Введение к работе
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. кВтч 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;
синтез структуры и параметров задатчика экономичного режима;
разработка САР дизель-генераторной установки переменной частоты вращения;
- создание экспериментального образца дизель-генераторной уста
новки 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.
-
Разработана математическая модель дизель-генераторной установки, отличающаяся от известных тем, что для минимизации расхода топлива ДВС работает при переменной частоте вращения.
-
Впервые разработана структура задатчика экономичного режима работы нейросетевого типа дизель-генераторной установки переменной частоты вращения.
-
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 дизель-
генераторным установкам с переменной скоростью вращения" № Р11 4/12
между ВГАВТ и Российским Речным Регистром;
- в учебном процессе при подготовке в ВГАВТ инженеров специаль
ности 24.06.00 "Эксплуатация судового электрооборудования и средств ав
томатики" по дисциплине "Основы судового электропривода" в разделах
"Статистические и динамические режимы судового электропривода пере
менного тока с полупроводниковыми преобразователями", по дисциплине
"Моделирование судового электрооборудования и средств автоматизации"
в разделе "Судовой автоматизированный электропривод переменного тока", в курсовом и дипломном проектировании;
- в учебном процессе НГТУ при подготовке магистров по направле
нию 140400.68 "Электроэнергетика и электротехника" по дисциплинам
"Энергетические системы автономных объектов", "Микропроцессорные
системы управления автономных объектов".
В работе автор защищает:
-
математическую модель дизель-генераторной установки переменной частоты вращения на основе синхронного генератора и преобразователя частоты со звеном постоянного тока;
-
математическую модель и алгоритм обучения задатчика экономичного режима нейросетевого типа;
-
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 научно-технических конференциях:
международный научно-промышленный форум "Великие реки". Н.Новгород, ННГАСУ 2011-2013;
XI Всероссийская молодежная научно-техническая конференция "Будущее технической науки". Н.Новгород, НГТУ, 2012;
ежегодная региональная научно-техническая конференция "Актуальные проблемы электроэнергетики". Н.Новгород, НГТУ, 2010-2012;
международная научно-техническая конференция "Информационные системы и технологии ИСТ". Н.Новгород, НГТУ, 2010, 2013.
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.
Похожие диссертации на Дизель-генераторная установка переменной частоты вращения
