автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Развитие теории и методов расчета режимов судовых единых электроэнергетических систем

На правах рукописи

Калинин Игорь Михайлович

РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ И МЕТОДОВ РАСЧЕТА РЕЖИМОВ СУДОВЫХ ЕДИНЫХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Специальность 05.09.03 — «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург - 2014

005557087

005557087

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии «Крыловски государственный научный центр» филиал «Центральный научно-исследовательски институт судовой электротехники и технологии».

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, начальник сектора общепро

мышленного регулируемого электропривода ОАО «Силовые машины» Пронин Михаил Васильевич

Зашита диссертации состоится 23 марта 20г. в 14 час. на заседании диссертационного совета Д 212.228.03, созданного на базе СПбГМТУ, по адресу: 190008, Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, д. 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте СПбГМТУ http://www.smtu.ru в разделе «Диссертационные советы».

Автореферат разослан 2014 г.

Отзывы просим направлять в 2-х экземплярах по адресу:

по почте - 190008, г. Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, д. 3, СПбГМТУ (отдел ученого секретаря).

при наличии электронной подписи - e-mail: disser@smtu.ru

- доктор технических наук, доцент, ВУНЦ ВМФ «ВМА> филиал «Военно-морской политехнический институт», профессор кафедры теории электротехники электричесю -машин и аппаратов Одинаев Владимир Абдурахимович

- доктор технических наук, профессор, ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова, заведующий кафедрой электродвижения и автоматики судов Романовский Виктор Викторович

Ведущая организация -

ОАО «Центральное конструкторское бюро морской техники «Рубин»

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.228.03

Сеньков А. П.

Общая характеристика работы

Актуальность темы лнссептацноииого исследования.

Современный мир практически стал информационно единым благодаря повсемест-ому применению средств информационных технологий.

До настоящего времени теория судовых (корабельных) электроэнергетических систем СЭЭС) и судовой электротехники развивалась своим путем. Решались частные задачи и в ервую очередь - расчета режимов электроэнергетических систем. Для их решения разра-атывались модели элементов и систем, строились оригинальные алгоритмы решения с омощью средств вычислительной техники. Системы дифференциальных уравнений элек-ооборудования судов, рекомендованные для расчета процессов в СЭЭС отраслевыми андартами, не нашли широкого практического применения. Одновременно делались по-ытки обобщить накопленный опыт и разработать системы автоматизированного проекти-вания электроэнергетических систем кораблей и судов. Однако ни одной такой про-аммы в современных разработках не применяется.

В тоже время в области промышленной электроники достигнуты существенные успело проектированию, серийно выпускаются программные продукты сквозного проекти-ования. Вместо физических макетов разрабатываются математические модели, на основе оторых создаются схемотехнические модели. Получаемый при таком проектировании кономический эффект является стимулом к совершенствованию алгоритмов и расшире-ию возможностей программного обеспечения.

Для электротехнических расчетов максимальной достоверностью обладают классиче-кие программы схемотехнического моделирования (¿р/се-подобныс программы).

В настоящее время, с широким внедрением на кораблях и судах силовых статических реобразователей, появлением интегрированных систем электропривода, созданием еди-ых электроэнергетических систем необходимо объединять все лучшее, что накоплено в бластях электротехники и электроники.

Основными задачами, решаемыми с помощью известных математических и схемо-ехнических моделей, являются:

- исследование переходных и аварийных режимов в электроэнергетических системах не управляемым электроприводом;

- исследование переходных и аварийных режимов в электроэнергетических системах удов с гребными электрическими установками и частотно-регулируемым гребным элек-

оприводом;

- исследование частотно-управляемого электропривода при питании от источника лектроэнергии бесконечной мощности с вентиляторной или статической нагрузкой на ва-у электродвигателя;

- исследование маневренных и ходовых качеств судов при работе от двигателей бес-онечной мощности.

Остаются не решенными вопросы расчетных исследований современных электро-нергетических систем судов с электродвижением в комплексе полного состава электро-борудования, в том числе с частотно-регулируемым гребным электроприводом и нагруз-ой на валу двигателя, создаваемой неподвижным или движущимся судном в реальных словиях его плавания.

Создание комплексного программно-алгоритмического обеспечения единых электро-нергетических систем (ЕЭЭС) с учетом параметров маневрирования судна (корабля) поз-олит выполнять расчет в заданном масштабе времени параметров судовых ЕЭЭС в про-ессе эксплуатации, что обеспечит эффективное многокритериальное управление компо-ентами ЕЭЭС и судном в целом. .-ч

з Л-сР

На протяжении десятков лет в развитие теории, разработку задач и методов исследования и проектирования судовых электроэнергетических систем вносили свой вклад коллективы ученых ФГУП «Крыловский государственный научный центр» и его филиала «ЦНИИ СЭТ», ОАО «Силовые машины» филиала «Электросила», Военно-Морской Академии им. Н.Г. Кузнецова, ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова, СПбГМТУ, СПбГЭТУ «ЛЭТИ», СПбГПУ и др. Математическая теория синхронных машин, симметричных и несимметричных процессов, прикладных алгоритмов расчета развита в трудах таких ученых как: М.И. Алябьев, Л.П. Веретенников, А.П. Баранов, Ю.А. Губанов, В.Н. Константинов, А.Е. Козярук, Ю.П. Коськин, Б.В. Никифоров, М.В. Пронин, И.А. Рябинин, Г.М. Свиридов, В.М. Сендюрев, Г.Г. Соколовский, А.П. Сеньков, Л.Н. Токарев, В.П. Топорков, В.А. Хомяк, Г.С. Ясаков и др. Вопросами разработок, совершенствования, внедрения электрических защит занимались такие организации как ФГУП «Крыловский государственный научный центр» и его филиал «ЦНИИ СЭТ», ОАО «ЦКБ МТ «Рубин», ОАО «СПМБМ «Малахит», ОАО «Невское ПКБ», ОАО «Северное ПКБ», ОАО «ЦМКБ «Алмаз», ЛПЭО «Электросила», ОАО «Концерн «НПО «Аврора», НИИ ЭФА, ВНИИЭР, 1 ЦНИИ МО, BMA, СПбГТУ, СПбГКУ, СПбГЭТУ (ЛЭТИ) и др. Весомый вклад в совершенствование электрических защит внесли ученые и специалисты Г.И. Китаенко, В.И. Финагин, Л.А. Кучумов, Э.Г. Могилевский, Б.В. Никифоров, Ю.А. Губанов, В.Н. Бочкарев, В.Н. Константинов, Л.Л. Лядова, В.Т. Бланин, И.А.Пьянкова, В.М. При-ходько, Е.А. Калязин, Ю.В. Рокотян, В.Д. Филимонов, Л.Л. Игнатьев, Е.А. Иванов, В.Г. Кучинский и др. Теорию и практику регулируемого электропривода развивали такие организации как ФГУП «Крыловский государственный научный центр» и его филиал «ЦНИИ СЭТ», ОАО «ЦКБ МТ «Рубин», ОАО «СПМБМ «Малахит», ОАО «Невское ПКБ», ОАО «Северное ПКБ», ЛПЭО «Электросила», ОАО «Концерн «НПО «Аврора», ОАО «ЦМКБ «Алмаз», ФГУП «НИИЭФА им. Д.В. Ефремова», ВНИИЭР, 1 ЦНИИ МО РФ, ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова, СПбГТУ, СПбГКУ, СПбГЭТУ (ЛЭТИ), Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Военно-Морская Академия им. Н.Г. Кузнецова и др. Известны ученые и специалисты в области регулируемого электропривода С.Р. Глинтерник, Ю.А. Сабинин, С.А. Ковчин, А.Е. Козярук, В.В. Рудаков, Я.Ф. Анисимов, М.С. Туганов, И.П. Копылов, Б.В. Никифоров, М.В. Пронин, A.C. Санд-лер, Г.М. Свиридов, Б.Ф. Дмитриев, Г.И. Прокофьев, Р.Т. Шрейнер, В.А. Хомяк, Г.С. Ясаков, и др.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности расчетов режимов судовых единых электроэнергетических систем при их проектировании на основе математического и схемотехнического моделирования и при их эксплуатации на основе энергосберегающего управления системами электродвижения.

Поставленная цель достигается реализацией следующих основных задач:

1. Развитие теоретических положений по расчету режимов проектируемых электроэнергетических систем судов с электродвижением.

2. Разработка теоретических положений и метода энергосберегающего управления частотно-регулируемым гребным асинхронным двигателем.

3. Развитие методов расчетов качества электроэнергии в единой электроэнергетической системе с частотно-регулируемым гребным электроприводом.

4. Разработка теоретических положений и метода математического моделирования судовых единых электроэнергетических систем при проектировании электротехнических комплексов судов с электродвижением.

5. Разработка программно-математического обеспечения'для исследования переходных и установившихся процессов электроэнергетических систем судов с электродвижением с учетом упругости вала и маневрирования судна

6. Разработка теоретических положений и метода формирования уравнений электрических сетей с электрическими машинами при схемотехнических методах анализа судовых электротехнических комплексов (ЭТК).

7. Создание математических моделей многообмоточных гребных электродвигателей (ГЭД) в фазных координатах.

8. Разработка теоретических положений и метода расчета искажения синусоидальности напряжений и токов в судовых единых электроэнергетических системах.

Методы исследования базируются на теории синхронных и асинхронных машин, теоретических основах электротехники, общей теории сложных систем, теории электрических машин, методах анализа и синтеза линейных и нелинейных замкнутых систем, теоретических методах машинного анализа электрических схем, численных методах решения систем алгебраических и дифференциальных уравнений, теории частотно-регулируемого электропривода, математической статистике, а также на накопленном опыте и результатах расчётов переходных и установившихся процессов в многоагрегатных судовых машинно-вентильных системах.

На защиту выносятся следующие результаты диссертационной работы:

1. Теоретические положения по расчету режимов проектируемых электроэнергетических систем судов с электродвижением на основе формализации оценки параметров унифицированных модулей ЭТК.

2. Теоретические положения и метод математического моделирования судовых единых электроэнергетических систем при проектировании ЭТК судов с электродвижением.

3. Теоретические положения и метод энергосберегающего управления частотно-регулируемым гребным асинхронным двигателем.

4. Теоретические положения и метод формирования уравнений электрических сетей с электрическими машинами при схемотехнических методах анализа судовых ЭТК.

5. Математические модели многообмоточных гребных асинхронных электродвигателей в фазных координатах.

6. Математические модели быстродействующей электрической защиты системы электродвижения (СЭД) и ограничителей перенапряжений.

7. Схемотехнические модели электроэнергетических систем судов с электродвижением для расчета переходных и установившихся процессов в нормальных и аварийных режимах с учетом срабатывания быстродействующих электрических защит.

8. Теоретические положения и метод расчета искажения синусоидальности напряжений и токов в судовых единых электроэнергетических системах на основе измерения параметров звена постоянного тока преобразователя электроэнергии.

Научная новнзна работы.

1. Получены новые аналитические выражения для оценки параметров унифицированных модулей ЭТК на начальных этапах проектирования, позволяющие выполнить оценку требуемых напряжений и мощностей основных электротехнических модулей по заданной мощности на валу ГЭД, а также служащие для проверки корректности расчетов, выполненных с помощью математического моделирования.

2. Разработано математическое обеспечение ЭТК судов с электродвижением, позволяющее выполнять расчет переходных и установившихся процессов в системах с частотно-управляемым электроприводом гребного винта с учетом упругости линии вала, а аварийных режимов - с учетом срабатывания быстродействующих защит.

3. Развита теория и разработай новый метод математического моделирования судо вых единых электроэнергетических систем на основе алгоритмов формирования уравне ний схем с электрическими машинами.

4. Разработаны математические модели электротехнических модулей, позволяющи создавать единые универсальные вычислительные комплексы на основе машинных методов анализа электрических цепей, в том числе для использования в вычислительных модулях систем управления.

5. Созданы математические модели многообмоточных гребных асинхронных электродвигателей, расширяющие область решаемых задач по исследованию и управлению ЕЭЭС, повышающие точность расчетов за счет уменьшения количества используемых допущений и их быстродействие.

6. Разработан метод оптимального энергосберегающего управления асинхронным ГЭД на основе полученных новых аналитических закономерностей управления гребным электроприводом судна, повышающие экономичность СЭД за счет управления ГЭД по заданным энергоэфективным критериям.

7. Созданы новые математические модели быстродействующей электрической защиты СЭД и ограничителей перенапряжений, позволяющие обеспечить расчет режимов ЕЭЭС с учетом срабатывания электрической защиты.

8. Разработал метод расчета качества электроэнергии в электроэнергетической системе с частотно-регулируемым гребным электроприводом на основе полученных теоретических положений, позволяющий выполнить аналитический расчет параметров искажения тока на входе преобразователя электроэнергии па основе измеренного значения тока в звене постоянного тока

Практическая ценность работы состоит в том, что в результате теоретических, экспериментальных исследований и опытно-промышленного внедрения в работах по ФЦП «Развитие гражданской морской техники» на 2009 - 2016 годы создана научно-техническая основа для разработки современных электротехнических комплексов судов с электродвижением, базирующаяся на математическом моделировании новых элементов, базовых электротехнических модулях и комплексах в целом.

Разработаны математические модели электрооборудования пригодные для использования, как в исследовательских целях, так и в составе программного обеспечения элементов электротехнических комплексов.

Получены аналитические закономерности энергоэффективного управления гребным асинхронным электродвигателем с учетом движения судна, позволяющие управлять электроприводом гребного винта по критерию минимальных полных потерь.

Под руководством автора и с его непосредственным участием созданы и внедрены:

- опытные образцы электрооборудования электроэнергетических систем низкого и высокого напряжения для судов различного назначения;

- программа математического моделирования электроэнергетических систем переменно-постоянного тока, позволяющая выполнять расчеты режимов электроэнергетических систем с учетом элементов электрической защиты;

- программа расчета характеристик асинхронного двигателя при энергосберегающем управлении, позволяющая рассчитать статические характеристики и оптимальные параметры управления асинхронного двигателя;

- программа имитатора для тестирования программного обеспечения систем управления судовым электродвижением, обеспечивающая расчет параметров управления ЭТК и движительно-рулевым комплексом судна с электродвижением с учетом его маневрирования;

- тренажеры для подготовки операторов пультов дистанционного управления на основе разработанных математических моделей и алгоритмов формирования уравнений электроэнергетической системы.

Внедрение результатов работы. Результаты работы внедрены:

1. В единой электроэнергетической системе спасательного буксирного судна проекта 22870, разработанной и поставленной заказчику ООО «НПЦ СЭС» в 2012 г.

2. В опытных образцах, разработанных при выполнении опытно-консгрукторских работ «ДРК-3500-Э» и «Электродвижение-М» по заказам Министерства промышленности и торговли РФ; в макетных образцах физических моделей СЭД, предназначенных для исследования схемных реализаций и обоснования технических решений по изготовлению опытных образцов электрооборудования перспективных электроэнергетических систем судов с электродвижением различного назначения.

3. В научно-исследовательской работе ЦКБ МТ «Рубин» 2004 г. разработаны модели электроэнергетической системы типового заказа с новыми элементами.

4. В научно-исследовательских работах ЦКБ МТ «Рубин» 2003-2004 гг. выполнены анализ качества электроэнергии, моделирование дугового короткого замыкания и моделирование аварийных режимов в электроэнергетической системе типового заказа.

5. В научно-исследовательской работе ФГУП «ЦНИИ СЭТ» 2009 г. создана схемотехническая модель СЭД на основе стандартных схемотехнических моделей и новых ма-темагических моделей.

6. В GKP «Сейсморазведка» ЗЛО <Лазурит-НН» 2012 г. выполнено научно-техническое обоснование принятия решения но направлению разработки и вариантам исполнения энергетической установки судна

7. Математическая модель двухобмоточного гребного асинхронного электропривода с энергоэффективным частотным управлением в составе схемотехнических моделей электроэнергетических систем судов внедрена в опытно-кокструкгорекие работы, проводимые в рамках ФЦП «Развитие гражданской морской техники» на 2009 - 2016 годы и позволяет рассчитывать режимы базовых модулей и ЭТК в целом.

8. Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре «Электроэнергетические системы кораблей» ВМПИ филиала ВУНЦ ВМФ «BMA».

Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на региональной научно-технической конференции (СПб, ГМТУ, 1997 г.), научно-технических конференциях ППС (Пушкин, ВМИЙ, 1999, 2000, 2001, 2002, 2004 гг.), межвузовской научной конференции (СПб, ВМИИ, 2006 г.), межвузовской научно-методической конференции (СПб, ВМИИ, 2007 г.), межвузовской научно-практической конференции (6 ВСОК ВМФ 2008 г.), научно-практической конференции (6 ВСОК ВМФ 2008 г.), научно-практическом семинаре (BMA, СПб, 2008 г.), межвузовской научно-технической конференции (ВМИИ 2010 г.), НТК «Судовые единые электроэнергетические системы и гребные электрические установки» (CI161 "М ГУ, 2013 г.).

Работа обсуждена и рекомендована к защите на расширенном НТС филиала «ЦНИИ СЭТ» ФГУП «Крыловский государственный научный центр».

Публикации по работе. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 34 научных работах, все по теме диссертации. Из них 21 статья. Четыре работы выполнено без соавторов, авторская доля в остальных составляет от 20% до 90%. В рецензируемых научных журналах и изданиях опубликовано 8 работ с авторской долей от 20% до 90%. Автором разработано 2 учебника с долей автора от 60 до 80%, получено 6 патентов РФ на изобретение с долей автора от 50% до 80%, 1 патент РФ на полез-

ную модель с долей автора 50%, 3 официально зарегистрированных программы для ЭВ 2 программы с долей автора 80%, 1 программа без соавторов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключе ния, списка литературы и приложения. Общий объем работы составляет 430 страниц ма шинописного текста и включает 232 рисунка и 59 таблиц. Список литературы содерж 135 наименований.

Основное содержание работы

Во введении выполнен анализ терминов и их определений в области судовых элек троэнергетических систем (СЭЭС), на основе которого предложены термины и определе ния для первой редакции стандарта «Судовые электротехнические комплексы. Термины определения». Рассмотрена взаимосвязь требований и реализаций ЭТК судов с электро движением и методы исследований ЕЭЭС. Выполнен обзор современного состояния мате магического описания ЭТК. Показано, что остаются не решенными вопросы расчетных ис следований современных электроэнергетических систем судов с электродвижением комплексе полного состава электрооборудования, в том числе с частотно-регулируемы гребным электроприводом и нагрузкой на валу двигателя, создаваемой неподвижным ил движущимся судном в реальных условиях его плавания.

В первой главе на основе анализа разработок зарубежных и отечественных произво дителей показано, что общей тенденцией разработок СЭД больших мощностей являете переход на высокое напряжение, использование в качестве преобразователя частоты (ПЧ автономного инвертора напряжения (АИН) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) где ключами являются /ОВГ-транзисторы. При этом выбор между различными типам электродвигателей связан, главным образом, с накопленным компаниями опытом произ водства.

Общим принципом построения энергетических установок (ЭУ) перспективных судо и кораблей является - ЕЭЭС на базе дизель-генераторов или (и) газотурбогенераторов гребных электродвигателей и полноповоротных движительно-рулевых колонок (ДРК) Для изменения частоты вращения гребных электродвигателей используется частотное ре гулирование с помощью ПЧ. ПЧ получают питание от генераторных агрегатов (ГА) чер главные распределительные щиты (ГРЩ) и щиты электродвижения (ЩЭД). Живучесть си сгемы обеспечивается резервированием через перемычки между ЩЭД и ГРЩ, а также ко личеством электростанций. ЭУ судов гражданского флота отличаются от ЭУ кораблей от сутствием ЩЭД и меньшим количеством ГРЩ (электростанций).

Рассмотрен эволюционный вариант построения электроэнергетической системы Г переменно-постоянного тока, в которой связь сетей переменного и постоянного тока осу ществляется через статический обратимый преобразователь (ОП), ГЭД управляется от ПЧ получающего питание со стороны переменного тока, а в аварийных режимах — от аккуму ляторной батареи (АБ).

Одним из основных направлений создания судовых (корабельных) движительнь комплексов в настоящее время является электродвижение.

В результате анализа, установлено, что независимо от назначения корабля с электро движением, его ЭТК и движительные комплексы состоят из элементов, которые можн рассматривать как типовые электротехнические модули.

Первая задача проектирования заключается в компоновке соответствующей структу ры на основе конечного набора типовых базовых электротехнических модулей:

- генераторного модуля (МГ) или модуля источника электроэнергии;

- распределительного модуля (МР);

- преобразовательного модуля (МП);

- двигательного модуля (МД);

- модулей управления (МУ)

и движительно-рулевого модуля (МДР).

Отмечено, что в современных условиях особая роль должна отводиться модулям управления, так как для достижения максимальной эффективности корабля необходимо обеспечить комплексное управление базовыми модулями по различным критериям.

Смзь элементов ЕЭЭС с системой управления (рисунок 1) может осуществляться как цифровыми, так и аналоговыми способами.

Разштие теоретических положений по расчету режимов проектируемых электроэнергетических систем судов с электродвижением явилась формализация оценки параметров унифицированных модулей ЭТК. Исходными данными для принятия решений при создании электротехнических комплексов судов с электродвижением является мощность на валу ГЭД Рв. Определению подлежат напряжения Цгзя, С/мр и мощность распределительного модуля />мр, являющаяся суммой мощностей модулей генераторных Рмгп, где п - количество МГ, подключенных к одному МР.

Возможности выбора напряжения МР существенным образом ограничиваются коммутационной способностью имеющегося оборудования. Для выбора напряжения рассчитываются номинальные токи генераторов электростанции для рассматриваемых вариантов напряжений, то есть токи коммутационно-защитной аппаратуры МР.

При питании секции МР (ГРЩ) от одного генератора номинальный ток с учетом потребителей собственных нужд определяется по формуле:

' ^псн)

(1)

где - полная мощность, передаваемая по фидерам СЭД; кпси - доля потребителей собственных нужд по отношению к мощности одной СЭД; (/„^ - номинальное линейное напряжение генераторов.

Для более качественного расчета ударного тока короткого замыкания (ТКЗ) произведено сравнение ТКЗ, рассчитанных по упрощенной аналитической формуле и с помощью математической модели генератора, из которого следует:

а) упрощенный аналитический метод дает завышенные результаты для генераторов 400 В;

б) при высоком напряжении имеется превышение значения ТКЗ при расчете по мето-

Рисунок 1. Связь элементов ЕЭЭС с системой управления 9

Предложено в упрощенный аналитический расчет ввести поправочные коэффициенты, а именно Кткз: для генераторов напряжений 400 и 690 В - Кгкз =0,9, для генераторов напряжением 3150 и 6300 В - К7кз =1,0.

Таким образом, ударный ТКЗ:

1 -к ■1-81'05. / ГОЛ

'УД — ЛТКЗ п /б. {¿)

где /6 - значение тока генератора, принятое за базисное; x'J - сверхпереходное индуктивное сопротивление по продольной оси.

Ударный ТКЗ замыкания при параллельной работе генераторов записывается в следующем виде:

/уд = vl/~'М' (1,в'1,05 ' ^ткз'' (к"х'/3 1} + к,А'1,05 '*д)' (3)

где к/д - кратность тока подпитки асинхронной нагрузки; ка — доля двигательной нагрузки потребителей собственных нужд по отношению к мощности одной СЭД; М - количество секций ГРЩ; хЦэ - эквивалентное сверхпереходное индуктивное сопротивление по продольной оси.

С учетом максимально допустимого ударного ТКЗ /пкс ( ток предельной коммутационной способности автоматических выключателей или электродинамической стойкости шин) максимально допустимая мощность одной СЭД равна:

_ _AlKC ' ^З^НЛ__: . ..

max — / (к , 1 ч , СО

(1,8 • 1,05 • КТКЗ ■ V2 ■ V + к/л . 1>05 . кд \. м

V xd э /

Ориентировочный расчет мощности СЭС производится исходя из максимально допустимой мощности одной СЭД, тах, а также с учетом потребителей собственных нужд, SncH. На основе полученного значения максимально допустимой мощности одной СЭД рассчитывается максимальная допустимая мощность электростанции:

Рсэс max = М ■ S^ тах ■ (1 + кпсн) • COS ф. (5)

Научно-техническое обоснование выбора вариантов исполнения электрооборудования системы электродвижения предлагается выполнять по структуре, изображенной на рисунке 2.

Для исключения субъективизма в принятии решений использован метод экспертных оценок, где в качестве меры согласованности мнений принят дисперсионный коэффициент конкордации.

Во второй главе разработано математическое обеспечение для моделирования ЕЭЭС:

- системы переменного тока с частотно-управляемым ГЭД (рисунок 3);

- системы переменно-постоянного тока с элементами быстродействующей защиты и защиты от перенапряжений (рисунок 4).

К числу новых разработанных и представленных в диссертации моделей относятся:

- математическая и схемотехническая модели двухобмоточного асинхронного электродвигателя в фазных координатах;

- математическая и схемотехническая модели быстродействующей электрической защиты (взрывного предохранителя (ВП) и ограничителя перенапряжения;

- математическая и схемотехническая модели защиты путем снятия импульсов управления (сеточная защита (СЗ) полупроводниковых преобразователей электроэнергии.

Таким образом, в диссертации реализованы и исследованы математические модели базовых электротехнических модулей и элементов защиты в составе современных судовых

ТК, что позволит в дальнейшем создавать модели различных по составу и структуре ТК.

В развитие теоретических положений схемотехнического анализа судовых ЭТК вы-влены общие закономерности формирования матричных уравнений электрических машин ри схемотехническом моделировании на основе анализа уравнений электрических ма-ин. Анализ показал, что большая часть уравнений может быть записана в интегральной орме:

ТЛ = /(ГЛ - Т2Х2 - Т3Х3)М + ТгХ10. (6)

Принципы формирования уравнений электрических машин основаны на создании хемного решения (рисунок 5), построении графов токов и напряжений (рисунок 6) и фор-ировании матричных уравнений на основе модифицированного метода узловых потенци-ов. При этом, если выходные переменные одного уравнения являются входными пере-енными другого (например:= Х22,Х12 = Х21), то количество узлов, а, следовательно, размер матрицы будут меньше на соответствующее количество общих переменных.

Разработан метод формирования уравнений электрических сетей с электрическими ашинами основанный на выявленных общих закономерностях формирования матричных авнений электрических машин при схемотехническом моделировании:

1. Размер основной матрицы для принятого варианта описания электрических машин =8*у, где у — количество уравнений в математическом описании электрической машины.

2. Если все уравнения в описании электрической машины могут быть представлены в нтегральной форме, то система уравнения имеет вид:

— - — — 0

V) К V'

0

>2 .V = XV

0 У.. 0 Ху 0

Уу Угу

де Уу - блок матрицы вида (8); Ху» - вектор источников вида (8).

рС -1 0 0 0 0 0 0 ТЛо"

0 1 0 -1 0 0 -Г4 0 у2

0 0 -1 0 -Т2 0 0 0 Уз

0 0 1 -1 0 -Тз 0 0

0 0 0 0 1 0 0 0 0

0 0 0 0 0 1 0 0 0

0 0 0 0 0 0 1 0 у? 0

0 0 0 0 0 0 1 1У8\ 0

3. Если в системе уравнений есть уравнения, которые нецелесообразно представлять интегральной форме, то следует руководствоваться следующими правилами составления атричного уравнения:

- нумерацию узлов схемы производить, начиная с уравнений в интегральной форме; в оследнюю очередь нумеруются узлы управляемого напряжением источника тока и ин-

ктивностей;

- составить матрицу по форме (7) из уравнений в интегральной форме, используя равила п.2;

Рисунок 2. Научно-техническое обоснование выбора вариантов исполнения электрооборудования

ИМ-исполнительный механизм, АД - асинхропцый двигатель, АВ - автоматический выключатель, ГРЩ - главный распределительный щит, ИЭЭ — источник электроэнергии, ПД - приводной двигатель, УПР - устройство параллельной работы, Тр — трансформатор, ПЧ - преобразователь частоты, ГЭД - гребной электродвигатель, ЛВ - линия вала

Рисунок 3. Система переменного тока с частотно-управляемым ГЭД

АВ - автоматический выключатель, БЭЗ - быстродействующая электрическая защита, ОПН - ограничитель перенапряжения, ГРЩ - главный распределительный щит, ИЭЭ - источник электроэнергии, ПД - приводной двигатель, ПЭЭ — преобразователь электрической энергии, СЗ - сеточная защита, АБ - аккумуляторная батарея

Рисунок 4. Система переменно-постоянного тока с элементами быстродействующей защиты и защиты от перенапряжений

Рисунок 5. Схемное решение системы из двух дифференциально-алгебраических уравнений в интегральной форме

— вставить в матрицу блоки основных матриц:

0 0 0 0 0 0 [VI 0

1 0 0 0 0 0 0 0

0 1 0 0 0 0 0 Уз

0 0 -1 0 -Т2 0 0 V*

0 0 1 -1 0 -Т3 0

0 0 0 0 1 0 0 Ув 0

0 0 0 0 0 1 0 - [у71 1-0-1

- дополнить матрицу количеством строк и столбцов, равных количеству дифференциальных уравнений в нормальной форме (с1);

— заполнить подматрицы, соответствующие уравнениям в нормальной форме, в соответствии с правилами заполнения матриц для управляемых напряжением источников тока и индуктивностей двухграфового метода

В результате получим уравнение следующего вида:

—

у, у, 0

у, 0 х У,

У. 0 0

о у. хУ,

0

Ху,

0

Ул 1

х >.

Ул -рЬ П',у 0

-ги « 0 /„ хУ.

где—рЬ, 1, - Ты - диагональные матрицы, с! = 1,2

Для удобства составления алгоритмов программ выполнено сопоставление коэффициентам полученных уравнений множителей при переменных в уравнениях электрических машин. Разработана блок-схема алгоритма формирования уравнений электроэнергетической системы с электрическими машинами (рисунок 7).

Рисунок 7. Блок-схема алгоритма формирования уравнений электрической сети

Для моделирования системы переменно-постоянного тока (рисунок 5) с элементами быстродействующей электрической защиты (БЭЗ) и защиты от перенапряжений разработаны математически СЗ, БЭЗ и ограничителя перенапряжения (ОПН) в виде варистора.

Расчетные исследования с помощью модели СЭЭС с сеточной защитой показали, что время, за которое происходит снижение напряжения до нуля, составляет 2-4 мс и существенно зависит от параметров цепи короткого замыкания (КЗ), а при медленном изменении аварийного тока может не произойти отключение выпрямителя, поэтому необходимо предусмотреть отключение выпрямителя не только по производной, но и по значению тока.

Математическая модель ВП (рисунок 8) получается объединением уравнений установившегося режима, электрической дуги зажигания, уравнения счетчика времени детонации и электрической дуги сменного контактного элемента:

В фЫВНОЙ прсдохрлптмъ

Защшцдемый ^частик

Рост температуры электрической душ

Модель датчика аварийного то-кя

Модель электрической дуги перешейка

Детонация * порохового заряда

Модель элек-тркческойд^

гпСКЭ

Рисунок 8. Схема модели быстродействующей электрической защиты ЛР

Я, =-

л,

.Ч± и

при 1, < 3 - 4

при Iр 2: 3 -

(11)

при Тс >

и„ =Л + В-1 1 = с-П

£•=10"' -2.5-10

Т1 = кти» к7 =5-5-10

I»

А + В-1г

кР =Ь 10 А = 20 - 50 В = 1.5-2

где ЛР — потери мощности в нормальном эксплуатационном режиме; /„ - номинальный ток ВП; 1д - ток разрыва перешейка, инициирующего детонацию; Тд — время задержки на детонацию взрывчатого вещества; кт — постоянный коэффициент; Тшл — температура воспламе-

16

К = Кг

при ( ', > 0,63

нения взрывчатого вещества; кр - постоянный коэффициент;' Ря - давление при взрыве; 5л - площадь поршня; т„ - масса поршня; А, В, с — постоянные коэффициенты параметров дуги.

Схемотехническая модель ОПН (варистора) реализует математическое выражение, полученное методом линейной регрессии, аппроксимирующее его вольт-амперную характеристику:

и=к1 + к21х>^1)+кгагс1&1)+к, -2^"'. (12)

С помощью варистора удалось снизить перенапряжения при разрыве цепи ВП до уровня 667-846 В, однако при этом время отключения аварийного тока увеличилось более чем в два раза по сравнению с использованием ВП без ОПН.

В третьей главе разработаны математические модели АД с двумя обмотками на статоре (рисунок 9) в фазных координатах:

И'«] = [*,][/,!] +р[Ч»д]

= [№21 + Р№2]

[о] = [ЙгШг] + Р№-] №1] = + [¿ряЖг] + [¿тхШ ' ( '

№2] = [№2] + ИгшШг] + [¿тЖ]

№■] = ЫЛ + [ьт1]Т[^] + кгпАПи)

Рисунок 9. АД с двумя статорными обмотками где напряжения, токи и потокосцепления фаз 1-ой обмотки статора, соответственно

напряжения, токи и потокосцепления фаз 2-ой

матрица ак-

; токи и потокосцепления фаз обмот-

[4411 Г(м1

[и$г] = иВ ! ; И«] = /В1 ; [^1] = Ч'В!

1иС1\ иЛ

\иА2] ¡¡А2

обмотки статора, соответственно [У52] = иВ 2 ; [/,2] = 1В2 ; №2] =

1иа\ ¡С2-

тивных сопротивлений статора [й5] =

О

О 17

\hr] pjvi

ки ротора, соответственно [/,-] = ¡в Г ; №.] = 4V

hcri ^crJ

матрица активных сопротивлений ро-

Г*г 0 0

тора [Rr] = 0 Rr 0

0 0 Яг

матрица индуктивностей статора

2

L -

мат-

рица индуктивностей ротора j _

: матрицы взаимных индуктивностей

L , vm2 4m3 4,i 4,2 4,з 4,4 4s 4«

[4j = 4m3 4ml 4m2 [4,] = 4,3 4i 42 и 4б 44 4s

4m3 4ml . Л* 4з 4,. .4s 4e 44.

4,, = Lm eos {у - v); Lnl = L^ eos (y + S-v); Lm% = cos(r - 5- v); /.„,, = cos(/);

A,5 = ^со5(г+<У); Lnft = L^cos(y-S); A», = 4„cos(-i'); = L^cos(-S~v);

L^з = QtfáS-v)\ y - угол поворота ротора АД, у = f u>dt.

На основе уравнений АД с двумя обмотками на статоре получена его схема замещения (рисунок 10). Показано, что схема замещения соответствует АД не имеющему пространственного сдвига между обмотками и питающемуся не сдвинутыми по фазе равными по амплитуде напряжениями.

Lv Lr

Рисунок 10. Схема замещения АД с двумя обмотками на статоре

Поскольку индуктивность рассеяния £„, оказалась вынесенной как за обмотки статора, так и из контура ротора, введено понятие «вынесенной» индуктивности. Даны рекомендации заводам-изготовителям двухобмоточных АД по учету данного параметра при определении параметров схем замещения разрабатываемых АД.

Полученная математическая модель АД с двумя обмотками на статоре легла в основу вывода уравнений данной электрической машины в преобразованной системе координат. Для проверки адекватности математической модели выполнены исследования прямого запуска двухобмоточного АД типа АДЧР250М6 с помощью натурного эксперимента и модели (рисунок 11).

Выполнено сравнение осциллограмм и гармонического состава напряжений и токов, полученных при испытаниях поставочного образца, и результатов исследований с помо-

г

Рисунок 13, Результаты расчета линейных напряжений и токов одноименных фаз

В четвертой главе рассмотрены вопросы развития теории энергетически оптимального управления гребным асинхронным двигателем.

Задача оптимизации скалярного управления АД заключается в определении такого соотношения тока статора (/хопт) и абсолютного скольжения (/?опт), которые при заданном моменте на валу дают минимальные полные потери (Дрт,„). Формально это записывается следующим образом:

Мзад = /(Ропт. Лопт))

Др = Лр тт У

На основе расчета статических характеристик ЛД построены его характеристики при скалярном управлении с учетом потерь и поверхностного эффекта (рисунок 14).

Помимо улучшения энергетических показателей АД, видно достижение номинального момента при меньшем токе, подтверждающее вывод о том, что при управлении АД по минимуму потерь его нагрузка может быть увеличена сверх номинальной без повышения паспортной температуры двигателя.

(14)

О 0,2 0,4 0,6 0,8 1 U и>8 °'92 °'94 °-96 °-98 1

Полные потери, o.e. COS(p

Рисунок 14. Характеристики АД Л/=_/[/]), КПД=у[Л), Ap=ßh), coS(p=^/i) при а=1 o.e. с учетом потерь от высших гармоник и ß=ß0nr

Получена зависимость оптимального значения частоты питающего напряжения а при скалярном управлении от частоты вращения АД ш:

а = /(ß) = <л+ ßonx = « + + опт« + *Зопт . (15)

где ßonT - оптимальное абсолютное скольжение; feion-r* ^2опт» ^зопт ~~ коэффициенты аппроксимирующего полинома.

Зависимость оптимального абсолютного скольжения от частоты вращения АД представлена на рисунке 15.

Определены взаимосвязи напряжения (тока) и частоты при оптимальном управлении электроприводом для автономного инвертора напряжения (АИН) и для автономного инвертора тока (АИТ) являющиеся основой метода оптимального энергосберегающего управления гребным асинхронным двигателем.

о.а 09 1 Частота вращения, о.е.

Рисунок 15. Зависимость оптимального абсолютного скольжения от частоты вращения АД

Зависимость (с учетом намагничивания) действующих значений напряжения (для АИН) от параметров а, (3 и тока (для АИТ) от параметра (3:

" ~ Й1нл/ ВСР) ^ 2ка1

. е. |С(РЛ04 -к^каг-Исъка,

/_1ЧГ«ю~Л----;

для АИН;

2ка1

- для АИТ;

где А(а, (?,/„) = (Ь2 + с2а2)(52 + 2ггг^ + (й2 + е2а2)г2'2; В(/?)=г^+*2вР2: С(р./М) = ^ +(1+т2)2р2; О((3,Х0) = ^+ г22р2;

(16) (17)

2(0 = :

•V - *оЫ' 12 ^ - ,„(,„) ; т(7и) = ^(/ц) + ГгСи) + ^(УцЫ'Д = п(1 +

с(/„) = х0(Щт^); ¿(/и) = П/Хо^); е(/ц) = 1 + т^) ; г, , п , х\ , х{ , хо - параметры Т-образной схемы замещения; каг — 3(1 + кг„)а ка2 =(1 + /с/с)а2(а) —

1 I-12

(1 + А/М)а о^Ф2; /са3 =(1 + [М« - . кч - коэффициент скорости судна;

к[С1 к{а, к^ — коэффициенты потерь на гистерезис и вихревые токи в стали статора, механических потерь от высших гармоник тока, потерь от влияния высших гармоник тока на электромагнитный момент; - коэффициент увеличения потерь от вытеснения тока в статоре и роторе АД; р1 — коэффициент переменных потерь в меди статора и ротора от тока ротора; аг(а) — коэффициент потерь на гистерезис и вихревые токи в стали статора; р2 -коэффициент переменных потерь с учетом основных и добавочных потерь; о1(а) - коэффициент потерь в стали с учетом основных и добавочных потерь.

Типовые зависимости частоты от тока при оптимальных зависимостях абсолютного скольжения от частоты вращения АД для различных скоростей судна приведены на рисунке 16.

Результаты эксперимента по исследованию работы АД с двумя обмотками на статоре при энергетически оптимальном скалярном управлении для к3шт = 3,2 ■ 10~3 приведены на рисунке 17.

Результаты анализа показывают незначительное изменение коэффициента мощности и существенное изменение соотношения тока двигателя и электромагнитного момента. При этом существует граница сохранения регулировочных свойств системы электропривода. Снижение значения абсолютного скольжения менее граничного значения ведет к уменьшению частоты вращения и электромагнитного момента АД. Таким образом, критерием энергетически оптимального управления АД предлагается принять минимизацию соотношения тока АД к его электромагнитному моменту //Л/ —»/77/Л?.

Рисунок 16. Зависимости частоты от тока при оптимальных зависимостях абсолютного скольжения от частоты вращения АД для различных скоростей судна

а) б)

Рисунок 17. Зависимости со5ф=/[Р) и //Л/=/(Р)при номинальных параметрах АД (а) и увеличенных на 10% активных сопротивлениях статора и ротора (б)

В пятой главе разработаны теоретические положения и представлен метод математического моделирования судовых ЕЭЭС при проектировании судовых электротехнических комплексов.

Исследование синусоидальности напряжения на шинах ГРЩ в ЭТК судна с электродвижением выполнялись на схемотехнической модели системы с тремя СГ типа ТМВ-3-2, АД с двумя обмотками сдвинутыми в пространстве на 30" и двухканальным двухуровневым ПЧ с двенадцатипульсными схемами выпрямления на входе каждого канала представленной на рисунке 18.

Рисунок 18. Схемотехническая модель электроэнергетической системы судна с тремя синхронными генераторами

Результаты расчетного эксперимента для режимов автономной работы одного СГ (экс. 1) и параллельной работы трех генераторов (экс. 3) сведены в табл. 1. В экс. 2 работали параллельно 2 СГ, а в экс. 4 - 3 СГ и дополнительная асинхронная нагрузка собственных нужд.

Результаты экспериментов подтвердили известные тенденции изменения коэффициентов несинусоидальности форм кривых. Поэтому можно рекомендовать разработанную схемотехническую модель электроэнергетической системы судна для расчетов параметров ■ синусоидальности в любой точке электрической схемы, а также для исследований изменения рассматриваемых параметров качества электроэнергии в переходных режимах.

Исследование переходных процессов в судовом ЭТК при параллельной работе дизель-генераторов разных мощностей выполнено с помощью схемотехнической модели электроэнергетической системы судна с СГ типа ТМВ-3-2 (2 шт.), ТВМ-3-2В и МСК-1250-1500, асинхронной и статической нагрузкой каждого генератора, представленной на рисунке 19. Распределение активной и реактивной нагрузки в системе обеспечивается пропорционально-интегральными регуляторами.

Результаты расчетов приведены на рисунке 20. Характерной особенностью процессов в данной системе является перегрузка СГ типа МСК-1250-1500 пусковыми токами и реактивной мощностью при пуске мощных АД , что следует учитывать при проектировании и эксплуатации электроэнергетических систем с разнотипными СГ.

Исследование режима частотного запуска трехфазного ГЭД от источника электроэнергии бесконечной мощности с учетом упругости и трения линии вала выполнены на схемотехнической модели аналогичной модели на рисунке 18.

Результаты эксперимента при частотном запуске АД для вариантов с учетом упругости вала и без, а также вариантов управления при р=сош1 и энергооптимального управления при Р =уаг представлены в табл. 2.

Сравнительный анализ рассчитанных параметров показывает:

- наличие низкочастотной составляющей момента сопротиштения на валу при учете упругости вала;

- меньшие пульсации динамического момента на начальном периоде пуска при энергетически эффективном способе управления по сравнению с традиционным независимо от учета упругости вала и трения;

- несущественно меньшее время разгона АД до номинальной частоты вращения для вариантов управления с р=соп51 по сравнению с вариантом [5 =\ аг, что связано с меньшим электромагнитным моментом АД для последнего закона управления при одинаковой настройке регуляторов системы гребного эле ¡ара привода.

Последний фактор требует перенастройки контуров регулирования в зависимости от принятых для управления закономерностей.

Для обеспечения проектирования опытных образцов ПЧ и ГЭД выполнены расчеты на схемотехнической модели СЭД с трехуровневым инвертором и двухобмоточным гребным АД в замкнутой системе регулирования при питании от сети бесконечной мощности. Схема эксперимента аналогична схеме на рисунке 18.

Для обеспечения расчета заводом-изготовителем тепловых режимов ГЭД с учетом качества питающего напряжения выполнено исследование гармонического состава напряжения и тока на зажимах АД. Результаты моделирования номинального режима приведены на рисунке 21.

г

Таблица 1. Результаты расчета гармонического состава напряжений и токов в системе с несколькими СГ

IЯ *

а»

ш 9

т ш

ал;

-

№

Рисунок 19. Схемотехническая модель электроэнергегической системы судна с разнотипными СГ

•• « ---———---------'»а -—-----— "

& МВар ........... . . _____________

О» ГТ, «П V ~..... Г :

А I А у 1|, ' : |ШЦ !

.........г* 4 ••-

ЧГ - '.С

Рисунок 20. Активные и реактивные мощности при переходных процессах в ЭТК с четырьмя параллельно работающими разнотипными СГ

Целью разработки модели электроэнергетической системы переменно-постоянной:' тока является расчет ТКЗ для последующей проверки электрооборудования на коммутаций онную способность и электродинамическую стойкость, а также проверка эффективности новых элементов электрической защиты - сеточной защиты и взрывных предохранителей: Модель (рисунок 22) точно соответствует принципиальной электрической схеме исследуемой электрической сети. Для моделирования КЗ в соответствующих точках используется выключатель, замыкающийся в заданное время, на выходе которого присутствует или ко-! роткозамкнутая цепь, или включается модель электрической дуги.

Результаты расчета различных вариантов КЗ представлены на рисунке 23.

На основе анализа расчетов даны рекомендации организации-проектанту электроэнергетической системы по обеспечению электродинамической стойкости и коммутационной способности автоматических выключателей.

Выполненные разработки и исследования легли в основу созданной методики математического моделирования электроэнергетической системы корабля.

еЗДЛ

«МПВ.62

Г—..,™»»«» ыАД

„оосо

980.36-32 1.ЭвК.24>5 г.«К.1ЭЛ7 3.10К.7/43 Л32К.42» I--* \ / / „ша.

— Г»- ---„.„

1-13K.Z7B.74 \ 2.лекз7л.а - 3.ввК.179.Л

кт. ■А, V T-.it.. V- т .. .. • . ..

Рисунок 21. Токи фаз Л обмоток асинхронного двигателя и линейное напряжения на выходе одного канала преобразователя частоты при М=Мн,/=50 Гц

Таблица 2. Результаты расчетов частотного запуска ГЭД при традиционном и энергетически эффективном способах скалярного управления

р^согЛ с учетом упругости вала и трения винта

Г, о».

. л.

Р =уаг с учетом упругости вала и трения винта

"Ж ^Г"

а

Н!

Ш

В шестой главе разработаны теоретические положения расчета искажения синусоидальности напряжений и токов в судовых единых электроэнергетических системах.

Для анализа влияния ПЧ на качество электроэнергии в цепь АД и генератора были подключены датчики тока на эффекте Холла, сигнал с датчиков через АЦП поступал в ПЭВМ и обрабатывался разработанной программой. В отдельных опытах к генератору подключался дополнительный АД.

Влияние параметров на выходе ПЧ (частоты Уад и частоты широтно-импульсной модуляции /пим) и дополнительной асинхронной нагрузки (АН) на коэффициент искажений и синусоидальности токов СГ и АД (КНС1) оценивалось с помощью осциллограмм (рисунок 24).

Анализ полученных данных показал существенное искажение тока, особенно 5 и 7 гармониками. Подключение к генератору асинхронной нагрузки улучшает форму кривой. На осциллограмме (рисунок 24) отчетливо видны зоны, где ток прерывается, эти зоны в работах известного ученого С.Р. Глинтерника были названы резонансными.

В результате проведенных экспериментов получены зависимости Кнс1 СГ от/ним при холостом ходе и максимальной нагрузке АД с /ад =5, 10, 15Гц с дополнительной асинхронной нагрузкой и без. Зависимости дляДц = 15Гц приведены на рисунке 25а

■V ? I С" ??*" 2 -з.т г. ;>,7 : ' г¡: 'ко.'*° ~.'о т 1! = * п

Рисунок 22. Модель электроэнергетической системы

На графиках видно, что коэффициент искажения синусоидальности кривой тока практически не зависит от частоты ШИМ. Наименьшее значение Кнс/ имеет при холостом ходе АД и работе СГ с дополнительной асинхронной нагрузкой. Наибольший вклад в искажение тока вносят канонические 5,7, 11 и 13 гармоники, при малых нагрузках заметно проявление гармоник кратных трем — 3, 9, 15. Амплитуды канонических гармоник убывают практически пропорционально их порядку. Установлена существующая зависимость Кнс1 от соотношения токов преобразователя электроэнергии и источника электроэнергии -

увеличение отношения СГЛ ведет к улучшению синусоидальности тока источника элек-/ ад

троэнергии. Поэтому в диссертации и НИР, выполненной совместно с ФГУП «ЦНИИ СЭТ», рекомендовано инициировать введение норм по ограничению искажений синусоидальности формы кривой тока

При исследовании на физическом макете, минимальные значения коэффициента искажения синусоидальности кривой тока (рисунок 25, б) наблюдались при/щ//гм1ш=100-200.

Установлено, что колебательные (резонансные) свойства цепей источника, статического преобразователя электроэнергии (СПЭ) и нагрузки приводят к появлению резонансных зон, когда прекращается протекание тока во входной фазе СПЭ ранее момента естественной коммутации.

Для аналитического описания тока фазы источника, питающего преобразователь электроэнергии, используем допущение о линейном законе изменения тока во время коммутации (рисунок 26).

Наиболее полно свойства резонансного контура характеризуются его добротностью. Зависимость отношения добротностей <7=21/02 от значений индуктивностей контуров Ы и Ь2 является многомерной и представляет собой поверхность, изображенную на рисунке 27.

Короткое замыкание в точке К9 при срабатывании СЗ Короткое замыкание в точке К9 при срабатывании СЗ и ПР-14

Рисунок 23. Результаты расчета различных вариантов КЗ

Е

1

33

53

аз

УТтп

и, В

0,01 0.02 0,03 0,04 0.05 0,06 0,07 o.os 0,09 0.1

U с

100 2C0300*BS00 600 700 S00 900 1000

/.кГц

100 2М ЭСО «О 5« 600 ТОО 300 900 lilOO

/кГц

без дополнительной АН, Кис1=73,10% с дополнительной АН, к,К1= 19,49%

Рисунок 24. Осциллограмма напряжения с датчика фазного тока СГ (/лд=5Гц,/шим—3,4кГц)

Кнс/ СГ, % Кнс/ АД, %

2,5

биЗД-М

САД-** 2

13

С АД-Маж

1

0,5 -

О

3 4 5 6 7 8 9 10 и :: и

14 15 /шим, кГц

О 1 2 3 i 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

а б

Рисунок 25. Зависимости Кис/ СГ от/шим при холостом ходе и максимальной нагрузке АД с /ад=15Гц с дополнительной асинхронной нагрузкой и без нагрузки

На основе анализа зависимости ширины резонансной зоны от резонансного угла y2=yl -уО, сформулирована гипотеза о наличии обратной пропорциональности между углом 72 и параметром q:

Уг = ~ . (18)

Ч

где к, — коэффициент пропорциональности, учитывающий резонансные свойства цепей СПЭ, который определяется экспериментально при известной конфигурации сети с СПЭ. lía основе аналитического расчета токов инвертора на коммутационных интервалах получены выражения для токов инвертора и выпрямителя в зависимости от параметров входных и выходных цепей и разработан метод расчета коэффициента искажения синусоидальности кривой тока в электроэнергетической системе с преобразователем частоты со звеном постоянного тока, на базе которой разработан алгоритм работы системы управле-

ния активного фильтра гармоник (АФГ) (рисунок 28), отличающийся тем, что противофазные токи формируются на основе значений параметров тока и напряжения на выходе ПЧ или в звене постоянного тока

/, о.е.

1 -

а+п/б у ' у1 ' уО '

Рисунок 26. Ток источника при допущении о линейном законе его изменения

>.49 Я

Рисунок 27. Зависимость отношения добротностей контуров от значений индуктивностей

£

Ввод сигнала I*

Измерение действующего тока инвертора 1и

^ НАЧАЛО ^

пч

Ввод сигнала и /

Вычисление частоты тока инвертора £

Определение действующего

тока выпрямителя по значению действующего тока инвертора

Т

Вычисление периода тока инвертора Т

Построение зависимостей л 3 \

Расчёт коэффициентов ряда Ф\гоье

*

| Определение угла коммутации X v. 7 7 г 7: 7 )

. 2 (к, Ь , Ь, Л Ь, & —1 -и- 1--^ -г —+-!— |

* 1, 7 Г! 71 7 )

Рэсчет токов высших гармоник

Вывод I, (лч) —£

Инвертер

^ КОНЕЦ )

Рисунок 28. Алгоритм работы системы управления АФГ

Заключение

В совокупности полученных результатов достигается цель повышения эффективности расчетов при проектировании и в интересах эксплуатации электроэнергетических систем судов с учетом энергосберегающего управления системами электродвижения, базирующихся на математическом моделировании электротехнических комплексов. Получены следующие основные результаты и сделаны выводы:

1. Развиты теоретические положения по расчету режимов проектируемых электроэнергетических систем судов с электродвижением на основе формализации оценки параметров унифицированных модулей ЭТК. Получены аналитические выражения для расчета ударного тока короткого замыкания и максимально допустимой мощности одной СЭД. Для обеспечения принятия решений при проектировании ЕЭЭС предложена методика научно-технического обоснования вариантов исполнения электрооборудования СЭД и выполнена формализация выбора электрооборудования на основе метода экспертных оценок.

2. Сформулированы теоретические положения математического моделирования судовых единых электроэнергетических систем при проектировании ЭТК судов с электро-

движением и разработан метод математического моделирования электроэнергетических систем при их проектировании.

3. Развиты теоретические положения схемотехнического анализа судовых ЭТК на основе выявленных общих закономерностей формирования матричных уравнений электрических машин при схемотехническом моделировании и разработан метод формирования уравнений электрических сетей с электрическими машинами. Для реализации метода разработан алгоритм формирования уравнений электроэнергетической системы с электрическими машинами.

4. Разработаны математические модели быстродействующей электрической защиты СЭД и ограничителей перенапряжений использованные при расчетах аварийных режимов в комплексной модели электроэнергетической системы переменно-постоянного тока судна.

5. Создана математическая модель в фазных координатах многообмоточного гребного асинхронного электродвигателя. Введено понятие «вынесенной» индуктивности рассеяния статорных обмоток, которая играет существенную роль в формировании потокосцеп-лений обмоток многообмоточного АД. Доказана ограниченность применения известных схем замещения двухобмоточного АД.

6. Развиты теоретические положения и разработан метод оптимального энергосберегающего управления гребным асинхронным двигателем. Теоретически установлено, что при управлении гребным АД по минимуму потерь его нагрузка может бьггь увеличена сверх номинальной без повышения паспортной температуры двигателя. Критерием энергетически оптимального управления асинхронным гребным электроприводом предложено принять минимум соотношения тока АД к его электромагнитному моменту ИМ —*тт.

7. На основе расчетных исследований определена граница сохранения регулировочных свойств системы гребного асинхронного электропривода, в пределах которой снижение значения абсолютного скольжения не приводит к уменьшению частоты вращения и электромагнитного момента АД. Значение абсолютного скольжение на границе при номинальных параметрах АД составило 0,4%. На основе расчетного эксперимента определена возможность снижения полных потерь частотно-управляемого ГЭД на 20%.

8. Разработана схемотехническая модель электроэнергетической системы переменного тока судна с электродвижением на основе математических и схемотехнических моделей элементов для расчета переходных и установившихся процессов в нормальных и аварийных режимах с учетом срабатывания быстродействующих электрических защит и проведены исследования режимов ЕЭЭС при параллельной работе четырех разнотипных СГ. Выполнены прикладные расчеты электроэнергетической системы корабля переменно-постоянного тока типового заказа, на основе которых сделаны практические рекомендации по обеспечению электрической защиты и выбору коммутационно-защитной аппаратуры. Определены возможные перенапряжения 770-930 В в ЕЭЭС и время отключения цепи короткого замыкания равное 2 мс.

9. Разработаны теоретические положения и метод расчета искажения синусоидальности напряжений и токов в судовых единых электроэнергетических системах. В основу методики расчета в электроэнергетической системе с частотно-регулируемым гребным электроприводом заложено определение коэффициентов ряда Фурье тока генератора и расчет коэффициента искажения синусоидальности кривой входного тока в системе с преобразователем частоты со звеном постоянного тока, отличающаяся тем, что исходными данными для расчета являются измеренные параметры тока инвертора или ток звена постоянного тока

Основные публикации по теме диссертации

I Публикации в изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК РФ

а) Статьи

1. Калинин И.М. и др. Статические преобразователи и качество электроэнергии // Су достроение. - 2010. - №4. - С.51-54. (автор- 90%).

2. Калинин И.М. и др. Моделирование процессов в ядерном реакторе с частотно регулируемым электроприводом // Судостроение. - 2010. - № 5. - С. 30-32. (автор - 90%).

3. Калинин И.М. и др. Создается отечественное судовое электрооборудование // Су достроение. - 2011. - № 2. - С.31-33. (автор - 20%).

4. Калинин И.М. и др. Управление гребным асинхронным двигателем по критерию минимизации потерь // Журнал СПГУВК. - 2011. - Вып. 3. - С.66-74. (автор - 90%).

5. Калинин И.М. и др. Корабельные электротехнические комплексы на основе унифицированных базовых модулей // Судостроение. - 2012. - № 5. - С.31-32. (автор - 90%).

6. Калинин И.М. и др. Математическое моделирование асинхронных двигателей с двумя обмотками на статоре. Часть 1 // Электроника и электрооборудование транспорта. -2012. - № 4. - С. 21-26. (автор - 90%).

7. Калинин И.М. и др. Математическое моделирование асинхронных двигателей с двумя обмотками на статоре. Часть 2 // Электроника и электрооборудование транспорта. -2012. - № 5-6. - С.27-32. (автор - 90 %).

8. Калинин И.М., Титов В.В., Махонин C.B. Сравнительное исследование скалярного и векторного способов управления гребным электродвигателем // Электроника и электрооборудование транспорта. - 2013. - № 2. - С.18-23. (автор - 40%).

9. Калинин И.М., Балабанов Б.А. Судовые электротехнические комплексы. Термины и определения // Морской вестник, специальный выпуск: Материалы всероссийской научно-теоретической конференции «Судовые электроэнергетические системы и гребные электрические установки». - СПбГМТУ. - 2013. - №2(11). - С.26-30. (автор - 50%).

б) Патенты

10. Калинин И.М., Петров Г.П., Кулешов В.И. Способ избирательного контроля сопротивления изоляции. Патент РФ на изобретение № 2073249 от 14.09. 97 г. (автор - 80 %).

11. Калинин И.М., Хомяк В.А., Балабанов Б.А. Гребная электрическая установка с многоуровневыми преобразователями частоты. Патент РФ на изобретение № 22475376 от 24.06.2011 г. (автор - 80 %).

12. Калинин И.М., Паршиков В.А., Шульгина Е.Ю., Кузнецов В.И. Способ включения трансформатора Патент РФ на изобретение № 2481692 от 22.08.2011 г. (автор - 80 %).

13. Калинин И.М., Паршиков В.А., Шульгина Е.Ю., Кузнецов В.И. Гребная электрическая установка с устройством включения. Патент РФ на изобретение № 2479103 от 25.10. 2011 г. (автор - 80 %).

14. Калинин И.М., Земский А.Ю. Тренажер для подготовки операторов. Патент РФ на полезную модель № 115115 от 20.04.2012 г. (автор - 50 %).

15. Калинин И.М., Алексеев В.Д., Васютин В.З., Самсыгин В.К. Устройство для испытаний частотно-управляемого гребного электропривода системы электродвижения в условиях стенда. Патент РФ на изобретение № 2498334 от 06.06.2012 г. (автор — 50 %).

16. Калинин И.М., Балабанов Б.А., Иванов И.О., Паутов Л.Г., Ярощук Д.П. Способ управления судовой единой электроэнергетической системой Патент РФ на изобретение № 2520822 от 11.07. 2012 г. (автор - 50 %).

в) Свидетельства

17. Калинин И.М. Электроэнергетическая система корабля. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2012614702, 25.05.2012 г. (автор - 100 %).

18. Калинин И.М., Балабанов Б.А. Расчет характеристик асинхронного двигателя при энергосберегающем управлении. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ. № 2012614807, 30.05.2012 г. (автор - 80 %).

19. Калинин И.М., Вайнерман П.Б., Ярощук Д.П., Виноградов A.A. Имитатор для тестирования программного обеспечения систем управления судовым электродвижением. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2012618727,24.09.2012 г. (автор - 80 %).

II Прочие публикации

а) Учебники

20. Судовые электроэнергетические системы: Учебник / Г.С. Ясаков, B.C. Григорен-ко, И.М. Калинин. - СПб.: ВМИИ, 2003. - 525 с. (автор 60 %).

21. Электрический привод: Учебник/И.М. Калинин, М.В. Михненок, И.Б. Анцев. -СПб.: ВМИИ, 2009. - 220 с. (автор 80 %).

б) Статьи и доклады

22. Калинин И.М., Григоренко B.C., Турусов С.Н. Консервативность проектирования электроэнергетических систем и современные методы расчета// Источники питания, №2 -СПб, 2004. - С. 15-17. (автор - 90 %).

23. Калинин И.М., Суровенко В.А. Моделирование сеточной защиты: Сборник докладов межвузовской НТК. - СПб: ВМИИ, 2004. - С.34-35 (автор 90 %).

24. Калинин И.М., Суровенко В.А., Кормилицын Ю.Н. Моделирование новых элементов защиты. - СПб: ЦКБ МТ «Рубин», 2004. - С. 22-24 (автор 90 %).

25. Калинин И.М. Исследование влияния статических преобразователей на синусоидальность питающего напряжения: Сборник материалов межвузовской научной конференции. - СПб: ВМИИ, 2006. - С.43-44 (автор 100 %).

26. Калинин И.М., Герин А.И. Вопросы изучения частотно регулируемых электроприводов // Пути повышения педагогического мастерства руководящего и научно-преподавательского состава ВУЗ ВМФ: Материалы межвузовской научно-методической конференции. - СПб: ВМИИ, 2007. - С. 79-80 (автор 70 %).

27. Калинин И.М., Земский А.Ю. Методика моделирования аккумуляторных установок // Пути повышения педагогического мастерства руководящего и научно-преподавательского состава ВУЗ ВМФ: Материалы межвузовской научно-методической конференции. - СПб: ВМИИ, 2007. - С. 44-45 (автор 50 %).

28. Калинин И.М., Земский А.Ю. Программные средства подготовки специалистов в условиях применения новых технологий в электроэнергетических системах кораблей // Новые технологии в проектировании, создании и эксплуатации новых электроэнергетических систем: Труды BMA, материалы научно-практического семинара. - СПб: BMA, 2008. - С.74-75 (автор 60 %).

29. Калинин И.М., Герин А.И. Использование датчиков Холла в учебном процессе // Совместные условия вооруженной борьбы на море и подготовка кадров ВМФ: Материалы межвузовской научно-практической конференции, Высшие Специальные офицерские классы ВМФ - СПб: ВМИИ, 2008. - С. 43-47 (автор 50 %).

30. Калинин И.М., Герин А.И. Повышение помехозащищенности измерительной установки с датчиком Холла // Новые технологии в проектировании, создании и эксплуатации новых электроэнергетических систем: Труды BMA, материалы научно-практического семинара - СПб: BMA, 2008. - С.25-27 (автор 50 %).

31. Калинин И.М., Земский А.Ю. Герин А.И. Программные средства подготовки корабельных электриков // Современные условия вооруженной борьбы на море и подготовка кадров ВМФ: Труды научно-практической конференции 6 ВСОК ВМФ. - СПб: 6 ВСОК ВМФ, 2008. - С.76-77 (автор 80 %).

32. Калинин И.М. Источники снижения электромагнитной совместимости корабельного оборудования: Материалы научно-теоретической конференции ВМИИ. - СПб: ВМИИ, 2010. - С.66-68 (автор 100 %).

33. Калинин И.М., Земский А.Ю. Математическое моделирование синхронного генератора с использованием среды ЬаЫчеуу: Материалы научно-теоретической конференции ВМИИ. - СПб: ВМИИ, 2010. - С.66-68 (автор 80 %).

34. Калинин И.М. Математическое моделирование процессов частотного регулирования циркуляционного насоса первого контура в ядерном реакторе: Материалы научно-теоретической конференции ВМИИ. - СПб: ВМИИ, 2010. - С.73-75 (автор - 100 %).

35. Калинин И.М, и др. Основы управления асинхронным гребным электродвигателем экономичной системы электродвижения // Электрофорум. - 2011. - №2. - С. 3-9 (автор - 80%).

Издательство СПбГМТУ, Лоцманская, 10 Подписано в печать 08.12.2014. Зак. 4717. Тир.100. 2,0 печ. л.