Размещено на http://www.allbest.ru/

????????? ?? http://www.allbest.ru/

Вдосконалення системи регулювання генераторних агрегатів автономної суднової електростанції

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Суднова електростанція (СЕС) є електромеханічним комплексом, призначенням якого є забезпечення безперебійного постачання споживачам електричної енергії необхідної якості та кількості. Вимоги до параметрів електроенергії на судні регламентуються «Правилами класифікації та побудови морських суден» Регістра судноплавства України (Правила Регістра).

Якість електроенергії на судні визначається взаємодією всіх елементів генераторних блоків (ГБ), що включають: приводний двигун (дизель), синхронний генератор (СГ), механічне навантаження пропульсивного комплексу на валу дизеля (для валогенератора), систему збудження та системи автоматичного керування величиною і частотою напруги, розподілом потужностей між паралельно працюючими генераторами.

Складність забезпечення судна електроенергією необхідної якості обумовлена обмеженістю потужності ГБ СЕС і наявністю безлічі дестабілізуючих чинників, які являють собою випадкові зміни параметрів елементів генераторних блоків і взаємний вплив генераторів у процесі розподілу потужностей між ними. Як показує досвід експлуатації, вирішальний вплив дестабілізуючі чинники здійснюють на перехідні процеси в судновій електростанції, що є причиною виникнення надмірних за амплітудою і слабко згасаючих коливань напруги і частоти в судновій мережі. Через обмеженість потужності ГБ, під час комутації в мережі потужних електроприймачів судна, нерідкі випадки випадання генераторів з синхронізму.

Явище нестійкої роботи, тривалих коливань напруги паралельно працюючих суднових генераторів описано в багатьох публікаціях і відзначається електромеханічними службами, що здійснюють експлуатацію флоту.

Класичні регулятори, які застосовуються в системах автоматичного керування (САК) ГБ, безумовно, забезпечують якісне регулювання статичних параметрів електричної енергії - величини і частоти напруги станції. Проте, класичними регуляторами не забезпечується якість динамічних процесів і, зокрема, стійкість паралельно працюючих СГ в умовах дії дестабілізуючих чинників і взаємного впливу генераторів у складі суднової електростанції. Відсутні методики синтезу класичних регуляторів за великого порядку диференціальних рівнянь ГБ. Класичні регулятори часто переналагоджуються вручну обслуговуючим персоналом.

Нерозв'язаною в судновій електроенергетиці залишається проблема забезпечення тривалої паралельної роботи валогенератора (ВГ) з дизель-генераторами (ДГ) суднової електростанції. Паралельна робота ВГ і ДГ дозволяє зменшити вартість виробленої на судні електроенергії. Відомі на сьогодні засоби автоматичного керування частотою обертання ВГ, через коливання моменту опору на гребному гвинті, не можуть забезпечити стабільності частоти обертання ВГ. Через це Правила Регістра дозволяють паралельну роботу ВГ і ДГ суднової електростанції лише на короткий термін для переведення навантаження.

Таким чином, розробка нових методів і засобів автоматичного керування ГБ за критеріями забезпечення якості електроенергії і стійкої паралельної роботи генераторів суднової електростанції в умовах дії дестабілізуючих чинників, є одним з основних напрямків розвитку сучасних суднових автоматизованих систем керування в Україні й за кордоном.

Великий внесок у розробку систем автоматичного керування паралельною роботою генераторів внесли теоретичні й практичні дослідження Болотіна Б.І., Вайнера В.Л., Богомолова В.С., Власенко А.О., Стражмейстера В.О., Токарєва Л.М., Вєнікова В.А., Sedaghati A.A, Loukianov A.G., Soto-Cota A.Е. Проте, завдання забезпечення необхідних показників якості регулювання частоти, напруги і потужності у перехідних режимах і стійкості паралельної роботи СГ залишаються актуальними.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи входить до загального комплексу науково-дослідних робіт КДМТУ, виконуваних відповідно до плану НДР «Підвищення надійності, технічної ефективності та економічності електрообладнання, електропостачання та автоматики суден» (номер державної реєстрації 0104U009623).

Мета і завдання досліджень: вдосконалення систем регулювання генераторних агрегатів суднової електростанції для стабілізації параметрів електричної енергії з урахуванням характеру електричного навантаження й умов експлуатації.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні логічно пов'язані завдання:

1. Отримання числових оцінок впливу різних умов експлуатації і режимів роботи генераторів та їх приводних дизелів на динамічні характеристики дизель-генераторних і валогенераторних агрегатів з метою використання їх у розробках систем адаптивного регулювання генераторних блоків СЕС.

2. Розробка математичної моделі електромеханічного комплексу у складі дизель-генераторних і валогенераторного агрегатів для судна з гвинтом регульованого кроку, орієнтованої на застосування в системах керування агрегатами регуляторів ковзного режиму (РКР).

3. Синтез адаптивних САК частотою і величиною напруги генераторних агрегатів з еталонною моделлю та сигнальним налагодженням на базі РКР і фаззі-регулятора.

4. Синтез регуляторів адаптивної системи розподілу активної і реактивної потужностей генераторів автономної суднової електростанції.

Об'єктом дослідження є перехідні процеси в судновій електростанції з паралельно працюючими синхронними генераторами.

Предметом дослідження є компенсація впливу дестабілізуючих експлуатаційних чинників на динамічні характеристики перехідних процесів за частотою, напругою, потужністю за паралельної роботи синхронних генераторів суднової електростанції.

Методи досліджень. Для розв'язання поставлених завдань використовувався математичний апарат сучасної теорії автоматичного керування, система рівнянь Парка-Горєва для СГ, диференціальні рівняння динаміки головної енергетичної установки, методи систем зі змінною структурою (ковзні режими) і нечіткої логіки.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

1. Розроблено нові математичні моделі, які пов'язують єдиним описом паралельно працюючі синхронні генератори та їх приводні двигуни у складі багатомашинного електромеханічного комплексу автономної СЕС в умовах дії дестабілізуючих експлуатаційних чинників і застосування в САК регуляторів ковзного режиму.

2. Вперше запропонована й реалізована структурна декомпозиція багатомашинної СЕС на основі критерію подібності ГБ один одному у динамічному відношенні, що досягається в межах застосування адаптивних САК генераторними агрегатами з однаковими еталонними моделями, причому, еталонна динаміка реалізується за допомогою РКР.

3. Запропоновано нові структури адаптивних САК частотою і величиною напруги паралельно працюючих ГБ автономної СЕС і розподілом потужності між ними за критеріями стабілізації показників якості регулювання напруги суднової мережі на основі РКР і фаззі-регуляторів.

4. Розроблена нова САК валогенератором, яка дозволяє забезпечити його тривалу паралельну роботу з дизель-генераторами суднової електростанції у реальних погодних умовах роботи судна з урахуванням крутильних коливань валопровода.

Практичне значення отриманих результатів полягає у тому, що розроблені нові адаптивні регулятори величини і частоти напруги генератора, які не вимагають періодичного ручного налаштування, дозволяють отримати сталі динамічні і статичні характеристики САК збудженням генераторів і частотою виробленої напруги під час дії дестабілізуючих чинників і зміні параметрів електричного навантаження.

Розроблені адаптивні регулятори частоти обертання головного двигуна, що дають можливість вмикати валогенератор на тривалу паралельну роботу з дизель-генераторами автономної суднової електростанції.

Розроблена і впроваджена у навчальний процес у Керченському державному морському технологічному університеті експериментальна установка, яка є фізичною моделлю СЕС, дозволяє досліджувати будь-які режими за паралельної роботи синхронних генераторів і використовується для підготовки суднових електромеханіків.

Розроблені адаптивні регулятори частоти і величини напруги синхронних генераторів прийняті до впровадження на суднах Севастопольським ТОВ «Південремавтоматика». Очікувана економія палива за паралельної роботи валогенератора з судновою мережею досягає 8% (з Акту впровадження).

Особистий внесок здобувача.

Роботи [1,4,5,7] виконані без співавторів. У роботах [2,3], виконаних у співавторстві, здобувачем встановлений ступінь впливу дестабілізуючих чинників на динамічні характеристики генератора, розроблена математична модель регуляторів ковзного режиму для системи збудження синхронного генератора. У статті [6], виконаної у співавторстві, здобувачем встановлений ступінь впливу дестабілізуючих експлуатаційних чинників на динамічні характеристики головного двигуна, запропонований новий математичний опис роботи головного двигуна судна з регулятором ковзного режиму.

Апробація результатів дисертації.

Зміст роботи та її основні положення доповідалися і дістали схвалення на науково-технічній конференції «Електротехніка і електромеханіка 2005» (Національний університет кораблебудування, м. Миколаїв), на науково-практичній конференції в Таврійській державній агротехнічній академії (м. Мелітополь, 2006 р.), на міжнародних конференціях «Проблеми АЕП 2006» (Одеський національний політехнічний університет) і «Автоматика-2006» (Вінницький національний технічний університет), на науково-технічних семінарах ДонНТУ (м. Донецьк, 2008 р.) і ОдНПУ (м. Одеса, 2008 р.).

Публікації. Основні результати дисертації викладені в 6 наукових працях у спеціалізованих науково-технічних виданнях, які входять до Переліку ВАК України.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків і списку літератури, що містить 123 найменування на 12 сторінках. Матеріал дисертації викладений на 154 сторінках: 142 сторінки основного тексту, 49 ілюстрацій, 3 таблиці. Додатки обсягом 129 сторінок оформлені у вигляді окремого тому.

Основний зміст роботи

автоматичний напруга генераторний адаптивний

У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульовані мета і завдання досліджень, дана характеристика наукової новизни та практичної значимості.

У першому розділі виконані огляд літератури і докладний аналіз сучасного стану питання дослідження в розробках українських і закордонних авторів у галузі керування генераторами та їх приводними двигунами. Розглянуто основні проблеми, що стосуються забезпечення сталої паралельної роботи генераторів і забезпечення якості регулювання величини і частоти напруги СЕС.

Внаслідок аналізу різних методів керування було обрано для розробки в дисертації адаптивне регулювання, засноване на ковзних режимах. Це керування належить до класу адаптивних, яке дозволяє ефективно керувати в умовах невизначеності. Вибір регулятора ковзного режиму (РКР) обґрунтований наступними положеннями:

- з РКР компенсується зміна параметрів елементів системи, тобто вплив дестабілізуючих чинників;

- з РКР формуються еталонні динамічні характеристики для окремих генераторів;

- за рахунок вибору однакових динамічних характеристик окремих генераторів досягається структурна декомпозиція СЕС, яка означає, що генератори в перехідних процесах не обмінюються зрівняльними струмами, і, у цьому випадку, кожен генератор може бути описаний мінімальною системою власних рівнянь Парка-Горєва (РПГ) без урахування рівнянь інших генераторів;

- застосування РКР приводить до зниження порядку диференціальних рівнянь еквівалентної системи, що є передумовою простого синтезу регуляторів САК генераторними блоками.

Крім РКР, необхідно використовувати фаззі-регулятор, який дозволяє гасити високочастотні коливання, обумовлені застосуванням ковзного регулятора. Сукупність РКР і фаззі-регулятора в роботі названа адаптивним регулятором.

У другому розділі розраховані числові оцінки впливу дестабілізуючих експлуатаційних чинників на обертальний момент дизеля. Розглянуті основні чинники, числова оцінка впливу яких необхідна для розв'язання завдання проектування адаптивних регуляторів частоти обертання і системи розподілу активної потужності дизель-генераторів і головного двигуна з валогенератором. До таких чинників належать такі: тиск, температура і вологість навколишнього середовища; протитиск вихлопних газів на випуску з циліндрів, опір повітря на впуску; температури охолодної води і мастила; кут випередження подачі палива; параметри газообміну і фаз газорозподілу; тиск наддування; тиск упорскування палива і якість його розпилення; нерівномірність подачі палива по циліндрах; зношування циліндро-поршневої групи двигуна; марка застосовуваного палива.

З практики експлуатації відомо, що для кожного з дизелів, що приводять в обертання паралельно працюючі генератори, числові значення вищезазначених чинників різні. Тому, обертальні моменти і динамічні характеристики дизелів різні, внаслідок чого, параметри перехідних процесів зміни частоти обертання і кутів навантаження синхронних генераторів різні. Розходження параметрів перехідних процесів спричиняють появу зрівняльних струмів між паралельно працюючими генераторами. Ці струми створюють на валу кожного генератора додатковий електромагнітний момент і впливають на частоту його обертання і кут навантаження. За значних за амплітудою коливань зрівняльного струму, частоти і кута навантаження, один з генераторів може випасти з синхронізму, а це - аварія в судновій електростанції.

Встановлено, що експлуатаційні чинники і метеорологічні умови навколишнього середовища змінюють момент дизеля в межах -20%…+4%.

Третій розділ присвячений дослідженню впливу умов плавання судна і крутильних коливань валопровода на момент опору гребного гвинта.

До умов плавання судна віднесені: швидкість руху судна; дія хвиль, вітру та поверхневих течій; крок гвинта; обростання корпусу і гвинто-стернового комплексу; режим роботи судна (хід з вантажем, у баласті, буксирування, тралення, робота на швартовах тощо).

Умови плавання судна змінюють момент опору гребного гвинта, впливають на частоту його обертання і кутове прискорення. Циклічні зміни опору гребного гвинта і крутильні коливання валопровода є причинами виникнення надмірних коливань частоти напруги валогенератора. Компенсувати коливання частоти напруги валогенератора неможливо за допомогою сучасних засобів автоматики керування головним двигуном.

Отримано числові оцінки впливу умов плавання судна на момент опору гребного гвинта. Оцінки потрібні надалі при розв'язанні завдання оптимізації налагоджень РКР за критерієм зменшення амплітуди коливань кута навантаження валогенератора.

Внаслідок досліджень установлено, що умови плавання судна змінюють момент опору гребного гвинта до півтора рази.

У четвертому розділі на основі модифікації рівнянь Парка-Горєва запропонована істотно нова математична модель синхронного генератора, яка враховує струми підживлення від інших генераторів. Модель орієнтована на використання її при проектуванні РКР збудження генератора.

Нова математична модель синхронного генератора, що працює паралельно з іншими генераторами СЕС, має опис у вигляді системи рівнянь (1), до яких введені коефіцієнти дестабілізуючих чинників:

- К_?=0,4…1 - коефіцієнт, що характеризує намагнічування ланцюга основного магнітного потоку і, отже, зміну опорів взаємної індукції X_ad, X_aq, розраховується з характеристики намагнічування ланцюга;

- К_?=0,9…1,1 - коефіцієнт, що характеризує залежність опорів взаємної індукції X_ad, X_aq від частоти напруги генератора;

- К_R=0,725…1,165 - коефіцієнт, що характеризує залежність активного опору від температури.

(1)

Структура класичної системи РПГ така, що зрівняльні струми не можуть бути в ній безпосередньо враховані. Їх поява віднесена до зміни опорів навантаження генератора через коефіцієнти K_d і K_q (рис. 1), де i_г1d і i_г1q - струми по осях d і q досліджуваного генератора, i_г2d і i_г2q - струми підживлення (зрівняльні струми) від інших генераторів, що працюють паралельно з описуваним генератором. Ділянки схем, які містять опори навантаження R_H, X_H і коефіцієнти K_d і K_q, замінені на еквівалентні опори R_HKd(q) і X_HKd(q) (рис. 2). Рис. 2 також ілюструє структуру диференціальних рівнянь статора СГ (1), в яких немає класичних змінних U_d і U_q, тому що вони дорівнюють нулю.

Рис. 2. Еквівалентні схеми ланцюга статора, які враховують струми підживлення генераторів.

Отримано вираз для визначення моменту на валу генератора з урахуванням наведених коефіцієнтів дестабілізуючих чинників:

, (2)

де w_С - кругова частота обертання поля статора СГ.

В експлуатаційних умовах на кожен генератор з числа паралельно працюючих діють різні за рівнем дестабілізуючі чинники. Тому, і перехідні процеси зміни струмів збудження в усіх цих генераторів, і перехідні процеси електрорушійної сили (ЕРС) також різні. Це приводить до появи зрівняльних струмів між генераторами в процесі розподілу між ними реактивного навантаження, а для кожного генератора - до появи струмів підживлення. У цій роботі за критерій керування збудженням генераторів прийнятий критерій формування для кожного з паралельно працюючих генераторів однакового за формою графіка перехідного процесу струму збудження i_f. Правомірність такого критерію перевірялася шляхом математичного та фізичного моделювання системи. За реалізації цього критерію спостерігалося зменшення амплітуд коливань реактивних струмів кожного генератора і напруги мережі (рис. 9).

Для формування еталонних графіків перехідного процесу струмів i_f генераторів застосовані РКР. Під час проектування РКР врахована та його особливість, що за великої частоти перемикань у ньому і повільних змінах K_d, K_q немає необхідності знати дійсні значення K_d, K_q у будь-який момент часу, а досить знати тільки межі їх зміни. У роботі запропонована методика розрахунку граничних значень K_d, K_q.

Перехідні процеси зміни струму збудження за паралельної роботи генераторних блоків на малих інтервалах часу (на мікрорівні) описуються повними диференціальними рівняннями генераторних блоків (ГБ). На великих інтервалах часу (на макрорівні) перехідний процес зміни струму збудження генераторних блоків відповідає аперіодичній ланці першого порядку зі сталою часу, однаковою для всіх паралельно працюючих ГБ. Особливість запропонованої САК полягає в тому, що для неї істотним є макрорівень. Як показали результати математичного та фізичного моделювання, коливання регульованих сигналів напруги і струму збудження на мікрорівні надзвичайно малі і ними можна знехтувати.

Вхідними сигналами САК (рис. 3) є: задана напруга на статорі U_zad, задана реактивна потужність генератора Q_zad. Розроблений у роботі адаптивний регулятор збудження складається з двох РКР. РКР1 стабілізує динамічні характеристики перехідного процесу зміни струму збудження генератора. РКР2 стабілізує динамічні характеристики перехідного процесу зміни напруги статора. За допомогою фаззі-регуляторів ФР1 і ФР2 гасяться високочастотні коливання малої амплітуди поблизу сталих значень регульованих, відповідно, РКР1 і РКР2 сигналів.

У САК передбачене також регулювання реактивної потужності. Задана реактивна потужність генератора Q_zad визначається за формулою:

,

де Q_i.пас - паспортна реактивна потужність і-го СГ, а - сума паспортних реактивних потужностей усіх паралельно працюючих генераторів;

Q - повна реактивна потужність навантаження електростанції;

w_i - коефіцієнт уставки реактивної потужності для і-го генератора.

За допомогою адаптивного регулятора сформовані однакові динамічні характеристики перехідних процесів струму збудження і ЕРС. Завдяки цьому зменшилася амплітуда коливань реактивних струмів генераторів (рис. 9), отже, і зрівняльних струмів. Заглушення зрівняльних струмів дозволяє описати генераторні блоки диференціальними рівняннями без рівнянь зв'язку між блоками. Кожен генераторний блок у складі електростанції набуває властивість автономного елемента. Цим реалізована структурна декомпозиція багатомашинної СЕС у вигляді подібних у динамічному відношенні модулів САК збудженням генераторів.

Розроблено новий математичний опис динаміки дизеля, що приводить в обертання генератор, у вигляді наступного рівняння:

(3)

де Т_к - стала часу турбонаддування, К_к - відношення моменту дизеля з наддуванням до моменту дизеля без наддування, K_пл - коефіцієнт передачі паливної ланки.

Модель послужила основою для розв'язання всіх питань моделювання перехідних процесів зміни частоти обертання генераторних блоків і синтезу адаптивних регуляторів.

Хоча рівняння динаміки дизелів (3) для всіх одне, але, через відмінність числових значень параметрів, які входять до них, перехідні процеси частоти обертання генераторів не співпадуть, і між ЕРС генераторів буде існувати зсув електричних фаз, пропорційний інтегралу від різниці частот обертання дизелів.

Через різницю електричних фаз ЕРС паралельно працюючих генераторів, миттєві значення їх ЕРС будуть неоднаковими і, тому, між генераторами з'явиться зрівняльний струм. Він є сильним збурюючим сигналом для генератора, здатним створити значні за амплітудою і тривалі за часом коливання потужності, частоти і кута навантаження СГ, аж до випадання генератора з синхронізму.

Для компенсації взаємного впливу генераторів і експлуатаційних чинників на динамічні характеристики перехідного процесу зміни частоти обертання дизеля (частоти напруги генератора) розроблений адаптивний регулятор (рис. 4). Розрахунки проводилися на основі рівняння динаміки дизеля з турбонаддуванням (3). Для проектування РКР отриманий опис дизельної установки разом з сервоприводом рейки паливного насоса у вигляді передавальної функції 3-го порядку:

(4)

b - коефіцієнт передачі сервопривода; K_дж - коефіцієнт передачі імпульсного джерела живлення; К_пер - коефіцієнт передачі редуктора сервопривода; K_? - коефіцієнт передачі датчика частоти обертання; J - момент інерції всієї установки; - чинник стійкості.

Адаптивний регулятор, що складається з РКР і фаззі-регулятора, формує еталонну передавальну функцію другого порядку САК частотою обертання дизеля (частотою напруги генератора) з налаштуванням на технічний оптимум. В усіх дизель-генераторів однакові динамічні характеристики перехідних процесів частоти обертання, завдяки цьому компенсується перетікання активної потужності між паралельно працюючими генераторами. Структурна схема, наведена на рис. 4, отримана вперше і дозволяє легко змінювати кількість врахованих зовнішніх сигналів.

Результати математичного моделювання вказують на зменшення амплітуди коливання частоти f напруги дизель-генераторів (рис. 5, а) для адаптивної САК (рис. 4). Сталі часу для графіків перехідних процесів частоти f не залежать від значень дестабілізуючих чинників. Адаптивна САК частотою напруги, налаштована на технічний оптимум, стійка. Наявність регулюючих сигналів за потужністю практично не впливає на динаміку контуру частоти (рис 5, б) через велику інерційність контуру активної потужності. Моделювання виконувалося з урахуванням обмежень за положенням рейки паливного насоса. Для обмеження перерегулювання за частотою, під час регулювання потужності введений задавач інтенсивності у вигляді інерційно-інтегруючої ланки.

Перехідні процеси зміни частоти f напруги генераторів описуються на мікрорівні (малих проміжках часу) передавальною функцією (4), а на макрорівні (великих проміжках часу), як у ланки 2-го порядку з заданими динамічними характеристиками для САК, налаштованої на технічний оптимум.

Математичний опис динаміки головного двигуна з валогенератором уперше одночасно враховує: вплив крутильних коливань валопровода через момент скручування вала ДM_sk+ДQ; зміну моменту опору гребного гвинта залежно від дії хвиль, що оцінено функцією f(t); взаємний вплив валогенератора і паралельно працюючого ДГА суднової електростанції. Він має вигляд:

де

На одному валу з валогенератором знаходиться потужне джерело збурювань - гребний гвинт. Через коливання моменту опору на гребному гвинті, кут навантаження валогенератора може перевищити 180є у штормових умовах плавання судна, що унеможливлює його роботу паралельно з судновою мережею.

Для компенсації впливу дестабілізуючих експлуатаційних чинників і зміни моменту опору гребного гвинта, був розроблений адаптивний регулятор частоти обертання головного двигуна з валогенератором (рис. 7).

Передавальна функція головного двигуна, наведена на рис. 7, має вигляд:

Запропоновані адаптивні регулятори на основі РКР спроектовані на підставі доведених у теорії систем зі змінною структурою умов потрапляння на лінію ковзання й існування стійкого ковзного режиму вздовж неї. За цих обставин, прийнятим лініям ковзання відповідають стійкі ланки. Розроблені адаптивні САК величиною і частотою напруги є стійкими. Розроблені регулятори належать до класу адаптивних з еталонною моделлю та сигнальною адаптацією.

Комп'ютерне моделювання перехідних процесів зміни частоти напруги валогенератора проводилося з урахуванням крутильних коливань валопровода. Крутильні коливання валопровода викликають високочастотні коливання в перехідних процесах зміни частоти напруги і кута навантаження валогенератора на фоні коливань, викликаних моментом опору на гребному гвинті.

П'ятий розділ присвячений експериментальним дослідженням перехідних процесів у системах збудження синхронних генераторів з розробленим адаптивним регулятором і класичним ПІ-регулятором. Перевірка теоретичних результатів проводилася на фізичній моделі установки, що складається з двох генераторних блоків, які містять приводний двигун, синхронний генератор малої потужності, системи керування величиною і частотою напруги, системи автоматичного розподілу активної та реактивної потужностей. Генератори навантажувалися номінальними за струмом активним і активно-індуктивним навантаженнями. Для контролю сигналів розроблений спеціальний вимірювальний блок, вихідними сигналами якого є напруга, сигнали активного та реактивного струмів кожного генератора.

На фізичній моделі підтверджені теоретичні результати ефективності застосування адаптивного регулятора збудження.

Адаптивний регулятор збудження дозволив стабілізувати вид графіка перехідного процесу зміни напруги генератора за зміни характеру і величини електричного навантаження, взаємного впливу генераторів, змін температури обмоток. Завдяки зазначеному збігу динамічних характеристик істотно зменшені коливання реактивних струмів генераторів порівняно з САК, які обладнані класичними ПІ-регуляторами. В останньому випадку розмах коливань реактивного струму перевищував 100% зі споживанням з мережі реактивного струму, а це небезпечна для СЕС ситуація. Перехідний процес супроводжувався випаданням генераторів з синхронізму. Порівняльний аналіз результатів математичного моделювання і результатів експерименту свідчить про їх задовільний збіг. У перехідних процесах розбіжності значень реактивних струмів не перевищували 16%, а розбіжності напруг - 2%.

На поромі «Єйськ» були проведені натурні експерименти на паралельно працюючих суднових синхронних генераторах. Внаслідок проведених експериментів було встановлено, що під час налагодження коректорів напруги, що забезпечують однакові сталі часу перехідних процесів змін напруг генераторів зменшилися амплітуди коливань реактивних струмів і напруги суднової мережі за увімкнення/вимикання навантаження.

У додатках наведена: універсальна характеристика дизеля 8NVD48; програми розрахунку регуляторів ковзного режиму і перехідних процесів зміни напруги, частоти, кута навантаження, активної та реактивної потужності дизель-генераторів і валогенераторів; розрахунки крутильних коливань валопровода; розрахунки електричних принципових схем адаптивних регуляторів частоти обертання дизеля і збудження генераторів; програми і акти випробувань; акт впровадження результатів дисертаційної роботи.

Висновки

Теоретичні дослідження, виконані в дисертаційній роботі, дозволили отримати наступні нові результати:

1. Отримані числові оцінки впливу експлуатаційних дестабілізуючих чинників на динамічні характеристики дизеля і умов плавання судна на динамічні характеристики головного двигуна з валогенератором.

2. Розроблені нові математичні моделі генераторних блоків. Моделі пов'язують єдиним описом паралельно працюючі синхронні генератори і їх приводні дизелі, враховують дію дестабілізуючих експлуатаційних чинників. У рівняннях динаміки дизеля, що приводить в обертання генератор, врахований вплив на момент струму збудження, електричного навантаження, інших синхронних генераторів, дестабілізуючих чинників. У диференціальних рівняннях контуру збудження врахований взаємний вплив генераторів, зміна електричного навантаження, магнітної проникності заліза і температури обмоток. Отримано нову структурну схему САК частотою обертання валогенератора на основі диференціальних рівнянь динаміки головного двигуна. У рівняннях враховується вплив зміни моменту опору гребного гвинта, електричного навантаження, збудження і крутильних коливань.

3. Розроблено регулятори ковзного режиму і фаззі-регулятори для запропонованих адаптивних САК збудженням і частотою напруги генераторних блоків, які дозволяють отримати стабільні динамічні характеристики САК генераторними блоками під час дії дестабілізуючих експлуатаційних чинників. За використання регуляторів досягнута ідентичність динамічних характеристик САК частотою і напругою кожного паралельно працюючого генераторного блоку, що виключає перетікання активної та реактивної потужності між ними, компенсує їх взаємний вплив. Цим реалізована структурна декомпозиція багатомашинної СЕС у вигляді подібних один одному в динамічному відношенні модулів САК частотою і напругою окремих генераторних блоків. Регулятори ковзного режиму в запропонованих структурах адаптивних САК частотою напруги і збудженням проектувалися виходячи з умов потрапляння на лінію ковзання і умов стійкого ковзання уздовж неї. З урахуванням цього і вибору виду виразу лінії ковзання, розроблені адаптивні САК є стійкими.

4. Розроблено адаптивний регулятор частоти обертання головного двигуна, що дозволяє реалізувати режим тривалої паралельної роботи валогенератора з дизель-генераторами суднової електростанції за умов хитавиці судна і крутильних коливань валопровода. Внаслідок впровадження розроблених адаптивних регуляторів частоти обертання головного двигуна очікуване зниження загальних витрат палива на судні складе 8% (з Акту впровадження).

5. Методами математичного та фізичного моделювання підтверджена ефективність застосування розробленого адаптивного регулятора збудження. Для проведення фізичного моделювання спроектована і виготовлена експериментальна установка, що містить силову частину і функціональні вузли САК збудженням синхронних генераторів з регуляторами ковзного режиму і фаззі-регуляторами. Проведеними експериментами на поромі «Єйськ» було доведено, що за однакових налаштувань сталих часу регуляторів напруги у кожного з паралельно працюючих генераторів, зменшуються амплітуди і тривалість коливань реактивного струму і напруги за увімкнення/вимикання навантаження.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Дворак В.Н. Стабилизация динамических характеристик автоматизированного дизель-генераторного агрегата // Электротехника и электромеханика 2005. - Николаев: НУК, - с. 16-21.

2. Дворак В.М. Синтез регулятора ковзного режиму для системи збудження синхронного генератора/ В.М. Дворак, В.В. Колодяжний // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. - Мелітополь, 2006. - Вип. 40. - с. 41-47.

3. Дворак В.Н. Стабилизация динамических и статических характеристик контура регулирования напряжения судового синхронного генератора / В.Н. Дворак, В.В. Колодяжный // . «Електромашинобудування та електрообладнання». - Одеса: ОНПУ, 2006. - Вип. 66. - с. 391-393.

4. Дворак В.Н. Стабилизация динамических характеристик контура регулирования частоты вращения дизель-генератора при параллельной работе генераторов. // Тезисы докладов международной научно-технической конференции «Автоматика - 2006» - Винница, ВНТУ, 2006. - с. 97.

5. Дворак В.Н. К расчёту реакции САК скользящего режима дизель-генераторного агрегата на внезапное изменение нагрузки и возбуждения. // Рыбное хозяйство Украины» 7/2006. - Керчь, КМТИ, - с. 7-8.

6. Дворак В.Н. Регулятор скользящего режима для управления частотой тока валогенератора / В.Н. Дворак, Д.И. Осовский // . «Электротехника и электроэнергетика» 1/2007. - Запорожье, ЗНТУ, - с. 19-25.

7. Дворак В.Н. Стабилизация динамических характеристик контура регулирования частоты вращения дизель-генератора при параллельной работе генераторов. «Вісник Вінницького політехнічного інституту» 6/2006. - Вінниця, ВНТУ, - с. 46-51.

Размещено на Allbest.ru