СУДОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ С ВЕНТИЛЬНЫМИ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРАМИ ПЕРЕМЕННОЙ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ
Полная библиографическая ссылка: Григорьев А. В. СУДОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ С ВЕНТИЛЬНЫМИ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРАМИ ПЕРЕМЕННОЙ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ / Андрей Владимирович Григорьев, Сергей Михайлович Малышев, Руслан Ринатович Зайнуллин // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2019. — №1(53). — C. 193-201. DOI: 10.21821/2309-5180-2019-11-1-193-201
СУДОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ С ВЕНТИЛЬНЫМИ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРАМИ ПЕРЕМЕННОЙ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ
Аннотация
Рассмотрены дизель-генераторы (ДГ) в автономных судовых электростанциях (СЭС), работающие по регуляторной характеристике с постоянством частоты вращения. Подтверждено, что эксплуатация ДГ при постоянной частоте вращения в широком диапазоне изменения нагрузок имеет ряд негативных последствий. Выбор количества и мощности ДГ СЭС при условии обеспечения их работы с нагрузкой, близкой к номинальной во всех режимах эксплуатации судна, является весьма сложной и на практике практически нереализуемой задачей. Доказано, что традиционным способом решения проблемы является увеличение количества ДГ или использование генераторов разной мощности, что приводит к увеличению стоимости оборудования и снижению массо-габаритных показателей. Отмечается, что современное решение проблемы связано с регулированием ДГ по оптимальной (с точки зрения расхода горюче-смазочных материалов) характеристике, когда частота вращения изменяется в функции нагрузки. Реализация работы ДГ с переменной частотой вращения возможна при комплектации генератора полупроводниковым преобразователем (ПП) и реализации вентильного режима эксплуатации. Использование в составе СЭС вентильных ДГ позволяет использовать генераторные агрегаты одинаковой мощности, при этом сократить их количество. Целесообразно для уменьшения мощности, а, соответственно, и стоимости ПП реализовать два режима эксплуатации ДГ: традиционный — с постоянством частоты вращения при нагрузке, близкой к номинальной, и вентильный — с изменяющейся частотой вращения ДГ. Принципиально по-новому целесообразно реализовать и режим параллельной работы двух ДГ, один из которых может работать в режиме традиционного, а второй — в режиме вентильного генератора. В статье представлены результаты экспериментальных исследований работы ДГ с переменной частотой вращения и предложена структурная схема СЭС с вентильными ДГ нового поколения.
Ключевые слова
генераторный агрегат, дизель-генератор, переменная частота вращения, вентильные генераторы, судовая электростанция, полупроводниковые преобразователи, качество электроэнергии, расход топлива, экспериментальные исследования, структурная схема, quality of electric power
Читать полный текст статьи: PDF
Список литературы
Куколев А. А. Классификационные требования, предъявляемые к судовым дизель-генераторам / А. А. Куколев // Вестник государственного морского университета имени адмирала Ф. Ф. Ушакова. — 2017. — № 2 (19). — С. 24-26.
Григорьев А. В. Повышение эффективности эксплуатации судовых дизельных электростанций / А. В. Григорьев, В. Ю. Колесниченко // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2014. — № 6 (28). — C. 39-43.
Вишневский Л. В. Включение синхронных генераторов в многоагрегатную судовую электростанцию / Л. В. Вишневский, А. М. Веретенник, И. П. Козырев, И. Е. Войтецкий // Электромашиностроение и электрооборудование. — 2007. — № 68. — С. 26-29.
Григорьев А. В. Перспективы внедрения вентильных газотурбогенераторов на морском флоте / А. В. Григорьев, Р. Р. Зайнуллин, С. М. Малышев // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова — 2016. — № 1 (35). — С. 165-169. DOI: 10.21821/2309-5180-2016-8-1-165-169.
Григорьев А. В. Оптимальная регулировочная характеристика дизель-генераторного агрегата / А. В. Григорьев // Электросистемы. — 2006. — № 1 (13). — С. 23-25.
Сугаков В. Г. Внешняя форсировка систем возбуждения судовых синхронных генераторов / В. Г. Сугаков, О. С. Хватов, Ю. С. Малышев [и др.] // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. — 2015. — № 3. — С. 103-111.
Алаев А. В. Распределение реактивной мощности при параллельной работе судовых синхронных генераторов / А. В. Алаев, П. А. Дараган, Р. А. Байбаков // Эксплуатация морского транспорта. — 2016. — № 2 (79). — С. 70-74.
Baldi F. Optimal load allocation of complex ship power plants / F. Baldi, F. Ahlgren, F. Melino, C. Gabrielii, K. Andersson // Energy Conversion and Management. — 2016. — Vol. 124. — Pp. 344-356. DOI: 10.1016/j.enconman.2016.07.009.
Ancona M.A. Efficiency improvement on a cruise ship: Load allocation optimization / M.A. Ancona, F. Baldi, M. Bianchi, L. Branchini, F. Melino, A. Peretto, J. Rosati // Energy Conversion and Management 164 (2018): 42-58. DOI: 10.1016/j.enconman.2018.02.080.
Об авторах
Григорьев Андрей Владимирович — кандидат технических наук, доцент
[email protected]. [email protected]
ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова»; СПбГЭТУ «ЛЭТИ»Зайнуллин Руслан Ринатович — начальник отдела
АО «НПЦ «Электродвижение судов»генвертор
Генвертор, дизельный генератор с переменной частотой вращения, гибридный генератор,генератор с плавающими оборотами, программируемый генератор 01.01.2016 09:06
На фото начальная модель Генвертора GV4 Basic. В одном корпусе дизельный двигатель и альтернатор на постоянных магнитах (слева), а также блок преобразования ( инвертор) , зарядное устройство для стартового аккумулятора, блок управления и радиатор охлаждения ( справа)
«Все течет, все меняется» — это поняли еще во времена Гераклита.
Тридцать лет назад инженеры мечтали о телевизорах, которые можно повесить на стену, как картину,
о компактном компьютере весом меньше тонны, о возможности мгновенно получать информацию из любой точки земного шара. Просматривая новости по 3D-LCD-монитору или каждый день получая по Интернету почту прямо на персональный планшет, мы идем вместе с прогрессом. Не стоит он на месте и в такой, казалось бы,
не очень заметной области, как судовые генераторы.Все хорошо знакомы со стандартными дизель-генераторами различной мощности, которые имеют две основные частоты вращения: 1500 и 3000 об/мин.Постоянство оборотов объясняется тем, что именно скорость вращения двигателя, приводящего генератор переменного тока, определяет его рабочую частоту —в нашем случае 50 Гц, то есть такое же, как в бытовой 230-вольтовой сети. Таким образом, двигатель вынужден постоянно работать на этих фиксированных (и довольно высоких)оборотах в первую очередь для поддержания постоянства этого показателя. И, что самое обидное, — совершенно независимо от количества потребителей и величины нагрузки. Выходит, что при малом количестве или же полном отсутствии потребителей электроэнергии мы тратим топливо только на то, чтобы поддерживать эти сакраментальные 1500 или 3000 об/мин и, соответственно,50 Гц. И это лишь одна из сторон проблемы.Постоянно работающий на высоких оборотах агрегат еще и надоедливо шумит, что в ограниченном пространстве катера или яхты неприятно вдвойне. Порой, чтобы шум и вибрация не мешали единению с природой, генератор предпочитают попросту выключить — даже тогда, когда он действительно нужен.Не стоит списывать со счетов и моторесурс устройства: постоянные высокие обороты вызывают повышенный износ двигателя, а при отсутствии нагрузки провоцируют ускоренное закоксовывание выхлопной системы. Однако, как упоминалось, технический прогресс не стоит на месте. Cовременные разработки в области мехатроники позволили обойти «правило постоянных оборотов» при производстве переменного тока, а технические словари обогатились новым термином «генвертор», объединяющим давно знакомые слова «генератор» и «инвертор».Новое поколение генераторов-генверторов отличается тем, что не имеет фиксированной частоты вращения. При малой нагрузке мотор работает практически на холостых оборотах (около 1200 об/мин). Экономится топливо, моторесурс двигателя, шум сведен к минимуму. С увеличением числа потребителей и нагрузки автоматически повышается и скорость вращения — до 3600 об/мин, увеличивая производимый ток. Но «плавающие» обороты заставляют «плавать» и характеристики выдаваемого генератором трехфазного тока — прежде всего напряжение (которое в зависимости от частоты вращения двигателя составляет от 80 до 300 В) и частоту (от 300 до 500 Гц).
На фото модели генвертеров с внешним блоком преобразования (инвертором)
Как получить в этих условиях требуемые нам незыблемые 230 В и 50 Гц? Решает это непростую задачу «умный» блок преобразования PMG, на выходе которого всегда необходимые стабильные показатели с идеальной синусоидой. Вот его-то разработчики и называют в данном случае инвертором, только, в отличие от привычных инверторов, преобразующих постоянный ток в переменный, на входе у него тоже переменный ток, который можно условно назвать «грязным». Основным потребителем переменного тока высокого напряжения на катерах и яхтах являются системы кондиционирования. Предположим, 230 В вам на борту вообще не требуется — гораздо важнее обеспечить работоспособность бортовой сети напряжением 12/24 В и получить возможность в любой момент подзарядить аккумуляторы. В этом случае к генератору вместо PMG подключается другой модуль — DC Power Cube. Это тоже в некотором роде инвертор, только преобразующий «грязный» трехфазный ток от генератора в постоянный, причем силой до 300 ампер! У этого устройства есть свои полезные бонусы. Первый из них может пригодиться и при выключенном генераторе. Опыт показывает,что «грязным» (прежде всего, из-за сильных скачков напряжения) может оказаться и береговое питание, которому все привыкли доверять на все сто. Подключив береговой кабель к судовой сети через DC Power Cube, имеющий для этого специальный вход, можно не беспокоиться за сохранность современных электронных устройств, порой крайне чувствительных к качеству электропитания.Плюс к этому преобразователь обладает всем набором функций «умного» зарядного устройства, обеспечивая трехступенчатую зарядку АКБ всех типов с автоматическим контролем за процессом. Все необходимые настройки можно задать и вручную, например,активировать функцию автоматического запуска генвертора в случае разряда батарей.
На фото более продвинутая система из двухцилиндрового генвертора, блока преобразования-мощного зарядного устройства 24 В/ 150 А и синусоидального инвертора на 7 кВт Схема GV8 AC+DC power cube
Ну и, конечно, возможны гибридные схемы: генвертор с переменным током на выходе плюс обычное зарядное устройство или же обычный инвертор, подключенный к выходу DC Power Cube (в последнем случае, правда, КПД преобразования несколько ниже). Эти передовые технологии буквально взорвали рынок. На сегодняшний день выпускаются генверторы на базе дизельных двигателей с одним, двумя или тремя цилиндрами и генератором на постоянных магнитах. Кстати, схема с постоянными магнитами позволила кардинально уменьшить общий вес и габариты устройств, которые у генверторов примерно на треть меньше, чем у традиционных дизель-генераторов. Помимо размеров и мощности, основное отличие между этими устройствами в том, что младшие модели обычно выполняются в виде моноблока (преобразователь установлен внутри общего кожуха). В случае с более крупными и мощными моделями преобразователи PMG и DC Power Cube выносят наружу, что позволяет установить их в любом удобном месте — как с точки зрения рационального использования свободного пространства в лодке, так и наиболее выгодной развесовки корпуса, влияющей на крен и дифферент. Все течет, все меняется!
Генераторы WhisperPower с переменной частотой вращения, не фиксированные об/мин
Генераторы серии Genverter©(ГЕНВЕРТЕР) комбинированная система на основе технологий дизельных двигателей новейшего поколения с новым способом производства электрической энергии. Вместо того чтобы использовать альтернатор с фиксированной скоростью вращения, установленный на задней части маховика двигателя, разработан очень компактный альтернатор на постоянных магнитах(PM-Permanent Magnet), расположенный позади двигателя. В результате, эта система более компактна в длинну и легка, по сравнению с традиционными генераторами.
Преимущества для клиента:
- Выходное напряжение генератора не зависит от RPM ( оборотов в минуту) . Обороты генератора могут быть зафиксированны на частоте, которая обеспечивает оптимальный балланс между оборотами, выходной мощностью, производимым шумом и вибрацией.В большинстве случаев точный инжинерный расчет дает результат равный 2300 об/минуту.
- Постоянный магнит альтернатора использует один и тот же контур охлаждения , что и мотор двигателя, это упрощает монтаж ДГ.
- Выходное напряжение / энергия постоянных магнитов может быть использована по разному, включая интегрирование в электросистему на постоянном токе DC. Например используя DC PowerCube 24 в / 150 А, который сразу подключается к Генвертеру, в электросхеме катера получаем ток в диапазоне от 0 А до 150 А в зависимости от необходимой нагрузки, U=24 В.
- Генвертер GV «Basic» является гибридным генератором: переменная скорость вращения, в зависимости от нагрузки, выдает переменный ток силой до 32 А напряжением 230 В/ 50 Гц с встроенного во внутрь корпуса блока преобразователя. В случае необходимости в ещё большей мощности надо добавить наш WPC Power Centre, который берет энергию с аккумуляторных батарей и преобразует/ инвертирует постоянный ток в переменный 230 в / 50 гц при этом происходит полная синхронизация с частотой вырабатываемой генератором. Батареи при необходимости (при понижении на них напряжения) будут автоматически заряжаться от этого WPC Power Centre. Энергию для зарядки акб возьмет от береговой сети, а при отсутствии таковой даст команду на запуск генератора.
Дизельный генератор судовой WhisperPower Piccolo 5 (4kW)
Судовой дизельный генератор WhisperPower Piccolo 8 (6kW)
Судовой дизельный генератор WhisperPower Piccolo 10 (8kW)
Полезная модель направлена на улучшение качества регулирования частоты вращения вала дизель-генератора в режиме стабилизации технологического параметра частотно-регулируемой нагрузки, повышение надежности работы регулятора и упрощение его конструкции. Указанный технический результат достигается тем, что регулятор частоты вращения дизель — генератора содержит топливодозирующую систему и электрический исполнительный механизм, выполненный в виде шагового двигателя, вход которого через усилитель соединен с выходом управляющего микропроцессора, а выход механически соединен через согласующий редуктор с топливодозирую-щей системой, связанную с дизель-генератором, на валу которого расположен датчик частоты вращения. Один из входов управляющего микропроцессора соединен с выходом датчика давления, а другой его вход через согласующее устройство соединен с датчиком частоты вращения. Дизель-генератор электрически связан с асинхронным электроприводом насоса, выход которого соединен с датчиком давления.
Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к регуляторам частоты вращения дизель-генераторов и может быть использована в системах автоматического регулирования частоты вращения мощных дизельных генераторов.
Известен регулятор частоты вращения дизель-генератора, содержащий источник электрического сигнала задания, соединенный с электрическим исполнительным механизмом, выполненным в виде поворотного электромагнита с ротором, а также топливоподающую систему (см. SU 1168740, МПК — 4 F 02 D 1/12, опубл. 23.07.85).
Недостатком известного устройства является следующее: при набросе и сбросе нагрузки удается уменьшить продолжительность переходного процесса, тем не менее не удается уменьшить перерегулирование.
Технический результат заключается в улучшении качества регулирования частоты вращения вала дизель-генератора в режиме стабилизации технологического параметра частотно-регулируемой нагрузки, повышении надежности регулятора и упрощении его конструкции.
Технический результат достигается тем, что регулятор частоты вращения дизель — генератора содержит топливодозирующую системы и электрический исполнительный механизм, выполненный в виде шагового двигателя, вход которого через усилитель соединен с выходом управляющего микропроцессора, а выход механически соединен через согласующий редуктор с топливодозирующей системой, связанную с дизель-генератором, на валу которого расположен датчик частоты вращения. Один из входов управляющего микропроцессора соединен с выходом датчика давления, а другой его вход через согласующее устройство соединен с датчиком частоты вращения. Дизель-генератор электрически связан с асинхронным
электроприводом насоса, выход которого соединен с датчиком давления.
На фиг.1 изображена структурная схема предлагаемого регулятора частоты вращения дизельного генератора, который содержит электрический исполнительный механизм, выполненный в виде шагового двигателя 1, вход которого через усилитель 2 соединен с выходом управляющего микропроцессора 3, а выход механически соединен через согласующий редуктор 4 с топливодозирующей системой 5, связанную с дизель-генератором 6, на валу которого расположен датчик частоты вращения 7. Один из входов управляющего микропроцессора 3 соединен с выходом датчика давления 8, а другой его вход через согласующее устройство 9 соединен с датчиком частоты вращения 7. Дизель-генератор 6 электрически связан с асинхронным электроприводом насоса 10, выход которого соединен с датчиком давления 8.
Регулятор частоты вращения дизель-генератора работает следующим образом.
Нажатием кнопки «Пуск» перед запуском дизель-генератора 6 управляющий микропроцессор 3 устанавливает пусковую подачу топлива, превышающую номинальную в два раза. В качестве настроечной частоты вращения принимается номинальная частота дизель-генератора 9. После этого управляющий микропроцессор 3 находится в режиме ожидания, пока будет осуществлен запуск дизель-генератора 6 и частота вращения его вала превысит значение 0,638 от номинального. Далее в работу вступает первый контур регулирования, образованный датчиком частоты вращения 7, согласующим устройством 9, управляющим микропроцессором 3, усилителем 2, шаговым двигателем 1, согласующим редуктором 4, топливодозирующей системой 5 и дизель-генератором 6. При этом сигнал, пропорциональный частоте вращения вала дизель-генератора б с датчика частоты вращения 7 через согласующее устройство 9 поступает на управляющий микропроцессорное 3, где вычисляется отклонение частоты вращения от настроечного значения. В зависимости от величины отклонения и скорости изменения частоты вращения вала дизель-генератора 6 вычисляется количество управляющих импульсов,
которые управляющий микропроцессор 3 подает на обмотки шагового двигателя 1, связанного с топливодозирующим устройством 8 перемещения в положение, устанавливающее цикловую подачу топлива, соответствующую настроечной частоте вращения вала дизель-генератора 6. После подачи управляющих импульсов управляющий микропроцессор 3 осуществляет выдержку времени, пропорциональную их количеству, и цикл регулирования частоты вращения повторяется.
При нажатии кнопки «Пуск насоса» управляющий микропроцессор 3 устанавливает настроечную частоту вращения равной минимальному значению, при которой дизель-генератор 6 работает устойчиво. В этом режиме производится включение контактора асинхронного электродвигателя насоса 10. В результате чего происходит провал частоты вращения, который расценивается управляющим микропроцессором 3 как команда к частотному пуску асинхронного электродвигателя насоса и в работу вступает второй контур регулирования, образованный датчиком давления 8, управляющим микропроцессором 3, усилителем 2, шаговым двигателем 1, согласующим редуктором 4, топливодозирующей системой 5, дизель-генератором 6 и насосом 10. Токовый сигнал с датчика давления 8 в контрольной точке водопроводной сети, поступает на вход управляющего микропроцессора 3, где вычисляется отклонение давления от настроечного значения. В зависимости от величины отклонения и скорости его изменения вычисляется настроечное значение частоты вращения вала дизель-генератора 6 для первого контура, при котором асинхронный электродвигатель насоса 10 будет вращаться с такой скоростью, чтобы насос 10 создавал требуемое давление. После этого управляющий микропроцессор 3 осуществляет выдержку времени, пропорциональную изменению частоты вращения дизель-генератора 6, и цикл регулирования давления повторяется.
После нажатия кнопки «Останов насоса» отключается второй контур регулирования, настроечная частота вращения дизель-генератора 6 устанавливается равной минимальному значению, при которой дизель-генератор 6
работает устойчиво. При ее достижении отключается контактор асинхронного электродвигателя насоса 10 и настроечная частота вращения дизель-генератора 6 устанавливается равной номинальной.
На фиг.2 представлены переходные процессы работы регулятора частоты вращения дизель-генератора 6, где в качестве параметра технологической нагрузки выступает давление в системе водоснабжения.
На графиках, представленных на фиг.2, можно выделить четыре режима работы:
1. пуск дизель-ге