ОДЕСЬКА НАЦІОНАЛЬНА МОРСЬКА АКАДЕМІЯ

Муха Микола Йосипович

УДК 681.5.01.23: 621.3.017: 621.313.332

УДОСКОНАЛЕННЯ ПРОЦЕСІВ ПЕРЕТВОРЕННЯ ЕНЕРГІЇ

В ЕНЕРГЕТИЧНИХ УСТАНОВКАХ СПЕЦІАЛІЗОВАНИХ СУДЕН

Спеціальність 05.08.05 – суднові енергетичні установки

Автореферат

диссертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Одеса-2004

Дисертація є рукописом.

Робота виконана на кафедрі основ суднової електроенергетики Одеської національної морської академії (ОНМА) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор

Вишневський Леонід Вікторович,

декан факультету автоматики, ОНМА.

Офіційні опоненти - доктор технічних наук, професор

Ханмамедов Серго Альбертович, завідувач кафедри

суднових енергетичних установок ОНМА.

- доктор технічних наук, професор

Яровенко Володимир Олексійович,

завідувач кафедри електротехніки і електрообладнання суден

Одеського національного морського університету.

Провідна установа: Севастопольський національний технічний університет

Захист дисертації відбудеться “ 6 ” травня 2004 р. о 10.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.106.01 в Одеській національній морській академії за адресою: 65029, м. Одеса – 29, вул. Дідріхсона 8, корпус 1, зал засідань вченої ради.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Одеської національної морської академії ( м. Одеса, вул. Дідріхсона, 8, корпус 2).

Відзив у двох екземплярах з підписом, завіреним печаткою установи, просимо направляти до спеціалізованої вченої ради за вказаною адресою

Автореферат розіслано “ 2 ” квітня 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 41.106.01

д.т.н., професор В.А. Голіков

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На морських суднах спеціалізованого (поглиблювального) флоту енергоперетворення в дизель-генераторних і технологічних установках характеризується різкою (дискретною) зміною навантажень як по амплітуді так і періоду. Параметри робочих режимів часто досягають гранично припустимих значень, що, по-перше, знижує моторесурс машин та механізмів, а по-друге зменьшує продуктивність технологічного процесу днопоглиблення.

Існуючі методики зменьшення реакції суднового енергетичного обладнання на пікове збурення направлені на використання аналогових законів керування енергетичними процесами, що не до кінця вирішує проблему ефективної роботи енергетичного устаткування судна.

Найбільш доцільним шляхом удосконалення процесів энергоперетворення в указаних суднових допоміжних енергоустановках зі швидкодіючими виконавчими механізмами є створення дискретних систем керування на базі останніх досягнень в області енергетичної електроніки і мікропроцесорної техніки.

Розгляд дискретних режимів керування цими установками обґрунтований особливостями роботи виконавчих пристроїв. Причому швидкодія каналів керування електроустановками порівняна з періодом мережі, тому зневага дискретністю керування за часом істотно впливає на результат дослідження властивостей суднових енергосистем.

Дана робота присвячена дослідженню і розробці методів підвищення ефективності робочих режимів суднових енергетичних установок (СЕУ), пов'язаних з дискретною зміною параметрів їхніх технологічних процесів. Розглянуто питання оптимізації режимів роботи допоміжних дизель-генераторних агрегатів зі синхронними й асинхронними генераторами, а також електроприводів черпаючого комплексу багаточерпакових земснарядів.

Основна увага даної роботи спрямована на розгляд таких режимів роботи як комутація навантаження, форсировка збудження, імпульсні періодичні процеси, обумовлені граненістю барабана черпакового ланцюга земснаряду. Процеси в таких режимах часто досягають гранично припустимих значень, які часто бувають причиною саме аварійних режимів роботи, тому їхнє дослідження й оптимізацію можна вважати актуальними задачами.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні результати дисертації зв'язані з темами науково-дослідних робіт, проведених в Одеській національній морській академії, у рамках напрямку: “Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексах”, визначених у Законі України від 11.07.2001р. № 2623-III “Про пріоритетні напрямки розвитку науки і техніки”. Автор брав участь і був відповідальним виконавцем наступних науково дослідницьких робіт: “Разработка и совершенствование системы управления комплексом технологических электроприводов з/ч “Багермейстер Алиев”, № ГР 01825063290; “Совершенствование системы управления электроэнергетическим комплексом з/ч “Багермейстер Алиев”, № ГР 01850014158; “Обеспечение надежной работы кранов на судах типа “Индира Ганди”, № ГР 01880082693; “Оптимальное управление энергетическими процессами технологических электроприводов з/ч типа “Инженер Мамедов”, № ГР 01880008641; “Разработка асинхронных генераторных комплексов для систем электроснабжения подвижных объектов 9П218”, № ГР 81092587.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є удосконалення процесів энергоперетворення в суднових енергетичних установках шляхом аналізу перехідних процесів, розробки й оптимізації дискретних алгоритмів керування.

Для досягнення мети роботи вирішені наступні основні задачі:

- аналіз процесів энергоперетворення в СЕУ і розробка технічних засобів їх удосконалення;

- ідентифікація суднових дизель-генераторних і технологічних установок спеціалі-зованих суден;

- розробка аналітичних методів аналізу й оптимізації перехідних процесів у суднових дизель-генераторних і технологічних установках земснарядів;

- побудова математичних моделей і розробка комп'ютерних програм для дослідження СЕУ.

- вибір і формалізація критеріїв оптимальності, дослідження динамічних процесів і оптимізація дискретних режимів роботи СЕУ.

Об'єкт дослідження – процеси энергоперетворення в суднових енергетичних установках спеціалізованих суден.

Предмет дослідження – удосконалення експлуатаційних характеристик суднових дизель-генераторних і технологічних установок земснарядів.

Методи дослідження – експериментальні дослідження фізичних макетів і натурні іспити суднових генераторних установок і черпаючого комплексу багаточерпакових земснарядів, аналітичні методи дослідження імпульсних систем керування дизель-генераторними установками; методи чисельного комп'ютерного моделювання СЕУ.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

- найшло подальше вдосконалення способу зменьшення реакції суднових енергетичних установок на пікове навантаження шляхом форсування перехідних процесів;

- вперше встановлена закономірність процесу самозбудження асинхронного генератору, який може бути представленим як інерційний об’єкт з паралельним безінерційним каналом;

- електроприводи черпаючого комплексу земснаряду вперше представлені як багатомасові взаємозалежні через забой об'єкти з пружними зв’язками;

- вперше встановлена закономірність формування зусилля черпання від параметрів режиму днопоглиблення земснаряда;

- розроблена методика визначення оптимальних по швидкодії процесів енергоперетворення і відповідних настроювальних параметрів промислових виконавчих пристроїв синхронних й асинхронних генераторів;

- розроблена методика побудови перехідних процесів перетворення енергії в дискретних системах збудження;

- отримано нові математичні моделі і створено пакет ком’ютерних дослідницьких програм для розрахунку перехідних процесів в електроенергетичних установках;

- запропоновано ряд нових критеріїв оптимізації процесів у суднових дизель-генераторних установках і програми побудови поверхонь критеріїв оптимізації в області параметрів СЕУ, що враховують особливості дискретних режимів роботи і випадковий характер суднового навантаження.

Практичне значення отриманих результатів полягає в поліпшенні технічних характеристик суднових дизель-генераторів і землечерпаючого комплексу. Отримані в дисертації результати дозволяють удосконалювати експлуатаційні режими суднових допоміжних енергоустановок шляхом більш повного використання форсировочних можливостей об'єктів і дискретно-імпульсних систем керування ними. Оптимізація структури і параметрів розглянутих суднових установок підвищують такі їхні якісні показники як швидкодія, довговічність і економічність.

Результати дисертації впроваджені автором при виконанні ряду науково-дослідних робіт, виконаних на кафедрах “Суднових електричних машин і автоматизованих приводів” і “Теорії автоматичного керування й обчислювальної техніки” Одеської національної морської академії з 1981 по1992 роки. Упровадження результатів дисертації підтверджені актами впровадження.

Особистий внесок здобувача. Автор самостійно виконав усі теоретичні і практичні дослідження, що складають основу дисертації. В опублікованих разом зі співавторами статтях здобувачу належать результати, викладені в тексті дисертації: [1-3,6] – обґрунтування методів дослідження і математичний опис приводів земснарядів; [5] – розробка алгоритмів збудження електричних машин; [7-14] – дослідження робочих режимів суднових генераторних установок з дискретним керуванням; [15-16, 24] – розробка математичних моделей суднових електроустановок; [19-21] - у винаходах особистий внесок дисертанта обговорений у відповідних авторських посвідченнях.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися на щорічних науково-методичних конференціях професорсько-викладацького складу Одеської національної морської академії, починаючи з 1978 по 2003 роки. Здобувач представляв роботу на 4-й Міжгалузевій конференції молодих вчених і фахівців у м. Миколаєві в 1983 р., на Всесоюзній науково-технічній конференції “Разработка и моделирование в технических и социально-экономических проблемах освоения океана” у м.Владивостоці в 1985 р., на Всесоюзній галузевій науково-технічній конференції в Московському інституті інженерів транспорту в 1984р., на Всесоюзному семінарі “Перспективы разработки и использования асинхронных генераторных комплексов” у м. Пущино під Москвою в 1990 р., на засіданнях науково-технічних рад виробничих об'єднань “Завод им. Владимира Ильича”, м. Москва, “Ленінська кузня”, м. Київ, “Каспморпуть” м. Баку, “Южэлектромаш”, м. Нова Каховка.

Публікації. По темі дисертаційної роботи опубліковані 24 наукові праці, у тому числі 16 статей у журналах і науково-технічних збірниках ( з яких 13 затверджені ВАК України), 2 депоновані роботи, 3 авторські посвідчення, 3 доповіді на конференціях.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків і додатків. Основний обсяг дисертаційної роботи складає 219 сторінок, з них 148 сторінок основного тексту, 71 сторінок з малюнками. Список використаних джерел на 8 сторінках, він включає 89 найменувань. Додатки розташовані на 56 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету і задачі дисертації, наведено дані про наукову новизну виконаних досліджень, практичне значення отриманих результатів та їх впровадження.

Перший розділ присвячений аналізу показників виробляємої електроенергії існуючих СЕУ, таких як статична помилка, швидкодія, величина максимального відхилення напруги і час його першого відновлення при зміні навантаження, коливальність перехідного процесу, здатність пропорційного розподілу реактивних навантажень при паралельній роботі.

Розглянуто класичні системи компаундування, системи з коректором напруги, а також з електронним регулятором напруги. Відзначено недоліки систем збудження з фазовим компаундуванням: низька точність підтримки напруги, недостатні форсировочні можливості, низька швидкодія і погані масогабаритні показники.

Підвищити якість електроенергії дозволяють електронні регулятори напруги. Для них характерні невелика вага і габарити, простота схем і висока надійність, але їм властиві недоліки, пов'язані з низьким коефіцієнтом форсировки (менше 2), а також відсутністю режиму дефорсировки. У зв'язку з цим струм збудження зменшується повільно зі сталою часу ланцюга збудження (1...3 с) і напруга генератора в цей час істотно перевищує номінальну, що не дозволяє домагатися істотно кращих динамічних характеристик розглянутих систем збудження при комутації навантаження, у порівнянні з традиційними системами компаундування.

Іншим напрямком розвитку електроустановок є застосування асинхронного генератору з ємнісним збудженням (рис.1), що здійснюється підключенням до статорного ланцюга відповідних трифазних секцій конденсаторів по алгоритму, обумовленому цифровим регулятором напруги.

Описано варіанти технічної реалізації розроблених автором систем мікропроцесорного дискретного керування СЕУ з електричними машинами змінного і постійного струму з можливістю реалізації в реальному масштабі часу оптимального закону керування і підвищених вимог до динамічних показників. Керований мікропроцесором (МП) тиристорний перетворювач виконаний у вигляді реверсивного широтно-імпульсного перетворювача, який живиться через фільтр від джерела постійної напруги і вибирається виходячи з необхідної (припустимої) кратності форсировки збудження.

МП працює в режимі системного контролера без переривань по програмі, записаній в енергонезалежному ПЗП. Алгоритм функціонування МП забезпечує стабілізацію регульованого параметра і складається з двох підпрограм, вибір яких здійснюється по сигналові датчика регульованого параметра: якщо він знаходиться в межах допуску, то МП забезпечує ПІД-закон регулювання, а при виході регульованої напруги за межі допуску МП реалізує релейний закон керування. Координати точок переключення зберігаються в матриці ПЗП, вибір необхідного рядка матриці здійснюється МП по сигналах датчиків збурюванних впливів. Програмування ПЗП здійснюється за результатами розрахунків на ЕОМ можливих комбінацій регульованого параметру і збурювань.

Запропонована дискретна система керування застосована на багаточерпаковому земснаряді “Багермейстер Алиев” для стабілізації напруги синхронного генератору, а також для регулювання струму якоря головного технологічного приводу. Останнє, наприклад, дозволило зменшити кидки струму якоря двигуна черпакового механізму шляхом форсування збудження в момент зростання його навантаження, що викликається врізанням чергового черпака в ґрунт. Зниження динамічних навантажень черпакового механізму за рахунок “зм'якшення” механічної характеристики двигуна при форсуванні збудження дозволило істотно поліпшити умови комутації електродвигуна черпакового ланцюга при розробці ґрунтів підвищеної категорії твердості.

Рис.1. Асинхронний генератор з ємнісним збудженням

Упровадження розглянутих дискретних систем керування дозволило підвищити продуктивність механізмів черпаючого комплексу на 12% і збільшити коефіцієнт використання встановленої потужності головного двигуна на 23%. На спосіб і пристрій керування приводом черпакового ланцюга, а також на регулятор збудження отримані авторські посвідчення.

Другий розділ присвячений ідентифікації суднових дизель-генераторних і технологічних установок багаточерпакових земснарядів.

Розглядаючи перехідний процес синхронного генератора при комутації навантаження, коли магнітні потоки перетерплюють значні зміни, установлено, що вирішальну дію на процес має обмотка збудження. Впливом же надперехідних процесів і аперіодичною складовою струму статора можна зневажити як швидко загасаючими. Впливом змінами частоти обертання дизеля також можна зневажити.

Вихідні рівняння напруги збудження , збільшення напруги генератора і потокосцеплення обмотки збудження мають вигляд ; ; . Відкіля отримані операторні рівняння генератору по регулюючому впливі і струму навантаження

, де , . (1)

Обрано структуру і розраховані оптимальні настроювальні параметри регулятора, що забезпечують максимально можливу інваріантність вихідної напруги від навантаження. Показано, що при застосуванні ПІ-регулятора і датчика напруги з фільтром оптимальними настроюваннями будуть: і , де . При цьому час першого досягнення сталої напруги при комутації навантаження складає 4,7 T2 (50 – 100 мс), а максимальне перерегулювання - 4,3%.

Отримано передатну функцію асинхронного генератора (АГ) по каналах керування і навантаження. Спільне рішення рівнянь АГ, навантаження (g) і конденсаторів збудження (З) дає операторне рівняння з комплексними коефіцієнтами, що описує режим ємнісного самозбудження генератора:

(2) ,

що дозволяє записати характеристичне рівняння АГ третього порядку Для оцінки динамічних властивостей АГ були визначені і проаналізовані корені цього характеристичного рівняння. Причому корінь p1 визначений, зневажаючи ковзанням і доданками другого порядку малості:

, (3)

де - провідність конденсаторів, -

- індуктивна провідність генератора з урахуванням розмагнічуючої дії навантаження. Із (3) випливає, що швидкість самозбудження генератора пропорційна опору ротора і різниці провідностей конденсаторів і генератора. При - корінь позитивний, модуль вектора напруги збільшується, зростає струм намагнічування, машина насичується і провідність генератора зростає доти, поки не установиться рівність . Якщо , то корінь негативний, напруга і провідність генератора зменьшуються.

Інші два корені характеристичного рівняння (2) приблизно рівні: , тут . Вони характеризують процеси розсіювання енергії, запасеної в полях статора і ротора. Інтенсивність загасання цих процесів визначається дійсними частинами коренів і істотно залежить від навантаження генератора, . Дійсна частина цих коренів на холостому ходу майже на порядок менше, ніж при номінальному навантаженні, тому що . Тому при скиданні навантаження спостерігаються коливання вектора напруги з частотою , що загасають протягом одного - двох періодів генеруючого струму, а при підключенні номінального навантаження цей процес стає практично аперіодичним і закінчується за чверть періоду. Цей факт підтверджується результатами експерименту і моделювання на ЕОМ.

Процес самозбудження АГ відповідає кореню , тобто швидкість зміни напруги пропорційна різниці провідностей . На насиченій ділянці ланцюга намагнічування АГ приріст напруги пропорційний збільшенню провідності: . Виключивши , одержимо передатну функцію АГ по каналі "збудження - обгинаюча напруги", що представляє собою аперіодичну ланку першого порядку.

(4)

На лінійній ділянці кривої намагнічування , а передатна функція являє собою інтегруючу ланку.

При математичному описі черпаючого комплексу земснаряду розглянута ланка черпання, що характеризує процес взаємодії виконавчого органа (черпаки шлейфу) з забоєм, розглянутих спільно як регульований об'єкт. Зроблено аналіз процесу формування зусилля черпання, а також виконаний розрахунок на ЕОМ зусилля черпання для з/ч “Инженер Мамедов”. Порівняння передатних функцій ланки черпання, отриманих аналітичним і експериментальним шляхом показують розбіжність 9–13 %.

Виконано аналіз взаємозв'язку електроприводів черпакового ланцюга і вибираючої папільонажної лебідки через навантаження. З огляду на цю взаємодію була розроблена установка з інваріантним регулятором струму якоря головного ланцюга системи Г-Д, що дозволило знизити витрату електроенергії в динамічних режимах на 12–15% і на 17–21 % знизити встановлену потужність системи Г-Д. Таке керування характеризується найбільш повним використанням двигуна по комутаційних можливостях і великим енергетичним ефектом.

Третій розділ присвячений аналізу динамічних властивостей СЕУ, виконаному аналітичними дискретно-імпульсними методами. Розглянуто два способи регулювання напруги: шляхом зміни напруги на обмотці збудження СГ чи двигуна постійного струму, а також шляхом впливу на реактивні елементи чи на навантаження в статорному ланцюзі асинхронного генератора. У першому випадку передатна функція генератора розглядається як послідовне з'єднання двох інерційних ланок з постійними часу обмотки збудження і статорного ланцюга (5). В другому випадку представлена паралельним з'єднанням ланок, що характеризують процеси збудження і розсіювання (6):

; (5) . (6)

Як період квантування процесів керування в генераторах приймається період змінного струму . Динаміка СЕУ розглянута в класі лінійно-імпульсних систем керування з “П”, “І”, “ПІ”, “ПД” і “ПІД” регуляторами:

, , ,

, . (7)

Застосувавши дискретне - перетворення до передатних функцій системи з об'єктами (5) чи (6) і регуляторами напруги (7), визначені дискретні передатні функції розглянутих замкнутих систем.

Стійкість імпульсної замкнутої системи визначається коренями |z|<1 характеристичного рівняння. Зробивши заміну перемінних z=(u+1)/(u-1) і застосувавши до перетвореного рівняння умови стійкості Гурвиця, отримані критичні значення коефіцієнтів підсилення регуляторів через параметри генератора. Для об'єктів типу (5) і типу (6) умови стійкості мають вигляд (8) і (9):

, , ,

, , де і ; (8)

, , ,

, , де і . (9)

Стійкість імпульсної системи з об'єктом типу (6) значною мірою визначається коефіцієнтом швидкодіючої ланки навіть при його відносній малості. Критичний коефіцієнт підсилення у всьому діапазоні істотно знижується при зростанні відносини k/kв. Для k/kв = 0,3 критичний петлевий коефіцієнт kпkв не перевищує чотирьох, що робить неефективним застосування пропорційного регулятора для регулювання напруги генератора по статорному ланцюзі. Для досягнення високої точності стабілізації тут можна рекомендувати інтегральний закон регулювання. Імпульсна система з об'єктом (5) стає стійкішою при рості інерційності швидкодіючої ланки. Істотний ріст критичних коефіцієнтів починається при .

Рис. 2. Оптимізація по швидкодії настроювань ПІ-регулятора

напруги АГ типу 4А 180 М2 з параметрами: ; ; і

Для аналізу швидкодії систем (5) і (6) визначені границі їхніх параметрів, що забезпечують визначений ступінь стійкості, тобто відстань від найближчого кореня характеристичного рівняння системи до осі уявних чисел . Умови розташування коренів характеристичного рівняння не ближче заданої величини від осі уявних чисел отримані з умов стійкості, застосованих до зміщеного характеристичного рівняння, у якому зроблена заміна перемінної . Розроблено графоаналітичні методики параметричної оптимізації по швидкодії об'єктів (5) і (6) з імпульсними регуляторами (7). Один із прикладів такої оптимізації показаний на рис. 2.

Рис.3. Годографи коренів характеристичних рівнянь імпульсної системи регулювання напруги АГ з І-регулятором у площинах z і p

Виконано графоаналітичний аналіз коливальних властивостей розглянутих імпульсних систем по розташуванню годографів коренів характеристичних рівнянь у комплексних площинах z і p , рис.3. Ці методи дозволяють визначати оптимальні настроювальні параметри регуляторів з обмеженнями на коливальність імпульсних систем керування.

Розглянуто аналітичні способи побудови перехідних процесів в імпульсних системах стабілізації напруги при східчастій комутації навантаження генератора для будь якого моменту часу, тобто між комутаціями і при зсувах керуючих і збурюючих впливів, рис. 4.

Рис.4. Процес включення номінального навантаження АГ з

імпульсним І – регулятором

У четвертому розділі розроблений математичний опис суднових дизель-генераторних установок змінного струму для комп'ютерного моделювання. Розглянуті в роботі моделі містять у собі наступні рівняння і сукупність допущень для: електричної машини змінного струму в генераторному режимі; теплоенергетичного привода із системою стабілізації частоти обертання вала генератора; активного і реактивного статичного навантаження генератора; асинхронного электродвигунного навантаження; випрямної і тиристорно-перетворюючого навантаження; регуляторів збудження і напруги статора генератора; математичних і технологічних зв'язків між підсистемами моделі.

Модель генератора змінного струму описана на основі рівнянь узагальненої електричної машини Парка-Горєва. У якості універсального обраний синхронний генератор з демпферною короткозамкнутою обмоткою і явнополюсною обмоткою збудження на роторі. Інші типи генераторів описуються як окремі випадки універсального: неявнополюсний синхронний генератор відрізняється рівністю електричних параметрів статора по осях і ; синхронний генератор без демпферної короткозамкнутої обмотки на роторі описується її “розривом”; асинхронний генератор з к.з. ротором реалізується “розривом” обмотки збудження і наявністю ємнісного навантаження в ланцюзі статора; асинхронний генератор з фазним ротором характеризується рівністю параметрів ротора по осях , і “розривом” короткозамкнутої обмотки. Результати моделювання генераторів ДСГ-82/4 і АМ72-4 добре погодяться з експериментальними даними.

При моделюванні комутацій номінального навантаження синхронного генератора індуктивність основного контуру намагнічування приймалася постійної, але явище насичення враховувалося при моделюванні процесів перевантаження, форсування й аварійних режимів у моделі асинхронного генератора. Як функцію, що описує процес намагнічування, обрана функція Ланжевена: , що дозволяє апроксимувати криву намагнічування у всьому діапазоні зміни струму намагнічування . Погрішність аналітичної апроксимації характеристик машин постійного струму, синхронних і асинхронних генераторів щодо експериментальних даних не перевищила 2%.

Як навантаження суднової електростанції описане статичне, двигунне і тиристорно-випрямлене навантаження. Найпростішим випадком для моделювання розглянуте симетричне змішане статичне навантаження.

Привод допоміжної електроустановки в суднових системах електропостачання має порівняну з генератором потужність, тому частота його обертання не залишається постійною при зміні навантаження генератора. У залежності від задач дослідження при моделюванні процесів у СЕУ описаний різний ступінь обліку динамічних властивостей приводного двигуна.

Найбільш розповсюдженими приводними двигунами суднових генераторів є дизелі і турбіни. У моделях використані рівняння регуляторів частоти обертання прямої і непрямої дії суднових приводів у формі Коші.

Для рішення задач оптимізації структури і настроювань дискретних керуючих пристроїв суднової енергоустановки розроблений пакет прикладних програм для дослідження динамічних процесів у типових режимах роботи. Програми написані в Турбо ПАСКАЛЬ (версія 7.0) і об'єднані під загальним заголовком ASGEN.

У п'ятому розділі проведені дослідження й оптимізація процесів керування судновою електроенергетичною установкою з АГ. Виконано моделювання систем із двома типами регуляторів напруги АГ: дискретного з постійною швидкістю і форсировкою, а також цифрового з законом керування типу

. (10)

Виконані дослідження СЕУ з дискретним регулятором постійної швидкості дозволили оптимізувати його параметри для типових режимів роботи: вибрати ємність молодшого розряду регулятора збудження ; розрядність регулятора N; ширину зони форсування ( ) .

Запропоновано критерії оптимізації для дискретної системи керування напругою електроустановки, що є аналогами відомого інтегрального критерію якості системи стабілізації при східчастій комутації навантаження:

. (11)

Цьому інтегралу при дискретному керуванні відповідає сума

. (12)

На відміну від безупинного функціонала, дискретний критерій якості залежить від часу нанесення збурювання щодо моменту спрацьовування імпульсного регулятора . Розподіл імовірності моменту нанесення збурювання носить рівномірний характер, тому для виключення його впливу на критерій якості запропоновано використовувати усереднений за часом нанесення збурювання критерій оптимальності: . (13)

Якщо величина навантаження, що комутується, носить рівноімовірний характер, то її вплив можна усереднити, використовуючи критерій як середнє арифметичне критерію для ряду навантажень:

. (14)

Критерій не залежить від вихідних параметрів перехідних процесів, а визначається тільки конструкцією СЕУ, тому він є найбільш придатним для оптимізації параметрів і структури цифрового регулятора напруги.

Для оптимізації регулятора напруги розроблений пакет програм, що дозволяють багаторазово моделювати перехідні процеси й обчислювати по них значення критерію якості при зміні настроювань регулятора.

Задача оптимізації параметрів регулятора формулюється як визначення коефіцієнтів , і закону дискретно-імпульсного керування (10) , при яких значення одного з критеріїв , чи буде мінімально.

Побудова й аналіз поверхонь критерію оптимізації суднових дизель-генераторів дозволяє зробити кілька висновків. Геометрично область мінімальних значень критерію оптимізації являє собою досить велику відносно плоску поверхню, розташовану по діагоналі системи координат настроювальних коефіцієнтів (Рис.5). Оцінки величини критерію оптимізації свідчать про відсутність значних перепадів у цій області: різниця значень у нижній частині графіків складає частки відсотка. Ця особливість поверхонь визначає вибір методу пошуку оптимальних координат. Чисельні пошукові методи малоефективні, тому що приводять в одну з точок мінімуму на краю плоскої частини мінімальних значень критерію оптимізації. Більш результативним є метод побудови поверхонь за допомогою 3D - графіки. Після побудови відповідного тривимірного графіка візуально можна вибрати настроювання регулятора в середині плоского “дна” поверхні критерію оптимізації. Такий вибір забезпечить також мінімальну чутливість системи керування до відхилень настроювальних параметрів регулятора від обраного оптимуму.

Рис. 5. Значення показника якості в області настроечных параметрів цифрового регулятора напруги АГ при набросі 100 % активного навантаження

ВИСНОВКИ

У результаті дослідження й оптимізації режимів керування, що забезпечили удосконалення робочих процесів енергоперетворення у суднових енергетичних установках, розробки ефективних технічних засобів керування ними отримані наступні основні висновки і результати.

1. Аналіз сучасних систем збудження суднових синхронних і асинхронних генераторних установок, а також силових технологічних установок багаточерпакових земснарядів, дозволив виявити можливості удосконалювання їхньої експлуатації шляхом використання дискретних алгоритмів керування збудженням. Розроблено алгоритми, мікропроцесорні програми і виконавчі пристрої керування цими енергетичними системами.

2. Виконано ідентифікацію синхронного й асинхронного генераторів, електроприводів черпаючого комплексу земснаряда у вигляді передатних функцій по каналах керувань і навантаження. Отримані результати збігаються з експериментальними даними з точністю 2 %. Отримані передатні функції дозволяють синтезувати оптимальні безупинні і дискретні системи керування.

3. Пристрої збудження суднових генераторів досліджені в класі дискретних лінійно-імпульсних систем керування. Визначено границі стійкості й отримані аналітичні вирази для критичних коефіцієнтів передачі ряду типових дискретних регуляторів у залежності від періоду комутації. Розроблені методики визначення оптимальних по швидкодії настроювальних параметрів промислових лінійно-імпульсних регуляторів збудження синхронних і асинхронних генераторів. Виконаний аналіз розташування годографів коренів z і p характеристичних рівнянь дозволяє аналізувати вплив настроювальних параметрів на коливальні властивості суднових генераторних систем. Розроблено методику побудови перехідних процесів у дискретних системах збудження з обліком нелінійностей регуляторів і процесів між комутаціями. Запропоновано технічні реалізації дискретних регуляторів на електронних елементах і мікропроцесорах.

4. Розроблено математичні моделі суднових енергетичних комплексів, що включають моделі генератора, типового суднового навантаження, дискретного регулятора напруги і форсування збудження, приводного суднового двигуна з різним ступенем деталізації. Створено пакет комп'ютерних дослідницьких програм для розрахунку перехідних процесів в електроенергетичних установках.

5. Запропоновано ряд нових критеріїв оптимізації динамічних перехідних процесів у суднових генераторних установках, що враховує особливості дискретних регуляторів і випадковий характер суднового навантаження. Розроблено програми побудови поверхонь критеріїв оптимізації в області настроювальних параметрів цифрових регуляторів, за допомогою яких виконаний пошук оптимальних структур і коефіцієнтів дискретних систем керування напругою суднових генераторів.

Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в наступних роботах.

1. Кутасин Б.П., Шемет Р.И., Муха Н.И. К вопросу стабилизации тока главной цепи электроэнергетических установок многочерпаковых земснарядов // Изв. ВУЗов “Горный журнал”. - 1987. - № 1. - С.86-90.

2. Кутасин Б.П., Шемет Р.И., Муха Н.И. Инвариантный регулятор и динамика энергетической установки многочерпакового земснаряда // Изв. ВУЗов “Горный журнал”. - 1989. - № 7. - С.91-94.

3. Васильев В.Н., Муха Н.И. Электроприводы с тяжелыми режимами эксплуатации // Судостроение. - 1987. - № 8. - С.30-32.

4. Муха Н.И. Микропроцессорная система регулирования возбуждения электродвигателя постоянного тока с тяжелыми режимами эксплуатации // Разработка и моделирование в технических и социально-экономических проблемах освоения океана: науч.-техн. сб. - Владивосток, 1985. - С.63-67.

5. Муха Н.И., Тумольский А.П., Коротницкий Ю.В. Микропроцессорная система регулирования возбуждения электрических машин// Автоматизация энергетических установок и систем судов. -М.: В/О “Мортехинформреклама”. - 1988. - С.63-72.

6. Муха Н.И., Пасс А.Е. Управление электроприводом черпаковой цепи земснаряда при разработке тяжелых грунтов // Автоматизация судовых технических средств. - Вып. 1. - Одесса: ОГМА. - 1993. - С.73-75.

7. Вишневский Л.В., Муха Н.И. Выбор закона управления для дискретно-импульсных систем регулирования напряжения генераторных установок // Автоматизация судовых технических средств. - Вып. 4. - Одесса: ОГМА. - 1999. - С.32-39.

8. Вишневский Л.В., Муха Н.И. Постоянные времени асинхронного генератора с конденсаторным возбуждением // Электромашиностроение и электрооборудование. - Вып. 53. - Киев.- 1999. - С.21-26.

9. Вишневский Л.В., Муха Н.И. Анализ быстродействия дискретно-импульсных систем регулирования напряжения генераторных установок // Автоматизация судовых технических средств. - Вып. 5. - Одесса: ОГМА. - 2000. - С. 11-19.

10. Вишневский Л.В., Муха Н.И., Веретенник А.М. Компьютерное моделирование судовых вспомогательных электроустановок // Судовые энергетические установки. – Вып.6. – Одесса: ОГМА. – 2001. – С. 22-30.

11. Вишневский Л.В., Муха Н.И., Веретенник А.М. Способы реализации дискретных регуляторов на электронных элементах // Судовождение: Сб. научн. трудов. – ОГМА. - Вып. 5.- Одесса: Латстар, 2002. – С.25-29.

12. Вишневский Л.В., Муха Н.И., Веретенник А.М. Качество переходных процессов в импульсных системах стабилизации напряжения судовых дизель генераторов // Автоматизация судовых технических средств: научн.-техн. сб. – 2002. - Вып. 7. – Одесса: ОГМА. – С. 13-18.

13. Вишневский Л.В., Веретенник А.М., Муха Н.И. Влияние нелинейностей дискретных регуляторов на динамические свойства импульсных систем управления // Труды ОПУ: Научн. и производственно-практический сб. по техн. и ест. наукам. – Одесса, 2002. – Вып. 2(18). – С.155-158.

14. Вишневский Л.В., Веретенник А.М., Муха Н.И. Критерии оптимальности настроек цифровых регуляторов возбуждения генераторных электроустановок // Электромашиностроение и электрооборудование. - Вып. 59. - Киев. - 2002. - С.50-55.

15. Вишневский Л.В., Веретенник А.М., Муха Н.И. Компьютерная оптимизация цифрового регулятора напряжения судовой электроустановки // Судовые энергетические установки: науч.-техн. сб. - Одесса: ОНМА.- 2003. - № 8. - С. 79-85.

16. Вишневский Л.В., Муха Н.И., Веретенник А.М. Расчет напряжений в электроустановках с импульсными регуляторами // Автоматизация судовых технических средств. – Вып. 8. – Одесса: ОНМА. – 2003. – С. 8-15.

17. Муха Н.И. Анализ критериев оптимального управления процессом дноуглубления многочерпаковыми земснарядами / Деп. в ВИНИТИ 11.05.79 г., № 46/988. - 8 с.

18. Муха Н.И. Математическое описание динамики главного привода черпакового комплекса земснаряда /Деп. в ЦБНТИ ММФ 31.10.79 г., № 34.-7 с.

19. А.с. 1150312 СССР, МКИ Е 02 F 3/90. Устройство для регулирования привода черпаковой цепи многочерпакового земснаряда/ Н.И. Муха, А.Е. Пасс .- 6 с. ил.; Опубл. 15.04.85, Бюл. № 14.

20. А.с. 1257803 СССР. Регулятор напряжения / А.Е. Пасс, А.П. Тумольский, Н.И. Муха.- 4 с. ил.; Опубл. 15.09.86, Бюл. № 34.

21. А.с. 1562482 СССР, МКИ F 01 М 1/16. Система смазки цилиндра двигателя/ Пилюгин А.С., Довиденко Ю.Н., Богач В.М., Бузовский В.А., Крыштын Л.К., Муха Н.И., Занько О.Н. - 5 с. ил.; Опубл. 07.05.90, Бюл. № 17.

22. Муха Н.И. Система автоматического управления процессом дноуглубления земснаряда // Сборник трудов 4-й Межотраслевой конференции молодых ученых и специалистов. - Николаев, 1983. - С. 84 - 87.

23. Муха Н.И. Цифровая система управления взаимосвязными электроприводами земснаряда // Тезисы докладов отраслевой научно-технической конференции. - М.: МИИТ, 1984. - С. 53 - 54.

24. Вишневський Л.В., Муха М.Й. Цифрові системи управління для асинхронних генераторів // Матеріали 54 наукової і науково-методичної конференції професорсько-викладацького складу та курсантів 23-26 квітня 2002 р. – Одеса: ОНМА, 2002. – С. 49-50.

АНОТАЦІЇ

Муха Н.И. Удосконалення процесів перетворення енергії в енергетичних установках спеціалізованих суден – Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.08.05 – суднові енергетичні установки. Одеська національна морська академія, Одеса, 2004.

Дисертаційна робота присвячена дослідженню і розробці методів підвищення ефективності робочих режимів суднових допоміжних установок, пов'язаних з дискретною зміною параметрів їх технологічних процесів.

У результаті аналізу процесів енергоперетворення в СЕУ виявлені можливості їх вдосконалення шляхом використовування дискретних алгоритмів управління. Розроблені алгоритми і виконавчі пристрої управління. СЕУ досліджені в класі дискретних лінійно-імпульсних систем керування. Аналітичний опис процесів збудження і комутації навантаження генераторів і електроприводів черпаючого комплексу земснаряда дозволив синтезувати оптимальні системи управління.

Виконано моделювання перехідних процесів СЕУ для дискретних режимів: комутації навантаження, форсування збудження генераторів, пуску могутніх приводів, перевантажень і коротких замикань. З використанням дискретних критеріїв оптимізовані процеси в суднових генераторних установках шляхом пошуку якнайкращої структури системи управління з подальшою оптимізацією її параметрів.

Ключові слова: перехідні процеси, комутація навантаження, форсування, дискретні режими керування, моделювання, оптимізація.

Муха Н.И. Совершенствование процессов преобразования энергии в энергетических установках специализированных судов – Рукопись. Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.08.05 – судовые энергетические установки. Одесская национальная морская академия, Одесса, 2004.

Диссертационная работа посвящена исследованию и разработке методов повышения эффективности рабочих режимов судовых вспомогательных установок, связанных с дискретным изменением параметров их технологических процессов.

В результате анализа систем возбуждения синхронных и асинхронных генераторов, а также технологических установок многочерпаковых земснарядов определены возможности их совершенствования путем использования дискретных алгоритмов регулирования и форсировки возбуждения. Разработаны алгоритмы и исполнительные устройства управления этими энергетическими системами.

Математическое описание процессов возбуждения и коммутации нагрузки судовых генераторов и электроприводов черпающего комплекса земснаряда в виде передаточных функций позволило синтезировать оптимальные системы управления. Устройства возбуждения генераторов исследованы в классе дискретных линейно-импульсных систем управления, определены границы устойчивости и получены аналитические выражения для критических коэффициентов передачи дискретных регуляторов в зависимости от периода коммутации. Разработаны методики определения оптимальных по быстродействию настроечных параметров линейно-импульсных регуляторов возбуждения синхронных и асинхронных генераторов. Определено влияние параметров установок и их регуляторов на колебательные свойства судовых генераторных систем. Разработана методика построения переходных процессов в дискретных системах возбуждения с учетом типовых нелинейностей цифровых регуляторов.

Разработаны компьютерные модели и программы для моделирования переходных процессов СЭУ для дискретных режимов: коммутации нагрузки, форсировки возбуждения генераторов, пуска мощных приводов, перегрузок и коротких замыканий.

С использованием предложенных дискретных критериев выполнена оптимизация процессов в судовых генераторных установках путем поиска наилучшей структуры системы управления с последующей оптимизацией ее параметров.

Ключевые слова: переходной процесс, коммутация нагрузки, форсировка, дискретные режимы управления, моделирование, оптимизация.

Mukha M.Y. Perfection the processes energy conversion in the electric power plants of the particularized ships. – Manuscript. The thesis for obtaining candidate of scientific degree on specialty 05.08.05 – Ship power plants. Odessa National Maritime Academy, Odessa, 2004.

Dissertation is devoted to research and development of methods of increase of efficiency of operating conditions of the ship auxiliary options related to the discrete change of parameters of their technological processes.

As a result of analysis of the modes of ship auxiliary options possibilities of their perfection by the use of discrete algorithms of management are exposed. Algorithms and executive control units are developed. The ship auxiliary options are explored in the class of the discrete linear-impulsive control systems. Analytical description of processes of excitation and commutation of loading of generators and motors of ladling complex of hydraulic dredger allowed to synthesize the optimum control systems.

The design of transitional processes of ship auxiliary options for the discrete modes is executed: commutation of loading, forceful excitation of generators, starting of powerful drives, overloads and short circuits. With the use of discrete criteria the processes in ship generator options by the search of the best structure of the control system with subsequent optimization of its parameters are optimized.

Keywords: transitional process, commutation of loading, field forcing, discrete modes, impulsive management, design, optimization.