Russian Federation
Nizhniy Novgorod, Nizhny Novgorod, Russian Federation
The article presents the analysis of the operating modes of small displacement vessels, which states that most of the working time the vessels are in standby mode, or move at low speed. The main ship diesel engines operate at a load of 10-15% (maximum 20%), which impacts the operational performance: the oil and water jacket of the engine do not have time to warm up, fuel and oil consumption increases. There takes place coking of piston rings, intercoolers and other components, which leads to a sharp decrease in the service life of the engine. In order to eliminate the disadvantages happening in the main engines operation in shared load modes, it is considered to use the shaft generator unit as a propeller shaft unit in the prolonged operation of the vessel at passing with a low speed and maneuvering. Such a variant of the shaft generator can be called a reversible shaft generator unit (RSGU) capable of operating in both generator and motor modes. At the same time, it is advisable to power the reversible shaft generator and general ship consumers from a diesel generator, which, in order to save fuel, can be applied as a variable speed diesel generator unit. There is presented a RSGU variant based on an asynchronous machine with a phase rotor and a frequency converter in the rotor (a double power supply machine). The functional and structural schemes of the ship’s electric power system using the variable speed diesel generator and the propulsive system based on the reversible shaft generator are presented. In the Matlab software there are developed the simulation models and presented the results of simulation modeling of the operating modes of the above systems.
reversible shaft generator unit, variable-speed diesel generator, dual-power machine, ship power plant, frequency converter
Введение
Особенность обратимой валогенераторной установки (ОВГУ) заключается в ее способности работать в качестве гребной электрической установки на низких скоростях движения судна [1]. Установленные на судне дизель-генераторы (ДГ) обеспечивают электрической энергией ОВГУ и общесудовые потребители. Главная энергетическая установка при этом не используется. С целью повышения энергоэффективности при работе ДГ целесообразно одну из генераторных установок перевести в режим переменной частоты вращения, т. е. реализовать машинно-вентильный вариант дизель-генераторной установки переменной частоты вращения (ДГПЧВ) [2–4]. Необходимо отметить, что ОВГУ выступает в роли не основной, а вспомогательной пропульсивной установки судна. Продолжительный ход судна с максимальной скоростью обеспечивается главной энергетической установкой и питанием общесудовых потребителей от ОВГУ. В штормовых условиях питание общесудовых потребителей осуществляют ДГ, а ОВГУ отключается.
Функциональная схема судовой электроэнергетической системы с дизель-генера-торной установкой переменной частоты вращения и обратимой валогенераторной установкой по схеме машины двойного питания
Валогенераторные установки являются генераторными комплексами переменной частоты вращения. Требование стабилизации параметров генерируемой электроэнергии (амплитуды и частоты напряжения) у современных валогенераторных установок обеспечивается средствами полупроводниковых преобразователей частоты (ПЧ). При использовании в составе валогенераторной установки электрического генератора синхронного типа ПЧ подключен к статорным обмоткам синхронного генератора и, следовательно, его установленная мощность определяется полной мощностью синхронного генератора. При использовании в качестве электрического генератора в составе валогенераторной установки асинхронной машины, как альтернативного типа, можно получить ряд преимуществ как в плане надежностных и стоимостных показателей (для асинхронного короткозамкнутого генератора), так и по установленной мощности силового электрооборудования (для варианта машины двойного питания (МДП)). Для варианта валогенераторной установки по схеме МДП мощность ПЧ, который подключен к роторной цепи асинхронного генератора с фазным ротором, определяется мощностью скольжения и, как правило, существенно меньше мощности ПЧ в статоре синхронного генератора. В настоящем исследовании рассмотрен вариант ОВГУ на основе МДП. Отметим, что МДП обладает хорошими регулировочными возможностями и особенно перспективна при широком диапазоне изменения скорости вращения вала, когда к мощности, генерируемой через статор, добавляется мощность скольжения [5, 6]. На рис. 1 представлена функциональная схема судовой электроэнергетической системы с ДГПЧВ и ОВГУ на основе МДП.
Рис. 1. Функциональная схема судовой электроэнергетической системы
с ДГПЧВ и ОВГУ на основе МДП
Проведем математическое описание элементов силового оборудования электроэнергетической системы (рис. 1): ДГПЧВ, ОВГУ и нагрузки (винт). Поскольку мы исследуем двигательный режим работы ОВГУ при отключенном главном судовом дизельном двигателе, то его математическое описание не приводим.
Моделирование режимов работы судовой электроэнергетической системы с дизель-генераторной установкой переменной частоты вращения и обратимой валогенераторной установкой по схеме машины двойного питания
Математическая модель ДГПЧВ на основе асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором представлена следующими уравнениями системы:
(1)
Первое уравнение системы (1) описывает дизельный двигатель, последующие – асинхронную короткозамкнутую машину. В качестве ПЧ в составе ДГПЧВ предлагается использовать ПЧ на основе активного выпрямителя напряжения (ПЧ2), что позволяет отказаться от необходимости использования отдельных конденсаторных устройств для возбуждения асинхронного генератора [7, 8]. Отметим, что все обозначения в уравнениях системы (1) являются общепринятыми в теории двигателей внутреннего сгорания и электрических машин [9].
В дальнейшем при исследовании динамических режимов работы активное сопротивление статорных обмоток и изменение потокосцепления в статоре асинхронной машины (трансформаторная электродвижущая сила статора) не учитывались. Данные допущения являются известными и общепринятыми в теории асинхронных машин при анализе динамических режимов их работы [5, 10]. Как объект управления, АГКЗ имеет два взаимосвязанных канала: канал по оси x определяет активную составляющую тока статора, канал по оси y – реактивную составляющую тока статора. По условию настройки на модульный оптимум определена передаточная функция регулятора в контуре стабилизации амплитуды генерируемого напряжения ДГПЧВ.
Математическое описание ОВГУ на основе МДП представлено уравнениями асинхронной машины с фазным ротором, записанными в синхронно вращающейся системе координат:
(2)
Все обозначения в уравнениях системы (2) являются общепринятыми в теории электрических машин [9].
Построение системы управления для двигательного режима ОВГУ на основе МДП по асинхронному принципу работы основано на раздельном управлении по двум каналам. В качестве первого канала используется канал регулирования частоты вращения, который по своей структуре является двухконтурным, где внешнему контуру частоты вращения (главный регулируемый параметр) подчинен контур активного тока статора. Второй канал реактивного тока статора является одноконтурным. Также предусмотрены контуры регулирования фазного тока ротора (по токам ПЧ в роторе). По правилам методики последовательной коррекции при настройке переходных процессов в контурах регулирования на модульный и симметричный оптимумы получены передаточные функции соответствующих регуляторов [5, 6].
В качестве двигательной нагрузки представлен винт, величина вращающего момента которого определяется его геометрической формой при постоянной скорости набегающего потока, а также зависит от рода жидкости, в которой работает винт и от скорости его вращения:
где D – диаметр винта; ρ – плотность воды; n – скорость вращения винта; K2 – коэффициент момента винта.
Для исследования динамических режимов работы судовой электроэнергетической системы (см. рис. 1) в программном пакете Matlab получена ее имитационная модель (рис. 2).
Рис. 2. Имитационная модель судовой электроэнергетической системы
с ДГПЧВ и ОВГУ на основе МДП
На рис. 3 представлены временные зависимости изменения частоты вращения вала ω(t) (рис. 3, а) и вращающего момента М(t) (рис. 3, б) на валу ОВГУ по схеме МДП, а также амплитуды напряжения ДГПЧВ (рис. 3, в). Мощность ДГПЧВ – 600 кВт, мощность ОВГУ – 160 кВт.
Имитационный эксперимент состоит из следующих этапов: разгона ОВГУ, резкого сброса нагрузки на 15-й секунде (оголение винта), наброса нагрузки на 18-й секунде (вход винта в воду), последующего дополнительного наброса нагрузки на винт на 21-й секунде и снятия дополнительной нагрузки на 24-й секунде.
|
б |
|
в |
|
а |
Рис. 3. Переходные процессы в судовой электроэнергетической системе с ОВГУ на основе МДП и ДГПЧВ:
а – ωОВГУ; б – МОВГУ; в – UДГПЧВ
Результаты моделирования подтвердили обеспечение системой регулирования требуемых показателей качества как по статическим, так и по динамическим показателям. С учетом стабилизации частоты вращения ОВГУ и напряжения ДГПЧВ кратковременные отклонения вышеуказанных параметров находятся в допустимых (согласно Российскому морскому регистру судоходства) пределах: от 2 до 2,5 и от 3 до 5 % соответственно.
Заключение
Предложена концепция построения судовой электроэнергетической системы на основе ДГПЧВ и пропульсивной установки с ОВГУ по схеме МДП, обеспечивающая высокие энергетические показатели работы (минимизация по расходу углеводородного топлива). Разработана математическая модель и проведено имитационное моделирование динамических режимов работы данной системы, которое подтвердило обеспечение требуемых показателей качества регулирования в статических и динамических режимах. Отметим, что предлагаемый вариант системы снижает также нагрузку на окружающую среду за счет уменьшения объема отработанного масла для утилизации и отличается пониженным уровнем шума, т. к. главные судовые двигатели отключены.
Важным моментом является обеспечение безопасности судовождения. В экстренном случае, при выходе из строя главной энергетической установки, ОВГУ позволит судну сохранить управляемость и продолжить движение.
В заключение отметим, что предложенная концепция структуры судовой электроэнергетической системы применима как для новых судов, так и для модернизации существующих. Кроме того, этот вариант может использоваться для различных типов судов, где важен комфорт и не требуется предельная скорость: прогулочные катера, суда для перевозки грузов и пассажиров, для речного туризма, аренды, рыбалки, спасательные катера. Предложенное решение будет приобретать особенное значение в случаях передвижения в охраняемых зонах или соблюдения строгих требований в области охраны природы и окружающей среды.
1. Khvatov O. S., Burda E. M., Tarpanov I. A., Dar'enkov A. B., Kobiakov D. S. Parallel'naia rabota dizel'-generatornykh ustanovok postoiannoi i peremennoi chastoty vrashcheniia [Parallel operation of constant and variable speed diesel generators]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriia: Morskaia tekhnika i tekhnologiia, 2018, no. 1, pp. 93-99.
2. Khvatov O. S., Kobyakov D. S. Increasing the efficiency of a diesel-generator power plant. Russian Electrical Engineering, 2020, vol. 91, iss. 12, pp. 742-748.
3. Khvatov O. S., Kobiakov D. S. Povyshenie effektivnosti dizel'-generatornoi elektrostantsii [Improving efficiency of diesel generator power plant]. Elektrotekhnika, 2020, no. 12, pp. 25-31.
4. Delgado C., Dominguez-Navarro J. A. Optimal design of a hybrid renewable energy system ecological vehicles and renewable energies. Ninth international conference on publication year (EVER) (Monaco, March 25–27, 2014). Monaco Sustainable Development Association (MC2D), 2014. Pp. 1-8.
5. Onishchenko G. B., Lokteva I. L. Asinkhronnye ventil'nye kaskady i dvigateli dvoinogo pitaniia [Asynchronous valve stages and dual power motors]. Moscow, Energiia Publ., 1979. 265 p.
6. Khvatov O. S. Elektrotekhnicheskie generatornye kompleksy peremennoi chastoty vrashcheniia na osnove mashiny dvoinogo pitaniia: monografiia [Electrotechnical generator complexes of variable frequency of rotation using double power supply machine: monograph]. Nizhnii Novgorod, Izd-vo VGUVT, 2015. 276 p.
7. Zinov'ev G. S. Osnovy silovoi elektroniki: uchebnoe posobie [Principles of power electronics: tutorial]. Novosibirsk, Izd-vo NGTU, 2003. 644 p.
8. Shreiner R. T., Efimov A. A. Aktivnye preobrazovateli v reguliruemykh elektroprivodakh [Active converters in controlled electric drives]. Novoural'sk, Izd-vo NGTI, 2001. 250 p.
9. Khvatov O. S., Dar'enkov A. B., Samoiavchev I. S., Poliakov I. S. Avtonomnye generatornye ustanovki na osnove dvigatelei vnutrennego sgoraniia peremennoi chastoty vrashcheniia: monografiia [Autonomous generator installations based on internal combustion engines of variable speed: monograph]. Nizhnii Novgorod, Izd-vo NGTU im. R. E. Alekseeva, 2016. 172 p.
10. Treshchev N. I. Metody issledovaniia elektromagnitnykh protsessov v mashinakh peremennogo toka [Methods of research of electromagnetic processes in AC machines]. Leningrad, Energiia Publ., 1974. 287 p.
