ПОЛЯКОВ ИВАН СЕРГЕЕВИЧ ДИЗЕЛЬ ГЕНЕРАТОРНАЯ УСТАНОВКА ПЕРЕМЕННОЙ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ. Дизель генератор переменной частоты вращения
генвертор
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!
Дизель-генераторная электростанция с переменной частотой вращения вала
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА
2 Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева 3(5) ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА УДК 621.314 А.Б. Дарьенков, О.С. Хватов, Ф.Ф. Юрлов, Н.В. Усов ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ
Содержание. Предисловие...5 Введение...7
3 Содержание Предисловие...5 Введение...7 I. Электромагнитный момент и электромагнитное усилие электрических машин вращательного и поступательного движения. 1. Общее выражение для момента и силы. 14 2.
Список использованной литературы
КОМПЕНСАЦИЯ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ
Министерство образования и науки Российской Федерации Саратовский государственный технический университет КОМПЕНСАЦИЯ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ Методические указания к лабораторной работе по спецкурсу «Проектирование
1. Назначение и устройство выпрямителей
Тема 16. Выпрямители 1. Назначение и устройство выпрямителей Выпрямители это устройства, служащие для преобразования переменного тока в постоянный. На рис. 1 представлена структурная схема выпрямителя,
Лабораторная работа 2
РАЗВИТИЕ ЛИФТОВЫХ ПРИВОДОВ
РАЗВИТИЕ ЛИФТОВЫХ ПРИВОДОВ Большинство существующих канатных лифтов в России и республиках бывшего СССР имеют привод с одно- или двухскоростными асинхронными двигателями. Технические и энергетические характеристики
ОДНОФАЗНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ.
ОДНОФАЗНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Вопросы лекции: 1 Общие сведения о однофазном асинхронном двигателе 2 Принцип подключения асинхронного двигателя в однофазную сеть 3 Схемы подключения трехфазного асинхронного
КОНТРОЛЬНАЯ ЛАМПА ГЕНЕРАТОРА
СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ
О компании RUCELF международная компания по производству продукции бытового и промышленного назначения, предназначенной для обеспечения стабильного, бесперебойного и автономного электроснабжения. Защита
Подробнееdocplayer.ru
Certificates |
Kubota EPA certificate (USA) (157 kB, pdf) |
| Certificate Russian Maritime Register RMRS(1.400 kB, pdf) |
Manuals |
M-GV/2, M-GV/3, M-GV/3+, M-GV 8, M-GV 10, M-GV 12 and M-GV 15 installation manual.png) |
| M-GV/2, M-GV/3, M-GV/3+, M-GV 8, M-GV 10, M-GV 12 and M-GV 15 user's manual(2.467 kB, pdf) |
M-GV 2, 3, 8, 10 - Benutzerhandbuch (3.727 kB, pdf) |
| M-GV 2, 3, 8, 10 - Installationshandbuch(4.829 kB, pdf) |
| DDC - Kurzanleitung(510 kB, pdf) |
| DDC - Bedienungsanleitung(638 kB, pdf) |
| PMG - Wechselrichter - Benutzerhandbuch(3.310 kB, pdf) |
Datasheets |
| Datenblatt DC-Genverter |
Brochures |
Catálogo del Generador (5.893 kB, pdf) |
www.whisperpower.com
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.
W-GV 8 дизельный генератор автомобильный с внешним инверторным блоком 8 кВА/6 кВт (230 В/ 50 Гц)
Дизельный генератор судовой M-GV Piccolo 3,5 кВт 230В/50 Гц с изменяемой частотой вращения двигателя
W-GV 4 Scalino компактный дизельный генератор автомобильный 3,5 кВт (230 В/ 50 Гц)
Genverter- Генератор с переменной частотой вращения 3,8 кВт в корпусе из нержавеющей стали.
Genverter GV-4 Гибридный генератор с переменной частотой вращения
sflot.ru
Генераторы с переменной частотой вращения, не фиксированные об/мин
Параметры:
M-GV 12 Basic marine 3 Cyl. 15kVA / 12 kW 230V- 50HZ ungrounded
Цену с установкой уточнитеу менеджераЦена продажи: 1 365 165 руб
Параметры:
M-SC 8P 230V / 50Hz Marine GRP ungrounded
Цену с установкой уточнитеу менеджераЦена продажи: 1 135 470 руб
Параметры:
W-GV10 GENVERTER BASIC K 230V / 50Hz Mobile
Цену с установкой уточнитеу менеджераЦена продажи: 1 035 792 руб
Параметры:
M-GV 7i ungrounded 230V / 3.8kVA + 3.5kVA 24V Power Centre, мокрый выхлоп
Цену с установкой уточнитеу менеджераЦена продажи: 888 441 руб
Параметры:
M-GV 7i ungrounded 230V / 3.8kVA + 2.0kVA 12V Power Centre
Цену с установкой уточнитеу менеджераЦена продажи: 866 338 руб
Параметры:
W-GV 4 Basic 230V / 3.8kVA - PM Technology,сухой выхлоп
Цену с установкой уточнитеу менеджераЦена продажи: 513 562 руб
Параметры:
W-GV 4 Basic 230V / 3.8kVA - PM Technology,сухой выхлоп
Цену с установкой уточнитеу менеджераЦена продажи: 458 522 руб
Параметры:
M-GV 4 Piccolo MARINE,ungrounded мокрый выхлоп
Цену с установкой уточнитеу менеджераЦена продажи: 513 099 руб
Параметры:
M-GV 8 marine ungrounded 8 кВА / 6 кВт (230В/50Гц)
Цену с установкой уточнитеу менеджераЦена продажи: 1 039 461 руб
Параметры:
M-GV 4 Piccolo MARINE, мокрый выхлоп
Цену с установкой уточнитеу менеджераЦена продажи: 461 319 руб
Параметры:
M-GV 4 Piccolo MARINE,ungrounded мокрый выхлоп
Цену с установкой уточнитеу менеджераЦена продажи: 481 432 руб
Параметры:
W-GV 3 Genverter MOBILE (Kubota 3-cylinder) + DC power cube 24V-300A
Цену с установкой уточнитеу менеджераЦена продажи: 940 611 руб
Цену с установкой уточнитеу менеджераЦена продажи: 952 593 руб
Параметры:
W-GV 2 Genverter MOBILE (Kubota 2-cylinder) + DC power cube
Цену с установкой уточнитеу менеджераЦена продажи: 851 257 руб
www.tx52.ru
ПОЛЯКОВ ИВАН СЕРГЕЕВИЧ ДИЗЕЛЬ ГЕНЕРАТОРНАЯ УСТАНОВКА ПЕРЕМЕННОЙ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ
Транскрипт
1 На правах рукописи ПОЛЯКОВ ИВАН СЕРГЕЕВИЧ ДИЗЕЛЬ ГЕНЕРАТОРНАЯ УСТАНОВКА ПЕРЕМЕННОЙ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ Специальность Электротехнические комплексы и системы АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Нижний Новгород 2013
2 Работа выполнена на кафедре "Электротехника и электрооборудование объектов водного транспорта" ФГБОУ ВПО Волжской государственной академии водного транспорта (г. Нижний Новгород). Научный руководитель Хватов Олег Станиславович доктор технических наук, профессор. Официальные оппоненты: Онищенко Георгий Борисович доктор технических наук, профессор ФБГОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет», профессор кафедры «Электрические системы» Шахов Андрей Валентинович кандидат технических наук ФБГОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева», доцент кафедры «Электрооборудование, электропривод и автоматизация». Ведущая организация ОАО «Конструкторское бюро по проектированию судов «Вымпел»» (г. Нижний Новгород). Защита состоится "20" декабря 2013 г. в 14 часов 30 минут в аудитории 1307 на заседании диссертационного совета Д в Нижегородском государственном техническом университете (603950, ГСП - 41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24). С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева». Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: , ГСП-41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, д. 24, ФБГОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева», ученому секретарю диссертационного совета Д Автореферат разослан "18" ноября 2013 г. Ученый секретарь диссертационного совета Д к.т.н., доцент А.С. Плехов
3 Актуальность работы. Более 10 млн. человек в России получают электроэнергию от автономных установок типа "двигатель внутреннего сгорания генератор" (ДГ). В качестве генератора, как правило, используется синхронная машина. Количество данных ДГ установок составляет порядка 50 тыс. штук, суммарной мощностью 17 млн. квт с выработкой электроэнергии около 50 млрд. квт ч в год, для чего необходимо около 6 млрд. т условного топлива. Доставка топлива, особенно в северные регионы России, сопряжена с известными трудностями, а иногда из-за погодных условий невозможна. Существующие дизель-генераторы работают с постоянной (номинальной) частотой вращения вала во всем диапазоне изменения нагрузки. Однако, работа двигателя внутреннего сгорания (ДВС) при постоянной частоте вращения, но при переменной нагрузке характеризуется неоптимальным расходом топлива, т.е. пониженным КПД. Следовательно, разработка и создание дизель-генераторной установки, работающей при переменной, в зависимости от нагрузки генератора, частоте вращения приводного ДВС, обеспечивающей существенную экономию топлива (до 20%), является актуальной народно-хозяйственной задачей. Исследование и разработка дизель-генераторных установок переменной частоты вращения является относительно новым техническим направлением в малой энергетике. Работы в данной области проводятся за рубежом фирмами Fubag, Honda, Hyuntai, Kypor и др. Известны исследования по данной тематике и в России ВНИИЭ (г. Москва), ОАО "Звезда" (г. Санкт-Петербург), ОАО "Сигма" (г. Ковров), Волжская государственная академия водного транспорта (ВГАВТ, г. Н.Новгород) и Нижегородский государственный технический университет (НГТУ, г. Н.Новгород). Перечень отечественных и зарубежных научных публикаций, посвященных данной тематике достаточно мал. Анализ показал, что особенно это относится к исследованиям динамических режимов работы, разработке математической модели объекта (дизель-генератора с переменной частотой вращения вала), синтезу системы регулирования дизель-генератора с переменной частотой вращения вала. Целью диссертационной работы является исследование и создание дизель-генераторной установки переменной частоты вращения на базе синхронного генератора и преобразователя частоты со звеном постоянного тока, обеспечивающей минимальный удельный расход топлива при изменяющейся нагрузке. Цель определяет следующие задачи исследования: обоснование применения дизель-генераторной установки переменной частоты вращения разработка математической модели дизель-генераторной установки переменной частоты вращения на основе синхронного генератора и преобразователя частоты со звеном постоянного тока 3
4 синтез структуры и параметров задатчика экономичного режима разработка САР дизель-генераторной установки переменной частоты вращения создание экспериментального образца дизель-генераторной установки переменной частоты вращения мощностью 3,2 квт. Связь диссертации с научно техническими программами. Работа выполнялась в рамках НИР по теме "Разработка требований к судовым дизель-генераторным установкам с переменной скоростью вращения" Р11 4/12 между ВГАВТ и Российским Речным Регистром. Научная новизна. Основные научные результаты работы заключаются в следующем. 1. Разработана математическая модель дизель-генераторной установки, отличающаяся от известных тем, что для минимизации расхода топлива ДВС работает при переменной частоте вращения. 2. Впервые разработана структура задатчика экономичного режима работы нейросетевого типа дизель-генераторной установки переменной частоты вращения. 3. Синтезирована трехканальная САР дизель-генераторной установки переменной частоты вращения. Практическая ценность диссертационной работы заключается в: разработке комплекса программ имитационного моделирования режимов дизель-генераторной установки переменной частоты вращения в пакете MatLab Simulink, позволяющего исследовать динамические режимы работы с учетом величины, характера нагрузки, и формируемой с целью минимизации расхода топлива, скоростной характеристики приводного двигателя разработке алгоритмов обучения, а так же компьютерных программ имитационного моделирования задатчика экономичного режима нейросетевого принципа действия создании опытного образца генераторной установки переменной частоты вращения с задатчиком экономичного режима, мощностью 3,2 квт. Реализация результатов работы. Результаты работы были использованы: в НИР по теме "Разработка требований к судовым дизельгенераторным установкам с переменной скоростью вращения" Р11 4/12 между ВГАВТ и Российским Речным Регистром в учебном процессе при подготовке в ВГАВТ инженеров специальности "Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики" по дисциплине "Основы судового электропривода" в разделах "Статистические и динамические режимы судового электропривода переменного тока с полупроводниковыми преобразователями", по дисциплине "Моделирование судового электрооборудования и средств автоматизации" 4
5 в разделе "Судовой автоматизированный электропривод переменного тока", в курсовом и дипломном проектировании в учебном процессе НГТУ при подготовке магистров по направлению "Электроэнергетика и электротехника" по дисциплинам "Энергетические системы автономных объектов", "Микропроцессорные системы управления автономных объектов". В работе автор защищает: 1. математическую модель дизель-генераторной установки переменной частоты вращения на основе синхронного генератора и преобразователя частоты со звеном постоянного тока 2. математическую модель и алгоритм обучения задатчика экономичного режима нейросетевого типа 3. структуру САР дизель-генераторной установки переменной частоты вращения с задатчиком экономичного режима. Публикации и апробация работы: По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 2 работы в журналах, реферируемых ВАК. Получено положительное решение о выдаче патента на изобретение РФ, а также свидетельство о регистрации программы для ЭВМ. Основные положения, результаты и выводы диссертационной работы были доложены и обсуждены на следующих научнотехнических конференциях: международный научно-промышленный форум "Великие реки". Н.Новгород, ННГАСУ XI Всероссийская молодежная научно-техническая конференция "Будущее технической науки". Н.Новгород, НГТУ, 2012 ежегодная региональная научно-техническая конференция "Актуальные проблемы электроэнергетики". Н.Новгород, НГТУ, международная научно-техническая конференция "Информационные системы и технологии ИСТ". Н.Новгород, НГТУ, 2010, Объем и структура работы: Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы из 120 наименований. Основная часть изложена на 155 страницах, содержит 80 рисунков и 2 таблицы. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования. В первой главе показана целесообразность применения ДГ электростанций переменной частоты вращения. Автономные ДГ работают, как правило, на долевых режимах с нагрузкой в диапазоне от 30 до 70% номинальной. Для выбора экономич- 5
6 ного режима работы ДВС, работающего при изменяющейся нагрузке, удобно использовать его многопараметровую характеристику (рис. 1), где штрихпунктирной линией показана зависимость эффективного давления p e Рис. 1 Многопараметровая характеристика ДВС N e,о.е. и эффективной мощности N e от частоты вращения вала дизеля при наименьшем удельном расходе топлива g e.как видно из рис. 1, при изменяющейся нагрузке, для обеспечения экономичного режима работы дизеля необходимо регулирование его частоты вращения. Рассмотрены варианты генераторных установок переменной частоты вращения: на базе асинхронных генераторов с короткозамкнутым и фазным ротором, а также синхронных генераторов c электромагнитным возбуждением и постоянными магнитами. Общим недостатком рассмотренных вариантов ДГ установок с переменной частотой вращения является невозможность плавного регулирования частоты вращения ДВС при изменении мощности нагрузки. Одной из важнейших задач при создании систем ДГ переменной частоты вращения является разработка задатчика экономичного режима (ЗЭР) работы дизеля, который в зависимости от величины мощности нагрузки, должен формировать на своем выходе оптимальные, с точки зрения потребления топлива, значения частоты вращения вала ДВС. Многопараметровая характеристика для каждого конкретного образца ДВС носит индивидуальный характер и производителями, как правило, не предоставляется. Кроме того, данная характеристика будет меняться в зависимости от условий внешней среды, степени износа дизеля и марки топлива. В связи с этим необходимо такое специальное устройство, как ЗЭР, которое даже при отсутствии многопараметровой характеристики способно автоматически вычислять значение оптимальной частоты вращения для конкретного значения мощности нагрузки на конкретном временном интервале вне зависимости от меняющихся внешних и внутренних условий работы дизеля. Схема ДГ установки работающей при переменной частоте вращения приведена на рис. 2. Для стабилизации параметров напряжения синхронного генератора использован статический преобразователя напряжения, состоящий из выпрямителя, широтно-импульсного преобразователя и повышающего инвертора напряжения. На устройство получено положительное решение о выдаче патента на изобретение РФ. 6
7 Рис. 2 Структурная схема ДГ установки переменной частоты вращения ЗЭР задатчик экономичного режима РЧ регулятор частоты вращения ДВС ДРТ датчик расхода топлива ДНГ датчик напряжения генератора ДМ датчик мощности СФ сетевой фильтр В выпрямитель ШИП широтно-импульсный преобразователь ВФ выходной фильтр И повышающий инвертор напряжения РН регулятор напряжения ДНП датчик напряжения статического преобразователя Во второй главе разработана математическая модель ДГ установки переменной частоты вращения, на базе математической модели дизельной установки с турбонаддувом (1), синхронного генератора с учетом насыщения стали магнитопровода (2), преобразователя частоты со звеном постоянного тока и блока активно-реактивной нагрузки (уравнения не приведены). На основе математической модели на рисунке 3 представлена структурная схема дизель-генераторной установки переменной частоты вращения с системой автоматического регулирования. Система уравнений дизеля с газотурбинным наддувом имеет вид: В (1) приняты следующие обозначения: ( Tаµ p + δ ) Дµ y0 = k1y µ Н 0 ( T p + δ ) y = k y Т Т Т Т 0 y y 0 µ 0 y н y χ Т 0 g ц безразмерные Н y ( T p + δ ) = y k y величины изменения, соответственно, скорости вращения вала и нагруз- Н К К Т К 0, (1) ( Tаχ p + δ ) y Д 0 = χ0 + k y Д Н ки дизеля, давления нагнетаемого ( T p + δ ) y = k Т Т Т hχ0 + k y Т 0 y воздуха, скорости вращения ротора Н kg gц = χ0 + θφ y0, турбины, положения рейки топливного насоса и цикловой подачи топ- лива T аµ, T аχ, T Т, T К постоянные времени, соответственно, дизеля в каналах нагрузочного и регуляторного воздействий, турбонагнетателя и впускного коллектора δ, δ, Дµ δ, δ коэффициенты самовыравнивания, соответственно, Д Т К дизеля в каналах нагрузочного и регуляторного воздействий, турбонагнетателя и впускного коллектора 7
8 k, 1 k, k, k, k Д Т К h коэффициенты, учитывающие, соответственно, зависимость крутящего момента на валу дизеля от давления наддува, изменение момента сопротивления на валу дизеля при изменении мощности нагрузки, зависимость расхода воздуха через дизель от скорости его вращения, зависимость крутящего момента турбины от ее скорости вращения и положения рейки топливного насоса k и θ φ соответственно, коэффициенты самовыравнивания дизеля и g усиления топливоподающей аппаратуры дизеля. Математическая модель синхронного генератора базируется на системе уравнений Парка Горева и имеет вид: 1 u = r i + pψ ψ ω В (2) приняты следующие обо- sd s sd sd sq uq = rs isq + pψ sq + ψ sdω Ω u = r i + pψ f f f f u = r i + pψ Ω Дd Дd Дd Дd u = r i + pψ ψ ψ ψ ψ ψ Дq Дq Дq Дq Ω Ω ( Д ) ( Д ) ( Д ) ( Д ) ( Д ) ( u g ) = x i + i + i x i sd md sd f d as sd = x i + i x i sq mq sq q as sq = x i + i + i + x i f md sd f d fs f = x i + i + i + x 1 Дd md sd f d σds d 2 2 g gd gq s sd sq s sd sq 0 Ω = x i + i + x i Дq mq sq q σqs q σ = f u = u + u ( ) ( ) u = x i + i + i gd md sd f d u = x i + i gq mq sq q u = u + u i = i + i p = u i + u i sd sd sd sq dω sq sq q = u i + u i Ω 0 m = J + ψ sqisd ψ sdisq M 0 dt sq sd 0 0. i (2) значения: u sd, u sq, u f соответственно, проекции вектора напряжения статора на оси d и q, напряжение ротора i sd, i sq, i Д d, i Д q, i f соответственно проекции вектора тока статора и демпферного тока на оси d и q, ток ротора ψ sd, ψ sq, ψ Дd, ψ Дq, ψ f соответственно, проекции потокосцеплений статора и демпферного контура на оси d и q, потокосцепление ротора r s, r f соответственно, активные сопротивления обмоток статора и ротора x md, x mq, x σds, x σqs, x fs соответственно, проекции индуктивных сопротивлений обмоток статора и демпферной обмотки на оси d и q, индуктивное сопротивление рассеяния обмотки возбуждения u g величина, пропорциональная полному потоку СГ Ω 0, Μ 0, J, соответственно, базисная угловая частота, момент нагрузки на валу СГ, момент инерции вращающихся масс СГ σ дополнительная намагничивающая сила, учитывающая эффект насыщения стали СГ. 8
9 9 Рис. 3 Структурная схема ДГ переменной частоты вращения WРС(р), WСД(р), WТН(р), WВК(р),WД(р), WРТ(p), WРН(p) передаточные функции, соответственно, регулятора частоты вращения дизеля, серводвигателя, турбонагнетателя, впускного коллектора, собственно дизеля, регулятора тока, регулятора напряжения WL(р), WC(р), WВ(р), Wин(р), WОС(р), WНФ(р) передаточные функции, соответственно, индуктивности и емкости фильтра, выпрямителя, инвертора, канала обратной связи по напряжению, нагрузки фазы БПК блок преобразования координат БН блок нагрузки АРВ автоматический регулятор возбуждения pk, ωзад, ωтн, ωχ,ωξ, соответственно, давление надувочного воздуха, заданная скорость вращения дизеля, скорость вращения турбонагнетателя, величины скорости вращения дизеля, соответственно, в каналах регуляторного и нагрузочного воздействий.
10 В соответствии со структурной схемой (рис. 3) в среде MatLab разработана имитационная модель ДГ установки переменной частоты вращения мощностью 95 квт. С помощью модели имитировалось изменение тока нагрузки при заданном значении частоты вращения ДВС. Получены зависимости перемещения рейки топливного насоса, а также линейного напряжения статора СГ для значения cosφ нагрузки, равного 0,9 и частоты вращения вала ДВС. При набросе нагрузки на 50% кратковременные провалы выходного напряжения достигают 5%. Отметим, что частота выходного напряжения ДГ переменной частоты вращения неизменна по величине, что обеспечивается средствами автономного инвертора напряжения. В третьей главе рассмотрены этапы создания устройства управления дизель-генераторной установкой переменной частоты вращения задатчика экономичного режима работы, который при отсутствии многопараметровой характеристики автоматически вычисляет значение оптимальной частоты вращения для текущего значения мощности нагрузки в данный момент времени при условии меняющихся внешних и внутренних условий работы ДВС. Произведен сопоставительный анализ вариантов реализации ЗЭР: на основе аналоговых и цифровых средств. Обоснована целесообразность построения ЗЭР с использованием нейросетевых принципов управления. Важнейшее свойство искусственных нейронных сетей состоит в параллельной обработке информации одновременно всеми нейронами. Во многих ситуациях становится возможна обработка информации в реальном масштабе времени. Другое не менее важное свойство состоит в способности к обучению и обобщению полученных знаний, т. е. автонастройке на наилучшую аппроксимацию необходимой функции. Структурная схема задатчика экономичного режима приведена на рис. 4. ωдг Р,ω, g обуч опт РДГ e g e Р, g ДГ e Р ω ωдг Р ДГ обуч, опт W, B W,B ωопт Рис. 4 Структурная схема задатчика экономичного режима Задатчик состоит из четырех основных элементов: контроллера обучения (КО), контроллера управления (КУ), ассоциативной памяти (АП) и памяти данных, которые объединены общей информационной шиной. Анализируя показания датчиков расхода топлива g e и мощности электрической нагрузки P ДГ, задатчик экономичного режима определяет задание на положение топливной рейки, соответствующее оптимальному расходу топлива. 10
11 Аппаратная часть задатчика экономичного режима построена на основе ассоциативной вычислительной системы. Для построения ассоциативной памяти наиболее целесообразным представляется использовать тип нейронных сетей, известных как радиально-базисные нейронные сети, имеющих такие преимущества, как относительная простота и способность решать задачу аппроксимации табличной функции многих переменных, дополненной процедурой интерполяции (экстраполяции). Структурная схема нейронной сети АП приведена на рис. 5. ω опт Рис. 5 Структурная схема ассоциативной памяти задатчика экономичного режима Представленная структурная схема описывается следующей системой: где P нагр текущее значение X 11 = X 12 = Pнагр К мощности нагрузки норм X 21 = th(w11 X 11 + B ) ω 1 опт найденное значение (5) оптимальной частоты вращения X 22 = th(w 12 X 12 + B2 ) Х ij и W ij соответственно, = th( W + + ) 21 X 21 W22 X 22 B3 сигналы и соответствующий ему весовой коэффициент B дополнительный вход и соответствующий ему весовой коэффи- j циент, используемые для инициализации j-го нейрона. Для ассоциативной памяти в структурной схеме задатчика экономичного режима предусмотрен контроллер обучения, реализующий алгоритм обратного распространения ошибки. В пакете MATLAB разработана программная модель задатчика экономичного режима. В результате процесса обучения задатчиком была сформирована кривая зависимости оптимальной частоты вращения от мощности нагрузки (рис. 6), в соответствии с которой, при уменьшении тока нагрузки ДГ, Рис. 6 Зависимость оптимальной частоты вращения от мощности нагрузки 11 например до 50%, частота вращения ДВС должна быть снижена до 0,82 ω ном.
12 Результаты моделирования (рис. 7) показывают, что применение ЗЭР в составе ДГ установки переменной частоты вращения (рис. 7, г) обеспечивает топливную экономичность работы (рис. 7, а) при незначительном ухудшении динамических показателей (продолжительность переходных процессов и величина перерегулирования) (рис. 7, в). Рис. 7 Результаты моделирования системы ДГ переменной частоты вращения с ЗЭР а траектория перемещения рейки топливного насоса h, мм б изменение частоты вращения дизеля ω, рад/с в изменение амплитуды выходного напряжения U СГ, В г управляющее воздействие ЗЭР, Н о.е. д циклограмма тока нагрузки I нагр, о.е. 12
13 В четвертой главе произведен расчет топливной экономичности электростанции на базе ДВС переменной частоты вращения. На основании результатов расчета построены сравнительные характеристики удельного и абсолютного расхода топлива для двух режимов работы: с регулированием частоты вращения ДВС в зависимости от мощности нагрузки (рис. 8, кривая 2) и с постоянной частотой вращения ДВС (рис. 8, кривая 1). Установлено, что в режиме регулирования частоты вращения ДВС экономия топлива меняется от 18,8% до 9,6% по удельному расходу, и от 37,3% до 15,0% по абсолютному расходу топлива, по сравнению с работой при постоянной частоте вращения ДВС. Рис. 8 Зависимость расхода топлива ДВС от мощности нагрузки а абсолютный расход топлива ДВС б удельный расход топлива ДВС При помощи программного продукта «Project Expert 7.0» произведен расчет финансовой эффективности проекта ДГ установки переменной частоты вращения мощностью 95 квт при ее работе с нагрузкой 70% от номинальной. Результаты расчетов приведены на рис. 9. Рис. 9 Зависимость чистого дисконтируемого дохода от срока эксплуатации установки 1 - при текущей стоимости дизельного топлива 2 - при увеличении стоимости дизельного топлива на 50% 3 - при снижении стоимости дизельного топлива на 50% Исследованы динамические режимы работы экспериментальной генераторной установки переменной частоты вращения (рис. 13).На рис приведены осциллограммы тока нагрузки, а также напряжения 13
14 синхронного генератора. В начальный момент времени (рис. 10, 11) к инвертору напряжения подключена нагрузка P = 1.0 квт, cosφ = 1, частота вращения ДВС соответствует 2200 об/мин. В момент времени t 1 мощность нагрузки увеличивается до P = 2.0 квт. Провал напряжения компенсируется средствами статического преобразователя напряжения. Рис. 10 Осциллограмма тока инвертора при набросе нагрузки P = 1.0 квт Рис. 11 Выходное напряжение СГ при набросе нагрузки P = 1.0 квт (разгон ДВС до n = 2750 об/мин) В момент времени t 2 задатчик экономичного режима регистрирует изменение нагрузки инвертора и производит разгон ДВС, воздействуя на дроссельную заслонку. Критерием окончания процесса является достижение напряжения СГ заданной величины (285 В амплитудной величины). В момент времени t 3 переходный процесс заканчивается, частота вращения ДВС соответствует 2750 об/мин. 14
15 Осциллограмма напряжения инвертора приведена на рис. 12. Благодаря наличию в инверторе собственной системы стабилизации, провалов и всплесков в кривой выходного напряжения при изменении нагрузки не наблюдается. Рис. 12 Выходное напряжение экспериментальной генераторной установки переменной частоты вращения Рис. 13 Общий вид экспериментальной генераторной установки переменной частоты вращения 15
16 В приложении приведены акты внедрения результатов диссертационной работы и документы авторского права. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ В итоге проведенных исследований получены следующие основные результаты: 1. Обоснована целесообразность разработки и создания дизельгенераторных установок переменной частоты вращения, обеспечивающих генерирование электроэнергии при оптимальном (минимальном) расходе топлива двигателем внутреннего сгорания. 2. Предложена структурная схема дизель-генераторной установки переменной частоты вращения с задатчиком экономичного режима работы, обеспечивающая наиболее оптимальный, с точки зрения потребления топлива, режим работы за счет плавного регулирования частоты вращения двигателя внутреннего сгорания, в зависимости от мощности электрической нагрузки и в соответствии с многопараметровой характеристикой ДВС. 3. Разработана математическая модель дизель-генераторной установки, отличающаяся от известных тем, что для оптимизации расхода топлива ДВС работает при переменной частоте вращения. 4. Синтезированы функциональная и структурная схемы задатчика экономичного режима дизель-генераторной установки переменной частоты вращения с использованием средств искусственных нейронных сетей. Разработана имитационная модель ЗЭР, проведено моделирование процесса обучения ЗЭР и его работы в составе комплекса ДГ установки переменной частоты вращения. 5. Синтезирована САР дизель-генераторной установки переменной частоты вращения, которая содержит три канала управления: по формируемой с целью оптимального расхода топлива, частоте вращения ДВС и амплитуде и частоте выходного напряжения с целью стабилизации его параметров. 6. Произведен сравнительный анализ результатов моделирования динамических режимов работы ДГ установки переменной частоты вращения без и с использованием ЗЭР, который показал улучшение топливной экономичности установки при использовании ЗЭР с допустимым снижением динамических показателей (перерегулирование, время регулирования). 7. Определены экономические показатели (чистый дисконтированный доход, срок окупаемости) ДГ установки переменной частоты вращения. Проанализирована чувствительность экономических показателей к возможным изменениям цен на топливо и силовое электрооборудование. 16
17 8. Разработана и создана экспериментальная генераторная установка переменной частоты вращения мощностью 3,2 квт на базе двигателя внутреннего сгорания, синхронного генератора и ПЧ со звеном постоянного тока. 9. Результаты выполненных исследований использованы в учебном процессе в Волжской государственной академии водного транспорта (г. Нижний Новгород) и Нижегородском государственном техническом университете (г. Нижний Новгород). СТАТЬИ, ТЕЗИСЫ ДОКЛАДОВ И ПАТЕНТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ Публикации по перечню ВАК. 1. Поляков, И. С. Имитационная модель дизель-генераторной электростанции с переменной скоростью вращения на базе синхронного генератора. / И.С. Поляков, О.С. Хватов, А.Б. Дарьенков, В.В. Пшеничников // Эксплуатация морского транспорта. Санкт-Петербург , С Поляков, И. С. Нейросетевой алгоритм системы управления топливоподачей дизель-генератора переменной скорости вращения. / И.С. Поляков, О.С. Хватов, А.Б. Дарьенков // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. Иваново , С Патенты и свидетельства о регистрации. 3. Решение о выдаче патента на изобретение РФ "Автономная электростанция переменного тока".заявка /07 (045392). 4. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ Расчет динамических режимов дизель-генераторной электростанции переменной скорости вращения вала / О.С. Хватов, А.Б. Дарьенков, И.С. Поляков, заявители и правообладатели. Опуб г. бюл. 1. Остальные публикации. 5. Поляков, И. С. Модель задатчика экономичного режима работы дизель-генераторной установки переменной частоты вращения. / И.С. Поляков, О.С. Хватов, А.Б. Дарьенков // Материалы межвуз. НТК "Актуальные проблемы электроэнергетики". НГТУ. Н.Новгород С
18 6. Поляков, И. С. Электротехнический комплекс генерирования электрической энергии на основе дизель-генераторной установки переменной частоты вращения с интеллектуальной системой управления. / И.С. Поляков, О.С. Хватов, А.Б. Дарьенков // Материалы международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии» ИСТ НГТУ. Н.Новгород С Поляков, И. С. Интеллектуальная система управления автономным дизель-генератором переменной частоты вращения. / И.С. Поляков, О.С. Хватов, А.Б. Дарьенков // Международный научно промышленный форум "Великие реки 2011". / Труды конгресса. ННГАСУ. Н.Новгород С Поляков, И. С. Интеллектуальная система управления автономным дизель-генератором переменной скорости вращения. / И.С. Поляков, О.С. Хватов, А.Б. Дарьенков, О.И. Орлов // Материалы межвуз. НТК "Актуальные проблемы электроэнергетики". НГТУ. Н.Новгород С Поляков, И. С. Алгоритм работы самообучающейся системы управления автономным дизель-генератором переменной скорости вращения. / И.С. Поляков, О.С. Хватов, А.Б. Дарьенков // Международный научно промышленный форум "Великие реки 2012". / Труды конгресса. ННГАСУ. Н.Новгород С Поляков, И. С. Экспериментальная автономная генераторная установка переменной скорости вращения с интеллектуальной системой управления. / И.С. Поляков, О.С. Хватов, А.Б. Дарьенков // XI Международная молодежная НТК "Будущее технической науки 2012". НГТУ. Н.Новгород С Поляков, И. С.. Интеллектуальный алгоритм управления экспериментальной автономной генераторной установкой переменной скорости вращения./ И.С. Поляков, О.С. Хватов, А.Б. Дарьенков // Материалы международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии» ИСТ НГТУ. Н.Новгород С Поляков, И. С. Автономная генераторная установка переменной скорости вращения с интеллектуальной системой управления, обеспечивающей экономичный режим ее работы. / И.С. Поляков, О.С. Хватов, А.Б. Дарьенков // Международный научно промышленный форум "Великие реки 2013". / Труды конгресса. ННГАСУ. Н.Новгород С Личный вклад соискателя. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат математические модели (1,2,5,11), алгоритмы работы (3,4,7,9), обобщение результатов (1,6,8,12). 18
19 Заказное. Подписано в печать Формат 60x90/16 Бумага для множительных аппаратов. Печать трафаретная Гарнитура «Таймс» Усл.печ.л. 1,0. Уч.-изд.л. 0,9 Тираж 100 экз. Заказ 609 Отпечатано в типографии ОАО «Алтэкс» г. Нижний Новгород, ул. Новая, д. 36
docplayer.ru
Генераторы с переменной частотой вращения, не фиксированные об/мин
Наши 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, мы разработали очень компактный альтернатор на постоянных магнитах(PM-Permanent Magnet),разместив его 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 инженерный 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 используем наш DC PowerCube 24 в / 150 А, который сразу подключается к Генвертеру, в электросхеме катера получим ток в диапазоне от 0 А до 150 А в зависимости от необходимой нагрузки, U=24 В.
- Наш 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.
Наша серия генераторов GENVERTER доступна в трех основных вариантах:
- 24В +12В или 48В + 12В DC генератор с DC PowerCube зарядным устройством 40 А - 450 А постоянного тока
- 230 В / 50 Гц AC генератор, с выходом мощностью 4, 6, 8,10 или 12 кВА
- или как версия ‘All-in -one’ , готовый к установке за 4 часа комплект
DC -генератор постоянного тока с 1, 2 или 3 цилиндрами + DC PowerCube зарядное устройство/ преобразователь или кобинированное устройство (ЗУ + Инвертор) WPC:
- All-in-one система
- Подключение в любой точке мира к береговой сети 90-265 В /45-65 Гц (DC PowerCube)
- Минимальное время переключения
- Минимальный производимый шум при работе
- Устойчвый к любой вибрации
- И дополнительно на выбор инверторы мощностью от 0,5 кВт до 14 кВА, в том числе 3-х фазные
AC- генератор переменного тока с 1, 2, 3 цилиндрами, мощностью 6 - 8 - 10 -12 кВА:
- 230 В - 50 Гц, идеальный синусоидальный выходной сигнал
- 200% пиковая мощность, прекрасно подходит для подключения систем кондиционирования
- Диапазон частоты вращения 1800 - 3600 оборотов в минуту
- AC нагрузка автоматически определяет частоту вращения двигателя
- 10% более эффективна, чем обычная система
- Экстремально тихие, уровень шума 48- 52 Дб
- Компактные размеры и малый вес генератора
Общие характеристики системы :
- Уровень аккустического шума внутри катера будет меньше 48 Дб
- Автоматический старт и остановка для правильного балланса энергии
- Работа двигателя в соответствии с нагрузкой потребителей
- Непрерывная подача электрической энергии, без разрыва
- Доступ и подключение к любой сети мира
Наш ‘one stop shop’ уникален: мы можем поставлять наши генераторные системы с учетом всех необходимых монтажных частей. Нет больше необходимости ходить по магазинам вокруг.
whisper-power.ru
