ДОНЕЦЬКИЙ національний ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Голіков Сергій Павлович

УДК 621.313:629.12

Підвищення енергоефективності автономних електроенергетичних

комплексів рибопромислових суден

Спеціальність 05.09.03. – Електротехнічні комплекси і системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Донецьк 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донецькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України (м. Донецьк) та в Керченському морському технологічному інституті Міністерства аграрної політики України (м. Керч).

Науковий керівник – кандидат технічних наук, доцент

Костенко Володимир Іванович,

Донецький національній технічний університет,

проректор з навчальної роботи, завідувач

кафедри загальної електротехніки.

Офіційні опоненти – доктор технічних наук, професор

Герасимяк Ростислав Павлович,

Одеський державний політехнічний університет,

професор кафедри електромеханічних систем з

компўютерним управлінням

кандидат технічних наук, доцент

Шумяцький Валерій Матвійович,

Донецький національний технічний університет,

доцент кафедри електропривода і автоматизації

промислових установок

Провідна установа – Національний технічний університет

“Харківський політехнічний інститут”,

кафедра електромеханічних систем

Міністерство освіти і науки України,

м. Харків

Захист дисертації відбудеться "21" березня 2002 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К11.052.02 Донецького національного технічного університету за адресою: Україна, 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 1 навчальний корпус, к. 201.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці ДонНТУ (83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 2 навчальний корпус).

Автореферат розісланий “15” лютого 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

К11.052.02, к.т.н., доц. Ларін А.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Відсутність в Україні значних родовищ природних енергоносіїв є однією з причин енергетичної кризи в державі. При цьому існуюче в Україні становище за ефективністю використання паливно-енергетичних ресурсів не задовільняє сучасним вимогам. Тому в даний час найважливішою задачею для науки є пошук шляхів підвищення економічності промислових енергоустановок, до яких відносяться і електроенергетичні установки суден флоту рибної промисловості. Підвищення ефективності суднових енергетичних установок можливо як за допомогою спеціальних пристроїв, так і впровадженням енергозберігаючих методик і заходів.

Електроенергетична установка рибопромислового судна містить в собі машинно-рушійний комплекс (головний двигун і гвинт) і електричну станцію зі споживачами. Високий ККД автономної електростанції судна досягається оптимальним відношенням кількості й потужностей дизель-генераторів і установки відбору потужності від головного двигуна - валогенератора. Використання валогенераторів при наявності резерву потужності на головному двигуні дозволяє зменшити число дизель-генераторів, які працюють на більш дорогих видах палива і значно збільшити їх моторесурс.

Підвищення ККД машинно-рушійного комплексу (МРК) можна робити вибором режимів роботи головного двигуна. При неповному завантаженні головного двигуна приведення його потужності у відповідність до потужності, що відбирається на гвинт (для забезпечення ходу судна), може бути здійснено зниженням частоти обертання вала головного двигуна. Необхідна швидкість судна при цьому підтримується збільшенням кута розгортання лопат гвинта. Зниження частоти обертання вала двигуна призводить до зміни параметрів електроенергії валогенератора. Дотепер питання експлуатації генераторів (як постійного, так і змінного струму) на зниженій частоті в літературі освітлені недостатньо, і тому на практиці цього уникають. Потребує також додаткового вивчення питання експлуатації при зниженій частоті електроприводів механізмів, що живляться від синхронних валогенераторів.

Неможливість експлуатації валогенератора при зниженій частоті обертання вала головного двигуна не дозволяє реалізувати всіх можливостей зниження витрати палива.

Рішення задачі по об'єднанню двох методів підвищення ККД головного двигуна дозволить значно зменшити витрати палива.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота входить у комплекс науково-дослідних робіт з енергозбереження, якій виконується відповідно до Закону України "Про енергозбереження”. Тема дисертації є складовою держбюджетної теми 0100V001056 “Підвищення експлуатаційної ефективності суднових енергетичних установок” (виконавець Керченський морський технологічний інститут), а також госпдоговірної теми “Оптимізація роботи МРК РТМ-С типа “Прометей” (договори: з ВО "Керчрибпром" №95-1 від 11.05.95 р., з ВПО "Південрибпошук" №95-2 від 11.05.97 р., №99-1 від 16.06.99 р.).

Мета й завдання дослідження полягає у розробці технічних рішень, спрямованих на підвищення ККД головного двигуна із приєднаним до нього валогенератором при експлуатації МРК із мінімальною витратою палива.

Розв'язані наступні задачі:

·

· дослідження роботи валогенератора (як постійного, так і змінного струму) при зниженій частоті та визначення межі зниження частоти, при якій генератор забезпечуватиме номінальну напругу при тривалому режимі роботи;

· дослідження роботи асинхронного двигуна в умовах зниження частоти при різних засобах регулювання напруги живильного синхронного валогенератора;

· проведення порівняльного аналізу енергетичних характеристик асинхронного двигуна при зниженні частоти і двох засобах регулювання напруги (зниження пропорційно частоті й підтримка на номінальному рівні) із метою визначення більш економічного;

Об'єкт дослідження: машинно-рушійний комплекс рибопромислового судна з валогенератором, від якого живляться електроприводи промислових механізмів.

Предмет дослідження: експлуатація МРК та валогенератора на зниженій частоті обертання вала головного двигуна.

Методи дослідження. Рішення поставлених у дисертаційній роботі задач виконувалося теоретичними та експериментальними методами. Теоретичні методи базуються на теорії електричних машин, математичній статистиці й теорії ймовірності. Достовірність результатів теоретичних досліджень підтверджена експериментами на стендах і в ході проведення випробувань на промислових суднах.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Отримані нові аналітичні залежності для вибору найбільш економічних режимів машинно-рушійного комплексу рибопромислового судна, що відрізняються від відомих урахуванням перемінних навантажень валогенератора і гвинта, що дозволяє використовувати їх для побудови автоматичних систем керування.

2. Установлено залежність мінімально припустимої частоти обертання генератора від струму навантаження, при якій генератор може працювати з номінальною напругою статора і номінальним струмом збудження, що дозволяє експлуатувати валогенератор при зниженій частоті обертання з метою економії палива на головному двигуні.

3. Одержала подальший розвиток математична модель, запропонована Сиромятниковим І.А., для частотного регулювання швидкості обертання асинхронного двигуна шляхом врахування залежностей втрат потужності і температурного стану електричної машини, що дозволило уточнити припустимі режими роботи асинхронного двигуна.

Практична цінність роботи. Обґрунтовано можливість роботи синхронного валогенератора й асинхронних електроприводів в оптимізованому МРК РТМ-С типу “Прометей” при зниженій частоті, що дозволяє підвищувати ККД головного двигуна і знижувати загальні витрати на паливо. Результати роботи запропоновані й прийняті у виробництво в ВО "Керчрибпром" (акт від 12.01.2000р.) і в ВПО "Південрибпошук" (акт від 5.02.2001р.).

Апробація роботи. Вміст окремих розділів і дисертація в освітлені на:

·

· 4-й міжнародній науково-практичній конференції "Актуальні питання інноваційної діяльності в державах із перехідною економікою" (Алушта, 1999р.)

· міжнародній науково-технічній конференції “Землеробська механіка на рубежі сторіч” (Мелітополь, 2001 р.)

Публікації. Основні результати дисертації опубліковано в 11 наукових роботах (з них 4 у журналах, 4 у збірниках наукових праць, 2 у матеріалах конференцій, 1 в інформаційному листку), із них 6 в провідних наукових фахових виданнях України рекомендованих ВАК. Чотири праці написано без співавторів.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п'ятьох розділів, висновків, списку використаних джерел з 87 найменувань (на 7 сторінках) і п'ятьох додатків (на 26 сторінках). Її зміст викладений на 165 сторінках, містить у собі 38 рисунків, із них 11 на окремих сторінках.

ОСНОВНий зміст дисертації

У вступі дисертації обґрунтована актуальність роботи. Сформульовані мета й задачі досліджень, дана характеристика наукової новизни і практичної цінності. Приведені результати дисертаційної роботи.

В першому розділі (Стан питання й задачі дослідження) виконано аналіз сучасного стану питань дослідження. Показано, що на сучасних рибопромислових суднах існують нереалізовані можливості економії палива. У якості об'єкта дослідження обрані суднові системи: машинно-рушійний комплекс із валогенератором.

При наявності резерву потужності на головному двигуні можливо зниження витрати палива шляхом експлуатації МРК при визначеному сполученні значень частоти обертання вала головного двигуна (ГД) і кута розгортання лопат гвинта регульованого кроку (ГРК). Для зменшення витрати палива необхідно знижати частоту обертання вала ГД. При цьому швидкість прямування судна підтримується шляхом збільшення кута розгортання лопат ГРК. Цей метод забезпечує зрівнювання потужності ГД і потужності гвинта, необхідної для забезпечення швидкості прямування судна. Але на даний час цей метод не реалізується через відсутність засобів автоматизації процесу, побудова, котрих неможлива без відповідної математичної моделі.

Також, для підвищення ККД головного двигуна при його неповному завантаженні з боку гвинта на суднах вживають устаткування відбору потужності - валогенератори. Це дозволяє зменшити кількість працюючих дизель-генераторів суднової електростанції, що дає істотну економію палива і збільшує міжремонтні періоди дизель-генераторів.

При переведенні МРК на оптимальний, за витратами палива, режим роботи у разі використання синхронного валогенератора знижується частота напруги (величина напруги підтримується на номінальному рівні автоматичною системою регулювання струму збудження). Виникає проблема визначення межі зниження частоти, при якій струм збудження генератора не перевищить номінального значення, а також допустимості експлуатації електроустаткування в зазначених режимах. Дотепер вона вирішувалася шляхом використання механічних систем підтримки частоти обертання вала генератора або електричних перетворювачів частоти. Аналіз показав, що подібні системи не ефективні і на промислових суднах застосування не знайшли. Неможливість використання валогенератора приводить до необхідності введення в роботу додаткових дизель-генераторів, що знижує економічний ефект, одержуваний при застосуванні методу, описаного вище. Особливо чітко це виявляється при прямуванні судна на низьких швидкостях у режимі тралення.

Проведений аналіз типових схем електроприводів тралових лебідок, що на промислових суднах живляться від валогенераторів, показав, що всі схеми забезпечують необхідну виробність лебідок у зазначених вище умовах експлуатації.

У ряді схем електроприводів тралових лебідок використовуються асинхронні двигуни. Для них зниження частоти при номінальній напрузі раніше вважалося неприпустимим через зміну теплового режиму, а в практиці застосовувався закон пропорційного регулювання Костенко. Зазначений засіб регулювання не враховує параметри асинхронного двигуна, що визначають його тепловий режим і економічність. Слід зазначити, що реалізація класичного пропорційного регулювання можлива при введенні додаткових елементів у штатну схему, але на суднах, що експлуатуються, це небажано. Тому це питання потребує додаткових досліджень на предмет вибору найбільш раціонального засобу керування напругою при зниженні частоти.

У зв'язку з проведеним аналізом обґрунтовані мета й задачі дослідження.

У другому розділі (Математичні основи оптимізації машинно-рушійного комплексу) проведений аналіз режимів роботи рибопромислового судна, досліджені статичні паливні характеристики суден. На підставі експериментальних даних побудована математична модель МРК, запропонована функціональна схема системи автоматичного керування МРК.

Проведений за фактичними даними ВПО "Південрибпошук" аналіз режимів роботи рибопромислового судна показав, що такі судна мають два режими роботи, що потребують оптимізації: режим тралення й режим вільного ходу.

Дослідження паливних характеристик суден різних типів і призначень показав, що рибопромислові судна (на відміну від транспортних) мають паливні характеристики, що відносяться до змішаного типу, тобто в режимі вільного ходу вони близькі до монотонного (у зоні припустимих режимів), а в режимі тралення набувають екстремального характеру (рис.1).

У зв'язку з цим зроблені висновки: 1) існуючі математичні моделі не адекватні МРК рибопромислових суден; 2)методика завантаження ГД, що полягає в забезпеченні роботи ГД на верхній обмежувальній кривій неефективна, тому що при цьому не гарантується мінімальна витрата палива.

При побудові математичної моделі МРК рибопромислового судна були використані паливні характеристики, отримані при проведенні випробувань на судах РТМ-С типу "Прометей" (рис.1).

Для знаходження аналітичного виразу витратної паливної характеристики використовувався метод множинного нелінійного регресивного аналізу. З рис.1 видно, що витрата палива визначається для кожної швидкості частотою обертання вала головного двигуна і необхідною швидкістю прямування судна. У свою чергу швидкість судна визначається сполученням двох регульованих параметрів: частоти обертання вала головного двигуна (n) і крокового відношення гвинта (H/D). Оскільки паливні характеристики для кожної швидкості мають різну кривизну й усунуті щодо один одного, для отримання необхідних залежностей використані внутрішньо лінійні форми. Функція G=f(V,n,H/D,R) подана у вигляді сімейства за параметром H/D більш простих функцій G|H/D=const

,

де R - показник режиму роботи судна (приймемо: 0-режим вільного ходу, 1 - режим тралення); V - швидкість судна; n - оберти гребного вала; f1(R) - функція, що визначає кількісний вплив умов роботи (бальність моря) судна на витрату палива; f2(R,V,n) - функція, що визначає якісний вплив регульованих параметрів на вид паливних характеристик.

Функція f2(R,V,n) визначена у вигляді квадратичної залежності

.Для знайдення коефіцієнтів регресії Вi складається матриця результатів спостережень розміром (р, z), де z - кількість спроб, р - число чинників. Тоді, за умови f1(R)=1, матрицю шуканих коефіцієнтів можна знайти рішенням рівняння

,

де В - матриця шуканих коефіцієнтів; Х - матриця значень аналізованих чинників; Y - матриця значень функції відгуку.

Функція f1(R) із достатньою точністю ідентифікується лінійним багаточленом

,

де С1, С2 - постійні, що обчислюються для режимів тралення і вільного ходу відповідно за формулами:

,

- лінійна функція, що залежить від стана (бальності) моря.

Таким чином, ідентифікація паливних характеристик МРК РТМ-С типу "Прометей" здійснюється залежністю

.

Шляхом мінімізації отриманої функціональної залежності була визначена частота обертання гребного вала (вала головного двигуна), при якій витрата палива для визначеної швидкості буде мінімальною.

Аналогічно була отримана функціональна залежність гвинтової характеристики від швидкості прямування судна й частоти обертання гребного вала в кожному режимі роботи судна.

Отримана математична модель МРК РТМ-С типу "Прометей" являє собою систему з чотирьох формул:

(1)

(2)

(3)

(4)

Вираз (1) дає значення частоти обертання вала головного двигуна, при якій витрата палива на даній швидкості у встановленому режимі буде мінімальною. Вираз (2) дозволяє визначити крокове відношення гвинта H/D (параметр, що характеризує розгортання лопат) при заданих значеннях частоти обертання вала, швидкості прямування судна й режиму роботи. Вираз (3) дозволяє контролювати роботу ГД на предмет виходу за верхню обмежувальну криву дизеля. Вираз (4) дозволяє отримати витрату палива при заданих значеннях швидкості судна V і частоти обертання вала n головного двигуна у встановленому режимі R.

Побудована математична модель дозволяє використовувати її для розробки автоматичної системи керування.

На підставі вимог до систем керування запропонована функціональна схема системи автоматичного керування (рис.2). Давачем швидкості (ДШ) на пульті в ходовій рубці встановлюється необхідна швидкість судна. Там же давачем режиму (ДР) установлюється вид програми роботи судна: вільний хід або тралення з урахуванням стана моря. Вирішальний вузол (ВВ) після аналізу сигналів від ЗШ і ЗР видає по двох каналах необхідні значення частоти обертання вала дизеля (n) і крокового відношення (H/D).

Сигнал установки обертів порівнюється із сигналом від давачів обертів (ДО). Різницевий сигнал надходить на виконавчий механізм зміни обертів (ВМЗО), що впливає на регулятор обертів (РО) та встановлює необхідні оберти дизеля (Д). Одночасно по каналу регулювання (H/D) сигнал проходить через виконавчий механізм керування (ВМК), що, діючи на механізм зміни кроку гвинта (МЗК), встановлює необхідне розгортання лопат гвинта. Контроль швидкості судна (С) здійснюється давачем швидкості (ДШ), сигнал із якого надходить у РУ. Велика частина необхідного устаткування, як правило, вже встановлена на суднах.

Розроблений принцип побудови математичної моделі МРК може бути використаний для побудови математичних моделей МРК суден інших типів.

У третьому розділі (Визначення характеристик валогенератора при зниженні частоти обертання приводного двигуна) проведений аналіз роботи валогенератора при зниженні частоти. Отримана залежність, що дозволяє визначити межу зниження частоти, при якій генератор може працювати в тривалому режимі з номінальною напругою й струмом збудження, що не перевищує номінальний. Проведено дослідження ймовірносно-статистичних характеристик електричного навантаження суднового валогенератора в промисловому режимі. За допомогою розробленої методики проведене дослідження анормальних режимів роботи синхронного генератора, що працює на зниженій частоті.

Визначення граничної частоти проводиться з використанням характеристики неробочого ходу і регулювальної характеристики генератора DGFS1815.

Характеристика неробочого ходу для довільного значення частоти описується співвідношенням

,

де - характеристика неробочого ходу при номінальній частоті; - характеристика неробочого ходу при довільній частоті; - відносна частота.

Для можливості використання в розрахунках зазначені характеристики апроксимовані відповідними функціями.

Для визначення межі зниження частоти струм збудження поданий у вигляді суми складових

,

де if - струм збудження; if0 - струм збудження при неробочому ході; Dif (I) - струм збудження необхідний для підтримки напруги при I№0; Dif - запас за струмом збудження при 0<I<Iн.

При I= Iн, струм збудження буде дорівнювати

.

При неповному завантаженні генератора виникає резерв за струмом збудження, що може бути використано для підтримки напруги при зниженні частоти.

Визначення значення граничної частоти здійснюється рішенням системи рівнянь:

.

Підсумковий вираз має вигляд

.

Результати розрахунку при зміні I подані в табл. 1.

Таблиця 1

Залежність значення граничної частоти від струму

навантаження генератора (в.о.)

I 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

0,798 0,802 0,807 0,815 0,824 0,836 0,872 0,909 0,940 0,999

Аналіз ймовірносно-статистичних характеристик навантаження валогенератора в промисловому режимі, як випадкового процесу, показав, що вони описуються композицією усіченого закону нормального розподілу і закону Пуассона (для екстремальних значень). Математичне чекання навантаження валогенератора в режимі тралення складає (0,44-0,5)Iн і в режимі вибірки трала - (0,7-0,8) Iн. Для кожного режиму по табл.1 визначені можливі межі зниження частоти: для режиму тралення - , для режиму вибірки трала - , або 41 і 45 Гц відповідно. В обох режимах можливість появи піків навантаження, що перевищують на 10% середнє навантаження, дорівнює 6%.

Моделювання перехідних процесів при короткому замиканні на клемах синхронного генератора і при вмиканні активно-індуктивного навантаження при зниженій частоті проводилося з використанням пакета MathCad. Для цього використовувалася система рівнянь Парка-Горева (РПГ). Адаптована для розрахунків на довільній частоті вона разом із рівняннями зв'язку струмів і потокозчеплень має вигляд:

Для урахування при цифровому моделюванні змінних насичень по шляхах основного магнітного потоку й потокам розсіювання розроблена методика моделювання за системою РПГ (5) з урахуванням насичення магнітного кола, але не потребуючого аналітичного визначення залежностей Xs(I) і Xad(Шд).

Оскільки струм короткого замикання і потік зазору є функціями часу і , то функціями часу будуть і насичені значення індуктивних опорів , . При цьому залежності подаються незмінними аналітичними виразами, а аналітичні залежності і визначаються методом послідовних наближень.

Перше наближення залежностей і розраховується при постійному насиченому значенні опора Xad і постійному ненасиченому значенні опора Xs.

Якщо при моделюванні короткого замикання ставиться мета визначення ударного струму, то достатньо врахування форми струму й потоку в зазорі в першому періоді.

Для синхронного валогенератора DGFS 1815 незмінні аналітичні залежності й апроксимація першого наближення залежностей і мають вигляд:

(6)

Друге наближення залежностей і визначається в результаті інтегрування системи РПГ (5), у якій змінні величини, що обчислюються за двома першими апроксимуючими виразами із системи (6) при підстановці в них двох останніх апроксимуючих виразів цієї ж системи. Отримані графіки і порівнюються з графіками їхнього першого наближення. Якщо ці графіки і практично збігаються з графіками першого наближення, то моделювання рахується завершеним, інакше розраховується третє наближення, що дорівнюється з другим.

Виконані розрахунки короткого замикання за описаною методикою практично завершувалися на другому-третьому наближеннях функцій і .

MathCad-програма, складена на підставі приведених розрахунків, дозволяє обчислювати значення ударного струму короткого замикання з урахуванням як постійного насичення, так і змінного насичення по шляхах розсіювання і по шляху основного магнітного потоку при довільній частоті і двох законах регулювання напруги (при пропорційній зміні напруги й частоти і при зниженні частоти і номінальній напрузі).

З використанням наведеної вище математичної моделі також складена MathCad-програма для розрахунку зниження напруги при підключенні до синхронного генератора потужного активно-індуктивного навантаження.

Проведені чисельні експерименти дозволили зробити висновок про допустимість роботи синхронного валогенератора серії DGFS (МСС) у тривалому режимі з номінальною напругою й частотою зниженої до .

У четвертому розділі (Визначення параметрів асинхронного двигуна при неномінальних параметрах мережі) проведена адаптація математичної моделі асинхронного двигуна Сиромятникова І.А. із метою використання її для розрахунків втрат потужності у двигуні й визначення перевищення температури при різних засобах частотного регулювання. Отримані енергетичні характеристики асинхронного двигуна. Проведено порівняльний аналіз двох способів частотного регулювання: при номінальній напрузі і при пропорційній зміні напруги й частоти.

Математична модель побудована на основі заступної схеми асинхронного двигуна з урахуванням співвідношення між приведеними значеннями струму намагнічування й струму ротора, а також з урахуванням насичення машини. Вона являє собою систему рівнянь (7).

Отримані за допомогою математичної моделі залежності енергетичних характеристик (залежність струму статора, втрат потужності й температури двигуна від частоти) (рис.3-4) показали, що в діапазоні можливо й доцільно робити зниження частоти при постійній номінальній напрузі. При цьому відбувається зниження струму статора, втрат потужності (у порівнянні з пропорційним регулюванням), тепловий режим стає більш м'яким.

У п'ятому розділі (Експериментальні дослідження) приводиться аналіз таких експериментальних досліджень:

1. Одержання паливних характеристик рибопромислового судна РТМ-C типу "Прометей".

2. Одержання характеристик синхронного валогенератора.

3. Визначення навантажень валогенератора в промислових режимах.

4. Одержання експериментальних залежностей струму асинхронного двигуна від частоти при номінальній напрузі.

5. Одержання експериментальних залежностей температури обмоток асинхронного двигуна від частоти мережі, що живить, при різних способах частотного регулювання.

6. Визначення можливої економії дизельного палива при експлуатації машинно-рушійного комплексу на знижених обертах гребного вала.

У випробуваннях були задіяні два судна РТМ-С типу "Прометей": "Арабат" (ВО "Керчрибпром") і "Новоукраїнка" (ВПО "Південрибпошук").

Показники, отримані в ході випробувань МРК, були використані у розділах 2 і 3 при проведенні теоретичних досліджень.

Випробування валогенератора показали, що можлива його нормальна тривала робота при зниженні частоти до 0,8-0,84 від номінальної. При цьому забезпечується підтримка номінальної напруги, струм збудження не перевищує номінального.

Проводилися також випробування потужних споживачів електроенергії. Доведена можливість тривалої експлуатації асинхронних двигунів при зниженні частоти до 44-45 Гц.

Виробка механізмів знижувалася незначно і, загалом, не впливала на результат роботи.

Випробування підтвердили можливість одержання економії палива при виборі оптимального сполучення частоти обертання вала головного двигуна й кута розгортання лопат ГРК. Сумарна економія дизельного палива за час проведення випробувань склала 55,86 т (у грошовому вираженні - 45079 грн. при вартості однієї тонни дизельного палива 810 грн.). Річна економія палива складає 300 тонн у рік (або 243000 грн.) на одне судно зазначеного типу.

Дві серії випробувань асинхронного двигуна проводилися на базі технічного обслуговування флоту ВПО "Південрибпошук". Результати випробувань підтвердили адекватність математичної моделі двигуна, побудованої у розділі 4.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі дане нове рішення актуальної науково-прикладної задачі підвищення ККД машинно-рушійного комплексу рибопромислового судна з валогенератором шляхом обґрунтування припустимості роботи електроустаткування на зниженій частоті, що визначає економічний режим головного двигуна.

Основні наукові і практичні висновки полягають у наступному:

1. Рибопромислові судна мають три основні режими роботи: вільний хід, тралення, спуск і підіймання трала. У перших двох режимах можливо й доцільно впроваджувати заходи щодо економії палива, а саме експлуатувати МРК в економічних режимах - на зниженій частоті обертання гребного вала, швидкість прямування судна при цьому підтримується на необхідному рівні шляхом зміни кута розгортання лопат ГРК. При цьому частину суднових споживачів електроенергії (електроприводи промислового устаткування) необхідно живити від валогенератора.

2. З використанням методів кореляційного аналізу по експериментальним даним отримані аналітичні залежності, що цілком описують паливні характеристики судна. За допомогою отриманої математичної моделі виконаний аналіз роботи МРК:

- показано, що застосовану на даний час методику завантаження головного двигуна шляхом збільшення кута розгортання лопат ГРК до виходу двигуна на обмежувальну характеристику варто вважати неефективною, тому що паливні характеристики рибопромислових суден мають екстремальний характер, і зазначена методика не гарантує експлуатацію головного двигуна з мінімальною витратою палива;

- розроблено алгоритм визначення значень частоти обертання (n) вала головного двигуна і крокового відношення (H/D) гвинта, при якій витрата палива буде мінімальною;

- розроблена функціональна схема системи автоматичного керування, що забезпечить експлуатацію МРК із мінімальною витратою палива.

3. На підставі проведених досліджень завантаження валогенератора в режимі тралення, з урахуванням результатів чисельних експериментів по моделюванню перехідних процесів у синхронному генераторі (з урахуванням перемінних насичень), при зниженій частоті і з використанням отриманої залежності граничного значення частоти від струму навантаження показано, що для генератора постійного струму припустимо зниження частоти обертання валу приводного двигуна до 0,81fн, для генератора змінного струму - до 0,9fн. При цьому забезпечується робота валогенератора з номінальною напругою й струмом збудження, що не перевищує номінальне значення.

4. За допомогою математичної моделі, що враховує насичення сталі асинхронного двигуна проведено порівняльний аналіз способів регулювання напруги на клемах асинхронного двигуна при зниженні частоти. Установлено теоретично і підтверджено експериментально, що підтримка номінальної напруги при зниженні частоти в діапазоні (1-0,9)fн енергетично доцільніше, ніж пропорційна зміна напруги й частоти. При першому засобі регулювання досягається:

- зниження струму двигуна на 8-12% в залежності від завантаження двигуна;

- зменшення втрат потужності в двигуні на 6% (за рахунок зниження втрат у міді);

- зниження температури обмоток двигуна на 2%.

Показано, що для суднових асинхронних двигунів серій АМ і АОМ (що є приводами насосів) припустима з погляду нагріву тривала робота при зниженій на 10% частоті і номінальній напрузі.

5. У роботі показано, що при використанні отриманих результатів на промислових судах РТМ-С типу "Прометей" можна зменшити витрату дизельного палива на 300 тонн у рік (на одному судні).

Список опублІкованИх ПРАЦЬ за темою дисертації

1. Голиков С.П. Анализ работы асинхронного двигателя при пониженной частоте питающей сети // Електромашинобудування та електрообладнання: Республиканський міжвідомчий науково-технічний збірник. – К.: Техніка. - 1999. – Вип. №53. – С. 41-49.

2. Дворак Н.М., Голиков С.П. Моделирование режимов работы установок отбора мощности при пониженной частоте вращения вала приводного двигателя // Електромашинобудування та електрообладнання: Республиканський міжвідомчий науково-технічний збірник. – К.: Техніка, 2001. – Вип. №56. – С. 41-47.

3. Голiков С.П., Дворак М.М., Колодяжний В.В. Енергозберігаючі режими роботи асинхронних двигунів у мережах автономного електроживлення// Працi Таврійської державної агротехнічної академії. Випуск 1. Том 21. - Мелітополь-2001. – С.68-73.

4. Голиков С.П. О выборе типа генератора для работы в оптимизированной системе машинно-движительного комплекса рыбопромыслового судна. // Научные труды Крымского государственного аграрного университета. Механизация сельского хозяйства. Выпуск 59. Ч2.- Симферополь. - 1999. - С. 142-149.

5. Титов В.В., Голиков С.П. Оптимизация режимов работы машинно-движительных комплексов судов с валогенераторами //Морской флот. – 2001. - №3. - С.31-32.

6. Титов В.В., Голиков С.П. Оптимизация работы судового комплекса "дизель – винт регулируемого шага" // Рыбное хозяйство Украины. - 1998. - №1. - С. 49-51.

7. Голиков С.П. Принцип построения автоматических систем оптимального управления судовым машинно-движительным комплексом // Рыбное хозяйство Украины. - 2000.-№2. - С. 32-34.

8. Голіков С.П. Метод побудови математичної моделі машино-двигательного комплексу рибопромислового судна// Рибне господарство України. – 2000. - №6. - С. 14-16.

9. Титов В.В., Голиков С.П. Оптимизация режимов работы судового комплекса "дизель – винт регулируемого шага" //Информационный листок КРЦНТИ. – 1999. - №15-99.

10. Титов В.В., Голиков С.П. Оптимизация работы судового комплекса "дизель – винт регулируемого шага" // Проблемы энергосбережения и экологии в судостроении: тезисы докладов 2-й международной научно-технической конференции. – Николаев. – УГМТУ. - 1998. – С. 86-87.

11. Титов В.В., Голиков С.П., Лубянко В.Н. Вопросы энергосбережения на рыбопромысловом флоте //Актуальные вопросы развития инновационной деятельности в государствах с переходной экономикой: материалы 4-й международной научно-практической конференции. – Симферополь: Таврия-плюс, 2000. – С. 152-156.

Особистий внесок здобувача. У працях, опублікованих разом з іншими авторами, особистий внесок здобувача полягає в наступному: у [5,6,9,10,11] - досліджено питання, пов'язані з експлуатацією електроустаткування при неномінальній частоті обертання вала головного двигуна; у [3] - розроблена математична модель асинхронного двигуна й проведені чисельні експерименти; у [2] - розроблена методика урахування змінних насичень, проведені чисельних експерименти.

АНОТАЦІЯ

Голіков С.П. Підвищення енергоефективності автономних електроенергетичних комплексів рибопромислових суден. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03. - електротехнічні комплекси та системи. - Донецький національний технічний університет, Донецьк, 2001.

Дисертація присвячена питанню підвищення ефективності паливовикористання на рибопромислових суднах, обладнаних валогенератором для живлення промислового устаткування.

Підвищення ККД головного двигуна морських суден при його неповному завантаженні можливо шляхом зниження частоти обертання вала, а швидкість прямування судна при цьому підтримується шляхом збільшення кута розгортання лопат гвинта регульованого кроку.

Також для збільшення завантаження головного двигуна й зменшення числа працюючих дизель-генераторів у визначених режимах вводять до роботи валогенератор. Тому зниження частоти обертання вала головного двигуна призведе до зміни параметрів його електроенергії. Це дотепер робило неможливим застосування першої методики (заснованої на зниженні частоти обертання вала) у промислових режимах.

Технічним рішенням, що лягло в основу роботи є експлуатація валогенератора і електроприводів, які живляться від нього на зниженій частоті, що дає можливість підвищувати ККД головного двигуна не тільки з боку гвинта, але і відбором потужності на валогенератор.

Ключові слова: машинно-рушійний комплекс, валогенератор, асинхронний двигун, зниження частоти.

АННОТАЦИЯ

Голиков С.П. Повышение энергоэффективности автономных электроэнергетических комплексов рыбопромысловых судов. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03. - электротехнические комплексы и системы. – Донецкий национальный технический университет, Донецк, 2001.

Диссертация посвящена вопросу повышения эффективности топливоиспользования на рыбопромысловых судах оборудованных валогенератором для питания промыслового оборудования.

Повышение КПД главного двигателя морских судов при его неполной загрузке возможно путем снижения частоты вращения вала, а скорость движения судна при этом поддерживается путем увеличения угла разворота лопастей винта.

Также для увеличения загрузки главного двигателя и уменьшения числа, работающих дизель-генераторов в определенных режимах вводят в работу валогенератор. Снижение частоты вращения вала главного двигателя приведет к изменению параметров его электроэнергии. Это до настоящего времени делало невозможным применения первой методики (основанной на снижении частоты вращения вала) в промысловых режимах.

Техническим решением, которое легло в основу настоящей работы является эксплуатация валогенератора на пониженной частоте, что дает возможность повышать КПД главного двигателя не только со стороны винта, но и отбором мощности на валогенератор.

Для достижения поставленной цели в данной работе решены три основные задачи:

1. Разработана математическая модель машинно-движительного комплекса рыбопромыслового судна и с ее помощью определен алгоритм выбора сочетания частоты вращения вала главного двигателя и угла разворота лопастей винта, при котором расход топлива в определенном режиме работы судна будет минимальным.

2. Определена минимальная частота, при которой возможна работа валогенератора (постоянного и переменного тока) в продолжительном режиме.

3. Определена минимальная частота, при которой допустима длительная работа асинхронного электропривода траловой лебедки с обеспечением необходимой производительности.

В настоящей работе проведен анализ существующих типов расходных топливных характеристик по экспериментальным данным построены характеристики реального судна. По этим характеристикам с помощью методов множественного регрессионного анализа была построена математическая модель машинно-движительного комплекса рыбопромыслового судна.

Полученная модель позволяет вычислять расход топлива при любом сочетании значений частоты вращения вала и угла разворота лопастей винта, определять сочетание, при котором расход топлива будет минимальным, контролировать работу главного двигателя на предмет перегрузки.

Численные эксперименты, произведенные по математической модели, показали, что в различных условиях плавания для вывода машинно-движительного комплекса на экономичный режим необходимо производить снижение частоты на 10-15%.

Решение второй задачи в настоящей работе осуществлено с использованием характеристик генератора: холостого хода и регулировочной. Использованные характеристики были получены в ходе проведения натурных испытаний на рыбопромысловых судах.

Получено выражение для определения частоты при заданном токе нагрузки и номинальном напряжении.

Для проверки работоспособности защитной аппаратуры синхронного валогенератора анормальных режимах проведено моделирование переходных процессов при внезапном коротком замыкании и после подключения к генератору мощной активно-индуктивной нагрузки. Моделирование проведено на персональном компьютере с учетом насыщения машины по путям рассеяния и по пути основного магнитного потока, для этого была разработана соответствующая методика. Проведен численный эксперимент и определены значения ударного тока короткого замыкания и значение термического действия для различных частот при двух способах регулирования напряжения.

В работе произведен анализ схем приводов траловых лебедок и показано, что они обеспечивают необходимую производительность при сниженной частоте питающей сети.

В настоящей работе проведено исследование работы асинхронного двигателя с энергетической точки зрения. Рассматривались два способа регулирования: пропорциональный и снижение частоты при номинальном напряжении. Это позволило сделать вывод, что в диапазоне 45-50 Гц способ снижения частоты при номинальном напряжении энергетически эффективнее закона пропорционального регулирования.

Практическая ценность работы заключается в использовании полученных результатов при разработке Методики экономии топлива на судах РТМС типа "Прометей".

Ключевые слова: машинно-движительный комплекс, валогенератор, асинхронный двигатель, снижение частоты.

ANNOTATION

Golikov S.P. Increasing powers efficiency of autonomous electropower complexes of fishing vessels. – Manuscript.

Thesis for a scientific degree of Master of Science, speciality 05.09.03.- electrotechnical complex and systems. Donetsk National Technical University, Donetsk, 2001.

The theses are devoted to the problem of increasing efficiency of fuel consumption on fishing vessels equipped with driving shaft generator for power supply of fishing equipment.

The efficiency increase of the main engine on marine vessels at its incomplete load is possible by reduction frequency of shaft rotation, and velocity of vessels movement at the same time is supported by increase of the angle of swinging of propellers blades.

At definite conditions drivingshaft generator is introduced at work also for the increase of loading of the main engine and for the reduction quantity of working diesel-generators.

Reductions of rotation frequency of the main engine shaft will lead to changes of electric power parameters.

This made impossible up till now application of the first method (based on frequency reduction of shaft rotation) at fishing conditions.

Technical solution which underlaid the basis of the given work is exploitation of driving shaft generator and feeding of electric drive (of direct and alternative current) at reduced frequency. This gives possibility to increase efficiency of the main engine not only from the part of the propeller but feeding power on driving shaft generator.

Key words: engine propelling/propulsion complex, driving shaft generator, asynchronous engine, frequency reduction.

Підп. до друку 03.12.2001. Формат 60ґ84 1/16. Папір друк.

Різографічний друк. Умовн. друк. арк. 0,83.

Наклад 100 прим. Зам. № 544

Видавництво “Керченський морський технологічний інститут”

98309, м. Керч, вул. Орджонікідзе, 82.