CC BY
4УДК 621.313:629.5.064.5
Ю.В. Стреляева, А.А. Марченко
Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: [email protected]
ПОСТРОЕНИЕ ОДНОКОНТУРНОЙ МОДЕЛИ ГРЕБНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
На сегодняшний день моделирование электротехнических процессов в современных пакетах программ позволяет исследовать системы. Целью данной работы является исследование гребной электрической установки. Для проведения полноценного эксперимента по регулированию частоты вращения гребного элетродвигателя в системе генератор - двигатель необходимо выполнение нескольких последовательных задач. Первой задачей является настройка модели таким образом, чтобы ее характеристики соответствовали реальной установке. Второй задачей является введение возмущений в систему и фиксация изменения параметров. Третья задача - отследить изменения характеристик системы и сделать соответствующие выводы. Авторами данной статьи были выполнены первые две задачи, а также даны рекомендации по дальнейшему исследованию системы.
Ключевые слова: гребной двигатель, электрический ток, механическая мощность, момент, частота сети.
U.V. Streliayeva, A.A. Marchenko
Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003 e-mail: [email protected]
CONSTRUCTION OF SINGLE-CIRCUIT MODEL OF ELECTRICAL PROPULSION INSTALLATION
To date, modeling of electrical processes in modern software packages allows you to investigate systems. The purpose of this work is to study electrical propulsion installation. To conduct a full-fledged experiment to control the speed of rotation of the propeller electric motor in the Generator Engine system, several consecutive tasks must be performed. The first task is to configure the model so that its characteristics correspond to the real installation. The second task is to introduce perturbations into the system and fix the change in parameters. The third task is to track changes in the characteristics of the system and draw appropriate conclusions. The authors of this article completed the first two tasks, and also made recommendations for further study of the system.
^y words: propulsion motor, electric current, mechanical power, torque, mains frequency.
На сегодняшний день одной из главных задач Северного флота является освоение Арктики.
Для этих целей на верфях Российской Федерации закладываются новые современные суда ледокольного типа. Главной особенностью таких судов является главная энергетическая установка и система электродвижения. В условиях ледового плавания необходимым условием к гребной электрической установке являются высокая маневренность и возможность выдерживать большие нагрузки, являющиеся неотъемлемой частью такого вида плавания. Главное требование - изменение частоты вращения гребного винта в широком диапазоне для своевременного изменения режимов его работы при изменении условий плавания.
Большинство ледоколов включают системы на постоянном токе. Такие установки получили распространение благодаря простоте регулирования скорости гребных электродвигателей, а также высокой надежности.
Появление электронных преобразователей электрической энергии позволило все эти преимущества применять наряду с преимуществами систем на переменном токе в гребных электрических установках двойного рода тока. Это привело к значительному улучшению характеристик
таких систем. ГЭУ по системе синхронный генератор - неуправляемый выпрямитель - двигатель постоянного тока удачно сочетают в себе простоту управления скоростью гребного двигателя в широком диапазоне и уменьшение массогабаритных параметров такой системы. Уменьшение количества генераторов также напрямую увеличивает надежность такой системы.
На сегодняшний день все же подавляющее большинство гребных электроустановок работают на постоянном токе, выполненные по системе генератор - двигатель (Г-Д). Такая система позволяет регулировать скорость электродвигателя в широких пределах. В такой гребной электроустановке ГЭД получают питание от отдельных генераторов. Чаще всего возбуждения двигателей и генераторов является независимым. Для возбуждения электрических машин применяются специальные возбудители, кроме отдельных случаев с питанием от судовой электроэнергетической установки.
В основе такой системы - регулирование гребного электродвигателя путем изменения напряжения якоря. Преобразователем постоянного напряжения является генератор постоянного тока. Изменение частоты вращения электродвигателя может осуществляться при изменении напряжения генераторов или магнитного потока электродвигателя с одновременным изменением напряжения генераторов. Изменение направления вращения гребного двигателя может происходить при помощи изменения как направления тока в якоре электродвигателя, так и его магнитного потока [1].
Принципиальная схема ГЭУ по системе генератор - двигатель изображена на рис. 1.
В данной схеме изменение скорости вращения гребного электродвигателя осуществляется путем изменения тока возбуждения возбудителя в его независимой обмотке (НОВ).
Изменение тока происходит с помощью реостата на посту управления (ПУ). Также ПУ отвечает за изменение направления магнитного потока и вследствие этого изменения направления вращения ГЭД.
Наиболее часто в схемах гребных электрических установок применяется последовательное соединение главных машин, работающих на разные гребные валы. Последовательное соединение является нормальным режимом работы ГЭУ и не требует сложной системы управления.
Параллельное соединение главных генераторов требует сложной схемы регулирования с возможностью точной синхронизации, а также распределения мощности между генераторами в широком диапазоне от минимальной до максимальной.
Наряду с применением уравнительных соединений необходимо также наличие систем регулирования для приводных двигателей, позволяющих поддерживать постоянство частоты вращения при изменении нагрузок на валу гребного двигателя.
Далее представлен процесс моделирования гребной электрической установки на постоянном токе по системе генератор - двигатель. На первом этапе моделирования были приняты следующие допущения:
1. Не учитываются механические потери, упругие деформации и зазоры в механических соединениях.
2. Пренебрегается влияние вихревых токов, гистерезиса, изменения коэффициента самоиндукции.
3. Пренебрегается влияние реакции якоря.
4. Принята линейная зависимость магнитного потока от тока возбуждения.
5. Магнитный поток ГЭД остается постоянным и равным номинальному.
6. Механическая характеристика гребного винта квазистационарная и квадратичная.
На рис. 2 показана модель гребной установки. Модель состоит из четырех блоков. Блок 1 представляет собой приводной двигатель. В рамках разработки данной модели было принято
Рис. 1. Принципиальная схема ГЭУ
использовать электродвигатель переменного тока с питанием от трехфазной сети бесконечной мощности. Так как система предполагает работу приводного двигателя с неизменной частотой, а моделирование двигателя внутреннего сгорания не имеет практического применения в данной модели, то данное решение является целесообразным. Блок 2 представляет собой главный генератор постоянного тока, соединенный механически с приводным двигателем. Блок 3 представляет собой гребной электродвигатель постоянного тока с независимым возбуждением. Электродвигатель получает питание от генератора 2 и регулируется изменением его напряжения. Блок 4 является совокупностью измерительных элементов. В рамках моделирования производилось отслеживание следующих характеристик: ток возбуждения генератора, напряжение генератора, ток электродвигателя, частота вращения двигателя, момент двигателя [2].
Рис. 2. Модель гребной электрической установки
Для проведения экспериментов по работе ГЭУ в различных режимах необходимо выполнить следующие задачи. Во-первых, необходимо получить модель установки, параметры которой соответствуют параметрам реальной системы, применяемой на судах. Рабочие диаграммы системы найти в открытом доступе практически невозможно. Выходом из сложившейся ситуации может быть сравнение полученных характеристик в результате моделирования с каталожными данными [3] электрической машины.
Во-вторых, необходимо произвести эксперимент по регулированию скорости электродвигателя. Главной особенностью рассматриваемой системы является возможность плавного регулирования частоты, поэтому для проведения эксперимента возможно производить несколько запусков системы с регистрацией полученных данных. Построенные диаграммы могут свидетельствовать о наличии данного режима в системе (рис. 3).
Представленная модель имеет как положительные, так и отрицательные качества. Основные недостатки связаны с недостатками именно рассматриваемой системы. Состав ГЭУ по представленной схеме предполагает большое количество электрических машин. Это связано с потерями в КПД всей системы, а также ухудшением габаритных показателей [4].
Также данная модель не предусматривает работу всей системы со всеми переключениями питания между контурами и включение нескольких генераторов на гребной электродвигатель.
На следующем этапе моделирования планируется создать систему, состоящую из нескольких контуров с возможностью последовательного включения генераторов.
Главным положительным качеством модели является ее идентичность с реальной системой. Так как система генератор - двигатель получила широкое распространение, в дальнейшем возможно путем изменения параметров системы проводить эксперименты на ГЭУ различных судов. Также подобный подход для изменения частоты вращения ГЭД может применяться в других,
более современных системах. Таким образом, при дальнейшей модернизации модели можно работать с более совершенными системами. Например, при введении модели полупроводникового преобразователя напряжения можно получить модель ГЭУ двойного рода тока.
б
а
Рис. 3. Результаты моделирования: а - ток электродвигателя; б - скорость электродвигателя; в - момент электродвигателя
в
Литература
1. Акулов Ю.И. Гребные электрические установки: Учебник. - М.: Транспорт, 1982. - 264 с.
2. Труднее 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. Труднее С.Ю. Компьютерное моделирование полупроводниковых преобразователей // Вестник Камчатского государственного технического университета. - 2020. - № 52. - С. 18-26.
4. Марченко А.А., Портнягин Н.Н. Моделирование процесса динамического нагружения асинхронного электродвигателя // Современные проблемы науки и образования. - Пенза, 2012. -№ 6. - С. 125-125.
