Содержание к диссертации
Введение
1 Разработка единой классификации судовых электроприводов 15
1.1 Классификация общепромышленных электроприводов .15
1.2 Эксплуатационные особенности и основные требования, предъявляемые к судовым электроприводам .18
1.3 Разработанная классификация судовых электроприводов 21
1.3.1 Общие сведения 21
1.3.2 Общая классификация судовых электроприводов .23
1.3.3 Специальная классификация судовых электроприводов .30
1.4 Выводы 37
2 Анализ опыта технической эксплуатации судовых электроприводов . 39
2.1 Использование электроприводов на судах 39
2.1.1 Общие сведения... 39
2.1.2 Обзор основных систем судовых электроприводов и их компонентов ... 46
2.2 Анализ опыта эксплуатации судовых электроприводов .56
2.2.1 Основные положения технической эксплуатации судовых электроприводов.. 56
2.2.2 Анализ опыта технической эксплуатации судовых электроприводов 59
2.3 Выводы 84
3 Развитие систем управления судовых электроприводов 90
3.1 Исследование систем управления электроприводов 90
3.1.1 Общие сведения 90
3.1.2 Обзор и анализ способов коммутации электрических цепей переменного тока электроприводов 94
3.2 Гибридные системы управления судовых электроприводов.. 99
3.2.1 Силовая часть комбинированных систем управления многоскоростных электроприводов 99
3.2.2 Элементные базы и схемы силовых модулей полупроводниковых коммутаторов... 101
3.2.3 Динамические режимы работы коммутационных аппаратов 106
3.2.4 Комбинированные системы управления многоскоростных электроприводов 113
3.2.5 Пример технической реализации комбинированных систем. 120
3.3 Выводы 125
4 Математическое моделирование эксплуатационных режимов судовых электроприводов 130
4.1 Общая характеристика. Методы исследований эксплуатационных режимов работы судовых электроприводов 130
4.2 Динамические эксплуатационные режимы работы судовых электроприводов 134
4.3 Статические эксплуатационные режимы работы судовых электроприводов 139
4.3.1 Статические симметричные режимы работы судовых электроприводов 140
4.3.2 Статические несимметричные режимы работы судовых электроприводов 142
4.4 Анализ работ в области математического моделирования несимметричные режимов электроприводов 149
4.5 Динамическая система электроприводов при исследованиях несимметричные режимов работы 158
4.5.1 Моделирование трехфазных асинхронных электродвигателей 159
4.5.2 Моделирование силовых модулей 163
4.5.3 Математическая модель электроприводов с комбинированными системами управления 168
4.6 Выводы 171
5 Исследования несимметричных режимов работы судовых электроприводов 174
5.1 Формирование данных для аналитических исследований нештатных режимов работы электроприводов 175
5.2 Аналитические исследования нештатных режимов работы судовых электроприводов 181
5.3 Физическое моделирование нештатных режимов работы судовых электроприводов 183
5.4 Анализ результатов исследований нештатных режимов работы судовых электроприводов 188
5.5 Выводы 198
6 Исследования электрических аппаратов в специальных режимах работы судовых электроприводов 201
6.1 Задачи исследований 201
6.2 Особенности расчета контактных систем контакторов 204
6.3 Электромагнитные расчеты контактных аппаратов 212
6.3.1 Математическое описание магнитных систем контакторов 212
6.3.2 Расчет характеристик электромагнитных механизмов 216
6.4 Методика и алгоритмы расчетов контактных аппаратов для специальных режимов работы 222
6.5 Выводы 231
7 Оценка надежности регулируемых судовых автоматизированных электроприводов 234
7.1 Основные положения теории надежности применительно к судовым автоматизированным электроприводам 234
7.2 Определение законов распределения отказов судовых электроприводов с релейно-контакторными схемами управления 246
7.3 Надежность судовых автоматизированных электроприводов 255
7.3.1 Расчет надежности судовых электроприводов с релейно-контакторными системами управления 255
7.3.2 Расчет надежности судовых электроприводов с комбинированными системами управления 276
7.3.3 Сравнительный анализ надежности судовых электроприводов 282
7.4 Выводы 292
Заключение 302
Список сокращений и условных обозначений 308
Список литературы
- Эксплуатационные особенности и основные требования, предъявляемые к судовым электроприводам
- Обзор основных систем судовых электроприводов и их компонентов
- Обзор и анализ способов коммутации электрических цепей переменного тока электроприводов
- Динамические эксплуатационные режимы работы судовых электроприводов
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Рыночные отношения диктуют необходимость адекватного восприятия действительности и перспектив на различных временных интервалах. Государственная программа развития флота в России обозначена в «Стратегии развития морской деятельности Российской Федерации до 2030 года» (Стратегии), утвержденной распоряжением Правительства от 08.12.2010 № 2205-р и направленной на обеспечение интересов Российской Федерации в Мировом океане, повышение эффективности основных видов морской деятельности.
К основным задачам Стратегии относятся, в частности, повышение конкурентоспособности эксплуатирующегося транспортного флота и увеличение добычи рыбопродукции.
Техническое совершенство судовых производственных механизмов и осуществляемых ими технологических процессов в значительной степени определяются совершенством соответствующего привода и степенью его автоматизации. В настоящее время и в перспективе основными типами приводов производственных механизмов остаются электроприводы (ЭП), которые потребляют ориентировочно до 90 % электроэнергии (ЭЭ), вырабатываемой общесудовыми генераторами.
Значительная часть судов различного назначения построена и введена в эксплуатацию в 90-х, 80-х и даже в 70-х годах ХХ века. Оборудование этих судов включает, в том числе, многие морально и физически устаревшие системы ЭП, возможности технического совершенствования которых в настоящее время крайне ограничены или практически исчерпаны.
Дальнейший прогресс в области судовых ЭП тесно связан с общим развитием промышленного производства, тенденциями развития флота.
Известно, что развитие той или иной отрасли науки и техники основывается на результатах исследований, сборе и анализе фактов, которые упорядочиваются и систематизируются (классифицируются).
В настоящее время ЭП классифицируются по ряду признаков. Развитие систем управления (СУ) ЭП и внедрение в них достижений преобразовательной техники привело к необходимости корректировки и дополнения существующих классификационных признаков.
Анализ научно-технической литературы позволяет сделать вывод об отсутствии общепринятой классификации судовых ЭП, включающей приемлемый диапазон классификационных признаков, наиболее полно характеризующих особенности отдельных ЭП. Не отражена связь судовых ЭП с общепромышленными.
Таким образом, классификация судовых ЭП, обусловленная, в первую очередь, увеличением их количества и функций, становится вынужденной необходимостью.
Развитие судостроения, ремонта и модернизации сопровождаются изменением электрификации эксплуатируемых судов, которую принято оценивать коэффициентами электровооруженности. Так как ЭП являются основными потребителями судовой ЭЭ, эти коэффициенты опосредовано характеризуют степень использования на судах ЭП.
Применяемые в настоящее время при оценке электрификации судов коэффициенты не являются достаточно объективными, так как при опережающем увеличении водоизмещений D судов увеличения мощностей судовых генераторов
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова» на кафедре «Судовые автоматизированные электроэнергетические системы».
Научный консультант: доктор технических наук, профессор
Кузнецов Сергей Емельянович,
Официальные оппоненты: Наумов Леонид Анатольевич,
доктор технических наук, профессор, член-корреспондент РАН, ФГБУН «Институт проблем морских технологий» ДВО РАН, директор
Самойленко Анатолий Юрьевич,
доктор технических наук, доцент,
ФГБОУ ВПО «ГМУ имени адмирала Ф. Ф.
Ушакова», профессор
Цицикян Георгий Николаевич,
доктор технических наук, профессор, филиал «ЦНИИ СЭТ» ФГУП «Крыловский государственный научный центр», заместитель начальника отдела
Ведущая организация: ОАО «Научно-исследовательский и
проектно-конструкторский институт по развитию и эксплуатации флота» («ГИПРОРЫБФЛОТ»), г. Санкт-Петербург
Защита состоится «23» сентября 2014 года в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 223.009.06 при ФГБОУ ВПО «ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова» по адресу: г. Санкт-Петербург, ул. Двинская, д. 5/7, зал заседаний диссертационного совета (ауд. 257).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО « ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова»: dissov_zd22300906.html
Автореферат разослан «2Z» /UCL& 2014 г
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 223.009.06 д.т.н., профессор
P^сэс , они изменяются не достаточно объективно. Кроме того, при расчете и выборе числа и мощности генераторов судовой электростанции (СЭС) на стадии проектирования или модернизации судов различного назначения, представляющем достаточно сложный процесс, вводятся определенные допущения. В связи с этим мощность генераторов СЭС, а, следовательно, и коэффициенты степени электровооруженности рассчитываются с погрешностями, величины которых зависят от корректности и количества вводимых допущений.
Несмотря на относительно большое разнообразие, многие судовые ЭП в качестве основных компонентов включают в себя трехфазные асинхронные двигатели (АД), благодаря их конструктивной простоте, технологичности, относительно высоким энергетическим и эксплуатационным показателям. Для ЭП с регулируемой рабочей скоростью широко используются многоскоростные (как правило, трехскоростные) АД с отдельными или полюсопереключаемыми обмотками статора и релейно-контакторными системами управления (РКСУ).
К вероятным направлениям развития судовых ЭП, отвечающих современным требованиям, относятся: теоретические исследования и практическая реализация новых технических решений; модернизация существующих систем преимущественно для судов, находящихся в эксплуатации.
Исходя из предъявляемых требований, различные судовые ЭП обладают определенными совокупностями свойств. Наиболее важным технико-экономическим показателем качества является надежность, которая при прочих равных условиях зависит от их конструктивных особенностей, режимов и условий эксплуатации.
Для судовых автоматизированных ЭП, как технических изделий, являющихся электромеханическими системами, представляются актуальными мониторинг, анализ и повышение их надежности на стадии потребления «жизненного цикла» - при их использовании.
Непрерывный рост потребления энергоресурсов и увеличение стоимости энергии на современном этапе ставят задачу повышения энергосбережения. Эффективное использование энергетических ресурсов, включая и электромагнитную энергию, относится к приоритетным аспектам развития современной отечественной и мировой экономики.
Поскольку асинхронные автоматизированные ЭП потребляют значительную часть вырабатываемой судовой ЭЭ, положительное влияние на энергоэффективность оказывают разработанные и внедренные научно-технические решения, направленные на повышение энергетических показателей АД.
Таким образом, тема диссертационной работы, посвященная научно-обоснованным техническим решениям комплекса актуальных задач, направленных на повышение эффективности технической эксплуатации (ТЭ) (надежности) судовых ЭП, является актуальной.
Степень разработанности темы исследований. Вопросами классификации ЭП, в том числе и судовых, в разное время занимались: Андреев В. П., Богословский А. П., Китаенко Г. И., Попов В. К., Сабинин Ю. А., Сандлер А. С, Сиверс П. Л., Фрейдзон И. Р., Чиликин М. Г. и др.
Исследованиям электрических машин посвящены работы Адкинса Б., Воль-дека А. И., Иванова-Смоленского А. В., Казовского Е. Я., Копылова И. П., Костенко М. П., Мейстеля А. М., Петрова И. И., Пиотровского Л. М. и др.
На развитие теоретических разработок и практическое совершенствование ЭП, включая решение задач энергосбережения, ориентированы работы Абрамова Б. И., Башарина А. В., Браславского И. Я, Жимерина Д. Г., Мустафы Г. М., Подо-бедова Е. Г., Тихонова В. В., Шаранова И. М., Шубенко В. А., Яуре А. Г. и др.
Теория и практика электрических аппаратов нашла отражение в работах Брона О. Б., Буля Б. К., Буткевича Г. В., Гордона А. В., Залесского А. М., Кукеко-ва Г. А., Родштейна Л. А., Таева И. С., Хольма Р. и др.
Существенные результаты в развитии теории и практики надежности, включая судовые технические изделия, получены при активном участии Астахова С. В., Гольдберга О. Д., Ермолина Н. П., Жерихина И. П., Капуры К., Киреева Ю. Н., Кузнецова С. Е., Ламберсона Л., Рябинина И. А. и др.
Цель и задачи исследований. Целью исследований является совершенствование СУ судовых ЭП для повышения надежности судовых производственных механизмов на основе статистических исследований и обобщенного анализа мониторинга ТЭ судовых ЭП, модернизации с использованием элементов полупроводниковой техники основных СУ, аналитических и экспериментальных исследований, сравнительных оценок.
Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие основные задачи:
– разработана классификация судовых ЭП, включающая приемлемый для исследований диапазон классификационных признаков, наиболее полно характеризующих их индивидуальные особенности, наличие связей с общепромышленными приводами;
– выполнен анализ опыта эксплуатации с целью выявления судовых ЭП, компонентов и элементов в составе приводов, обладающих низкой надежностью, исследована структура и алгоритмы работы таких ЭП;
– разработаны теоретические и технические мероприятия, направленные на ликвидацию или уменьшение основных причин снижения эксплуатационной надежности судовых ЭП;
– создана математическая модель и выполнены аналитические исследования режимов, обусловленных технической реализацией предложенных мероприятий, направленных на повышение надежности ЭП, проведено физическое моделирование с целью проверки адекватности предложенной математической модели реальному объекту;
– выполнены исследования способов повышения энергетических показателей АД, позволяющие разработать и технически реализовать мероприятия, направленные на повышение энергосбережения при эксплуатации ЭП;
– предложена методика повышения эффективности использования контактных коммутационных аппаратов (ККА) в специальных режимах, алгоритмы расчетов и программное обеспечение;
– выполнены исследования основных положений теории надежности применительно к судовым ЭП, имеющим специфические особенности, выделены необходимые показатели надежности в пределах поставленных задач;
– разработаны теоретические модели надежности, выполнены расчеты показателей надежности эксплуатируемых и модернизированных ЭП, проведен их сравнительный анализ.
Научная новизна состоит в следующих положениях:
– создана на основе системного анализа и синтеза единая классификация судовых ЭП, отличающаяся от существующих приемлемым для исследований диапазоном классификационных признаков, наиболее полно характеризующих их индивидуальные особенности, наличием связей с общепромышленными приводами, организацией предпосылок для корректного прогнозирования основных направлений развития судовых ЭП;
– разработаны впервые для судов Дальневосточного бассейна научно-прикладные подходы к анализу эксплуатационных испытаний судовых ЭП, основанные на эффективных методах сбора и обработки статистической информации, позволяющие комплексно оценивать надежность ЭП, как технических изделий;
– выполнены теоретические и технические исследования, направленные на устранение и уменьшение основных причин образования электрической дуги у контактных коммутационных аппаратов (контакторов) СУ, снижающих эксплуатационную надежность судовых ЭП; реализация исследований в виде комбинированных систем управления (КСУ), отличающихся от известных методом управления коммутационными аппаратами, защищена свидетельством на полезную модель;
– разработана на основании обобщенных теоретических исследований математическая модель для исследований несимметричных режимов работы АД, обусловленных введением в СУ судовых ЭП силовых полупроводниковых приборов (СПП), которая нашла отражение в алгоритме, защищенном свидетельством о регистрации программ;
– разработана впервые для судовых ЭП методика расчетов элементов СУ (контакторов), позволяющая определять эффективность их функционированя в специальных режимах, алгоритмическое и программное обеспечения, защищенные свидетельствами о регистрации программ;
– определены на основании исследований основных положений теории чисел, вероятности и математической статистики, впервые законы распределения отказов автоматизированных многоскоростных электроприводов (МЭП) судов Дальневосточного бассейна;
– разработаны обобщенные модели надежности судовых МЭП с РКСУ и КСУ, отличающихся от известных синтезом и компоновкой функциональных блоков, расчетами и сравнением показателей надежности.
К практической значимости работы относятся:
– полученные впервые обобщенные результаты опыта эксплуатации автоматизированных ЭП судов Дальневосточного бассейна;
– предложенное комбинированное управление, повышающее надежность судовых МЭП, универсальность технических решений которого, имеющих внедрения, заключена в возможности применения как на стадии проектирования и изготовления ЭП, так и находящихся в эксплуатации;
– результаты аналитических расчетов и экспериментальных исследований несимметричных режимов работы трехфазных АД, позволяющие оценить их опасность;
– изготовленные и внедренные технические изделия, повышающие энергетические показатели АД;
– разработанные инженерные методики и алгоритмы для определения эффективности использования ККА в специальных режимах, алгоритмы расчетов и программное обеспечение;
– полученные в результате расчетов по разработанным моделям количественные показатели надежности традиционных судовых МЭП, включающих РКСУ, и ЭП с КСУ.
Методология и методы исследований. Методология исследований при выполнении диссертационной работы обусловлена использованием для решения сформулированных задач методов теорий электрических машин и аппаратов, чисел, математической статистики, вероятностей, численных методов решения аналитических задач.
Основные положения, выносимые на защиту. К основным положениям и результатам работы, выносимым на защиту, относятся:
– концепция повышения эффективности ТЭ судовых ЭП, основанная на результатах анализа сравнительных оценок статистических исследований опыта эксплуатационных испытаний, теоретических разработок и технических реализаций основных систем ЭП, аналитических и экспериментальных исследованиях;
– классификация судовых ЭП, включающая приемлемый для исследований диапазон классификационных признаков;
– результаты анализа опыта ТЭ на стадии потребления «жизненного цикла» судовых ЭП и рекомендации по повышению их эксплуатационной эффективности;
– комбинированный способ, защищенные свидетельством, технически реализованные и внедренные изделия для ликвидации и уменьшения основных причин снижения сроков межремонтных периодов и эксплуатации ЭП на судах;
– математическая модель для аналитических исследований специальных режимов функционирования ЭП как электромеханических систем, обусловленных технической реализацией предложенных мероприятий;
– методика расчетов ККА как элементов СУ судовых ЭП, позволяющая определять эффективность их функционирования в специальных режимах, защищенное алгоритмическое и программное обеспечение;
– результаты исследований положений теорий вероятности и надежности применительно к судовым ЭП;
– методика решения задач, позволяющая выполнять расчеты показателей надежности судовых ЭП и сравнительный анализ.
Степень достоверности и апробация результатов подтверждена полученными результатами аналитических и экспериментальных исследований, их сравнительным анализом, наличием свидетельств на полезную модель и о государственной регистрации программ для ЭВМ, внедрением результатов.
Основные положения и результаты работы представлены и обсуждались на: XXIV научно-методической конференции «Проблемы высшего морского образования», г. Владивосток, 2000 г.; XXVII и XXVIII научно-методических конференциях «Проблемы управления качеством образования», г. Владивосток, 2003 г., 2004 г.; научных конференциях «Вологдинские чтения. Радиоэлектроника, информатика и электротехника», г. Владивосток, 2003 г., 2010 г.; региональной науч-
но-практической конференции «Техническая эксплуатация флота. Пути совершенствования. Флот-05», г. Владивосток, 2005 г.; шестой, седьмой, восьмой и девятой международных научно- практических конференциях «Проблемы транспорта Дальнего Востока. FEBRAT-05, 07, 09, 11», г. Владивосток, 2005 г., 2007 г., 2009 г. и 2011 г.; XXIХ научно-методической конференции «Обеспечение качества профессионального образования в условиях реформы высшей школы», г. Владивосток, 2005 г.; международной научной конференции «Исследования мирового океана», г. Владивосток, 2008 г.; международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы освоения биологических ресурсов Мирового океана», г. Владивосток, 2010 г.; XII Всемирном электротехническом конгрессе, г. Москва, 2011 г.; международной научно-практической конференции «Электрические аппараты и электротехнические комплексы и системы», г. Ульяновск, 2011 г.; научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и курсантов, г. Санкт-Петербург, ГМА им. адм. С.О. Макарова, 2011 г., 2012 и др.
К реализации отдельных результатов исследований относятся: используемая в учебном и научно-техническом процессе в ДВГТРУ, ДВФУ и МГУ им. адм. Г. И. Невельского (г. Владивосток) разработанная единая классификация судовых ЭП; изготовленные и внедренные для СУ ЭП переменного тока устройства бездуговой коммутации и переключения малонагруженных АД в однофазный режим.
Работа в полном объеме докладывалась на кафедре «Электрооборудование судов» МГУ им. адм. Г. И. Невельского и на кафедре «Судовые автоматизированные электроэнергетические системы» ГУМРФ им. адм. С. О. Макарова.
Основное содержание работы отражено в 70 основных публикациях (монографиях, научных статьях, свидетельствах, брошюрах и докладах на конференциях) в том числе: 7 монографиях; 27 статьях в рецензируемых научных журналах перечня ВАК.
В работах 4, 36, 38 и 41 списка соискателю принадлежит теоретическая часть; постановка задачи и обработка результатов выполнены совместно с соавторами. В 3 постановка задачи, теоретическая часть и обработка результатов выполнены совместно с соавтором. В работах 5, 7, 11, 13, 15, 17, 51, 57, 58, 59, 60, 62 и 68 соискателю принадлежит постановка задачи и теоретическая часть. Обработка результатов выполнена совместно с соавторами. В 16, 19, 22 и 35 соискателю принадлежит постановка задачи и обработка результатов; теоретическая часть выполнена совместно с соавторами.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 190 наименований. Общий объем диссертации составляет 340 страниц основного текста, включая 84 рисунка, 35 таблиц и 2 приложения.
Эксплуатационные особенности и основные требования, предъявляемые к судовым электроприводам
Еще в 1925 г. в журнале «Кораблестроитель» № 2 (одно из наименований журнала «Судостроение») была помещена статья «Электрические вспомогательные механизмы на судах торгового флота», в которой судовые вспомогательные механизмы классифицировались на палубные, машинного отделения и обслуживающих систем [13].
В начале 50-х годов в [14] была приведена классификация ряда судовых ЭП. Рулевые ЭП разделялись по следующим характерным признакам. 1. По характеру действия - простого, симпатического и автоматического действий. 2. По характеру связи исполнительного ЭД с румпелем руля - электромеханические и электрогидравлические. 3. По системе управления исполнительными ЭД - с управлением по контроллерной и контакторной системам, системе «Федорицкого».
Грузоподъемные механизмы были классифицированы по следующим признакам. 1. По режиму работы - работающие в повторно-кратковременных и кратковременных режимах. 2. По числу ЭД - одномоторные и двухмоторные. 3. По роду тока - с ЭП на постоянном и на переменном токе. Насосы классифицировались по назначению (обслуживающие главные энергетические установки и системы) и по роду перекачиваемой жидкости (водяные, нефтяные и масляные).
В 60-х годах в книге «Курс судовых электроприводов» [15] приведена классификация судовых ЭП, которая считается наиболее распространенной и признанной. Все судовые ЭП были разделены на три основные группы: палубные; механизмов машинных и котельных установок и систем; прочие. Кроме того, приведена классификация рулевых ЭП, включающая классификационный признак – по системе питания: с непосредственным питанием от судовой сети и от отдельного генератора. Классификация судовых нагнетателей (СН) включала, в том числе, следующие классификационные признаки: по давлению (низкого среднего и высокого) и по производительности (малой, средней и большой).
В качестве примера классификации современных судовых ЭП (рулевых механизмов, якорно-швартовных механизмов (ЯШМ), грузоподъемных механизмов (ГПМ)) можно привести классификационные признаки, представленные в [16].
Являясь методом познания вещей и явлений, позволяющим добиваться прогресса в эффективном взаимодействии с ними, классификация судовых ЭП, обусловленная, в первую очередь, увеличением количества судовых ЭП и их разнообразием, становится вынужденной необходимостью.
Анализ научно-технической литературы позволяет сделать вывод об отсутствии единообразия в классификационных признаках судовых ЭП. До настоящего времени, несмотря на достаточно большое их число, нет общепринятой классификации судовых ЭП, включающей приемлемый диапазон классификационных признаков, наиболее полно характеризующих особенности отдельных судовых ЭП. Не отражена связь судовых ЭП с общепромышленными приводами, используемыми в других отраслях.
Для восполнения имеющегося пробела в [3] приведены классификационные признаки судовых ЭП, предложенные автором, которые могут быть приняты за основу при разработке классификации судовых ЭП.
В общем случае классификация представляет собой классификатор (систему ячеек и связей между ними), наполненный описаниями конкретных объектов. Основной целью (полезной функцией) классификаций является обеспечение места каждого из классифицируемых объектов (судовых ЭП). Функция должна выполняться при следующих основных видах использования классификации: размещении новых объектов (судовых ЭП) в классифицируемых массивах; нахождении конкретных судовых ЭП в этих массивах.
За основу построения классификации судовых ЭП целесообразно принять индуктивный способ, обусловленный наличием несистематизированного набора вариантов реализации объектов. В этом случае при формировании классификатора используются вариантообразующие операторы деления и обобщения.
Основанием классификации являются судовые ЭП, являющиеся предметной системой, где функции подсистем определяются относительно несложно.
Целесообразным количественным условием при разработке классификации является наличие массива ячеек на одном иерархическом этаже не более семи, поскольку семь ячеек является, как правило, пределом активного восприятия и анализа пользователями массива объектов.
Исходя из большого разнообразия, обусловленного конструктивными и эксплуатационными особенностями, судовые ЭП целесообразно условно классифицировать по общим и специальным признакам.
На рисунке 1.2 представлена общая классификация судовых ЭП, согласно которой все судовые ЭП, с учетом структурной схемы (рисунок 1.1) можно разделить по вариантам ЭП (рисунок 1.2, ячейка 1), ПЭЭ (рисунок 1.2, ячейка 2), ЭД (рисунок 1.2, ячейка 3), передаточным устройствам (рисунок 1.2, ячейка 4) и видам механических характеристик (рисунок 1.2, ячейка 5).
В соответствии с «Государственным отраслевым стандартом» (ГОСТ) Р 50369-92 [1] главные ЭП обеспечивают движение ИО РМ, выполняющих главные технологические операции. Большинство судовых ЭП [17] относятся к главным. Рисунок 1.2 – Общая классификация судовых ЭП
Вспомогательные ЭП обеспечивают движение ИО РМ, выполняющих вспомогательные технологические операции. На судах к вспомогательным относятся, например, ЭП, изменяющие угол или эксцентриситет насосов переменной производительности рулевых электрогидравлических машин [16].
К неавтоматизированным относятся ЭП, у которых все операции управления выполняются операторами. На судах неавтоматизированные ЭП встречаются крайне редко.
У автоматизированных ЭП часть операций управления выполняют соответствующие устройства управления без участия операторов. Большинство судовых ЭП являются автоматизированными [18, 19].
У автоматических ЭП операторы выполняют начальные и конечные операции. На судах в автоматических режимах работают, например, рулевые ЭП с системами автоматического управления курсом судна (САУКС) [20, 21].
Обзор основных систем судовых электроприводов и их компонентов
С целью дополнения и корректировки данных, приведенных в [11, 18], собран и обработан статистический материал по судам Дальневосточного бассейна (Дальневосточного, Камчатского и Сахалинского морских пароходств) с СЭЭС трехфазного переменного тока напряжением 380 В и частотой 50 Гц. Результаты обработанного статистического материала приведены в [35, 36]. Коэффициент электрификации уг судов для перевозки генеральных грузов заключается в пределах (0,117...0,269) кВт/т, судов для перевозки массовых грузов (лесовозов) -(0,118...0,197) кВт/т, контейнерных судов - (0,071...0,199) кВт/т.
Кроме того, в [35] и [36] приведены данные обработанного статистического материала по широко используемым сериям морских транспортных судов России. Рассчитанный по этим данным коэффициент электрификации у1 составляет (0,120... 0,282) кВт/т - у судов для перевозки генеральных грузов, (0,072...0,199) кВт/т - у контейнерных судов, (0,139...0,442) кВт/т - у судов с горизонтальным и горизонтально-вертикальным способом грузовых операций (ролкеров), (0,112...0,236) кВт/т - у ледокольно-транспортных судов, (0,232...0,459) кВт/т - у рефрижераторных судов, (0,114...0,392) кВт/т - у судов для перевозки массовых грузов ((0,126... 0,274) кВт/т - у лесовозов, (0,164...0,392) кВт/т - у лесовозов-пакетовозов, (0,114... 0,298) кВт/т - у навалочников), (0,047...0,655) кВт/т - у наливных транспортных судов ((0,075...0,655) кВт/т - у нефтеналивных судов, (0,047...0,077) кВт/т - у неф-терудонавалочников), (0,242…0,471) кВт/т - у грузопассажирских судов. По результатам обработанного статистического материала построены графики зависимостей Уі=Л0.
Основным недостатком коэффициента ух, используемого для сравнительной оценки степени электрификации судов различного назначения, по мнению автора, является следующее. К исходным данным при расчете мощности СЭС относится установленная мощность СЭО, режимы работы судна и т. д. Так как расчет и выбор числа и мощности генераторов СЭС на стадии проектирования или модернизации судов представляет достаточно сложный процесс, то при этом вводятся допущения. В связи с этим мощность генераторов СЭС, а, следовательно, и коэффициенты степени электровооруженности у и Yj рассчитываются с погрешностями, величины которых зависит от корректности и количества вводимых допущений.
В этом случае, для оценки степени электрификации судов представляется целесообразным введение показателя (коэффициента) (3, который исключает погрешность результатов расчетов мощности СЭС и определяется по формуле [36] Р= P-СЭО , кВт/т, (2.3) D-Мr где P СЭО – суммарная установленная активная мощность СЭО, кВт.
По результатам расчетов коэффициент (3 рассматриваемых серий судов Дальневосточного бассейна отечественной и зарубежной постройки имеет значения (кВт/т): (0,240...0,745) - у судов для перевозки генеральных грузов; (0,248... 0,731) - у судов для перевозки массовых грузов; (0,211...0,665) - у контейнерных судов; (0,793...0,801) - у рефрижераторных судов. Для серий морских транспортных судов России коэффициент (3 в кВт/т составляет: у судов для перевозки генеральных грузов - (0,183...0,745); у контейнерных судов - (0,211...0,665); у судов с горизонтальным и горизонтально-вертикальным способом грузовых операций (ролкеров) - (0,624...0,782); у ледокольно-транспортных судов - (0,793...0,868); у рефрижераторных судов - (0,793...0,801); у судов для перевозки массовых грузов (лесовозов - (0,248...0,842), лесовозов-пакетовозов - (0,522...0,664), навалочников -(0,277...0,357)); у наливных транспортных судов (нефтеналивных судов) -(0,222...0,870) [35].
Анализ полученных результатов показывает, что развитие электрификации рассматриваемых типов судов сопровождается изменением коэффициентов у, ух и (3 в функции времени постройки, причем в Дальневосточном бассейне минимальные значения Yj относятся к судам постройки преимущественно временнго диапазона 1963-65 гг., а максимальные - постройки 1973 г. Минимальные значения (3 у основных типов судов Дальневосточного бассейна относятся ко времени постройки 1965-70 гг., а максимальные - 1963-73 гг.; у транспортных судов России минимальные значения у относятся преимущественно к судам начала постройки временнго диапазона 1960-74 гг., а максимальные - 1973-90 гг.
Показатели средних значений трех экстремумов уг у основных типов судов Дальневосточного бассейна составляют (кВт/т): у судов для перевозки генеральных грузов - min = 0,123 (начало постройки - 1967 г.), max = 0,251 (1970 г.); у судов для перевозки массовых грузов (лесовозов) - min = 0,127 (1962 г.), max = 0,187 (1974 г.); у контейнерных судов - min = 0,091 (1970 г.), max = 0,173 (1975 г.). Показатели значений трех экстремумов коэффициента (3 в кВт/т следующие: у судов для перевозки генеральных грузов - min = 0,287 (1965 г.), max = 0,657 (1971 г.); у судов для перевозки массовых грузов (лесовозов) - min = 0,356 (1965 г.), max = 0,704 (1967 г.); у контейнерных судов - min = 0,332 (1970 г.), max = 0,562 (1975 г.).
У аналогичных типов морских транспортных судов России показатели средних значений трех экстремумов Yi составляют, кВт/т: у судов для перевозки генеральных грузов - min = 0,122 (1969 г.), max = 0,271 (1966 г.); у судов для перевозки массовых грузов (лесовозов) - min = 0,131 (1963 г.), max = 0,259 (1969 г.); у контейнерных судов - min = 0,110 (1975 г.), шах = 0,186 (1978 г.). Показатели трех значений экстремумов предлагаемого коэффициента (3 соответственно следующие, кВт/т: у судов для перевозки генеральных грузов - min = 0,237 (1964 г.), max = 0,657 (1971 г.); у судов для перевозки массовых грузов (лесовозов) - min = 0,295 (1967 г.), max = 0,781 (1967 г.); у контейнерных судов - min = 0,345 (1973 г.), max = 0,557 (1975 г.).
Обзор и анализ способов коммутации электрических цепей переменного тока электроприводов
Основные типы многоскоростных АД, эксплуатируемых в составе ЭП судовых ЯШМ и ГПМ, приведены в [36]. К источникам статистических материалов, на основании которых строились таблицы, относится судовая техническая документация, данные опросов и анкетирований.
Анализ данных, представленных в [36], позволяет сделать следующие основные выводы: в ЭП судовых механизмов с регулируемой рабочей скоростью используются, как правило, трехскоростные асинхронные ЭД с отдельными или полюсопереключаемыми обмотками статора и короткозамкнутыми обмотками ротора; широкое применение в многоскоростных ЭП нашли двигатели серий «МАП» («Динамо», Россия), «AHLL» («Elmo Dessau», Германия), «hABzd» («Rade Konar», Югославия), «hSSDa» («Elmor», Польша) и др.; в судовых ЭП ЯШМ эксплуатируются трехскоростные АД, конструктивно исполненные как с постоянством момента на первой и второй или на второй и третьей скоростях, так и с постоянством мощности на второй и третьей скоростях; большинство многоскоростных АД, используемых в ЭП ГПМ, выполнено по принципу постоянства момента на второй и третьей скоростях; диапазон мощностей ЭД, используемых в ЭП ЯШМ, при различных угловых скоростях составляет (3,0...60,0) кВт ЭД отечественного производства и (2,6...56,0) кВт ЭД зарубежного производства (исключение составляют приводы ЯШМ с трехскоростными АД типа «hABzd527-16/8/4» («Rade Konar») и «mZSK11-16/8/4» («Selma», Польша), мощность которых на высокой и средней скоростях превышает 60,0 кВт и составляет 85,0 кВт и 70,0 кВт, соответственно); диапазон мощностей ЭД, используемых в ЭП ГПМ, при различных угловых скоростях составляет (5,0...32,0) кВт ЭД отечественного производства и (3,0...45,0) кВт ЭД зарубежного производства; синхронная угловая скорость многоскоростных АД составляет от 19,6 рад/с (при числе пар полюсов 2р = 32) до 157,1 рад/с (при 2р = 4).
В таблице 2.4 приведены данные по примерным соотношениям основных причин отказов многоскоростных асинхронных ЭД судовых МЭП – рисунок 2.7. Таблица 2.4 – Примерные соотношения основных причин отказов многоскоростных асинхронных ЭД судовых МЭП второй и третьей групп
Согласно данным таблицы 2.4, наибольшим числом отказов многоскоростных АД являются пробои электрической изоляции на корпус и межвитковые замыкания, которые составляют 29,0 %.
Основными общими причинами отказов судовых многоскоростных асинхронных ЭД (таблица 2.4) являются недостатки их производства и ТО. Надежность ЭД регулируемых судовых ЭП второй и третьей групп предопределяют специфические условия их эксплуатации (п. 2.1.1) и режимы работы.
Характерной особенностью ЭП является их эксплуатация в различных климатических зонах. За сравнительно короткие промежутки времени палубные ЭП могут работать и в зимних и летних условиях. Анализ, приведенный в [7], показывает, что по временам года отказы ЭД распределены следующим образом: 30,6 % – весной; 27,4 % – осенью; 24,8 % – летом; 17,2 % – зимой. По данным об отказах установлено, что на время безотказной работы АД существенно влияет влажность окружающей среды, так как в изоляционных материалах происходят процессы адсорбции и сорбции влаги, снижающие электрическую прочность изоляции. Влага также является причиной снижения срока службы смазки подшипниковых узлов на 25,0 %. Кроме того, на наличие причин появления в ЭД влаги оказывает влияние интенсивность работы ЭП в течение суток, изменяющаяся в широком диапазоне. Коэффициент корреляции между временем безотказной работы ЭД и временем работы двигателей в течение суток составляет 0,50 ± 0,08. При относительно малом времени работы в течение суток на обмотках выпадает роса, которая попадает в микротрещины, сокращая время безотказной работы ЭД.
По данным, приведенным в [66], у судов рыбного флота многоскоростные ЭД выходят из строя один раз в (5...8) лет.
Существенное влияние на надежность многоскоростных АД реверсивных ЭП второй и третьей групп оказывают особенности режимов их работы.
Регулируемые судовые ЭП этих групп отличаются более «тяжелыми» условиями пуска, торможения, необходимостью изменения скорости в процессе работы и повышенной частотой включений, и как следствие имеют самое большое число отказов – таблица 2.1. К ним относятся в первую очередь палубные ЭП: ЯШМ (брашпилей, швартовных лебедок, шпилей); ГПМ (грузовых лебедок и кранов) и др. Условия их работы и предъявляемые к ним требования (п. 2.1.1) имеют существенные различия.
Исходя из функционального назначения, характерными эксплуатационными особенностями судовых ЭП ЯШМ являются: режимы, близкие к S2 рекомендованной продолжительности 30 мин; знакопеременные нагрузки исполнительных двигателей (ИД) и широкий диапазон их изменения (от 30 % до 200 % номинальной); возможность стоянки ЭД под током до 1,0 мин; относительно частые пуски и электрические торможения ЭД (до 120 в течение часа). Суммарное число часов работы ЯШМ в год лежит в пределах (100… 200) при (1200… 1500) циклах ВО механизмов [44]. Годовая наработка ЭП ЯШМ составляет: (40...80) часов - брашпилей, с учетом швартовных операций; (30...50) часов - швартовных шпилей и швартовных лебедок [30]. По данным, приведенным в [63], для транспортных судов годовая наработка ЭП брашпилей составляет (30...80) часов, а швартовных шпилей - (30...60) часов.
В режимах работы ЭП ЯШМ (брашпилей) судов рыбного флота значимых отличий от работы ЭП брашпилей транспортных судов не отмечено. Ориентировочное среднегодовое время работы ЭП брашпилей плавзаводов (ПЗ) и УПБ составляет 30 часов, а транспортных рефрижераторов (ТР) - до 40 часов [36].
К характерным особенностям эксплуатации ЭП судовых ГПМ относятся, как правило: широкий диапазон изменения знакопеременных нагрузок ИД, определяемых массами перерабатываемых грузов (от холостого хода до 100 % номинальной); частые пуски и электрические торможения ЭД (более 120 в течение часа).
На рисунке 2.8 представлены осциллограммы is = f(t) и cor = f(t) [30] цикла работы АД типа «DKO 470Ь-32/8/4М» [36] при «быстром» переводе рукоятки КК по алгоритму «0» - «3 скорость (подъем)» - «3 скорость (спуск)» - «0».
Динамические эксплуатационные режимы работы судовых электроприводов
При отключении трехфазной обмотки статора от напряжения сети Uc происходит уменьшение ЭДС Е по величине вследствие уменьшения тока в роторе со скоростью, зависящей от постоянной времени обмотки ротора Tr (Tr=Lr/Rr, где
Lr и Rr - индуктивность и активное сопротивление обмотки ротора, соответственно). Вращающийся по инерции ротор теряет запас кинетической энергии и его угловая скорость уменьшается экспоненциально. Вектор Е меняет свое положение (фазу) относительно вектора Uc (моменты времени (положения) 2…25) - рисунок 3.1. Таким образом, изменение напряжения на контактах Uк контакторов в функции времени отключения (Uк= f(t)) имеет вид, представленный на рисунке 3.1.
К основным факторам, определяющим процессы дугообразования на контактах при коммутациях электрических цепей, относится восстанавливающее напряжение, определяемое по (3.4). Величина восстанавливающего напряжения зависит от величин активного падения напряжения в обмотке статора, потока рассеяния статора, скольжения ротора и длительности процесса отключения и увеличивается с увеличением нагрузки.
По результатам исследований процессов коммутации электрических цепей обмоток статора АД контактными аппаратами, в [36] изложены следующие основные выводы. Наиболее тяжелые условия работы контакторов имеют место при отключении заторможенного АД с короткозамкнутым ротором, реверсе и повторном включении в сеть. В случае отключения заторможенного ЭД коммутируемый ток достигает семикратных значений при cos(p = (0,3...0,4). При реверсе и повторном включении в сеть АД возникают токи, превосходящие номинальные значения до 18 раз, что приводит к большой вероятности приваривания главных контактов СККА.
Для судовых ГПМ характерным является повышенный электрический износ главных контактов СККА под действием электрической дуги, которая, как отмечалось выше, вызывает даже приваривание контактов.
Кратные увеличения токов ЭД в момент включения контакторов вызывают относительно большие электродинамические усилия между контактами. Кроме того, при включении контакторов происходит вибрация контактов, вызванная их соударением. По данным, приведенным в [18], продолжительность вибрации составляет (1,0...4,0)-1(Г3 с.
Наряду с низкой электрической износостойкостью, к недостаткам СККА, источником которых является процесс дугообразования между контактами при коммутациях цепей, относятся: рассеивание энергии в дуге; повышенный уровень акустических шумов и радиопомех; выделение токсичных и химически активных веществ при горении дуги. Электрическая дуга оказывает косвенное влияние и на сокращение механической износостойкости СККА.
Таким образом, при разработке и технической реализации мероприятий, направленных на ликвидацию или уменьшение процесса дугообразования между главными контактами СККА, приближающих электрическую износостойкость к механической, число циклов ВО электромагнитных контакторов может быть существенно увеличено (до 90 % и более - при ликвидации электрической дуги), что в конечном итоге приведет к значительному повышению эффективности технической эксплуатации судовых ЭП.
К основным достоинствам контактных коммутационных аппаратов относятся [73]: большая перегрузочная способность по току нагрузки и управления; относительно невысокая стоимость (в пересчете на один канал управления); возможность одновременной коммутации нескольких независимых, гальванически не связанных электрических цепей с различными величинами напряжений и токов; низкое, относительно стабильное переходное сопротивление между замкнутыми контактами; высокая глубина коммутации hк, определяемая как сопротивление коммутирующего органа в отключенном и во включенном состоянии электрической цепи, соответственно. По данным, приведенным в [74], для контактно-дугогасительных систем hк = (1010...1014).
Недостатками контактных коммутационных аппаратов в первую очередь являются процесс дугообразования в переходных режимах при больших коммутируемых токах и относительно низкое быстродействие.
Вопросам ликвидации или уменьшения электрической дуги контактных коммутационных аппаратов, прежде всего контакторов, в настоящее время уделяется повышенное внимание. Можно выделить следующие основные направления, по которым ведутся работы: создание более эффективных способов гашения электрической дуги (вакуумные контакторы и др. [75]); применение новых контактных материалов (металлокерамические композиции [76] и пр.); разработка контактных смазок (отечественные – «ЭПС-98» («ИЭЦ-Контакт») [77], «Электросил» («Всероссийского научно-исследовательского института по переработке нефти»); зарубежные – фирмы «Electrolube» (Франция), «Dowchemical» (США) и т. д.); усовершенствование приводных устройств [36] и т. п.
Первые три из перечисленных направления для механически контактного способа коммутации электрических цепей представляют собой полумеры, так как противодействуют не причине, а следствию, и в большинстве случаев не обеспечивают бездуговую коммутацию, а только несколько повышают электрическую износостойкость, уменьшая электрическую дугу по величине и времени горения.
Более интенсивное развитие в настоящее время получили вакуумные контакторы (отечественные серии «КВ2» («Чебоксарский электроаппаратный завод» (ЧЭАЗ)), зарубежные «NC9» (производства «Chint Group Corp.») и др.).
Одним из вариантов усовершенствования приводных устройств при контактном способе коммутации электрических цепей является синхронный контактор, в котором размыкание главных контактов в цепях переменного тока осуществляется без возникновения электрической дуги. Вместе с тем, из-за сложности, относительно высокой стоимости и низкой надежности эти устройства не получили широкого распространения.
