Содержание к диссертации
Введение
РАЗДЕЛ 1 Оценка целесообразности и существующих технических решений по повышению динамической устойчивости судовых электроэнергетических систем 11
1.1 Краткая характеристика рыболовецкого флота Дальневосточного края Российской Федерации 11
1.2 Основные типы устройств автономного электроснабжения для СЭЭС 16
1.2.1 Аккумуляторные батареи 17
1.2.2 Механические накопители энергии 19
1.2.3. Топливные элементы 20
1.2.4 Ионисторы 22
1.3 Особенности работы современных источников электрической энергии в судовых условиях .28
Выводы по разделу 1 34
РАЗДЕЛ 2 Обоснование и выбор системы повышения динамической устойчивости судовых электроэнергетических систем 35
2.1 Математическое описание совместной работы судовых синхронных генераторов .35
2.2 Математическая модель режима параллельной работы судового синхронного генератора с мощной сетью 42
2.3 Математическая модель режима параллельной работы соизмеримых по мощности судовых синхронных генераторов .47
2.4 Классификация различных защит от провалов напряжения кратковременных перегрузок генератора .61
Выводы по разделу 2 67
РАЗДЕЛ 3 Математическое описание и имитационные модели источников электрической энергии на основе ионистора 69
3.1 Анализ динамической устойчивости синхронного генератора при работе на сеть .69
3.2 Математическое описание безынерционного источника бесперебойного питания на основе ионистора в составе судовой сети 78
3.3 Исследование системы «ионистор-преобразователь-двигатель .88
Выводы по разделу 3 .91
РАЗДЕЛ 4 Математическое описание и имитационные модели параллельной работы с судовой электрической сетью дополнительного источника энергии .92
4.1 Исследование параллельной работы инвертора напряжения и однофазной сети 92
4.2 Разработка устройства синхронизации трехфазного инвертора с источником переменного тока .102
4.3 Разработка компьютерной модели параллельной работы генераторного агрегата и трехфазного безынерционного источника питани .107
Выводы по разделу 4 114
РАЗДЕЛ 5 Экспериментальные исследования технических решений по повышению динамической устойчивости судовых электроэнергетических систем 115
5.1 Назначение экспериментальных исследований. Конструктивное описание стенда 115
5.2 Экспериментальное исследование параллельной работы БТИП с СГ 124 Выводы по разделу
Заключение .130
Список условных сокращений 132
Список литературы
- Основные типы устройств автономного электроснабжения для СЭЭС
- Математическая модель режима параллельной работы судового синхронного генератора с мощной сетью
- Математическое описание безынерционного источника бесперебойного питания на основе ионистора в составе судовой сети
- Разработка компьютерной модели параллельной работы генераторного агрегата и трехфазного безынерционного источника питани
Введение к работе
Актуальность работы. На сегодняшний день состояние
рыбопромыслового флота России характеризуется значительным износом. Так,
большинство судов рыболовецких предприятий Дальневосточного региона
построены в 70-80-е годы прошлого столетия 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,
устаревшее и изношенное оборудование аварийной защиты. Ряду требований
Морского регистра электрооборудование и технико-эксплуатационные
характеристикам многих рыбопромысловых судов не удовлетворяют.
Правительство нашего государства разработало ряд федеральных целевых программ, в том числе по обновлению флота. Но, как показывает практика, появляется лишь небольшое количество новых судов с современными судовыми электроэнергетическими системами (СЭЭС), вспомогательным энергетическим оборудованием, системами навигации и другими элементами. Эффективность эксплуатации современных рыболовецких судов намного выше существующих, морально и физически изношенных. 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, хотя 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.
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.
Понятно, главным в СЭЭС является источник энергии – дизель-
генераторный агрегат (ДГА). В настоящее время энерговооруженность
современных рыболовецких судов намного выше большинства
эксплуатирующихся более 10 лет. Нужно помнить, что замена источника энергии (дизель-генератора) на более мощный сопряжена с рядом трудностей и является довольно сложным и дорогостоящим мероприятием. Так, при демонтаже старого и монтаже нового дизель-генератора (ДГ) необходимо производить вырез нескольких палуб, на что уходит много времени и средств (вырез и сварка только одной палубы судна типа СРТМ обходится судовладельцу в сумму, превышающую 0,5 млн рублей). Поэтому целесообразной становится модернизации основных элементов выработки и преобразования электрической
энергии, и, как вариант, установки дополнительного источника энергии, например, аккумулирующего типа.
Большинство рыболовецких компаний, основываясь на специфических
требованиях к СЭЭС, 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 проводятся исследования по улучшению устойчивости электросетей и повышению безотказности работы системы электроснабжения (Агунов А. В., Арпишкин П.Н., Азарьев Д.И., Акаджи X., Аррилаги Дж., Баранов А. П., Веников В. А., Галки В. Л., Глинтерника С. Р., Джюджи Л., Жежеленко И. В., Топкаль В. Е., Федий B. C. И др.).
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 (ЭЭ) в СЭЭС и процессы синхронизации судовых источников электроэнергии.
Предметом исследования являются системы повышения 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.
-
Провести анализ существующих технических решений по обеспечению динамической устойчивости работы СЭЭС с выработкой решений, учитывающих современные достижения электроники и преобразовательной техники.
-
Разработать принцип построения и математическую модель (ММ) безынерционного трехфазного источника питания (БТИП) СЭЭС на основе ионистора.
3. Для подтверждения предложенных теоретических принципов построения
БТИП СЭЭС и оптимизации процессов бесперебойного снабжения судна ЭЭ 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 Matlab/Simulink.
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 не менее, чем на 15 % и уменьшению отклонений напряжения питающей сети не менее, чем на 5 % в СЭЭС малых рыболовецких траулеров (МРТ) при типовых динамических нагрузках на его сеть;
– уменьшению затрат на горюче-смазочные материалы МРТ не менее чем на 14 % путем исключения работы дополнительного дизель-генераторного агрегата (ДГА)в «горячем резерве»;
– 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 (180407.65) «Эксплуатация судового
электрооборудования и средств автоматики».
Запатентованное соискателем устройство для определения и ликвидации предотказных состояний синхронной машины (патент РФ на полезную модель № 133364 U1 от 10.10.2013) внедрено в производство компанией 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.
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 17 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.
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 U = 13 В. Его внутреннее сопротивление: R = (E - U) / I = (\3 - 12,2) / 1 = 0,7 Ом. При подключении потребителя в аккумуляторе возникает разрядный ток. При этом ионы серно-кислотного остатка SO соединяются со свинцом электродов и образуют на них сернокислый свинец PbS04, 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
Математическая модель режима параллельной работы судового синхронного генератора с мощной сетью
Исходя из теории физических основ устойчивости электроэнергетических систем [28], включение резервного генератора в судовую сеть осуществляется при соблюдении четырех условий: - ЭДС включаемого генератора ЕГ должна быть равна напряжению сети Uc; - частота генератора должна быть равной частоте сети ; - ЕГ и UС должны совпадать по фазе; - чередования (последовательность) фаз генератора и сети должны быть одинаковыми. При указанных условиях векторы генератора и сети совпадают и вращаются с одинаковой частотой, разности ЭДС и напряжений между одноименными контактами при включении генератора равны нулю
Равенство ЭДС и напряжений достигается путем регулирования тока в системе возбуждения (СВ) генератора – контролируется с помощью датчика напряжения (ДН). Изменение параметров напряжения генератора достигается путем воздействия на привод серводвигателя (ПСД) рейки дизель-генератора. Поддержание номинальной частоты вращения ротора генератора осуществляется микроконтроллером (МК) за счет обратной связи с приводным двигателем (ПД). Правильность чередования фаз проверяется только при первом включении генератора. Совпадение ЭДС и напряжений по фазе контролируется с помощью микропроцессорного синхроноскопа. В соответствии с реальными условиями эксплуатации, судовые СГ используются в следующих типовых режимах:
- параллельная работа одного СГ с береговой сетью; - автономная работа одного СГ на судовую нагрузку; - параллельная работа двух и более СГ на судовую нагрузку; Поведение генераторов, входящих в состав СЭЭС, определяется сложными взаимосвязанными процессами, происходящими в самих генераторах, их приводных двигателях, регуляторах частоты вращения и возбуждения, а также в судовой нагрузке и линиях, связывающих элементы СЭЭС.
В соответствии с поставленными в диссертации задачами, исследуются причины вызывающие динамические возмущения в СЭЭС, приводящие к динамическим изменениям в СЭЭС. Для более полной возможности математического описания процессов, одновременно происходящих во всех элементах СЭЭС, необходимо решить вопросы о выборе системы координат и форме записи исходных уравнений элементов ЭСК.
Известно, что уравнения синхронных и асинхронных машин в естественных неподвижных осях являются нелинейными с периодическими коэффициентами. Трудности аналитических исследований переходных процессов на основании уравнений в естественных координатах в своё время привели к их линейным преобразованиям и получению уравнений вида Горева-Парка с постоянными коэффициентами [29, 30, 31]. Преобразованные уравнения [32, 33, 34] значительно проще в использовании, легче поддаются анализу и дают высокую точность расчёта переходных процессов в СЭЭС. Используем, в качестве исходных, уравнения, вида Горева-Парка. При описании режимов параллельной работы СГ учитываем, что в реальных условиях работы СГ всегда имеют место относительные движения координатных осей машин, что вызывает необходимость обеспечения согласования координатных систем исследуемых машин. Это обстоятельство накладывает дополнительные сложности при выборе систем координат. Вопросу выбора координатных систем при исследовании СЭЭС в литературе уделено много внимания [33, 34, 35, 37]. Учитывая рекомендации, изложенные в [36], выбраны следующие системы координат для вывода математических описаний режимов параллельной работы двух судовых СГ (рисунок 2.3).
Математическое описание безынерционного источника бесперебойного питания на основе ионистора в составе судовой сети
В представленной системе уравнения (1-6) относятся к СГ1, (7) и (8) к статической нагрузке, (9-13) к АД, (14-19) к СГ2. Так же как (2.20) и (2.21), вышеуказанная система имеет смешанную форму записи и интегрируется в реальном времени. Очевидно, что решать полученные системы можно средствами среды Матлаб.
Можно утверждать, что приведенные математические выражения не противоречат физике реальных процессов, происходящих при изменениях нагрузки в СЭЭС, так как записаны с помощью фундаментальных законов электротехники и теории электрических машин.
Именно поэтому можно подчеркнуть, что одна из главных идей исследования - оценка возможности и допустимости применения вместо дополнительного СГ, подключенного на параллельную работу с основным СГ, подключение частотного преобразователя подтверждается.
Такая возможность подтверждается и тем, что эквивалентная схема замещения частотного преобразователя, имеющего в нагрузке промежуточный токоограничивающий реактор, будет аналогична схеме замещения дополнительного СГ. Поэтому все процессы, описанные в параграфах 2.1, 2.2 и 2.3 в системах уравнений для работы СГ с сетью и дополнительным СГ, будут адекватны процессам работы СГ и параллельно включенного частотного преобразователя. 2.4 Классификация различных защит от провалов напряжения и кратковременных перегрузок генератора
Наибольшее распространение среди существующих устройств компенсации провалов и искажений напряжения получил динамический компенсатор искажения напряжения (ДКИН).
ДКИН (рис. 2.7) является преобразователем напряжения [50], содержащим выпрямитель и инвертор с пофазным управлением на базе полностью управляемых выпрямителей, который подключен к питающей сети потребителя. В составную часть ДКИН входит вольтдобавочный трансформатор (ВДТ), основной задачей которого является перераспределение активной и реактивной мощности таким образом, чтобы приходящее на вторичную обмотку напряжение U трансформатора полностью компенсировала провал напряжения при 1 - входной трансформатор; 2 - тиристорный управляемый выпрямитель; 3 -аккумулирующие конденсаторы; 4 - управляемый инвертор; 5 - ВДТ; 6 - фильтр высших гармонических оставляющих напряжения; 7 - выключатели; 8 - защитное устройство ДКИН; 9 - байпасный выключатель; Uc - напряжение энергосистемы; Цн - напряжение на нагрузке; UDp - положительное напряжение постоянного тока; UDm - отрицательное напряжение постоянного тока; dUB напряжение компенсации провала.
У данного устройства как в применении его в береговом питании, так и в СЭЭС существует ряд недостатков: - высокие массогабаритные показатели; - отсутствие возможности компенсации провалов на протяженных линиях; - отсутствие блока синхронизации напряжения добавки с напряжением сети по фазе и частоте; - отсутствие блока устройства регулирования напряжения под нагрузкой у трансформаторов; - возможность некорректной работы при наличии КЗ на линии. Известно устройство управления дизель - генераторным агрегатом [39], блок - схема которого представлена на рис.2.8, содержащее устройство управления дизель-генераторным агрегатом (ДГА) 1 содержит размещаемые в ДГА аналоговые датчики: датчик 2 параметров напряжения генератора ДГА, датчик 3 давления масла в картере двигателя ДГА, дискретный датчик 4 давления масла в картере двигателя ДГА и дискретный датчик 5 срабатывания автоматического выключателя генератора ДГА. Двигатель ДГА имеет стартер 12, а также устройство 13 управления подачей топлива к двигателю. Устройство управления ДГА содержит также контроллер 6, монитор 7, блок 8 звуковой сигнализации и блок 9 световой индикации. Первый вход контроллера 6 соединен с внешней сетью электропитания. Выход аналогового датчика 2 напряжения соединен со вторым входом контроллера 6, выход аналогового датчика 3 соединен с третьим входом контроллера 6. Выход дискретного датчика 4 давления масла в картере двигателя ДГА соединен с четвертым входом контроллера 6, выход дискретного датчика 5 срабатывания автоматического выключателя ДГА соединен с пятым входом контроллера 6. Выходы контроллера соединены: первый - со входом стартера 12 двигателя ДГА, второй - со входом устройства 13 управления подачей топлива к двигателю ДГА, третий - со входом монитора 7, четвертый - со входом блока 8 звуковой сигнализации, пятый - со входом блока 9 световой индикации. Устройство управления ДГА содержит также размещенные в ДГА аналоговый датчик 14 температуры охлаждающей жидкости двигателя ДГА, дискретный датчик 15 температуры охлаждающей жидкости двигателя ДГА, дискретный датчик 16 уровня охлаждающей жидкости двигателя ДГА, аналоговый датчик 17 уровня топлива в топливном баке двигателя ДГА и дискретный датчик 18 уровня топлива в топливном баке двигателя ДГА. Выход аналогового датчика 14 температуры охлаждающей жидкости двигателя ДГА соединен с шестым входом контроллера 6, выход дискретного датчика 15 температуры охлаждающей жидкости двигателя ДГА соединен с седьмым входом контроллера 6. Выход дискретного датчика 16 уровня охлаждающей жидкости двигателя ДГА соединен с восьмым входом контроллера 6, выход аналогового датчика 17 уровня топлива в топливном баке двигателя ДГА соединен с девятым входом контроллера 6, а выход дискретного датчика 18 уровня топлива в топливном баке двигателя ДГА соединен с десятым входом контроллера 6.
Разработка компьютерной модели параллельной работы генераторного агрегата и трехфазного безынерционного источника питани
Правилами Морского Регистра к судовым автоматическим системам распределения нагрузки устанавливаются следующая норма: при набросе (сбросе) 100 %-ной нагрузки изменение частоты вращения ПД не должно превышать ±10 % номинального значения, а установившаяся частота вращения не должны отличаться более чем на ± 5 % номинальной (это требование одинаково для турбин и дизелей, за тем исключением, что у дизелей наброс нагрузки проводится в 2 ступени, по 50 % каждая) [49, 51]. На рисунке 3.8, а видно как дизель-генератор критически близко подходит к десятипроцентной границе, это говорит о том, что в реальных условиях автоматическая система может не отработать отклонение в десять процентов, нарушив требования Морского Регистра. Включение в параллельную работу импульсного источника трехфазного питания (рис. 3.8,б), как видно на графике рисунка 5б, позволяет значительно снизить отклонение по частоте вращения приблизительно до 0,01 %.
Анализ полученных характеристик показывает, что судовые дизель – генераторные агрегаты особенно со сроком службы более 10 лет не всегда способны обеспечить частоту питающей сети в пределах требования морского регистра при пуске электрических машин соизмеримых с мощностью генератора. Это может привести либо к отключению второстепенных потребителей, либо к запрету выхода судна в море. Результаты исследования имитационной модели устройства на основе суперконденсатора показывают, что предлагаемое устройство способно компенсировать пусковой режим работы мощных судовых потребителей без участия дополнительного синхронного генератора в параллели.
Таким образом, исследование модели доказывает, что предложенное устройство уменьшает диапазон отклонения работы генераторного агрегата по частоте до 0,01 %. Модель позволяет сделать выводы о том, что дизель не имеет достаточной надежности, чтобы обеспечить качество энергии соизмеримое с береговым. В любой момент, при возникновении динамических перегрузок дизель может не обеспечить необходимую частоту вращения, что приведет к непредвиденному отключению потребителей и нарушит бесперебойную подачу электрической энергии. Это может привести к серьезным последствиям, так например если произойдет перегрузка момента траловой лебедки, то остановка привода приведет к тому, что трал переполненный уловом останется за бортом, в любой момент это может быть последствием переворота всего судна, что приведет к гибели и судна, и всего экипажа. Положительным эффектом при внедрении устройства будет обеспечение динамической устойчивости работы судовой электростанции, которое способна отвечать устойчивости работе системы берегового электроснабжения. Можно сделать выводы, что предлагаемое устройство позволит сделать дизель - генераторный агрегат системным устройством с улучшенными показателями качества электрической энергии.
Подводя итог, можно сделать вывод, что использование предлагаемого БТИБП на основе ионистора подтверждает результаты экспериментов, проведенных в разделе 3.1. 3.3 Исследование системы «ионистор-преобразователь-двигатель»
В качестве импульсного источника предлагается использовать блок иониорных батарей высокой емкости.
Для исследования электрических характеристик ионистора, как импульсного источника питания средствами пакета Mat lab 7.0 с расширением Simulink 5/6 была создана модель емкостного источника питания емкостью 210 Ф нагруженного на трехфазный силовой ШИМ - преобразователь с подключенным к нему асинхронным электроприводом (АД) мощностью 15 кВт.
Модель силового ШИМ- инвертора, асинхронного двигателя, ШИМ - генератора имеются в библиотеке Simulink 5/6, SimPower System, блоки 1-7 моделируют работу батареи ионисторов в процессе питания силового ШИМ, параметры ионистора - начальное напряжение и емкость задаются в блоке 5.
Результаты моделирования представленые на рисунок 3.9 позволяют сделать следующие выводы: - работоспособность и адекватность модели подтверждается компьютерными экспериментами, сопоставимость модельных результатов пуска асинхронного двигателя с широтно-импульсным преобразователем и натурными испытаниями оценивается погрешностями не более 5 %; - учет процесса разрядки ионистора в режиме пуска асинхронного двигателя мощностью 15 кВт, проведенный с помощью модельного прибора vab{V)1 (рисунок 3.9), показывает, что в течение 50 секунд ионистор удерживает 70 % номинального напряжения;