ОДЕСЬКА НАЦІОНАЛЬНА МОРСЬКА АКАДЕМІЯ

БУДАШКО ВІТАЛІЙ ВІТАЛІЙОВИЧ

УДК 621.436+621.31:625.5.035

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ПЕРЕДАЧІ ПОТУЖНОСТІ В СУДНОВИХ ДИЗЕЛЬНИХ ПРОПУЛЬСИВНИХ КОМПЛЕКСАХ

05.08.05 – суднові енергетичні установки

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Одеса – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеській національній морській академії Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Радченко Анатолій Петрович, Одеська національна морська академія, завідувач кафедри суднової електроенергетики і мехатроніки.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Суворов Петро Семенович,

ВАТ “Українське Дунайське пароплавство”, президент,

кандидат технічних наук, Варбанець Роман Анатолійович,

Одеський національний морський університет, доцент кафедри

суднових енергетичних установок і технічної експлуатації.

Провідна установа: Севастопольський національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, м. Севастополь.

Захист відбудеться “15 ”червня 2006 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.106.01 в Одеській національній морській академії за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідрихсона, 8, корп. 1, зал засідання вченої ради.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеської національної морської академії за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідрихсона, 8, корп. 2.

Автореферат розісланий 11 травня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої ради, д. т. н.,

професор Голіков В.А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Досвід експлуатації дизелів суднових пропульсивних установок виявив ряд серйозних проблем, пов’язаних зі стохастичним знакозмінним характером моменту обертання рушія судна в залежності від експлуатаційних умов і стану навколишнього середовища, що впливають на надійність роботи усього гідропропульсивного комплексу.

Однією з таких проблем є значні коливання частоти обертання рушія в межах експлуатаційних режимів, яка не вирішена існуючими методами і засобами.

Невирішеність проблеми полягає в тому, що сучасні автоматизовані гідропропульсивні комплекси не дозволяють достатньо точно врахувати вплив різних факторів на стійкість і точність регулювання частоти обертання валу рушія, що позначається на технічній безпеці, як частини загальної безпеки мореплавання.

Нестабільність частоти обертання рушія, яка зумовлена піковим характером навантаження на валу, знижує надійність роботи гідропропульсивного комплексу. Тому теоретична розробка методів і практична реалізація засобів, дослідження процесів і оптимізація режимів в суднових пропульсивних комплексах, які направлені на обмеження коливальних процесів і осьових зміщень валу рушія з одночасним збільшення упору гвинта, підвищення економічних і ергономічних показників суднових пропульсивних комплексів є складовими напрямку досліджень, пов’язаних з підвищенням ефективності передачі потужності до рушія і відносяться до числа актуальних науково-дослідницьких задач.

Зв’язок роботи з науковими програмами. Напрямок досліджень, отримані наукові і практичні результати відповідають програмам та планам науково-технічних робіт, направлених на розвиток народного господарства України – цільовій комплексній програмі розвитку транспортного комплексу України “Транспорт”, пріоритетному напрямку науково-дослідних програм Міністерства освіти України “Енергоресурси та енергозбереження”. Тема дисертаційної роботи зв’язана з виконанням держбюджетної науково-дослідницької роботи, виконуваній Одеською національною морською академією “Теоретичні основи створення автоматичних систем проти аварійного управління об’єктами з не детермінованими збуреннями” (ГР № 0102U002184), виконавцем етапів якої був автор дисертації.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є стабілізація моменту обертання валу рушія в судновому дизельному пропульсивному комплексі (СДПК) в експлуатаційних умовах.

Робоча гіпотеза досягнення мети полягає в тому, що при передачі потужності в СДПК за рахунок створення на лінії валу рушія додаткового керованого знакозмінного моменту обертання можливо обмежити механічні напруженості в гідропропульсивному комплексі управлінням його інерційністю.

Одним із шляхів досягнення мети і підтвердження робочої гіпотези є використання гібридної концепції приводу рушія, що інтегрує ефективність механічно керованого гвинта із гнучкістю дизель-електричного приводу з асинхронним двигуном (АД), працюючим в синергізмі з мало-обертовим дизелем (МОД) на лінії валу рушія, і виконуючим роль додаткової потужності (бустеру).

Головною задачею дисертаційного дослідження сформульовано: оптимізація режимів роботи СДПК з МОД і частотно-керованим АД на лінії валу при передачі потужності до рушія за рахунок зменшення споживання палива і амплітуди крутильних коливань.

Головна задача представлена у вигляді п’яти допоміжних задач:

- аналіз режимів передачі потужності і процесів в суднових пропульсивних комплексах із МОД;

- визначення критеріїв оцінки ефективності передачі потужності у судновому дизель-електричному пропульсивному комплексі (СДЕПК);

- математичне моделювання енергетичних станів в СДЕПК із МОД і частотно-керованим асинхронним двигуном (АД) на лінії валу ГФК;

- моніторинг енергетичних процесів в комп’ютерній лабораторії для СДЕПК;

- експериментальні дослідження передачі потужності в СДЕПК.

Об’єктом дослідження є процеси передачі енергії в суднових пропульсивних комплексах.

Предмет дослідження – параметри процесу обертання рушія для підвищення ефективності передачі потужності в суднових дизельних пропульсивних комплексах.

Методи дослідження. Розв’язання поставлених задач здійснено: методом інформаційного пошуку при визначенні концепції СДЕПК з порівняльною оцінкою енергетичних показників в різноманітних технологічних процесах виробництва і передачі потужності до рушія; системним підходом при розробці методики дисертаційного дослідження, методик оптимізації процесів в СДЕПК з електродвигунами; методом прогнозуючого інформаційного і штучно-нейронного математичного моделювання передачі потужності у СДЕПК з використанням нейро-мереж; методом експериментальних досліджень характеристик АД з порівнянням їх з характеристиками математичного моделювання при перевірці адекватності математичних моделей; методом математичної статистики при обробці експериментальних даних продовж моніторингу електроенергетичних процесів в судновому пропульсивному комплексі.

Наукова новизна отриманих результатів. В дисертаційній роботі було сформульовано наукове положення:

- стабілізація моменту обертання рушія в СДЕПК з МОД і АД на лінії валу забезпечується: в номінальному режимі – зменшенням, а в маневровому – збільшенням прискорення додаткового моменту частотно-керованого АД відносно моменту обертання МОД в залежності від швидкості збільшення знакозмінного моменту опору на валу рушія.

Наукове положення було підтверджене наступними науковими результатами. Вперше встановлено, що:

- стабілізація моменту обертання рушія при будь-яких навантаженнях забезпечується додатковим керованим моментом шляхом застосування частотно-керованого АД на лінії валу СДЕПК;

- синхронізуючий момент, що виникає на лінії валу рушія забезпечує стійкість гідропропульсивного комплексу в номінальному режимі в межах 5% номінальної частоти обертання валу;

- швидкість збільшення додаткового знакозмінного моменту допоміжного АД прямо-пропорційно залежить від швидкості збільшення різниці заданого і дійсного моментів на валу рушія при переході СДЕПК з номінального до маневрового режиму роботи;

- інтенсивність завдання регулятору МОД зворотно-пропорційно залежить від швидкості збільшення додаткового знакозмінного моменту допоміжного АД;

- параметри процесу обертання рушія при передачі енергії в пропульсивному комплексі із МОД та допоміжним керованим АД на лінії валу можливо отримати на основі даних опору води корпусу при двох умовах завантаження: повному проектному завантаженні і завантаженні баластом в комп’ютерній лабораторії з використанням відомих DMI-моделей судна.

Отримало подальший розвиток дослідження енергетичних процесів в дизельних пропульсивних комплексах в частині використання моніторингу процесів і елементів штучного інтелекту.

Достовірність і обґрунтованість отриманих результатів забезпечується:

- перевіркою адекватності математичних моделей реальним об’єктам, в результаті чого було встановлено, що відносна похибка різниці між виміряними значеннями частот обертання валу АД при проведенні прямого натурного експерименту і даними математичного моделювання складає від 4,5 % до 5,7 %, що лежить в межах похибок вимірювання.

- коректним використанням математичного апарату при розв’язанні задач моделювання енергетичних станів в суднових пропульсивних комплексах за допомогою сучасного програмного забезпечення;

- порівняльним аналізом характеристик експериментальних досліджень СДЕПК із МОД і АД на лінії валу із існуючими результатами сучасних досліджень;

- практичним підтвердженням ефективності концепції СДЕПК подальшим розвитком застосування електричних двигунів на лінії валу МОД відомими світовими суднобудівельними компаніями;

- впровадженням результатів дисертаційних досліджень на виробництві.

Практичне значення отриманих результатів.

1. При впровадженні результатів дисертаційних досліджень відбувалося підвищення ефективності передачі потужності в суднових пропульсивних комплексах в експлуатаційних умовах, що підтверджується відповідними актами впровадження на суднах Рінійського морського торгівельного флоту (акт від 10.06.2005р.), спеціалізованого флоту Чорноморсько-Азовського басейнів аварійно-рятувальних, суднопідіймальних і підводно-технічних робіт (АСПТР) ЧМП (акт від 21.05.1993р.), судноплавних компаній “Дуглас” (Росія) та “Sherwood Shipping Inc” (Італія) (акт від 16.06.2005р.).

2. Розроблено і впроваджено модель в комп’ютерній лабораторії для СДЕПК, яка використовується в навчальному процесі і дозволяє розв’язувати головні задачі проектування та експлуатації суднових пропульсивних комплексів (акт від 23.03.2006р.), а саме: при налагодженні суднових систем управління різного рівня складності; при проектуванні нових моделей пропульсивних комплексів; при розробці експертних систем, які забезпечують аналіз процесів у судновій електроенергетиці; при створенні навчальних програм і тренажерів суднових пропульсивних комплексів і єдиних електроенергетичних систем.

3. Розроблено і впроваджено в навчальний процес інженерну методику “Мікропроцесорна система управління асинхронним електродвигуном”, методичні рекомендації до лабораторних робіт з курсів “Суднові електричні машини” та “Суднові автоматизовані електроприводи”, надруковано затверджений Вченою радою Одеської національної морської академії навчальний посібник “Силовые полупроводниковые приборы и преобразовательная техника”, що підтверджується відповідними актами (акти від 16.05.1994р. та від 23.03.2006р.).

Апробація результатів дисертації.

Основні результати доповідалися на щорічних конференціях професорсько-викладацького складу ОНМА (1993-2005); на міжнародній наук.-техн. конференції “Сучасне судноплавство і морська освіта”, 4 – 5 червня 2004 р., Одеса, ОНМА; на міжнародній науково-методичній конференції “Сучасні проблеми суднової енергетики”, 7 – 9 червня 2005 р., Одеса, ОНМА; на VII всес. науково–технічній конференції “Проблемы комплексной автоматизации судовых технических средств”, 24-25 мая 1989 г. у НПО “Аврора”; на VIII науково-технічній конференції “Электроприводы переменного тока с полупроводниковыми преобразователями”, 21-24 марта 1989 г у м. Свердловск, УПИ; на VII міжнародній конференції “Контроль і управління в складних системах (КУСС-2003)” 8-11 жовтня 2003 р. у м.Вінниця, ВПУ; на науково-технічній конференції з міжнародною участю “Проблеми автоматики та електрообладнання транспортних засобів (ПАЕТЗ-2005)” 19-21 травня 2005 р. у м. Миколаїв, НКУ; на міжнародній науковій конференції “Интеллектуальные системы принятия решений и прикладные аспекты информационных технологий (ISDMIT’2005) 19-21 травня 2005 року у м. Євпаторія, ХМУ.

Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано 7 статей ( у тому числі 2 – без співавторів) у наукових журналах і збірниках наукових праць, що входять до Переліку ВАК, 1 навчальний посібник, 1 депонований рукопис, отримано 2 авторських посвідчення.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація обсягом 173 сторінок машинописного тексту, у тому числі 25 рисунків, 1 таблиці, складається з вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних джерел на 11 сторінках зі 123 найменувань, додатків на 50 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульована мета і задачі дослідження, зазначені новизна і практична цінність результатів роботи, дається її коротка характеристика.

У першому розділі наводяться результати сучасні дизелі і системи управління передачею потужності в пропульсивних комплексах

Будівництво суден з великою пропускною спроможністю рано чи пізно призведуть до використання гібридних концепцій приводів рушіїв, що інтегрують ефективність механічно керованого гвинта із гнучкістю дизель-електричного приводу, що дозволить підвищити ефективність передачі потужності в пропульсивному комплексі за рахунок зменшення впливу нестабільності частоти обертання валу на параметри МОД.

Балтійський суднобудівельний завод повинен випустити 5 танкерів льодового плавання DW 74600 тон з енергетичною установкою, яка компонує МОД для руху на чистій воді і бустерний електродвигун, що на ходу в кригах задовольняє вимогам Регістра по додатковій потужності. Додаткова потужність – електричний бустер на лінії валу – 5000 кВт. Головний МОД сумісно з ЕД повинен забезпечувати ефективні зміни частоти обертання ГФК від нульових значень до номінальних.

Надійність, ресурс, продуктивність, витрати енергії електродвигунів гребних гвинтів в експлуатації істотно залежать від якості споживаної ними електроенергії: напруги живлення, частоти живлячого струму, величини і складу вищих гармонійних.

Для забезпечення управління частотою обертання допоміжного АД суднового пропульсивного комплексу з МОД у широкому діапазоні із забезпеченням стабільності напруги на шинах СОД, уникнення найвищих гармонійних складових у споживаному струмі, зменшення коливань частоти обертання і моменту на валу ГФК у перехідних режимах, можливо за умови оптимізації управління ПЧ, регуляторів частоти обертання МОД і АД, які б враховувало всі особливості передачі потужності у судновому дизель-електричному пропульсивному комплексі з МОД і частотно-керованим АД.

У другому розділі обґрунтовуються методологічне забезпечення виконання дисертаційних досліджень і тематика дисертаційної роботи.

Основні результати аналізу розділу формують загальні вимоги до розв’язування задачі підвищення ефективності передачі потужності в суднових пропульсивних комплексах з МОД і трифазними частотно-керованими АД з коротко-замкненою обмоткою ротора, розташованого на лінії валу рушія.

Спочатку було конкретизовано питання, які необхідно вирішити для досягнення поставленої основної задачі, які будуть складовими допоміжних задач, і які, на сьогоднішній день, є не розв’язаними, або знаходяться в межах окремих наукових досліджень і не можуть рахуватися такими, що є без суперечливими.

Необхідність проведення даних наукових досліджень продиктовані потребами виробництва, які зумовили актуальність тематики дисертаційної роботи, а саме, такими потребами з’явились необхідність забезпечення надійності роботи суднового МОД в умовах зростання інтенсивності мореплавання, поліпшення експлуатаційних показників дизеля в процесі експлуатації суднових пропульсивних комплексів (і зокрема дизель-електричних), зростання економії енергоносіїв за рахунок підвищення ефективності їх використання в процесі експлуатації, а також оптимізацію процесів взаємодії компонентів суднових дизельних і дизель-електричних установок.

Як параметри навантаження застосовуються: середній індикаторний тиск, який прямо пропорціональний моменту, що розвивається двигуном і найбільшою мірою характеризує механічні і теплові навантаження в МОД, оскільки безпосередньо пов'язаний з робочими процесами в циліндрах; цикловою подачею палива bц і пропорційному їй відношенню витрати палива до частоти обертання дизеля G/n. Зв'язок цих параметрів з середнім індикаторним тиском визначається співвідношенням:

, (1)

де с, с1 – постійні коефіцієнти; gi – питома індикаторна витрата палива; Qf – питома теплота згоряння палива; Pi – середній індикаторний тиск; n – частота обертання валу дизеля.

Швидкісні характеристики МОД будуємо з дотриманням наступних принципів: для всіх двигунів допускається робота по частковій зовнішній характеристиці, відповідній номінальному середньому індикаторному тиску (номінальній цикловій подачі палива), в діапазонах частот обертання: 0,97 – 1,00) nн – для тривалої роботи; (0,90- 0,97) nн – для короткочасної роботи, тут nн – номінальна частота обертання; допускається робота дизеля протягом 12 годин з частотою обертання, на 3% перевищуючій номінальну (nmax = 1,03 nн); при зниженій частоті обертання навантаження, що допускається, знижується, починаючи від 0,97 nн – для тривалої роботи і від 0,9 nн – для короткочасної.

Запропоновані принципи оптимізації процесів взаємодії компонентів дизель-електричного комплексу з МОД і АД в різноманітних режимах роботи судна формалізовані у вигляді логічних і графічних схем передачі потужності до рушія, дозволили перейти до їх реалізації засобами із застосуванням сучасних принципів побудови систем виготовлення і передачі потужностей. Удосконалені математичні моделі дозволили оптимізувати взаємодію ПЧ АД з компонентами пропульсивного комплексу для підвищення ефективності передачі потужності. Розроблені алгоритми і програми пройшли стендові, лабораторні і суднові випробування.

У третьому розділі проводиться математичне моделювання передачі потужності у СДЕПК.

Спочатку було виконано оцінку ефективності передачі потужності в суднових дизель-електричних комплексах, для чого було сформульовано критерій ефективності.

Модель енергетичних процесів будується у відповідності зі схемами розподілу потоків активної потужності (рис. 1) для механізмів головного приводу, енергетичних ланцюгів і перетворювачів, які інтегруються у загальну модель енергетичних процесів СДЕПК.

Сумарні втрати розбиті на змінні х і умовно постійні k втрати, як це прийнято в теорії електроприводу. У моделі енергетичних процесів облічено не тільки активні, але і повні потужності, що дозволяє досліджувати потоки реактивної потужності, розраховувати втрати, виходячи з повної потужності.

Рис. 1 Схема розподілу потоків активної потужності: СОД – середньо обертовий дизель; СГ – синхронний генератор; ГФК – гвинт фіксованого кроку; Ре.пер – потужність електрична вентильного перетворювача, що складається з нерегульованого випрямляча (діодного) і інвертора (тиристорного); Ре.лн.пс – електрична ланка постійного струму; Ре.аі – електрична автономних інверторів; Ре.ад – електрична АД; Рем.ад – електромагнітна АД; Рм.ад – потужність механічна на валі АД; Рвал – потужність механічна на валопроводі; Ргфк – корисна, прикладена до ГФК; ?Рпер – потужність втрат у перетворювачі; ?Раі – в автономному інверторі; ?Рад – у АД; ?Рмех – у передавальних механізмах (?Ртр – у трансмісії, ?Рдр – енергія пружно-деформованого валопроводу і енергія сил внутрішнього тертя)

Оцінка зміни якості електромеханічної системи в цілому в залежності від режиму роботи СДЕПК при незмінних основних параметрах проводиться за критерієм ефективності перетворення енергії :

= , (2)

де Рвих (t)- модуль миттєвої потужності, переданої через перетин енергетичного каналу на його виході, тобто потужність, необхідна для руху судна; Рj - потужність втрат у j -м елементі силового каналу; n - число елементів силового каналу, у яких враховуються втрати.

Кількісні значення критерію визначаємо на комплексній математичній моделі, що включає всі перераховані моделі, при відпрацьовуванні розгону МОД і АД до заданого значення частоти обертання. У циклі є присутнім зміна частоти обертання від одного значення до іншого з заданим часом розгону або гальмування, кінцевими напругою і частотою, і власне процес регулювання заданого параметра (моменту, потоку або частоти обертання АД). Зміна частоти обертання здійснюється з гранично можливою для даних параметрів системи швидкістю.

При моделюванні передачі потужності для дизелів, синхронних генераторів, модуля навантаження, регуляторів швидкості, автоматичних регуляторів напруги, перетворювачів частоти і регулятору частоти обертання АД було розроблено однолінійну схему СДЕПК (рис.2).

Суднова дизель-електрична пропульсивна установка складається з МОД, середньо-обертових синхронних дизель-генераторів (СОДГ), що забезпечують основне навантаження, перетворювачів частоти (ПЧ) для живлення АД, PID регуляторів напруги і частоти обертання АД. Швидкість ротора одного СОДГ вибираємо як еталон, і кути інших генераторів вибираються відносно цьому співвідношенню. Кут потужності еталонного СОДГ і напруга на шині визначається модулем навантаження як функції струмів генератора.

Для кожного СОДГ і АД використовуємо двохосні dq-моделі, а взаємозв'язок здійснюється через модуль навантаження, представляючи загальне навантаження як загальний опір, який змінюється. Модуль навантаження векторно складає струми на виході генераторів і повертає напругу на шині залежно від характеристик навантаження (постійний опір, постійна потужність тощо). Електричні величини моделюються в dq-формі.

Режими роботи МОД у складі суднового гідропропульсивного комплексу аналітично можливо виразити диференціальним рівнянням його руху у горизонтальній площині:

(3)

де ms – маса судна; ? – коефіцієнт приєднаної маси води; vs – швидкість руху судна; Tp – упор гвинта; Ru – сила опору руху судна.

Рис. 2 Однолінійна схема дизель-електричного пропульсивного комплексу: ДГ1 - ДГ5 – дизель-генератори, Т1 – Т2 – трансформатори живлення ПЧ; ПЧ1 – ПЧ2 – перетворювачі частоти з ланкою постійного струму і резисторами скидання зворотної потужності (RBU, resistor backup unit), Т3 – Т4 – трансформатори живлення ГРЩ низької напруги; М1 – М7 – ЕД суднових електроприводів високої напруги

Крива опору руху судна для фактичного завантаження будується методом Bi-лінійної інтерполяції з квадратичним наближенням до значення меншого, ніж виміряне, згідно формули:

, (4)

де с1 – коефіцієнт пропорційності.

Коефіцієнт пропорційності с1 не постійний, оскільки є функцією коефіцієнта с0, залежним від швидкості судна і багатофункціонального коефіцієнта у, який ураховує такі чинники, як ступінь обростання корпусу, водотоннажність, стан моря і глибину під кілем:

,

де y = f(обростання корпусу, водомісткість, стан моря, глибина під кілем).

Для ГФК взаємовідношення між силою поштовху, упором і потужністю створюються на підставі діаграми вільної води і наступних рівнянь динаміки відносно частоти обертання валу і діаметра гвинта:

(5)

де Tp – упор гвинта; n – частота обертання валу гвинта; Qp – момент на валу ГФК, і Pp – потужність гвинта; ? – густина води; D – діаметр гвинта; Kt – коефіцієнт упору гвинта, Kq – коефіцієнт моменту.

Відносна залежність загального упору всіх гвинтів від опору руху судна характеризується коефіцієнтом горизонтального утримання t, а відносна залежність швидкості руху гвинта від абсолютної швидкості руху судна характеризується коефіцієнтом попутного потоку w.

Коефіцієнти t і w враховуються у DMI моделях судна, в залежності від водомісткості, опору руху судна, завантаження, швидкості руху і частоти обертання валу гвинта.

При визначенні моменту і упору гвинта враховуються характеристики зміни коефіцієнтів CТ і СQ у чотирьох квадрантах в залежності від гідродинамічного кроку кута ?, який розраховується для номінального кроку гвинта, тобто 0,7D:

,

, (6)

, (7)

де – відносна залежність швидкості руху гвинта і абсолютної швидкості руху судна.

Порядок розрахунку опору морської води корпусу при його русі згідно (4) робиться в залежності від швидкості і зовнішніх умов, таких як швидкість і напрямок вітру, які задаються у файлі початкових даних як випадкові величини. Також у цьому файлі інтегруються відхилення (“шум”) швидкості судна і зовнішня сила опору корпусу судна.

Коефіцієнти Kt і Kq (5), які враховують коливання осі гребного валу, визначаються з урахуванням зміни відносної ходи гвинта J в межах від – 0,5 до +0,9 та коефіцієнтів CТ (6) і СQ (7):

;

,

де .

Значення упору і моменту гвинта розраховуються в залежності від кута атаки та цих коефіцієнтів. У свою чергу значення моменту є вхідною величиною математичної моделі МОД.

Модель МОД представляємо рівнянням динаміки швидкості обертання валу першого порядку

, (8)

де Tm – механічний момент на валу; TDE – динамічна константа часу дизеля; z – індекс подачі пального (ПНВТ). Рівняння (8) записано так, що індекс ПНВТ може варіювати між 0 і 1, тобто від 0 до 100% місткості пального насоса.

Крім того спрощена нелінійна функція, що описує специфічне споживання (k = f(z), г/кВт?год.) пального, застосовується для оцінювання його споживання, при чому значення функції передбачається в діапазоні z [0, 1] для мінімуму номінальної потужності дизелю, звичайно близької до 90% максимальної потужності.

Регулятори частоти обертання дизелів (МОД і СОД) і автоматичні регулятори напруги (АРН) є PID-регуляторами, які описуємо стандартним рівнянням

,

звідси , (9)

де u – контрольований параметр (індекс ПНВТ або напруга збудження для СОДГ); е – відхилення від встановлених величин (частоти обертання валу дизеля або напруги генератора); Кр, Тi, Тd – коефіцієнт передачі регулятора, постійна часу інтеграції і диференціювання відповідно.

“Всережимність” регулятору МОД забезпечується врахуванням відхилення (“шуму”) оборотів та застосуванням функцій обмеження подачі палива Y = limit_z(u) і перевантаження МОД out = z_lim (u): якщо u > n_max, де n_max = 1,1*n_nom (номінальна частота обертання валу), то u = n_max; а якщо u < 0, то u = 0; якщо u > (0,8*n_nom), то z = 1, z_lim = 0,75; при u < (0,4*n_nom), z = 0,4, z_lim = 0,4; в інших випадках z = (1,5/n_nom)*u – 0,2, z_lim = (1,375/n_nom)*u – 0,15; e_y = z – z_lim, де e_y – 0,05 0.

У четвертому розділі наведено результати моніторингу електроенергетичних процесів в СДЕПК. З початку було виконано оптимізацію параметрів регуляторів СОДГ.

В залежності від характеру перехідних процесів, задається початкова частота обертання гребного валу. Для дослідження пускових режимів МОД n_0 = 0,01. Параметри настройки залежать від сумарного моменту інерції всіх мас системи, що рухаються, оскільки від нього в основному залежить постійна часу комплексу. При визначенні сумарного моменту інерції залежно від режиму роботи судна ураховується те, що, наприклад, СОДГ при будь-якому завантаженні (у тому числі і нульовому) мають обертальний рух. Кількість приєднаних до гвинта мас води визначається кроком гвинта, який у свою чергу залежить від режиму роботи судна, а також зовнішніх атмосферних умов.

Величина паливного індексу зумовлюється параметрами регулятору оборотів МОД, кінцевою метою при його настроюванні є забезпечення оптимальних параметрів системи автоматичного управління, що впливає як на паливну рейку головного двигуна, механізм зміни кроку гвинта, так і на завдання частоти обертання допоміжного АД. Визначення параметрів настройки регулятора полягає в необхідності забезпечення оптимального регулювання по вибраному критерію якості кожного режиму роботи пропульсивного комплексу. В маневровому режимі роботи судна на допоміжний АД полягає більше значення, з точки зору його більшої швидкодії в порівнянні з МОД. Тому, при пускових і реверсивних режимах, завдання частоти обертання АД є більш інтенсивним, і, навпаки, у економічному режимі роботи судна, коли основне навантаження приходиться на МОД, АД виконує роль додаткової потужності на валу, призначення якої у згладжуванні коливань оборотів гребного валу, тобто зменшенні вібрацій і динамічних навантажень на вал.

Величина кута атаки поступає на блок регулювання і вимірювання кроку гвинта, у якому враховується “шум” завдання і остаточне значення поступає на вхід моделі гребного гвинта. У разі використання гвинта фіксованого кроку (ГФК), необхідно завдання встановити постійним, тобто незалежним від швидкості обертання валу. Це робиться за допомогою настроювання селектору режимів роботи комплексу, у якому обробляється функція, яка в залежності від того, маневрує судно чи рухається економічним ходом, встановлює залежність кута атаки від оборотів. Також необхідно у контролері перевантаження дизеля встановити OL_on < 0, таким чином виключити функцію обмеження кута атаки.

Генерація “шумів” виміряних та початкових значень попередньо розраховується в залежності від кроку та часу моделювання за допомогою окремої програми, результатом роботи якої є файли noise_e.mat і t_extern.mat, у яких задаються відхилення виміряних значень та величини збуджень оборотів валу, паливного коефіцієнту, кута атаки гвинта, швидкості судна, моменту опору обертанню вала, зовнішньої сили опору руху судна, швидкості і напрямку вітру.

Результати моніторингу показують, що оптимізація параметрів регуляторів дизель-генераторів суттєво вплинула на якість перехідних процесів, зокрема: тривалість кидку струму зменшилась у 2,4 разу при тому же значенні амплітуди; зменшилися провал напруги на шинах СГ на 5,2% і час розгону АД до номінальних оборотів у 2,2 разу, що особливо важливо для регулювання частоти обертання валу гребного гвинта у СДЕПК. Динаміка процесів значно поліпшилася, що свідчить про підвищення ефективності передачі потужності від синхронних ДГ до допоміжного АД і далі до рушія при зміні експлуатаційних умов.

На валу АД присутній момент опору обертанню, який залежить від моменту МОД і моменту опору, зумовленого рухом судна. Регулювання оборотів АД здійснюється за допомогою завдання частоти напруги на виході ПЧ, який виконано по схемі з ланкою постійного струму і автономним інвертором напруги з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ), у якому вихідна напруга на АД регулюється в залежності від моменту опору на його валу для утримання частоти обертання АД у потрібних межах.

В результаті аналізу енергетичних процесів у СДЕПК було встановлено, що між МОД і АД постійно відбувається передача потужності. Це зумовлено тим, що момент обертання МОД має пікові значення продовж одного обороту валу, які перевищують, або навпаки, менш ніж момент опору гребного гвинта (рис. 3).

З рис. 3 видно, що при будь-якому співвідношенню кількості циліндрів i до кількості лопатей гвинта z, на лінії валу присутні гармонійні коливання крутильного моменту, частота яких кратна кількості лопатей гвинта. При застосуванні гвинтів з парною кількістю лопатей (наприклад z = 4), яким властива менша амплітуда додаткових коливань, згинаючих гребний вал (в порівнянні з гвинтами з непарними значеннями z) і МОД з парною кількістю циліндрів (наприклад i = 6), резонансні коливання, які утворюються внаслідок збігу вільних гармонійних частот гвинта з додатковими гармонійними частотами, які виникають при роботі МОД, вдається усунути за допомогою застосування допоміжного АД на лінії валу, за рахунок їх компенсації додатковим обертальним моментом, величина і частота якого залежить від параметрів ПЧ частотно-керованого АД. В свою чергу, параметри ПЧ можуть змінюватися в залежності від режиму роботи пропульсивного комплексу.

При цьому передавальне число редуктору на стороні АД можна розрахувати по формулі:

, (10)

де: fАД – частота напруги на статорі АД, Гц; sАД – номінальне ковзання АД; p – число пар полюсів обмотки статора АД; ip – передавальне число редуктора на стороні МОД, яке залежить від співвідношення i/z; nМОД – номінальна частота обертання МОД.

Рис. 3 Зміни крутильного моменту МОД, АД і гребного гвинта, працюючого за корпусом судна, в процентах від середнього крутильного моменту: ?МГ = МВ – МР і ?МД = МР – МВ – різниця між максимальними моментами МОД і гребного гвинта, яка зумовлює роботу АД у генераторному режимі і режимі двигуна відповідно; z – кількість лопатій гвинта, i – кількість циліндрів МОД; ip – передавальне число редуктору

При прямому з’єднанні АД з валом гребного гвинта (ip(АД) = 1), з рівняння (10) отримаємо формулу для розрахунку частоти напруги на обмотці статора АД:

.

У п’ятому розділі приводяться результати експериментальних досліджень для СДЕПК. Було створено лабораторну установку, де за допомогою персонального комп’ютера і плати аналого-цифрового перетворювача (АЦП) отримали пускові характеристики АД типу МАД 622 на холостому ходу.

Проводилися пуски, переключення АД зі швидкості на швидкість, гальмування, а також зміна напрямку обертання. Дані за допомогою плати АЦП вводилися у комп’ютер і зберігалися у окремих файлах за допомогою програми osc.exe, яка дозволяє, в залежності від довжини перехідного процесу і часу інтегрування, отримувати залежності вибраного параметру, виводити їх на монітор комп’ютера, зберігати на носіях інформації і аналізувати.

На рис. 4, а наведено графік залежності частоти обертання ротору АД при його розгоні, гальмуванні і зміні напрямку обертання, а на рис. 4, б показано ці ж перехідні процеси, отримані в комп’ютерній лабораторії, для чого було створено віртуальну модель лабораторної установки.

Результати аналізу графіків на рис. 4 показують, що різниця виміряних значень частот обертання валу АД при проведенні прямого натурного експерименту і даних математичного моделювання лежить в межах від 4,5 % до 5,7 % від номінальних значень.

а) б)

Рис. 4 Залежність частоти обертання АД МАП 622 в функції часу: а) отримані з реального двигуна; б) в комп’ютерній лабораторії

На рис. 5, 6 наведені результати моніторингу передачі потужності у комплексі СОДГ – ПЧ – АД – ГФК, що відбивають основні енергетичні процеси.

Рис. 5 “Осцилограми” комп'ютерного моделювання: крива 1 – завдання швидкості АД; 2 – електромагнітний момент АД (Н?м); 3 – частота струму статора АД відносно номінального значення; 4 – потокозчеплення ротора АД відносно номінального значення; 5 – момент опору на валі АД (Н?м).

Рис. 6 Графіки енергії Wспож споживаної з мережі (кВтгод.); Wвитр – що витрачається на подолання моменту опору (кВт•год.): струму в ланці постійного струму Id (А) із системою електроприводів СОДГ-ЧП-АД із ШІМ (1) і СГ-АД (2).

Результати досліджень дають кількісні значення ефективності, що досягають економії електроенергії, зниження динамічних навантажень, що свідчать про доцільність використовування у СДЕПК з МОД і частотно-керованим АД на лінії валу ПЧ із ШІМ.

При виконанні кількісної оцінки коефіцієнту ефективності дизель-електричного пропульсивного комплексу користувалися формулою (2) для сталого режиму:

, (11)

де Ru – опір руху судна; vs – швидкість руху судна; ?D – пропульсивний коефіцієнт; ?TRM = 0,97 – коефіцієнт передачі трансмісії; МВ – момент МОД; Q_AD – момент АД; n – частота обертання валу гвинта.

На рис. 7 а, б наведено графіки зміни ефективності СДEПК з використанням регулювання кроку гвинта і без, із застосуванням допоміжного АД на лінії вала і без нього.

а) б)

Рис. 7 Залежність ефективності СДЕПК: а) з регулюванням кроку гвинта; б) без регулювання кроку гвинта

Витрату палива оцінюємо, виходячи з залежності (1), та враховуючі (11):

, (12)

де gi = 170 г/кВт?год. – питома індикаторна витрата палива для МОД, працюючих на важкому паливі; Qf = 40,5 кДж/кг – номінальна питома теплота згоряння палива для МОД з ?пр = 0,52; с2 –коефіцієнт пропорційності між середнім індикаторним тиском і моментом МОД.

Графіки перехідних процесів показано на рис. 8. а результати розрахунків зводимо у таблицю 1.

Рис. 8 Характеристики СДЕПК

Таблиця 1.

Кількісні показники ефективності СДЕПК

Параметри СДЕПК | зпр

Частота обертання, об/хв. | з ГРК | з ГФК

з АД | без АД | з АД | без АД

86 | 0,5422 | 0,4154 | 0,5287 | 0,4241

103 | 0,5077 | 0,3835 | 0,4996 | 0,3959

Економія палива, г/кВт?год. | 5,87 ч 5,5 | 4,79 ч 4,9

Як видно з рис. 8 в пропульсивних комплексах із головним МОД і допоміжним частотно-керованим трифазним АД зменшуються коливання частоти обертання гребного гвинта навколо заданих значень при оптимальному настроюванні параметрів регуляторів частоти обертання гвинта. У багатьох випадках навантажень на гребний гвинт зменшується час переходу від одних станів до інших.

висновки

У дисертаційній роботі представлене нове розв’язання проблеми коливання моменту обертання рушія в суднових дизельних пропульсивних комплексах за допомогою застосування на лінії валу додаткового керованого моменту обертання, що дозволило обмежити коливальні процеси при обертанні рушія з одночасним збільшення упору гвинта, підвищити економічні і ергономічні показники суднового дизельного пропульсивного комплексу.

1. Стійкість і точність регулювання моменту обертання при передачі потужності до рушія в СДЕПК забезпечується застосуванням на лінії валу МОД частотно-керованого АД, як гнучкого зворотного зв’язку, який забезпечив ефективний комбінований принцип регулювання частотою обертання валу рушія.

2. Проведені експериментальні дослідження вперше дозволили підвищити точність регулювання частоти обертання валу рушія у СДЕПК з МОД і частотно-керованим АД на лінії валу за рахунок оптимізації параметрів регуляторів частоти обертання і напруги СОДГ суднової електроенергетичної системи і параметрів регуляторів частоти обертання АД.

3. При дослідженні залежності частоти обертання рушія в експлуатаційних умовах доведено, що застосування частотно-керованого АД на лінії валу МОД забезпечує стабілізацію частоти обертання рушія зі зменшенням коливання частоти обертання гребного гвинта навколо заданих значень у межах від 1,52 ? 4,23% від номінального значення при оптимальному настроюванні параметрів регуляторів частоти обертання рушія. Важливим є те, що у разі необхідності, можливо зменшити час переходу від одних станів до інших.

4. Кількісна оцінка ефективності передачі потужності в СДЕПК показала економію палива у всьому діапазоні регулювання частоти обертання валу рушія у межах від 4,79 до 5,87 г/кВт?год.

5. При передачі енергії від СОДГ до АД у СДЕПК з МОД на лінії валу виникає синхронізуючий момент, що забезпечує стійкість об’єкту з саморегулюванням в межах 5% номінальної частоти обертання валу.

6. Результати дисертаційної роботи можуть бути використані при налагодженні суднових систем управління різного рівня складності з точки зори підвищення їхньої ефективності, проектуванні нових моделей пропульсивних комплексів, розробці експертних систем, які забезпечують аналіз процесів у судновій електроенергетиці, а також у навчальному процесі і при створенні навчальних програм і тренажерів суднових пропульсивних комплексів і єдиних електроенергетичних систем.

На цей час результати роботи захищені двома авторськими свідоцтвами, впроваджені на суднах Одеського і Ренійського морських торгівельних портів, в Українському науково-дослідницькому інституті, у судноплавних компаніях “Дуглас” (Росія) та “Sherwood Shipping Inc” (Італія), а також у Одеській національній морській академії.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Будашко В.В. Силовые полупроводниковые приборы и преобразовательная техника: Учебное пособие. - Одеса: ОНМА, 2004. – 152 С.

2. Будашко В.В. Перетворення енергії в допоміжній гребній енергетичній установці // Судовые энергетические установки: науч.-техн. сб. – 2004. - №11. – Одесса: ОНМА. С. 81-85.

3. Радченко А.П., Будашко В.В. Векторне управління допоміжним гребним асинхронним електродвигуном контейнеровозів типу ULCVs // Судовые энергетические установки: науч.-техн. сб. – 2003. – №9. – Одеса: ОНМА. – С. 122-127.

4. Радченко А.П., Будашко В.В. Комбінована енергетична установка сучасного контейнеровоза // Судовые энергетические установки: наук.- техн. зб. – 2001.- № 6. – Одесса: ОГМА. – С. 90 – 96.

5. Радченко А.П., Будашко В.В. Комп’ютерне управління допоміжною гребною енергетичною установкою на контейнеровозах типу ULCVs // Автоматизация судовых технических средств: научн.- техн. зб. – 2001.- № 6. – Одеса: ОГМА. – С. 98 – 101.

6. Будашко В.В., Черных И.К., Кульчицкий С.В., Яцык А.В. Структура и управляющие программы микроконтроллера многоскоростного асинхронного привода // В/О “Мортехинформреклама”, сер. “Техн. Экспл. Флота”: №4(720), 1990. – С. 12-18.

7. Устройство для управления электроприводом: А.с. 1529186 СССР, МКИ G 05 В 15/00 / Будашко В.В., Черных И.К., Черных Я.И (СССР). - № 4385313/24-24; Заявл. 29.02.1988; Опубл. 15.12.1989, Бюл. № 46. – 8 с..

8. Устройство для управления асинхронным двигателем: А.с. 1582310 СССР, МКИ H 02 P 3/22, G 05 В 15/01 / Будашко В.В., Черных И.К., Савельев А.Е., Николаев И.Н. (СССР). - № 4401433/24-07; Заявл. 31.03.88; Опубл. 30.07.90, Бюл. № 28. – 12 с.

9. Радченко А.П., Будашко В.В. Підвищення ефективності передачі потужності в суднових пропульсивних комплексах // Матеріали всеукраїнської