CC BY
12УДК 621.313.2
А.А. Марченко
Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: marchenko_alx@inbox. ru
ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛИ НА ОСНОВЕ СХЕМЫ ГЛАВНОГО ТОКА ГРЕБНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ НА ПОСТОЯННОМ ТОКЕ
Гребные электрические установки на постоянном токе до сих пор актуальны и находят широкое применение на судах ледокольного типа. Несмотря на все их недостатки, их главными преимуществами являются простота системы и широкий диапазон регулирования скорости гребных двигателей. В данной статье автор представляет первый этап исследования гребных электрических установок при помощи компьютерного моделирования.
Ключевые слова: гребной электродвигатель, генератор, напряжение.
A.A. Marchenko
Kamchatka StateTechnical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003 e-mail: [email protected]
CONSTRUCTION OF A MODEL BASED ON THE MAIN CURRENT CIRCUIT OF A DC ROWING ELECTRIC INSTALLATION
Propeller electric systems on direct current are still relevant and are widely used on icebreaking vessels. Despite all their disadvantages, their main advantages are the simplicity of the system and the wide range of speed control of propeller engines. In this article, the author presents the first stage of the study of propeller electric installations using computer modeling.
Keywords: propeller motor, generator, voltage.
На сегодняшний день перед нашей страной стоит важная задача освоения и укрепления своих позиций в Арктике. Эта задача может быть выполнена только при помощи мощного ледокольного флота. По этой причине сегодня разрабатываются и строятся новые суда ледокольного типа. Главным требованиям к электростанции таких судов является возможность обеспечения большого числа скоростей для оптимального движения во льдах при изменении нагрузки на валу гребного винта. Сегодня для этих целей можно применять системы управления скоростью электродвигателей как постоянного, так и переменного тока. Системы на переменном токе наиболее перспективны, так как позволяют осуществлять регулирование координат электродвигателя в широком пределе, а также осуществлять его плавный пуск и торможение.
Системы на постоянном токе широко используются сегодня, несмотря на все преимущества установок переменного тока. Одним из них являются повышенные маневренные качества. ГЭУ постоянного тока применяются на судах с наиболее тяжелым режимом работы: при частом реверсировании, резком изменении момента на гребном винте вплоть до заклинивания, необходимости создания большого вращающего момента на винте при очень малой частоте его вращения [1].
Также одним из положительных качеств является возможность отбора мощности для питания собственных нужд. На судах с гребной электрической установкой на постоянном токе отсутствует жесткая связь первичного двигателя с винтом. На электроходе винт непосредственно связан с гребным электродвигателем (ГЭД), причем длина валопровода значительно сокращается благодаря размещению ГЭД в кормовом отсеке. Отсутствует туннель гребного вала, уменьшаются потери на трение в подшипниковом узле.
Самым явным преимуществом рассматриваемой системы является бесперебойная работа ГЭУ при оголении гребного винта. В штормовую погоду при килевой качке происходит частичное оголение винта. Дизель, работая практически вхолостую, повышает частоту вращения, что может привести к срабатыванию предельного регулятора скорости и к остановке дизеля, после чего необходим новый запуск. При попадании винта в воду на нем возрастает момент сопротивления пропорционально квадрату возросшей частоты вращения, и дизель вследствие внезапной перегрузки может остановиться. На дизель-электроходе оголение винта не вызывает перебоев в работе гребной установки, так как ГЭД быстро приспосабливается к изменению нагрузки с помощью системы автоматического регулирования.
Самым распространенным типом гребной электрической установки является гребная установка по системе генератор - двигатель. В контуре включены один или несколько генераторов последовательно и один или два - на одном валу электродвигателей. Регулирование частоты вращения ГЭД осуществляется изменением напряжения генераторов. Система Г-Д с обратной связью по току в главной цепи обеспечивает возможность стоянки ГЭД под током при заклинивании гребного винта, круто падающую характеристику ГЭД и защиту от перегрузки; в переходных режимах обеспечивается ограничение бросков тока и плавное протекание процесса пуска, реверса и остановки. Система автоматического регулирования напряжения и магнитного потока ГЭД обеспечивает поддержание постоянства мощности ГЭУ при переходе от режима хода судна в свободной воде к швартовному режиму.
Данная система обладает всеми преимуществами в регулировании координат электродвигателя систем на переменном токе, а также она обладает высокой степенью надежности.
В рамках данного исследования проводилось построение модели гребной электрической установки на постоянном токе по системе генератор - двигатель.
В процессе моделирования были допущены следующие упрощения:
1) не учитывались механические потери;
2) не учитывалось влияние вихревых токов, гистерезиса;
3) не учитывался коэффициент самоиндукции;
3) не учитывалась реакция якоря;
4) зависимость магнитного потока от тока возбуждения принимается линейной;
5) магнитный поток гребной равен номинальному [2].
Ниже представлены дифференциальные уравнения для процессов обмотке возбуждения главных генераторов:
где Uвt - напряжение; iвt - ток;
Дв - активное сопротивление;
Ьв - индуктивность обмотки возбуждения;
t - время.
Дифференциальное уравнение для процессов в цепи якоря:
Uвt = iвt • Дв + Ьв • ^в (О Л,
(1)
где
е^ - eгэдt = и • Д + Ь • &(?) / Л,
е/ = кв. г • Фг(0 • Юг(0
- ЭДС генератора,
(2) (3)
eгэдt = кв гэд • Фгэд • Югэд(0
(4)
- ЭДСгэд, it - ток;
Д - суммарное активное сопротивление; Ь - суммарная индуктивность якорной цепи. Уравнение вращения дизель-генератора:
где
Мд^ - м^=^ю • (0 л,
М/ = км. г • Ф^ • и
(5)
(6)
- момент генератора;
Мд^ - момент первичного двигателя; Лиз - момент инерции дизель-генератора; Юг(0 - скорость дизель-генератора. Уравнение движения гребного двигателя:
Мгэ4 - Мв/ = Лэд • оЮгэд(0 Л, (7)
где мгэд/ = кмГЭД • Фгэд(/) • i(t) (8)
- электромагнитный момент ГЭД;
мв/ = кв • Югэд 2 (0 (9)
- момент сопротивления, создаваемый гребным винтом;
кв - коэффициент, учитывающий конструкцию и условия работы гребного винта; Лэд - суммарный, приведенный к валу ГЭД момент инерции; Югэд(0 - скорость ГЭД.
Перепишем уравнения (1), (2), (5), (7) в нормальной форме Коши с учетом уравнений (3), (4), (6), (8), (9):
{X)/Л = пъ{X)Яъ -/в{X) ЛТъ,
й\ъ {X)/ Л = ке г • Ф/ • Ш - ке ГЭД • Фгэд • И ГЭД (X) • Ц. - ''(X) ' ^,
иг{X)/Л = М^-кжт • Ф/• ' (X) • Ь/ди,, (10)
ЛИ ГЭД V) / Л = км. ГЭД • ФГЭД^ • - кв • Ш ГЭД 2(() • 1/ГЭД •
Произведем нормирование параметров ГЭУ относительно их номинальных значений. Для этого каждая переменная умножается и делится на свое номинальное значение. После преобразований получим систему уравнений в относительных единицах:
' № = пъ * X • кх - /в *{$) • иъ,
* {X )Ж = к2 • 7в * X •И * X - к • ФГЭд * Шэд * (X) • 1ЬВ - ' * {X) • 1Т,
Л И г * {X ^ = к4 • Мдиз * X - к5 • /в * {X) • ' * {X),
Люгэд * = к • ФГэд * X•i * X-к7 • югэд * 2(X),
(11)
■'ъ 2 'в ' ^г ' '"3 ГЭД ГЭД
V • М *X-к •' '
М М диз 1 к5 'в
,, Л = к • Ф * X •! * X■ к И
-ТЭД 6 ГЭД ' ' 1 7 ^ГЭД
где к: = С/в. н /в. н • Дв; (12)
к2 = ин + /н • Д/н; (13)
кз = Ц, - /н • Д/н; (14)
к4 = Мдиз. н Юг. н • Лиз; (15)
к5 = Мг. н Юг. н • Лиз; (16)
кб = Мгэд н Югэд н • Лэд; (17)
к7 = кв Югэд н 2 Лэд; (18)
Гв = Ьв Дв; Т = ЬД (19)
- постоянные времени обмотки возбуждения и якорной цепи.
На основании данной математической модели была построена компьютерная модель в среде компьютерного моделирования МаАаЬ, представленная на рис. 1.
Данная модель включает приводной двигатель 1. В представленной системе его роль выполняет асинхронный двигатель с неизменной частотой вращения. Главный генератор 2 работает в системе генератор - двигатель с гребным электродвигателем постоянного тока 3. Блок 4 представляет собой комплекс измерительного оборудования. Нужно отметить, что данная схема не рассматривает системы возбуждения главного генератора и гребного электродвигателя. Изменение тока возбуждения генератора производилось вручную [3].
Рис. 1. Компьютерная модель
После построения модели первостепенной задачей является ее проверка на соответствие реальной установке. Как правило, обычно сравнивают результаты моделирования в номинальном режиме и паспортные данные системы. В данном случае необходимо проверить момент, ток и скорость вращения электродвигателя в номинальном режиме.
После проведения испытаний было выявлено отклонение в среднем 12%, что свидетельствует о правильности построения модели гребной установки на постоянном токе.
На рис. 2 представлены результаты регулирования скорости вращения двигателя при изменении напряжения главного генератора.
в
Рис. 2. Результаты эксперимента: а - ток гребного двигателя; б - скорость гребного двигателя; в - момент гребного двигателя
Из приведенных диаграмм понятно, что компьютерная модель работает корректно и ее параметры соответствуют параметрам реальной системы.
Основной задачей эксперимента является получение подтверждения плавного изменения скорости гребных двигателей.
Проведенный компьютерный эксперимент позволяет сделать вывод о соответствии модели и реальной гребной электрической установки, а представленный метод регулирования частоты работает в широком диапазоне. Также видно, что изменение частоты вращения происходит пропорционально. Это позволяет сделать вывод о плавности регулирования.
На следующем этапе исследования целесообразно моделирование второго контура и объединение их в систему ГЭУ с изменением момента на валу гребного двигателя относительно нагрузки. Кроме того, при реализации данной модели станет возможна компьютерная имитация параллельной работы главных генераторов, что является неотъемлемой часть ГЭУ.
Литература
1. Акулов Ю.И. Гребные электрические установки: Учебник. - М.: Транспорт, 1982. - 264 с.
2. Труднев С.Ю. Разработка компьютерной модели параллельной работы генераторного агрегата и трехфазного безынерционного источника питания // Вестник государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова. - 2015. - Т. 30. - № 2. -С.191-197.
3. Труднев С.Ю. Компьютерное моделирование полупроводниковых преобразователей // Вестник Камчатского государственного технического университета. - 2020. - №. 52. - С. 18-26.
