Моделювання режимів роботи суднової енергетичної установки комбінованого пропульсивного комплексу із системою керування на основі електронних регуляторів

В результате анализа режимов работы судовой энергетической установки комбинированного пропульсивного комплекса предложены схемы оптимизации математической модели указанного комплекса. Модель основана на применении электронных регуляторов в системах автоматического регулирования и управления дизелем...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:	Електротехніка і електромеханіка
Datum:	2016
1. Verfasser:	Юшков, Є.О
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainian
Veröffentlicht:	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України 2016
Schlagworte:	Електротехнічні комплекси та системи. Силова електроніка
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/147478
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Моделювання режимів роботи суднової енергетичної установки комбінованого пропульсивного комплексу із системою керування на основі електронних регуляторів / Є.О. Юшков // Електротехніка і електромеханіка. — 2016. — № 6. — С. 39-44. — Бібліогр.: 9 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-147478
record_format	dspace
spelling	Юшков, Є.О 2019-02-14T19:54:36Z 2019-02-14T19:54:36Z 2016 Моделювання режимів роботи суднової енергетичної установки комбінованого пропульсивного комплексу із системою керування на основі електронних регуляторів / Є.О. Юшков // Електротехніка і електромеханіка. — 2016. — № 6. — С. 39-44. — Бібліогр.: 9 назв. — укр. 2074-272X DOI: https://doi.org/10.20998/2074-272X.2016.6.07 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/147478 629.5.065.23:62-523.8 В результате анализа режимов работы судовой энергетической установки комбинированного пропульсивного комплекса предложены схемы оптимизации математической модели указанного комплекса. Модель основана на применении электронных регуляторов в системах автоматического регулирования и управления дизелем и подруливающим устройством, которые позволяют реализовать более сложные алгоритмы управления с точки зрения повышения эффективности работы судовой энергетической установки при нормальных и аварийных режимах. У результаті аналізу режимів роботи суднової енергетичної установки комбінованого пропульсивного комплексу запропоновані схеми оптимізації математичної моделі зазначеного комплексу. Модель основана на застосуванні електронних регуляторів в системах автоматичного регулювання і управління дизелем і підрулюючим пристроєм, які дозволяють реалізувати більш складні алгоритми управління з точки зору підвищення ефективності роботи суднової енергетичної установки при нормальних і аварійних режимах. Purpose. Designing of diagrams to optimize mathematic model of the ship power plant (SPP) combined propulsion complexes (CPC) for decreasing operational loss and increasing fuel efficiency with simultaneous load limiting on medium revolutions diesel generator (MRDG) by criterion reducing of wear and increasing operation time between repairs. Methodology. After analyzing of ship power plant modes of CPC proposed diagrams to optimize mathematic model of the above mentioned complex. The model based on using of electronic controllers in automatic regulation and control systems for diesel and thruster which allow to actualize more complicated control algorithm with viewpoint of increasing working efficiency of ship power plant at normal and emergency modes. Results. Determined suitability of comparative computer modeling in MatLab Simulink for building of imitation model objects based on it block diagrams and mathematic descriptions. Actualized diagrams to optimize mathematic model of the ship’s power plant (SPP) combined propulsion complexes (CPC) with Azipod system in MatLab Simulink software package Ships_CPC for decreasing operational loss and increasing fuel efficiency with simultaneous load limiting on medium revolutions diesel generator (MRDG) by criterion reducing of wear and increasing operation time between repairs. The function blocks of proposed complex are the main structural units which allow to investigate it normal and emergency modes. Originality. This model represents a set of functional blocks of the components SPP CPC, built on the principle of «input-output». For example, the function boxes outputs of PID-regulators of MRDG depends from set excitation voltage and rotating frequency that in turn depends from powerstation load and respond that is a ship moving or dynamically positioning, and come on input (inputs) of thruster rotating frequency PID-regulator models. Practical value. The results of researches planned to use in creation of software package Ships_CPC, in Mat Lab/Simulink was developed under the state budget project «Concepts, technologies and ways of improving ship plants combined propulsion complexes» at the Department of Electromechanics and Electrical Engineering of National University «Odessa Maritime Academy» (State registration number 0114u000340) uk Інститут технічних проблем магнетизму НАН України Електротехніка і електромеханіка Електротехнічні комплекси та системи. Силова електроніка Моделювання режимів роботи суднової енергетичної установки комбінованого пропульсивного комплексу із системою керування на основі електронних регуляторів Modeling of operation modes of ship power plant of combined propulsion complex with control system based on electronic controllers Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Моделювання режимів роботи суднової енергетичної установки комбінованого пропульсивного комплексу із системою керування на основі електронних регуляторів
spellingShingle	Моделювання режимів роботи суднової енергетичної установки комбінованого пропульсивного комплексу із системою керування на основі електронних регуляторів Юшков, Є.О Електротехнічні комплекси та системи. Силова електроніка
title_short	Моделювання режимів роботи суднової енергетичної установки комбінованого пропульсивного комплексу із системою керування на основі електронних регуляторів
title_full	Моделювання режимів роботи суднової енергетичної установки комбінованого пропульсивного комплексу із системою керування на основі електронних регуляторів
title_fullStr	Моделювання режимів роботи суднової енергетичної установки комбінованого пропульсивного комплексу із системою керування на основі електронних регуляторів
title_full_unstemmed	Моделювання режимів роботи суднової енергетичної установки комбінованого пропульсивного комплексу із системою керування на основі електронних регуляторів
title_sort	моделювання режимів роботи суднової енергетичної установки комбінованого пропульсивного комплексу із системою керування на основі електронних регуляторів
author	Юшков, Є.О
author_facet	Юшков, Є.О
topic	Електротехнічні комплекси та системи. Силова електроніка
topic_facet	Електротехнічні комплекси та системи. Силова електроніка
publishDate	2016
language	Ukrainian
container_title	Електротехніка і електромеханіка
publisher	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
format	Article
title_alt	Modeling of operation modes of ship power plant of combined propulsion complex with control system based on electronic controllers
description	В результате анализа режимов работы судовой энергетической установки комбинированного пропульсивного комплекса предложены схемы оптимизации математической модели указанного комплекса. Модель основана на применении электронных регуляторов в системах автоматического регулирования и управления дизелем и подруливающим устройством, которые позволяют реализовать более сложные алгоритмы управления с точки зрения повышения эффективности работы судовой энергетической установки при нормальных и аварийных режимах. У результаті аналізу режимів роботи суднової енергетичної установки комбінованого пропульсивного комплексу запропоновані схеми оптимізації математичної моделі зазначеного комплексу. Модель основана на застосуванні електронних регуляторів в системах автоматичного регулювання і управління дизелем і підрулюючим пристроєм, які дозволяють реалізувати більш складні алгоритми управління з точки зору підвищення ефективності роботи суднової енергетичної установки при нормальних і аварійних режимах. Purpose. Designing of diagrams to optimize mathematic model of the ship power plant (SPP) combined propulsion complexes (CPC) for decreasing operational loss and increasing fuel efficiency with simultaneous load limiting on medium revolutions diesel generator (MRDG) by criterion reducing of wear and increasing operation time between repairs. Methodology. After analyzing of ship power plant modes of CPC proposed diagrams to optimize mathematic model of the above mentioned complex. The model based on using of electronic controllers in automatic regulation and control systems for diesel and thruster which allow to actualize more complicated control algorithm with viewpoint of increasing working efficiency of ship power plant at normal and emergency modes. Results. Determined suitability of comparative computer modeling in MatLab Simulink for building of imitation model objects based on it block diagrams and mathematic descriptions. Actualized diagrams to optimize mathematic model of the ship’s power plant (SPP) combined propulsion complexes (CPC) with Azipod system in MatLab Simulink software package Ships_CPC for decreasing operational loss and increasing fuel efficiency with simultaneous load limiting on medium revolutions diesel generator (MRDG) by criterion reducing of wear and increasing operation time between repairs. The function blocks of proposed complex are the main structural units which allow to investigate it normal and emergency modes. Originality. This model represents a set of functional blocks of the components SPP CPC, built on the principle of «input-output». For example, the function boxes outputs of PID-regulators of MRDG depends from set excitation voltage and rotating frequency that in turn depends from powerstation load and respond that is a ship moving or dynamically positioning, and come on input (inputs) of thruster rotating frequency PID-regulator models. Practical value. The results of researches planned to use in creation of software package Ships_CPC, in Mat Lab/Simulink was developed under the state budget project «Concepts, technologies and ways of improving ship plants combined propulsion complexes» at the Department of Electromechanics and Electrical Engineering of National University «Odessa Maritime Academy» (State registration number 0114u000340)
issn	2074-272X
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/147478
citation_txt	Моделювання режимів роботи суднової енергетичної установки комбінованого пропульсивного комплексу із системою керування на основі електронних регуляторів / Є.О. Юшков // Електротехніка і електромеханіка. — 2016. — № 6. — С. 39-44. — Бібліогр.: 9 назв. — укр.
work_keys_str_mv	AT ûškovêo modelûvannârežimívrobotisudnovoíenergetičnoíustanovkikombínovanogopropulʹsivnogokompleksuízsistemoûkeruvannânaosnovíelektronnihregulâtorív AT ûškovêo modelingofoperationmodesofshippowerplantofcombinedpropulsioncomplexwithcontrolsystembasedonelectroniccontrollers
first_indexed	2025-11-24T11:38:35Z
last_indexed	2025-11-24T11:38:35Z
_version_	1850845730239938560
fulltext	ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2016. №6 39 © Є.О. Юшков УДК 629.5.065.23:62-523.8 doi: 10.20998/2074-272X.2016.6.07 Є.О. Юшков МОДЕЛЮВАННЯ РЕЖИМІВ РОБОТИ СУДНОВОЇ ЕНЕРГЕТИЧНОЇ УСТАНОВКИ КОМБІНОВАНОГО ПРОПУЛЬСИВНОГО КОМПЛЕКСУ ІЗ СИСТЕМОЮ КЕРУВАННЯ НА ОСНОВІ ЕЛЕКТРОННИХ РЕГУЛЯТОРІВ У результаті аналізу режимів роботи суднової енергетичної установки комбінованого пропульсивного комплексу за- пропоновані схеми оптимізації математичної моделі зазначеного комплексу. Модель основана на застосуванні елект- ронних регуляторів в системах автоматичного регулювання і управління дизелем і підрулюючим пристроєм, які до- зволяють реалізувати більш складні алгоритми управління з точки зору підвищення ефективності роботи суднової енергетичної установки при нормальних і аварійних режимах. Бібл. 9, рис. 6. Ключові слова: суднова енергетична установка, комбінований пропульсивний комплекс, математичне моделювання, електронний регулятор, підрулюючий пристрій, дизель, динамічне позиціювання. В результате анализа режимов работы судовой энергетической установки комбинированного пропульсивного ком- плекса предложены схемы оптимизации математической модели указанного комплекса. Модель основана на приме- нении электронных регуляторов в системах автоматического регулирования и управления дизелем и подруливающим устройством, которые позволяют реализовать более сложные алгоритмы управления с точки зрения повышения эффективности работы судовой энергетической установки при нормальных и аварийных режимах. Библ. 9, рис. 6. Ключевые слова: судовая энергетическая установка, комбинированный пропульсивный комплекс, математическое моделирование, электронный регулятор, подруливающее устройство, дизель, динамическое позиционирование. Вступ. Протягом останніх років гребні енергети- чні установки (ГЕУ) стали кращим рішенням для деяких видів суден. Так звані комбіновані пропульси- вні комплекси (КПК) з електричними силовими дви- гунами на лінії валу працюють зі змінною швидкістю у всьому діапазоні координат з безпосереднім регу- люванням моменту та живляться від заснованих на багато-шинних конструкціях гнучких систем змінного струму з нерівномірним розподіленням імпедансу [1, 2], які представляють собою єдині електроенергетичні системи з декількома дизель- або турбо-генераторами, що виявили багато переваг у декількох напрямках суднобудування. Економія палива, зниження витрат на обслуговування, поліпшена маневреність, висока надійність, зниження шуму і вібрації – це те основне, що відзначає ці системи на сучасному ринку. Крім того, додаткові початкові витрати, пов’язані зі збіль- шенням числа компонентів, не нівелюють зазначені переваги, тому що подібні системи є дуже гнучкими в плані експлуатації, управління та розташування на борту судна. Електричне обладнання також виявляє високу ефективність у великому діапазоні експлуата- ційних режимів. Але, щоб скористатися всіма перева- гами таких систем, сьогодення вимагає дослідження існуючих моделей ГЕУ КПК, розробки нових моделей і стратегій управління, аналізу та оптимізації їх для морських суден, працюючих у різноманітних експлу- атаційних умовах [3], зокрема у режимі утримання позиції (DP). Постановка задачі. Детальні математичні моделі ГЕУ КПК представлені та вивчаються дуже ретельно продовж останніх років [4], де основний акцент приді- ляється середньо-обертовим дизель-генераторам (СОДГ). Відомо, що суднові системи живлення мають жорсткі вимоги що до напруги і частоти так, що моделі СОДГ, розроблені з цього розгляду, не мають перспек- тив до змінення. Вони відрізняються між собою в елек- троенергетичній частині і у споживанні потужностей. Перетворювачі частоти (ПЧ), підрулюючі пристрої (ПП) та інше внутрішнє навантаження включено у функціональні блоки споживання енергії, із розподілом загальних активної та реактивної потужностей. ПІД- регулятори СОДГ, ПП та автоматичні регулятори на- пруги (АРН) перевіряються з точки зору продуктивно- сті [5], і виявилось, що цього достатньо для імітаційних моделей, які охоплюють основні показники систем живлення суднової енергетичної установки (СЕУ) КПК, але замало для урахування деградаційних ефек- тів, виникаючих на лініях валів [6, 7]. На сучасному етапі технічної експлуатації подіб- них систем стоять наступні проблеми:  дотримання систем вимогам менеджменту якості (Failure modes and effects analysis – FMEA), з якими стикаються на етапі експлуатації;  уніфікація системи управління розподілу потуж- ності (Power Management System – PMS) у комбінації функцій по відношенню до інших подібних;  незалежність складових систем PMS одна від од- ної навіть до рівня датчиків;  не тільки зменшення потужності в розрахунку на загальне розрахункове навантаження, але також і навантаження окремого генератора;  відповідність системи умовам збільшення наван- таження з точки зору достатності для забезпечення нормальної роботи в залежності від будь-якої ненор- мальної ситуації і не перевантажування суднової еле- ктроенергетичної системи (СЕЕС) взагалі. Для вирішення зазначених вище проблем необ- хідно, на підставі теоретичних припущень, що стосу- ються електронних регуляторів і моделей теплових двигунів та підрулюючих пристроїв, розробити схеми оптимізації математичної моделі СЕУ КПК, які б дозволяли реалізувати більш складні алгоритми управління з точку зору підвищення ефективності роботи СЕУ для усього діапазону навантаження. 40 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2016. №6 Ціль статті. Розробка схем оптимізації матема- тичної моделі СЕУ КПК з гвинто-кермовою установ- кою типу Azipod для скорочення експлуатаційних витрат і підвищення паливної ефективності з одноча- сним обмеженням навантаження на СОДГ за критері- єм зменшення зносу та збільшення міжремонтного періоду. СОДГ зазвичай розраховані на короткочасні пе- ревантаження до 115 % від номінального. Генераторні агрегати розташовані по три у двох машинних відді- леннях (МВ). Кожне МВ має незалежну систему до- поміжних механізмів, що включає в себе паливну систему, повітря низького тиску і охолоджуючої води, які мають можливість перехресного підключення. Дві групи з трьох СОДГ підключені до двох основних секцій шин високої напруги. Секції з'єднані між со- бою секційним вимикачем. Від головного розподільного щита (ГРЩ) висо- кої напруги через знижуючи трансформатори отримає живлення розподільні щити (РЩ) власних потреб, а також трансформатори подачі живлення на техноло- гічні електроприводи, притаманні даному типу судна. Система розподілу низької напруги складається з двох основних шин лівого та правого бортів на рівні головної палуби, які живляться від головних трансфо- рматорів високої напруги, з'єднаних між собою вими- качами, що зблокований з трансформатором фідерних вимикачів. Кожен СОДГ обладнаний незалежною системою контролю та регулювання потужністю (рис. 1). Ком- плектні розподільчі пристрої СОДГ містять: реле управління генератором, цифровий модуль синхроні- зації та розподілу навантаження, PLC з інтерфейсами введення/виводу, силові перетворювачі і пульт управ- ління з панеллю сигналізації. СОДГ укомплектовані системою управління (ДАУ, Electro-Motive Diesel Engine Control system – EMDEC), яка забезпечує конт- роль швидкості із замкнутим контуром, інжекторне впорскування, старт/стоп функції і сигналізацію. ДАУ СОДГ живляться від мережі 24/48 В постійного стру- му виділеної батареї/зарядного пристрою. Рис. 1. Конфігурація системи управління СОДГ: PLC – програмований логічний контролер; DMS – система управ- ління даними; RPU – пристрій управління резервним жив- ленням; UPS – пристрій безперервного живлення СОДГ може запускатися з передньої панелі у ру- чному режимі, або дистанційно у режимі «Авто» сис- темою DMS. Розподільчий PLC керує функціями дви- гуна, а модуль цифрової синхронізації та контролю навантаження DSLC керує синхронізацією і розподі- лом потужності. Система DP є подвійно-резервованою (рис. 2). Дві основних операторських консолі управління (ASK1, ASK2) містять керуючі процесори, клавіатури управління і дисплей. Система DP може контролюва- ти до восьми двигунами ПП, у звичайному режимі – до чотирьох. Управляючі консолі розташовані у ходо- вій рубці, де також знаходяться три пристрої обробки сигналів (SPU1, SPU2, SPU3), які представляють со- бою пристрої вводу/виводу сигналів від блоків датчи- ків положення, гіроскопів, датчиків переміщення і вітру. Кожен окремий блок має незалежний канал зв'язку з основним центральним управляючим ком- п'ютером. Рис. 2. Структура системи DP: ASK – Automatic Station Keeping (автоматична станція управління позиціюванням); SPU – Signal Processing Unit (модуль обробки сигналу); HART – Highway Addressable Remote Transducer Protocol (цифровий промисловий протокол передачі даних) Два блоків обробки сигналів (SPU4 та SPU5), ро- зташовані на ГРЩ, виконують функцію обробки сиг- налів управління живленням від двох резервних ін- терфейсних пристроїв вводу/виводу. В якості джерел електричної енергії в ГЕУ КПК використовуються явнополюсні безщіткові синхронні генератори (СГ) високої напруги з дизель- або турбо- приводом. Найбільш зручною формою математичних моделей таких машин є форма подання машини в ортогональній системі координат d,q, що жорстко пов'язана з ротором і обертається разом з ним з син- хронною швидкістю [8]. Дана система координат має переваги перед нерухомою системою координат a,b,c, у якій, при обертанні ротора, осі обмоток статора і ротора взаємно переміщаються, тому фазні змінні напруги, струму та потокозчеплення виражаються періодичними величинами. Вектори напруги, струму та потокозчеплення в перпендикулярно розташованих осях d,q є постійними і нерухомими відносно осей, що виключає взаємоіндукцію між ними і спрощує аналіз моделі. До недоліків моделювання в осях d,q можна віднести неможливість дослідження несиметричних режимів. З метою підвищення наочності моделювання та спрощення аналізу результатів зручніше користу- ватися рівняннями у відносних одиницях. ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2016. №6 41 Для жорстких рамок фіксованої напруги і часто- ти для ГРЩ та РЩ для еталону використовується значення напруги та коефіцієнта потужності на збір- них шинах. Суднова енергосистема є ізольованою і для моделі, що представлена в цій статті, швидкість обертання ротора одного СГ обрана в якості базової, а кути потужності інших генераторів розраховуються по відношенню до неї. Кут потужності базового гене- ратора і напруга на шинах обчислюється модулем навантаження залежно від струмів генератора. Для кожного з СГ використовується модель 7-го порядку, а взаємозв'язок між генераторами здійсню- ється через модуль навантаження, що представляє загальне навантаження в якості змінного імпедансу, що додає векторні складові навантаження до вихідних струмів генераторів і повертає вектор напруги на шинах залежно від характеристики навантаження (постійний імпеданс, постійна потужність тощо). Електричні величини моделюються у осях d,q. На- приклад, модель одного СОДГ складається з моделі дизеля та СГ, ПІД-регулятора швидкості обертання дизеля та АРН (AVR). Функція включен- ня/виключення для кожного СОДГ входить до моделі симуляції навантаження при підключенні/відключенні даного агрегату до ГРЩ. Схема загальної структурі моделі з вхідними та вихідними параметрами показа- но на рис. 3. 1z Регулятор обертів ) (governor та АРН (AVR) 1ДГ 1СГ iДГ iСГ М од ул ь н ав ан та ж ен ня 11, qd ii 1mT 1fu eu 1ω 11, qd uu 11,QP iz qidi ii , miT fiu eu iω iqidi uu δ,,  ii QP, Регулятор обертів ) (governor та АРН ( )AVR set1set1,ω u ii usetset ,ω tltl ,QP Рис. 3. Блок-схема моделі суднової електростанції: z – пали- вний індекс, в.о.; Tm – постійна часу дизеля, с; uf – уставка напруги збудження, в.о.; ω – частота обертання валу СОДГ, рад-1; id, iq, ud, uq – складові струму та напруги по відповід- них осях, в.о.; P, Q – значення активної та реактивної поту- жностей, в.о.; Δδ – кут навантаження, рад Розробляючи математичну модель АРН на основі електронного ПІД-регулятора і силового напівпровід- никового комутатора, необхідно врахувати їх харак- терні особливості [9]. Призначення пропорційно- інтегрально-диференційного (ПІД) регулятора поля- гає у підтримці заданого значення uset деякої вхідної величини шляхом її порівняння з вихідним поточним значенням uе, яке здійснюється за допомогою сигналу негативного зворотного зв'язку ufb.. Різниця цих двох величин і називається неузгодженістю або відхилен- ням від заданої величини. Силовий напівпровідниковий комутатор (СПК) АРН виконує функцію ключа між джерелом постійної напруги і обмоткою збудження безщіткового збудни- ка. Регулювання напруги збудника здійснюється за рахунок регулювання тривалості включеного (від- ключеного) стану напівпровідникового ключа, тобто за рахунок ширини імпульсу, поданого в обмотку збудження збудника. Такий вид регулювання назива- ється широтно-імпульсним (ШІМ), при цьому СПК мають частоту перемикань до 10 кГц. У загальному випадку силовий перетворювач є нелінійною динамі- чною ланкою. Так як частота перемикань значно пе- ревищує смугу пропускання системи, то силовий перетворювач також може розглядатися і як безінер- ційна ланка. Як ланка системи регулювання, СПК зазвичай описується аперіодичною ланкою або лан- кою з запізненням. Для нормальної роботи АРН повинні бути вказа- ні граничні значення вихідної напруги для попере- дження ситуацій перезбудження і недозбудження генератора. Блок обмеження – це стабілізуючий еле- мент. Також модель АРН необхідно доповнити еле- ментом, що описує вимірювальний перетворювач змінної напруги генератора в сигнали постійного струму, адаптований для ПІД-регулятора. Перетворю- вач напруги перетворює сигнали з вимірювальних трансформаторів в цифрові, його передавальну функ- цію можна також виразити через аперіодичну ланку першого порядку. Регулювальним параметром приводного двигуна СОДГ, як об'єкта системи автоматичного регулюван- ня (САР), є частота обертання його валу. Момент, що розвивається двигуном, компенсується моментом втрат і моментом опору генератору, які перешкоджа- ють обертанню валу. Обертаючий момент двигуна безпосередньо залежить від кількості палива, котре поступає в нього, отже, регулюючий вплив на частоту обертання валу двигуна створюється регулюючим органом, що змінює кількість палива. Для дизельного двигуна таким регулюючим органом є рейка паливних насосів високого тиску (ПНВТ). У суднових СОДГ, що виробляють змінний струм, до сталості частоти обертання приводного дизельного двигуна пред'явля- ються найбільш жорсткі вимоги, що забезпечуються вимогами нормативних документів до частоти змін- ного струму суднової мережі, тому необхідно підтри- мувати швидкісний режим роботи приводного дизеля з високою точністю, незалежно від зміни електрично- го навантаження суднової електростанції. Для цієї мети використовуються системи автоматичного регу- лювання частоти обертання. В даний час на суднах старої споруди знаходять застосування механічні та гідромеханічні регулятори частоти обертання дизелів, які зарекомендували себе як надійні працюючі регу- люючі пристрої. Однак функціональні можливості таких регуляторів обмежені, у зв'язку з цим вдоскона- лення сучасних систем автоматичного регулювання (САР) та систем автоматичного управління (САУ) суднових дизелів йде по шляху використання елект- ронних регуляторів на мікропроцесорній основі. Із застосуванням електронних регуляторів в САР і САУ дизелем забезпечується новий, якісно вищий рівень, що дозволяє реалізувати більш складні алго- ритми управління дизелем і забезпечити недосяжні 42 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2016. №6 раніше показники якості процесу регулювання його частоти обертання. Необхідною умовою для такого поліпшення якості процесу регулювання є оптиміза- ція, як структури регулятора, так і його параметрів. Вибір структури регулятора і закону регулювання визначається декількома факторами. У сучасних СЕУ КПК СОДГ оснащені цифровими ПІД-регуляторами частоти обертання. На додаток до цього необхідно також додати блок, що описує сервомеханізм рейки ПНВТ, в якості якого можуть використовуватися виконавчі електродвигуни, а також електрогідравлічні агрегати. У цьому випадку найбільш зручно описати даний елемент за допомогою аперіодичної ланки першого порядку. Сам же дизельний двигун вносить деяке запізнювання з моменту зміни положення рейки ТНВД до відповідної зміни частоти обертання його валу, пов'язано це з часом на протікання хімічних процесів усередині камери згорання, а так само з іне- рцією механічних вузлів. Тому найбільш переважно дизельний двигун уявляється як ланка чистого запіз- нювання. Результати досліджень. Структурні моделі еле- ктронних АРН і регулятора частоти обертання дизеля відповідно до рис. 3, створені на основі математичних моделей його основних елементів, та згідно описаних вище умов, представлені на рис. 4. fu z se tset ω,u   + + + + - setu  + - pk p k і pT pk d d 1 pT pk u u 1pT pk р р 1 eu maxfu minfu  + + + рk p k і pT pk m m 1 maxz minz ω setω pT pk d d 1 П рее творювач напруги АРН (AVR) ПІД-регулятор СПК Регулятор обертів ( )Governor ПІД -регулятор Серводвигун НВТП Рис. 4. Блок-схема регуляторів СОДГ: kр, kі, kd, km, ku – кое- фіцієнти передачі пропорційної, інтегруючої та диферен- ційної ланок відповідно, перетворювача напруги, серводви- гуна ПНВТ та СПК; Tр, Tі, Td, Tр, Tm, Tu – постійні часу пропорційної, інтегруючої та диференційної ланок відпові- дно, перетворювача напруги, серводвигуна ПНВТ та СПК Моделювання будемо проводити у MatLab Simu- link, причому, враховуючи результати досліджень, залежності та передавальні функції регуляторів часто- ти обертання ПП [5], працюючих у різноманітних режимах, що відповідають конкретному експлуата- ційному режиму роботи судна в цілому, спробуємо отримати графіки частота обертання валу ПП та спо- живаної потужності в функції часу та підтвердити адекватність математичних моделей. Для цього засто- совуємо програмний комплекс Ships_CPC, розробле- ний в рамках науково-дослідної держбюджетної ро- боти «Концепції, технології та напрями вдосконален- ня суднових енергетичних установок комбінованих пропульсивних комплексів» Національного універси- тету (Одеська морська академія), який являє собою сукупність функціональних блоків компонентів СЕУ КПК, побудованих за класичним принципом «вхід- вихід». Наприклад, згідно блок-схемі на рис. 3, вихо- ди функціональних блоків ПІД-регуляторів СОДГ залежні від заданих напруги збудження та частоти обертання, які, у свою чергу, залежать від наванта- ження на електростанцію, що відповідає тому руха- ється судно або динамічно позиціонує, та надходять на вхід (входи) моделей ПІД-регуляторів частоти обертання ПП. СЕУ КПК складається з ГРЩ на 11 кВ, розподі- льних щитів, 5 генераторів, 3 азимутальних ПП малої тяги із змінною швидкістю і кілька DOL (Direct On Line) двигунів. Загальна встановлена потужність ста- новить близько 40 МВт, в той час як ПП, потужністю 3×2,8 МВт, отримують живлення від перетворювачів частоти (ПЧ) з 12-імпульсною топологією. Максима- льна швидкість для азимутальних ПП малої тяги 1000 об/хвил, але у схемі на лінії валів присутні понижуючі передачі між двигунами і гребними гвинтами фіксо- ваного кроку (ГФК), але всі виміри взяті безпосеред- ньо з ліній валів за допомогою індукційних давачів, що надають сигнали частоти обертання до DP- контролера. Моделювання із застосуванням стратегії вектор- ного управління та безпосереднього управління мо- ментом і потужністю, як описано у [5], та блок-схем, зображених на рис. 3 і 4, наведено на рис. 5, а відпові- дне споживання ПП потужності – на рис. 6. Рис. 5. Виміряні та модельовані графіки залежності частоти обертання ПП: --- моделювання, — вимірювання Результати моделювання порівнюються з натур- ними вимірами для судна типу Supply vessel, що ви- конує динамічне позиціонування. Для вимірювання на судні були доступні тільки механічні потужності ПП, тож на графіках зображені модульовані залежності споживаної електроенергії і електричні втрати в асин- хронних двигунах ПП. Тимчасові затримки у реєстра- ції даних з вимірів можуть бути пояснені тим, напри- ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2016. №6 43 клад, що у тій же послідовності відбуваються деякі із горизонтальних розбіжностей між моделюванням та вимірюванням. В інших випадках, звичайно, на ре- зультати дуже впливає настройка контролерів, особ- ливо контролерів частоти обертання СОДГ та ПП. Рис. 6. Виміряні та модельовані графіки залежності спожи- ваної ПП потужностей: --- моделювання, — вимірювання Внутрішні контури управління ПП (крутним мо- ментом, потоком і струмом) налаштовуються із як найбільшим коефіцієнтом посилення, для того, щоб дослідити процес швидкодії у регулюванні крутного моменту із збереженням величини потоку якомога ближче до номінального значення для різних умов навантаження. Висновки. 1. Визначено доцільність порівняльного комп'юте- рного моделювання у MatLab Simulink для побудови імітаційних моделей об'єктів на основі їх блок-схем та математичних описів. 2. У середовищі MatLab Simulink реалізовані схеми оптимізації математичних моделей СОДГ і ГЕУ КПК з гвинто-кермовою установкою типу Azipod у про- грамному комплексі Ships_CPC, для скорочення екс- плуатаційних витрат і підвищення паливної ефектив- ності з одночасним обмеженням навантаження на СОДГ за критерієм зменшення зносу та збільшення міжремонтного періоду. 3. Функціональні блоки запропонованого комплек- са є основними структурними одиницями моделей ГЕУ КПК, що дозволяє досліджувати їх нормальні і аварійні режимів роботи. Подальші дослідження будуть проводитися з ме- тою налагодження параметрів математичних моделей АРН і частоти СОДГ в середовищі MatLab Simulink. Методика може бути застосована для попереднього вибору параметрів сучасних електронних регуляторів. Також буде виконано комп'ютерне моделювання про- цесів в ГЕУ КПК з різними типами ПП при: зміні частоти обертання ПП; реверсі; динамічних змінах упорів гребних гвинтів; відмові одного ПП; змінах моментів опору гребних гвинтів. Отримані результати мають виявити характерні зміни основних параметрів ГЕУ КПК у відповідних режимах роботи, що дозво- лить вважати досліджувані моделі адекватними реа- льним об'єктам. СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ 1. Woud H.K., Stapersma D. Design of propulsion and electric power generation systems. IMarEST Publications: London, 2003. – 494 р. 2. Будашко В.В., Онищенко О.А. Удосконалення системи управління підрулюючим пристроєм комбінованого пропу- льсивного комплексу // Вісник НТУ «ХПІ». – 2014. – №38(1081). – С. 45-51. 3. Будашко В.В., Онищенко О.А. Математические основы имитационного моделирования системы управления энерге- тической установкой бурового судна // Вестник Камчатско- го государственного технического университета. – 2014. – №29. – С. 6-13. 4. Hansen J.F. Modelling and control of marine power systems // Doktor ingeniør thesis, Norwegian University of Science and Technology, Department of Engineering cybernetics, Trond- heim, Norway, 2000. – 119 p. Available at: http://www.itk.ntnu.no/databaser/dr_ing_avhandlinger/vedlegg/ 110_pdf.pdf (accessed 21 September 2015). 5. Будашко В.В., Юшков Е.А. Математическое моделиро- вание всережимных регуляторов оборотов подруливающих устройств судовых энергетических установок комбиниро- ванных пропульсивных комплексов // Электронное модели- рование. – 2015. – Т.37. – №2. – С. 101-114. 6. Глазева О.В., Будашко В.В. Аспекти математичного моделювання елементів єдиних електроенергетичних уста- новок комбінованих пропульсивних комплексів // Вісник НТУ «ХПІ». Серія: Проблеми удосконалення електричних машин і апаратів. Теорія і практика. – 2015. – №42(1151). – С. 71-75. 7. Бойко А.А., Будашко В.В., Юшков Е.А., Бойко Н.А. Синтез и исследование системы автоматического симмет- рирования токов асинхронного двигателя с преобразовате- лем напряжения // Восточно-европейский журнал передо- вых технологий. – 2016. – Т.1. – №2(79). – С. 22-34. doi: 10.15587/1729-4061.2016.60544. 8. Черных И.В. SimPowerSystems: Моделирование электро- технических устройств и систем в Simulink / [Электронний ресурс]. URL: http://matlab.exponenta.ru/simpower/book1/2.php. 9. Токарев Л.Н. Системы автоматического регулирования. Учебное пособие. – СПБ.: НОТАБЕНЕ, 2001. – 191 с. REFERENCES 1. Woud H.K., Stapersma D. Design of propulsion and electric power generation systems. IMarEST Publications, London, 2003. 494 р. 2. Budashko V.V., Onishchenko O.A. Improving management system combined thruster propulsion systems. Bulletin of NTU «KhPІ», 2014, no.38(1081), pp. 45-51. (Ukr). 3. Budashko V.V., Onishchenko O.A. Mathematical princi- ples of simulation of power plant’s control system at drill- ship. Bulletin оf Kamchatka State Technical University, 2014, no.29, pp. 6-13. (Rus). 4. Hansen J.F. Modelling and control of marine power systems. Doktor ingeniør thesis, Trondheim, Norway, 2000. 119 p. Available at: http://www.itk.ntnu.no/databaser/dr_ing_avhandlinger/vedlegg/ 110_pdf.pdf (accessed 21 September 2015). 5. Budashko V.V., Yushkov Y.A. Mathematic modeling of all- range controllers speed of thrusters for ship power plants in combined propulsion complexes. Electronic Modeling, 2015, vol.37, no.2, pp. 101-114. (Rus). 6. Glazeva O.V., Budashko V.V. Aspects of the mathematical modelling of the elements for Western Systems Coordinating 44 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2016. №6 Council of combined propulsion complexes. Bulletin of NTU «KhPI». Series: Problems of Electrical Machines and Appara- tus Perfection. The Theory and Practice, 2015, no.42(1151), pp. 71-75. (Ukr). 7. Bojko A.A., Budashko V.V., Yushkov E.A., Bojko N.A. Synthesis and research of automatic balancing system of voltage converter fed induction motor currents. Eastern-European Jour- nal of Enterprise Technologies, 2016, vol.1, no.2(79), pp. 22-34. doi: 10.15587/1729-4061.2016.60544. 8. Chernikh I.V. SimPowerSystems: Modelirovanie elektro- tekhnicheskikh ustroistv i sistem v Simulink (SimPowerSystems: Modeling of electrotechnical devices and systems in Simulink). Available at: http://matlab.exponenta.ru/simpower/book1/2.php (accessed 01 October 2015). (Rus). 9. Tokarev L.N. [Automated regulation systems. Tutorial]. Saint Petersburg, Notabene Publ., 2001. 191 p. (Rus). Надійшла (received) 09.05.2016 Юшков Євген Олександрович, аспірант, Національний університет «Одеська морська академія», 65029, Одесса, ул. Дидрихсона, 8, тел/phone +38 048 7332367, e-mail: ushkov@te.net.ua E.A. Yushkov Оdessa National Maritime Academy, 8, Didrikhson Str., Odessa, 65029. Modeling of operation modes of ship power plant of combined propulsion complex with control system based on electronic controllers. Purpose. Designing of diagrams to optimize mathematic model of the ship power plant (SPP) combined propulsion complexes (CPC) for decreasing operational loss and increasing fuel effi- ciency with simultaneous load limiting on medium revolutions diesel generator (MRDG) by criterion reducing of wear and increasing operation time between repairs. Methodology. After analyzing of ship power plant modes of CPC proposed diagrams to optimize mathematic model of the above mentioned complex. The model based on using of electronic controllers in automatic regulation and control systems for diesel and thruster which allow to actualize more complicated control algorithm with viewpoint of increasing working efficiency of ship power plant at normal and emergency modes. Results. Determined suitabil- ity of comparative computer modeling in MatLab Simulink for building of imitation model objects based on it block diagrams and mathematic descriptions. Actualized diagrams to optimize mathematic model of the ship’s power plant (SPP) combined propulsion complexes (CPC) with Azipod system in MatLab Simulink software package Ships_CPC for decreasing opera- tional loss and increasing fuel efficiency with simultaneous load limiting on medium revolutions diesel generator (MRDG) by criterion reducing of wear and increasing operation time be- tween repairs. The function blocks of proposed complex are the main structural units which allow to investigate it normal and emergency modes. Originality. This model represents a set of functional blocks of the components SPP CPC, built on the principle of «input-output». For example, the function boxes outputs of PID-regulators of MRDG depends from set excitation voltage and rotating frequency that in turn depends from power- station load and respond that is a ship moving or dynamically positioning, and come on input (inputs) of thruster rotating frequency PID-regulator models. Practical value. The results of researches planned to use in creation of software package Ships_CPC, in Mat Lab/Simulink was developed under the state budget project «Concepts, technologies and ways of improving ship plants combined propulsion complexes» at the Department of Electromechanics and Electrical Engineering of National University «Odessa Maritime Academy» (State registration number 0114u000340). References 9, figures 6. Key words: ship power plants, combined propulsion complex, mathematical modeling, electronic controller, thruster, diesel, dynamic positioning.

Моделювання режимів роботи суднової енергетичної установки комбінованого пропульсивного комплексу із системою керування на основі електронних регуляторів

Institution

Ähnliche Einträge