Компьютерное моделирование единой высоковольтной судовой электроэнергетической системы с пропульсивными комплексами типа Azipod в нормальных и аварийных режимах работы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат наук Егоров, Лев Евгеньевич

• Егоров, Лев Евгеньевич
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Егоров, Лев Евгеньевич

Оглавление

Введение

Глава 1. Анализ современных ЕВСЭЭС

1.1 Основные особенности современных ЕВСЭЭС

1.2 Особенности современных ГЭУ

Выводы к главе 1

Глава 2. Математические модели элементов ЕВСЭЭС

2.1. Математическая модель высоковольтного бесщёточного синхронного генератора

2.2 Математическая модель электронного автоматического регулятора напряжения генераторного агрегата

2.3 Математическая модель приводного дизельного двигателя

с электронным автоматическим регулятором частоты вращения

2.4 Математические модели ЕВСЭС

2.5 Математические модели статической нагрузки

2.6 Математические модели пропульсивных трансформаторов

2.7 Математические модели полупроводниковых преобразователей частоты

2.8 Математические модели гребных электродвигателей

2.9 Математические модели ГЭУ

Выводы к главе 2

Глава 3. Компьютерное моделирование ЕВСЭЭС с комплексами типа А21рос1

3.1 Общие сведения о среде моделирования МАТЬАВ-8тш1тк

3.2 Создание компьютерной модели ЕВСЭС

3.3 Создание компьютерной модели ГЭУ с комплексом типа Аг1роё

3.4 Настройка параметров электронных регуляторов напряжения и частоты

3.5 Исследование переходных процессов в ЕВСЭЭС с комплексами типа

Azipod

Выводы к главе 3

Глава 4. Компьютерное моделирование ЕВСЭЭС в нормальных и аварийных режимах работы

4.1 Особенности ЕВСЭЭС судов с системами динамического позиционирования

4.2 Микропроцессорные системы управления и защиты ЕВСЭЭС

4.3 Алгоритмы функций системы управления ЕВСЭЭС

4.4 Компьютерное моделирование нормальных режимов в ЕВСЭЭС

4.5 Компьютерное моделирование аварийных режимов в ЕВСЭЭС

Выводы к главе 4

Заключение

Список использованных сокращений

Литература

Приложение 1. Паспортные данные элементов ЕВСЭЭС танкера

«Михаил Ульянов»

Приложение 2. Экспериментальные данные процессов в ЕВСЭЭС танкера

«Михаил Ульянов»

Приложение 3. Методика математического моделирования автоматизированных единых высоковольтных судовых электроэнергетических систем с использованием компьютерных технологий

Приложение 4. Акты внедрения результатов диссертации

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Компьютерное моделирование единой высоковольтной судовой электроэнергетической системы с пропульсивными комплексами типа Azipod в нормальных и аварийных режимах работы»

Введение

Актуальность темы. Единые высоковольтные судовые электроэнергетические системы (ЕВСЭЭС) - это такие системы, в которых одни и те же генераторные агрегаты вырабатывают электроэнергию для питания гребных электрических установок (ГЭУ) и других судовых приёмников. Гребные электрические установки, благодаря ряду достоинств, таких как высокие регулировочная и перегрузочная способности, высокий КПД на долевых нагрузках и т.д., находят широкое применение на судах различного назначения. Мощности ЕВСЭЭС довольно значительны, в результате чего, для снижения массы и габаритов электрооборудования используется высокое напряжение до 15 кВ, при этом, для питания общесудовых приёмников электроэнергии используются понижающие трансформаторы.

Всё большее распространение на судах с ЕВСЭЭС получают ГЭУ с комплексами типа Аг1рос1, хорошо зарекомендовавшие себя в арктических условиях. Такие комплексы применяются как на судах, так и на плавучих буровых объектах в составе систем динамического позиционирования (СДП). В связи с увеличением числа таких судов возникает необходимость более детального исследования их ЕВСЭЭС и происходящих в них процессов в нормальных и аварийных режимах эксплуатации.

В ЕВСЭЭС возможны следующие режимы работы: автономная работа высоковольтной дизель-генераторной установки с питанием общесудовой нагрузки (стояночный режим);

работа ГЭУ с постоянной или медленно изменяющейся частотой вращения ГЭД (ходовой режим);

режим динамических изменений упоров ГЭД (швартовный режим или режим динамического позиционирования судна).

Нормальным режимом работы ЕВСЭЭС называется режим, в котором её функционирование осуществляется при заданных условиях работы. К нормальным режимам следует отнести: подключение и отключение нагрузки;

пуск, реверс и изменение мощности ГЭД; синхронизацию дизель-генераторных агрегатов и распределение активной и реактивной нагрузки при их параллельной работе.

Аварийные режимы в ЕВСЭЭС связаны в первую очередь с различными видами повреждений и отказов её элементов, такими как короткие замыкания, перегрузка, значительные отклонения напряжения и частоты, отказы систем автоматики и др. Аварийные режимы опасны для обслуживающего персонала, могут привести к серьёзным материальным последствиям, а также нарушению устойчивости работы ЕВСЭЭС и повлечь за собой полное обесточивание судна.

Информация о характере нормальных и аварийных режимов, о физических величинах, характеризующих соответствующие процессы, необходима для диагностики состояний ЕВСЭЭС, выбора её структуры и системы защиты, настройки алгоритмов системы управления. Вместе с тем проведение полных исследований на реальных объектах осложнены, так как объекты постоянно находятся в работе и простои на них крайне нежелательны, кроме того возникает риск возникновения нештатных ситуаций и даже поломок дорогостоящего оборудования.

Одним из эффективных способов решения данной научной задачи является моделирование ЕВСЭЭС с использованием компьютерных технологий при условии адекватности модели реальному объекту. В связи с этим тема «Компьютерное моделирование единой высоковольтной судовой электроэнергетической системы с пропульсивными комплексами типа А71роё в нормальных и аварийных режимах работы» является актуальной.

Разумеется, что прежде чем приступить к моделированию, необходимо детальное изучение и анализ самого объекта, математическое описание его основных элементов и систем автоматического регулирования их параметров. Кроме того, для моделирования нормальных и аварийных режимов работы ЕВСЭЭС необходимо учитывать не только особенности входящих в неё элементов, но и совокупность алгоритмов микропроцессорных систем

управления и защиты, а так же правил изменения состояния системы при переходе от одного режима к другому.

Цели и задачи исследований. Целью диссертационной работы является исследование нормальных и аварийных режимов в ЕВСЭЭС методом компьютерного моделирования. Для этого необходимо решить следующие задачи:

провести анализ современных ЕВСЭЭС и их основных элементов; разработать математическую модель высоковольтного бесщёточного синхронного генератора с дизельным приводом и автоматическими регуляторами напряжения и частоты;

разработать математические модели пропульсивных многообмоточных трансформаторов;

разработать математические модели преобразователей частоты непосредственного типа и с промежуточным звеном постоянного тока;

разработать математические модели гребных электродвигателей переменного тока с одной и двумя трёхфазными статорными обмотками;

разработать математическую модель ГЭУ с комплексом типа А21рос1; на основании частных моделей создать комплексную модель ЕВСЭЭС с учётом алгоритмов функций управления и защиты;

исследовать ЕВСЭЭС с комплексами типа Аг1рос1 в нормальных и аварийных режимах методом компьютерного моделирования.

Объект исследований. Объектом исследований являются ЕВСЭЭС с комплексами типа Аг1ро(1 в нормальных и аварийных режимах работы, используемые на судах с системами динамического позиционирования.

Предмет исследований. Предметом исследований является математическая модель ЕВСЭЭС с комплексами типа Аг1роё с учётом алгоритмов функций управления и защиты, реализованная в компьютерной среде МАТ-ЬАВ^тиИпк.

Научная значимость результатов работы. К основным результатам диссертационной работы можно отнести следующие:

предложена методика математического моделирования автоматизированных ЕВСЭЭС с использованием компьютерных технологий;

составлена математическая модель высоковольтного дизель-генераторного агрегата (ДГА) в составе бесщёточного синхронного генератора, дизельного привода и электронных регуляторов напряжения и частоты;

составлена математическая модель и структурная схема модели ГЭУ с комплексом типа Azipod в составе: высоковольтной судовой электростанции, пропульсивного трёхобмоточного трансформатора, преобразователя частоты, шестифазного синхронного ГЭД с электромагнитной системой возбуждения, гребного винта, системы управления ГЭУ;

формализованы алгоритмы функций микропроцессорных систем управления и защиты ЕВСЭЭС, представлена структурная модель технологии управления ЕВСЭЭС.

проведён анализ функционирования ЕВСЭЭС с комплексами типа Azipod в нормальных режимах работы, а также анализ устойчивости ЕВСЭЭС к отказу её элементов методом компьютерного моделирования.

Методы исследований. В теоретической части диссертационной работы использовался аппарат теории математического моделирования, дифференциального исчисления, теории электрических машин, автоматического управления, теории алгоритмов и др. Экспериментальная часть заключалась в создании компьютерной модели ЕВСЭЭС с комплексами типа Azipod в среде MATLAB/Simulink и обработке результатов компьютерного моделирования нормальных и аварийных режимов работы ЕВСЭЭС. Сравнении полученных результатов с данными, полученными на реальном объекте.

Практическая ценность работы. Результаты диссертационной работы могут быть использованы при разработке, проектировании и наладке систем автоматического регулирования ЕВСЭЭС, а также для выбора её структуры, и настройки алгоритмов систем управления и защиты. Так же, результаты работы могут использоваться для анализа последствий отказов элементов ЕВСЭЭС (Failure Mode Effect Analysis - FMEA). Помимо этого полученные

результаты могут быть использованы при создании компьютерных тренажёров современных ЕВСЭЭС, необходимых в процессе подготовки инженеров-электромехаников в морских учебных заведениях.

Внедрение результатов работы. Результаты исследований диссертационной работы внедрены в госбюджетную НИР per. № 01201267114 на тему «Микропроцессорные системы (МПС) защиты, управления единой высоковольтной электроэнергетической системы (ЕВСЭЭС) и динамического позиционирования танкера ледового класса типа «Михаил Ульянов»» и в учебный процесс кафедры «Судовые автоматизированные электроэнергетические системы» ФГБОУ ВПО ГУМРФ им. адмирала С.О. Макарова.

Также результаты диссертации внедрены в производственную деятельность компании «Транзас Технологии».

Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены в виде докладов на конференции «Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и курсантов ГМА им. адм. С.О. Макарова» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Государственная морская академия имени адмирала С. О. Макарова» (2012г., г. Санкт-Петербург), а так также в рамках проекта «Lloyd's Register Educational Trust Research Collegium «Seabed Exploitation»» (2012г., r. Саутгемптон, Великобритания).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 5 печатных работ на русском и английском языках, в том числе 2 статьи в издании из перечня ВАК.

Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается их соответствием с общетеоретическими положениями и удовлетворительным совпадением результатов компьютерного моделирования с экспериментальными данными, полученными на борту танкера «Михаил Ульянов» (Приложение 2).

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Математическая модель высоковольтного ДГА.

2. Математическая модель ГЭУ с комплексом типа Аг1рос1.

3. Математическая модель ЕВСЭЭС с комплексами типа А21ро<±

4. Структурно-математическая модель автоматизированной ЕВСЭЭС.

5. Результаты компьютерного моделирования нормальных и аварийных режимов работы ЕВСЭЭС.

Структура и объём работы. Представленная диссертация состоит из введения, четырёх глав с выводами, заключения, списка литературы из 58 источников и четырёх приложений. Общий объём работы составляет 183 страницы машинописного текста и содержит 63 рисунка.

Краткое содержание работы.

Во введении обосновывается актуальность и необходимость решения научной задачи, связанной с исследованием нормальных и аварийных режимов работы ЕВСЭЭС с комплексами типа Аг1роё с помощью компьютерного моделирования. Определяются цель и основные задачи работы.

В первой главе проведено исследование и анализ современных ЕВСЭЭС с ГЭУ переменного тока. Описывается устройство и принцип действия высоковольтных дизель-генераторных агрегатов (ДГА) с бесщёточными синхронными генераторами (БСГ) и автоматическими регуляторами напряжения (АРН) и частоты (АРЧ) электронного типа. Описываются современные ГЭУ переменного тока и их основные элементы: пропульсивные трансформаторы, полупроводниковые преобразователи частоты, гребные электрические двигатели (ГЭД), а так же их системы управления.

Во второй главе рассматриваются математические модели основных элементов ЕВСЭЭС: высоковольтного бесщёточного синхронного генератора, автоматических регуляторов напряжения и частоты электронного типа; высоковольтных ДГА; пропульсивных трансформаторов с несколькими вторичными обмотками; полупроводниковых преобразователей частоты; гребных электродвигателей и ГЭУ. Составлены структурные схемы математиче-

ских моделей ГЭУ переменного тока, в том числе ГЭУ с комплексом типа Аг1рос1.

В третьей главе в среде МАТЬДВ-БишИпк реализованы математические модели высоковольтного дизель-генераторного агрегата и гребной электрической установки с комплексом типа Аг1рос1, полученные во второй главе. Приведена методика настройки автоматических регуляторов напряжения и частоты генераторных агрегатов в среде МАТЪАВ-81ггшНпк. Приведены результаты моделирования ЕВСЭЭС с комплексами типа Аг1роё при изменении частоты вращения и реверсе ГЭД, при динамических изменениях упоров ГЭД и при влиянии внешних воздействий на ГЭУ. Полученные результаты показывают характерные изменения основных параметров ЕВСЭЭС в соответствующих режимах работы, что позволяет считать исследуемую модель адекватной реальному объекту.

В четвёртой главе исследуются ЕВСЭЭС судов с СДП в нормальных и аварийных режимах работы. Приводятся особенности структуры ЕВСЭЭС для судов с СДП и требования, предъявляемые к ним, а также их математические модели. Описываются микропроцессорные системы управления и защиты таких ЕВСЭЭС и их основные функции. Формализованы алгоритмы функций СУ ЕВСЭЭС с помощью граф-схем. Приводятся результаты компьютерного моделирования автоматизированной ЕВСЭЭС в нормальных режимах работы и в случаях единичных отказов элементов ЕВСЭЭС.

Глава 1. Анализ современных ЕВСЭЭС

1.1 Основные особенности современных ЕВСЭЭС

Единые высоковольтные судовые электроэнергетические системы с напряжением свыше 1000 вольт находят все большее применение на морском транспорте. Прежде всего, это обусловлено ростом мощностей судовых электроэнергетических систем (СЭЭС) а так же потребностью в судах с высокой манёвренностью, достигаемой использованием гребных электрических установок и электродвигательных подруливающих устройств (ЭПУ). При этом для судов нового поколения весьма перспективны пропульсивные комплексы, представляющие собой погружной агрегат в виде гондолы, вынесенный за корпус судна и сочетающий в себе функции главного движителя с электрическим приводом и рулевого устройства.

В качестве источников электрической энергии в ЕВСЭЭС обычно используются дизель-генераторные агрегаты. Используя модульный принцип компоновки которых, появляется возможность более рационально использовать корпусные объемы судна для размещения машинного оборудования. Таким образом, ЕВСЭЭС с системами электродвижения и отбором мощности на судовые электропотребители имеют ряд принципиальных преимуществ перед энергетическими установками с прямой передачей мощности на гребные винты и автономной электростанцией:

отпадает необходимость вспомогательной электростанции для общесудовых потребителей;

более эффективное распределение нагрузки между параллельно работающими генераторами;

снижение расхода топлива и повышение КПД;

повышение надёжности и эксплуатационных характеристик установки в целом;

высокие манёвренные характеристики ГЭУ и ЭПУ; отсутствие необходимости применения гребного вала, пера руля;

снижение уровня шума и вибраций;

уменьшение пространства машинного отделения вследствие отсутствия длинных валопроводов, рациональнее используется грузовое пространство судна;

возможность гибкого планирования технического обслуживания и ремонта генераторных агрегатов путём поочерёдного вывода их из эксплуатации [5, 17].

В состав современных ЕВСЭЭС входят следующие основные элементы:

высоковольтные генераторы и их приводные двигатели; распределительные щиты высокого и низкого напряжений; коммутационная аппаратура; силовые понижающие трансформаторы; полупроводниковые преобразователи частоты (ППЧ); гребные электрические двигатели (ГЭД); системы возбуждения;

микропроцессорные системы управления, контроля и защиты; силовые кабельные трассы и кабельные сети системы управления. Среди требований к ЕВСЭЭС стоит отметить требования, относящиеся к качеству электроэнергии, вырабатываемой единой электростанцией, а также требования к её защите.

Основным приемником электрической энергии в ЕВСЭЭС является ГЭУ, мощность которой, как правило, значительно превосходит мощности общесудовой нагрузки. Однако ГЭУ одновременно является и основным источником помех в ЕВСЭЭС, в первую очередь это связано с помехами от работы полупроводниковых преобразователей частоты (ППЧ), служащих для регулирования частоты вращения гребных электродвигателей (ГЭД). Для надёжной и эффективной работы всех элементов ЕВСЭЭС необходимо обеспечить надлежащее качество электроэнергии и ограничить наличие высших гармонических составляющих в системе не более 5%. Этого можно достичь

путём использования дополнительных фильтров, а также за счёт некоторых схемных решений (использование многообмоточных пропульсивных трансформаторов а так же 12- и 24-пульсных схем выпрямления для преобразователей частоты).

В качестве устройств ограничения искажений синусоидальности напряжения на шинах ГРЩ ЕВСЭЭС могут использоваться линейные фильтры. Такие фильтры должны эффективно действовать при любых режимах работы ГЭУ. Конструкция трансформаторов, которые используются для работы с полупроводниковыми преобразователями, должна учитывать возможные искажения по синусоидальности напряжения. При проектировании главного распределительного щита, выборе сечения шин и т.п. необходимо учитывать возможность наличия в системе гармонических составляющих помех от работы ППЧ ГЭУ, увеличивающих нагрев токоведущих частей. Двигатели, работающие от полупроводниковых преобразователей, должны конструироваться с учетом ожидаемых гармонических составляющих питающего напряжения. Должен быть предусмотрен достаточный резерв мощности для компенсации повышенной температуры в сравнении с нагревом машины при синусоидальном питании [30, 31].

Для надёжной защиты ЕВСЭЭС должны использоваться высокоэффективные микропроцессорные системы защиты и управления. Все устройства систем управления и защиты ЕВСЭЭС, должны питаться от сети через источники бесперебойного питания (ИБП), которые в случае обесточивания должны обеспечивать питанием эти системы в течение не менее 30 минут. Автоматизированная микропроцессорная система управления единой электростанцией, должна обеспечивать адекватное управление работой главных генераторных агрегатов в соответствии с потребностями конкретных режимов работы ЕВСЭЭС (стояночный, ходовой, манёвренный или режим ДП). Все основные элементы ЕВСЭЭС оснащаются микропроцессорными многофункциональными устройствами защиты, которые совмещают в себе функции защиты, управления, сигнализации, измерения и мониторинга (контро-

ля). Такие устройства являются частью систем автоматизации ЕВСЭЭС и соединяются с ней высокоскоростными коммуникационными шинами [20].

Для предотвращения ситуаций обесточивания в микропроцессорной системе управления ЕВСЭЭС должны быть реализованы функции ограничения и снижения нагрузки единой электростанции. Эти функции особенно актуальны для режимов динамического позиционирования судна. Функция ограничения нагрузки служит для предотвращения ситуаций перегрузки ГА ЕВСЭЭС и автоматически ограничивает мощность ГЭУ и ЭПУ. Суммарная нагрузка ЕВСЭЭС не должна превышать установленного предела доступной общей мощности единой электростанции в различных режимах. Функция автоматического снижения нагрузки единой электростанции производит автоматическое снижение мощности ГЭУ и ЭПУ, в случае резкого снижения доступной мощности на шинах ГРЩ. При отключении одного из параллельно работающих генераторов системой защиты, автоматизированная система управления электростанцией должна автоматически снизить мощность ГЭУ и ЭПУ для защиты оставшихся генераторов от перегрузки [44].

ЕВСЭЭС с различным числом электрических подруливающих устройств активно используются на судах с СДП. Такие системы применяются как на судах, так и на плавучих буровых объектах и относятся к системам активного удержания объекта в заданной точке. ЕВСЭЭС судов с СДП 2-го и 3-го класса имеют свои особенности. Такие ЕВСЭЭС должны иметь возможность разделения на несколько независимых подсистем, при этом в процессе эксплуатации они могут функционировать как единые системы. Автоматизированная система управления ЕВСЭЭС должна иметь двойной уровень резервирования и получать питание от основного и аварийного источников электроэнергии [46, 47].

В качестве источников электроэнергии в ЕВСЭЭС, как правило, используются дизель-генераторные агрегаты с синхронными трёхфазными генераторами. В качестве систем возбуждения для них обычно используются бесщёточные системы с синхронным возбудителем [55].

В системе с синхронным возбудителем используется обращенная синхронная машина с обмоткой возбуждения на статоре и трехфазной обмоткой на роторе. Напряжение трехфазной обмотки выпрямляется вращающимся диодным выпрямителем и подводится к обмотке возбуждения основной машины [51, 52].

Для регулирования напряжения возбуждения используются импульсные регуляторы постоянного тока. Регуляторы этого типа преобразуют постоянное напряжение источника питания в регулируемое напряжение обмотки возбуждения синхронного возбудителя. В таких преобразователях используются силовые полупроводниковые управляемые ключи (транзисторы или тиристоры), а регулирование напряжения в них происходит за счёт широтно-импульсной модуляции напряжения источника питания. Изменяя длительность импульсов при неизменной частоте их следования можно регулировать напряжение возбуждения синхронного возбудителя от нуля до напряжения источника питания. При этом среднее значение напряжения возбуждения

возбудителя и вв будет связано с напряжением источника питания и ист ,

длительностью импульса и периодом их следования Т следующим соотношением:

ивв=1и^=уиист,( 1.1)

где у = относительная длительность (скважность) импульсов [28].

Управляющие сигналы на полупроводниковый вентиль поступают от электронного автоматического регулятора напряжения. Современные АРН состоят из преобразователя в цифровые сигналы измеряемых параметров генератора, поступающих с измерительных трансформаторов напряжения и тока; цифрового ПИД регулятора и широтно-импульсного преобразователя, формирующего сигналы управления силовым ключом (рисунок 1.1) [55].

Рисунок 1.1 Структурная схема бесщёточного высоковольтного синхронного генератора с приводным дизельным двигателем и электронными регуляторами напряжения и частоты

Основой электронного регулятора частоты вращения приводного дизельного двигателя так же является цифровой ПИД регулятор, дополнительно в систему автоматического регулирования частоты входят: датчик частоты вращения, промежуточный усилитель ПИД регулятора и серводвигатель рейки ТНВД. В качестве серводвигателя может использоваться исполнительный электродвигатель или электрогидравлический агрегат. Стоит отметить, что автоматические регуляторы частоты и напряжения являются центральными элементами систем автоматического распределения активной и реактивной нагрузок [44].

1.2 Особенности современных ГЭУ

Современные ГЭУ переменного тока состоят из следующих основных элементов: пропульсивного трансформатора, полупроводникового преобразователя частоты, гребного электрического двигателя, а так же системы управления. Путем изменения напряжения и частоты переменного тока, подаваемого на статор ГЭД, осуществляется регулирование его частоты вращения и тем самым регулирование упора гребного винта.

Пропульсивный трансформатор разделяет ЕВСЭС и ГЭУ на две системы с разными уровнями напряжения и электрически изолирует их друг от друга. От трансформатора питается ППЧ, и, в зависимости от его вида (например, от пульсности схемы его выпрямителя) пропульсивные трансформаторы могут иметь различное число вторичных обмоток. На рисунке 1.2 представлены трансформаторы для 6, 12, 18 и 24-пульсных схем выпрямления [44].

нш

6 12 18 24

Рисунок 1.2 Трансформаторы для 6, 12, 18 и 24-пульсных выпрямителей

Выбор схемы выпрямления и типа трансформатора напрямую связан с проблемой обеспечения надлежащего качества электроэнергии в ЕВСЭЭС, так как преобразователь частоты ГЭУ является крупным источником помех. Применение пропульсивных трансформаторов с несколькими вторичными обмотками и повышение пульсности выпрямителя ППЧ, ведёт к существенному снижению помех выделяемых в сеть. Так трансформатор ГЭУ с двумя вторичными обмотками, соединёнными по схеме звезда - треугольник и, обеспечивающими фазовый сдвиг вторичных напряжений на 30° электрических

градусов, компенсирует влияние некоторых высших гармонических составляющих на сеть.

Наиболее существенные преимущества 12-пульсной технологии выпрямления перед 6-пульсной следующие:

1. Уровень гармонических составляющих, отдаваемых в судовую сеть для 12-пульсной схемы значительно ниже по сравнению с 6-пульсной: конфигурация гармоник 6-пульсной схемы 5-я, 7-я, 11-я, 13-я, 17-я, 19-я, 23-я, 25-я,... вто время как для 12-пульсной 11-я, 13-я, 23-я, 25-я,...

2. Повышение качества выпрямленного напряжения за счет снижения пульсаций переменной составляющей. Соответственно для 18- и 24-пульсных систем данные показатели ещё выше.

Среди полупроводниковых преобразователей частоты выделяют непосредственные преобразователи частоты НПЧ (циклоконверторы) и преобразователи частоты инверторного типа со звеном постоянного тока (конверторы). Принцип действия ПЧ с непосредственной связью с сетью заключается в том, что напряжение питающей сети непосредственно подается на ста-торные обмотки двигателя через вентили, когда они открыты [8]. Частота напряжения на фазах двигателя регулируется последовательностью включения вентилей, а амплитуда — изменением угла их включения. Преимуществом ПЧ с непосредственной связью является однократное преобразование энергии, благодаря чему достигается достаточно высокий КПД. К недостаткам следует отнести наличие большого числа вентилей и сложной системы их управления.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Егоров, Лев Евгеньевич, 2014 год

Литература

1. Алексеев H.A. Эксплуатация судовых микропроцессорных систем: учебное пособие / H.A. Алексеев, В.М. Ушаков. - М. : Транспорт, 1994. - 209 с.

2. Алексеев H.A. Работа на тренажёре судовой электростанции с микропроцессорной системой управления DELOMATIC: метод, рекомендации для курсантов (студентов) 4-6 курсов электромеханического факультета / H.A. Алексеев. - СПБ. : ГМА им. адм. С.О. Макарова, 2005. -64 с.

3. Баранов А.П. Моделирование судового электрооборудования и средств автоматизации: учебник для вузов / А.П. Баранов, М.М. Раимов. - СПБ. : ЭЛМОР, 1997г.-232 с.

4. Баранов А.П. Судовые автоматизированные электроэнергетические системы: учебник для Вузов, 2-ое издание, переработанное и дополненное / А.П. Баранов. - СПБ. : Судостроение, 2005г.-528 с.

5. Баранов А.П. Электропожаробезопасность высоковольтных судовых электроэнергетических систем: учебное пособие / А.П. Баранов. - СПБ. : издательство политехнического университета, 2012г.-150 с.

6. Баранов А.П. Математическая модель судовой автоматизированной электроэнергетической системы: учебное пособие / А.П. Баранов. -СПБ. : издательство «ЛЕМА», 2012г. - 100 с.

7. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины / Д.А. Бут. - М.: Высшая школа, 1990г.- 417с.

8. Быков A.C.Гребные электрические установки атомных ледоколов. Учебное пособие / A.C. Быков, В.В. Башаев, В.А. Малышев, В.В. Романовский. - СПБ. : «Элмор», 2004г. - 320с.

9. Васильев А.Н. MATLAB. Самоучитель. Практический подход / А.Н. Васильев. - СПБ. : Наука и Техника, 2012г. - 448с.

10. Васин И.М. Создание перспективных электротехнических и энергетических комплексов судовых единых электроэнергетических систем: ав-тореф. дис. ... док. техн. наук: 05.09.03 / Васин Игорь Михайлович. -СПБ. ,2011.-36с.

11. Веретенников Л.П. Исследование процессов в судовых электроэнергетических системах. Теория и методы / Л.П. Веретенников. - Л. : Судостроение, 1975г. - 376с.

12. Герман-Галкин С.Г. компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0. Учебное пособие / С.Г. Герман-Галкин. -СПБ. : Корона -Принт, 2001г. - 320с.

13. Герман-Галкин С.Г. Силовая электроника: лабораторные работы на ПК / С.Г. Герман-Галкин. - СПБ. : Корона принт, 2002г. - 304с.

14. Герман-Галкин С.Г. Электрические машины: лабораторные работы на ПК / С.Г. Герман-Галкин. - СПБ. : Корона принт, 2003г. - 256с.

15. Герман-Галкин С.Г. Проектирование мехатронных систем на ПК / С.Г. Герман-Галкин. - СПБ. : Корона-Век, 2008г. - 367с.

16. Готман В.И. Короткие замыкания и несимметричные режимы в электроэнергетических системах. Учебное пособие / В.И. Готман. - Томск: издательство томского политехнического университета, 2011г.-240с.

17. Граве В.И. Электропожаробезопасность высоковольтных судовых электроэнергетических систем. Учебное пособие / В.И. Граве, В.В. Романовский, В.М. Ушаков. - СПБ. : ЭЛМОР, 2003г.-160 с.

18. Дьяконов В.П. SIMULINK 5/6/7: Самоучитель / В.П. Дьяконов. - М. : ДМК-Пресс, 2008г. - 784с.

19. Дьяконов В.П. MATLAB и SIMULINK в электроэнергетике. Справочник / В.П. Дьяконов, A.A. Пеньков. - М. : Горячая линия - Телеком, 2009г.-816с.

20. Егоров Л.Е. Микропроцессорная система защиты единой высоковольтной электроэнергетической системы (ЕВСЭЭС) танкера «Михаил Ульянов» / А.П. Баранов, Л.Е. Егоров // научно-техническая конферен-

ция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и курсантов ГМА им. адм. С.О. Макарова: тезисы докладов часть 1. -2012.-С. 202.

21. Егоров Л.Е. Математическая модель высоковольтного бесщёточного синхронного генератора / А.П. Баранов, Л.Е. Егоров // Вестник ГУМРФ им. адмирала С.О. Макарова. - 2013. - Выпуск 1. - С. 43.

22. Егоров Л.Е. Математические модели электронных регуляторов напряжения и частоты судовых генераторных агрегатов / Л.Е. Егоров // Вестник ГУМРФ им. адмирала С.О. Макарова. - 2014. - Выпуск 1(23). -С. 37.

23. Крючков И.П. Переходные процессы в электроэнергетических системах. Учебник для вузов / И.П. Крючков, В.А. Старшинов, Ю.П. Гусев, М.В. Пиратов. - М. : МЭИ, 2006г. - 416с.

24. Материалы всероссийской научно-технической конференции «Судовые единые электроэнергетические системы и гребные электрические установки». - Морской вестник (специальный выпуск) № 2(11). - 2013. -96с.

25. ОСТ 5Р.6181-81 Судовые электроэнергетические системы. Методы расчета переходных процессов. М: Госстандарт СССР: Изд-во стандартов.

26. Ощепков А.Ю. Системы автоматического управления: теория, применение, моделирование в МАТЬАВ. Учебное пособие / А.Ю. Ощепков. -СПБ. : Издательство «Лань», 2013г. - 208с.

27. Пронин М. В. Электроприводы и системы с электрическими машинами и полупроводниковыми преобразователями (моделирование, расчет, применение) / М.В. Пронин, А.Г. Воронцов, П.Н. Калачиков, А.П. Емельянов. - СПБ. : «Силовые машины» - «Электросила», 2004 г. -260с.

28. Розанов Ю.К. Силовая электроника. Учебник для вузов / Ю.К. Розанов, М.В. Рябчицкий, A.A. Кваснюк. - М. : Издательский дом МЭИ, 2007г. - 632с.

29. Романовский В.В. Электрооборудование морских комплексов. Учебное пособие / В.В. Романовский, В.Н. Куракин, B.C. Иванов. - СПБ. : Изд-во ГУМРФ им. адмирала С.О. Макарова, 2013г. - 244с.

30. Российский морской регистр судоходства Правила классификации и постройки морских судов: в 2 т. - Т.2. СПБ. : 2007 - 619с.

31. Российский морской регистр судоходства Правила классификации, постройки и оборудования плавучих буровых установок и морских стационарных платформ. СПБ. : 2010 - 466с.

32. Рукавишников С.Б. Автоматизированные гребные электрические установки. Учебник / С.Б. Рукавишников. - JI. : Судостроение, 1983г. -240с.

33. Соколовский, Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием. Учебник для вузов / Г.Г. Соколовский. - М. : Издательский центр «Академия», 2006г. - 272с.

34. Сюбаев М.А. Работа гребных электроустановок при качке судна. Учебное пособие / М.А. Сюбаев. - JI. : Судостроенние, 1977г. - 86с.

35. Тимофеев Ю.К. Линейные системы автоматического управления. Учебное пособие / Ю.К. Тимофеев, А.П. Крылов. - СПБ. : ГМА им. адм. С.О. Макарова, 2008г.- 190с.

36. Титов М.П. Частотно регулируемый синхронный электродвигатель / М.П. Титов. - Братск: БрИИ, 1998г. - 144с.

37. Токарев Л.Н. Математическое описание, расчет и моделирование физических процессов в судовых электростанциях. Учебное пособие / Л.Н. Токарев. - Л. : Судостроение, 1980г.-119с.

38. Токарев Л.Н. Системы автоматического регулирования. Учебное пособие / Л.Н. Токарев. - СПБ. : НОТАБЕНЕ, 2001г.-191с.

39. Федоренко В.А. Компьютерное моделирование судовой электроэнергетической системы в режимах металлического и дугового коротких замыканий и совершенствование её защиты: дис. ... канд. техн. наук: 05.09.03 / Федоренко Вячеслав Александрович. - СПБ., 2009. - 157с.

40. Хайкин А.Б. Автоматизированные гребные электрические установки. Учебник для вузов / А.Б. Хайкин, В.Н. Васильев, В.И. Полонский. - М.: Транспорт, 1986г. - 424с.

41. Чан Вьет Хунг Исследование переходных процессов в аварийных режимах судовой электроэнергетической системы: дис. ... канд. техн. наук: 05.09.03 / Чан Вьет Хунг. - СПБ., 2007. - 150с.

42. Черных И.В. Simulink: среда инженерных приложений / И.В. Черных. -М. : Диалог МИФИ, 2003г. - 496с.

43. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MAT-LAB, Sim Power Systems и Simulink / И.В. Черных. - М. : ДМК Пресс, СПБ: Питер, 2008г. - 288с.

44. A Guide to DP Electrical Power and Control System. - IMC A, 2010 -159p.

45. Anderson P.M. Power System Control and Stability (Second Edition) / P.M. Anderson, A.A. Found. - IEEE Press, 2003 - 664p.

46. Egorov L. Dynamic Positioning System for Mining Vessel / L. Egorov, H. Elosta, N. Cudla, S. Shan, K. Yang // Sustainable seabed Mining: Guidelines and a new concept for Atlantis II Deep. - University of Southampton, 2012. -p. 105.

47. Egorov L. Energy Supply System for Mining Vessel / L. Egorov, H. Elosta, N. Cudla, S. Shan, K. Yang // Sustainable seabed Mining: Guidelines and a new concept for Atlantis II Deep. - University of Southampton, 2012. - p. 112.

Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology 4(6): 686-690. -2012.

49. Hansen J. F. Mathematical Modeling of Diesel-Electric Propulsion Systems for Marine Vessels / J. F. Hansen, A. K. Adnanes, T. I. Fossen, // Mathematical and Computer Modeling of Dynamical Systems. - 2001. -Vol. 7 - N 1, p 1-33.

50. Hansen J. F. Modeling and Control of Marine power System: Thesis for the Degree of Philosophy Doctor / J. F. Hansen. - Norwegian University of Science and Technology, 2008. - 119p.

51. IEC. Rotating Electrical Machines: Excitation Systems for Synchronous Machines (Models for Power System Studies). IEC 34-16-2, 1991. - 72p.

52. IEEE Recommended Practice for Excitation System Models for Power System Stability Studies. IEEE Std. 421.5-2005 (Revision of IEEE 521.5-1992). - The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., 2006. - 95p.

53. International Maritime Organization: Guidelines for Vessels with Dynamic Positioning Systems. - IMO MSC Circular 645, 1994. - 22p.

54. Luo L. The Control and Modeling of Diesel Generator Set in Electric Propulsion Ship / L. Luo // I.J. Information Technology and Computer Science. -2011-2. - p 31-37.

55. Maritime Electrical Installations and Diesel Electric Propulsion: Technical report ABB Marine. - 2003-04-22. - 86p.

56. Nordtun T. Machinery Systems for DP Vessels with increased Efficiency and Reliability / T. Nordtun // Report for Dynamic Positioning Conference (Risk, FMEA and Reliability). - Dynamic Positioning Committee, 2008. -13p.

57. Radan D. Integrated Control of Marine Electrical Power System: Thesis for the Degree of Philosophy Doctor / D. Radan. - Norwegian University of Science and Technology, 2008. - 23lp.

58.Sorfonn I. Power Management Control of Electrical Propulsion Systems /1. Sorfonn. - Report for Dynamic Positioning Conference (Design and Control). - Dynamic Positioning Committee, 2007. - 26p.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 ПАСПОРТНЫЕ ДАННЫЕ ЭЛЕМЕНТОВ ЕВСЭЭС ТАНКЕРА

«МИХАИЛ УЛЬЯНОВ»

Паспортные данные элементов ЕВСЭЭС танкера «Михаил Ульянов»:

Высоковольтный бесщёточный синхронный генератор:

Производство ................................................... ABB Оу

Тип ................................................................ AMG 0900MR08 LSE

Мощность ....................................................... 7190 кВА

Напряжение ..................................................... 6600 В

Ток ................................................................ 629 А

Коэффициент мощности ..................................... 0,85

Частота ........................................................... 60 Гц

Частота вращения ............................................. 600 об/мин

Частота вращения max ........................................ 720 об/мин

Направление вращения .......................................против час. стр.

Вес ................................................................. 21600 кг

Защитное исполнение ......................................... IP 44

Класс изоляции ................................................. F

Трёхобмоточный пропульсивный трансформатор:

Производство ................................................... ABB Оу

Тип ................................................................ RESIBLOC

Мощность ....................................................... 10000/5000-5000 кВА

Напряжение ..................................................... 6600/1744 - 1748 В

Ток ................................................................ 874,8/1655 - 1652 А

ТокК.3........................................................... 7,5/18,5-18,6 кА

Частота ........................................................... 60 Гц

Вес ................................................................. 16800 кг

Защитное исполнение ......................................... ГР 44

Класс изоляции ................................................. F

Полупроводниковый преобразователь частоты:

Производство ................................................... ABB Oy

Тип ....................ACS 6114_L12_2s9_lBl_C38_W2

Защитное исполнение ......................................... IP 32

Вес ................................................................. 8900 кг

Со стороны питания:

Мощность ....................................................... 9300 кВА

Напряжение ..................................................... 1750 В

Ток ................................................................ 1534 А

Частота ........................................................... 60 Гц

Длительная перегрузка ....................................... 130%

Число фаз .........................................................2x3

Со стороны двигателя:

Мощность ....................................................... 8700 кВА

Напряжение ..................................................... 3000 В

Ток ................................................................ 837 А

Частота ........................................................... 14 Гц

Длительная перегрузка ....................................... 130%

Число фаз .........................................................2x3

Возбуждение:

Тип ................................................................. перем./перем.

Напряжение ..................................................... 440 В

Ток ................................................................ 327 А

Частота ........................................................... 60 Гц

Кратковременная перегрузка ............................... 130%

Число фаз .........................................................3

Шестифазный синхронный гребной электродвигатель:

Производство .....................................................ABB Oy

Тип ..................................................................AMZ 1400ZH12 ZAF

Количество статорных обмоток................................2

Режим работы ....................................................S1

Количество полюсов ............................................12

Вес общий .........................................................69000 кг

Направление вращения .........................................Реверсивный

Частота вращения тах ..........................................181 об/мин

Защитное исполнение ...........................................IP 44

Мощность .........................................................8500 кВт

Напряжение .......................................................3000 В

Ток ..................................................................2*845 А

Коэффициент мощности .......................................1.00

Частота шах .......................................................14 Гц

Частота вращения .................................................140об/мин

Момент .............................................................580 кН*м

Тип возбуждения .................................................бесщеточный

Класс изоляции ...................................................F