Анализ САУ гребной дизель-электрической установки

В данной статье рассмотрена модель корабельного привода который состоит из дизельной установки, генератора и электродвигателя вращающего винт, модель построена с помощью Engee, параметры модели заданы в виде скрипта.

Теоретическое обоснование

Технология передачи энергии от теплового двигателя к гребному винту
включает в себя выработку электроэнергии, её преобразование и согласование
движения электродвигателя и винта. В настоящее время наибольшее распространение получила следующая структура передачи энергии: *тепловой двигатель – электрический генератор – электрический преобразователь – гребной электродвигатель – (редуктор) – винт. Данная структура позволяет синтезировать энергосистему единой, т.е. питающей все потребители, не только винт, но и другие потребители электричества на судне.

Основные достоинствами передачи энергии к винту через электроэнергетическую систему судна следующие:
— Возможность создания установки большой мощности за счет использования работы нескольких генераторов на один гребной электродвигатель и или использование нескольких электродвигателей; — Простота и рациональность размещения и распределения оборудования ГЭУ за счет отсутствия прямой механической связи между дизельный двигателем и винтом. — Применение высокоскоростных дизелей (которые было бы затруднительно использовать при механической передачи энергии). — Работа дизельного двигателя в наиболее благоприятных и экономичных режимах (поддержание скорости вращения в районе номинальной и ограничение или постоянный момент при перегрузках за счет регулирования и поддержания постоянства мощности). — Обеспечение различных режимов электроснабжения (ходовых или маневровых) при оптимальной загрузке генераторных установок, за счет этого, больший КПД при минимальном расходе топлива. — Применение гребных винтов с наилучшим КПД. — Большой диапазон регулирования и как следствие более высокие маневровые свойства. — Возможность осуществления автоматического регулирования или ограничения мощности установки. Например, способность обеспечения автоматического изменения скорости винта для поддержания необходимого хода при изменениях момента сопротивления. — Возможность использования полной мощности при заднем ходе. — Ограничение момента на валу электродвигателя при внезапных ударах или заклинивании винта. — Высокий КПД электрических машин и преобразователей. — Полное устранение вибраций и ударов с гребного винта на тепловые двигатели. — Обеспечение быстрого изменения скорости вращения и ускорения гребного винта, что является важным фактором при выполнении маневра.

Константы необходимые для моделирования

Механические параметры

Tv=1.5; #Механическая постоянная времени якоря двигателя, валопровода и винта

Параметры генератора

T1=0.3; #Обмотка возбуждения генератораG1=0.02; #Проводимость обмотки возбужденияR1=1/G1; #сопротивление обмотки возбужденияL12=R1; #Взаимная индуктивность обмоток возб. и якоряT2=0.01; #Обмотка якоря генератораR2=0.03; #Обмотка якоря генератораDPmeh1=0.02; #Механические потери в номинальном режиме

Параметры двигателя

T4=0.2; #Обмотка возбуждения двигателяR4=R1;   #сопротивление обмотки возбужденияL34=R4; #Взаимная индуктивность обмоток возб и якоряT3=T2; #Обмотка якоря двигателяR3=R2; #Обмотка якоря двигателяDPmeh2=0.02; #Механические потери в номинальном режимеTz=T2+T3; #Цепь якорейRz=R2+R3; #Цепь якорей

Параметры винта

kV=0.6 #Константа режима работы винта в свободной водеMnomV=1-Rz #номинальный относительный момент винта

Параметры дизельного двигателя

Gmax=1; #Максимальный расход топливаOMEGA=0.775; #Скорость дизеля с минимальным расходом топливаTD=5; #Механическая постоянная времени ДИЗЕЛЯM0=0.1; #Момент внутреннего сопротивления ДИЗЕЛЯkm=1; #Коэф. пропорциональности относительного расхода топлива и моментаgn=2.5; #Номинальный удельный расход топлива в о.е.g0=0.949*gn; #Удельный расход топлива в о.е. на скорости OMEGAkN=42600; # Удельная теплота сгорания топливаkoc=1; #Коэф. обратной связи по скорости ДИЗЕЛЯTrD=TD/2; #Постоянная времени регулятора ДИЗЕЛЯkrD=2*TD/TrD; #Коэф. пропорциональности регулятора ДИЗЕЛЯ

Параметры преобразователей напряжения

f=4000; #Частота модуляции преобразователяTi=1/f; #Постоянная времени импульсов (силовая часть)k1=1; #Коэффициент передачи преобразователяfsu=16000; #Частота вычислений системы управленияTsu=1/fsu; #Постоянная времени системы управленияDU=4*0.02; #Падение напряжения на ключахTG=Ti+Tsu+T1; #Постоянная времени преобразователя ОВ генератора, системы управления и ОВ генератораTM=Ti+Tsu+T4; #Постоянная времени преобразователя ОВ ГЭД, системы управления и ОВ ГЭДu1max=1.5; #Максимальное выходное напряжение преобразователя ОВ генератораu3max=1.5; #Максимальное выходное напряжение преобразователя ОВ ГЭДTr1=2*TM; #Постоянная времениTr2=TM/5; #Постоянная времени с форсировкойkT=1; #Коэффициент передачи по токуTm=Tv*Rz; #Электромеханическая постоянная ГЭД, валопровода и винтаKrz=Rz*TG/(2*kT*Tz); #Пропорциональное звено первого контураTr1z=2*kT*Tz/Rz; #Постоянная времени первого контураTr2z=4*Tz; #Постоянная времени второго контураImax=1.0; #Звено ограничения токаTmy=4*Tz; #Постоянная времени передаточной функции контура токаTmy1=2*Tmy; #Постоянная времени первого контураkpc1=Tv/(8*Tmy); #Пропорциональное звено первого контураTmy2=4*Tmy; #Постоянная времени второго контураkpc2=1/(8*Tmy); #Пропорциональное звено второго контура

Как упоминалось ранее, гребная дизель-электрическая установка состоит из
дизеля, электрического генератора с возбуждением со стороны ротора постоянным током, электродвигателя так же с возбуждением со стороны ротора постоянным током, электрических преобразователей. В качестве движителя используется винт с фиксированным шагом. Принципиальная схема гребной дизель-электрической установки приведена на рисунке 1

Исследуемая модель Engee

Также предполагается что для данной схемы электрического привода (рисунок 1) возможны различные способы автоматического управления, в рамках данной статьи будет сравниваться классический и оптимальный способ регулирования. Для этих целей построена схема по которой можно провести сравнение параметром установок с различными способами регулирования (Рисунок 2). Кроме того стоит отметить что для данной математической модели Engee настроен обратный вызов с теми константами которые заданы в скрипте, обратный вызов запускается единоразово при открытии схемы, и если требуется менять значения констант то при открытой схеме нужно запустить скрипт с нужными значениями констант.

Подсистемы входящие в модель

Ниже показано содержимое подсистем входящих в силовую установку (два типа регулирования оборотов винта, силовая подсистема генератор-двигатель, контура САУ обеспечивающие требуемые параметры быстродействия силовой установки)