный контроллер (KM\, KM2 - главные контакты реверсивных СККА; KMi.. .КМ5 - главные контакты скоростных СККА; КТ - главные контакты СККА тормоза; а,б-варианты подключения тормоза); М - трехфазный АД (1С, 1С, 3С - скоростные обмотки; YK -тормоз (Т-обмотка тормоза); ПК - полупроводниковый коммутатор (^-силовой модуль);

Рисунок 7 - Однолинейные схемы силовых цепей судовых трехскоростных ЭП с вариантами подключения силовых модулей QS ПК

Формализуя схемы (рисунок 7), с учетом функций алгебры логики (ФАЛ), получено выражение (3), описывающее условия, определяющие состояния ЭП.

■УоС*) = Zo{X) =XQs{XKM\ V XKMj){.XKMi VXKM4 V XKMs)XKT> У\ (*) - XQS i.XKM\ V XKM2 ) (XKM3 V XKM4 V XAM5 ) ХЛТ» У г (*) = xqs (хкм\ v ) (^кмз v хкма, v XKM5 ) хлт!

= XQS (XKM\ V XKM2 ){XKM3 V XKM4 V XKMS )XKT> (3)

z|(x) = v XKM2){XKM3 v XKKi4 v xKMS)xKT"'

z2^x) = {XKMl V ){XKM3 V XKM4 v xKMS)

KT'

z3W = -*0s(*/M/l W XKM4 V XKMi)XKT-

В (3) j0(x), z0(x) - функции нерабочих состояний МЭП; -

функции рабочих состояний судового ЭП при одном направлении вращения вала ЭД (М) на первой, второй и третьей скоростях; zt(x)...z3(x) - функции включенных состояний ЭП при противоположном направлении вращения вала АД; xqs — аргумент, характеризующий состояние модуля QS; хШ1, хкиг, хкт, хШ4, хкмъ, хкт -аргументы, характеризующие состояния контактов реверсивных, скоростных и тормозного контакторов, соответственно.

С целью технической реализации силовых модулей ПК выполнен с использованием комплексного подхода, обусловленного набором эксплуатационно-технических и экономических требований, достижениями судовой электротехники на современном этапе ее развития, анализ основных схемных решений отечественного и зарубежного производства на базе широко используемых в настоящее время СПП (GTO, IGCT, SCR и симметричных тиристоров, IGBT транзисторов), позволяющий сделать вывод о том, что применительно к разрабатываемой комбинированной последовательной коммутации для судовых МЭП переменного тока частотой (50...60) Гц целесообразно использование SCR тиристоров и симисторов.

Разработан комбинированный вариант бездуговой коммутации силовых цепей МЭП, отличающийся от известных методом управления коммутационными аппаратами, основанном на сравнительном быстродействии СККА и силовых бесконтактных коммутационных аппаратов (СБКА) при их одновременном включении или выключении, позволяющем решить задачу бестокового срабатывания СККА, причем необходимо и достаточно выполнение условий:

^вкл.СККА(шах) <

'ми.СППОшп) + ^Lji

\

- при включении силовых электрических цепей;

'omK.CKKA(min) >

'вык-.СПП(тах) + Sf/

(4)

(5)

— при отключении силовых электрических цепей.

В (4) и (5) /в1С,.СККА(тах), '„„.„скклмп) - максимальное время включения и минимальное время отключения СККА; /<1К1С////(т!п), /вык Г//я(тю) - минимальное время включения и максимальное время выключения СПП; t¡, — время срабатывания

структурных звеньев СУ ПК (г, j - порядковые номера; п, т - число звеньев СУ ПК, участвующих в процессе включения или выключения СПП, соответственно).

Сбор и анализ информации по СККА отечественного и зарубежного производства, используемым на судах, исследование их характеристик, позволяют сделать следующие выводы: время 'вЮ1.с/Ж)(тах) СККА отечественного производства

равно 150 мс (у серии «КМ2000»), a tomK СККА^т]п^ с учетом сопротивления дуги р = /(0 - 20 мс (у «КТ6000»); время tm скка^™) зарубежных СККА равно 100 мс (у серии «SLA» фирмы «Siemens»), a tomK CA76,(min) большинства зарубежных контакторов с учетом р = /(/) - более 10 мс. Исключение составляют СККА «ЗТА» фирмы «Siemens» и «CN1» фирмы «Telemecanique», у которых (откСккл(тт)< '0 мс-

Время включения многих приемлемых серийно выпускаемых низкочастотных СПП teKJlCnn при частотах до 500 Гц лежит в пределах (10...40) мкс, а максимальное время их выключения 1еыкСПП^тах) при коммутациях цепей переменного

тока частотой 50 Гц составляет 10 мс.

Для случаев, когда условие (4) или (5) частично не выполняется (например, при использовании СККА «ЗТА» и «CN1»), на основе выполненных исследований динамических режимов работы коммутационных аппаратов и схемных решений СУ МЭП предложены варианты решения вопросов срабатываний СККА и СБКА в необходимой временной последовательности во всем диапазоне быстродействий.

На базе предложенной структуры и алгоритмов работы разработаны, изготовлены и внедрены на ряде судов Дальневосточного бассейна в виде отдельных блоков устройства бездуговой коммутации (УБК) силовых цепей переменного тока МЭП, являющиеся примерами технической реализации разработанной комбинированной бездуговой коммутации, повышающие эффективность ТЭ судовых ЭП, характерной особенностью которых является универсальность, обусловленная возможностью их применения как на стадии проектирования и изготовления МЭП, так и для ЭП, находящихся в эксплуатации. Авторские права на УБК защищены свидетельством на полезную модель.

В четвертой главе рассмотрены вопросы математического моделирования систем МЭП для аналитических исследований специальных режимов работы, имеющих характерные эксплуатационные особенности при технической реализации разработанной комбинированной коммутации силовых цепей.

Для комплексной оценки влияния СККА и СБКА КСУ на функционирование ЭП и влияния АД на работу силовых коммутационных аппаратов, представляются актуальными исследования основных режимов работы методами теории подобия и моделирования.

Применительно к постановке вопроса, определена целесообразность представлять судовые МЭП, как системы, включающие совокупности составных частей, которые организованы для решения определенных функциональных задач так, что две любые части взаимосвязаны некоторым системообразующим отношением. Режимами работы компонентов ЭП являются состояния, определяющиеся множеством различных переходных и установившихся процессов и зависящие от собственных параметров системы и параметров возмущающих воздействий.

Судовые ЭД функционируют, как правило, в квазисимметричных или несимметричных режимах, причины которых носят разнообразный качественный и количественный характер.

При симметричных фазных напряжениях сети к причинам несимметричных режимов работы АД относятся конструктивные технологические отклонения ЭД, специфические условия эксплуатации (гл. 2). К причинам нештатных режимов относятся также неисправности обмоток, возникающие в процессе эксплуатации, и др.

При переходных режимах работы ЭП происходят последовательные изменения параметров, обусловленные изменением начальных условий или появлением возмущающих воздействий, приводящие к отклонениям режимов от их установившихся значений. К характерным особенностям относятся электромагнитные и механические переходные процессы в ЭД, сопровождающиеся различными изменениями составляющих токов, вращающих моментов и скоростей относительно значений, соответствующих статическим режимам, значительными увеличениями пусковых токов, кратность которых у трехскоростных АД широко используемой отечественной серии «МАП» для ЭП второй группы (ЯШМ) достигает значений, близких к десяти, а для ЭП третьей группы (ГПМ) - более пяти. При отключениях наиболее «тяжелые» условия работы коммутационных аппаратов имеют место в случаях заторможенных АД, когда коммутируемые токи достигают семикратных значений. Наиболее «тяжелыми» переходными режимами ЭП, которые формируются СУ, являются реверсы, при которых ток ЭД превышает номинальные значения до 18 раз.

При неодновременном подключении фаз ЭД к источнику напряжения значения апериодической составляющей Мап момента М и знакопеременной составляющей Мт отличаются от их значений, соответствующих одновременному подключению фазных обмоток АД к сети. В случаях сдвига момента подключения одной из фаз к напряжению сети на я/4 (при частоте питающей сети fc 50 Гц - на 2,5 мс), значения составляющей момента Мзп становятся большими соответствующих значений при одновременном подключении. Подключением ЭД в областях максимумов соответствующих фазных напряжений обеспечивается равенство нулю апериодических составляющих токов. В этих случаях отсутствуют качающиеся поля, которые являются причинами возникновения составляющих момента Мзп, и форма механической характеристики ЭД о), = /(М) соответствует форме его статической характеристики (<вг — угловая скорость ротора АД).

При использовании СУ, реализующих разработанное комбинированное управление, возможно регулирование моментов подключения фазных обмоток АД к напряжению сети управляющими воздействиями СУ ПК на СПП. Таким образом, при включении ЭП можно практически свести к нулю знакопеременную составляющую момента Мзп и существенно снизить вибрацию АД при пуске.

При технической реализации разработанного комбинированного варианта бездуговой коммутации СУ включают СПП, функционирование которых увеличивает вероятность возникновения несимметричных режимов.

Для силовых модулей (^Б со встречно-параллельным соединением СПП можно выделить три основных вида несимметричных режимов: внутрифазовые, междуфазовые и общие. Все случаи таких несимметрий приводят к искажению форм кривых напряжений.

В зависимости от вида несимметрии и степени ее проявления режимы работы АД можно условно объединить в четыре группы.

Режимы первой группы возникают при технологических несимметриях или незначительных разрегулировках ПК в процессе эксплуатации. Такие эксплуатационные режимы можно отнести к квазинормальным.

Ко второй группе относятся несимметричные режимы, возникающие при разрегулировках или частичных отказах СУ, которые, нарушая нормальное функционирование, не приводят к полной потере управляемости ЭП.

В третью группу входят режимы, обусловленные пробоями одного или нескольких СПП. Из-за отсутствия постоянной составляющей и четных гармоник тока, перегрузки и искажения переменных в таких режимах незначительные.

Режимы работы четвертой группы связаны с полным закрытием одного или нескольких СПП. Они представляют наибольшую опасность для АД и ЭП в целом в связи с высокой вероятностью присутствия постоянной составляющей момента Мпс, наличие которой одновременно с двигательным режимом создает режим динамического торможения ЭД. Составляющая Мпс, как правило, вносит наибольшие искажения в механические характеристики АД, так как ее значения прямо пропорциональны значениям постоянной составляющей тока, которая ограничена только активным сопротивлениям обмоток ЭД. Оставшиеся исправными СПП будут более загруженными по току при условиях примерных равенств момента сопротивления Мс на валу АД до и после возникновения несимметричных режимов.

Таким образом, возникает необходимость моделирования ЭП как систем, обусловленная требованиями адекватного воспроизведения форм и величин кривых напряжений и токов АД в случаях несимметричных режимов по причинам отказов в виде обрывов силовых цепей СПП, с целью количественных оценок их влияния на АД и оставшиеся в работе исправные СПП.

Выявлено, что определяющее значение для эксплуатационных режимов работы МЭП имеют исследования основных процессов в ЭД. Методы исследований можно условно объединить в группы анализа и синтеза.

Обзор и анализ вариантов моделей позволяет сделать вывод о том, что для судовых МЭП при их комплексной оценке в пределах поставленных задач целесообразно использовать математическое моделирование, а с целью проверки адекватности аналитический исследований - физическое моделирование.

На начальном этапе разработки математической модели для решения выявленных задач выполнен анализ основных вариантов существующих математических моделей для расчетов электромагнитных процессов в интересующих режимах работы исследуемых систем, являющихся частными случаями систем, включающих полупроводниковые преобразователи, позволивший выделить для аналитических исследований модели с использованием методов гармонического анализа и переменных состояния.

В случае использования для аналитических исследований метода гармонического анализа принятые допущения недостаточно адекватно отображают форму кривой напряжения на выходе силового модуля (СМ), информация о которой является исходной для количественного расчета выходных характеристик. При математическом моделировании электромагнитных процессов в специальных режи-

мах для определения дополнительных углов проводимости СПП {к = 1...6) применяется итерационный метод.

Рассчитанные для конкретных сочетаний а(. и параметров нагрузки ф позволяют исследовать гармонический состав выходных характеристик СМ разложением в тригонометрический ряд Фурье.

Полное закрытие одного или нескольких СПП соответствует режиму а; = л + , что уменьшает скорость итерационного процесса, так как его сходимость зависит от степени несимметрии углов а,.. Относительная громоздкость выкладок не приводит к высокой идентификации предложенной математической модели исследуемым характеристикам.

Применение для анализа электромагнитных процессов в системах, включающих в качестве электромеханических преобразователей АД, управляемые СУ с СПП, метода переменных состояния, основано на составлении дифференциальных уравнений в матричной форме, описывающих состояние системы на каждом интервале постоянства структуры, который соответствует реальным физическим процессам в системе.

При работе системы в несимметричных режимах исходное уравнение в форме «Коши» в ортогональной системе координат а, [3 при совмещении оси фазы А статора с ортогональной осью а имеет вид

\

^ Хк=СиХн, (6)

.Юг )

где рд - оператор дифференцирования; Хн - столбцовая матица переменных для случая Л; СА - матрица параметров системы.

Значения реальных фазных токов и электромагнитных моментов в трехфазной системе координат по преобразованным значениям в а, Р осях находятся по известным выражениям.

Метод мгновенных значений на каждом интервале постоянства структуры для анализа электромагнитных процессов при несимметричных режимах является достаточно обоснованным и строгим. К его основным недостаткам следует отнести относительную сложность математического описания и большой объем алгоритмизации, которые делают достаточно трудоемкой задачу практических исследований.

Выполненный анализ в области исследований рабочих процессов при специальных режимах работы систем ЭП, включающих СПП, позволяет сделать вывод об ограниченности работ по интересующей тематике, удовлетворяющих одновременно следующим основным требованиям: достаточной степени точности воспроизведения необходимых функциональных зависимостей при относительной простоте; универсальности, характеризующейся возможностями применения моделей для различных систем; приемлемой автоматизации расчетов, заключающейся в возможности использования средств вычислительной техники.

Из различных форм записи уравнений трехфазных АД, включающих в себя дифференциальные зависимости напряжений обмоток и движений частей, при исследованиях специальных режимов наиболее целесообразна запись уравнений в ортогональной системе координат (а, р, 0), неподвижной относительно статора.

Исходное описание математической модели системы ЭП в форме, пригодной для аналитических исследований при помощи средств вычислительной техники, составляется с учетом возможностей частичного отображения объекта электрической схемой замещения, а частичного - функциональной цепью, организованной на основании аналитических выражений, и приводится к удобному для расчетов виду.

На основании предлагаемых схемных решений силовых модулей (38 (гл. 3) составляется эквивалентная схема замещения электрической части модели трехфазной системы СМ-АД (рисунок 8).

О ОЭ м

в - источник фазных напряжений

Рисунок 8 - Эквивалентная схема замещения электрической части модели трехфазной системы СМ-АД

Каждая фаза схемы замещения состоит из последовательно соединенных аналогов источника фазного напряжения ифп, активной составляющей сопротивления Яп, индуктивности Ьп и фазной электродвижущей силы (ЭДС) двигателя Еф„ (п = А, В или С). Кроме того, в фазы А и С последовательно указанным элементам включены пары встречно-параллельно соединенных СПП А,, Л2 и А3, Л4, являющиеся аналогом силовых модулей (38 КСУ судовых ЭП.

Закон изменения фазных напряжений 17фп аналогов источников (рисунок 8) выражается зависимостью

^„=^тах>п(йГ + е„), (7)

где £/тахп - амплитудные значения фазных напряжений сети; 9Я - углы сдвига между фазными напряжениями.

При постановке задачи выбора для исследований моделей <38 КСУ МЭП вид, длительность переходных процессов и потери мощности в СПП не являются определяющими. С увеличением числа учитываемых математическими моделями явлений физических объектов возрастает сложность схем их замещения, что приводит к снижению эффективности и ограниченности использования моделей. В этих слу-

чаях СПП Ау силовых модулей (^Б (рисунок 8) целесообразно представлять идеальными ключами (/= 1...4).

В случаях моделирования несимметричных режимов СУ ПК должны формировать для СПП модулей (38 логические операторы импульсов при углах открытия а,-, равных нулю, или исключать их формирование на участках прово-димостей одного или нескольких СПП, имитируемых неисправными.

Система дифференциальных уравнений АД в трехфазной системе координат в общем виде, может быть представлена следующим образом:

с1/' , (1/

= 1 4- I

г \ <г V; ' Юп

0 =

1 Т> | т гп гп гап

а? +1тп <а '

а/

(8)

В уравнениях системы (8) иХ1, едрг, ¡г - мгновенные значения напряжений статора, ЭДС ротора и токов статора и ротора; , Ьга - индуктивности рассеяния обмоток статора и ротора; Ьт - взаимная индуктивность, соответственно.

Фазный ток ротора 1т в (8) выражается через токи 1т и 1тп как

'гл ~ ^тп ' \ ч*

Аналоги активных составляющих сопротивлений фаз (рисунок 8) могут быть представлены как

Я = /? + Я

Аналоги индуктивностей обмоток фаз Ьп выражаются как

т

I, = Ь,„„ + Ь,

(10)

(И)

Индуктивности обмоток Ьтп, Ьгап и Ьтп в (10) и (11) связаны зависимостями

Агал + Алл ~ Ал' Аил + ^тп = Аг

(12)

Насыщение магнитных систем АД может учитываться по аналитическим выражениям или по кривым намагничивания, представленным в литературе.

При синусоидальном законе изменения фазных напряжений (7) выражение для определения фазных ЭДС Ефп может быть представлено в следующем виде:

Е =е

фп вргп

~г<уп ^тп J

^гол + Алл ;

(13)

где р - число пар полюсов АД.

Таким образом, уравнение электрического равновесия фазы статора системы СМ-АД (8) имеет вид:

V

Астл + Алл )

ь +ь

гоп тп /

й I

АпЛ + Алл

^вргп ^гп^тп )*

Преобразованное выражение для определения фазных ЭДС вращения е двигателя в (8) представляется как

V" + +2Ця-1))-А™('я, +2',(л-1)))- С15)

Для определения тока ¡тп, входящего в уравнения (9), (13)...(15) из первого уравнения системы (8), с учетом (9) и (12), выражается производная фазного тока статора г'Л„

которая подставляется во второе преобразованное уравнение системы (8).

В этом случае производная тока контура намагничивания гт АД выражается зависимостью

_L

& 1 г ¿ГСТ„ ,

т тп ^ , '-'тп

(ь <

V Ашл V ^стп У

к„ +

(17)

Разработанная математическая модель для аналитических исследований систем ЭП удовлетворяет комплексу основных сформулированных требований.

Пятая глава посвящена аналитическим и экспериментальным исследованиям специальных режимов работы ЭП, обусловленных наличием в СУ СПП.

При аналитических исследованиях электромагнитных и электромеханических процессов в эксплуатационных режимах судовых ЭП с СУ, содержащими СПП, представляющих собой динамические системы, необходимо определение их начального состояния.

Математическое описание (гл. 4) формирует законы, описывающие изменение состояния системы в течение времени функционирования и позволяющие исследовать нештатные режимы работы судовых ЭП.

К основным исходным константам при математическом моделировании судовых ЭП с комбинированными СУ относятся электромагнитные и механические параметры АД и производственных механизмов (ЯШМ, ГПМ и др.).

В научно-технической литературе данные по параметрам определяются аналитически или приводятся проектные для определенных серий ЭД. Однако даже выпускаемые однотипные ЭД серии имеют диапазон разброса фактических параметров по отношению к паспортным, определяемый техническими условиями. Кроме того, в судовых ЭП используются различные ЭД как отечественного, так и зарубежного производства, необходимые паспортные данные которых не всегда отражены в технической документации.

Таким образом представляется актуальной задача расширения возможностей определения параметров трехфазных АД, используемых в судовых ЭП.

На основании известных и полученных аналитических выражений разработан алгоритм расчета параметров схемы замещения трехфазных АД.

По разработанному алгоритму составлена на языке программирования «Visual Basic 6.0» и зарегистрирована программа для ЭВМ, выполнены расчеты параметров Rs, Хт, Rm, Хт, R'r, Х'га схемы замещения трехскоростных АД серии «МАП», широко используемых в судовых МЭП ЯШМ и ГПМ.

Сравнительный анализ результатов расчетов параметров обмоток статора АД по предлагаемой методике и соответствующих справочных данных показал, что расхождение расчетных и справочных данных составляет (0,9...24,8) % — у Rm обмотки первой и Х!га второй скорости ЭД «МАП622-4/8/16», соответственно.

Предлагаемая методика дополняет и расширяет возможности определения основных параметров трехфазных АД, используемых в судовых ЭП.

Исходное описание, отражающее математическую модель трехфазной системы CM-АД для автоматизированных исследований специальных режимов работы судовых ЭП включает аналитические выражения (7)...(17).

При изменяющемся моменте сопротивления Мс на валу ЭД в функциональную часть аналога системы CM-АД вводятся звенья, описывающие уравнения электромагнитного момента Мом трехфазных АД

Мэ, = ^Кп (',(„-,)г™ - hJr(n-l) )' ( 1 8)

и уравнение движения ротора при принятии допущения M3V ~ М:

с р At

В этом случае

ю, = J [SpLm„ (/,(„_,)'„ - Ur(„-i)) - Мс)

Е

At.

(19)

(20)

Эквивалентная схема математической модели для исследований специальных режимов работы ЭП представлена на рисунке 9.

imi — '.(»-If

. Л

ъ

¿7

V, Ъ

A'ni 1,0,-и—*

Рисунок 9 - Эквивалентная схема математической модели для исследований специальных

режимов работы ЭП

На рисунке 9: К к2=Кгг

^¡ап^гап + Аот Аля + АтаАст

п Аот . ь. =_Р_. и __

тТ 3 Я' 4~1 Т

¿„„+д.

*7 =Ас

к« = 2(1^+ьг,п)' К ки=ЛрЬт„; кп=-4зРЬт

кп =му; V

А™+А„

По представленной модели при помощи пакета программ и языка программирования «Ма^аЬ 7» аналитически исследовались наиболее вероятные нештатные установившиеся режимы работы системы СМ-АД с АД типа «А02-41-4»: при одном (А2) и двух (А1, Аг) отключенных СПП в фазе А - рисунок 8.

С целью проверки адекватности математической модели реальному объекту разработана и создана физическая модель системы СМ-АД для экспериментальных исследований специальных режимов работы ЭП, на которой экспериментально исследованы нештатные режимы при одном (УБ2) и двух (УБ1, И52) отключаемых во время работы ЭП СПП, аналогичные режимам работы, исследованным аналитически - рисунки 10 и 11.

им 536 &

Рисунок 10 - Осциллограммы переходного и установившегося режима работы ЭП системы СМ-АД при отключении тиристора У5"2

Рисунок И - Осциллограммы переходного и установившегося режима работы ЭП системы СМ-АД при отключении тиристоров KV1 и VS1

Сравнительный анализ результатов аналитических и экспериментальных исследований ЭП показал, что для режима с одним отключенным СПП в фазе наименьшее расхождение, составляющее 0,5 %, имеет зависимость иА= f(t), а наибольшее (7,6 %) - зависимость iA = /(/). Для режима с двумя отключенными СПП в фазе, соответствующего однофазному, наименьшее расхождение (0,5 %) имеет зависимость иА= fit), а наибольшее (7,7 %) - зависимость iB = f(t).

Кроме того, на экспериментальной установке выполнено физическое моделирование восьми переходных и установившихся специальных режимов работы ЭП системы СМ-АД при различных комбинациях отключаемых СПП.

Анализ результатов исследований ЭП системы СМ-АД позволяет сделать вывод о том, что при всех исследованных специальных режимах работы наблюдается увеличение фазного тока асинхронного ЭД и наличие постоянной составляющей тока, создающей дополнительный тормозной момент.

Наименее опасным является режим при одном отключенном СПП в фазе. Минимальное амплитудное значение фазного тока в этом случае составляет 1,1 от амплитудного значения трехфазного режима. Наиболее опасным, но менее вероятным представляется режим при трех отключенных во время работы СПП. Максимальное амплитудное значение фазного тока в этом режиме увеличивается более шести раз относительно штатного трехфазного режима. В других несимметричных режимах фазный ток изменяется в пределах от 1,3 до 3,2 относительно значений при трехфазном режиме.

Пуск АД во всех специальных режимах представляет повышенную опасность для силового модуля ПК и ЭД из-за значительного увеличения фазных токов (до 15,2 раза относительно тока трехфазного).

Исключение составляет режим, когда отключены два СПП в одной фазе (VS\ и VS2) во время работы ЭП. В этом случае трехфазный АД работает в режиме однофазного питания.

Мощность трехфазного АД в режиме однофазного питания может достигать ориентировочно 60 % от его номинальной мощности. Трехфазному АД при однофазном питании присущи основные недостатки однофазных ЭД: отсутствие пускового момента; пониженное использование активных материалов; меньшие, по сравнению с трехфазным режимом, энергетические показатели. Однако, при работе трехфазного АД с коэффициентом загрузки к3, меньшим 0,5, его перевод в однофазный несимметричный режим в ряде случаев может оказаться целесообразным. К особенностям однофазных режимов работы АД в области малых нагрузок относится повышение cos(p двигателей при примерном равенстве t| трехфазного и однофазного режимов.

По результатам исследований при помощи программного обеспечения «MathCAD Professional» смоделированы зависимости энергетических показателей двигателя «А02-41-4» (coscp = /(Р), cos<p, = f(P), r\=f(P) и r\l=f (Р)) в трехфазном и однофазном режимах - рисунок 12.

0.9 0.S6 0.SL 0,77 0.72 0.6S 0.63 0.59 0.54 cus'p 0,5 сояр, 0_4J

Ч, 0.41 0,36 0.32 0,27 0.23 О, IS 0.14 0.09 0,045 О

0.2 0.3Я 0.56 0.74 0.92 1,1 |,2Я 1,46 1,64 1.К2 2 0,29 0.47 0,65 0.83 1.01 1,14 1,37 1,55 1.73 1,91 Р

1 - coscp = /(У); 2 - СОЗФ, = f(P); 3 - л = f(P); 4 - л, = f(P) Рисунок 12 - Расчетные графики зависимостей энергетических показателей АД типа «А02-41-4»

При работе трехфазного АД в режиме однофазного питания его характеристики можно улучшить за счет подключения к обмоткам статора конденсаторов.

При исследованиях однофазных режимов работы трехфазных АД отмечена особенность, связанная с тенденцией роста значений совф с увеличением подключаемых к схеме фазных обмоток статора АД емкостей конденсаторов при незначительном изменении КПД в области малых нагрузок, составляющих до 40 % от номинальной трехфазного режима. Таким образом, с точки зрения энергетических показателей, в области малых нагрузок использование трехфазного АД в однофазном режиме при определенных условиях более экономично, что подтверждено проведенными экспериментальными исследованиями. По результатам исследований несимметричных режимов работы ЭП разработаны и внедрены устройства автоматического переключения малонагруженного АД в однофазный режим.

В шестой главе разработана методика и алгоритмы расчетов СККА для их функционирования в условиях бездуговой коммутации.

При работе контакторов в специальных режимах, обусловленных условиями бездуговой коммутации, отличен от стандартных режимов подход к их расчету и проектированию, обусловленный переносом на бесконтактные аппараты вопросов, связанных с токовой коммутацией электрических цепей.

До настоящего времени СККА не могут быть в достаточной степени описаны комплексом взаимосвязанных математических уравнений, позволяющим перейти к применению вычислительной техники для расчета и проектирования аппаратов в целом. При расчетах по эмпирическим формулам необходимо учитывать то, что они базируются на ограниченных опытных данных и применимы с определенной степенью точности в пределах проведенных исследований.

При решении задачи целесообразности использования для специальных бездуговых режимов коммутаций электрических цепей СККА, рассчитанных для работы с образованием электрической дуги, альтернативным вариантом представляется применение серийно выпускаемых, в частности, однотипных электромеханических аппаратов меньшей величины с возможной корректировкой исходных данных.

Выполненный анализ позволяет сделать вывод о недостаточности работ по данной тематике. На основании анализа функционирования СККА сформулированы основные функционально-технические, эксплуатационные, экономические, технологические и производственные требования, предъявляемые к контактным аппаратам, предназначенным для работы в условиях бездуговой коммутации. Определены основные этапы расчета однотипных контакторов, к которым относится расчет контактных систем, электромагнитные расчеты, построение необходимых зависимостей и анализ полученных результатов с целью определения возможностей использования СККА в условиях бездуговой коммутации.

Анализ основных моделей контактов, позволяет сделать вывод о целесообразности использования при расчетах контактных систем моделей «Хольма», в основу которых положена идеализированная картина контактирования двух изотропных проводников.

По результатам исследований предложена методика и разработаны алгоритмы расчетов контактных систем контакторов для сферических и эллиптических моделей контактов, основной целью которых является расчет для заданных значений токов 1К необходимых сил полезных сопротивлений , больших полученных значений сил контактного нажатия или суммарных сил отброса

контактов , включающих электродинамические силы F3Ó, силы за счет пинч-

эффекта Fon и локального нагрева Fm, обусловленных максимально допустимым током цепи 1кт. Алгоритмическое и программное обеспечения методики защищены свидетельством о регистрации программ.

При технической реализации разработанных КСУ у типовых контакторов при бездуговой коммутации электрических цепей существенно уменьшается весовой износ контактов.

К основным численным методам решения задач теории поля относятся методы вторичных источников, интегральный, конечных элементов и комбинированные. Развитие средств вычислительной техники на современном этапе позволило создать достаточно совершенные конечно-элементные компьютерные программы («ANSYS», «ELCUT», «FEMM» и др.).

Анализ магнитных систем различных электромагнитных контакторов позволяет сделать заключение об их относительной простоте. В этих случаях при решении поставленных задач представляется целесообразным использование уравнений теории цепей.

При работе СККА в условиях бездуговой коммутации определяющим становится расчет контактных систем в замкнутом состоянии при протекании тока. В этом случае с целью определения возможностей аппарата в первую очередь необходим расчет тягового усилия FT при 5 = 5П ~ 0, которое в общем случае определяется как

где Рзм - электромагнитная сила; сила веса подвижных частей; Рс - сила сопротивления.

Сила Рзч определяется на основании рассмотрения энергетического баланса или взаимодействия полей, создаваемых токами обмоток.

Обоснованные методы расчета сил тяжести подвижных частей ^ и сопротивления Рс приведены в литературе.

В случае выполнения условия > (/^ ) и РТ > 0 следует считать,

что рассматриваемый аппарат будет работоспособен в условиях бездуговой коммутации при заданном токе I, большем тока /„.

При < (Р^ ) изменяются исходные данные аппаратов, после чего производится повторный расчет контактных систем и тягового усилия РТ во всем диапазоне изменения величины хода якоря (при 5 = уаг).

Необходимо отметить, что если в случае дуговой коммутации электрических цепей тяговая характеристика Рзм = /(5) (Мэм = /(ср)) при отключении, исходя из теории гашения электрической дуги, должна находиться в определенных пределах, то при бездуговой коммутации это обстоятельство является второстепенным. Основное разнообразие в форму тяговых характеристик вносят конструктивные особенности магнитопроводов СККА.

На основании выполненных исследований разработана методика и алгоритмическое обеспечение, защищенные свидетельством о регистрации программ

(22)

для ЭВМ.

Произведены по разработанной методике и алгоритмам расчеты для работы в специальных режимах контакторов серии «КМ2000» и «КТ6000».

Анализ полученных результатов расчетов, к основным из которых относится увеличение температуры в месте контактирования 0„ на 33 °С и на 41 °С, уменьшение массы на 1,4 кг и на 0,1 кг (с 3,7 кг до 2,3 кг и с 6,5 кг до 6,4 кг) и размеров (с 230x135x122 мм до 210x135x103 мм и с 216x380x177 мм до 209х 380x177 мм) - у контакторов «КМ2351» и «КМ2312», «КТ6023» и «КТ6013», соответственно, показал, что при использовании серийно выпускаемых контакторов в комбинированных системах управления, включая разработанные и технически реализованные, для бездуговой коммутации цепей на заданное значение тока /, целесообразна замена исследованных контакторов на однотипные меньшей величины.

Седьмая глава посвящена расчету надежности судовых ЭП.

К важным решаемым задачам надежности судовых МЭП относится исследование отказов их элементов и компонентов, определение необходимых показателей надежности и их количественная оценка, сравнительный анализ эксплуатируемых и технически реализованных на основе разработанных КСУ.

По результатам анализа опыта эксплуатации, организованного в соответствии с ЫГГГ планом наблюдений, установлено, что большинство отказов судовых ЭП по характеру процесса проявления характеризуются как внезапные, происходящие под воздействием достаточно большого числа различных факторов. Последовательность отказов наступает в случайные моменты времени и рассматривается как поток случайных событий, обладающий свойствами стационарности, ординарности и отсутствия последствия.

Выполненные исследования основных положений теории надежности применительно к судовым ЭП, имеющим специфические особенности, не позволяют в полной мере интерпретировать методы, основательно разработанные для других технических устройств.

С целью выявления статистических закономерностей по данным эксплуатационных испытаний составлены таблицы распределения отказов и построены вариационные ряды среднегодовых отказов компонентов и элементов компонентов судовых ЭП с РКСУ второй и третьей групп судов торгового флота. По результатам обработанных табличных данных рассчитаны и построены двенадцать графических зависимостей полигонов отказов компонентов и элементов компонентов МЭП ЯШМ и ГПМ судов торгового флота. На рисунке 13 в качестве примера представлен рассчитанный полигон отказов СККА исследуемых МЭП ЯШМ (комбинированных якорных механизмов)

где \>0, ц* - частота и частность отказов; па - среднегодовое число отказов МЭП.

Анализ законов распределения случайных величин, используемых для построения теоретико-вероятностных моделей отказов судовых МЭП второй и третьей групп, позволяет для рассматриваемых случаев отнести к приоритетным закон распределения «Пуассона», описываемый выражением

У0(ц*) = /(И0),

(23)

где а — определяемый параметр; т - число интервалов.

22 20 18 161412108 -6 4

ИЛИИ-021-ав-0.160.14-

ai2-

СШ9-(«17-«15-(181-

и

Ш

-t

■ к- 0,9543

A-

1,0

6,0

¿-интервальная разность Рисунок 13 - Полигон отказов СККА ЭП якорных механизмов судов торгового флота

Для проверки нулевой гипотезы Н0 о правильности выбора закона распределения отказов МЭП ЯШМ и ГПМ расхождением между эмпирическими и теоретическими распределениями использован -критерий согласия «Пирсона».

В этом случае мера расхождения и между эмпирическими и теоретическими частотами отказов определяется как

/=1 Pi

(25)

где пор1Лы, порр1 — эмпирические и теоретические частоты, соответственно.

В качестве параметра а для (24), являющегося математическим ожиданием отказов МЭП, принимается несмещенная и состоятельная оценка по выборке

(26)

По табличным значениям и графическим данным при помощи программного обеспечения «Stat Plus 2009» определен параметр а закона распределения «Пуассона» (24) и %2-критерий согласия «Пирсона» (25) для отказов МЭП ЯШМ и ГПМ.

Для ЭП ЯШМ параметр а имеет значения от 2,35 до 3,27 (у КК и СККА комбинированных якорных устройств), ГПМ - от 3,29 до 4,09 (у реле и КК грузовых лебедок). Расчетный х2-критерий «Пирсона» соответствует: 1,89 - для прочих отказов судовых МЭП швартовных устройств при числе степеней свободы г = 4; 13,23 — для отказов КК комбинированных якорных устройств при г = 5; 1,49 — для отказов СККА и 13,24 - реле грузовых лебедок при г = 4.

Для рассчитанного числа степеней свободы г, исходя из условия

— Хг;а > (27)

подтверждающего, что гипотеза Н0 не противоречит эксплуатационным данным, определен уровень значимости критерия а и критическое значение %г-а •

Анализ результатов позволяет сделать вывод о том, что распределение отказов судовых МЭП ЯШМ и ГПМ подчиняется закону «Пуассона». При этом условие (27) для ЭП ЯШМ выполняется на уровне значимости критерия а в пределах (0,01 ...0,70), а для ГПМ - в пределах (0,01 ...0,80).

Для определения надежности исследуемых судовых ЭП с РКСУ, исходя из того, что отказ любого структурного звена (рисунок 1) приводит к отказу ЭП, предложена модель, включающая последовательно соединенные элементы — рисунок 14.

УС - устройства сопряжения

Рисунок 14 - Структурная модель надежности судового ЭП с РКСУ

К основным случайным величинам фазового пространства состояний системы ЭП относятся их работоспособные состояния и отказы.

/ех

(28)

[У,

где У(/) - текущее состояние ЭП в момент времени ?; У - работоспособные состояния ЭП; хр1 — длительность /-го работоспособного состояния ЭП (г = 1,2,3...А:); У - неработоспособные состояния ЭП; хы - длительностьу'-го отказа (у = 1,2,3.../); (к, I — суммарное число работоспособных состояний и отказов ЭП на стадии потребления «жизненного цикла», соответственно).

Фазовое пространство состояний ЭП, как восстанавливаемой системы, при условии независимости отказов элементов и компонентов элементов судовых МЭП имеет вид:

= {Ууу'Упээ>Уэд>У\1п>Уус)> = ( Ууу > ^пээ > У-эд > ^МП' ^ус )!

^ПЭЭ' УЭД' У МП > Уус )

^3 =

ПЭЭ'^ЭД'^МП >Уус )> У4 ~ ( Ууу' У/

У5 ~ ( Ууу > У/7ЭЭ > У'ЗД > У МП > Уус

Ув =

(29)

1УУ 'УпЭЭ'^эд ,УМП ,Уус ^

В случае принятии допущения о «пуассоновском» потоке распределения отказов судовых МЭП второй и третьей групп, с учетом несовместимости состояний, исследуемые процессы могут быть отнесены к «марковским».

Вероятность Рк нахождения ЭП (рисунок 14) в / возможных состояниях Y¡ (29) (и = 6) описывается системой уравнений «Колмогорова»:

<1 г ЛРП{ О

с1/

а/

¿1 <1Ру4С) ¿1 ¿Ру6(0

а/

В стационарном режиме МЭП

dt

0; Zp»=L

(31)

На основании имеющихся данных по эксплуатационным испытаниям судовых МЭП, обработанных с учетом основных принципов подхода к работе со статистическими данными, выделены показатели надежности, расчет которых является необходимым и достаточным в пределах решения поставленных задач. К ним относится наработка на отказ Та, параметр потока отказов со, вероятность безотказной работы Ямэп, время восстановления твс, коэффициент готовности К и коэффициент технического использования Кти .

Имеющийся материал, обработанный с учетом основных принципов подхода к работе со статистическими данными, позволяет выявить количественные характеристики и закономерности необходимых и достаточных показателей надежности.

При расчете показателей надежности использовался метод опытной оценки по результатам состояний исследуемых судовых ЭП в реальных эксплуатационных условиях. Полученные количественные показатели рассчитывались на основании метода однофакторного дисперсионного анализа.

В соответствии с постулатом «Гаусса», наиболее вероятными значениями исследуемых показателей являются их среднеарифметические значения. В этом случае, в частности при расчете параметра со и времени Т0 судовых МЭП с РКСУ серии, составляющей пс судов

1

1

ь

м

y=i ы

"у ы

Vi

Т\о<; — '

1

ь

h I

" 2-, 2j iojf

J=1 ы

T\oj ~ У, An/;' m tf

(32)

(33)

В формулах (32) и (33) г - условный порядковый номер случайного события (/=1 ...т; т = 4); у - условный порядковый номер группы событий пс, определяемой количеством исследуемых судов серии.

ВБР Яхмэп для разработанной модели надежности исследуемых МЭП с РКСУ второй и третьей групп (рисунок 14) представляется как

Я,Шя(0 = ехр

V о f

< 1 i ¡Кууу

V о

<ехр

ч о

Jw(')d/ ехР -J*- о\УС (/)d /

где =со ~ const.

Зависимость ВБР РКСУ Rlcy представляется в следующем виде:

я,СУ (0 = Кокг (0ЛВКг(0К,шч (ОКлич (О х р!

х П (КкгР, (О Кц.ичр! (')Кк:шР, Шпичщ (О) х

рЫ1

ят пп

ПЭпк

(0)х (35)

пу—1 лА=1

к/

Л/СГм (О ^вл-л; (О Кнмчт (О К КЭШ (ОЛЛМ1/„, (0 ) х

С/» СП

УСс!

УСс* (О).

Техническая реализация разработанных КСУ МЭП (гл. 3) предполагает функциональную корректировку СУ ЭП, обусловленную введением в них ПК.

С учетом предложенного группирования отказов, на рисунке 15 представлена разработанная структурная модель надежности КСУ регулируемых судовых ЭП второй и третьей групп.

ОКГ, ВКГ — основные и вспомогательные контактные группы КК; НМЧ, ПМЧ — неподвижные и подвижные механические части КК; КГр1 - контактная группа /и-го реле; НМЧР1, ПМЧР1 - неподвижные и подвижные механические части /и-го реле; КЭМР,■ - катушка электромагнитного механизма /)/-го реле; ПЭфк - прочие элементы СУ («У - порядковый номер однотипного элемента СУ; пк - номер группы однотипных элементов СУ); ЭСУ - электронная СУ ПК; ГКГ„ — главная контактная группа т-го СККА; НМЧ„•, ПМЧ,к,- - неподвижные и подвижные механические части /а-го СККА; КЭМк, - катушка электромагнитного механизма га-го СККА; УСфк - с/-ое УС (ск - порядковый номер группы однотипных УС ЭП).

Рисунок 15 - Структурная модель надежности КСУ судовых МЭП второй и третьей групп

Зависимость ВБР судовых МЭП с КСУ представляется выражением I ^ г , \ г ,

Л2АГ5//(0 = ехр

хехр

V о

-^20кк{*)& ехР -\КЛ1)А1 ехР

о У Ч о

' Л ( '

\К,„{')А' ехр -¡X

оТФБ (')Ч'

В (36) Х2оКК — интенсивность отказов КК, Х2оГ - реле, Ъ2<>сккл ~ СККА, Х2оП - прочих элементов, У.оЪФБ - ПК КСУ судовых МЭП второй и третьей групп.

При расчете надежности МЭП с КСУ использованы априорные показатели надежности. Расчет надежности ПК выполнялся с учетом методики нормирования и оценки показателей надежности электронных устройств.

По результатам аналитических исследований при помощи средств вычислительной техники рассчитаны основные характеристики показателей надежности исследуемых судовых МЭП второй и третьей групп с РКСУ и КСУ. Графические результаты автоматизированных расчетов применительно к типам судов во временном диапазоне, соответствующем математическому ожиданию наработки на отказ Т]оТ эксплуатационных испытаний, представлены на десяти рисунках.

Анализ результатов расчетов показателей надежности судовых ЭП, позволяет сделать следующие основные выводы.

Наработка на отказ Т1оТ у судовых МЭП с РКСУ ЯШМ заключено в пределах (3,0... 11,0) ч. Наименьшее значение Т1оТ, равное 3,0 ч, относится к швартовным лебедкам судов для перевозки массовых грузов (рисунок 16) и брашпилям ТР, а наибольшее, составляющее 11,0 ч — к ЭП брашпилей железнодорожных (ж/д) паромов. У ЭП ГПМ значения Т1оТ составляют (5,2...9,3) ч. Наименьшее значение Т1оТ (5,2 ч) принадлежит грузовым кранам, а наибольшее (9,3 ч) - грузовым лебедкам судов для перевозки массовых грузов (рисунок 17).

1,0 0,9 о,К 0.7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

Ядп/Д',,)

0

т

/ > *

/ / / ^

/ / / * >

/ / / / /

/ / / / / Л7 0 N

/ / / / / / N

/ / / / / / / / / / / к

/ 1 / / / / / / / / X > к к

х к V / т2иГ = 2.01 X X

А х 0,98 А / / / / / /() ,42 к V

/ ^ / / >• 36! V, \

0.96 ' К / / ^ / / / X -о. Г2 / > "V.

/ / л ч Ъл }П 0 / / / / / / / / / / / /

Л / 0.94 ' У / / / / / Т. - X 1 <И)/ / / / / / / /

/ / / / / / / / / / / / / /

А / 0.92 ' К , Я]лол<0 ' А Л / / / / / / / / / / / / / /

/ / / / ч \ / / / / / / / / / / /\ / / /

А , 0.90: ' / / / / / / / / / / / / / / / / / /

/ м. 1" ,0.2' ,0.3' 1 ,0 4' / / / / / / / / / / / /

<,„ ч

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Рисунок 16 - Характеристики безотказности швартовных лебедок судов для перевозки массовых грузов

1,0

0,9

0,8 0,7

0,6

0.5

0,4

0,3

0,2

п | / у ' ч _/ tL.iL _

"'/"У|Л)Н,»:ПАИЛ>.ИП О/1Л.21/7Т7ТГ ,<пН

0 1.0 2,0 3,0 4,0 5.0 6,0 7,0 8.0 9,0 10,0 Рисунок 17 - Характеристики безотказности грузовых лебедок судов для перевозки массовых грузов

Наработка на отказ Т2от у судовых МЭП с технически реализованными КСУ ЯШМ имеет значения (3,5...13,4) ч и относится к ЭП швартовных лебедок судов для перевозки массовых грузов и брашпилей ТР, брашпилей судов для перевозки массовых грузов и ж/д паромов. У ЭП ГПМ время Т2оТ составляет (6,3... 11,5) ч и принадлежит грузовым кранам и грузовым лебедкам судов для перевозки массовых грузов, соответственно.

ВБР Я, ю„ (/) имеет значения 0,9 у МЭП с РКСУ ЯШМ при времени Т[т) Ч от 0,3 ч у швартовных лебедок судов для перевозки массовых грузов, брашпилей УПБ и ТР до 1,2 ч у брашпилей ж/д паромов, у ГПМ - от 0,5 ч у грузовых кранов до 0,9 ч у грузовых лебедок судов для перевозки массовых грузов и УПБ.

Значения 0,9 имеет К2юп (0 У МЭП с КСУ ЯШМ при Т2К09 от 0,4 ч у швартовных лебедок судов для перевозки массовых грузов, автопассажирских (а/п) паромов, брашпилей УПБ и ТР до 1,4 ч у брашпилей паромов ж/д, у ГПМ — от 0,7 ч у грузовых кранов судов для перевозки массовых грузов и грузовых лебедок ТР до 1,1 ч у лебедок судов для перевозки массовых грузов и грузовых лебедок УПБ.

Время восстановления т1дсТ ЭП с РКСУ ЯШМ и ГПМ составляет (0,6...0,7) ч.

У МЭП ЯШМ и ГПМ с технически реализованными КСУ судов рыбного флота время т2всГ равно (0,5...0,6) ч.

Рассчитанные значения коэффициента готовности КХгт МЭП с РКСУ ЯШМ составляют: ЯШМ - (0,81 ...0,95) швартовных лебедок судов для перевозки массовых грузов и брашпилей ж/д паромов; ГПМ - (0,88...0,93) грузовых кранов, лебедок судов для перевозки массовых грузов и УПБ, соответственно.

«„■Ж)

N

ч

/ /

/ / / \

/ / /

\

/ / У / / / VI \ ч

/ / У / Л оГ - 6,19 ч V

/ -1, / / 00: / У / / / / / N ч >

\ ч •>

** \ ),4 к» 51

У / хЧ

Л , 0,96 ' У У / /1 К. 0.340' > ^ ч

У / / > шли / / / / /

А / 0.94 ' К У / / / Л Я Ч / / / / /

У Л N ч 5,6 9

Л / 0.92 х К У / / / / X \ч N 1,Т /

У / У У / / / X \ ч У У У / /

А / 0,90 У / У У / / / / \ \ ч У У У / /

У ,0,2' ,0.4- ,0.6- ,0,87 ,1,0' Л 2' У У / /

1.0 2,0 3,0 4,0 5.0 6,0 7,0 8.0 9,0 10

Коэффициент готовности К2гТ МЭП с КСУ ЯШМ равен (0,85...0,96) - у швартовных лебедок судов для перевозки массовых грузов и ж/д паромов, (0,91...0,96)-у грузовых кранов и лебедок судов для перевозки массовых грузов и УПБ, соответственно.

Коэффициент технического использования КЫит МЭП с РКСУ второй и третьей групп ЯШМ количественно изменяется в пределах: (0,43...0,63) - брашпилей УПБ и паромов ж/д; (0,79...0,89) — грузовых кранов судов для перевозки массовых грузов, грузовых лебедок ТР и УПБ.

Коэффициент К2тиТ МЭП с КСУ ЯШМ равен: (0,43...0,63) - брашпилей УПБ и судов для перевозки массовых грузов, паромов ж/д; (0,80...0,90) - грузовых кранов судов для перевозки массовых грузов и грузовых лебедок УПБ, соответственно.

Расчетами подтверждено, что техническая реализация разработанного комбинированного управления повышает надежность исследуемых ЭП.

Заключение содержит основные результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных на основании обобщенного мониторинга эксплуатации, системного анализа и синтеза, сравнительных оценок, включающие решение комплекса актуальных задач, направленных на повышение надежности судовых ЭП, относящейся к определяющим факторам эффективности ТЭ СЭО.

В соответствии с поставленными задачами получены следующие основные научные результаты.

1. Разработана классификация судовых ЭП, отличающаяся от известных приемлемым для исследований диапазоном классификационных признаков, наиболее полно характеризующих индивидуальные особенности, наличием связей с общепромышленными ЭП, предназначенная для использования как средство установления связей между ЭП и уточненной ориентировки в их количественном и функциональном многообразии. Выражает систему, присущую отображенному действительному состоянию судовых ЭП, обуславливающую их зафиксированные свойства и отношения, организацию предпосылок для корректного прогнозирования основных направлений их развития.

Предложенная классификация, являясь естественной динамической классификацией, выполненной по существенным видообразующим признакам, представляет собой в развернутом виде картину современного состояния судовых ЭП, способствует формированию более обоснованного подхода к развитию теории и практики, стимулирует развитие теоретических аспектов исследований.

2. Выполнен анализ и произведены расчеты основных оценок электрификации судов различного назначения, являющихся неотъемлемой частью показателей развития судостроения, опосредованно характеризующих степень использования на судах ЭП. У основных исследуемых типов судов показатели трех значений коэффициента у, составляют: минимальный - 0,091 (у контейнерных судов); максимальный - 0,271 (у судов для перевозки генеральных грузов).

С целью дополнения и корректировки оценочных показателей электрификации судов предложен коэффициент р, отличающийся от известных учетом суммарной установленной мощности СЭО и исключающий основные погрешности расчетов мощности и комплектации генераторами СЭС. Рассчитанные показа-

тели трех значений коэффициента р у серий судов составляют: минимальный -0,237 (у судов для перевозки генеральных грузов); максимальный — 0,781 (у судов для перевозки массовых грузов).

Электрификация основных серий эксплуатируемых судов сопровождается изменением существующих и предложенного коэффициентов электрификации при отсутствии общих устойчивых тенденций и закономерностей их изменений в функции времени постройки серий судов.

3. Выполнены впервые комплексные исследования более десятилетнего опыта ТЭ ЭП судов Дальневосточного бассейна, по результатам которых выявлено, что к судовым приводам пониженной надежности относятся МЭП ЯШМ и ГПМ.

Рассчитанная суммарная установленная активная мощность МЭП ЯШМ и ГПМ Р-£МЭП, без учета других вариантов регулируемых ЭП, относительно суммарной мощности СЭС Р-£СЭС, составляет до 86,8 %, и до 35,5 % - от установленной мощности СЭО Р^сэо ■

4. Выполнен анализ режимов функционирования и возникающих отказов исследуемых МЭП, отличающийся от существующих объемом выборки, составляющем 89 судов, и направленностью, обусловленной выполненными комплексными исследованиями. Наибольшее число отказов МЭП приходится на долю СККА СУ и составляет 39,0 % от общего среднегодового числа отказов ЭП ЯШМ и 44,5%-ГПМ.

Установленными основными сериями контакторов судовых МЭП являются отечественные «КМ2000» и «КТ6000», зарубежные «SLA», «OKYM» и др.

К наиболее тяжелым режимам работы СККА относятся реверсы и повторные включения в сеть трехфазных АД, токи которых могут превышать номинальные значения до 18 раз, что приводит к повышенному износу главных контактов СККА, в первую очередь, по причине возникновения процессов дугообразования в переходных режимах.

5. Развит на основании выполненных исследований и полученных данных разработанный вариант комбинированной бездуговой коммутации силовых цепей МЭП, отличающийся от известных методом управления, основанном на сравнительном быстродействии контактных и бесконтактных коммутационных аппаратов, и универсальностью, обусловленной возможностью применения как на стадии проектирования и изготовления ЭП, так и находящихся в эксплуатации.

Техническая реализация разработанного комбинированного управления защищена свидетельством на полезную модель. Позволяет увеличить эксплуатационный ресурс СККА до десяти раз, поскольку в условиях бездуговой коммутации их ресурс определяется пределом механической износостойкости.

К технически реализованным примерам разработанной комбинированной коммутации относятся разработанные, изготовленные и внедренные на судах Дальневосточного бассейна в виде отдельных блоков УБК силовых цепей МЭП.

6. Выполнены методами теории подобия и моделирования исследования основных режимов работы судовых ЭП, отличающиеся от известных комплексной оценкой влияния комбинированных схемных решений управления на функционирование ЭП и влияния ЭП на условия работы СККА.

Разработана математическая модель для аналитических исследований, удовлетворяющая основным сформированным требованиям и обеспечивающая достаточную универсальность, реализация которой нашла отражение в алгоритмическом обеспечении, защищенном свидетельством о регистрации программ. По выходной информации, представляющей результаты автоматизированных расчетов, построены графики основных зависимостей для рассматриваемых режимов.

Создана физическая модель ЭП с целью проверки адекватности математической модели реальному объекту и количественной оценки опасности возникновения несимметричных режимов, на которой выполнено моделирование возможных режимов при различных комбинациях имитируемых неисправными СПП.

Во всех исследованных случаях амплитудные значения фазных токов увеличиваются относительно амплитуд фазных токов штатных трехфазных режимов. К менее опасным статическим относится режим при одном неисправном СПП. Минимальное амплитудное значение фазного тока в этом случае увеличивается в 1,1 раза. Наиболее опасным, но менее вероятным, является статический режим при трех неисправных СПП. Максимальное амплитудное значение фазного тока в этом режиме возрастает в 6,1 раза. При пусках трехфазного АД в нештатных режимах увеличение фазных токов достигает 15,2 раза. Результаты исследований основных зависимостей представлены в виде осциллограмм.

При сравнительном анализе аналитических и экспериментальных исследований сходимость результатов составила: наименьшее расхождение - 0,5 % (зависимость фазного напряжения иА = /(*); наибольшее - 7,7 % (зависимость фазного тока ¡в = /(/))).

Установлено, что к особенностям однофазных режимов работы трехфазных АД относится повышение их соБф в области малых нагрузок, составляющих до 40 % от номинальной трехфазного режима работы при примерном равенстве КПД трехфазного и однофазного режимов. Энергетические характеристики ЭД в области малых нагрузок можно улучшить за счет определенного подключения к фазным обмоткам статора емкостных сопротивлений. По результатам исследований разработаны и внедрены устройства автоматического переключения малона-груженных АД в однофазный режим.

7. Развита оригинальная методика расчетов СККА для их работы в специальных режимах, включающая расчеты, построение необходимых зависимостей и анализ полученных результатов с целью определения возможностей использования контактных аппаратов в условиях бездуговой коммутации.

В случаях, если при притянутом якоре результирующие силы (моменты) полезных сопротивлений (Мпс^. ) не меньше суммарных сил (моментов)

контактного нажатия ), сил (моментов) отброса (М^ ) и тяговое

усилие (момент) Рт (Мт) положительны, следует считать, что рассматриваемый аппарат будет работоспособен в условиях бездуговой коммутации при заданном токе /, большем номинального паспортного значения тока 1Н контактора. При невыполнении одного из условий изменяются исходные данные СККА, после чего производится повторный расчет контактных систем и тягового усилия (момента) Рт (Мт) во всем диапазоне изменения величины хода якоря.

Разработаны алгоритмическое и программное обеспечения методики, защищенные свидетельствами о регистрации программ.

Произведены расчеты широко используемых контакторов серии «КМ2000» и «КТ6000», к основным результатам которых относится наибольшее увеличение температуры в месте контактирования Эп на 41 °С, уменьшение массы на 1,4 кг, а также размеров с 230x135x122 мм до 210x135x103 мм и с 216x380x177 мм до 209x3 80х х177 мм, соответственно. Следовательно, при использовании серийно выпускаемых контакторов в КСУ, включая разработанные и технически реализованные для бездуговой коммутации цепей на заданное значение тока I, целесообразна замена исследованных контакторов на однотипные меньшей величины.

8. Выполнены исследования основных положений теории надежности, отличающиеся от известных специфическими особенностями судовым ЭП, которые не позволяют в полной мере интерпретировать методы, разработанные для других технических устройств, на основании которых рассчитаны и построены полигоны отказов компонентов и элементов судовых МЭП ЯШМ и ГПМ.

Анализ основных законов распределения случайных величин, используемых для построения теоретико-вероятностных моделей, и сопоставление их с рассчитанными и построенными полигонами отказов исследуемых ЭП позволяет отнести к приоритетным закон распределения Пуассона. Для вычисленного числа степеней свободы г гипотеза Нп не противоречит экспериментальным данным по определенному критическому значению критерия согласия Пирсона Хг,а на уровне

значимости критерия а для МЭП ЯШМ - (0,01.. .0,70), а для ГПМ - (0,01.. .0,80).

9. Выделены на основании данных эксплуатационных испытаний судовых МЭП ранее не применявшиеся в таком сочетании показатели надежности, расчет которых является необходимым и достаточным в пределах решения поставленных задач: параметр потока отказов со; наработка на отказ Та; вероятность безотказной работы Ямэп', время восстановления твс; коэффициент готовности Кг и коэффициент технического использования Кти .

10. Разработаны оригинальные структурные модели надежности исследуемых судовых ЭП как восстанавливаемых изделий при частичном разукрупнении которых предложены модели надежности для расчетов и сравнительного анализа показателей надежности РКСУ и КСУ. Представлено математическое описание фазовых пространств состояний МЭП.

11. Вычислены впервые для судов Дальневосточного бассейна необходимые и достаточные в пределах поставленных задач показатели надежности исследуемых судовых ЭП.

При укрупнении групп судов до уровней типов значения параметра потока отказов ю1Г исследуемых МЭП с РКСУ составляют (333,3...90,9)' 10"3 1/ч, а ю2Г ЭП с КСУ-(285,7...74,6)40° 1/ч.

Наработка на отказ Т]от ЭП с РКСУ заключена в пределах (3,0... 11,0) ч, а с технически реализованными КСУ наработка Т2оТ имеет значения (3,5... 13,4) ч.

ВБР ЭП с РКСУ Л1Ш/7(/) имеет значения 0,9 при времени Ттч (0,3... 1,2) ч, а МЭП с КСУ - при времени Г2Ж)9 от 0,4 ч до 1,4 ч.

Время восстановления xUcT ЭП с РКСУ ЯШМ и ГПМ составляет (0,6...0,7) ч, а с технически реализованными КСУ время т2всГ равно (0,5. ..0,6) ч.

Рассчитанные значения коэффициента Кит МЭП с РКСУ составляют (0,81...0,95), а К2гт ЭПсКСУ (0,85...0,96).

У МЭП с РКСУ второй и третьей групп коэффициент KlmuT количественно изменяется в пределах (0,79...0,89),а К2тит ЭП с КСУ - в пределах (0,80...0,90).

12. Установлено впервые для МЭП судов Дальневосточного бассейна, что при технической реализации разработанного комбинированного управления ЭП параметр шг уменьшается от 12 % до 22 %, время ТоТ увеличивается на (21...29) %, ВБР Кшп(0 для фиксированных значений времени Т1оТ увеличивается в диапазоне (14...25) %, время восстановления хдсТ уменьшается на (10... 18) %, значения коэффициента Кгт увеличиваются от 1 % до 5 %, а Ктит составляют до 2 %.

Таким образом, при внедрении разработанных и технически реализованных на основе выполненных исследований изделий, улучшаются технико-экономические показатели судовых МЭП, комплексно повышающие эффективность ТЭ СЭО.

Список работ, опубликованных по теме диссертации. К списку основных работ относятся 70 публикаций.

Перечень трудов в изданиях, рекомендованных для публикаций ВАК

1. Бурков, А. Ф. Динамические режимы работы коммутационных аппаратов [Текст] / А. Ф. Бурков // Транспортное дело России. - М.: Московская правда. -2005. - Спец. вып. № 3. - С. 100-102.

2. Бурков, А. Ф. Электрификация судов и ее основные характеристики [Текст] / А. Ф. Бурков // Транспортное дело России. - М.: Московская правда. -2005. - Спец. вып. № 3. - С. 108-109.

3. Бурков, А. Ф. Электропривод амортизирующей лебедки, компенсирующей влияние качки судна на буксируемый подводный объект [Текст] / А. Ф. Бурков, К. В. Чупина // Транспортное дело России. - М.: Московская правда. - 2006. -Спец. вып. № 7. - С. 62-64.

4. Бурков, А. Ф. Общая характеристика специальных режимов работы судовых электроприводов [Текст] / А. Ф. Бурков, К. В. Чупина // Транспортное дело России. -М.: Московская правда. - 2006. - Спец. вып. № 11. -Ч. II. - С. 21-23.

5. Бурков, А. Ф. Математическая модель для анализа некоторых электромагнитных процессов в электродвигателях переменного тока [Текст] / А. Ф. Бурков, К. В. Чупина // Транспортное дело России. - М.: Московская правда. - 2006. -Спец. вып. № 11. - Ч. II. - С. 24-25.

6. Бурков, А. Ф. Первые отечественные судовые электроприводы [Текст] / А. Ф. Бурков // Транспортное дело России. - М.: Московская правда. - 2006. -Спец. вып. № 11. - Ч. IV. - С. 86-91.

7. Бурков, А. Ф. Развитие электротехники в XVIII веке [Текст] / А. Ф. Бурков, В. Н. Юрин // Транспортное дело России. - М.: Московская правда. - 2006. -№ 12.-Ч. 2.-С. 12-15.

8. Бурков, А. Ф. Исследования в области магнетизма и электричества до конца XVII века [Текст] / А. Ф. Бурков // Транспортное дело России. - М.: Московская правда. - 2006. -№ 12. - Ч. 2. - С. 15-16.

9. Бурков, А. Ф. К вопросу исследования специальных режимов работы судовых электроприводов [Текст] / А. Ф. Бурков // Транспортное дело России. - М.: Московская правда. - 2006. -№ 12. - Ч. 2. - С. 30-34.

10. Бурков, А. Ф. Первый судовой электропривод [Текст] / А. Ф. Бурков // История науки и техники. - М.: Научтехлитиздат. - 2008. -№ 2. - С. 27-30.

11. Бурков, А. Ф. Проблемы использования контактных коммутационных аппаратов в электроприводах судовых вспомогательных механизмов и некоторые пути их решения [Текст] / А. Ф. Бурков, Н. Д. Крицкий // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - Новосибирск: Новосиб. гос. акад. водн. тр-та. - 2009. - № 2. - С. 425-427.

12. Бурков, А. Ф. Анализ математических моделей для аналитических исследований режимов работы электроприводов судовых вспомогательных механизмов [Текст] / А. Ф. Бурков // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - Новосибирск: Новосиб. гос. акад. водн. тр-та. - 2009. - № 2. - С. 427-433.

13. Бурков, А. Ф. Расчет контактных систем контакторов при их работе в условиях бездуговой коммутации [Текст] / А. Ф. Бурков, Н. Д. Крицкий // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - Новосибирск: Новосиб. гос. акад. водн. тр-та. - 2009. — № 2. - С. 433-437.

14. Бурков, А. Ф. Методика и алгоритм расчета параметров двигателей судовых электроприводов [Текст] / А. Ф. Бурков // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - Новосибирск: Новосиб. гос. акад. водн. тр-та. -2011.-№ 1.-С. 324-328.

15. Бурков, А. Ф. Методика электромагнитных расчетов контакторов, работающих в условиях бездуговой коммутации [Текст] / А. Ф. Бурков, Н. Д. Крицкий // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. — Новосибирск: Новосиб. гос. акад. водн. тр-та. - 2011. — № 1. — С. 328-331.

16. Бурков, А. Ф. Анализ показателей электрификации судов [Текст] / А. Ф. Бурков, С. Е. Кузнецов // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - Новосибирск: Новосиб. гос. акад. водн. тр-та. - 2011. - № 1. — С. 331-336.

17. Бурков, А. Ф. Анализ отказов судовых электроприводов [Текст] / А. Ф. Бурков, С. Е. Кузнецов // Эксплуатация морского транспорта. - СПб.: Гос. мор. акад. им. адм. С. О. Макарова. - 2011. -№ 3(65). - С. 49-54.

18. Бурков, А. Ф. Разработка классификации судовых электроприводов [Текст] / А. Ф. Бурков // Эксплуатация морского транспорта. - СПб.: Гос. мор. акад. им. адм. С. О. Макарова. -2011. -№ 4(66). - С. 62-66.

19. Бурков, А. Ф. Техническая эксплуатация электроприводов судовых вспомогательных механизмов [Текст] / А. Ф. Бурков, С. Е. Кузнецов // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - Новосибирск: Новосиб. гос. акад. водн. тр-та. - 2012. - № 1. - С. 419-423.

20. Бурков, А. Ф. Оценка количественных характеристик надежности судовых электроприводов [Текст] / А. Ф. Бурков // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - Новосибирск: Новосиб. гос. акад. водн. тр-та. — 2012. — № 1. - С. 423-426.

21. Бурков, А. Ф. Основные системы электроприводов судовых вспомогательных механизмов [Текст] / А. Ф. Бурков // Научные проблемы транспорта Си-

бири и Дальнего Востока. - Новосибирск: Новосиб. гос. акад. водн. тр-та. - 2012. -№ 1. - С. 426-429.

22. Бурков, А. Ф. Повышение эффективности технической эксплуатации судовых электроприводов [Текст] / А. Ф. Бурков, С. Е. Кузнецов // Эксплуатация морского транспорта. - СПб.: Гос. мор. акад. им. адм. С. О. Макарова. - 2012. - № 2(68). - С. 66-70.

23. Бурков, А. Ф. Оценка электрификации судов [Текст] / А. Ф. Бурков // Транспорт Российской Федерации. - СПб.: Т-ПРЕССА. - 2013. -№ 2(45). - С. 76-78.

24. Бурков, А. Ф. Исследование эксплуатационных режимов судовых палубных многоскоростных электроприводов [Текст] / А. Ф. Бурков // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - Новосибирск: Новосиб. гос. акад. водн. тр-та. - 2013. - № 1. - С. 254-256.

25. Бурков, А. Ф. Анализ опыта эксплуатации судовых электроприводов [Текст] / А. Ф. Бурков // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - Новосибирск: Новосиб. гос. акад. водн. тр-та. - 2013. - № 1. - С. 257-260.

26. Бурков, А. Ф. Особенности расчета надежности судовых электроприводов [Текст] / А. Ф. Бурков // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - Новосибирск: Новосиб. гос. акад. водн. тр-та. - 2013. - № 1. - С. 260-263.

27. Бурков, А. Ф. Оценка надежности судовых электроприводов [Текст] / А. Ф. Бурков // Морской вестник. - СПб: МорВест. - 2013. - Спец. вып. № 2(11). - С. 83-88.

Монографии

28. Бурков, А. Ф. История электротехники до конца XIX века. Электрические машины [Текст]: монография / А. Ф. Бурков. - Владивосток: Морск. гос. ун-т им. адм. Г. И. Невельского, 2006. — 154 с.

29. Бурков, А. Ф. Возникновение и развитие судовых электроприводов до конца XIX века [Текст]: монография / А. Ф. Бурков. - Владивосток: Морск. гос. ун-т им. адм. Г. И. Невельского, 2006. - 145 с.

30. Бурков, А. Ф. Специальные режимы работы контактных коммутационных аппаратов [Текст]: монография / А. Ф. Бурков. - Владивосток: Морск. гос. ун-т им. адм. Г. И. Невельского, 2007. - 55 с.

31. Бурков, А. Ф. Развитие судовых электроприводов [Текст]: монография / А. Ф. Бурков. - Владивосток: Морск. гос. ун-т им. адм. Г. И. Невельского, 2007. -117 с.

32. Бурков, А. Ф. История отечественных судовых электроприводов [Текст]: монография / А. Ф. Бурков. - Владивосток: Дальневост. гос. техн. рыбохоз. ун-т, 2008.-380 с.

33. Бурков, А. Ф. Повышение эффективности технической эксплуатации судовых электроприводов [Текст]: монография / А. Ф. Бурков. - Владивосток: Морск. гос. ун-т им. адм. Г. И. Невельского, 2011. - 417 с.

34. Бурков, А. Ф. Надежность судовых электроприводов [Текст]: монография / А. Ф. Бурков. - Владивосток: Дальневост. федеральный ун-т, 2014. - 180.

Патенты и свидетельства

35. Свид. на полезную модель 5672 Российская Федерация, 6 Н 01 Н 9/30, 9/54. Устройство комбинированной бездуговой коммутации цепей переменного тока [Текст] / Бурков А. Ф., Осокин Б. В.; заявитель: Дальневост. гос. мор. акад. им.

адм. Г. И. Невельского; обладатель свидетельства: Бурков А. Ф. - № 95111081; за-явл. 28.06.95; опубл. 16.12.97, Бюл. № 12.

36. Свид. о гос. регистрации программы для ЭВМ 2012617172 Российская Федерация. Программа расчета контактных систем контакторов при условиях бездуговой коммутации (для эллиптической модели контактов) [Текст] / Бурков А. Ф., Крицкий Н. Д.; правообладатели: Бурков А. Ф., Крицкий Н. Д. - № 2012614722; зарег. 09.08.2012.

37. Свид. о гос. регистрации программы для ЭВМ 2012617171 Российская Федерация. Алгоритм расчета параметров трехфазных асинхронных ЭД по данным опыта холостого хода и номинального режима [Текст] / Бурков А. Ф.; правообладатель: Бурков А. Ф. - № 2012614723; зарег. 09.08.2012.

38. Свид. о гос. регистрации программы для ЭВМ 2013611671 Российская Федерация. Электромагнитные расчеты контактных коммутационных аппаратов при притянутом якоре для функционирования в специальных режимах [Текст] / Бурков А. Ф., Крицкий Н. Д.; правообладатель: Морск. гос. ун-т им. адм. Г. И. Невельского. -№ 2012661293; зарег. 30.01.2013.

Работы, опубликованные в других изданиях

39. Бурков, А. Ф. Расчет контакторов при работе в условиях бездуговой коммутации [Текст] / А. Ф. Бурков // Сбор, науч.-техн. конф. - Мурманск: Мур-манс. высш. инж. мор. уч-ще, 1991. — Ч. II. — С. 154-155.

40. Бурков, А. Ф. Основные направления развития электроприводов судовых подъемно-транспортных машин и устройств [Текст] / А. Ф. Бурков // Сбор, науч.-техн. конф. - СПб.: НТОС им. акад. А. Н. Крылова, 1993. - С. 21.

41. Бурков, А. Ф. Повышение надежности судовых грузоподъемных механизмов [Текст] / А. Ф. Бурков, А. В. Исаков, Б. В. Осокин, Н. В. Сгребнев, Чуев Г. И. // Сбор, науч.-техн. конф. - Одесса: Одес. гос. мор. акад., 1993. - С. 14.

42. Бурков, А. Ф. Анализ режимов работы электроприводов палубных механизмов [Текст] / А, Ф. Бурков // Морское образование на Дальнем Востоке: современное состояние и перспективы развития: Сбор, межвуз. науч.-техн. конф. -Владивосток: Дальневост. гос. мор. акад. им. адм. Г. И. Невельского, 1996. - С. 29.

43. Бурков, А. Ф. Судовые автоматизированные электроприводы [Текст]: брошюра / А. Ф. Бурков. - Владивосток: Морск. гос. ун-т им. адм. Г. И. Невельского, 2004. - 168 с.

44. Бурков, А. Ф. Некоторые проблемы эксплуатации судовых электроприводов и пути их решения [Текст] / А. Ф. Бурков // Техническая эксплуатация флота. Пути совершенствования. Флот-05: Сб. докл. регион, науч.-практ. конф. - Владивосток: Морск. гос. ун-т им. адм. Г. И. Невельского, 2005. - С. 145-149.

45. Бурков, А. Ф. Обзор основных систем электроприводов на судах [Текст] / А. Ф. Бурков // Проблемы транспорта Дальнего Востока. РЕВЯАТ-05: Мат. шестой междунар. науч.-практ. конф. - Владивосток: Дальневост. отд. Рос. акад. тр-та, 2005. - С. 42-43.

46. Бурков, А. Ф. Анализ работы судовых электроприводов с регулируемой скоростью [Текст] / А. Ф. Бурков // Проблемы транспорта Дальнего Востока. БЕ-ВЯАТ-05: Мат. шестой междунар. науч.-практ. конф. - Владивосток: Дальневост. отд. Рос. акад. тр-та, 2005. - С. 72-74.

47. Бурков, А. Ф. Особенности эксплуатации коммутационных аппаратов на судах [Текст] / А. Ф. Бурков // Проблемы транспорта Дальнего Востока. РЕВЯАТ-07: Сбор, пленар. докл. седьмой междунар. науч.-практ. конф. — Владивосток: Дальневост. отд. Рос. акад. тр-та, 2007. - С. 53-54.

48. Бурков, А. Ф. Перспективы развития судовых электроприводов [Текст] / А. Ф. Бурков // Проблемы транспорта Дальнего Востока. РЕВЛАТ-07: Сбор, пленар. докл. седьмой междунар. науч.-практ. конф. - Владивосток: Дальневост. отд. Рос. акад. тр-та, 2007. - С. 55-56.

49. Бурков, А. Ф. Расчет контактных систем контакторов, работающих в условиях бездуговой коммутации [Текст] / А. Ф. Бурков // Проблемы транспорта Дальнего Востока. РЕВЛАТ-07: Сбор, пленар. докл. седьмой междунар. науч.-практ. конф. - Владивосток: Дальневост. отд. Рос. акад. тр-та, 2007. - С. 58-60.

50. Бурков, А. Ф. Анализ эксплуатации судовых электроприводов [Текст] / А. Ф. Бурков // Исследования Мирового океана: Мат. Междунар. науч. конф. -Владивосток: Дальневост. гос. техн. рыбохоз. ун-т, 2008. - С. 244-247.

51. Бурков, А. Ф. Особенности работы контактных коммутационных аппаратов в условиях бездуговой коммутации [Текст] / А. Ф. Бурков, Н. Д. Крицкий // Науч. труды Дальрыбвтуза. - Владивосток: Дальневост. гос. техн. рыбохоз. ун-т,

2008.-Вып. 20.-С. 162-167.

52. Бурков, А. Ф. Судовые электроприводы [Текст]: брошюра / А. Ф. Бурков. — Владивосток: Дальневост. гос. техн. рыбохоз. ун-т, 2009. — 224 с.

53. Бурков, А. Ф. Применение метода гармонического анализа к исследованиям режимов работы электродвигателей переменного тока [Текст] / А. Ф. Бурков // Науч. труды Дальрыбвтуза. — Владивосток: Дальневост. гос. техн. рыбохоз. ун-т,

2009.-Вып. 21,-Ч. 1.-С. 175-182.

54. Бурков, А. Ф. Автоматизированные судовые электроприводы [Текст]: брошюра / А. Ф. Бурков. - Владивосток: Морск. гос. ун-т им. адм. Г. И. Невельского, 2009.-241 с.

55. Бурков, А. Ф. Методика расчета контактных систем контактных коммутационных аппаратов при работе в условиях бездуговой коммутации [Текст] / А. Ф. Бурков // Проблемы транспорта Дальнего Востока. РЕВГ1АТ-09: Мат. восьмой междунар. науч.-практ. конф. - Владивосток: Дальневост. отд. Рос. акад. тр-та, 2009.-С. 12-14.

56. Бурков, А. Ф. Электроприводы судов рыбного флота [Электронный ресурс]: брошюра / А. Ф. Бурков. - Владивосток: Дальневост. гос. техн. рыбохоз. ун-т, 2009.-5,14 Мб.

57. Бурков, А. Ф. Анализ способов коммутации цепей переменного тока [Текст] / А. Ф. Бурков, Н. Д. Крицкий // Актуальные проблемы освоения биологических ресурсов Мирового океана: Мат. Междунар. науч.-техн. конф. - Владивосток: Дальневост. гос. техн. рыбохоз. ун-т, 2010. - Ч. 1. - С. 278-280.

58. Бурков, А. Ф. Пример расчета контакторов для работы в условиях бездуговой коммутации [Текст] / А. Ф. Бурков, Н. Д. Крицкий // Актуальные проблемы освоения биологических ресурсов Мирового океана: Мат. Междунар. на-уч.-техн. конф. - Владивосток: Дальневост. гос. техн. рыбохоз. ун-т, 2010. - Ч. 1. -С. 281-283.

59. Бурков, А. Ф. Основные направления работ по повышению эксплуатационных характеристик судовых электроприводов с регулируемой рабочей скоростью [Текст] / А. Ф. Бурков, Н. Д. Крицкий // Науч. труды Дальрыбвтуза. - Владивосток: Дальневост. гос. техн. рыбохоз. ун-т, 2010. - Вып. 22. - Ч. 1. - С. 200-203.

60. Бурков, А. Ф. Методика расчета коммутирующих контактов при работе контакторов в условиях бездуговой коммутации [Текст] / А. Ф. Бурков, Н. Д. Крицкий // Вологдинские чтения. Радиоэлектроника, информатика и электротехника: Сбор. науч. конф. - Владивосток: Дальневост. гос. техн. ун-т, 2010. — С. 12-17.

61. Бурков, А. Ф. Существующие классификации судовых электроприводов [Текст] / А. Ф. Бурков // Проблемы транспорта Дальнего Востока. РЕВ11АТ-]1: Мат. девятой междунар. науч.-практ. конф. - Владивосток: Дальневост. отд. Рос. акад.тр-та, 2011.-С. 144-145.

62. Бурков, А. Ф. Математическое описание магнитных систем контакторов [Текст] / А. Ф. Бурков, Д. Н. Крицкий // Проблемы транспорта Дальнего Востока. РЕВЛАТ-П: Мат. девятой междунар. науч.-практ. конф. — Владивосток: Дальневост. отд. Рос. акад. тр-та, 2011. - С. 144-145.

63. Бурков, А. Ф. Эксплуатационные особенности судовых электроприводов [Текст] / А. Ф. Бурков // Проблемы транспорта Дальнего Востока. РЕВ11АТ-11: Мат. девятой междунар. науч.-практ. конф. - Владивосток: Дальневост. отд. Рос. акад. тр-та, 2011.-С. 181-182.

64. Бурков, А. Ф. Электроприводы судов торгового и рыбного флота [Текст]: брошюра в 2 ч. / А. Ф. Бурков. — Ч. 1. — Владивосток: Морск. гос. ун-т им. адм. Г. И. Невельского, 2011. - 194 с.

65. Бурков, А. Ф. Электроприводы судов торгового и рыбного флота [Текст]: брошюра в 2 ч. / А. Ф. Бурков. - Ч. 2. - Владивосток: Морск. гос. ун-т им. адм. Г. И. Невельского, 2011. - 182 с.

66. Бурков, А. Ф. Расчет параметров трехфазных асинхронных двигателей [Текст] / А. Ф, Бурков // Науч.-техн. сбор. - СПб.: Российский морской регистр судоходства, 2011. - С. 263-272.

67. Бурков, А. Ф. Оценка количественных характеристик надежности судовых электроприводов [Текст] / А. Ф. Бурков // Проблемы транспорта Дальнего Востока. РЕВЯАТ-П: Сбор, пленар. докл. девятой междунар. науч.-практ. конф. -Владивосток: Дальневост. отд. Рос. акад. тр-та, 2011. — С. 68-71.

68. Бурков, А. Ф. Особенности коммутационного управления судовых электроприводов [Текст] / А. Ф. Бурков, Н. Д. Крицкий // Проблемы транспорта Дальнего Востока. РЕВЯАТ-П: Сбор, пленар. докл. девятой междунар. науч.-практ. конф. - Владивосток: Дальневост. отд. Рос. акад. тр-та, 2011. - С. 74-76.

69. Бурков, А. Ф. Перспективы развития судовых электроприводов [Текст] / А. Ф. Бурков // XII Всемирный электротехнический конгресс: Сбор. тез. докл. — М.: 2011.-С. 78-79.

70. Бурков, А. Ф. Гибридные электрические аппараты в системах управления судовых электроприводов [Текст] / А. Ф. Бурков // Электрические аппараты и электротехнические комплексы и системы: Мат. междунар. науч.-практ. конф. -Ульяновск: Ульян, гос. техн. ун-т, 2011. С. 28-30.

Бурков Алексей Федорович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНИЧЕСКОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ СУДОВЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Уч.-изд. л. 2,1. Формат 60 х 84/16 Тираж 100 экз. Заказ № 148

Отпечатано в типографии ИПК МГУ им. адм. Г. И. Невельского 690059 Владивосток, ул. Верхнепортовая, 50а

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова»

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНИЧЕСКОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ СУДОВЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы (технические науки)

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

На правах рукописи

05201 451349

Бурков Алексей Федорович

Научный консультант: Кузнецов С. Е., доктор технических наук, профессор

Санкт-Петербург - 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................6

1 РАЗРАБОТКА ЕДИНОЙ КЛАССИФИКАЦИИ СУДОВЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ.....................................................................15

1.1 Классификация общепромышленных электроприводов.............................15

1.2 Эксплуатационные особенности и основные требования, предъявляемые к судовым электроприводам..........................................18

1.3 Разработанная классификация судовых электроприводов...........................21

1.3.1 Общие сведения............................................................................21

1.3.2 Общая классификация судовых электроприводов..................................23

1.3.3 Специальная классификация судовых электроприводов..........................30

1.4 Выводы........................................................................................37

2 АНАЛИЗ ОПЫТА ТЕХНИЧЕСКОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

СУДОВЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ.....................................................39

2.1 Использование электроприводов на судах.............................................39

2.1.1 Общие сведения............................................................................39

2.1.2 Обзор основных систем судовых электроприводов

и их компонентов.............................................................................46

2.2 Анализ опыта эксплуатации судовых электроприводов.............................56

2.2.1 Основные положения технической эксплуатации

судовых электроприводов..................................................................56

2.2.2 Анализ опыта технической эксплуатации судовых электроприводов.........59

2.3 Выводы........................................................................................84

3 РАЗВИТИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СУДОВЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ.....................................................................90

3.1 Исследование систем управления электроприводов.................................90

3.1.1 Общие сведения...............................................................................90

3.1.2 Обзор и анализ способов коммутации электрических цепей переменного тока электроприводов......................................................94

3.2 Гибридные системы управления судовых электроприводов......................99

3.2.1 Силовая часть комбинированных систем управления многоскоростных электроприводов...............................................................................99

3.2.2 Элементные базы и схемы силовых модулей полупроводниковых коммутаторов.....................................................................................101

3.2.3 Динамические режимы работы коммутационных аппаратов...................106

3.2.4 Комбинированные системы управления многоскоростных электроприводов........................................................................................113

3.2.5 Пример технической реализации комбинированных систем...................120

3.3 Выводы.......................................................................................125

4 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ

РЕЖИМОВ СУДОВЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ.....................................130

4.1 Общая характеристика. Методы исследований эксплуатационных

режимов работы судовых электроприводов...........................................130

4.2 Динамические эксплуатационные режимы работы судовых электроприводов............................................................................134

4.3 Статические эксплуатационные режимы работы судовых электроприводов............................................................................139

4.3.1 Статические симметричные режимы работы судовых электроприводов............................................................................140

4.3.2 Статические несимметричные режимы работы судовых электроприводов............................................................................142

4.4 Анализ работ в области математического моделирования несимметричные режимов электроприводов.........................................149

4.5 Динамическая система электроприводов при исследованиях несимметричные режимов работы.......................................................158

4.5.1 Моделирование трехфазных асинхронных электродвигателей..................159

4.5.2 Моделирование силовых модулей....................................................163

4.5.3 Математическая модель электроприводов с комбинированными системами управления.....................................................................168

4.6 Выводы.......................................................................................171

5 ИССЛЕДОВАНИЯ НЕСИММЕТРИЧНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СУДОВЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ....................................................174

5.1 Формирование данных для аналитических исследований

нештатных режимов работы электроприводов......................................175

5.2 Аналитические исследования нештатных режимов работы

судовых электроприводов.................................................................181

5.3 Физическое моделирование нештатных режимов работы

судовых электроприводов.................................................................183

5.4 Анализ результатов исследований нештатных режимов работы

судовых электроприводов.................................................................188

5.5 Выводы.......................................................................................198

6 ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ В СПЕЦИАЛЬНЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ СУДОВЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ....................................................................201

6.1 Задачи исследований.......................................................................201

6.2 Особенности расчета контактных систем контакторов..............................204

6.3 Электромагнитные расчеты контактных аппаратов..................................212

6.3.1 Математическое описание магнитных систем контакторов....................212

6.3.2 Расчет характеристик электромагнитных механизмов...........................216

6.4 Методика и алгоритмы расчетов контактных аппаратов

для специальных режимов работы.....................................................222

6.5 Выводы.......................................................................................231

7 ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ РЕГУЛИРУЕМЫХ СУДОВЫХ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ..............................234

7.1 Основные положения теории надежности применительно

к судовым автоматизированным электроприводам.................................234

7.2 Определение законов распределения отказов судовых

электроприводов с релейно-контакторными схемами управления..............246

7.3 Надежность судовых автоматизированных электроприводов....................255

7.3.1 Расчет надежности судовых электроприводов

с релейно-контакторными системами управления...................................255

7.3.2 Расчет надежности судовых электроприводов

с комбинированными системами управления.........................................276

7.3.3 Сравнительный анализ надежности судовых электроприводов...................282

7.4 Выводы......................................................................................292

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................302

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.......................308

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................312

ПРИЛОЖЕНИЕ 1..............................................................................329

ПРИЛОЖЕНИЕ 2...............................................................................332

б-15

1 РАЗРАБОТКА ЕДИНОЙ КЛАССИФИКАЦИИ СУДОВЫХ

ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

1.1 Классификация общепромышленных электроприводов

Техническое совершенство производственных механизмов и осуществляемых ими технологических процессов в значительной степени определяются совершенством соответствующего привода и степенью его автоматизации.

Преимущества электрической энергии и создание практически пригодных электромеханических преобразователей (ЭД) привели к активному внедрению ЭП [3]. В настоящее время основным преобразователем различных видов энергии в механическую энергию является ЭД, и, следовательно, основным типом привода производственных механизмов - электрический.

Современный ЭП - это электромеханическая система, состоящая в общем случае из взаимодействующих преобразователей электрической энергии (ПЭЭ), электромеханических и механических преобразователей (МП), управляющих и информационных устройств и устройств сопряжения с внешними электрическими, механическими, управляющими и информационными системами, предназначенная для приведения в движение исполнительных органов (ИО) рабочей машины (РМ) и управления этим движением в целях осуществления технологического процесса [1] (рисунок 1.1).

Преобразователем электрической энергии является электротехническое устройство, преобразующее электрическую энергию с одними значениями параметров (по роду тока, напряжению, частоте, числу фаз, фазе напряжения) и/или показателей качества в электрическую энергию с другими значениями параметров и/или показателей качества.

Электромеханический преобразователь преобразовывает электрическую энергию в механическую.

Механический преобразователь предназначен для передачи механической энергии от ЭД к ИО рабочей машины и согласования вида и скоростей их движения.

ил.

(/;м»о зс

ЗС - задающий сигнал; II с, 1С, /с, тс - напряжение, ток, частота и число фаз питающей сети; и, I, /, т - напряжение, ток, частота и число фаз электродвигателя (электромеханического преобразователя); М, со - момент на валу и угловая скорость вала электродвигателя; Мп, со„ -момент и угловая скорость вала механического преобразователя; Рп,У„ - сила и линейная скорость механического преобразователя; М , - момент или сила, создаваемые на исполнительном органе; со , Ур - угловая или линейная скорость исполнительного органа; ОС -обратные связи

Рисунок 1.1 - Структурная схема электропривода механизма при работе ЭД

в двигательном режиме

Управляющее устройство (УУ) формирует управляющие воздействия в ЭП.

Информационное устройство, при его наличии, предназначено для получения, преобразования, хранения, распределения и выдачи информации о переменных ЭП, технологического процесса и сопредельных систем для использования в СУ привода и внешних информационных системах.

Устройство сопряжения представляет собой совокупность электрических и механических элементов, обеспечивающих взаимодействие ЭП с сопредельными системами и отдельных частей ЭП.

Совокупность управляющих и информационных устройств и устройств сопряжения ЭП, предназначенных для управления ЭД с целью обеспечения заданного движения ИО рабочей машины является СУ электропривода.

Внешняя по отношению к ЭП система управления более высокого уровня, поставляющая необходимую для функционирования ЭП информацию, называется СУ электроприводом.

Известно, что развитие той или иной отрасли науки и техники основывается на результатах исследований, сборе и анализе фактов, которые упорядочиваются и систематизируются (классифицируются).

К 40-м годам XX в. В. К. Поповым было предложено классифицировать рабочие машины в зависимости от законов изменения статических моментов на пять основных классов [4].

Первый класс включал в себя рабочие машины, у которых статический момент сопротивления Мс практически оставался неизменным (Мс « const).

Второй класс охватывал рабочие машины, статический момент которых являлся функцией скорости со (Мс = /(со)).

Третий класс включал в себя рабочие машины, статический момент которых зависел от пути, т. е. от угла поворота а ротора или якоря ЭД (Мс = /(а)).

Четвертый класс охватывал рабочие машины, статический момент которых одновременно зависел от скорости со и пути (угла поворота а) (Мс = /(со, а)).

Пятый класс включал в себя те механизмы, статический момент которых являлся функцией времени t [Мс = /(f)).

В 60-х годах получил распространение классификационный признак ЭП по способу распределения механической энергии, в соответствии с которым разнообразные производственные ЭП делились на три основных типа: групповые, одиночные и многодвигательные [5].

В настоящее время ЭП классифицируются по ряду признаков, приведенных, например, в [6, 7].

Развитие СУ ЭП и внедрение в них достижений преобразовательной техники привело к необходимости корректировки и дополнения существующих классификационных признаков. Наряду с классификационными признаками, идентичными приведенным в [6], в научно-технической и учебной литературе стали появляться признаки, имеющие характерные отличия. Например, в [8] к классификационному признаку по степени управляемости (по принципам регулирования скорости и положения), приведенному в [6], добавлен позиционный ЭП, обеспечивающий регулирование положения ИО рабочей машины. Кроме того, в [8] добавлен классификационный признак - по роду электрического преобразовательного устройства.

1.2 Эксплуатационные особенности и основные требования, предъявляемые

к судовым электроприводам

Судовые электроэнергетические установки представляют собой автономные системы ограниченной мощности.

На судах с электроэнергетическими системами постоянного тока для напряжения на зажимах потребителей до 500 В допускается использование двухпроводных изолированных сетей [9].

На судах с электроэнергетическими системами переменного тока с частотой 50 Гц и 60 Гц для напряжения на зажимах потребителей до 1000 В допускается использование трех проводных изолированных сетей. Для напряжения на зажимах потребителей до 500 В дополнительно допускается использование четырех проводных изолированных сетей. Исключение составляет, например, катамаран «Меркурий», на котором «нейтраль» сети соединена с корпусом судна [10].

В большинстве случаев на современных судах нашли применение электроэнергетические системы трехфазного переменного тока.

Основными потребителями судовой электрической энергии являются ЭП [11].

От шин главного распределительного щита (ГРЩ) по отдельным фидерам должны получать питание ЭП рулевых и якорных механизмов (ЯМ), осушительных насосов, щиты ЭП грузовых, швартовных механизмов (ШМ) и др. [9].

Если на судне установлено два и более механизма одного назначения с ЭП, за исключением ЭП рулевых механизмов, компрессоров и насосов спринклерной системы, агрегатов возбуждения электрической гребной установки, то, по крайней мере, один из этих ЭП должен получать питание по отдельному фидеру от ГРЩ.

В ряде случаев мощность отдельных ЭП соизмерима с единичной мощностью общесудовых генераторов. Включение в сеть ЭД таких ЭП, их работа и отключение сопровождаются отклонениями напряжения (и частоты) в судовой сети от номинальных значений.

Характерными особенностями условий эксплуатации судовых ЭП являются: агрессивность окружающей среды и ее изменение в широком диапазоне; изменения положений и удары, касающиеся отдельных частей судовых ЭП, обусловленные изменениями положений и ударами корпуса судна; вибрация, которая, как правило, достигает наибольшей интенсивности в оконечностях судна.

Общая вибрация (частота колебаний) корпуса судна составляет единицы Гц [12] и не приводит к ускоренному выходу из строя судового электрооборудования (СЭО), но при длительном воздействии способствует возникновению деформаций, в том числе отдельных составных частей ЭП, уменьшению срока службы изоляции и нарушению контактных соединений. Местная вибрация отдельных конструкций в (2...5) раз превышает общую вибрацию по амплитуде и в (2...3) раза - по частоте.

Согласно требованиям Российского морского регистра судоходства [9], судовые ЭП должны надежно работать в следующих климатических условиях: относительной влажности воздуха 75 ±3 % при температуре +45 ±2 °С; относительной влажности воздуха 80 + 3 % при температуре +40 ±2 °С; относительной влажности воздуха 95 ±3% при температуре +25 ±2 °С.

Для судов неограниченного района плавания определены следующие номинальные рабочие температуры окружающего воздуха и охлаждающей воды: в машинных и специальных электрических помещениях, камбузах - от 0 °С до +45 °С воздуха, +32 °С воды; на открытых палубах - от -25 °С до +45 °С воздуха; в других помещениях - от 0 °С до +40 °С.

Для судов, предназначенных для плавания вне тропической зоны, номинальные рабочие температуры окружающего воздуха и охлаждающей воды соответственно равны: в машинных и специальных электрических помещениях, камбузах - от О °С до +40 °С воздуха, +25 °С воды; на открытых палубах - от -25 °С до +40 °С воздуха; в других помещениях - от 0 °С до +40 °С. Температура до 70 °С не должна вызывать повреждений элементов, устройств и систем.

Судовые ЭП должны оставаться работоспособными при следующих допускаемых отклонениях электрических параметров: напряжения сети (в % от номинальных значений) от +6 % до -10 % - при длительных отклонениях, ±20 % -при кратковременных отклонениях в течение 1,5 с; частоты сети (в % от номинальных значений) ±5 % - при длительных отклонениях и ±10 % - при кратковременных в течение 5,0 с.

Судовые ЭП должны безотказно работать при следующих механических воздействиях: вибрациях с частотами от 2,0 Гц до 80,0 Гц (при частотах от 2,0 Гц до 13,2 Гц - с амплитудой перемещений ±1,0 мм, а при частотах от 13,2 Гц до 80,0 Гц - с ускорением ±0,7g); на источниках вибрации (дизелях и пр.) или в румпельном отделении - при вибрациях с частотами от 2,0 Гц до 100,0 Гц (при частотах от 2,0 Гц до 25,0 Гц - с амплитудой перемещений ±1,6 мм, а при частотах от 25,0 Гц до 100,0 Гц - с ускорением ±4,0§); ударах с ускорением до ±5,0g и частоте от 40 до 80 ударов в минуту; длительном крене судна до 15,0 0 и ди