Повышение энергетической эффективности электрических установок двухбортного судна тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Чуркин Андрей Анатольевич

• Чуркин Андрей Анатольевич
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Чуркин Андрей Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПРАКТИЧЕСКИХ НАРАБОТОК В ОБЛАСТИ СУДОВЫХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

1. 1 Общая информация о судовых электроэнергетических системах

1.2 СИНХРОНИЗАЦИЯ СОСТАВНЫХ ЧАСТЕЙ СУДОВЫХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

1.3 УПРАВЛЕНИЕ ГРЕБНЫМИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯМИ, В РАМКАХ СУДОВОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

1.4 ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА И АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ В СУДОВОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ

2.1 РАСЧЁТЫ И МОДЕЛИРОВАНИЕ СОСТАВНЫХ ЧАСТЕЙ СУДОВОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

2.2 РАСЧЁТ СГЛАЖИВАЮЩЕГО ФИЛЬТРА ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ ГРЕБНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

2.3 Моделирование системы управления гребным электродвигателем по активной СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ТОКА СТАТОРА

2.4 РАСЧЁТ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 12-ТИ ПУЛЬСНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

2.5 РАСЧЁТ И МОДЕЛИРОВАНИЕ АКТИВНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ

2.6 РАСЧЁТЫ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ЕДИНОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

2.7 ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ

ГЛАВА 3 МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ, МЕТОДИКА И ОБЪЕКТЫ ИСПЫТАНИЙ

3.2 ИСПЫТАНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ, ВЫПОЛНЕННОГО ПО 12-ТИ ПУЛЬСНОЙ СХЕМЕ

3.3 ИСПЫТАНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ, ВЫПОЛНЕННОГО ПО СХЕМЕ АКТИВНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ

3.4 ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ

ГЛАВА 4 ВЕРИФИКАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1 РАСЧЕТ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ

4.2 ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение энергетической эффективности электрических установок двухбортного судна»

Актуальность темы исследования

В настоящее время, в связи с непростыми социальными, экономическими и геополитическими обстоятельствами, российской экономике приходится подстраиваться под новые реалии и искать альтернативные варианты логистики товаров, в первую очередь, - нефтегазовых, и продуктов их переработки. В соответствии с Постановлением Правительства от 1 августа 2022 г. № 2115-р «Об утверждении плана развития Северного морского пути на период до 2035 г.» строительство атомных ледоколов и судов ледового класса является стратегической задачей.

Эффективность ледокольного судна во многом определяется его пропуль-сивным комплексом. Накоплен большой опыт их эксплуатации на ледокольных судах различного назначения и мощности. В России, Финляндии и Канаде выполнен большой объем исследований механики разрушения льда лопастями гребных винтов, что позволило приступить к усовершенствованию требований классификационных обществ.

В процессе разработки судна и ведения проектных работ по движительно - рулевому комплексу и выборе типа пропульсивных элементов судов ледового класса крайне важно обращать внимание на характер работы во льдах, влекущий за собой повышенные требования в сравнении с обычными судами технического флота. Они заключаются в том, что при ходе судна в ледовых условиях на систему пропульсии не только воздействуют серьезные ледовые нагрузки, источником которых является механический контакт лопастей судна с фракциями льда. Данные нагрузки приводят к динамическому возбуждению всего пропульсивного комплекса, ввиду чего наблюдается снижение частоты вращения, а как следствие тяги гребного винта. Кроме того, изменяются и гидродинамические условия работы гребных винтов.

Механические взаимодействия лопастей гребного винта со льдом вызывают большие нагрузки на лопастях движителей ледокольных судов. Зарегистрированные в процессе натурных испытаний динамические нагрузки в гребных валах свидетельствуют, что максимальные значения переменного крутящего момента могут

превышать номинальный момент двигателя в 6-10 раз, средний момент превышает номинальное значение в 2-3 раза, напряжения от суммарного изгибающего момента в гребном валу по сравнению с чистой водой могут возрастать в 8-14 раз, переменная осевая сила в 1,5-2.5 раза превышает швартовный упор, а напряжения в лопасти в 2-3 раза превышает величину, соответствующую швартовному режиму.

Из вышесказанного следует, что создание ледового флота для Северного морского пути является нетривиальной задачей, требующей разработки новых, более эффективных устройств, а также доработки существующих устройств, алгоритмов и механизмов.

Степень разработанности

Вопросы повышения энергетической эффективности и улучшения качества электрической энергии являются достаточно разработанными областями техники.

В область разработки, повышения качества и энергоэффективности частотно-регулируемого электропривода переменного тока наибольший вклад внесли отечественные (Анучин А.С., Браславский И.Я., Быков А.С., Виноградов А.Б., Воронцов А.Г., Емельянов А.П., Ефимов А.А., Зиновьев Г.С., Коза-ченко В.Ф., Пронин М.В., Романовский В.В., Рудаков В.В., Токарев Л.Н., Чаплыгин Е.Е., Фролов В.Я., Шрейнер Р.Т. и др.) и зарубежные (Blaabjerg Frede, Dunnigan Matthew W., Lipo Thomas, Liserre Marco, Marino Riccardo, Holtz Joachim, Wade Scott Williams Barry W. и др.) ученые. Исследования данных ученых касались вопросов влияния электропривода на питающую сеть и возможных методов снижения данного влияния.

Однако, вопросы повышения энергоэффективности асинхронного частотно-регулируемого электропривода при различных способах управления, а также, использования электропривода совместно с сетью ограниченной мощности в настоящее время рассмотрены недостаточно.

Вопросы связанные с алгоритмами управления частотно-регулируемого электропривода в своих работах рассматривали Бурков А.Т., Быков Ю.М., Емельянов А.П. и другие. В своих работах они изучали возможности повышения энергетической эффективности с помощью различных способов управления электрическим приводом.

Работы перечисленных выше авторов содержат в основном исследование классического векторного и скалярного управления, и не учитывают свойственных для судового электропривода, специфических режимов работы, а также наличие в сети источника ограниченной мощности.

Вопросам разработки, проектирования систем электроснабжения, в том числе резервирования, посвящены работы следующих авторов: В.И. Идельчика, Е. А. Извекова, М.А. Таранова, В. Я. Хорольского и других.

Исследования перечисленных ученых обозревают в основном электрические сети и системы с источником неограниченной мощности, что не подходит для рассмотрения судовой сети.

Объект исследований - судовая электроэнергетическая система (далее -СЭЭС) судна ледового класса.

Предмет исследований - режимы работы электрических установок судна, в условиях работы автономного электротехнического комплекса.

Целью данной работы является повышение энергетической эффективности судовых электрических установок двубортного судна ледового класса, посредством снижения потерь в гребных электроприводах с помощью внедрения адаптивного алгоритма управления.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать схему судовой электроэнергетической системы (СЭЭС), обеспечивающую повышение надежности работы, снижение потерь в судовом энергетическом комплексе.

2. Разработать адаптивный алгоритм управления асинхронного электропривода с коррекцией амплитуды напряжения по активной составляющей тока статора.

3. Создать на основе базовых блоков среды Matlab Simulink комплекс математических и компьютерных моделей СЭЭС, адаптированный к судну ледового класса.

4. Выполнить экспериментальные исследования работы гребного электропривода на реальном судне ледового класса, провести анализ и верификацию полученных данных.

Научная новизна

1. Предложена структура СЭЭС, позволяющая снизить массогабарит-ные показатели оборудования, входящего в систему электродвижения, снизить потери электрической энергии за счёт исключения из структуры согласующих трансформаторов, повысить качество электрической энергии.

2. Разработан алгоритм управления асинхронного электропривода с коррекцией амплитуды напряжения по активной составляющей тока статора, позволяющий снизить потери электроэнергии за счёт адаптивного характера управления, повысить эффективность использования электропривода, а также преодолевать нестационарные режимы работы пропульсивной системы судна.

3. Разработанные структура СЭЭС и алгоритм управления электроприводом позволяют обеспечить синхронную параллельную работу активных выпрямителей напряжения, с входным фильтром третьего порядка, в составе гребного частотно-регулируемого электропривода.

Теоретическая значимость работы

Теоретическая значимость работы заключается в разработке:

- комплекса математических моделей СЭЭС, адаптированных к реальному судну ледового класса;

- математической модели адаптивного алгоритма управления судовым электроприводом с коррекцией амплитуды напряжения по активной составляющей тока статора.

Практическая значимость работы

Практическая значимость работы заключается в том, что разработанные в данной работе схемы, программы и алгоритмы могут быть использованы при изготовлении и модернизации оборудования реальных судов и кораблей. Практическая значимость подтверждается актом внедрения результатов диссертационного исследования.

Методология и методы исследования

Для исполнения выше обозначенных задач в работе применялись методы математического моделирования судовых электроэнергетических систем, методы расчета и проектирования электрических цепей, теория проектирования электрических машин, методы разработки полупроводниковых преобразователей, теория электропривода, теория автоматического регулирования и управления (ТАУ), методы моделирования СЭЭС по взаимосвязанным подсистемам, методы численного решения систем уравнений, методы гармонического анализа, эксперименты.

Для формирования математической компьютерной модели и для симуляции данных, приобретенных аналитическим методом, применялся программный комплекс МА^АВ с интегрированной средой графического моделирования Simulink.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Структура СЭЭС с применением АВН, подключенного между комплектами сборных шин распределительных щитов, позволяющая снизить потери в системе электродвижения, обеспечить высокое качество электрической энергии и синхронизацию между бортами судна.

2. Модифицированный скалярный способ управления асинхронным электродвигателем с коррекцией амплитуды напряжения по активной

составляющей тока статора, позволяющий обеспечить работу электропривода при изменении активного сопротивления ротора и статора без использования дополнительных вычислителей потокосцепления ротора, и со снижением потерь энергии в электродвигателе при уменьшении момента нагрузки ниже номинального значения.

3. Способ обеспечения синхронной параллельной работы статических полупроводниковых преобразователей частоты с LCL - фильтрами, в составе электропривода гребных электродвигателей.

Степень достоверности результатов работы:

Проведенные исследования и полученные результаты, отображенные в диссертации, обосновываются корректным применением методологии математического моделирования, имитационного моделирования, применением теории электропривода и электрических цепей, сопоставлением результатов математического моделирования с результатами натурных испытаний.

Апробация результатов работы

Основные результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на: Международной научной электроэнергетической конференции: ISEPC-2019 (г. Санкт-Петербург, 23-24 мая 2019 г.), Международной конференции российских молодых исследователей в области электротехники и электронной техники (г. Санкт-Петербург, 27-30 января 2020), Международной научной электроэнергетической конференции: ISEPC-2021 (г. Санкт-Петербург, 17-19 мая 2021 г.).

Диссертация выполнена в рамках исследований по государственному заданию Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема FSEG-2023-0012).

Публикации по теме работы

Полученные результаты диссертационного исследования опубликованы в 4 печатных изданиях, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК либо индексируемых в международной базе Scopus.

Личный вклад автора

Участие на всех этапах проведения научно-исследовательской работы: постановка целей и задач исследования; анализ научно-технической литературы по теме исследования; сбор исходных данных; проведение математического имитационного исследования; формулирование основных научных положений и выводов; написание публикаций, научных докладов и рукописи диссертации.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и содержит 6 6 рисунков, 8 таблиц, список литературы из 85 наименований и двух приложений. Общий объем диссертации 131 страница.

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПРАКТИЧЕСКИХ НАРАБОТОК В ОБЛАСТИ СУДОВЫХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ.

1.1 Общая информация о судовых электроэнергетических системах

В данной главе будет рассмотрено состояние научных исследований и практических наработок в области электроэнергетических сетей судов современного технического и вспомогательного флотов. Большинство исследователей отмечают, что главной особенностью таких сетей является автономность или локальность, то есть наличие источника энергии ограниченной мощности. В связи с этим возникает необходимость введения корректировок распределения мощностей, а также характера нагрузок на судне, по сравнению с энергетическими системами неограниченной мощности.

Локальная электрическая сеть - это сеть, в которой мощность электростанции ограничена и сопоставима с мощностью потребителей, в условии, когда отсутствуют подключения к резервным источникам электроэнергии. Потребители в таких системах оказывают существенное негативное влияние на источник электрической энергии и других потребителей, подключенных к тем же шинам распределительных щитов.

В качестве электростанции в локальных электрических системах используются: дизель-генераторные установки, различные аккумуляторы, устройства, работающие от энергии Солнца, ветрогенераторы и электрические машины в режиме рекуперации энергии.

К автономным системам энергоснабжения относятся судовые системы с электродвижением, энергетические системы, удаленные от централизованных электрических сетей (различные сырьевые месторождения).

Среднестатистическая структурная схема электроэнергетической сети судна современного флота представлена на Рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Структурная схема СЭЭС

Электроэнергетическая система судна с системой электродвижения, как правило, состоит из нескольких дизель-генераторных установок (ДГУ), для крупных судов и судов с большим потреблением энергии, минимум по одной ДГУ на каждый борт.

1.1.1 Дизель-генераторные установки

Для ДГУ существуют некоторые проблемы выбора режима работы: работа ДГУ должна быть оптимальной - нагрузка должна быть подобрана таким образом, чтобы ДГУ не была слишком загруженной или, наоборот, недогруженной [14; 65; 77]. Принято считать, что нагрузка ДГУ не должна превышать 80 % от номинальной мощности установки, так как нагрузка выше уже может наносить вред узлам и механизмам ДГУ [14; 34; 51]. Это обусловлено тем, что дизель-генератор может работать на максимальной мощности только ограниченное время [14; 65]. Следует отметить, что недогруженный режим тоже носит негативный характер, так как во-первых, это ведёт к снижению энергоэффективности системы в целом, так как в ДГУ нет регулирования по пикам мощности, во-вторых, недогруженный режим приводит к так называемому коксованию узлов ДГУ [14; 34; 51; 69].

Согласно стандарту ГОСТ Р ИСО 8528-1-2005 работа ДГУ подразделяется на три режима:

• Standby (режим ожидания) - дизель-генератор работает в качестве аварийного источника питания, наработка в год не более 200 часов на максимальной мощности;

• Prime (основной режим) - дизель-генератор работает как основной источник питания при нагрузке около 70% неограниченное время или при нагрузке около 90 %, но не более 500 часов наработки за год;

• Continuous (непрерывный режим) - дизель-генератор работает как основной источник питания при нагрузке около 70% неограниченное время [14].

На судне ДГУ, как правило, работают в основном режиме (Prime).

При выборе ДГУ в качестве судового источника питания необходимо руководствоваться следующими параметрами: в первую очередь мощностью - в случае если на судне два дизель-генератора, то есть один правого борта, а другой левого борта, то каждая из ДГУ должна иметь возможность принять на себя нагрузку другого борта; второй не менее важный параметр - режимы нагрузки, мощность и режимы нагрузки взаимосвязанные параметры, так как в зависимости от хода судна, количества подключенных потребителей и характера нагрузки (в большинстве случаев нагрузка на судне носит активно-индуктивный характер, так как основными потребителями являются электрические двигатели) мощность снимаемая с ДГУ является разной [64]. В связи с этим, и исходя из вышесказанного, на судне используются два варианта мощности: основная мощность PRP (prime power) и резервная мощность LTP (limited time power) [17; 33].

Немаловажным фактором выбора ДГУ являются параметры энергетической сети: напряжение, частота [33; 46; 85]. При выборе напряжения следует учитывать, что более низкий уровень напряжения позволяет уменьшить размеры коммутационного оборудования, и как следствие размеры распределительных щитов, но в то же время требует выбора кабелей большего сечения,

что осложняет прокладку и разделку, в условиях ограниченного пространства судна, а также увеличивает сложность ввода кабелей в распределительные щиты [33].

Также стоит отметить, что при выборе конкретного типа ДГУ судостроители и проектанты обращают своё внимание на массо-габаритные показатели оборудования. Например, к сожалению, изделия отечественных производителей сильно уступают в этом плане зарубежным аналогам [78].

Проблемам ДГУ посвящены работы следующих авторов Д.И. Оташехова, И.С. Полякова, М. Абдулкадера, Л.Дж.Махона.

1.1.2 Распределительные щиты

Энергия от источника поступает в распределительные щиты, для дальнейшего распределения между потребителями. Расчет и изготовление распределительных щитов регламентируется ГОСТ Р 51321.1-2007 «Устройства комплектные низковольтные распределения и управления» и 7 изданием ПУЭ.

При разработке распределительных щитов возникают следующие проблемы и вопросы: учет селективности при выборе автоматических выключателей, выбор токоведущих шин по номинальному проводимому току и току электродинамической стойкости [17; 66].

Кроме чисто электротехнических задач при разработке распределительных устройств необходимо решать также конструкторские задачи: размещение оборудование в корпусе с наименьшими габаритами, реализация мероприятий по охлаждению оборудования в распределительных щитах, расчеты вибростойкости и ударопрочности изделий [12; 23; 32; 45; 73].

Проблематике разработки и проектирования распределительных электрощитов посвящены работы таких авторов как: А.В. Бычков, М.И. Киреев, А.И. Коварский, Н.А. Акимова, Н.Ф. Котеленец, Н.И. Сентюрихин.

1.1.3 Преобразователь частоты (ПЧ)

Ввиду того, что ПЧ представляет собой нелинейную нагрузку [13; 15; 33], а следовательно является источником нелинейных искажений, для использования таких преобразователей, особенно в рамках локальных сетей, то есть на судах, возникает необходимость расчёта и внедрения фильтр-компенсирующих устройств [1; 17; 25; 33; 76].

Исследованию принципов работы, повышению энергоэффективности, разработкам алгоритмов управления статических полупроводниковых преобразователей посвящена масса научно-исследовательских и инженерно-изыскательных работ. Исследованием алгоритмов управления ПЧ в своих работах занимались такие отечественные ученые как Браславский И. Я., Бурков А.Т., Быков Ю.М., Волков В.Н, Сандлер А.С., Чили-кин М.Г., Сандлер А.С., Сарбатов Р.С., среди иностранных исследователей можно выделить Дипаян Гуха, Джона Зерилли, Чжао Хуна, Схемотехнические вопросы ПЧ были освящены в работах В.Ф. Дмитрикова, Чиженко И.М., Сенько В.И., Руденко B.C., В.Е. Тонкаля.

В настоящее время существует множество топологий схем преобразовательной техники. Преобразователи подразделяются по управлению на управляемые, неуправляемые, полууправляемые; по способу управления электродвигателем на векторное, вольт-частотное; по функциям на преобразователи частоты, конверторы рода тока и т.д. см. работы [15; 16; 57; 68].

Разработка и производство судовых ПЧ, особенно для ГЭД, является нетривиальной задачей на стыке науки и техники, так как к таким устройствам предъявляются повышенные требования к качеству выдаваемой и потребляемой электрической энергии. Согласно Российскому морскому регистру судоходства коэффициент нелинейных искажений напряжения (Total Harmonie Distorsions) в корабельной энергетической системе не должен превышать 10% в длительном (более 1 ч.) режиме работы для электрических цепей систем пропульсии, не подключенных к шинам главных распределительных щитов,

предназначенным для питания общесудовых потребителей. Величина коэффициента нелинейных искажений напряжения находится по формуле:

где ир,к - среднеквадратичное значение напряжения подгруппы k - ой гармоники;

k - порядок гармоники.

где Ц - среднеквадратичное значение напряжения к-ой гармоники;

- среднеквадратичное значение спектральной составляющей, непосредственно прилегающей к к-ой гармонике; И - порядок спектральной составляющей.

Колебания напряжения не должны выходить за пределы диапазона +6..-10 % от номинального, в длительном режиме работы, и +20..-20 % от номинального напряжения, краткосрочно (не более 1,5 с).

В связи с вышесказанным, преобразователи частоты, работающие на судне должны обеспечивать эти довольно жёсткие требования, но в то же время быть надежными, экономичными и, желательно, обладать небольшими массо -габаритными показателями.

1.1.4 Гребной электродвигатель (ГЭД)

На современных судах используются как двигатели переменного тока, так и машины, работающие на постоянном токе. При выборе рода тока, питающего двигатель, необходимо в-первую очередь исходить из функционала и назначения судна. Например, электродвигатели постоянного тока чаще всего применяются на судах, с высокими требованиями к шумовым характеристикам, таких как рыбопромышленные суда и субмарины. Помимо этого, электродвигатели, работающие на постоянном токе, имеют ряд преимуществ: обладают лучшей маневровыми характеристиками в сравнении с электродвигателями

(1.1)

(1.2)

переменного тока. Но, несмотря на это, от машин постоянного тока (МПТ) стараются отказаться, заменяя их на двигатели с постоянными магнитами и синхронные машины.

В то же время, наиболее распространены в судовых системах именно двигатели переменного тока - это связано с тем, что машины переменного тока более экономичны, надёжны, а также обладают более простой конструкцией и меньшими массой и габаритами, по сравнению с МПТ.

При выборе конкретного типа ГЭД следует руководствоваться следующими параметрами:

1. Требуемый функционал судна;

2. Требуемые ходовые характеристики судна (зависят от нагрузки судна, условий эксплуатации, количества валолиний);

3. Типа подшипников, использующихся в ГЭД (качения или скольжения);

4. Исходя из требуемых ходовых характеристик - требуемой мощностью и требуемого момента на валу ГЭД;

5. Исходя из типа подшипников - системой смазки и маслоподготовки подшипников.

В рамках данной работы алгоритм выбора ГЭД рассматриваться не будет, так как в данной задаче нет особой научной ценности. За объект исследований будет взят судовой электропривод основанный на асинхронных двигателях, управляемых с помощью полупроводниковых преобразователей частоты, построенных по двухзвенной схеме транзисторного мостового выпрямителя, так называемого активного выпрямителя с промежуточным звеном постоянного тока и автономным инвертором напряжения.

Теория электрических машин является наиболее исследованной, но в то же время одной из сложнейших разделов электротехники. Исследование конструкции и управления электрическими машинами рассматривается в большом количестве работ, как отечественных, так и зарубежных авторов. Свои работы, асинхронным двигателям и управлению ими, посвятили такие исследователи и

авторы как Герман - Галкин С.Г., Кацман М.М., Усольцев А.А., Яковлев Г.С., Адкинс Б.

1.2 Синхронизация составных частей судовых электроэнергетических систем

Как уже было сказано выше СЭЭС делится на составные части, так называемые борта. В большинстве случаев деление происходит на правый и левый борт, с добавлением секции перемычки в ГРЩ или ГРУ, но в некоторых случаях к делению на правый и левый борт добавляется центральная часть, в ГРЩ или ГРУ добавляются дополнительные секции перемычек, а судно, соответственно, состоит из трёх частей. Деление зависит от количества ГЭД на судне, а также от их мощности.

Процедура деления судна на борта позволяет изолировать друг от друга части энергосистемы, что увеличивает надёжность системы, а также облегчает управление судном.

Надёжность системы электроснабжения очень важна для судна, так как при отказе сразу всей СЭЭС возникнет реальная угроза жизни и здоровью экипажа судна, а также оборудованию, узлам и механизмам судовых систем. Кроме того следует отметить, что любые неполадки в системе электродвижения, ведущие к останову ГЭД несут за собой крупные материальные и трудовые издержки, что в условиях рыночной экономики ведёт к фатальным для компании последствиям.

Для повышения надёжности как раз и предусмотрено резервирование судовых систем, путём деления на составные части. Таким образом при поломке системы электродвижения одного из бортов, нагрузку кратковременно может принять другой борт, при условии снижения нагрузки обоих ГЭД. В крайнем случае судно сможет дойти до дока или судоремонтного завода на оборудовании одного борта.

Вопросам разработки, проектирования систем электроснабжения, в том числе резервирования, посвящены работы следующих авторов:

В. Я. Хорольского, М.А. Таранова, Е. А. Извекова, В. В. Картавцева, И.В. Ла-комова, В.П. Шеховцева.

На Рисунке 1.2 приведена принципиальная схема СЭЭС с делением по бортам. Как видно из этой схемы за образец принято судно с делением на правый и левый борт. На судне установлено четыре главных ДГУ (01-04) и один стояночный дизель-генератор (05).

На каждый борт приходится по две главных ДГУ: 01, 02 на правый борт и 03, 04 на левый борт. Между бортами выполнена перемычка в ГРУ. На схеме изображены ГРУ1 и ГРУ2, на самом деле это единое изделие и такие обозначения введены для облегчения восприятия. Щит ГРУ1 выполняет функции распределения электроэнергии и управления правого борта, а ГРУ2, соответственно, - левого.

Рисунок 1.2 - Принципиальная схема СЭЭС Таким образом, можно выделить следующую проблему: - необходимость резервирования составных частей ЕЭЭС; При этом мероприятия по осуществлению резервирования ставят перед проектировщиком СЭЭС сложные теоретические и трудно разрешимые на

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Чуркин Андрей Анатольевич, 2023 год

/ \ Jf

\ J J

Willi яШ / WllllU nilUlf /

\Ч Г/ уЧ г/

/ \ /

У V У

t, с

0.0 05 0.01 0.( 315 0.( 32 0.( 325 0.03 0.( 335 0.(

/IПИМ, Гц 2000 Гц

Номер гармоники Vab Ia

1 461,3 210,2

3 0,4 0,32

5 1,6 0,24

7 1,2 0,39

9 1,8 0,21

11 0,9 0,13

13 0,6 0,08

15 1,3 0,03

17 4,8 0,4

19 2,7 0,1

ктно 4,3 % 8,4 %

2.6.3 Система ЕЭЭС с СЭД с ПЧ, подключенным между бортами судна

Вариант схемы синхронизации и выравнивания напряжения между бортами, представляющий наибольший интерес в моём исследовании, основывается на использовании активного выпрямителя напряжения (АВН).

Данное решение представляет собой усовершенствованный вариант компании Wartsila, где вместо трансформатора, между комплектами шин бортов, подключены АВН. Реализация этого метода может быть различной: АВН может быть установлен на судне как отдельно стоящее изделие, так и как одна из секций ГРЩ или ГРУ. Установку АВН в перемычку между бортами можно представить как вставку постоянного тока, или, в некоторых других источниках, вставку выпрямленного тока.

В случае необходимости, перемычка замыкается и АВН одного борта работает в качестве выпрямителя, а АВН другого борта в качестве автономного инвертора напряжения - это достигается за счёт специальной структуры АВН, позволяющей проводить потоки мощности как в одну, так и в другую сторону.

Структура АВН выполнена по мостовой схеме, на основе транзисторных модулей с низкими динамическими потерями и высоким быстродействием. Частота ШИМ для полупроводниковых ключей, использующихся в АВН, находится в диапазоне 3,5 - 5 кГц. Выбор данного диапазона сделан исходя из соображений оптимизации потерь в ключах, а также массо -габаритных показателей АВН.

Данное решение позволяет отказаться от тяжелых и габаритных моточных изделий, что позволяет сэкономить полезное на судне пространство, а также улучшить качество передаваемой энергии.

Рисунок 2.29 - Структурная схема синхронизации бортов через АВН, включенные между комплектами шин ГРЩ

Внедрение АВН позволяет снизить искажения сети, выравнять напряжения между бортами, снизить стоимость комплекта оборудования, а также снизить массу и габариты электрооборудования.

Из негативных факторов можно выделить необходимость обеспечения ЭМС с сетью судна, необходимость управления АВН, достаточно сложные и трудоемкие расчеты при проектировании АВН.

Схема модели такой системы показана на Рисунке 2.30, результаты моделирования представлены в Таблице 2.4. С осциллограммами, полученными в результате моделирования, можно ознакомиться на Рисунке 2.31.

Рисунок 2.30 - Схема модели ЕЭЭС с СЭД с ПЧ между бортами судна в МаНаЬ

81шиНпк

Stater current

Рисунок 2.31 - Осциллограммы напряжения в ЕЭЭС с СЭД с ПЧ между

бортами судна в МаНаЬ 81шиНпк

Рисунок 2.32 - Осциллограммы тока и напряжения в ЕЭЭС с СЭД с трансформатором между бортами судна в МаНаЬ 81шиНпк

/шим , Гц 2000 Гц

Номер гармоники уав 1а

1 461,3 210,2

3 0,4 0,32

5 1,6 0,24

7 1,2 0,39

9 1,6 0,21

11 0,9 0,13

13 0,6 0,08

15 1,3 0,03

17 4,3 0,4

19 2,2 0,1

ктш 2,2 % 4,7 %

2.7 Выводы к главе 2

В данной главе разработана схема судовой электроэнергетической системы, обеспечивающая повышение надежности работы, снижение потерь в судовом энергетическом комплексе.

Разработан адаптивный алгоритм управления электроприводом, основывающийся на изменении амплитуды напряжения, в зависимости от величины активной составляющей тока статора.

На основе базовых блоков среды Matlab Simulink созданы математические и компьютерные модели различных топологических схем СЭЭС, адаптированные к судну ледового класса

Выполнен анализ режимов работы СЭЭС при выполнении по разным топологическим схемам, а также в режимах различной загруженности электрических машин.

3.1 Измерительное оборудование, методика и объекты испытаний

Для испытания преобразовательной техники, применяемой в судовом электроприводе, проводят следующие виды испытаний:

- измерение напряжений;

- измерение токов;

- измерение мощности;

- измерение коэффициента мощности;

- измерение коэффициента нелинейных искажений (по напряжению и току);

- измерение КПД;

В силу того, что все испытания проводились одним прибором, то алгоритм проведения всех испытаний является идентичным. Измерение КПД не является фактическим измерением физических величин, а производится методом расчета всех потерь энергии, и соотнесением общих значений полученных потерь, со значением входящей в преобразователь частоты, энергии.

Испытания проводятся в различных режимах нагрузки оборудования. Измерения производятся на входных зажимах преобразователя частоты, после входных фильтров (в случае 12-ти пульсного выпрямителя, измерения проводятся до трансформатора), а также на шинах ГРЩ.

Колебаниями в питающей сети можно пренебречь, в силу относительно небольшого значения, по сравнению с мощностью нагрузки.

Измерения проводят с помощью следующего оборудования:

- анализатор качества электрической энергии;

В качестве источника электрической энергии использовалась судовая сеть напряжением 690 В, частотой 50 Гц.

В качестве анализатора качества электрической энергии использовался трёхканальный анализатор спектра Fluke 435 поколения II. Нормированная погрешность прибора равна ±0,1% от номинального значения напряжения. Погрешность при измерении тока ±0,5%. Погрешность при измерении мощности ±1%. Погрешность при измерении коэффициента мощности ±0,1%. Погрешность при измерении гармонического состава по току ±2,5%, по напряжению ±2,5%, по мощности ±5%.

Рисунок 3.1 - Анализатор электрической энергии Fluke

Схема испытательного стенда представлена на Рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 - Схема испытательного стенда 3.2 Испытания преобразователя частоты, выполненного по 12-ти пульсной схеме

В ходе испытаний были проведены измерения в следующих режимах работы Единой электроэнергетической системы судна:

- при работе без нагрузки ГДГ3;

- работа при нагрузке 25% ГДГ3;

- работа при нагрузке 50% ГДГ3;

- работа при нагрузке 75% ГДГ3;

- работа при нагрузке 25% ГДГ1 и ГДГ2;

- работа при нагрузке 50% ГДГ1 и ГДГ2;

- работа при нагрузке 25% ГДГ1, ГДГ2, ГДГ3;

- работа при нагрузке 50% ГДГ1, ГДГ2, ГДГ3;

- переходные режимы сброс-наброс нагрузки.

МОЩНОСТЬ И ЭНЕРГИЯ

Pumi Ф 0:00:20 Q -СЕ

R В С |

kU 10.33 9.96 10.82 31.11 1

R В С

kUfl 11.45 10.97 11.75 34.18

R В С

kvar i 1.70 i 0.92 i 1.07 i 3.69

R В С

PF 0.90 0.91 0.92 0.91 Л

08:56:09 398U 50Hz3.0 IT EH50160

UP I TREND EUEHTS STOP

DOMH ~ 1 0 1 START

Рисунок 3.5 - Коэффициент нелинейных искажений по току (ТН0(1)) (в этот момент, предположительно включались подруливающие устройства)

3.2.2 Режим при работе одного ГДГ (ГДГ1) при нагрузке 25%

Во втором опыте, измерения проводились при одном включенном на шины генераторе, при нагрузке на генератор 25% от номинальной мощности. На Рисунке 3.6 приведены гармонические составы тока и напряжения.

а

1 ЖЖ1*Ж*ЖЖЖ®Ж*Ж1«*«*Ж«Ж*Ж*1ЖЖЖЖЖЖЖЖ*1*ЖЖЖ*Ж*ЖЖЖ*1»Ж

б

•

О 1 2 3 4 5 6 7 В 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 ЗЭ 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50

Рисунок 3.6 - Коэффициенты нелинейных искажений по напряжению (а) и току (б) для режима при работе одного

ГДГ, нагруженного на 25 %

Функция

Активная мощность

Полная мощность

Реактивная мощность

Коэффициент мощности

Мощность гармоник

Мощность несимм,

Ет Осн.

ВА Осн.

Cosfhi)

Vrms pli-pli

Arma

Активная энергия Полная энергия Реактивная энергия Бт ч вперед Ет ч назад

Vrms ph-ph

Напряжение осн.частоты Токосн, частоты Phi напряжения Phi тока Arms

ThD напряжения ThD тока К-фактор А THD мощности К-фактор W Частота

AN(V)/A(A)Min AN{V)/A(A)Avg AN{V) / А(А) Max BN(V) / Б(А) Min BN{V) / B(A) Avg BN(V) / B(A) Max CN(V) / C(A) Min CN(V) / C(A) Avg CN(V) / C(A) Max

22,8 kvar 24,4 kvar 25,6 kvar 22 kvar

23,6 kvar 25 kvar

23,2 kvar 24,8 kvar

26 kvar

145,8 kW 149,6 km 152,6 km 145,6 km 149,2 km 152,2 km 145 km 148,8 km 152 km

147,6 kVA 151,6 kVA 154,6 kVA 147,2 kVA 151 kVA 154,2 kVA 147 kVA 150,8 kVA 154 kVA

0,99 0,99 0,99 0,99 0,99 0,99 0,99 0,99 0,99

398,04 V 398,36 V 398,68 V 398,1V 398,36 V 398,58 V 398,2 V 398,42 V 398,86 V

644,7 А 662,4 A 675,8 A 643,4 A 660,2 A 673,8 A 641,9 A 6 59, ЗА 672,9 A

398,06 V 398,32 V 398,56 V 398,08 V 398,3 V 398,56 V 398,2 V 398,42 V 398,54 V

229,5 V 229,7 V 229,8 V 229,5 V 229,6 V 229,7 V 229,5 V 229,7 V 229,8 V

666,6 A 673,6 A 680,4 A 665,8 A 672,8 A 679,6 A 664 A 670,6 A 677,4 A

Ce Oe Oe -120,02 e -120 e -119,94 e -240 e -239,98 e -239,94 e

-9,06 e -8,64 e -8,18 e -128,86 e -128,42 e -127,98 e -249,38 e -248,92 e -248,46 e

669,2 A 675,9 A 682,9 A 668,3 A 675,2 A 681,9 A 666,1 A 672,8 A 679,6 A

5,15 % 5,2 % 5,23 % 5,14 % 5,2 % 5,23 % 5,08 % 5,13 % 5,16 %

8,33 % 8,4 % 8,47 % 8,37 % 8,44 % 8,52 % 8,32 % 8,37 % 8,44 %

1,99 2 2,02 2,01 2,02 2,03 2 2,01 2,03

0,29 % 0,3 % 0,3 % 0,29 % 0,29 % 0,29 % 0,29 % 0,29 % 0,3 %

0,78 0,79 0,79 0,78 0,78 0,79 0,78 0,78 0,79

49,998 Hz 50,022 Нг 50,039 Hz

Рисунок 3.7 - Данные измерений при работе одного ГДГ с нагрузкой 25%

3.2.3 Режим при работе одного ГДГ (ГДГ3) с нагрузкой 50%

В третьем опыте, измерения проводились при одном включенном на шины генераторе, при нагрузке на генератор 50% от номинальной мощности. На Рисунке 3.8 приведены данные распределения мощности по фазам генератора.

МОЦНОСТЬ И ЭНЕРГИЯ

Puhi ф 0:00:29 [mi-ce

R В с в

kll 170.69 171.31 1GG.21 508.20 1

R В с

kUR 172.53 173.40 168.17 514.15

R В с

kvar t 12.37 t 17.52 i 16.17 t 46.05

R В С

PF 0.99 0.99 0.99 0.99 Li

09:38:20 390u 50Hz зя it eh501g0

up I trehd euehts stop

douh ~ 1 0 1 start

3.2.4 Режим при работе одного ГДГ (ГДГ1) при нагрузке 75%

В четвертом опыте, измерения проводились при одном включенном на шины генераторе, при нагрузке на генератор 75% от номинальной мощности. На Рисунке 3.11 приведены гармонические составы напряжения (а) и тока (б).

: * а

1

*********^*®**********************************1 1 ^

б

*********®*'*********

****************************

■■з-

5 10 11 12 13 н 15

17 -5 23 ;- 22 23 24 25

27 25 25 31 3" 32 33 34 35 35 37 35 35 40 4" 42 43 44

-

Рисунок 3.11 - Осциллограммы нелинейных искажений для напряжения (а) и тока (б) при нагрузке 75% на ГДГ1

Функция AN(V)/A(A)Min AN(V)/A(A) Avg AN(V) / A(A) Max BN(V)/B(A) Min EN(V) / B(A) Avg BN(V)/B(A) Max CN(V)/C(A)Min CN(V) / C(A) Avg CN(V)/C(A) Max

Vrms ph-ph 397,62 V 397,94 V 398,2 V 397,52 V 397,76 V 398,02 V 397,62 V 397,92 V 398,2 V

Напряжение осн. частоты 228,6 V 228,7 V 228,8 V 228,4 V 228,6 V 228,8 V 228,5 V 228,6 V 228,7 V

Ток осн. частоты 1,599 LA lr616kA 1,629 kA 1,602 kA 1,618 kA 1,631 kA 1591,8 A 1609,4 A 1623,6 A

Phi напряжения De Oe Oe -120,06 e -120,02e -119,9fle -240,04e -239,98 e -239,92e

Phi тока Arte -8,54 e -8,321 -128,56e -128,36 £ -128, le -249,18 £ -248,96 e -248,7e

Arms 1,602 kA lr6U8kA 1,632 kA 1,604 kA 1,621 kA 1,633 kA 1,595 kA 1,612 kA 1,626 kA

ThD напряжения 8r96 % 9,03 % 9,07 % 9 % 9,08 % 9,12 % 8,9 % 8,99 % 9,03 %

THDтока 5,53 % 5,59 % 5,64 % 5,54 % 5,6 % 5,65 % 5,48 % 5,56 % 5,61 %

К-фактор А 1,45 1,46 1,46 1,46 1,46 1,47 1,46 1,46 1,47

THD мощности 0,26 % 0,27 % 0,27 % 0,25 % 0,26 % 0,26 % 0,26 % 0,26 % 0,27 %

К-фактор W 0,76 0,76 0,77 0,75 0,76 0,76 0,75 0,76 0,77

Частота 50,007 Hi 50,018 H: 50,028 Hi

Рисунок 3.12 - Таблица с данными для режима нагрузки 75% на ГДГ1

145,8 kW 149,5 № 152,6 kW 145,6 kW 149,2kW 152,2 kW 145 kW 148,8 kW 152 kW

147гб kVA 151,6 kVA 154,6 kVA 147,2 kVA 151kVA 154,2 kVA 147 kVA 150,8 kVA 154 kVA

0,99 0r99 0,99 0,99 0,99 0,99 0,99 0,99 0,99

393,04 V 398,36 V 398,68 V 398,1V 398,36 V 398,58 V 398,2 V 398,42 V 398,86 V

644,7А 662,4 A 675,8 A 643,4 A 660,2 A 673,8 A 641,9 A 659,3 A 672,9 A

В пятом опыте, измерения проводились при двух включенных на шины генераторах, при нагрузке на генераторы 25% от номинальной мощности. На Рисунке 3.13 приведены сводные данные для режима 25% загрузки двух генераторов.

Вт Осн. ВА Осн, Cos (phi) Vrms ph-ph Arms Vrms ph-ph

Напряжение осн. частоты Ток.осн, частоты Phi напряжения Phi тока Arms

ThlD напряжения ThD тока К-фактор А THD мощности К-фактор W Частота

Рисунок 3.13 - Данные измерений при работе двух ГДГ, нагруженных на 25 % (данные по мощности).

398,96 V 399,12 V 399,22 V 398,8 V 398,96 V 399,08 V 398,88 V 399,08 V 399,2 V

230 V 230,1V 230,2 V 229,9 V 230 V 230,1V 229,9 V 230 V 230,1V

649,4 A 654A 658,4 A 651,4 A 656 A 660,6 A 646,2 A 650,4 A 655 A

Oe Oe Oe -120,02e -120,02e -120,02e -240,02e -240 e -239,98 e

-12,3 e -11,92 e -ll,74e -132,42e -132,04 e -131,84 e -252,96 e -252,58 e -252,36 e

652 A 656,4 A 660,7 A 654A 658,6 A 663,4 A 648,7 A 652,8 A 657,4 A

5,3 % 5,32 % 5,34 % 5,33 % 5,35 % 5,37 % 5,24 % 5,26 % 5,27 %

8,73 % 8,77 % 8,85 % 8,8 % 8,87 % 8,94 % 8,77 % 8,83 % 8,91 %

2,1 2,1 2,12 2,13 2,13 2,12 2,12 2,13

0,33 % 0,33 % 0,33 % 0,32 % 0,33 % 0,33 % 0,33 % 0,33 % 0,34 %

0,76 0,76 0,76 0,76 0,76 0,76 0,75 0,76 0,76

50,046 Hz 50,054 Hz 50,065 Hz

а

■5 £ 1 ' 1 * 1

I Ь 1 г»*****®*1 11*****1 г ^ 1***Ж»Ж*Ж*Ж*Ж*ЖЖ1 ъ ^ * 1 [ * Ж ж ж » ж * ж

; б

1 ■ ■ ■

* -1 3 4 5 5 7 Е. ? 10 11 12 13 Н 15 16 17 18 19 23 21 22 23 24 25 И 27 28 29 33 31 32 33 34 35 36 37 38 39 « 41 42 43 44 45 4? 47 4В 4э 53

Рисунок 3.14 - Осциллограммы нелинейных искажений для напряжения (а) и тока (б) при работе двух ГДГ , нагруженных на 25%

3.2.6 Режим при работе двух ГДГ (ГДГ1 и ГДГ2) при нагрузке 50%

В шестом опыте, измерения проводились при двух включенных на шины генераторах, при нагрузке на генераторы 50% от номинальной мощности. На Рисунке 3.15 приведены данные по качеству напряжения питающей сети. Коэффициент нелинейных искажений по напряжению, в данном режиме, равен 6,5.

Рисунок 3.16 - Коэффициент нелинейных искажений по току (ТИЭ(1))

3.2.7 Режим при работе трёх ГДГ (ГДГ1, ГДГ2, ГДГ3) при нагрузке 25%

В седьмом опыте, измерения проводились при трёх включенных на шины генераторах, при нагрузке на генераторы 25% от номинальной мощности. На Рисунке 3.17 приведены данные распределения мощности по фазам генераторов.

ПОЦНОСТЬ И ЭНЕРГИЯ

PUNI Ф 0:00:03 Е~"Ь

R В С в

kU 128.18 127.GG 127.05 382.89 1

R В с

kUR 131.22 130.72 130.19 392.12

R В С

kvar i 2G.88 i 2G.93 i 27.27 i 81.08

R В С

PF 0.98 0.98 0.98 0.98 L J

15:51:17 390U 50Hz 3.0 IT EN501G0

UP ■ TREND EUENTS STOP

DOUH " ■ 0 1 START

Vrms ph-ph т 399,1V 399,24 V 398,96 V 399,12 V 399,24 V 399,04 V 399,16 V 399,28 V

Напряжение осн.частоты Z30r1V 230,1V 230,2 V 230 V 230,1V 230,2 V 230,1V 230,1V 230,2 V

Ток осн, частоты 543гб А 549,4 А 555,8 А 541,4А 547,4 А 554 А 538,4А 544,2 А 551А

Phi напряжения Ос Ос Ое ■120 е ■120 е -119,98 е ■240 е ■240 е ■239,98 е

Phi тока -13,22 е -12,62 е -11,94 е -133,4 Е -132,8 £ -132,2 £ -253,62 е -253 с -252,38 е

Arms 545,9 А 551,7А 553,2 А 544,1 А 549,8 А 556,2 А 540,7А 546,4 А 553,1 А

ThD напряжения 4,8 % 4,82 % 4,84 % 4,77% 4,79 % 4,82 % 4,73 % 4,75 % 4,78 %

THD тока 9,24 % 9,32 % 9,4% 9,28 % 9,36 % 9,44 % 9,23 % 9,32 % 9,4%

К-фактор А 2,27 2,28 2,28 2,29 2,3 2,3 2,28 2,29 2,29

ThD мощности 0,32 % 0,33 % 0,33 % 0,32% 0,33% 0,33 % 0,32 % 0,33 % 0,33%

К-фактор W 0,78 0,78 0,79 0,78 0,78 0,79 0,78 0,78 0,79

Частота 50,047 Нг 50,051 hi 50,054 hi

Рисунок 3.18 - Данные измерений при работе трёх ГДГ, нагруженных на 25 %

Рисунок 3.19 - Осциллограммы коэффициентов нелинейных искажений напряжения при работе трёх ГДГ (ГДГ1,

Рисунок 3.20 - Осциллограммы коэффициентов нелинейных искажений тока при работе трёх ГДГ (ГДГ 1, ГДГ2,

3.2.8 Режим при работе трёх ГДГ (ГДГ1, ГДГ2, ГДГ3) при нагрузке 50%

В восьмом опыте, измерения проводились при трёх включенных на шины генераторах, при нагрузке на генераторы 50% от номинальной мощности. На Рисунке 3.21 приведены данные распределения мощности по фазам генераторов.

ПОЩНОСТЬ U ЭНЕРГИЯ

PuNI Ф 0:00:06

R В С в

kU 247.67 247.9G 24G.17 741.80 1

R В с

kUR 251.89 252.13 250.74 754.76

R В С

kvar i 42.53 i 42.23 i 44.G9 i 129.44

R В С

PF 0.98 0.98 0.98 0.98 L J

16:24:29 398U 50Hz3B IT EN50160

UP ■ TREND EUEHTS STOP

ооын " ■ 0 1 START

Рисунок 3.22 - Осциллограммы коэффициентов нелинейных искажений напряжения при работе трёх ГДГ (ГДГ1,

Рисунок 3.23 - Осциллограммы коэффициентов нелинейных искажений тока при работе трёх ГДГ (ГДГ1, ГДГ2,

3.2.9 Работа при отключении нагрузки (ПЧ)

На Рисунках 3.24 и 3.25 приведены осциллограммы мощности при отключении нагрузки. Данный рисунок позволяет увидеть переходные процессы при отключении преобразователя частоты от шин ГРЩ.

\

\

шЗмО ' ' ' "ЯХЯ --;!7й» —.П-П "": Е 7: ":5Т:в ' ' ' ' ■■:55:-33 ""

КРИВАЯ МОЩНОСТИ Fpgq

ГЙЯ 50.0Hz 1 AUG 50.0Hz 1™" 50.0Hz

54.0 PUNI И 1 Ф 0:01:06 mn

j Л л

Г 49.0 V GQs г*т 5ps w i l- i i ( Цз 2ps

11:57:33 398U 50Hz ЗЯ IT EH501G0

UP DOUH CURSOR & ZOOM METER UiiUi: STOP 1 START

Рисунок 3.26 - Изменение напряжения и тока в фазе А при отключении нагрузки

В ходе проведенных измерений были получены следующие результаты, представленные в Таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Результаты осциллографирования СЭД с 12-пульсным ПЧ

Режим работы ТИБ (и), % ТИБ (I), %

Без нагрузки 1,2 53,1

1 ГДГ, нагрузка 25 % 5,2 8,4

1 ГДГ, нагрузка 50 % 6,6 9,5

1 ГДГ, нагрузка 75 % 9,1 5,6

2 ГДГ, нагрузка 25 % 5,2 8,7

2 ГДГ, нагрузка 50 % 6,5 10

3 ГДГ, нагрузка 25 % 4,8 9,2

3 ГДГ, нагрузка 50 % 7,3 7,1

Коэффициент нелинейных искажений кривых тока для режима без нагрузки составляет 53,1 % - это обусловлено включением, в момент измерений, подруливающих устройств.

Как видно из представленных выше результатов измерений, коэффициенты нелинейных искажений кривых напряжений в некоторых режимах превышают, допустимую Российским морским регистром судоходства (РМРС), величину в 8%. Коэффициент искажений кривой тока РМРС не регламентируется. В конечном счёте можно сделать вывод, что оборудование системы электродвижения судна не создает недопустимых искажений и показатели несинусоидальности не превышают регламентированных РМРС значений.

3.3 Испытания преобразователя частоты, выполненного по схеме активного выпрямителя напряжения

Испытания ПЧ, выполненного по схеме АВН, к сожалению, не могут похвастаться таким широким спектром режимов испытаний, как ПЧ реализованного по 12-ти пульсной схеме. В ходе осциллографирования были сняты показания в режиме при работе двух ГДГ, с нагрузкой 50%.

Рисунок 3.27 - Коэффициент нелинейных искажений напряжения

Мощность и энергия

FUHD Ф 0:00:01 <3? ES E ZD"

LI L3 Total

kU kUR kURR PF -E4S7 E508 i EG1.G -0.99

L05U R rms ED45 El 00 El 35

L12 L31

J U rms Б95.28 14:30:22 691 .SE 69E.GE G93U 50Hz ЗЯDELTA EH50160 1

PREU BACK HEXT PRINT ____

3.4 Выводы к главе 3

В рамках данной главы приведены результаты натурных испытаний судов с классической системой электродвижения и системой на основе АВН. Результаты натурных испытаний сходятся с теорией и общей концепцией диссертационного исследования.

Выполнены экспериментальные исследования работы электрических приводов в составе СЭЭС, при разных топологиях схем и различной загруженности электрических машин.

Проведено сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Испытания и осциллографирование судна с классической системой электродвижения проводились в разных режимах загрузки судна, во всех режимах показатели коэффициента нелинейных искажений находится в пределах допустимых значений.

Испытания системы на основе АВН были проведены только при нагрузке 50%. Это связано с ограниченными возможностями проведения испытаний на заказе.

4.1 Расчет погрешности измерений

В рамках данного диссертационного исследования были проведено моделирование различных топологий СЭЭС: классическая система (с 12-ти пульс-ным выпрямителем); система с трансформатором, подключенным между сборными шинами бортов; система с подключенным между сборными шинами бортов двухзвенным ПЧ, на основе активного выпрямителя.

Также были проведены натурные испытания классической системы (с 12-ти пульсным выпрямителем) и системы на основе двухзвенного ПЧ на основе АВН.

Проведем анализ и сравнение полученных результатов.

Внесём данные полученные по результатам моделирования в Таблицу 4.1.

Таблица 4.1 Результаты моделирования в Matlab Simulink

Параметр Топология системы СЭЭС

12-ти пульсный ПЧ трансформатор между шинами ПЧ между шинами

THD(I), % 9,6 8,4 4,7

THD(U), % 6,5 4,3 2,2

cos9 0,89 0,93 0,98

Как видно из таблицы лучшими показателями качества кривой напряжения обладает электрический привод на основе АВН.

Для анализа экспериментальных данных, полученных при испытаниях ЕЭЭС реальных судов, необходимо уточнить условия проведения испытаний, высчитать погрешность измерений и занести полученные результаты в таблицу.

Как уже было сказано выше в качестве измерительного пробора использовался анализатор качества электрической энергии - трёхканальный анализатор спектра Fluke 435 поколения II. Нормированная погрешность прибора равна

Для увеличения точности результатов испытаний, в каждом режиме измерение проводилось неоднократно. Высчитаем среднее значение для каждого измеряемого параметра. Для этого сложим значения всех измерений и разделим на их количество.

Для опыта с нагрузкой 25% значения измеряемых параметров составляют:

398,06+398,32+398,56+398,08+398,3+398,56+398,42 + 398,54 3186,84 _ , .

1ср =-=-= 398,36 А

ср 8 8

229,5 + 229,7+229,8+229,5+229,6+229,7+229,5 + 229,7 1837 _

^г, =-=-= 229,63 В

ср 8 8

5,15+5,2+5,23+5,14+5,2+5,08+5,13+5,16 41,29

THD(1) =-=-= 5,16

88

8,33+8,4+8,47+8,37+8,44+8,32+8,37+8,44 67,14

1HD(U)-----8,39

88

Высчитаем абсолютную погрешность измерений, для этого из среднего значения вычтем каждое из значений, полученных в ходе испытаний, и сложим полученные погрешности между собой.

а!=

(398,36 - 398,06) + (398,36 - 398,32) + (398,36 - 398,56) + (398,36 - 398,08) + (398,36 - 398,3) + (398,36 - 398,56) + (398,36 - 398,42) + (398,36 - 398,54)

= 0,3 + 0,04 - 0,2 + 0,28 + 0,06 - 0,2 - 0,06 - 0,18 = |0,04|

ап= (229,63 - 229,5) + (229,63 - 229,7) + (229,63 - 229,8) + (229,63 -229,5) + (229,63 - 229,6) + (229,63 - 229,7) + (229,63 - 229,5) + (229,63 -229,7) = 0,13 - 0,07 - 0,17 + 0,13 + 0,03 - 0,17 + 0,13 - 0,07 = |0,06|

ашБаг (5,16 - 5,15) + (5,16 - 5,2) + (5,16 - 5,23) + (5,16 - 5,14) + (5,16 - 5,2) + (5,16 - 5,08) + (5,16 - 5,13) + (5,16 - 5,16) = 0,01 - 0,04 - 0,07 + 0,02 - 0,04 + 0,08 +0,03 + 0 = |0,01|

ашщи) = (8,39 - 8,33) + (8,39 - 8,4) + (8,39 - 8,47) + (8,39 - 8,37) + (8,39 - 8,44) + (8,39 - 8,32) + (8,39 - 8,37) + (8,39 - 8,44) = 0,06 - 0,01 - 0,08 +0,02 - 0,05 + 0,07 + 0,02 - 0,05 = |0,02|

Si = -004- • 100 % = 10,011

I 398,36 1 ' 1

SU = • 100 % = |0,03|

U 229,63 1 ' 1

STHD(I) = 001 • 100 % = |0,19|

STHD(U) = ^ • 100 % = |0,24|

Занесём значения натурных испытаний в Таблицу 3.2.

Ввиду того что испытания классической системы СЭЭС были проведены в широком диапазоне режимов, а система СЭЭС на основе АВН испытывалась всего в одном: при работе двух ГДГ, с нагрузкой 50%, то для лучшего сравнения и понимания в Таблицу 4.2 будут занесены данные испытаний классической системы только в аналогичном режиме.

Таблица 4.2 Результаты натурных испытаний

Параметр Топология системы СЭЭС

12-ти пульсный ПЧ АВН с АИН

THD(I), % 9,5 3,7

THD(U), % 6,6 1,2

cos9 0,98 0,99

Как видно из таблицы при использовании АВН качество электрической энергии в судовой сети лучше, чем при использовании 12 -ти пульсного выпрямителя.

Для большей наглядности внесем результаты моделирования и испытаний в одну сводную Таблицу 4.3.

Параметр Натурные испытания Моделирование

Топология системы СЭЭС Топология системы СЭЭС

12-ти пульсный ПЧ АВН с АИН 12-ти пульсный ПЧ трансформатор между шинами АВН с АИН

ТНБ(1), % 9,5 3,7 9,6 8,4 4,7

ТНБ(и), % 6,6 1,2 6,5 4,3 2,2

cosф 0,98 0,99 0,89 0,93 0,98

Из таблицы видно, что результаты моделирования сходятся с результатами натурных испытаний. Отклонение носит незначительный характер, из чего можно заключить что теоретические расчёты и результаты моделирования подтверждаются результатами натурных испытаний, и могут считаться достоверными.

4.2 Выводы к главе 4

В рамках данной главы была проведена верификация теоретических расчётов и результатов моделирования. Рассчитаны абсолютная и относительная погрешность измерений. Результаты теоретических расчётов, результаты моделирования и натурных испытаний сведены в таблицы. Проведен анализ и сравнение полученных результатов.

Анализ показал корреляцию между результатами моделирования и натурных испытаний, что является подтверждением правильности расчётов.