книги / Труды IX Международной (XX Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2016 , Пермь, 3-7 октября 2016 г

тической нагрузки, большим количеством мелких и распределенных потребителей, включая объекты газо- и нефтедобычи и их транспорта, подведение центральных сетей нерентабельно.

Перечисленные факторы играют решающую роль при принятии решений о развитии альтернативных АИЭ СЭС ВТП [11-13] с акцентами на экологичность и окупаемость.

I. АНАЛИЗ ТРЕБОВАНИЙ К СЭСВДОЛЬТРАССОВЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ

Основными линейными потребителями (ВТП) электроэнергии являются [20]:

♦установки электрохимической защиты (ЭХЗ),

♦контролируемые пункты линейной телемеханики (КП ТМ),

♦оборудование радиорелейной (РРЛ) связи,

♦газоизмерительные станции (ГИС),

♦узлы запуска (приема) очистных устройств (УЗОУ, УПОУ),

♦газораспределительныестанцииипункты(ГРС, ГРП),

♦узлы редуцирования газа (УРГ),

♦дома операторов, линейных обходчиков (ДО,

ДЛО),

♦вертолетные площадки (ВЛП) и прочее. Технические характеристики основных ВТП пред-

ставлены в таблице.

Технические характеристики основных ВТП

Структурообразование современных СЭС ВТП определяется их индивидуальными особенностями, среди которых главными являются значительная протяженность газопроводов и рассредоточенность ВТП, удаленность объектов от внешних энергоисточников и центральных сетей и малые электрические нагрузки линейных потребителей (2 – 40 кВт).

II. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СЭСВТП

Надежность СЭС линейных потребителей является главным фактором, обеспечивающим стабильное и безаварийное состояние газотранспортных систем. Современные СЭС линейных потребителей МГ проектируются в соответствии с тремя основными вариантами.

Рис. 1. Схема СЭС ВТП на базе БКЭС

спреобразователем энергии Ормат

A.Вариант 1

Централизованное электроснабжение от вдольтрассовой линии ВЛ-6 (10) кВ, запитанной от распределительных устройств компрессорных станций или распределительных сетей ПС 110/10; 35/10 кВ. Требование по категорийности обеспечивается установкой в линии автоматизированных секционирующих пунктов и пунктов АВР. Данные схемы отличаются относительной надежностью, возможностью дистанционного управления, гибкостью алгоритма управления, ресурсом до 50 лет, но имеют существенный недостаток – высокая стоимость строительства и подключения ЛЭП. На рис. 1 представлена типовая структурная СЭС ВТП МГ.

B. Вариант 2

Комбинированная система электроснабжения с питанием от внешних источников (сетей МРСК) в районе размещения ВТП, с установкой понижающей ТП 6 (10) / 0,4 кВ. Требования по категорийности надежности СЭС обеспечивается установкой на площадке АИЭ (дизельные электростанции ДЭС, преобразователи энергии (ПЭ) типа ORMAT, водородные топливные элементы (ВТЭ), микротурбины и прочих).

Именно комбинированные СЭС сегодня наиболее предпочтительны для ВТП, обладая надежностью и гибкостью и сохраняя оптимальную протяженность питающих ВЛ-6 (10) кВ.

C. Вариант 3

В районе размещения площадок ВТП, где отсутствуют ВЛ 6 (10) кВ, применяются полностью автономные системы, например, основным источником электроснабжения является ПЭ ORMAT, резервным источником может выступать ДЭС, ветроэнергетические установки (ВЭУ), солнечные батареи (СБ) и др. (рис. 2).

Рис. 2. Схема электроснабжения ВТП на базе БКЭС с АИП

Независимое (автономное) электроснабжение с питанием от АИП типа ORMAT на основе топливного газа требует существенно меньше капитальных затрат, но обладает зависимостью от наличия топливного газа и необходимостью мониторинга оборудования, а стоимость такихАИЭвнастоящиевремядостаточнавысока.

III. ПРИМЕРЫ ПОСТРОЕНИЯ ВЭУ НА ОБЪЕКТАХ ВТП

Исходя из стохастического характера амплитудночастотных характеристик ветрового потока при законе распределения Вейбулла-Гудрича скоростей ветра, на объемы и качество выработки электроэнергии ВЭУ влияют обоснованный выбор параметров синхронного генератора (СГ) (Руст, ω0) и работа ветротурбины в оптимальных точках соответствующих диапазонов скоростей ветра.

Так, в условиях 115 метеостанций РФ [8,13] расчет основных энергетических характеристик ветра (среднемноголетней скорости ветра V0, удельной валовой мощности Nуд, коэффициента вариации Сv) показал, что диапазон их вариаций достаточно широк и составляет:

V0 = 1,39÷7,48 м/с; Nуд = 0,01÷0,565 кВт/м2. При этом ВЭУ с переменной частотой вращения ветроколеса имеют потенциальную возможность преобразовывать энергию ветра в электрическую с большим коэффициентом использования энергии ветра даже при низких скоростях.

Для получения режимов максимальной энергоэффективности работы ВЭУ в локальных СЭС в условиях случайного характера ветрового потока и потребления необходимо автоматически обеспечивать работу ВЭУ

в оптимальных областях средствами электромеханической части АИЭ.

Наибольшее влияние на процесс выработки электроэнергии ВЭУ оказывают значения стохастических параметров, имеющих метеорологическую (климатическую) и технологическую природу:

♦величина линейной скорости ветра V, м/с;

♦плотность воздуха в ветровом потоке ρ, кг/м3, за-

висящая от текущих значений атмосферного давления ра, МПа, и температуры Тв, °К, воздуха в соответствии

суравнением Клапейрона [8,13];

♦энергопотребление Wпотр, кВт·ч, включая электрическую и тепловую мощности у потребителей (пара-

метр Gm).

Задание управляющего воздействия на ПЧ или мультипликатор изменяется по алгоритмам регрессии:

Для реализации (1) необходимо использовать базу метеоданных для региона размещения ВЭУ и статистически обработать их методами планирования эксперимента. Искомые многопараметрические зависимости получены в виде линеаризованных регрессионных моделей по матричным методам наименьших квадратов.

Математические модели алгоритма управления ПЧ-СГ ВЭУ для работы в оптимальной области получены на основе информации о параметрах работы или экспериментальных данных прототипа. Для этого в (1) найдены параметры“aj” моделивида

где ζ – матрица помех (неучтенных факторов).

В результате расчетов по модели (2) для примера ВЭУ типа «Бриз-5000», расположенных на побережье Ладожского озера, получено 4-факторное уравнение линеаризованной регрессии:

Uз = 12,2 *V + 0,2 * pa + 0,9 * Tв – 0,02 * Gm + 9,6; (3)

которое является искомым алгоритмом инвариантного задания и управления электромеханической системой ВЭУ. Как видно из выражения (3), наибольшее влияние имеют факторы V (12,2) и Tв (0,9).

Ковариационный анализ полученных зависимости (3) показал [13], что данные регрессионные алгоритмы в полной мере отслеживают текущие входные возмущения и корректируют максимум выработки электроэнергии.

Автоматическая стабилизация выходного напряжения ВЭУ обеспечивается в системе инвариантного регулирования СГ-ПЧ (рис. 3), которая содержит: датчики измерения внешних возмущающих воздействий; блок расчета оптимальной скорости вала СГ; ПИ-регулятор напряжения на выходе ВЭУ; систему генерирования ПЧСГ, датчик напряжения, механическую часть ВЭУ.

При возможности стабилизации выходного напряжения средствами автоматической разгрузки потребителей применяют структуру с контуром регулирования выходного тока [8, 13]. На данные структуры ВЭУ

Рис. 3. Структура комбинированной САР локальной ВЭУ: Uтреб – задающий сигнал напряжения; Uз – задающее воздействие по оптимизации ветрового потока; U – управляющее воздействие ПЧ, Uвых – выходное напряжение ВЭУ

Рис. 4. Автономная комбинированная электростанция с возобновляемыми АИП для объектов линейной телемеханики газопровода

получен ряд патентов на полезные модели [5, 6, 22], и они успешно внедрены на объектах МГ (рис. 4).

IV. ЛИНГВИСТИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ПРОГНОЗУ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ВЭУ

Колебания мощности ветрового потока приводят к значительным колебаниям вырабатываемой электрической мощности, и в тех районах, где постоянно имеется ветровой поток, мощность ВЭУ не сможет непосредственно согласовываться с графиком нагрузки даже при оптимизированном ветровом кадастре [13].

Поскольку лингвистическая переменная скорости ветра может быть представлена упорядоченным терммножеством нечетких переменных, то именно лингвистический подход позволяет адекватно провести прогноз выработки электроэнергии [22–26], являясь достаточно гибким, и при его применении можно учитывать мнения экспертов при составлении принадлежностей нечеткой шкалы Бофорта.

В том случае, если местность соответствует относительно равномерному изменению скорости ветра и отклонение случайной величины от математического ожи-

а

б

Рис. 5. Лингвистическая переменная скорости ветра (а) и модель ВЭУ (б)

дания достаточно низкое, то возможна корректировка нечеткой шкалы с уменьшением основания нечетких треугольных функций принадлежностей (рис. 5, а).

Пульсации скорости и энергии воздушного потока вызываются общим характером формирования структуры ветра, местными особенностями ландшафта и рельефа. Простота и наглядность предлагаемого подхода согласования вырабатываемой и потребляемой мощности на основе краткосрочного прогнозирования ведения режима также создают предпосылку для создания адаптивного нечеткого управления.

V. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ

Проведенные исследования по применению прогнозного алгоритма нечеткого управления в задачах распределения мощности в автономной системе электроснабжения с ВЭУ были осуществлены на базе имитационной модели, сконструированной при помощи прикладных программ MATLAB Simulink (рис. 5, б).

Нечёткий контроллер работает под управлением алгоритма Мамдани [25]. Настройка алгоритма производится автоматически, исходя из параметров системы по четырем входным лингвистическим переменным и четырем выходным. Таким образом, составлена система 33 правил нечеткого управления при различных случайных значениях ветрового потока.

В результате моделирования выяснилось, что нечёткий контроллер под управлением алгоритма Мамдани адекватно отрабатывает возложенные на него целевые функции. При этом решение для каждой ситуации определяется за короткое время в режиме «онлайн». Следовательно, можно выделить такие достоинства, как гибкость системы управления, поскольку в процессе

управления контроллер не допускает преждевременных переключений (отметка 0,5).

В процессе исследований доказано, что при более неравномерном суточном ходе ветра и графика электрической нагрузки увеличивается количество переключений, что ухудшает техническое состояние коммутационной аппаратуры. Поэтому снижение переключений в данном случае представляется актуальным. Анализируемые алгоритмы нечёткого регулирования распределения мощности отличаются возможностью лёгкого расширения при появлении необходимости в функциональных требованиях. При изменении целевой функции управления или элементов системы достаточно скорректировать правила нечеткого управления. Нечёткие алгоритмы позволяют производить изменения быстро и адаптированно к новым условиям работы ВЭУ. На основании проведенных исследований можно утверждать, что предлагаемые нечёткие алгоритмы являются достаточно эффективной процедурой прогноза объема вырабатываемой мощности ВЭУ при стохастических неопределённостях и возмущениях.

ВЫВОДЫ

1.В результате анализа работы автономных АИЭ

иструктур ВЭУ выработаны технические требования к комбинированным СЭС для энергоэффективного электроснабжения удаленных объектов.

2.Исследования новых структур автономных СЭС с инвариантными ВЭУ на базе СГ-ПЧ показали, что работа ВЭУ в оптимальных режимах обеспечивает увеличение выработки электроэнергии до 30–50 %.

3.Использование аппарата нечеткой логики позволяет адекватно прогнозировать выработку электроэнергии ВЭУ и расход дизельного топлива.

Библиографический список

1.Энергосбережение и автоматизация электрооборудования компрессорных станций: монография / А.Ф. Пужайло, Е.А. Спиридович, О.В. Крюков [и др.]; под ред. О.В. Крюкова. – Н. Новгород: Вектор ТиС, 2010. 560 c.

2.Энергосбережение и автоматизация электрооборудования компрессорных станций: монография / А.Ф. Пужайло, С.В. Савченков, Е.А. Спиридович [и др.]; под ред. О.В. Крюкова. – Н. Новгород: Вектор ТиС, 2011. Т. 2. 664 c.

3.Крюков О.В. Опыт создания энергоэффективных электроприводов газоперекачивающих агрегатов // Труды VIII Международной (XIX Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2014: в 2 т.: сб. тр. / отв. за вып. И.В. Гу-

ляев. Саранск, 2014. С. 157–163.

4.Крюков О.В. Комплексная система мониторинга и управления электроприводными газоперекачивающими агрегатами // «Передовые информационные технологии, средства и системы автоматизации и их внедрение на российских предприятиях» AITA-2011:

тр. МНПК. М.: ИПУ РАН, 2011. С. 329–350.

5.Автономная система бесперебойного электроснабжения, использующая возобновляемый источник энергии: пат. Рос. Федерация № 113615 20.02.2012 / А.Б. Васенин, О.В. Крюков, В.Г. Титов.

6.Энергетический комплекс: пат. Рос. Федерация № 113085 / А.Б. Васенин, О.В. Крюков, А.В. Серебряков. Опубл. 27.01.2012.

7.Крюков О.В. Встроенная система диагностирования и прогнозирования работы асинхронных электроприводов // Известия ВУЗов. Электромеханика. 2005. № 6. С. 43–46.

8.Серебряков А.В. Энергоэффективные ветроэнергетические установки с оперативной диагностикой для автономных систем электроснабжения: дис. … канд. техн. наук 05.09.03 / ИГЭУ. Иваново, 2013. 171 с.

9.Крюков О.В., Титов В.В. Разработка АСУ автономными ветроэнергетическими установками // Автоматизация в промышлен-

ности. 2009. № 4. С. 35–37.

10.Крюков О.В., Степанов С.Е. Повышение устойчивости работы электроприводов центробежных нагнетателей на компрессорных станциях ОАО «Газпром» // Газовая промышленность. 2014. № 8 (710). С. 50–56.

11.Крюков О.В. Блочно-комплектные системы электроснабжения линейных потребителей магистральных газопроводов // Главный энергетик. 2014. № 6. С. 22–31.

12.Бабичев С.А, Бычков Е.В., Крюков О.В. Анализ технического состояния и безопасности электроприводных газоперекачивающих агрегатов // Электротехника. 2010. № 9. С. 30–36.

13.Серебряков А.В., Крюков О.В. Интеллектуальные ветроэнергетические установки для автономных систем электроснабжения. Н. Новгород: Изд-во НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2014. 120 с.

14.Крюков О.В. Виртуальный датчик нагрузки синхронных машин // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. 2014. № 3. С. 45–50.

15.Крюков О.В., Горбатушков А.В., Степанов С.Е. Принципы построения инвариантных электроприводов энергетических объектов // Автоматизированный электропривод и промышленная электроника: тр. IV ВНПК / под общ. ред. В.Ю. Островлянчика.

Новокузнецк, 2010. С. 38–45.

16.Крюков О.В., Степанов С.Е. Пути модернизации электроприводных газоперекачивающих агрегатов // Електромеханiчнi I енерго-

зберiгаючi системи. 2012. № 3 (19). С. 209–212.

17.Крюков О.В., Серебряков А.В. Система оперативной диагностики технического состояния ветроэнергетических установок // Электротехника. 2015. № 4. С. 49–53.

18.Крюков О.В., Васенин А.Б., Серебряков А.В. Экспериментальный стенд электромеханической части ветроэнергетической установки // Приводная техника. 2012. № 4. С. 2–11.

19.Крюков О.В., Васенин А.Б. Функциональные возможности ветроэнергетических установок при питании удаленных объектов // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. 2014. № 2. С. 50-56.

20.Крюков О.В. Электроснабжение газотранспортных систем на базе ветроэнергетических установок // Главный энергетик. 2015.

№ 3. С. 17–24.

21.Васенин А.Б., Крюков О.В. Проектирование электромеханической части и систем управления ветроэнергетических установок газотранспортных потребителей // Известия Тульского гос. университета. Технические науки. 2011. № 5-1. С. 47–51.

22.Устройство лингвистического диагностирования отказов асинхронного двигателя: пат. Рос. Федерация № 127494 / А.В. Сере-

бряков, О.В. Крюков. 27.04.2013.

23.Крюков О.В., Степанов С.Е., Титов В.Г. Встроенные системы мониторинга технического состояния электроприводов для энергетической безопасности транспорта газа // Энергобезопасность и энергосбережение. 2012. № 2. С. 5–10.

24.Серебряков А.В., Крюков О.В., Васенин А.Б. Нечеткие модели и алгоритмы управления ветроэнергетическими установками // Управление в технических, эргатических, организационных и сетевых системах: мат. конф.; под ред. С.Н. Васильева [и др.].

Тула, 2012. С. 467–469.

25.Серебряков А.В., Крюков О.В. Пути перехода на техническое обслуживание и ремонт электроприводных газоперекачивающих агрегатов по фактическому состоянию // Газовая промыш-

ленность. № 10. 2015. С. 83–86.

Рассмотрен способ торможения и реверса гребного электропривода для осуществления остановки либо изменения направления движения судна содержащего несколько гребных винтов без использования рекуперации энергии в питающую сеть и без использования тормозного прерывателя и тормозного резистора. Приведено аналитическое описание реверсивной механической характеристики гребного винта. Синтезирован алгоритм управления гребной электрической установкой с двумя движителями в режимах торможения и реверса. Приведены результаты математического моделирования реверса гребного электропривода с двумя движителями.

The method of braking and a reverse of the rowing electric drive for implementation of a stop or change of the direction of movement of the vessel containing several rowing screws without use of energy recuperation in a power line and without use of the brake cutout and the brake resistor Is considered. The analytical description of the reverse mechanical characteristic of the rowing screw is provided. The control algorithm by the rowing electrical unit with two propulsions unit in the modes of braking and a reverse is synthesized. Results of mathematical simulation of a reverse of the rowing electric drive with two propulsions unit are given.

Ключевые слова: гребная электрическая установка, гребной электродвигатель (ГЭД), торможение, реверс, стационарный процесс, постоянная времени, электромагнитный момент, механическая характеристика, реверсивная характеристика.

Keywords: the rowing electrical unit, the rowing electric motor (REM), braking, a reverse, stationary process, time constant, the electromagnetic moment, the mechanical characteristic, the reversive characteristic.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в мировом судостроении наблюдается тенденция увеличения строительства специальных типов судов с системами частичного или полного

электродвижения. Режимы работы таких судов имеют ряд особенностей: частое изменение скорости движения, частые торможения и реверсы, применение малых ходов, а также необходимость обеспечения повышенных маневренных качеств, широкого диапазона регулирования скорости вращения гребных винтов и повышенной эффективности работы при резко меняющихся условиях плавания. Вместе с тем стоит отметить, что основной проблемой, ограничивающей массовое использование систем электродвижения, является большое количество преобразований энергии в силовом канале преобразования и, как следствие, большие габариты и масса оборудования гребной электрической установки.

На данный момент времени в качестве гребной электрической установки на судах наибольшее распространение получили установки переменного тока на базе частотно-регулируемого асинхронного или синхронного электропривода. Такой электропривод обеспечивает широкий диапазон регулирования частоты вращения исполнительного гребного электродвигателя и обладает лучшими эксплуатационными характеристиками по сравнению с другими типами электроприводов. Однако такой электропривод наряду с достоинствами имеет и ряд недостатков, связанных с режимом торможения и реверсом гребного электродвигателя. Рекуперативное электрическое торможение гребного электродвигателя связано с переводом гребного электродвигателя в генераторный режим и необходимостью передачи энергий торможения на какой-либо из потребителей, который должен иметь возможность принять эту энергию. Такой режим работы гребного электродвигателя характеризуется большой энергией торможения в короткий промежуток времени. При этом существующие схемы гребных электроприводов строятся так, что энергия рекуперации либо передается на внешние потребители энергии, либо рассеивается в виде тепла на

тормозном резисторе, который с помощью тормозного прерывателя подключается к шинам постоянного тока. Оба этих способа имеют свои недостатки. В первом случае это схемотехнически сложный обратимый преобразователь частоты, содержащий в своем составе большие по массе и габариту входные дроссели, а также необходимость внешней нагрузки кратковременно принять большое количество энергии торможения. Во втором случае это энергетически неэффективное рассеяние энергии в виде тепла в дополнительном тормозном резисторе, который к тому же имеет значительные габариты и массу. Таким образом, проблема с торможением электропривода ГЭУ без использования дополнительного сложного и громоздкого оборудования до сих пор не решена.

I. CПОСОБ ТОРМОЖЕНИЯ ГРЕБНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С НЕСКОЛЬКИМИ ВИНТАМИ

На судах где используются системы электродвижения, установлены два и более движительных винта. Следовательно, в такой структуре появляется возможность передачи энергии торможения с одного винта на другой (другие). Пусть количество работающих гребных электродвигателей равно двум, схема подключений которых приведена на рис. 1.

При необходимости торможения судна гребной электродвигатель М1 переводится в генераторный режим, при этом рекуперируемая энергия поступает на общие шины постоянного тока. Происходит рост напряжения на данных шинах, при этом входные выпрямители напряжения находятся в запертом состоянии. Энергия, рекуперируемая гребным электродвигателем М1, потребляется гребным электродвигателем М2, работающим в двигательном режиме. После остановки гребного электродвигателя М1 он переводится в двигательный режим с направлением вращения в противоположную сторону, а гребной электродвигатель М2, работавший в двигательном режиме, переводится в генераторный режим. Энергия, рекуперируемая электродвигателем М2, пере-

дается на раскрутку гребного электродвигателя М1, переведенного в двигательный режим. После остановки гребного электродвигателя М2 он переводится в двигательный режим, и осуществляется работа гребных электродвигателей М1 и М2 на движение судна назад.

На рис. 2 изображены направления потоков энергии при торможении и реверсе гребного электропривода

сдвумя винтами.

II. МЕХАНИЧЕСКАЯ И РЕВЕРСИВНАЯ

ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРЕБНОГО ВИНТА

В большинстве учебной литературы [1–5] для гребных винтов механическая характеристика М = f(ω) имеет описание квадратичной параболы с коэффициентом, зависящим от скорости и режима движения судна (рис. 3). Механические характеристики винта могут быть получены в относительных единицах. В этом случае за номинальный режим для ледоколов и буксиров принимают работу на швартовой характеристике, а для остальных судов – ход в свободной воде (при номинальной осадке). Характеристики 1 и 2, изображенные на рис. 3, построены в относительных единицах и характеризуют механическую характеристику гребного винта при начале вращения гребного винта с нулевой скорости движения судна (Vc = 0), но и не отражают свойств винта при остановке и реверсе, когда скорость судна отлична от нуля. При этом различают две предельные характеристики: характеристику при движении судна в свободной воде 1 (при номинальной скорости судна) и швартовную характеристику 2 (при нулевой скорости судна). Между швартовной характеристикой и характеристикой в свободной воде располагаются так называемые буксировочные характеристики. Они наблюдаются в том случае, если сопротивление судна при его движении по тем или иным причинам возрастает. Однако при скорости движения судна, отличной от нуля и равной

Рис. 3. Реверсивные механические характеристики гребного винта

номинальной, механическая характеристика будет иметь вид, изображенный на рис. 3 (характеристика, проходящая через точки ABCDE. При этом точка В на данной кривой будет соответствовать текущей номинальной скорости движения судна (Vc = ωB h , где

ωB – угловая частота вращения винта в точке В, h –

шаг винта) а точка А – номинальной частоте вращения гребного винта.

Для отражения поведения винта при остановке и реверсе используют так называемую реверсивную механическую характеристику винта рис. 4, которая характеризует зависимость момента сопротивления от угловой частоты вращения гребного винта при его реверсе. Расчетная реверсивная характеристика строится при неизменной скорости движения судна в первоначальном направлении (стационарный процесс при неизменной скорости движения судна), поскольку постоянная времени гребного винта, как минимум, на порядок меньше постоянной времени судна.

Время реверса судна зависит от инерционных масс, совершающих движение. Инерционность судна, движущегося поступательно, во много раз больше инерционности вращающегося винта и связанных с ним вала, присоединенных масс воды и движущихся частей главного двигателя. Они могут быть охарактеризованы их постоянными времени. Вследствие того, что постоянная времени судна, как минимум, на один порядок больше постоянной времени масс, связанных с вращательным движением винта, за время реверса винта скорость судна изменится незначительно, всего лишь на 2–5 %. Таким изменением скорости судна можно пренебречь, что позволит рассматривать реверс винта при неизменной поступательной скорости движения судна.

III. ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА ОСТАНОВКИ И РЕВЕРСА ГРЕБНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

Произведем математическое описание процесса торможения и реверса гребной электрической установки по предложенному алгоритму.

Для описания поведения винта при остановке и реверсе при скорости судна, отличной от нуля, будем использовать аппроксимированную реверсивную механическую характеристику винта, приведенную на рис. 4, которая характеризует зависимость момента сопротивления от угловой частоты вращения гребного винта при его реверсе.

Аппроксимация механической характеристики винта выполнена с использованием двух парабол:

Mt1 (ω) = 4,73ω2 − 3,31ω− 0,41;

Mt 2 (ω) = −2,4ω2 − 0,41,

аналитически определенным по характерным точкам АВСDE (см. рис. 3) и последующим их сращиванием при переходе ωв через ноль.

Рис. 4. Аппроксимация реверсивной механической характеристики гребного винта

Тогда аналитическая зависимость реверсивной характеристики Mс (ω) имеет вид:

представлено на рис. 4.

Управление скоростью вращения ротора связано с управлением электромагнитным моментом. Эта связь непосредственно следует из основного уравнения движения, записанного в относительных единицах:

Tмех pω* = Mдв* – Mc*,

Введем ограничения на максимально возможное значение электромагнитного момента, развиваемого гребными электродвигателями, равным величине max| Mдв1 | = max| Mдв2 | = 1,2

Используя начальные условия ω1 (0) = 1, Mдв1 = −1,2 и подставляя (1) в (2), получим:

ω1 (t) = 0,35 − 0,206 tg(0,973 t −1,265) при ω1 (t) ≥ 0 ; ω1 (t) = −0,577 tg(1,386 t − 3,282)) при ω1 (t) ≤ 0 .

График функции ω1 (t) изображен на рис. 5.

Тогда мощность на гребном электродвигателе М1 (ГЭД1) при этом определяется как

Pдв1 (t) = Mдв1 ω1 (t) .

Рис. 6. Зависимость Pдв1(t) при торможении и реверсе гребного винта

Используя начальные условия ω2 (0) = 1 и числен-

ное решение (3) относительно электромагнитного момента (4), получим зависимость ω2 (t), график которой

изображен на рис. 7.

Подставляя результаты численного решения (3) относительно ω2 (t) в (4), получим описание того, как

должно меняться значение электромагнитного момента электродвигателя ГЭД 2, график Мдв2(t) функции которой изображен на рис. 8.

Рис. 8. Зависимость Мдв2(t) при торможении и реверсе гребного винта

Рис. 9. Зависимость Pдв1(t), Pдв2(t), Pдв1(t)+Pдв2(t) при торможении и реверсе гребного винта

Рис. 10. Зависимости ω1(t), Мдв1(t), ω2(t), Мдв2(t)

при торможении и реверсе гребного электропривода

Мощности на валах ГЭД 1 и ГЭД 2 определяются согласно формулам

Pдв1 (t) = Mдв1 (t) ω1 (t) ;

Pдв2 (t) = Mдв2 (t) ω2 (t) .

На рис. 9 приведены графики временных зависимостей мощностей на валах гребных электродвигателей ГЭД 1 иГЭД 2. Из данных графиков видно, что до определенного момента времени (до момента вхождения Mдв2 = −1,2

врежим ограничения, при котором Mдв1 = −1,2 ) сумма

мощностей на валу ГЭД 1 и ГЭД 2 равна нулю. При этом нет необходимости сброса энергии торможения на какойлибо из потребителей. После достижения Мдв2 = –1,2 происходит отбор мощности от инверторов напряжения для работыГЭД1 иГЭД2 нареверс.

На рис. 10 изображены результаты моделирования

ω1(t), Мдв1(t), ω2(t), Мдв2(t) при торможении и реверсе гребного электропривода с двумя гребными винтами.

Рассмотренные процессы описывают исключительно процессы, происходящие в гребном винте, но никак не отражают процессы остановки и реверса судна, хотя на них влияют.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод о том, что время реверса, при описанном выше алгоритме управления и заданных исходных данных

(Tмех, max| Mдв |) иначальныхусловиях(ω1(0) = 1, ω2(0) = 1),

увеличилось на 3 с по сравнению с управлением торможением и реверсом с использованием схем с рассеиванием энергии торможения в виде тепла на тормозном резисторе либо рекуперацией энергии торможения в питающую сеть. Такое увеличение времени торможения и реверса гребного электропривода не сопоставимо со временем остановки и реверса судна, которое, как минимум, на порядок больше. Таким образом, предложенный способ торможения и реверса гребной электрической установки позволяет осуществлять торможение и реверс гребных электродвигателей без использования сложных силовых схем и дополнительного оборудования в силовом канале электрического преобразователя. При этом время торможения и реверса ГЭУ увеличится незначительно по отношению к остановке и изменению направления движения судна.

Библиографический список

1.Айзенштадт Е.Б., Гилерович Б.А., Горбунов Б.А., Гребные электрические установки. Л.: Судостроение, 1985.

2.АкуловЮ.И. Гребныеэлектрическиеустановки. М.: Транспорт, 1982.

3.Быков А.С., Башаев В.В. Гребные электрические установки атомных ледоколов. CПб.: Элмор, 2004.

4.Гребные электрические установки / А.Б. Дарьенков, Г.М. Мирясов, В.Г. Титов [и др.]. Н. Новгород, 2014.

5.Основы проектирования гребных электрических установок / Н.А. Кузнецов, П.В. Куропаткин, А.Б. Хайкин [и др.]. Л.: Судостроение, 1972.

6.Михайлов В.А., Рукавишников С.Б. Фрейдзон И.Р. Электродвижение судовиэлектроприводсудовыхмеханизмов. Л.: Судостроение, 1965.

7.Росин Е.И. Автоматизированные гребные электрические установки. Движение судна и его главная установка: текст лекции /

ЛЭТИ. Л. 1986. 48 с.

Приведена структурная схема математической модели системы координированного управления электроприводом укатывающего вала в зависимости от угла поворота сновального вала, а также переходные процессы в системе электропривода.

A block diagram of the pressure beam electric drive control system’s mathematical model which coordinated to the warping beam’s rotating angle as well as transients in the electric drive system are given.

Ключевые слова: электропривод, сновальный вал, укатывающий вал, математическая модель.

Keywords: electric drive, warping beam, pressure beam, mathematical model.

ВВЕДЕНИЕ

Исторически сложившаяся технология формирования основы путем одновременной перемотки сотен отдельных нитей с бобин шпулярника на сновальный вал, несмотря на кажущуюся простоту технической реализации, имеет ряд существенных трудно устранимых недостатков, связанных со сложностью контроля натяжения каждой нити, что в условиях действия большого числа случайных возмущений приводит к их обрывам и периодическому останову оборудования. Все эти факторы в той или иной степени связаны с силами трения, действующими на движущиеся нити. Уменьшить их влияние возможно за счет систем автоматической стабилизации скорости движения основы, а также координированного управления электроприводами механизмов сновального и укатывающего валов. В связи с этим разработка и внедрение таких систем представляют существенный практический интерес.

I. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА

Рассмотрим построение и математическую модель одного из возможных вариантов [3] такой системы электропривода, обеспечивающей координированное управление движением механизмов сновального и укатывающего валов, принцип действия которой иллюстрируется функциональной схемой (рис. 1).

Здесь в процессе намотки основы 1 на сновальную паковку 2 с помощью электропривода 3 механизма сновального вала наблюдается отклонение фактического радиуса Rф паковки, измеряемого датчиком радиуса 4, от его теоретического значения Rт, вычисляемого блоком 5 в соответствии с формулой спирали Архимеда [1] на основе информации о толщине основы и числе оборотов N сновального вала и соответствующего равномерной плотности намотки.

Полученная разность R = Rт – Rф подается на блок 6 задания давления укатывающего вала 7 на паковку 2 измеряемого датчиком давления 8. Управляющий отводом укатывающего вала сигнал P = Pз – P, где Рз и Р – сигналы, соответствующие заданному и текущему значениям давления, подается на релейный блок 9, коммутирующий напряжение управления Uу на входе электропривода укатывающего вала 10, соответственно включая его отвод при P > Рз.

Для привода механизма сновального вала используется асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором, получающий питание от преобразователя частоты с векторным регулированием координат [4]. Механизм укатывающего вала, работающий в кратковременном режиме, приводится в движение асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором, скорость которого регулируется преобразователем частоты [5, 6].