CC BY
0УДК 004.94:621.313.333
С.В. Попов, О.А. Бурмакин, Ю.С.Малышев
Волжский государственный университет водного транспорта, Нижний Новгород, 603951 e-mail: [email protected]
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ЯКОРНОЙ ЛЕБЕДКИ ПРИ ПИТАНИИ ОТ СУДОВОЙ СЕТИ ЧЕРЕЗ СОГЛАСУЮЩИЙ ТРАНСФОРМАТОР
В статье рассмотрены вопросы выбора установленной мощности согласующего трансформатора для питания электропривода якорно-швартовного механизма (ЯШМ) в условиях ограниченности серии электроприводов лебедок с напряжением питания 220 В. Разработана модель системы электроснабжения электропривода лебедки, получающей питание от судового генератора через согласующий трансформатор. Приведены диаграммы напряжений судовой сети и питания электродвигателя при изменении режимов работы якорно-швартовного механизма. Рассмотрены режимы пуска при номинальной нагрузке, стоянке под током и последующим разгоне до номинальной скорости. Построены диаграммы зависимостей значений падения напряжения сети и питания электродвигателя от изменения загрузки генератора с различными соотношениями мощностей согласующего трансформатора и электродвигателя. Проведен анализ полученных зависимостей с целью сверки соответствия требованиям правил Российского Классификационного Общества (РКО). Сформулированы рекомендации для проектантов судовых систем при выборе палубных механизмов.
Ключевые слова: моделирование судового электропривода, якорно-швартовный механизм, согласующий трансформатор, напряжение питания электродвигателя, значение провала напряжения, коэффициент загрузки генератора.
S.V. Popov, O.A. Burmakin, Yu.S. Malyshev
Volga State University of Water Transport, Nizhny Novgorod, 603951 e-mail: [email protected]
ANALYSING THE RESULTS OF ANCHOR WINCH ELECTRIC DRIVE SIMULATION SUPPLIED FROM SHIP'S NETWORK THROUGH A MATCHING TRANSFORMER
The issues of selecting the installed capacity of the matching transformer for power supply of the electric drive of the anchor-mooring mechanism (AMM) in conditions of a limited series of winch electric drives with a supply voltage of 220 V are discussed. A model of the power supply system of the winch electric drive, powered by the ship's generator through the matching transformer, was developed. Oscillograms of the ship's network voltage and electric motor power supply when changing the operating modes of the anchor-mooring mechanism are given. The modes of starting at rated load, parking under current and subsequent acceleration to rated speed are considered. Diagrams of dependencies of the network voltage drop and electric motor supply on changes in generator load with different ratios of the powers of the matching transformer and electric motor were constructed. The analysis of the obtained dependencies is carried out in order to verify compliance with the requirements of the rules of the Russian Classification Society. The recommendations for designers of ship systems when choosing deck mechanisms are formulated.
Key words: ship electric drive simulation, anchor mooring mechanism, matching transformer, electric motor supply voltage, voltage dip value, generator load factor.
Насыщение судна электрооборудованием и необходимыми для его эксплуатации механизмами является непростой инженерной задачей, особенно в период дефицита и ограниченной возможности подбора импортного оборудования. Оптимальным решением вопроса выбора оборудования является соответствие реальных электромеханических и массогабаритных параметров расчетным.
Особенно остро такие вопросы возникают при подборе палубных механизмов, работающих от судовой сети с напряжением 220 В [1]. Предложенный стандартный ряд промышленно изготовленного оборудования не удовлетворяет конструкторским решениям, что приводит к изменению параметров в сторону увеличения установленной мощности необходимого оборудования [1, 2].
Замена оборудования на более мощное приводит к изменениям чертежей и конструктивных особенностей расположения оборудования на палубах, расчетов остойчивости, нагрузки на электростанцию и др. В ряде случаев наиболее оптимальным вариантом, с точки зрения мощности лебедки и создаваемых моментов на цепной звездочке, будут устройства с электроприводом, рассчитанным на питание напряжением 380 В. Для согласования напряжения цепи питания электропривода лебедки и сети удобно использовать трехфазный трансформатор сухого типа [1].
Применение трансформатора в качестве согласующего устройства требует ответов на несколько вопросов:
- Каково влияние трансформатора на судовую сеть, поскольку трансформатор является активно-индуктивной нагрузкой с изменяемым коэффициентом мощности, зависящим от нагрузки на вторичной обмотке?
- По каким критериям можно определить мощность трансформатора в зависимости от мощности электропривода лебедки?
- Как изменяются характеристики электропривода лебедки при изменении напряжения питания вследствие действия внешней характеристики трансформатора?
Ответы на поставленные вопросы возможно получить при исследовании работы физического оборудования, что связано со значительными экономическими затратами, поэтому более целесообразным вариантом для исследования характеристик электропривода является имитационное моделирование. Моделирование в программе МаЙаЬ позволяет получать как модели, использующие стандартные блоки с ограниченным набором вводимых параметров, так и созданные пользователем блоки, учитывающие больше возмущающих воздействий, с целью повышения точности моделирования.
Исследование работы электропривода с подключением электродвигателя через согласующий трансформатор производилось для трех основных режимов: пуск, работа при номинальной нагрузке и стоянка под током - режим, соответствующий процессу отрыва якоря от грунта. Моделирование выполнялось для двух электроприводов судовых лебедок с применением электродвигателей мощностью (Рд) 1,2 кВт (1,7 кВА) и 5 кВт (6,49 кВА), а также согласующими трансформаторами с номинальными мощностями 2,5; 6,3 и 10 кВА для первого и 6,3; 10 и 40 кВА для второго электродвигателей соответственно.
Модель настроена таким образом, что согласующий трансформатор подключается к судовой сети с включенным к его вторичной обмотке электродвигателем. Анализ степени влияния на судовую сеть каждого из перечисленных электроприводов был выполнен на основе исследования разработанных моделей. Моделирование выполнялось при подключении электропривода к предварительно загруженному на 20; 40 и 60% от номинальной мощности генератору. Коэффициент мощности подключаемой нагрузки равен 0,8.
На рис. 1, а приведены диаграммы напряжений судовой сети при подключении электропривода мощностью 5 кВт через согласующий трансформатор мощностью 6,3 кВт, а на рис. 1, б -напряжение питания электродвигателя, при предварительной загрузке генератора на 60% от номинальной мощности. На диаграмме показано изменение напряжения при подключении электропривода к сети на 0,2-й с, затем происходит его разгон до номинальной скорости в течение 1 секунды с последующей загрузкой до полной остановки на 2-й с.
При подключении нагрузки наблюдается провал напряжения судовой сети Дисс до 17% от номинального значения и существенный провал напряжения питания двигателя Дид до 33%, что свидетельствует о недостаточной мощности согласующего трансформатора.
На диаграммах рис. 2 и 3 приведены зависимости значений провалов напряжения питания электродвигателей, подключенных к генератору через согласующие трансформаторы различной мощности, при пуске Дид% и отрыве якоря от грунта (стоянка под током) Диду% соответственно. На диаграммах рис. 4 и 5 показаны провалы напряжения судовой сети (Дисс% и Диссу%) при тех же режимах.
Из зависимостей следует, что значение падения напряжения питания электродвигателя Дид% уменьшается при увеличении мощности трансформатора Ртр, однако при этом увеличивается значение падения напряжения судовой сети Дисс%.
б
Рис. 1. Диаграммы напряжений при подключении электропривода к генератору, загруженному на 60% от номинальной мощности: а - сети, б - двигателя
а
35 30 25 20
3
< 15
10
0,2
0,4 0,6
кз.г, о.е.
---Ртр/Рд=2 для
Рд=5 кВт
........Ртр/Рд=8 для
Рд=5 кВт
Ртр/Рд=12,5 для Рд=5 кВт
Ртр/Рд=1,5 для Рд=1,2 кВт
------Ртр/Рд=4 для
Рд=1,2 кВт
-•— Ртр/Рд=6 для Рд=1,2 кВт
0,8
5
0
0
Рис. 2. Зависимости величины провала напряжения питания электродвигателя А Uд% при его пуске от коэффициента загрузки генератора кз.г с различными соотношениями мощностей электродвигателя ЯШМ
и согласующего трансформатора
18 16 14 12 ^ 10
3 8 6
4
0,2
0,4 0,6
кз.г, о.е.
Ртр/Рд=2 для Рд=5кВт
Ртр/Рд=8 для Рд=5кВт
Ртр/Рд=12,5 для Рд=5кВт
--Ртр/Рд=1,5 для
Рд=1,2 кВт
--------Ртр/Рд=4 для
Рд=1,2 кВт
Ртр/Рд=6 для Рд=1,2 кВт
0,8
Рис. 3. Зависимости установившегося значения отклонения напряжения питания электродвигателя А иду% при стоянке под током от коэффициента загрузки генератора к3.г с различными соотношениями мощностей электродвигателя ЯШМ и согласующего трансформатора
Рис. 4. Зависимости значения провала напряжения судовой сети А иСС% при пуске электродвигателя от коэффициента загрузки генератора кз.г с различными соотношениями мощностей электродвигателя ЯШМ
и согласующего трансформатора
2
0
0
Рис. 5. Зависимости установившегося значения отклонения напряжения судовой сети АиССУ% при стоянке под током электродвигателя от коэффициента загрузки генератора к3.г с различными соотношениями мощности электродвигателя ЯШМ и согласующего трансформатора
Анализ зависимостей значений провалов напряжений показал, что для обеспечения требований РКО [3] к качеству напряжения судовой электроэнергетической системы соотношение мощностей трансформатора Ртр и электродвигателя Рд должно составлять от двух до четырех крат, однако при увеличении мощности электропривода увеличивается падение напряжения судовой электросети Дисс%, что также следует учитывать при проектировании.
Одним из рабочих режимов электропривода лебедки является режим стоянки под током, когда вал электродвигателя заторможен механизмом [3-7]. По требованиям правил РКО этот режим должен быть обеспечен в течение времени не менее 30 с. Этот факт приводит к тому, что мощность трансформатора Ртр должна быть завышена с целью поддержания пускового момента на валу электродвигателя в течение установленного времени [8].
Было проведено моделирование режимов стоянки электродвигателя с пусковым током для различных мощностей трансформаторов и коэффициентов загрузки генератора, в результате которого построены зависимости, приведенные на рис. 3 и 5. Анализ зависимостей рис. 3 показал, что при стоянке электродвигателя под током с соотношением мощностей трансформатора и электродвигателя равным Ртр / Рд = 4 и более напряжение питания электродвигателя снижается до значений не более 10% от номинального, что находится в допустимых пределах. При этом снижение напряжения судовой сети (рис. 5) достигает 3% и более и зависит от коэффициента загрузки генератора кз.г.
Имитационное моделирование электропривода позволило получить переходные характеристики, которые соответствуют физическим процессам реального оборудования.
Анализ построенных зависимостей показал что:
- величина мощности согласующего трансформатора существенно влияет как на характеристики привода с одной стороны, так и судовую сеть с другой стороны;
- степень влияния на судовую сеть описанной системы в различных режимах зависит от коэффициента загрузки генератора.
Приведенные зависимости могут быть полезны при выборе судового электрооборудования с учетом требований РКО.
Литература
1. Малышев Ю.С., Бурмакин О.А., Попов С.В. Имитационная модель электропривода якор-но-швартовной лебедки, учитывающая режим стоянки под током // Транспорт. Горизонты развития. 2024: Материалы междунар. науч.-практ. форума [Электронный ресурс] / ФГБОУ ВО «ВГУВТ». - 2024. - URL: Ы*р://вф-река-море.рф/2024/2_15^ (дата обращения: 02.10.2024).
2. Малышев Ю.С., Бурмакин О.А., Попов С.В. Имитационная модель электропривода якорной лебедки, работающей от судовой электростанции через согласующий трансформатор: Свидетельство о регистрации программ для ЭВМ 2024662262 от 27.05.24.
3. Правила классификации, постройки и освидетельствования судов ВВП, судов смешанного (река - море) плавания, плавучих объектов [Электронный ресурс]. - URL: https://rfclass.ru/ izdaniya-rko/pravila-klassifikatsii-postroyki-i-osvidetelstvovaniya-sudov-vvp-sudov-smeshannogo-reka-more-plavaniya-pla vuchikh-obektov/ (дата обращения: 20.05.2023).
4. Бурков А.Ф. Основы теории и эксплуатации судовых электроприводов: Учеб. для вузов. -5-е изд., стер. - СПб.: Лань, 2023. - 340 с.
5. Богословский А.П. Судовые электроприводы. Справочник [Текст]: в 2 т. / А.П. Богословский [и др.]; под ред. И.Р. Фрейдзона; Т. 1. - Л.: Судостроение, 1983. - 352 с.
6. Электрооборудование палубных механизмов. Информационный сборник / А.П. Марков и др.; отв. ред. П.И. Струмпе. - М.: ЦБНТИ, 1970. - 91 с.
7. Токарев П.Н. Стоянка судна на якоре в стесненных путевых условиях [Электронный ресурс] // Научные проблемы водного транспорта. - 2024. - № 78. - С. 234-244. - https://doi.org/ 10.37890/jwt.vi78.442.
8. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. В 2-х т. Том 1: Учеб. для вузов. -2-е изд., перераб. и доп. - М.: Изд-во МЭИ, 2004. - 656 с., ил.
