Повышение устойчивости судовой электроэнергетической системы к динамическим нагрузкам тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат наук Труднев, Сергей Юрьевич

• Труднев, Сергей Юрьевич
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Труднев, Сергей Юрьевич

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

РАЗДЕЛ 1 ОЦЕНКА ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ И СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ ДИНАМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ СУДОВЫХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

1.1 Краткая характеристика рыболовецкого флота Дальневосточного края Российской Федерации

1.2 Основные типы устройств автономного электроснабжения для СЭЭС

1.2.1 Аккумуляторные батареи

1.2.2 Механические накопители энергии

1.2.3. Топливные элементы

1.2.4 Ионисторы

1.3 Особенности работы современных источников электрической энергии в судовых условиях

Выводы по разделу 1

РАЗДЕЛ 2 ОБОСНОВАНИЕ И ВЫБОР СИСТЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ СУДОВЫХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

2.1 Математическое описание совместной работы судовых синхронных генераторов

2.2 Математическая модель режима параллельной работы судового синхронного генератора с мощной сетью

2.3 Математическая модель режима параллельной работы соизмеримых по мощности судовых синхронных генераторов

2.4 Классификация различных защит от провалов напряжения кратковременных перегрузок генератора

Выводы по разделу 2

РАЗДЕЛ 3 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ И ИМИТАЦИОННЫЕ МОДЕЛИ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ ИОНИСТОРА

3.1 Анализ динамической устойчивости синхронного генератора при работе на сеть

3.2 Математическое описание безынерционного источника бесперебойного питания на основе ионистора в составе судовой сети

3.3 Исследование системы «ионистор-преобразователь-двигатель

Выводы по разделу 3

РАЗДЕЛ 4 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ И ИМИТАЦИОННЫЕ

МОДЕЛИ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РАБОТЫ С СУДОВОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТЬЮ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ИСТОЧНИКА ЭНЕРГИИ

4.1 Исследование параллельной работы инвертора напряжения и однофазной сети

4.2 Разработка устройства синхронизации трехфазного инвертора с источником переменного тока

4.3 Разработка компьютерной модели параллельной работы генераторного агрегата и трехфазного безынерционного источника пита-ни

Выводы по разделу 4

РАЗДЕЛ 5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ ДИНАМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ СУДОВЫХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

5.1 Назначение экспериментальных исследований. Конструктивное описание стенда

5.2 Экспериментальное исследование параллельной работы БТИП с СГ

Выводы по разделу 5

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А (справочное) Материалы внедрения результатов

диссертационной работы

ПРИЛОЖЕНИЕ В Экспериментальное оборудование и контрольно-измерительная аппаратура, используемая при постановке физического эксперимента

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение устойчивости судовой электроэнергетической системы к динамическим нагрузкам»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. На сегодняшний день состояние рыбопромыслового флота России характеризуется значительным износом. Так, большинство судов рыболовецких предприятий Дальневосточного региона построены в 7080-е годы и нормативный срок их службы закончен или близок к завершению (65 % судов эксплуатируются более 20, а 89 % - более 15 лет). Эти суда имеют крайне высокие показатели энергопотребления, несовершенные релейно-контактные системы автоматики и управления, изношенные системы аварийной защиты. Ряду требований Морского регистра электрооборудование и технико-эксплуатационные характеристикам этих рыбопромысловых судов не удовлетворяют. Полное обновление рыбопромыслового флота требует огромных капиталовложений, поэтому продление срока службы судна целесообразно за счет модернизации наиболее ответственных его узлов и элементов.

Правительство нашего государства разработало ряд федеральных целевых программ, в том числе по обновлению флота (20 единиц в год) и его списанию (17 единиц в год). Но как показывает практика, коэффициент ежегодного списания судов в несколько раз превышает коэффициент обновления. Тем не менее, появляется небольшое количество новых судов с современными судовыми электроэнергетическими системами (СЭЭС), вспомогательным энергетическим оборудованием, системами навигации и другими элементами. Эффективность эксплуатации таких современных рыболовецких судов намного выше существующих, морально и физически изношенных. Судовладелец становится перед выбором: либо приобретать новое судно, либо производить модернизацию отдельных его элементов таким образом, чтобы продлить срок эксплуатации. Конечно, к каждому судну необходим индивидуальный подход: технико-экономическая целесообразность, обеспечение безопасности и экологичности эксплуатации. Закупка судов в настоящее время крайне редкое явление, поэтому многие судовладельцы вынужденно идут по пути модернизации основных

элементов судна (корпуса, навигационной системы, систем траления и проч.), что приводит к необходимости модернизации всей СЭЭС.

Чаще всего такая модернизация СЭЭС представляет собой частичную замену оборудования на зарубежные, более современные и не всегда абсолютно новые аналоги. Таким образом, установленная зарубежная аппаратура после монтажа становится частью всей СЭЭС. Типовая упрощенная структура СЭЭС вполне очевидна и включает в себя источники электроэнергии, релейно-контактную и защитную аппаратуру, системы преобразования и потребления электроэнергии.

Понятно, главным в СЭЭС является источник энергии - дизель-генераторный агрегат (ДГ).

Модернизация СЭЭС не может быть проведена простой заменой одного из узлов (блоков, элементов) - замена одного элемента приводит к тому, что необходимо производить также замену всех оставшихся.

В настоящее время энерговооруженность современных рыболовецких судов намного выше большинства эксплуатирующихся. Нужно помнить, что замена источника энергии (дизель-генератора) на более мощный сопряжена с рядом трудностей и является довольно сложным и дорогостоящим мероприятием, в том числе - из-за монтажных работ. Так, при демонтаже старого и монтаже нового ДГ необходимо производить вырез нескольких палуб, на что уходит много времени и средств. Например, вырез и сварка только одной палубы судна типа СРТМ обходится судовладельцу в сумму, превышающую 300 тысяч рублей. Поэтому из экономических соображений целесообразной становится модернизации элементов переработки электрической энергии, и, как вариант, установки дополнительного источника энергии, например, аккумулирующего типа.

Большинство рыболовецких компаний, основываясь на специфических требованиях к судовым электроэнергетическим системам, производят замену базового оборудования установками зарубежного товаропроизводителя. При этом, эксплуатация судового электрооборудования и его применение регламентируются требованиями Морского регистра и международными нормативными документами. Однако требования, предъявляемые Морским регистром Российской федерации к судовому электрооборудованию по ряду пунктов отличается от международных. Иногда возникает ситуация, когда после модернизации или ремонта судна, автоматическая защита в ходе нормальной эксплуатации импортного электрооборудования отключает его от сети, нарушая бесперебойную подачу электрической энергии, тем самым угрожая безопасности судна. Одной из причин этого эффекта является неспособность электроавтоматики штатного судового источника электрической энергии обеспечить пиковые нагрузки.

Ведущими специалистами в области судостроения московского морского инженерного бюро, а также научными школами под руководством отечественных и зарубежных специалистов регулярно проводятся исследования по улучшению устойчивости электросетей и повышению безотказности работы системы электроснабжения (Агуновым А.В., Арпишкиным П.Н., Азарьевым Д.И., Акаджи X., Аррилаги Дж., Барановым А.П., Вениковым В.А., Галки В.Л., Глин-терника С.Р., Джюджи Л., Жежеленко И.В., Топкаль В.Е., Федий B.C.).

Именно поэтому исследования, направленные на практическое решение задач повышения качества электрической энергии судовых электроэнергетических систем и сетей (СЭЭС), а соответственно и повышение безопасности мореплавания, весьма актуальны.

Объектом исследования являются процессы преобразования электрической энергии в СЭЭС и процессы синхронизации судовых источников электроэнергии.

Предметом исследования являются методы улучшения устойчивости СЭЭС к динамическим нагрузкам.

Цели и задачи исследования.

Целью исследования является разработка практических технических решений, направленных на повышение качества электрической энергии СЭЭС.

Цель достигается решением следующих задач.

1. Провести анализ существующих технических решений по обеспечению динамической устойчивости работы СЭЭС с выработкой решений, учитывающих современные достижения электроники и преобразовательной техники.

2. Разработать принцип построения и математическую модель (ММ) безынерционного трехфазного источника питания (БТИП) СЭЭС на основе ио-нистора.

3. Для подтверждения предложенных теоретических принципов построения БТИП СЭЭС и оптимизации процессов бесперебойного снабжения судна электрической энергией в динамических режимах, провести модельные исследования БТИП в составе СЭЭС.

4. Для верификации экспериментом компьютерного моделирования изготовить физический макет БТИП с установкой его в физическую модель СЭЭС.

Методы исследования. Для описания и анализа электромеханических и электромагнитных процессов, протекающих в СЭЭС, использованы методы теоретической электротехники, теории устойчивости электроэнергетических систем, теории электрических машин, методы структурного и численного моделирования визуальной среды МайаЪ/БтиПпк.

Научная новизна. В диссертационной работе получены и выносятся на защиту следующие новые научные результаты:

Впервые:

- предложен принцип повышения динамической устойчивости СЭЭС, отличающийся применением дополнительного безынерционного источника питания высокой удельной мощности, что позволяет существенно улучшить качество снабжения электрической энергией судна при динамических нагрузках;

- разработана структура и математическая модель судового трехфазного источника электрической энергии, отличающаяся наличием дополнительного источника высокой удельной мощности;

- разработана математическая модель и принципиальная схема параллельной работы БТИП и ДГА, позволившая исследовать основные электрические характеристики СГ при совместной работе генераторов на сеть в различных режимах;

- показаны эксперименты, подтверждающие возможность совместной работы БТИП и синхронного генератора.

Получил дальнейшее развитие принцип синхронизации БТИП с СЭЭС, обеспечивающий быстродействующее и своевременное подключение дополнительного источника энергии и соответствующее снижения колебания частоты и провалов напряжения. Усовершенствовано устройство синхронизации БТИП с СЭЭС.

Степень достоверности научных результатов обеспечивается использованием комплекса методов исследования: системного анализа, физического и имитационного моделирования, верификации результатов моделирования проведением натурных испытаний, апробацией полученной информации и основных результатов исследования.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Внедрение впервые разработанных БТИП в СЭЭС способствует:

- снижению колебаний частоты напряжения на 15 % и уменьшению отклонений напряжения питающей сети на 5 % в СЭЭС малого рыболовецкого траулера (МРТ) при динамических нагрузках на его сеть;

- уменьшению затрат на горюче-смазочные материалы МРТ не менее чем на 14 % ввиду исключения работы в «горячем резерве» дополнительного дизель-генераторного агрегата;

- повышению экологичности эксплуатации судна;

- повышению теоретического уровня подготовки судовых электромехаников за счет разработки и внедрения в учебный процесс лабораторных работ по дисциплине «Тренажерная подготовка» для курсантов специальности 26.05.07 «Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики».

Запатентованное соискателем устройство для определения и ликвидации предотказных состояний синхронной машины (патент РФ на полезную модель № 133364 и1 от 10.10.2013) внедрено в производство рыболовецкой компанией ООО «Старкам» и получило положительную оценку.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях Государственного университета морского и речного флота им. адмирала С.О. Макарова, Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина, Одесской национальной морской академии, Морского государственного университета, Камчатского государственного технического университета.

Публикации. Перечисленные научные результаты были освещены в 21 печатной публикации, в том числе 5 статьях в изданиях из перечня ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов с выводами, заключения, списка литературы, включающего 81 источника и пяти приложений. Основная часть работы изложена на 148 страницах машинописного текста и содержит 49 рисунков.

РАЗДЕЛ 1

ОЦЕНКА ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ И СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ ДИНАМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ СУДОВЫХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

1.1 Краткая характеристика рыболовецкого флота Дальневосточного края Российской Федерации

Естественное старение и усиленная эксплуатация морского флота обуславливают необходимость решения ряда важных проблем для всех субъектов мореплавания - морского транспорта, рыбодобывающей отрасли, деятельности портов и его технического флота, судостроения, судоремонта и других. Из «Регистровой книги» Российского Регистра Судоходства [1] получены сведения о 544 морских рыболовецких судов с портами приписки Корсаково, Магадан, Охотск, Петропавловск-Камчатский, Владивосток, Находка, Невельск, Советская Гавань и Холмск (см. рис. 1.1).

41 50 51 60 1 10

Рисунок 1.1 - Возрастная структура судов Тихоокеанского бассейна

Нормативный срок эксплуатации морских судов - 22 года [1]. Можно оценить возрастной состав: средний возраст морского судна рыболовецкого флота Тихоокеанского бассейна - 26 лет. Понятно, что вероятность отказа лю-

бого оборудования для таких судов очень высока - вследствие превышения нормативного срока эксплуатации.

Принимая во внимание всю сложность существующей проблемы, предпринимательство рыбного хозяйства нуждается в особом внимании и серьезной поддержке, как со стороны государственных органов управления, так и объединений предпринимателей (союзов, ассоциаций, агентств, торгово-промышленных палат, общественных организаций). Для этого необходима единая скоординированная политика и система программных мероприятий. Из-за резкого снижения экономической эффективности эксплуатации морских судов по мере их старения, для судоходных компаний важное значение приобретает решение задач повышения всех эксплуатационных качеств судна.

Исходя из вышесказанного видно, что одной из основных задач сегодня является повышение устойчивости экономического развития предпринимательства рыбного хозяйства, которое можно обеспечить внедрением новой техники и технологии на рыбодобывающие суда. Именно в этом и заключена основополагающая роль отечественной науки.

Любая модернизация судового энергетического комплекса предполагает внедрение энергосберегающих технологий, что чрезвычайно актуально для рыболовецкой и рыбообрабатывающей отрасли, характеризующейся высоким уровнем энергопотребления. Модернизация целесообразна не только из-за появления возможностей сокращения затрат на энергоресурсы, но и для повышения безопасности и экологичности мореплавания, что, в свою очередь влечет уменьшение расходов судовладельцев.

Очевидно, что полное обновление рыбопромыслового флота требует больших капиталовложений, поэтому целесообразна модернизация СЭЭС, путем использования современного оборудования с улучшенными техническими характеристиками и высоким КПД. Такая модернизация осуществляется, как правило, за счет частичного переоборудования судна с заменой отдельных силовых и управляющих систем. Для рыбопромыслового флота часто возникает

необходимость увеличивать установленную мощность ряда потребителей, из-за чего приходится увеличивать и мощность СЭЭС, устанавливая дополнительные синхронные генераторы или увеличивая мощность существующих СГ. Естественно, такие действия приводит к существенным дополнительным затратам, необходимости демонтажа установленных генераторных агрегатов.

Понятно, что основным потребителем большинства переоборудуемых судовых систем являются электрические машины постоянного и переменного тока. Именно поэтому генераторные агрегаты должны обеспечить все динамические, в том числе и пусковые, режимы таких потребителей.

Так, на рыбопромысловых судах типа БАТМ, СРТМ, МРС самым мощным потребителем является электропривод траловой лебедки (рис. 1..2). Мощность тралового комплекса может изменяться в зависимости от массы вылова в трале, создающего основную нагрузку на валу электродвигателя лебедки комплекса. Такая нагрузка, при максимальном весе трала, соизмерима с мощностью установленного на судне генератора [2].

Рисунок 1.2 - Траловый комплекс рыбопромыслового судна

Учитывая неровности дна и погодные условия, в любой момент может произойти зацеп или рывок трала, который создаст пиковую нагрузку для СЭЭС [3]. Система защиты в таком случае предусматривает отключение второстепенных потребителей по ступеням нагрузки и даже невозможность снабжения электроэнергией ряда важных потребителей. Как следствие, происходит

«переброс» нагрузки на резервный генератор, если он готов к работе.

Но как показывает практика, часто селективная защита отключает электропривод траловой лебедки (а в худшем случае - отключает генератор от шин ГРЩ), поскольку в большинстве случаев дополнительный генератор еще не успевает быть подключенным к параллельной работе.

Так, Российский морской регистр [4] в пункте 9.3 «Аварийные источники электрической энергии» указывает следующее.

«Если аварийным источником электрической энергии является генератор, он должен:

- приводиться в действие двигателем внутреннего сгорания;

- запускаться автоматически при исчезновении напряжения в основной сети, а также автоматически включаться на шины аварийного распределительного щита, а потребители должны автоматически получать питание от аварийного генератора. Общее время пуска и приема нагрузки генератором не должно превышать 45 с;

- если автоматическое включение аварийного агрегата не обеспечивается в течение 45 с, должен быть предусмотрен аварийный переходный источник электрической энергии, включающийся немедленно при обесточивании. Если аварийным источником электрической энергии является аккумуляторная батарея, она должна:

- работать без подзарядки при сохранении изменений напряжения на зажимах в пределах 12 % номинального напряжения в течение полного периода разрядки, при этом изменение напряжения на зажимах аккумуляторной батареи, подключенной к электронному преобразователю напряжения, определяется допустимым изменением напряжения на зажимах преобразователя;

- автоматически включаться на шины аварийного распределительного щита при исчезновении напряжения в основной сети».

За 45 секунд запустить второй ДГ и перевести его на параллельную работу с обеспечением процедуры синхронизации практически невозможно. Возни-

кает опасность потери питания судном и, как, следствие, потери управляемости судном, что может привести к непредсказуемым последствиям, особенно в условиях повышенного волнения, сложных навигационных условий плавания, близкого расположения банок и проч. Из-за всего этого в судовых условиях реального промысла приходится запускать в работу второй ДГ агрегат и держать его в «горячем» состоянии на холостых оборотах. Его непрерывная работа, даже в нормальных условиях плавания, необходима для того, чтобы в любой момент можно было ввести его в параллельную работу с основным СГ и тем самым как можно быстрее увеличить мощность судовой электростанции.

Понятно, что непрерывная работа второго ДГ, даже на холостом ходу, приводит к дополнительным выбросам в атмосферу выхлопных газов, повышает шум и вибрации на судне, и, что весьма важно в сложных экономических условиях, к дополнительным затратам топлива.

Для того чтобы оценить расход топлива, проведем его расчет [33] при работы дизель-генератора 6ЧН25/34 - основного узла СЭЭС типичного рыболовецкого судна. Установим: время работы дизеля Дt = 1 час, паспортное значение удельного индикаторного расхода топлива gi = 0,2 кг/(кВтч).

Индикаторная мощность N

N = 0,15 х N = 0,15 х 340 = 51 кВт, где N = 340 кВт - номинальная мощность дизель-генератора 6ЧН25/34.

Часовой расход топлива:

В = Дt х gi х N = 1 х 0,2 х 51 ~ 10,2 л.

За сутки расход топлива составляет около 250 литров, за все время рейса (3-4 месяца) расход топлива приближается к 30 тоннам, что, по ценам на август 2015 года, составляет, примерно, 800 тыс руб.

Одно из возможных решений указанных проблем - применение дополнительного (резервного) аккумулирующего источника электрической энергии, позволяющего «подпитать» СЭЭС на время включения резервного ДГ.

Желательно, чтобы такой аккумулирующий источник имел высокие

удельные энергетические показатели, обладал высоким КПД, минимальными массогабаритными показателями, был экологически чистым на всем жизненном цикле его эксплуатации.

Вкратце оценим возможности, преимущества и недостатки известных автономных источников бесперебойного питания, установка которых допустима на судне.

1.2 Основные типы устройств автономного электроснабжения

для СЭЭС

На современном этапе развития технологий в области судовой электроэнергетики и электроавтоматики, все большее распространение получают вторичные энергоаккумулирующие источники бесперебойного питания с высокими удельными энергетическим характеристиками и показателями качества генерируемой электрической энергии.

Применение таких дополнительных накопителей электрической энергии в СЭЭС способно значительно улучшить характеристики всей судовой электроэнергетической системы, в том числе и при динамических нагрузках.

Из ряда основных требований к аккумулирующим накопителям энергии, наиболее существенными являются два параметра: продолжительность работы в нагруженном состоянии и пиковая мощность.

По этим двум параметрам накопители энергии можно разделить на три категории:

- судовые источники электрической энергии мощностью до 50 кВт, которые способны поставлять энергию в течении 5-30 минут только для основных потребителей судна. Обычно применяются в СЭЭС, для которых не предусмотрено переключение на дополнительный резервный генератор;

- судовые источники электрической энергии мощностью до 100 кВт, способные поставлять энергию для всего судна в течение 5 минут, до момента за-

пуска в работу дополнительного дизель-генератора. Применяются в СЭЭС, для которых предусмотрено переключение на резервный генератор;

- источники электрической энергии мощностью до 2000 кВт, которые способны поставлять энергию в течение нескольких часов. Входят, в основном, в СЭЭС, обеспечивающие кроме бесперебойной подачи энергии и другие функции, такие, как стабилизация напряжения и частоты, проведение технологического процесса и другие. Характеризуются большими капитальными и эксплуатационными затратами [6].

Анализ используемых в судовой и промышленной энергетике накопителей энергии показывает, что наибольшее распространение получили:

- аккумуляторные батареи;

- механические накопители энергии;

- топливные элементы.

В последние годы в автомобилестроении начали применяться суперконденсаторы и ионисторы - достаточно новые и перспективные типы аккумулирующих источников электроэнергии.

1.2.1 Аккумуляторные батареи

Аккумуляторные батареи (АБ) являются самым распространенным накопителем и источником электроэнергии. Состоят обычно из нескольких отдельных элементов, соединенных между собой параллельно, либо последовательно, либо смешанно. Схема соединения зависит от требуемого параметра (напряжение, емкость). Обычно аккумулятор имеет два рабочих режима: статический и динамический. Статический режим характерен для продолжительного электроснабжения, к примеру на судовой системе связи, где они поддерживают постоянное 12 В. Динамический режим работы имеет место в системах, где АБ разряжается при прекращении подачи энергии извне и заряжается при включении генератора или возобновлении подачи сетевого напряжения. Следует отметить,

что на рыболовецких судах применяются аккумуляторы как в динамических, так и в статических режимах работы.

Широкое распространение получили свинцовые аккумуляторные батареи, состоящие из нескольких последовательно соединенных аккумуляторов. Применение кислотных аккумуляторов объясняется тем, что они обладают небольшим внутренним сопротивлением и способны в течение короткого промежутка времени (несколько секунд) отдавать ток силой в несколько сотен ампер, что необходимо для питания стартера при пуске двигателя [5,37].

Так, свинцовый кислотный аккумулятор с емкостью 1 А-ч и с номинальным напряжением 12 В. В полностью заряженном состоянии аккумулятор имеет напряжение примерно и = 13 В. Его внутреннее сопротивление:

Я = (Е - Ц) / I = (13 - 12,2) / 1 = 0,7 Ом.

При подключении потребителя в аккумуляторе возникает разрядный ток. При этом ионы серно-кислотного остатка 80 соединяются со свинцом электродов и образуют на них сернокислый свинец РЬ804, а ионы водорода - с кислородом, выделяясь на положительной пластине в виде воды [47]. В результате электроды покрываются серно-кислым свинцом, а серная кислота разбавляется образующейся водой, т. е. при разрядке аккумулятора плотность электролита уменьшается. Поэтому по плотности электролита можно определить уровень разряда аккумуляторной батареи.

При прохождении электрического тока через АБ протекают обратные электрохимические процессы. Ионы водорода, образующиеся в результате распада воды, взаимодействуют с серно-кислым свинцом электродов. Водород, соединяясь с сернистым осадком, образует серную кислоту, а на электродах восстанавливается губчатый свинец. Выделяющийся из воды кислород, соединяется со свинцом положительной пластины, образуя перекись свинца, содержание воды в электролите уменьшается, а содержание кислоты увеличивается, в результате чего плотность электролита повышается [37].

Когда прекращается восстановление свинца на электродах, процесс зарядки аккумулятора заканчивается. При дальнейшем прохождении электрического тока начинается процесс электролиза (распада) воды, аккумулятор «закипает», образуется взрывоопасная смесь газообразного водорода с кислородом. Это один из основных недостатков аккумуляторов, который снижает безопасность мореплавания, требует соблюдения специальных мер безопасности. Кроме перечисленных недостатков у АБ имеются и другие: большие массогабарит-ные показатели; работа в определенных температурных условиях; сравнительно небольшой срок службы; саморазряд; длительный режим зарядки; невозможность обеспечения необходимой пиковой мощности. Так, АБ на 24 кВт-ч, установленная в электромобиле Nissan Leaf имеет вес около 300 кг и имеет лучшие на сегодняшний день технические характеристики [68].

Наличие этих недостатков резко сужает возможности применения АБ в СЭЭС, поэтому они используются в основном в судовых системах аварийного освещения и питания наиболее ответственных потребителей.

1.2.2 Механические накопители энергии

В основу этого типа накопителей энергии заложено физическое явление накопления кинетической энергии с помощью маховиков - распределенных вращающихся масс. Маховики применялись ранее в качестве накопителей энергии в самых первых конструкциях мотор-генераторных установок бесперебойного электроснабжения. В настоящее время используется для обеспечения электроэнергии в течение коротких промежутков времени [37]. Энергия, запасаемая маховиком определяется известным выражением:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Труднев, Сергей Юрьевич, 2017 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алаев, В.В. Системы регулирования напряжения судовых СГ и их математическое описание / В.В.Алаев // Сб. науч. тр. СВМИ им. П.С.Нахимова. -Севастополь, 2003. - N 3. - С.102-106.

2. Алаев, В.В. Физические процессы распределения реактивной мощности при параллельной работе судовых СГ с регулированием напряжения сопутствующим эффектом / В.В.Алаев, А.М.Олейников // Вестник Сев ГТУ. Сер. Механика, энергетика, экология: сб. науч. тр. -Севастополь, 2003. - N 48. -С.128-133.

3. Анисимов, Я.Ф. Судовая силовая полупроводниковая техника / Я.Ф.Анисимов. - Л.: Судостроение, 1979. - 164 с.

4. Антипов, А.М. Патент RU 71011 U1 «Устройство управления дизель-генераторным агрегатом» / А.М. Антипов, В.Ю. Лемешко. — Заявлено 08.08.2007; Опубл 20.02.2008г.

5. Багодский В.С., Скундин А.М. Химические источники тока. -М.:Энергоиздат, 1981.- 360 с.

6. Балыкшов, А. Ионисторы / А. Балыкшов // Электронные компоненты-Украина. - 2005. - №11. - С. 91-97

7. Баранов, А.П. Автоматическое управление судовыми электроэнергетическими установками / А.П.Баранов. - М.: Транспорт, 1981. - 329 с.

8. Беляков, А.И. Электрохимические суперконденсаторы: текущее состояние и развитие / А.И. Беляков // Электрохимическая энергетика. - 2006. - №3. - С. 146-149

9. Богрый, B.C. Математическое моделирование тиристорных преобразователей / В.С.Богрый, А.А.Русских. - М.: Энергия, 1972. - 93 с.

10. Богословский, А.С. Силовые полупроводниковые выпрямители / А.С.Богословский. - М.: Воениздат, 1965. - 208 с.

11. Болотин, Б.И. Инженерные методы расчета устойчивости судовых ав-

томатизированных электростанций / Б.И.Болотин, В.Л.Вайнер. - Л.: Судостроение, 1974. - 125 с.

12. Важнов, А.И. Основы теории переходных процессов синхронной машины / А.И.Важнов. - М.: Госэнергоиздат, 1960. - 362 с.

13. Веников, В.А. Электромеханические переходные процессы в электрических системах / В.А.Веников. - М.: Госэнергоиздат, 1958. - 246 с.

14. Веников, В.А. Математические основы теории автоматического управления режимами электросистем / В.А.Веников, И.В.Литкенс. - М.: Высшая школа, 1964. - 306 с.

15. Веретенников, Л.П. Классификация уравнений Горева-Парка / Л.П.Веретенников // Электричество. - 1959. - N 11. - С. 16-19.

16. Веретенников, Л.П. Исследование процессов в судовых электроэнергетических системах. Теория и методы / Л.П.Веретенников. - Л.: Судостроение, 1975. - 375 с.

17. Веретенников, Л.П. Переходные процессы в ЭСК / Л.П.Веретенников.

- Л.: ВМА, 1982. - 451 с.

18. Вилесов, Д.В. Качество напряжения при сильном регулировании / Д.В.Вилесов // Труды ЦНИИ СЭТ. - 1978. - N 7. - С. 47-50.

19. Герман-Галкин С. Г. Matlab & Simulink. Проектирование мехатронных систем на ПК / С. Г. Герман-Галкин. — М.: Корона-Век, 2008. — 368 с.

20. Голиков, С.П. Оптимальное управление электроприводом траловой лебедки / С.П. Голиков // Информационные технологии и системы управления.

- 2013. - №5/5 (13). - С. 41-43

21. Гольденберг, Л.М. Теория и расчет импульсных устройств на полупроводниковых приборах / Л.М.Гольденберг. - М.: Связь, 1969. - 755 с.

22. Гордин, А.В. Математические модели тиристорной бесщеточной системы возбуждения синхронных генераторов / А.В.Гордин, Б.Я.Вейгандт // Судовая электротехника и связь. - 1989. - N 9. - С. 44-46.

23. Горев, А.А. Переходные процессы синхронной машины / А.АГорев. -

Л.: Наука, 1985. - 502 с.

24. Гроп, Д.Я. Методы идентификации систем / Д.Я.Гроп. - М.: Мир, 1979. - 302 с.

25. Завадский, В.А. Компьютерная электроника / В.А.Завадский. - К.: Изд-во «ТОО ВЕК», 1996. - 129 с.

26. Зангер, Г. Электронные системы. Теория и применение / Г.Зангер. -М.: Мир, 1980. - 326 с.

27. Качество электроэнергии на судах / Ю.Я.Зубарев, О.Н.Климанов, Ю.И.Пайкин, В.В.Шейнихович. - Л.: Судостроение, 1988. - 155 с.

28. Китаев, В.Е. Электротехника с основами промышленной электроники / В.Е.Китаев. - М.: Высшая школа, 1985. - 224 с.

29. Китаенко, Г.И. Справочник судового электротехника / Г.И.Китаенко. - Л.: Судостроение, 1980. - 456 с.

30. Коваленко, В.П. Исследование компенсации изменения напряжения СГ в динамических режимах работы / В.П.Коваленко, С.И.Логинов // Судовая электротехника и связь. - 1972. -К 4. - С.28-32.

31. Коган, Б.М. Расчет на ЦВМ переходных процессов в синхронных машинах по дифференциальным уравнениям с периодическими коэффициентами / Б.М.Коган, Е.П.Урман // Электричество. - 1964. - N 4. - С.13-15.

32. Константинов, В.Н. Системы и устройства автоматизации судовых электроэнергетических установок / В.Н.Константинов. - Л.: Судостроение, 1972. - 266 с.

33. Портнягин Н. Н. Исследование виртуальных моделей защиты генератора от обратной мощности в судовой электроэнергетической системе / Н. Н. Портнягин, Е.Г. Михайлова, С. Ю. Труднев, О.Г. Королева // Вестн. Кам-чатГТУ. - Петропавловск-Камчатский, 2010. - Вып. 14. - С. 5-8.

34. Костюк, О.М. Колебания и устойчивость синхронных машин / О.М.Костюк, М.И.Соломаха. - К.: Наукова думка, 1991. - 200 с.

35. Котовщиков, А.Я., Токарев Л.Н. Уравнение системы автоматического

регулирования напряжения судового СГ / А.Я.Котовщиков, Л.Н.Токарев // Судовая эл. техника и связь. - 1968. - N 38. - С.42-44.

36. Краснов, В.В. Основы теории и расчета судовых электроэнергетических систем / В.В.Краснов, П.А.Мещанинов, А.П.Мещанинов. - Л.: Судостроение, 1989. - 328 с.

37. Кромптон Т. Первичные источники тока: Пер. с англ. - М.: Мир, 1986.- 328 с.

38. Кузнецов, В.П. Конденсаторы с двойным электрическим слоем (иони-сторы): разработка и производство / В.П.Кузнецов [и д.р.] // Компоненты и технологии. - 2005. - N 6.

39. Кузнецов, В.П. Конденсаторы с двойным электрическим слоем (ио-нисторы): новые разработки / В.П.Кузнецов [и д.р.] // Электрическое питание. -2006. - N 2.

40. Кузнецов, В.П. Ионисторы - электрохимические твердотельные элементы / В.П.Кузнецов [и д.р.] // Электронная промышленность. - 1975. - N 8. -С. 42-44.8

41. Куликов, М.М. Патент RU 2095908 С1 «Способ защиты синхронной машины от асинхронного режима» / М.М. Куликов. — Заявлено 05.06.1995; Опубл 10.11.1997г.

42. Межгосударственный стандарт ГОСТ 32144-2013. - М.: Стандартин-форм, 2013. - 16 с.

43. Межгосударственный стандарт ГОСТ 29322-92. - М.: Изд-во стандартов, 1992. - 7 с.

44. Миронов, Е.П. Теоретические основы моделирования электромагнитных процессов в электрических цепях и системах: учеб. пособие / Е.П.Миронов. - СПб.: ВМА, 1993. - 178 с.

45. Могильников, B.C. Реактивный синхронный момент асинхронного двигателя / B.C.Могильников, A.M.Олейников // Сб. науч. тр. СИЯЭиП. - Севастополь, 2000. - С. 41-45.

46. Недялков, К.В. Автоматическое управление электроэнергетическими системами кораблей: учебное пособие / К.В.Недялков. - Л.: ВМА, 1978. - 643 с.

47. Портнягин, Н. Н. Современные источники электрической энергии как альтернатива на пути к модернизации судовой автоматизированной электроэнергетической системы рыбодобывающих судов Камчатского края / Н. Н. Портнягин, С. Ю. Труднев // Наука, образование, инновации: пути развития: материалы Третьей Всерос. науч.-техн. конф. (24-26 апр. 2012 г.). -Петропавловск-Камчатский, 2012. - Ч. 1. - С. 140-145.

48. Портнягин, Н. Н. Современные источники электрической энергии как альтернатива на пути к модернизации судовой автоматизированной электроэнергетической системы рыбодобывающих судов Камчатского края / Н. Н. Портнягин, С. Ю. Труднев // Наука, образование, инновации: пути развития: материалы Третьей Всерос. науч.-техн. конф. (24-26 апр. 2012 г.). -Петропавловск-Камчатский, 2012. - Ч. 1. - С. 140-145.

49. Правила классификации и постройки морских судов: в 5 т. Т. 2. / Российский Морской Регистр судоходства. - СПб.: 2014.

50. Пупин,В.М. Устройства защиты от провалов напряжения / В.М.Пупин // Приложение к журналу Энергетик. - Москва: НТФ Энергопрогресс, 2011. -Вып. 5 (149). - 100 с.

51. Регистровая книга [Электронный ресурс] / Российский морской регистр судоходства. - Режим доступа: http://www.rs-class.org/ru/register/info/regbook.php, свободный. (Дата обращения: 05.05.2015 г.)

52. Розанов, Ю.К. Основы силовой преобразовательной техники / Ю.К. Розанов. - М.: Энергия, 1980. - 235 с.

53. Сендюрев, В.М. Алгоритмизация электромеханических переходных процессов АвЭС на основе упрощенных и полных уравнений Горева-Парка / В.М.Сендюрев // Электричество. - 1978. - N 5. - С. 63-65.

54. Сергиенко, Л.И. Электроэнергетические системы морских судов / Л.И.Сергиенко, В.В.Миронов. - М.: Транспорт, 1991. - 383 с.

55. Справочник судового электротехника / под ред. Г.И.Китаенко. - Л.: Судостроение, 1980. - 668 с.

56. Справочник по алюминиевым электролитическим конденсаторам / EPCOS. - М: 2008. - 627 с.

57. Справочник по расчётам судовых автоматических систем / Л.Ф.Суевалов. - Л.: Судостроение, 1989. - 408 с

58. Страхов, С.В. Переходные процессы в электрических цепях, содержащих машины переменного тока / С.В.Страхов. - М.; Л.: Госэнергоиздат, 1960. - 122 с.

59. Токарев, Л.Н. Математическое описание, расчет и моделирование физических процессов в судовых электростанциях / Л.Н.Токарев. - Л.: Судостроение, 1980. - 118 с.

60. Труднев С.Ю. Разработка и исследование модели устройства активной защиты генераторного агрегата от кратковременных перегрузок // Вестник государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова. - СПб, - 2014, - № 2. - С. 23-31.

61. Труднев, С.Ю. Исследование влияний импульсного источника электрической энергии на динамическую устойчивость САЭЭС при помощи имитационных моделей / С. Ю. Труднев, Н. Н. Портнягин // Соврем. проблемы науки и образования. - Пенза, 2012. - № 6. - С. 111.

62. Труднев, С.Ю. Разработка и исследование модели устройства активной защиты генераторного агрегата от кратковременных перегрузок / С. Ю. Труднев // Вестник государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова. - СПб, 2014. - Вып. 27. - С. 37-40.

63. Труднев С.Ю. Исследование параллельной работы ШИМ-инвертора и однофазной сети / С. Ю. Труднев // Вестник государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова. - СПб, 2014. - Вып. 28. - С. 60-66.

64. Труднев, С. Ю. Компьютерное моделирование режимов кратковре-

менных перегрузок работы судовой электростанции / С. Ю. Труднев, Н. Н. Портнягин // 5-я Межвузов. науч.-практ. конф. асп., студ. и курс. «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России» (14 мая 2014 г.). - СПб., 2014. - С. 154-161.

65. Труднев, С. Ю. Разработка математической модели вторичного источника питания // Наука, образование, инновации: пути развития: материалы Четвёртой Всерос. науч.-практ. конф. (23-25 апр. 2013 г.). - Петропавловск-Камчатский, 2013. - Ч. 1. - С. 143-145.

66. Труднев, С.Ю. Разработка компьютерной модели параллельной работы генераторного агрегата и трехфазного безынерционного источника питания/ С. Ю. Труднев // Вестник государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова. - СПб, 2015. - Вып. 2 (30). - С. 191-198

67. Труднев, С. Ю. Патент RU 133364 U1 «Устройство для определения и ликвидации предотказных состояний синхронной машины» / С. Ю. Труднев, Н. Н. Портнягин. — Заявлено 07.11.2012; Опубл 10.10.2013г., Бюл. 28

68. Хрусталев Д.А. Аккумуляторы / Д.А. Хрусталев. - М.: Изумруд, 2003. - 224 с.

69. Фесенко, В.И. Электрические приводы промысловых судов / В.И. Фе-сенко. - М.: Пищевая промышленность. - 248 с.

70. Черных И. В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB Sim Power Systems и Simulink / И. В. Черных. - СПб.: Питер, 2008. -288 с.

71. Электроэнергетические системы в примерах и иллюстрациях / Ю.А.Астахов, В.А.Веников, В.В.Ежков; под ред. В.А.Веникова. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 504 с.

72. ABS - American bureau of shipping [Электронный ресурс] / Американское бюро судоходства (АБС). - Режим доступа: http://ww2.eagle.org, свободный. (Дата обращения: 05.05.2015 г.)

73. BV - Bureau Veritas [Электронный ресурс] / Бюро Веритас (БВ). -

Режим доступа: http:// www.bureauveritas.com , свободный. (Дата обращения: 05.07.2015 г.)

74. Burke, A. Comparisons of Ultracapacitors and Advanced Batteries for Pulse Power in Vehicle Applications: Performance, Life, and Cost [text] / A.Burke, M.Miller // 19th Electric Vehicle Symposium. - Busan, 2002.

75. Burke, A. Update of Ultracapacitor Technology and Hybrid Vehicle Applications: Passenger Cars and Transit Buses [text] / A.Burke, M.Miller // 18th Electric Vehicle Symposium. - Berlin, 2001.

76. BOOSTCAP Ultracapacitors [Электронный ресурс]: Maxwell Technologies. - 2009. - 24 p. - Режим доступа:

https://www.maxwell.com/images/documents/PG boostcap product guide.pdf

77. Conway, B.E. Electrochemical Supercapacitors: Scientific Fundamentals and Technological Applications / B.E.Conway. - New York: Kuwer-Plenum Publ. Co., 1999.

78. Det Norske Veritas (DNV) [Электронный ресурс] / Норвежское классификационное общество. - Режим доступа: https://www.dnvgl.com , свободный. (Дата обращения: 15.07.2015 г.)

79. Lloyd's Register of Shipping (LR) [Электронный ресурс] / Регистр судоходства Ллойда. - Режим доступа: http:// www.lr.org , свободный. (Дата обращения: 25.08.2015 г.)

80. Reimerink, M. Carbons Making Large DLCs Economically Feasible / M.Reimerink // ACWS. - 2003.

81. Process of manufacturing a porous carbon material and a capacitor having the same: Patent 5,876,787, US / Kuznetsov, Victor, [et al]. March 2, 1999.