автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Судовые валогенераторные установки на основе МДП

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

РГ5 ОД

Третьяков Андрей Олегович 2 2 ДЕК ?(1П>Т

Судовые валогенераторные установки на основе МДП

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Н. Новгород-2000

Работа выполнена в Нижегородском государственном техническом университете.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Титов В.Г.

Официальные оппоненты

Ведущая организация

доктор технических наук, профессор Козярук А.Е. кандидат технических наук, доцент Краилин В.Ф.

ОАО КБ «Вымпел»

Защита состоится "'¿2'" Лй^оорл 2000 г. в 14 часов, в аудитории № 1258 на заседании диссертационного совета Д063.85.10 в Нижегородском Государственном техническом университете (603600, ГСП - 41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке технического университета. ■ .

Автореферат разослан" > 7 " нояорэ 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

к.т.н., доцент

Соколов В.В.

0459.*,,0

Общая характеристика работы

Актуальность темы Одним из актуальных направлений развития современного производства является повсеместное внедрение энергосберегающих'Технологий. Это справедливо и для энергоемких автономных объектов и, в частности, для судов различного назначения. При построения судовых электроэнергетических установок в качестве основного источника электроэнергии, как правило, используют дизель - генераторные агрегаты, число и мощность которых определяется исходя из назначения судна, режимов его работы и потребителей. Основным по продолжительности режимом работы многих судов является хо-довый режим при различных скоростях движения. Различие во внешних характеристиках движителя и главного двигателя приводит к тому, что практически во всех скоростных режимах работы судна на валу двигателя может быть избыточная мощность от 20 до 30%. Использование этой избыточной мощности для выработки электроэнергии представляется весьма перспективным, так как позволяет сберегать моторесурс дизель - генераторов судовой электростанции, использовать для получения электроэнергии более тяжелые, и, следовательно, дешевые сорта топлива, повысить надежность и экономичность электроэнергетической системы. Идея использования генераторов отбора мощности или ва-логенераторных установок (ВГУ) известна давно. Начиная с пятидесятых годов и по настоящее время появляются суда с теми или иными ВГУ. При этом всегда перед разработчиками встает проблема получения стабильных параметров электроэнергии ВГУ при переменной, в зависимости от ходового режима, скорости вращения главного двигателя. Эта проблема решается или использованием очень узкого скоростного диапазона ВГУ, или стабилизацией скорости вращения ВГУ механическими или другими вариаторами, а также электрическими методами, обеспечивающими стабильность частоты и амплитуды генерируемого напряжения при переменной скорости вращения вала генератора.

Современное состояние электромашиностроения и силовой техники делает последний способ наиболее предпочтительным. Здесь возможно построение ВГУ, как на базе синхронного генератора, так и асинхронного. При этом у асинхронного генератора на основе машины двойного питания (МДП) с преобразователем частоты (114) в цепи ротора последний имеет меньшую установленную мощность, чем для варианта «синхронный генератор с ГГЧ в статоре».

Использование асинхронной машины давно интересовало исследователей, работающих в области систем генерирования электроэнергии. Общее признание в этом направлении получили работы A.A. Иванова, Ю.Д. Зубкова, С.К. Бохяна, В.И. Радина, С.И. Кициса, M.JI. Костырева, A.B. Новикова, В.А. Лесника и др.

Новый этап в исследование асинхронных генераторных комплексов (ГК) связан с использованием для этой цели МДП. Благодаря широким регулировочным возможностям, МДП-генерагор занимает равноправное место в ряду альтернативных ГК, а по некоторым показателям имеет существенные преимущества. Глубокие научные и практические исследования в области МДП проведены во ВНИИ Электроэнергетики под руководством М.М. Ботвинника и

Ю.Г. Шакаряна, отражены в работах Г.Б. Онищенко, А.Е. Загорского, С.В.Хватова, и др. ученых. Новые возможности по использованию МДП-генератор получил, благодаря последним достижениям в области силовой электроники, созданию современных преобразователей частоты, которые обеспечивают практически синусоидальный ток. Работы по исследованию и внедрению МДП-генератора в автономные установки активно ведутся за рубежом. Например, в Японии фирмой Hitachi, в Норвегии - ABB KraftAs и ABB Corporate Research, в Австралии - Rainbow Power Company, в Германии - AKW, Siemens.

Накопленный мировой и отечественный опыт по исследованию и разработке МДП-генераторов, в частности, для установок отбора мощности, позволяет сделать вывод о несомненной актуальности подобных работ. Необходимость их продолжения связанна в первую очередь, с исследованием электромагнитных и электромеханических процессов. Эти вопросы, на наш взгляд, исследованы еще недостаточно.

Учитывая вышеизложенное целью настоящей диссертационной работы является исследование, разработка и создание судовой валогенераторной установки на основе машины двойного питания.

Цель работы определяет следующие задачи исследования:

• сравнительный анализ электротехнического оборудования ВГУ;

• выбор рациональных структур генераторного комплекса ВГУ;

• исследование стационарных режимов работы ВГУ по схеме МДП при различных преобразователях в роторной цепи асинхронной машины;

• расчет эксплуатационных показателей ВГУ;

• исследование квазистационарных электромеханических процессов.

Работа выполнена в рамках межвузовских научно-технических и инновационных программ Минобразования России: П.Т.447, "Системы энергосбережения и технологии освоения". Головная организация Нижегородский государственный технический университет.

Методы исследования. Исследования выполнены на основе общей теории электрических машин в сочетании с методом векторно-гармонического анализа и теории колебаний многомассовых электромеханических систем. Экспериментальные исследования выполнены на физической модели. Экономическое обоснование проведено с помощью метода годовых приведенных затрат.

Научная новизна. Основные научные результаты заключаются в следующем:

• аналитически установлена и практически подтверждена целесообразность применения в ВГУ переменной скорости асинхронного генератора по схеме МДП, обеспечивающего стабилизацию параметров генерируемой электроэнергии;

• на основе баланса активных и реактивных проводимостей энергетической системы с ВГУ, получены аналитические зависимости управления преобразователем частоты в роторной цепи асинхронной машины и источником реактивной мощности (ИРМ) при изменяющихся скорости вращения и нагрузки;. .

• проведены комплексные исследования стационарных электромагнитных процессов ВГУ на основе МДП с различными вариантами преобразователей частоты в автономном режиме и при работе параллельно с судовой электросетью, позволяющие производить оценку основных эксплуатационных показателей, в том числе качества вырабатываемой электроэнерги;

• разработана математическая модель системы судового валопровода и ВГУ для расчета квазистационарных электромеханических процессов с учетом упругих свойств отдельных элементов и наличия возмущающих воздействий в виде пульсации электромагнитного момента-МДП, позволяющая проводить анализ и синтез отдельных механических узлов и электрооборудования ВГУ.

• Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:

• разработаны инженерные методики расчета стационарных электромагнитных и электромеханических процессов, основных эксплуатационных показателей, оценки качества генерируемого напряжения ВГУ на базе МДП, которые являются основой для проектирования ВГУ;

• разработан макетный образец ВГУ.

Реализация результатов. Результаты диссертационной работы внедрены:

• в виде проекта по модернизации судовой ВГУ на судах типа "Речной" и "РТ";

• в учебном процессе в виде инженерных методик расчета МДП-генератора и МДП-привода в Нижегородском техническом университете и Волжской государственной академии водного транспорта.

В работе автор защищает общие подходы по построению ВГУ переменной скорости вращения и стабильных генерируемых параметров электроэнергии на основе МДП; математические модели ВГУ в автономном режиме и при работе параллельно с судовой электросетью с различными типами преобразователей частоты в роторной цепи; алгоритмы управления ПЧ и ИРМ, обеспечивающие стабилизацию амплитуды и частоты генерируемого напряжения; методики расчета эксплуатационных характеристик, а также показателей качества вырабатываемой электроэнергии МДП-генератором для различных типов преобразователя частоты и режимов работы ВГУ; математическую модель для исследования квазистационарных электромеханических процессов в валопроводе с ВГУ.

Публикация и апробация работы. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе получено решение о выдаче свидетельства на полезную модель №2000116721/20 (017489), свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №980690. Основные положения работы, ее теоретические и практические результаты, выводы и рекомендации доложены и получены положительные отзывы на следующих научно-технических конференциях и семинарах:

• Международная научно-техническая конференция " Бенардосовские чтения", Иваново: ИГЭИ, 1997, 1999 г.;

• XI научно-техническая конференция "Электроприводы переменного тока с полупроводниковыми преобразователями", Екатеринбург: УГТУ, 1998 г.

• научно-техническая конференция "Актуальные проблемы электроэнергетики", Н. Новгород: НГТУ, 1997-1999 г;

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, содержит 175 страницы машинописного текста, 73 рисунка, 9 таблиц, список литературы включающий 128 наименований и приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе сформулированы основные требования, предъявляемые к валогенераторным установкам. Особенностью валогенераторных установок является переменная скорость вращения, зависящая от скоростного режима судна. Требования стабилизации параметров вырабатываемой электроэнергии определяет силовую структуру ВГУ. В главе проведен анализ различных вариантов ВГУ, как с механическими вариаторами, так и управляемыми генераторами, где стабилизация амплитуды и частоты генерируемого напряжения достигается за счет различных преобразователей. Исходя из критерия установленной мощности электрооборудования показано, что одной из эффективных установок является ВГУ на основе МДП. На основе анализа технологических особенностей работы ВГУ сформулированы требования к силовому регулятору - преобразователю частоты. Показано, что наиболее полно сформулированным требованиям удовлетворяет преобразователь частоты, работающий в режиме ШИМ (ПЧ с ШИМ) и токовый непосредственный преобразователь (ТНПЧ).

Во второй главе анализируются стационарные режимы работы автономной ВГУ.

Установившийся режим работы валогенераторной установки характеризуется балансом активных и реактивных мощностей между ВГУ, нагрузкой и источником реактивной мощности (ИРМ). Нарушение баланса мощностей приводит к переходному процессу и, как правило, к новому установившемуся режиму работы с новыми параметрами значений амплитуды (Ui) и частоты (fi) генерируемого напряжения. Это нарушение может быть вызвано изменением следующих факторов:

• скорости вращения гребного вала;

• мощности (Рн) или характера нагрузки (coscpn).

Изменение скорости вращения гребного вала или мощности нагрузки, или характера нагрузки вызывает изменение Ui, fi.

Частота тока статора МДП-генератора, определяется выражением

, пгр п -р (1)

I, = = и + —— = const, 60 60

б

где П1 - синхронная скорость вращения поля статора, пр - скорость вращения ротора, р - число пар полюсов асинхронной машины (АМ), f2 - частота тока ротора.

Для обеспечения стабилизации ^ при переменной скорости вращения ротора (пр) необходимо регулировать частоту тока ротора ф), т.е. выходную частоту ПЧ в соответствии с выражением (1). Стабилизация величин Ь'ь ^ осуществляется за счет изменения момента ГК.

Представленные на рис. 1. механические характеристики п=Г(М) ВГУ с учетом скоростного диапазона работы главного двигателя, позволяют, определить оптимальный с точки зрения установленной мощности силового оборудования скоростной диапазон МДП-генератора (со=1.25со0 *1.9сао).

На рис.2 представлена схема

Механические характеристики ВГУ

Рис, 1

распределения активных и реактивных мощностей при работе ВГУ в автономном режиме. Приняты следующие обозначения: Рмех - активная мощность на валу генератора, ЛРмех - механические потери в МДП-генераторе, Р) - активная мощность статора АМ, Ргэ - активная мощность ротора, АРЬ ДР2, - соответственно, потери активной мощности в статоре и роторе ¡МДП-генератора, С?. - реактивная мощность статора МДП-генератора, Рпч -активная мощность ПЧ, ДРт - потери активной мощности в ПЧ, СЬч -

Схема распределения активных и реактивных мощностей при работе ВГУ в автономном реокиме

Рис. 2.

реактивная мощность ПЧ, Хв - реактивное сопротивление конденсаторной батареи самовозбуждения, Ов - реактивная мощность конденсаторной батареи самовозбуждения, ДРв - потери активной мощности в конденсаторной батареи самовозбуждения, ИРМ - дополнительный источник реактивной мощности, Хирм - реактивное сопротивление ИРМ, <Зирм - реактивная мощность ИРМ, ЛРирм - потери активной мощности в ИРМ, Ян, Хн - соответственно, активное и реактивное сопротивление нагрузки, Рн, (Ьг соответственно, активная и реактивная мощности нагрузки, Рмдо, <3мдп - соответственно, активная и реактивная мощности МДП-генератора.

В соответствии со схемой автономной ВГУ (рис. 2.) записываются уравнения баланса активных и реактивных мощностей;

где - 1и- активная составляющая тока статора; Лг активное сопротивление обмотки ротора; 1о - ток намагничивания АМ, <р1Ь ф2, фпч- соответственно фазы токов нафузки, ротора и ПЧ; и ^ - действующее значение и частота генерируемого напряжения. Для автономной ВГУ из условия компенсации реактивной мощности возбуждения АМ (ролм) выбрана конденсаторная батарея самовозбуждения (СЬ=С>оам)-

Решение системы (3) определяет основные критерии управления МДП, реализующие стабилизацию частоты и амплитуды напряжения ВГУ. В зависимости от типа'используемого ПЧ и эксплуатационных требований ИРМ может иметь регулируемую и нерегулируемую части. Минимизация установленной мощности ИРМ осуществляется за счет регулирования фаз токов ротора (фг) и ПЧ (<рпч) МДП-генератора в соответствии с векторными диаграммами работы ВГУ (рис. 3). /

По системе уравнений (3) рассчитаны граничные значения мощности ИРМ в зависимости от скольжения и соэф,, для МДП-генератора на основе ПЧ с НШМ (рис. 4). Расчет проводился для режима работы ПЧ с фпч=0. Величина Оирмпип соответствует максимальному генерированию реактивной мощности МДП-генератором и ограничивается номинальным значением тока ротора. Величина Оирмшах соответствует максимальному потреблению реактивной мощности МДП-генератором и ограничивается номинальным значением тока статора.

Из зависимостей рис. 4. следует, что при созфи>0.8 для ВГУ с ПЧ ШИМ ИРМ не требуется. При созф„<0.8, для обеспечения баланса реактивной мощности в автономной ВГУ допустимо использование нерегулируемого ИРМ,

(3)

(2)

Векторные диаграммы работы ВГУ

'н

2

а) Ф2>0; (рпч>0-

б) ф2<0; фпч>0. Рис. 3

в) (р2<0; Фпч<0.

установленная мощность которого определяется максимальным значением из ряда Оирмтт Для наименьшего соБср,, (точка Г на рис. 4.).

С учетом потерь активной мощности в асинхронной машине и ПЧ, были проведены расчеты КПД автономной ВГУ при работе с регулируемым и нерегулируемым ИРМ.

Из расчетов г1вгу следует что работа ВГУ с Сирм^сопб! приводит к снижению КПД ВГУ не более чем на 3%. Снижение КПД происходит в результате загрузки АМ реактивной мощностью.

Максимальное г)вгу на основе МДП-генератора с ПЧ с ШИМ при Рам=160 кВт (г|амл,ом-92%) составляет в среднем 95%.

В третьей главе анализируются стационарные режимы работы ВГУ на основе МДП-генератора с ТНПЧ при автономной работе. Использование ТНПЧ приводит к искажению формы тока МДП-генератора и следовательно оказывает влияние на качество генерируемого напряжения, которое оценивается величиной коэффициента нелинейных искажений (К,га). Согласно ГОСТ 13109-99 величина К,ш должна быть не более 5%. В соответствии с методом векторно-гармонического анализа и схемой замещения автономной ВГУ, где МДП-генератор представлен йсточником тока высших гармонических, была проработана методика расчета К„ц в зависимости от величины Оиш и параметров нагрузки.

Требуемая величина С^ирм рассчитывалась в соответствии с условиями стабилизации параметров 11) и ^ по системе уравнений (3). Граничные значения величины ИРМ (С?иРМтт и С^ирмпшх) в зависимости от режима работы автономной ВГУ представлены на рис. 5. Анализ зависимостей рис.5 показывает, что МДП-генератор с ТНПЧ всегда потребляет реактивную мощность. Установленная мощность ИРМ определяется минимальной скоростью вращения

QHPM^QoAM

p /Р

гн' am. How

JQuPMmin > С05(фи)= 0,9_ Рис.4

1.5

0.2 0.4 0.6 0.8 Рис.6

валопровода при максимальной нагрузке ВГУ активной мощностью (точка А на рис.1.) и наименьшим соБфн-

Работа с <Зирм=сош1:, определяемая точкой А на рис. 1, невозможна, так как (Зпрмтж при со5фн=0.9 меньше СЬрМ=соп51. В этом случае необходимо секционировать ИРМ или использовать регулируемый ИРМ. Например при работе с созфн>0.8 используется одна нерегулируемая секция, величина мощности которой определяется точкой Д на рис. 5. При работе с со5фн<0.8 включается вторая секция конденсаторных батарей, мощность которой между установленной мощностью ИРМ, (точка К на рис. 5.) и первой секцией.

Для выбранных секций были рассчитаны значения К„и в соответствии с системой уравнений:

V • Х„ • Хв • X™,.

х; =-

Y Y —v

лв лирм v

^СЕГИ ~ ~ ^МДПа

•Хя '(Хв +Х№М)

cosi

(<Pi)-rH;

Фг = arctg

к

х:

(4)

к =

¿(и;)2

и:

На рис. 6,7 представлены расчетные зависимости К™ =Д^Рн/Рам.ном.), из которых следует, что при использование регулируемого ИРМ в зоне малых нагрузок ВГУ К11и в среднем на 3% выше (рис.6), чем для варианта ВГУ с секционированным ИРМ (рис.7).

С учетом потерь активной мощности в асинхронной машине (АМ) и ПЧ, были проведены расчеты КПД автономной ВГУ при работе с регулируемым и нерегулируемым ИРМ. Анализ, .полученных результатов показал, что КПД ВГУ при работе с минимальным количеством секций ИРМ снижается в среднем на 4% по отношению к варианту с регулируемым ИРМ, когда реактивные составляющие токов в АМ минимальны., Снижение КПД происходит в результате загрузки АМ реактивной мощностью.

Максимальное г)вгу на основе МДП-генератора составляет в среднем

93%.

В четвертой главе исследуются стационарные электромеханические процессы ВГУ в составе судового валопровода при различных способах отбора мощности: редукторный, ременной, ВГУ встроена в линию вала.

Для математического описание динамических процессов использованы уравнения Лагранжа второго рода:. ,

й (аь5Ь | дР . (5)

Зqi д<\\

где Ь=Т-У -функция Лагранжа; Т - кинетическая энергия системы; V-потенциальная энергия системы; X.;- обобщенная возмущающая сила; с]; -обобще1шая координата системы.

На рис.8 представлена расчетная крутильная схема валопровода с ВГУ на примере сухогруза проекта 'Треплу" с редукторным способом отбора мощности, где: 1 - ДВС, 2 - маховик, 3 - редуктор, 4 - валогенератор, 5 - эластичная муфта, 6 -соединительная муфта, 7 - винт, I, С; Ь1 ф; - моменты инерции, л« 11 кость, линеаризованный коэффициент внутреннего трения и угол поворота ы,-ответствующих точек модели.

Расчетная крутильная схема валопровода с ВГУ сухогруза проекта "Dgenny "

Анализ собственного спектра электромеханической системы (ЭМС), ввиду слабой диссипации, проводился на основе невозмущенного консервативного аналога.

Проведенный анализ динамических усилий в упругих элементах ЭМС показал, что при синусоидальном питании воздействие вносимое МДП-генератором выражается в виде постоянного по величине (при постоянной нагрузке ВГУ) усилия, и не вызывает резонансных явлений. Для варианта с ТНПЧ на всех участках валопровода наблюдаются резонансные скоростные режимы, обусловленные совпадением собственных частот крутильной системы, с частотами возмущающих воздействий вносимых МДП-генератором. Усилия, возникающие в элементах валопровода при использовании МДП-генератора с ТНПЧ для рассматриваемых вариантов отбора мощности, не превышают значений, установленных правилами Регистра на всем рабочем диапазоне частот вращения валогенератора.

При использование ременной передачи, усилия в линии валопровода в среднем в 4 раза меньше по сравнению с зубчатой передачей. Это связано с большей демпфирующей способностью данной передачи. Однако усилия, возникающие в самой ременной передачи в 2.4 раза (отклик МДП^б) превышают величину номинального момента валогенератора (величину, на которую рассчитана данная передача). При использовании ВГУ, встроенной в линию вала, усилия в элементах валопровода, вызванные работой валогенератора (отклики МДП^, МДП^и), в два раза меньше по сравнению с редукгорным вариантом отбора мощности (рис.9.). С увеличением мощности ВГУ усилия в элементах валопровода возрастают. Увеличение мощности валогенератора с Рдм=160кВт до Р=320кВт (27% мощности ДВС (Рдвс)) при варианте ВГУ встроенной в линию валопровода приводит к увеличению усилий на 7-10%. Условии Рдм =0.27 Рдвс является граничным (для рассматриваемого типа судна и варианта ВГУ) условием для редукторного варианта отбора мощности.

Нагрузка в соединительном валу валопровода при редукторном способе отбора мощности

Рлм=160кВт, Ха=5Хр.

Рис.9

Изменение величины индуктивного сопротивления сглаживающего реактора для варианта МДП-генератора с ТНПЧ от Х^Хр до Ха=5Хр (Хр - индуктивное сопротивление обмотки ротора) приводит к снижению усилий в элементах валопровода, в среднем на 4-8% (отклик МДП1=12), для всех вариантов способа отбора мощности.

В пятой главе рассчитаны эксплуатационные показатели ВГУ, работающей параллельно с судовой электростанцией (СЭС). Работа МДП - генератора параллельно с другим источником электроэнергии является одним из режимов работы ВГУ в составе судовой электростанции, которая обычно включает в се-

бя, кроме валогенератора, два и более синхронных дизель-генераторов (СГ). В качестве-ИРМ может быть использован один из дизель-генераторов.

Одним из эксплуатационных показателей является коэффициент мощности (Км)- На рис. 10, представлены зависимости Км в функции загрузки ВГУ, из которых следует, что МДП-генератор на основе ПЧ с ШИМ при работе параллельно СЭС обеспечивает регулирование потребления реактивн-ой мощности из сети во всем скоростном диапазоне работы ВГУ и позволяет не только реализо-вывать законы управления ДР1Шт, иС^Ю, но и генерировать реактивную мощность в сеть. При-'работе'МДП-генератора по законам ДРшт и Ок-у>0 коэффициент мощности Км снижается от «0.96 до «0.37 (для закона ДРтш), от «0.93 до «0.37 (для закона Огь^О) при уменьшение величины загрузки ВГУ (Рц/Рдмной.), так как в этом случае увеличивается доля реактивных составляющих токов статора и ротора АМ. Рассматриваемый вариант МДП-генератора с РАм=160кВт, на основе ПЧ с ШИМ позволяет работать ВГУ с г|«95% (рис.12). В режиме Овгу<0 КПД генераторного комплекса снижается в среднем на 7% (точка А, Б на рис.1.), 15% (точка В, Г на рис.1.) в зависимости от скольжения.

Рис.10 Рис.11

Подключение ИРМ приводит к изменению зависимости входного сопротивления судовой сети от частоты, так как емкостное сопротивление ИРМ, выполненного на основе конденсаторных батарей, и индуктивное сопротивление судовой сети (с учетом генераторного оборудования и нагрузки) образуют резонансный контур. Полюс частотной характеристики контура, как правило, находится в области низких, наиболее мощных гармоник МДП-генератора. Отметим, что при работе ВГУ с ПЧ ШИМ последствия этого резонанса не проявляются. Однако при использование МДП-генератора на основе ТНПЧ происходит генерация высших гармоник тока в питающую сеть, и, как следствие наблюдается резонансное усиление гармоник напряжения при совпадении частоты колебательного контура с частотой одной из высших гармоник тока МДП-

генератора. При этом конденсаторные батареи, хотя и компенсируют реактивную мощность нагрузки и ВГУ на основной частоте, вместе с тем практически они становятся вредным элементом системы электроснабжения. Следовательно, проблема компенсации реактивной мощности должна решаться с учетом особенностей, связанных с явлением электрического резонанса в СЭС.

Для улучшения гармонического состава напряжения СЭС с МДП-генератором на базе ТНПЧ необходимо принимать меры по исключению резонансных явлений. Один из путей уменьшения искажения формы кривой напряжения является соблюдение условие ур>7 (ур - порядок гармоники, соответствующий частоте параллельного резонанса между эквивалентной индуктивностью сети и емкостью ИРМ).

Расчеты проводились для двух типов СЭС: дизель-генератор мощностью Рсг=50ОкВт; два дизель-генератора мощностью Рсг=ЗООкВг, при переменной величине (2ирм, и мощности нагрузки (Рн=Рам^2Рам.„ом.)- Мощность СГ выбиралась из условия компенсации реактивной мощности ВГУ и нагрузки. Задача исследования сводилась к определению соотношения мощности СГ и ИРМ (С?ирм) с учетом требуемой величины К1Ш<5%.

Проведенные расчеты показали, что работа с Оирм=3+4С>оам позволяет избежать эффекта резонанса от максимальных высших гармоник тока МДП-генератора. Дальнейшие увеличение С^ирм вызывает уменьшение резонансной частоты колебательного контура, что может привести к резкому увеличению амплитуд высших гармоник напряжения СЭС (5 ,7 гармоники тока МДП-генератора). Отметим, что увеличение установленной мощности ИРМ выше

4(Зоам, для данного расчетного варианта (Рдм=160кВт) является нецелесообразным, так как приводит к завышению установленной мощности МДП- генератора, который одновременно с СГ обеспечивает баланс мощностей между СЭС и

нагрузкой. Уменьшение установленной мощности ИРМ ниже ЗСЬдм вызовет необоснованное завышение установленной мощности СГ

На рис. 13, 14 показаны расчетные зависимости К,ш=£(Рц) для двух значений С>ирм: СЫрм=3(2оам, С>иш=4С!оам соответственно.

Основные результаты работы

В итоге проведенных исследований получены следующие основные результаты:

1. Обоснована целесообразность реализации ВГУ на основе МДП-генератора, обеспечивающей стабилизацию частоты и напряжения сети, как в автономном режиме, так и при работе параллельно с судовой сетью в полном диапазоне частот вращения вала и нагрузок.

2. Разработана инженерная методика расчета и выбора установленной мощности элементов силового оборудования ВГУ, его эксплуатационных показателей, базирующаяся на балансе активных и реактивных мощностей.

3. Установлено, что в автономном режиме работы ВГУ:

- величина установленной мощности ИРМ ВГУ с ТНПЧ определяется минимальными величинами соБфн и скольжения АМ;

- - применение ГГЧ с ШИМ в составе МДП-генератра при соз<р„>0.8 обеспечивает работу без ИРМ;

- использование секционированного ИРМ позволяет увеличить КПД ВГУ в среднем на 3-^5%. Минимальное количество секций для варианта МДП-генератора с ТНПЧ - две. Применение ПЧ с ШИМ в составе МДП-генератора позволяет использовать несекционированный ИРМ (0ирм=сопз1).

4. На основе анализа установленной мощности ИРМ при работе ВГУ с ТНПЧ параллельно с судовой сетью показано, что с учетом требуемого качества напряжения Кнц<5%, значение мощности ИРМ (Оирм) должно находится в диапазоне Оирм=(3^4)<Зоам.

5. Анализ коэффициента несинусоидальности напряжения (Кщд) ВГУ с ТНПЧ при автономном режиме работы показал, что:

- коэффициент Кщ, не превышает 3.5% во всем диапазоне частот вращения вала МДП-генератора при использование секционированного ИРМ;

- использование регулируемого ИРМ приводит к увеличению Кш в среднем на 1%;

- увеличение индуктивного сопротивления сглаживающего дросселя ТНПЧ от Ха=Хр до Ха=5Хр приводит к снижению К„ц в среднем на 2%.

6. Работа МДП-генератора с ТНПЧ в составе валопровода сопровождается резонансными явлениями, вызванными совпадением собственных частот ЭМС с частотами возмущающих воздействий, которыми являются гармонические составляющие электромагнитного момента МДП-генератора. Расчеты показали, что с учетом допустимых усилий в элементах судового валопровода установ-

ленная мощность ВГУ может составлять 20-30% от мощности первичного двигателя в зависимости от рассматриваемых типов механических передач (редук-торная, ременная, ВГУ встроенная в линию вала). Минимизация усилий в упругих элементах валопровода может быть достигнута за счет увеличения величины Xdp в составе ТНГГЧ. Увеличение Xdp от Хр до 5ХР приводит к снижению усилий, вызванных гармоническими составляющими электромагнитного момента МДП-генератора, в среднем на 2-4% в зависимости от типа передачи.

7. Комплекс проведенных исследований явился основой для создания макетной установки мощностью Рдм=5.5кВт, проектов по модернизации судовой ВГУ на судах типа "Речной" и "РТ".

Работы опубликованные по теме диссертации

1. Титов В.Г., Третьяков А.О., Хватов О.С., Ошмарин О.Н. Валогенера-торные установки на базе МДП-генерторов// Актуальные проблемы электроэнергетики: Тез. докл./ Н. Новгород: НГТУ, 1997. - С.27

2. Бурмакин O.A., Третьяков А.О., Ошмарин О.Н., Хватов О.С. Крутильные колебания в валогенераторных установках// Актуальные проблемы электроэнергетики: Тез. докл/ Новгород: НГТУ, 1997. - С. 23.

3. Ошмарин О.Н., Захаров П.А., Третьяков А.О., Хватов О.С. Асинхронные генераторные комплексы// Состояние и переспектавы развития электротехнологии: Тез. докл. Международная научно-техническая конференция «VIII Бенардосовские чтения»/ Иваново: ИГЭУ, 4-6 июня 1997. - С. 15S.

4. Третьяков А.О., Хватов О.С., Бурмакин O.A. Упругие колебания ЭМС на основе МДП-генератора в стационарных режимах работы// Электроприводы переменного тока: Тез. докл./ Екатеринбург: УПИ, 1998. - С.44.

5. Титов В.Г., Третьяков А.О., Хватов О.С., Ошмарин О.Н. Анализ электромеханических процессов в генераторных комплексах на базе МДП// Актуальные проблемы электроэнергетики: Тез. докл./ Н.Новгород: НГТУ, 1997. -С.24.

6. Третьяков А.О., Хватов О.С., Бурмакин O.A., Самулеев В.И. Методика расчета крутильных колебаний валогенераторной установки на базе машины двойного питания. (Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №980690). Москва: РОСПАТЕНТ, 4 декабря 1998.

7. Третьяков А.О., Хватов О.С., Бурмакин O.A., Епифанов В.И. Крутильных колебаний в судовых валопроводах с валогенераторами по схеме МДП// Моделирование и оптимизация сложных систем, вып.275, ч.1. Межвузовский сборник научных трудов./Н.Новгород: ВГАВТ, 1998. - С.37.

8. Третьяков А.О., Хватов О.С., Бурмакин O.A., Штурмин С.А. Анализ электромеханических процессов автономных генераторных комплексов на базе МДП// Электротехнические системы и комплексы. Межвузовский сборник научных трудов/ Магнитогорск: МГТУ, 1998. - С.37-43.

9. Титов В.Г., Третьяков А.О., Хватов О.С., Бурмакин O.A. Квазистационарные процессы в электромеханической системе с машиной двойного питания// Электрооборудование промышленных установок. Межвузовский сборник научных трудов./ Н.Новгород: НГТУ, 1998. - С.38-43.

10. Титов В.Г., Захаров., Третьяков А.О., Горланов М.Л. Валогенератор-ная установка на базе машины двойного питания// Состояние и переспективы развития электротехнологии: Тез. докл. Международная научно-техническая конференция «IX Бенардосовские чтения»/ Иваново: ИГЭУ, 8-10 июня 1999. -С. 201.

11. Титов В.Г., Третьяков А.О., Хватов О.С., Епифанов В.И., Бурмакин O.A. Установка отбора мощности на базе машины двойного питания// Актуальные проблемы электроэнергетики: Тез. докл./ Н.Новгород: НГТУ, 1999. - С. 18.

Личный вклад автора. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат: математические модели /6,7,8,9/; обобщения результатов /3,4,10/; постановка задачи и расчеты /2,5,9,11/,