Введение к работе
Актуальность темы Одним из актуальных направлений развития современного производства является повсеместное внедрение энергосберегающих технологий. Это справедливо и для энергоемких автономных объектов и, в частности, для судов различного назначения. При построения судовых электроэнергетических установок в качестве основного источника электроэнергии, как правило, используют дизель - генераторные агрегаты, число и мощность которых определяется исходя из назначения судна, режимов его работы и потребителей. Основным по продолжительности режимом работы многих судов является хо-довый режим при различных скоростях движения. Различие во внешних характеристиках движителя и главного двигателя приводит к тому, что практически во всех скоростных режимах работы судна на валу двигателя может быть избыточная мощность от 20 до 30%. Использование этой избыточной мощности для выработки электроэнергии представляется весьма перспективным, так как позволяет сберегать моторесурс дизель - генераторов судовой электростанции, использовать для получения электроэнергии более тяжелые, и, следовательно, дешевые сорта топлива, повысить надежность и экономичность электроэнергетической системы. Идея использования генераторов отбора мощности или ва-логенераторных установок (ВГУ) известна давно. Начиная с пятидесятых годов и по настоящее время появляются суда с теми или иными ВГУ. При этом всегда перед разработчиками встает проблема получения стабильных параметров электроэнергии ВГУ при переменной, в зависимости от ходового режима, скорости вращения главного двигателя. Эта проблема решается или использованием очень узкого скоростного диапазона ВГУ, или стабилизацией скорости вращения ВГУ механическими или другими вариаторами, а также электрическими методами, обеспечивающими стабильность частоты и амплитуды генерируемого напряжения при переменной скорости вращения вала генератора.
Современное состояние электромашиностроения и силовой техники делает последний способ наиболее предпочтительным. Здесь возможно построение ВГУ, как на базе синхронного генератора, так и асинхронного. При этом у асинхронного генератора на основе машины двойного питания (МДП) с преобразователем частоты (ПЧ) в цепи ротора последний имеет меньшую установленную мощность, чем для варианта «синхронный генератор с ПЧ в статоре».
Использование асинхронной машины давно интересовало исследователей, работающих в области систем генерирования электроэнергии. Общее признание в этом направлении получили работы А.А. Иванова, Ю.Д. Зубкова, С.К. Бохяна, В.И. Радина, СИ. Кициса, М.Л. Костырева, А.В. Новикова, В.А. Лесника и др.
Новый этап в исследование асинхронных генераторных комплексов (ГК) связан с использованием для этой цели МДП. Благодаря широким регулировочным возможностям, МДП-генерагор занимает равноправное место в ряду альтернативных ГК, а по некоторым показателям имеет существенные преимущества. Глубокие научные и практические исследования в области МДП проведены во ВНИИ Электроэнергетики под руководством М.М. Ботвинника и
Ю.Г. Шакаряна, отражены в работах Г.Б. Онищенко, А.Е. Загорского, С.В.Хватова, и др. ученых. Новые возможности по использованию МДП-генератор получил, благодаря последним достижениям в области силовой электроники, созданию современных преобразователей частоты, которые обеспечивают практически синусоидальный ток. Работы по исследованию и внедрению МДП-генератора в автономные установки активно ведутся за рубежом. Например, в Японии фирмой Hitachi, в Норвегии - ABB KraftAs и ABB Corporate Research, в Австралии - Rainbow Power Company, в Германии - AKW, Siemens.
Накопленный мировой и отечественный опыт по исследованию и разработке МДП-генераторов, в частности, для установок отбора мощности, позволяет сделать вывод о несомненной актуальности подобных работ. Необходимость их продолжения связанна в первую очередь, с исследованием электромагнитных и электромеханических процессов. Эти вопросы, на наш взгляд, исследованы еще недостаточно.
Учитывая вышеизложенное целью настоящей диссертационной работы является исследование, разработка и создание судовой валогенераторной установки на основе машины двойного питания.
Цель работы определяет следующие задачи исследования:
сравнительный анализ электротехнического оборудования ВГУ;
выбор рациональных структур генераторного комплекса ВГУ;
исследование стационарных режимов работы ВГУ по схеме МДП при различных преобразователях в роторной цепи асинхронной машины;
расчет эксплуатационных показателей ВГУ;
исследование квазистационарных электромеханических процессов.
Работа выполнена в рамках межвузовских научно-технических и иннова
ционных программ Минобразования России: П.Т.447, "Системы энергосбере
жения и технологии освоения". Головная организация Нижегородский государ
ственный технический университет.
Методы исследования. Исследования выполнены на основе общей теории электрических машин в сочетании с методом векторно-гармонического анализа и теории колебаний многомассовых электромеханических систем. Экспериментальные исследования выполнены на физической модели. Экономическое обоснование проведено с помощью метода годовых приведенных затрат.
Научная новизна. Основные научные результаты заключаются в следующем:
аналитически установлена и практически подтверждена целесообразность применения в ВГУ переменной скорости асинхронного генератора по схеме МДП, обеспечивающего стабилизацию параметров генерируемой электроэнергии;
на основе баланса активных и реактивных проводимостей энергетической системы с ВГУ, получены аналитические зависимости управления преобразователем частоты в роторной цепи асинхронной машины и источником реактивной мощности (ИРМ) при изменяющихся скорости вращения и нагрузки;. .
проведены комплексные исследования стационарных электромаг
нитных процессов ВГУ на основе МДП с различными вариантами преобразова
телей частоты в автономном режиме и при работе параллельно с судовой элек
тросетью, позволяющие производить оценку основных эксплуатационных по
казателей, в том числе качества вырабатываемой электроэнерги;
разработана математическая модель системы судового валопровода и ВГУ для расчета квазистационарных электромеханических процессов с учетом упругих свойств отдельных элементов и наличия возмущающих воздействий в виде пульсации электромагнитного момента МДП, позволяющая проводить анализ и синтез отдельных механических узлов и электрооборудования ВГУ.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:
разработаны инженерные методики расчета стационарных электромагнитных и электромеханических процессов, основных эксплуатационных показателей, оценки качества генерируемого напряжения ВГУ на базе МДП, которые являются основой для проектирования ВГУ;
разработан макетный образец ВГУ.
Реализация результатов. Результаты диссертационной работы внедрены:
в виде проекта по модернизации судовой ВГУ на судах типа "Речной" и "РТ";
в учебном процессе в виде инженерных методик расчета МДП-генератора и МДП-привода в Нижегородском техническом университете и Волжской государственной академии водного транспорта.
В работе автор защищает общие подходы по построению ВГУ переменной скорости вращения и стабильных генерируемых параметров электроэнергии на основе МДП; математические модели ВГУ в автономном режиме и при работе параллельно с судовой электросетью с различными типами преобразователей частоты в роторной цепи; алгоритмы управления ПЧ и ИРМ, обеспечивающие стабилизацию амплитуды и частоты генерируемого напряжения; методики расчета эксплуатационных характеристик, а также показателей качества вырабатываемой электроэнергии МДП-генератором для различных типов преобразователя частоты и режимов работы ВГУ; математическую модель для исследования квазистационарных электромеханических процессов в валопроводе с ВГУ.
Публикация и апробация работы. По теме диссертации опублико-
вано 12 работ, в том числе получено решение о выдаче свидетельства на полезную модель №2000116721/20 (017489), свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №980690. Основные положения работы, ее теоретические и практические результаты, выводы и рекомендации доложены и получены положительные отзывы на следующих научно-технических конференциях и семинарах:
Международная научно-техническая конференция " Бенардосовские чтения", Иваново: ИГЭИ, 1997,1999 г.;
XI научно-техническая конференция "Электроприводы переменного тока с полупроводниковыми преобразователями", Екатеринбург: УГТУ, 1998 г.
научно-техническая конференция "Актуальные проблемы электро
энергетики", Н. Новгород: НГТУ, 1997-1999 г;
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, содержит 175 страницы машинописного текста, 73 рисунка, 9 таблиц, список литературы включающий 128 наименований и приложение.
