Введение к работе
Актуальность проблемы. В условиях все расширяющегося производства и огромных капитальных вложений, задача формирования стратегических путей развития отрасли приобретает первостепенное значение. Так решению задачи развития отечественного флота служит принятая в России Морская доктрина. В ней чётко указывается роль и место отечественной судостроительной промышленности в отстаивании интересов национальной экономики. Реализация этой доктрины позволит решить не только научно-технические проблемы в области отечественного военного кораблестроения, но и целый ряд вопросов, связанных с созданием эффективных гражданских судов ледового класса и комплексов технических средств для освоения Северного морского пути, добычи и транспортировки жидких углеводородов в шельфовых зонах Арктики.
С целью обеспечения этой доктрины в отечественной судостроительной отрасли приняты такие федеральные целевые программы (ФЦП) как: ФЦП «Национальная технологическая база на 2007 - 2011 годы», ФЦП «Развитие гражданской морской техники на 2009-2016 годы» и др.
Государственные программы реализации российских проектов по добычи и транспортировки жидких углеводородов будут проводиться в тяжелых арктических условиях. Особое внимание при проектировании специализированных судов для арктических районов плавания должно уделяться созданию надежных, безопасных и эффективных судовых энергетических установок (СЭУ), обеспечивающих движение и маневрирование судна как при самостоятельном плавании во льдах, так и под проводкой ледокола. При выборе СЭУ и определении мощности главных двигателей судна активного ледового плавания принимают во внимание такие дополнительные требования к движительно-рулевому комплексу как: необходимость частого и быстрого реверсирования, поддержания постоянства мощности на валу во всех режимах движения судна, возможность безаварийной работы энергетической установки в условиях взаимодействия гребного винта со льдом, необходимость получения максимального упора на швартовом режиме и близкого к максимальному упору на заднем ходу и пр.
В настоящее время для судов с электродвижением всем этим требованиям в полной мере отвечает концепция создания единых высоковольтных судовых электроэнергетических систем (ЕЭЭС).
На протяжении десятков лет в развитие теории, разработку задач и методов исследования и проектироания судовых электроэнергетических систем вносили свой вклад коллективы ученых ФГУП «ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова», ФГУП «ЦНИИ СЭТ», ОАО «Силовые машины» филиал «Электросила», СПбГМТУ, СПбГЭТУ «ЛЭТИ», СПбГПУ, Военно-Морской Академии им.Н.Г.Кузнецова и др. Математическая теория синхронных машин, симметричных и несимметричных процессов, прикладных алгоритмов расчета развита в трудах таких ученых как: М.И.Алябьев, Л.П.Веретенников, В.Н.Константинов, А.Е.Козярук, Ю.П.Коськин, Б.В.Никифоров, М.В.Пронин, И.А.Рябинин, В.М.Сендюрев, Г.Г.Соколовский, А.П.Сеньков, Л.Н.Токарев, В.П.Топорков, Г.С.Ясаков и др.
При решении вопросов проектирования и строительства судов с электродвижением в качестве основных функциональных элементов ЕЭЭС выступают такие технически сложные устройства как турбо- и дизель-генераторы, электрохимические генераторы (ЭХГ) и аккумуляторные батареи, силовые статические полупроводниковые и электромагнитные преобразователи, аппараты коммутации и защиты, гребные электродвигатели (ГЭД) и винто-рулевые комплексы (ВРК), а также системы управления и контроля технических средств, входящих в состав ЕЭЭС. При таком разнообразии основных функциональных элементов необходим комплексный подход к вопросам взаимосвязи и объединения подобных систем в рамках решения поставленных перед судном задач.
Именно поэтому концепция развития ЕЭЭС судов с электродвижением становится во всем мире все более и более привлекательной.
Однако объединение вышеперечисленного электрического и энергетического оборудования в ЕЭЭС, решающее задачи как обеспечения электроэнергией потребителей собственных нужд, так и движения судна в целом, резко усложнило чисто электротехнические вопросы, решаемые ранее автономно. Потребовался пересмотр используемых ранее методов и методик расчёта электромеханических процессов в нормальных и аварийных режимах работы судовых электростанций (СЭС). Оказались необходимыми расчётно-обоснованные рекомендации по применению ранее не используемых на судах высоковольтных машинно-вентильных комплексов. Появилась возможность получения улучшенных технических показателей режимов работы глубоководных подводных аппаратов за счёт применения стабилизаторов напряжения на базе мощных импульсных преобразователей постоянного тока для воздухонезависимых энергетических установок с ЭХГ и использования оптимальных по массогабаритным и техническим параметрам асинхронных ГЭД и пр.
Все вышеизложенное делает решение сформулированных в диссертации вопросов важной и актуальной научно-технической задачей.
Цель работы - решение совокупности научных и технических проблем, направленных на создание перспективного судового электротехнического и энергетического оборудования, соответствующего современному уровню научно-технического прогресса, за счёт интеграции разнородного электроэнергетического оборудования в единые электроэнергетические системы, применения перспективных технических решений, минимизирующих массогабаритные характеристики составного электрооборудования и улучшающих потребительские свойства судов.
Поставленная цель достигается решением следующих основных задач:
проведением анализа областей применения, принципов построения и перспектив развития судовых электротехнических комплексов ЕЭЭС на судах с электродвижением, разработкой технических требований к судовому электрооборудованию и концепции выбора технической базы реализации вариантов ЕЭЭС различной мощности;
формализацией расчета динамических режимов перспективных многоагрегатных комплексов судовых электростанций, состоящих из общепромышленных и сверхпроводниковых генераторных агрегатов;
созданием методики определения областей параметров систем распределения нагрузок в многоагрегатных судовых электростанциях, обеспечивающей заданные показатели функционирования судовых генераторных агрегатов ЕЭЭС;
разработкой научно обоснованных рекомендаций по применению различных типов высоковольтных гребных электроприводов для использования в составе электрооборудования систем электродвижения судов различного назначения;
разработкой математического обеспечения расчёта параметров импульсных преобразователей постоянного тока стабилизаторов напряжения воздухонезависимых энергетических установок с ЭХГ;
проведением теоретических и экспериментальных исследований аварийных режимов работы электротехнических комплексов многоагрегатных судовых ЕЭЭС;
- созданием процедуры вычисления риска остановки судна из-за отказа оборудо
вания ЕЭЭС или срабатывания защит, которые на основе оценки их вклада в создание
опасной ситуации, обеспечивают построение наиболее безопасных судовых ЕЭЭС;
- изготовлением и экспериментальными исследованиями макетных образцов
перспективного электрооборудования, а также стендовыми испытаниями опытных
образцов поставочных комплектов судового электрооборудования ЕЭЭС для судов с элек
тродвижением.
Методы исследования базируются на теории синхронных и асинхронных машин, теоретических основах электротехники, общей теории сложных систем, теории обобщённых электрических машин, методах анализа и синтеза линейных и нелинейных замкнутых систем, теории безопасности, численных методах решения систем алгебраических и дифференциальных уравнений, градиентных методах поиска минимума функции, а также на накопленном опыте и результатах расчётов переходных и установившихся процессов в многоагрегатных судовых машинно-вентильных системах.
На защиту выносятся следующие результаты диссертационной работы:
1. Концепция выбора структур и технической базы реализации вариантов ЕЭЭС
различной мощности.
2. Формализация расчета электромагнитных процессов в многоагрегатных
комплексах генераторных агрегатов для исследования динамических режимов работы
судовых электростанций ЕЭЭС.
3. Методика определения областей параметров многоагрегатных судовых электро
станций, обеспечивающих заданные показатели функционирования судовых генератор
ных агрегатов ЕЭЭС.
4. Математические модели гребных электроприводов и расчётно-обоснованные
рекомендации по их применению в составе электрооборудования систем электродвижения
судов различного назначения.
Математическое обеспечение расчета параметров импульсных преобразователей постоянного тока стабилизаторов напряжения воздухонезависимых энергетических установок на водородном топливе.
Алгоритмы решения задачи получения оптимальных параметров асинхронных электродвигателей заданной мощности, используемых для работы в гребных машинно-вентильных системах.
Процедуры вычисления риска остановки судна из-за отказа оборудования ЕЭЭС или срабатывания защит.
Научная новизна работы
1. Концепция построения структур и технической базы реализации вариантов
ЕЭЭС различной мощности, позволяющая с единых научно обоснованных позиций
формировать варианты судовых ЕЭЭС мощностью от 2 до 50 МВт на основе интеграции
различных типов электроэнергетических и преобразовательных комплексов в рамках
конкретных ЕЭЭС.
2. Формализация расчета электромагнитных процессов в многоагрегатных
комплексах генераторных агрегатов судовых электростанций, позволяющая моделировать
динамические режимы параллельной работы как общепромышленных, так и высокотем
пературных сверхпроводниковых генераторных агрегатов.
Методика определения областей параметров многоагрегатных судовых электростанций, обеспечивающая заданные показатели функционирования судовых генераторных агрегатов ЕЭЭС за счет организации направленного поиска в области параметров основных и дополнительных регуляторов генераторных агрегатов, оптимизирующих созданные системы в условиях ограничений на область параметров регуляторов и распределение нагрузок между параллельно работающими генераторами судовой электростанции.
Математические модели гребных электроприводов на основе уравнений для исследования их режимов работы, позволяющие организовать системы управления, основанные на вычислении дополнительных координат по динамическим моделям с контурами регулирования по скорости и моменту и расчётно-обоснованные рекомендации по применению тех или иных электроприводов в составе электрооборудования систем электродвижения судов различного назначения.
Математическое обеспечение расчета параметров импульсных преобразователей постоянного тока стабилизаторов напряжения воздухонезависимых энергетических
установок на водородном топливе, отличительной чертой которых является независимость выходного напряжения стабилизатора от изменения напряжения, удельной мощности ЭХГ и их массы, получая улучшенные технические показатели режимов работы подводных аппаратов.
Алгоритмы решения задачи получения оптимальных параметров асинхронных гребных электродвигателей заданной мощности, используемых для работы в гребных машинно-вентильных системах, позволяющие выявить зависимость активного ядра указанных электродвигателей от варьируемых электрических и конструктивных параметров. В результате решена задача выбора отимальных частот для гребных электродвигателей различной мощности.
Процедуры вычисления риска остановки судна из-за отказа оборудования ЕЭЭС или срабатывания защит, которые на основе оценки их вклада в создание опасной ситуации делают возможной оптимизацию созданной системы по фактору риска среди допустимого множества рассматриваемых вариантов.
Практическая ценность работы состоит в том, что в результате теоретических, экспериментальных исследований и опытно-промышленного внедрения созданы технические предпосылки решения проблемы создания отечественных конкурентоспособных судов с системами электродвижения на базе концепции их построения с применением передовых образцов высоковольтных генераторных агрегатов, электростанций, полупроводниковых преобразователей, систем автоматики, защиты и диагностики. Созданы и введены в эксплуатацию электротехнические комплексы ЕЭЭС для ряда отечественных судов.
Под руководством и с непосредственным участием автора созданы и внедрены:
судовые ЕЭЭС следующих проектов судов: 20180, 22030, 19910, 745.
вспомогательная СЭД подводного аппарата.
опытные образцы высоковольтных ЕЭЭС для судов ледового плавания;
опытные образцы энергетической установки на базе топливных элементов с твердополимерным электролитом.
макетные образцы системы электродвижения с высокотемпературным сверхпроводящим электротехническим оборудованием.
- программы математического моделирования многоагрегатных комплексов
машинно-вентильных систем судовых ЕЭЭС переменного и постоянного тока.
- экспериментальные исследования режимов короткого замыкания в электриче
ских цепях высоковольтных ЕЭЭС переменного тока.
Диссертация выполнена на основании:
ФЦП «Национальная технологическая база» на 2007 - 2011 годы.
ФЦП «Развитие гражданской морской техники» на 2009 - 2016 годы.
Внедрение результатов работы. Результаты работы внедрены на судах гражданского назначения; в опытных образцах опытно-конструкторских работ, выполненных по заказам Министерства промышленности и торговли РФ, Министерства науки и высшей школы РФ, Министерства обороны РФ; макетных образцах физических моделей ЕЭЭС, предназначенных для исследования схемных реализаций и обоснования технических требований к опытным образцам перспективных ЕЭЭС судов с электродвижением различного назначения.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на первой Всесоюзной конференции по электромеханике (Ленинград, 1987 г.), на семинарах НТО им. акад. А.Н. Крылова «Экономия топливных ресурсов при испытании судовых ЭЭС» (Ленинград, 1986 г.), на научно-технических конференциях состава ЛЭТИ им. В.И.Ульянова (Ленина) (Ленинград, 1987-1992 гг.), на Координационных советах по строительству судов пр. 745 (Ярославль,
2009 г.), пр. 19910 (Нижний Новгород, 2006 г.), пр. 20180 (Северодвинск, 2007 г.), на Научно-Координационном совете по ключевым технологиям в области электроэнергетики (Москва, 2005 г.), на Научно-Координационном совете по национальной технологической базе (Москва, 2007 г.) и Академии электротехнических наук (Москва, 2009 г.), на межотраслевой конференции в ОАО «Малахит» (СПб, 2010 г.), на 2-ой Российской научно-практической конференции судостроителей (С.-Петербург, 2010 г.).
Публикации по работе. К основным публикациям по теме диссертации относятся 45 работ, в том числе три монографии, 11 статей в изданиях из перечня ВАК, 6 патентов РФ на изобретение, 12 статей и докладов, 13 технических отчетов, 1 официально зарегистрированная программа для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы составляет 348 страниц машинописного текста и включает в себя 214 рисунков и 11 таблиц. Список литературы содержит 309 наименований.
