Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
1 АНАЛИЗ РАЗВИТИЯ КОРАБЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОДВИЖЕНИЯ
И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1 Состояние дел в области построения систем электродвижения -
подводных лодок
1.2 Обзор известных технических решений в области гребных _.
электрических установок
1.3. Сравнительный анализ регулируемых электроприводов 50
2 СЭД-4 НА БАЗЕ ВЕНТИЛЬНОЙ СИНХРОННОЙ МАШИНЫ
С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ ^
Основные технические характеристики и состав комплекса 61
Конструктивное исполнение комплекса и принцип работы 63
Система электропитания комплекса 68
Система управления комплекса 72
Сравнительная характеристика комплекса 78
Практическая реализация и результаты испытаний .:79
3 ВЕНТИЛЬНЫЙ ИНДУКТОРНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД - ОСНОВА
СЭД НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ 83
Обоснование выбора вентильной индукторной машины для СЭД 83
Принцип действия ВИЛ и варианты конструкции 90
Базовое математическое описание ВИЛ 109
Ретроспективный анализ методов исследования и проектирования
вип по
3.4.1 Современный этап развития систем с вентильно - индукторными .. _
машинами: достижения, проблемы, перспективы
3.5 Особенности построения гребных электродвигателей на базе . .-
многофазных ВИМ
4 МЕТОДИКА ФУНКЦИОНАЛЬНОГО (КОМПЬЮТЕРНОГО)
ПРОЕКТИРОВАНИЯ ГЭД НА БАЗЕ ВИМ
4.1 Математическое моделирование электромагнитных процессов .... 131
4.1.1 Расчёт характеристик намагничивания зубцовой зоны 132
4.1.2 Варианты математических моделей ВИМ и алгоритмы
их реализации 136
Модель ВИМ без учёта насыщения ярма статора и ярма ротора 137
Модель ВИМ с учётом насыщения ярма статора и ярма ротора 140
Модель ВИМ на основе индуктивных параметров 143
4.1.3 Сравнительная оценка математических моделей ВИД
146
и проверка их адекватности
Моделирование работы ВИМ-13 в двигательном режиме 150
Моделирование работы ВИМ-13 в генераторном режиме 152
Определение главных размеров и конфигурации магнитной системы ГЭД 153
Оптимизация параметров ВИД и управляющих воздействий
по критерию минимума пульсаций момента 156
Выбор способа охлаждения 160
Варианты ГЭД разной мощности 162
4.6 Применение прецизионных магнитомягких сплавов при создании
ВИМ для морской техники 166
5 ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОДВИЖЕНИЯ НА БАЗЕ ВИМ... 173
Постановка задачи построения СЭД 173
Перспективные схемы единой электроэнергетической системы (ЭЭС)сВИМ 175
Особенности ЭЭС на основе ВИМ 175
Единая ЭЭС на базе ВИМ с сетью постоянного тока 179
Единая ЭЭС на базе ВИМ с сетью переменного тока 182
5.3 Реализация мощных силовых преобразователей для СЭД
с ВИМ 184
Схемотехника статических преобразователей для ВИП 184
Выбор элементной базы силовых преобразователей 189
Конструктивные решения силовой части 197
5.4 Система управления СЭД с ВИМ 200
Описание режимов работы СЭД в целом 200
Анализ алгоритмов и структур систем управления ВИП 200
Структурная схема микропроцессорной системы управления 209
Алгоритмы управления СЭД и их аппаратно-программная реализация 214
5.4.5 Датчик положения ротора 222
5.5 Исследование индукторных генераторов в единой ЭЭС. 229
6 ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ СЭД НА БАЗЕ ВИМ 234
6.1 Методы управления ВИЛ 234
6.1.1 Методы управления ВИП при регулировании напряжения
в звене постоянного тока 234
6.1.2 Методы управления ВИП при неизменном напряжении в
звене постоянного тока 236
Метод комбинированного управления ВИМ 244
Адаптивные методы регулирования ВИМ 245
6.1.4.1 Регулирование с использованием временных параметров
напряжения 247
Регулирование с использованием временных параметров напряжения при скачкообразном изменении амплитуды.. 248
Определение характеристики задания 250
Метод регулирования ВИМ в аварийных режимах 252
6.2 Метод управления ВИМ в генераторном режиме 252
6.2.1 Метод управления индукторным генератором при постоянстве
нагрузки 254
6.2.2 Метод управления индукторным генератором в переходных
режимах 257
6.3 Законы управления макетным образцом СЭД на базе ВИМ-500.... 259
6.3.1. Оптимизация параметров фазового управления 259
7. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ИСПЫТАТЕЛЬНОГО СТЕНДА
МАКЕТНЫХ ОБРАЗЦОВ СЭД 278
Анализ структур и законов управления испытательного стенда макетных образцов СЭД 278
Функциональная схема испытательного стенда макетных образцов
СЭД 286
Разработка макетного образца ВИМ-500 289
Преобразователь для питания мощных вентильно-индукторных
электродвигателей 295
7.5 Экспериментальное определение электромагнитных параметров
ВИМ-500 298
7.5.1 Зависимость индуктивности фаз в функции углового
положения ротора 298
7.5.2 Кривые намагаичивания ВИМ-500 при различном соединении
обмоток 301
7.6 Экспериментальное исследование ВИМ-500 в рабочих режимах 305
Предварительная обработка осциллограмм 305
Оценка энергетических показателей при номинальной нагрузке 315
Статические рабочие характеристики в режиме поддержания постоянной скорости 326
7.6.4 Сопоставление двигательного и генераторного режимов
при взаимном нагружении ВИМ 327
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 333
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 336
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 356
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 357
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
Введение к работе
Электроэнергетическая система (ЭЭС), представляющая собой совокупность электротехнического оборудования, является важнейшей составной частью подводной лодки (ПЛ), ее надежное функционирование обеспечивает большинство тактико-технических характеристик корабля, а также решение боевых задач [1].
ЭЭС является сложной многосвязной системой, электротехнические комплексы (ЭТК) которой обеспечивают генерирование, распределение и потребление электрической энергии заданного качества и в необходимом количестве для установленных на ПЛ комплексов электрооборудования, вооружения и других технических средств во всех режимах эксплуатации.
Задача создания малошумной, надежной, экономичной, обеспечивающей высокую маневренность всережимной гребной энергетической установки (ГЭУ) для подводных лодок неизбежно приводит к идее использования на них «электрического гребного вала», т.е. к системе полного электродвижения. Это позволяет исключить из состава установки наиболее виброактивный узел - зубчатую передачу, сократить длину линии вала, упростить конструкцию главной турбины и обеспечить благоприятные условия ее эксплуатации.
В 60 - 70-е годы XX века в нашей стране по проблеме электродвижения выполнен ряд серьезных исследований. Исследования охватили как реально существующую элементную базу [2], так и элементную базу, создание которой ожидалось в обозримой перспективе: униполярные электрические машины с жидкометаллическим токосъемом [3], синхронные генераторы и двигатели со сверхпроводниковыми обмотками возбуждения [4], электрогидроре-активные движители (ЭГРД) и МГД-генераторы [5], термоэлектрические генераторы, вентильные каскадные и контр-роторные двигатели, многостатор-ные двигатели и ряд других.
Технические решения в ЭЭС и ЭТК кораблей отечественного флота всегда находились на уровне мировых, в чем исключительная заслуга ученых
и специалистов ВМФ и промышленности, среди которых имена А.А. Азовцева, Г.Я. Альтшулера, Ю.Б. Бабанского, Д.В. Вилесова, А.И. Глебова, Г.А. Жемчугова, СП. Каткова, Г.И. Китаенко, Н.А. Лазаревского, К.В. Недялкова, И.А. Рябинина, Ю.В. Скачкова, Г.Ф. Супруна, Д.А. Скороходова, В.А. Терешонкова, Л.Н. Токарева, В.В.Шейниховича, П.И. Щербинина, Г.С. Ясакова и многих других.
Развитие корабельного электрооборудования направлено на повышение его надежности, живучести, снижение электро- и взрывопожароопасно-сти, увеличение срока службы, улучшение виброакустических характеристик (ВАХ). Проблема повышения эффективности функционирования ЭТК требует постоянного развития всех технических систем ПЛ, роста их энерговооруженности при ограниченных возможностях источников электропитания. Это обостряет проблемы экономии и рационального использования энергоресурсов автономных ЭЭС.
Электроэнергетические системы дизельных и дизель-электрических ПЛ (ДЭПЛ) создаются, как правило, на постоянном токе, что обусловлено использованием при подводном ходе такого источника электроэнергии, как аккумуляторная батарея (АБ). Исторически сложилось так, что вместо электростанции на ПЛ распространены подсистемы или секции правого и левого бортов. Особенностями таких систем являются развитая система электродвижения (СЭД) и меньшее по сравнению с надводными кораблями число потребителей и ступеней распределения. При использовании в ЭЭС подсистем переменного тока вследствие обязательного наличия АБ или другого источника постоянного тока возникает необходимость в электромашинных или статических обратимых преобразователях для связи этих подсистем.
В результате на ПЛ из-за большого количества разнородных потребителей и сетей переменного и постоянного тока организовано многократное преобразование электроэнергии. Общий КПД цепочки преобразования составляет не более 50...60%. Исходя из изложенного, на перспективной ПЛ максимально возможное количество потребителей электроэнергии должно
получать ее непосредственно от основной силовой сети постоянного тока. В таком случае снижение потребления электроэнергии может составить до 25% от суммарной мощности, потребляемой в режиме экономического хода.
Обобщая состояние исследований по проблеме электродвижения атомных подводных лодок (АЛЛ) на начало 80-х годов, можно отметить следующее:
надежды на внедрение на АЛЛ явления сверхпроводимости, источников прямого преобразования энергии, МГД-преобразователей, ЭГРД и униполярных машин оказались не реальными;
создание мощных ГЭД на базе контрроторных и многостаторных электрических машин было принципиально возможно, но нецелесообразно ввиду присущих им недостатков сугубо технологического (для первых) и энергетического (для вторых) характеров;
применение асинхронных и синхронных двигателей в качестве главных ГЭД АЛЛ было технически возможно, но проблематично в силу имеющихся ограничений по частоте вращения гребного винта и массогабаритных характеристик (МГХ) самих двигателей;
использование вентильных двигателей большой мощности в качестве ГЭД позволяло уложиться в массогабаритные ограничения, обеспечить достаточно низкие частоты вращения гребного винта в режиме полного хода и широкий диапазон регулирования, но ограничивалось возможностями силовой полупроводниковой техники.
К началу 80-х годов отечественным подводным кораблестроением накоплен опыт создания, а специалистами ВМФ - опыт эксплуатации ПЛ с атомной энергетикой. Анализ этого опыта приводил к следующим выводам:
по уровню подводного шума, следовательно, и скрытности действия наши подводные лодки уступали АЛЛ вероятного противника;
повышение скрытности и, прежде всего акустической, отечественных АЛЛ возможно только путем комплексной программы снижения виброактивности всего оборудования, как мощных ГЭУ, так и вспомогательных, ис-
пользованием блочной компоновки и пересмотром подходов к проектированию и оценке эффективности самих ГЭУ.
Первые оценки эффективности ГЭУ с позиций системного подхода, и комплексных критериев типа «стоимость-эффективность» [9,10], показали, что переход на полное электродвижение возможен и перспективен.
Разработка полностью управляемых полупроводниковых приборов IGBT в сочетании с освоением производства высокоэнергетических постоянных магнитов и фантастическими успехами микроэлектроники кардинально продвинули исследования в области вентильных преобразователей энергии и сделали возможным создание мощных (10...20 МВт), экономичных (КПД=0,9...0,95) и малошумных ГЭД на базе вентильных машин синхронного типа и на их основе мощных СЭД переменного и постоянного тока.
Поэтому, одним из перспективных направлений для систем электродвижения являются вентильные синхронные машины с возбуждением на основе постоянных магнитов, которые удовлетворяют повышенным требованиям к массогабаритным параметрам, эффективности, виброшумовым характеристикам, надежности, электромагнитной совместимости. Они позволяют обеспечивать все требуемые режимы движения: пуск, ход, реверс, торможение во всем диапазоне скоростей, сохраняя при этом высокий КПД.
Другим перспективным направлением в области регулируемого электропривода являются вентилъно-индукторные электроприводы. В сравнении с вентильными синхронными двигателями с электромагнитным возбуждением или возбуждением от постоянных магнитов индукторные двигатели (ИД) конструктивно проще и надежнее, стоимость их существенно ниже. По основным рабочим характеристикам ИД не уступают высокоэффективным вентильным двигателям с постоянными магнитами. Отмечается повышенная надежность силового инвертора ИД, которая обусловлена схемными решениями, исключающими возможность сквозных коротких замыканий в инверторе. Построение современных корабельных СЭД на базе вентильных машин синхронного типа невозможно без разработки расчетного обеспечения для
проектирования и необходимой экспериментальной базы для натурных испытаний. Поэтому тема диссертационной работы, решающей проблемы создания корабельных СЭД, удовлетворяющих комплексу современных требований по ВАХ и энергетическим показателям, является актуальной.
Объекты исследований.
Корабельные СЭД на базе вентильных машин, а также средства их электропитания, автоматизации и управления.
Цель работы и задачи исследований.
Целью работы является разработка и исследование всережимной СЭД на базе бесконтактных вентильных индукторных двигателей для ПЛ.
Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач:
Анализ вариантов конструктивного выполнения ГЭУ на базе вентильных машин (синхронного с постоянными магнитами (ПМ) и индукторного ГЭД). Оценка их технических характеристик и перспектив использования в ГЭУ нового поколения.
Разработка методики функционального проектирования ГЭД на базе вентильно-индукторных машин (ВИМ) с использованием усовершенствованных имитационных моделей. Выработка рекомендаций по проектированию и применению ВИМ в качестве ГЭД.
Разработка конструкций ГЭД на базе ВИМ, совершенствование алгоритмов управления и оптимизация конструктивных параметров с целью удовлетворения высоким требованиям по ВШХ и КПД.
Разработка новых подходов к построению и реализации СЭД с ВИМ.
Анализ и сравнительная оценка перспективных схем ЭЭС с ВИМ.
Обоснование обобщенной структуры, разработка унифицированных конструкций силовых преобразователей и микропроцессорных систем управления СЭД различной мощности.
7. Разработка макетного образца индукторного ГЭД мощностью 500 кВт и проведение необходимых испытаний для определения его технических характеристик и оценки перспектив его использования в качестве ГЭД.
Использование микропроцессорных систем управления повышает эффективность, надежность и качество функционирования СЭД подводных лодок нового поколения.
Методы исследований.
В работе использовались теория электромеханического преобразования энергии и управления электротехническими системами, методы математического и физического моделирования. Анализ электромагнитных процессов и выходных характеристик ГЭД на базе ВИМ выполнен на основе комбинированного подхода, сочетающего теорию поля и теорию цепей. Для расчета магнитных полей применен метод конечных элементов (МКЭ). В связи со сложным характером взаимных связей между электрическими и магнитными параметрами исследование переходных процессов и расчет характеристик произведены численными методами на ЭВМ по методу мгновенных значений. В работе использовались расчетно-экспериментальные методы, исследование макетов в лабораториях и опытных образцов на натурных стендах. Научная новизна.
Предложены новые конструктивные исполнения многофазных ВИМ большой мощности, удовлетворяющих требованиям гребных установок и обладающих улучшенными МГХ и ВАХ.
Разработаны методы и алгоритмы управления ВИЛ, обеспечивающие всережимность работы СЭД.
На основе оптимизационных расчетов получены рекомендации по выбору дискретных параметров и геометрических размеров, позволяющие получить требуемые энергетические показатели, а также достичь низких пульсаций момента ВИМ большой мощности.
Обоснованы технические решения по созданию систем управления тихоходных безредукторных гребных ВИЛ мощностью от 1,4 до 37 МВт,
обеспечивающих высокий уровень надежности работы и тактико-технические характеристики новых ПЛ.
Предложена структура перспективной СЭД на базе ВИМ с основной сетью постоянного тока 1000 В и статическими полупроводниковыми преобразователями, обеспечивающими двунаправленное преобразование электроэнергии для связи с сетями постоянного тока 200.. .330 В и переменного тока 380 В.
Математическая модель СЭД на базе ВИМ, позволяющая выполнять моделирование динамических режимов.
Структура и законы управления макетным образцом ВИМ-500, обеспечивающие всережимность работы СЭД, и их апробация в процессе натурных испытаний.
Основные научные результаты и положения, выносимые на защиту:
Результаты анализа и оценки технических характеристик, а также выводы о перспективности использования в ГЭУ нового поколения ГЭД на базе синхронных машин с ПМ и индукторного типа.
Принципы построения ВИМ большой мощности, удовлетворяющих требованиям гребных установок и обладающих улучшенными МГХ и ВАХ.
Результаты оптимизационных расчетов и рекомендации по выбору дискретных параметров, геометрических размеров и удельных показателей ВИМ большой мощности, а также синтеза геометрии зубцовой зоны с низкими пульсациями момента.
Подход и методика предварительной оценки и обоснование технических решений по созданию систем управления тихоходных безредукторных гребных ВИЛ мощностью от 1,4 до 37 МВт, подтверждающие высокую надежность работы и тактико-технические характеристики новых ПЛ.
Структура перспективной СЭД на базе ВИМ с основной сетью постоянного тока 1000 В и статическими полупроводниковыми преобразователями, обеспечивающими двунаправленное преобразование электроэнергии для связи с сетями постоянного тока 200.. .330 В и переменного тока 380 В.
Методы и алгоритмы управления СЭД, обеспечивающие всере-жимность её работы.
Математическая модель СЭД на базе ВИМ и результаты моделирования в различных режимах работы.
Макетный образец СЭД на базе ВИМ-500, структура и законы управления испытательного стенда, результаты натурных испытаний макетного образца.
Практическая значимость работы и реализация.
Разработаны усовершенствованные алгоритмы и программное обеспечение для моделирования и проектирования ВИМ большой мощности для корабельных СЭД.
Выработаны рекомендации по оптимальному с точки зрения КПД и пульсаций момента выбору геометрии зубцовой зоны, размеров магнитной системы и параметров управления ВИМ.
Разработаны структуры блоков управления для питания фазных обмоток ВИМ системы электродвижения, снабженные фильтрами импульсных коммутационных перенапряжений (ИКП) и радиопомех.
Разработанная СЭД позволяет исключить из состава энергосистемы последовательно-параллельное переключение бортов, являющееся основным источником ИКП.
Разработан и изготовлен макетный образец СЭД ВИП-500 для проведения испытаний для экспериментального обоснования возможности и целесообразности использования ВИМ в СЭД нового поколения.
На основе теоретических положений, обоснованных в диссертации, выполнены и внедрены в практику следующие разработки:
1. На опытном производстве ФГУП ПКП «ИРИС» и в кооперации с ЮРГТУ (НПИ), Сафоновским электромашиностроительным заводом (ОАО «СЭЗ»), ИБП РАН, ООО «НЛП «Цикл+», НПФ «Вектор» изготовлены 2 опытных образца двигателей мощностью 500 кВт и 14 силовых блоков общей мощностью 14 МВт.
Разработки автора и изготовленные с их использованием ВИЛ для вспомогательных механизмов различного назначения и статические преобразователи мощностью от 1,1 до 32,5 кВт, которые успешно эксплуатируются на новой ДЭПЛ, а также на кораблях индийских и китайских ВМФ, создали условия для реализации СЭД на базе ВИМ для ВМФ России, имеющей также высокий экспортный потенциал.
Создан компьютеризированный испытательный стенд для определения параметров привода, виброакустических и энергетических испытаний, отработки алгоритмов управления.
Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре «Электропривод и автоматика» ЮРГТУ (НПИ) при подготовке инженеров по специальности «Электрооборудование и автоматика судов».
Достоверность полученных автором результатов подтверждается:
корректным применением принципов и методов математического моделирования;
согласованностью теоретических положений и результатов расчета с данными, полученными при натурных экспериментах, а также с результатами расчетов других авторов, приведенными в литературе;
сертификатами типа средств измерения военного назначения и соответствия требованиям технических условий, выданными 32 ЦНИИ МО РФ и ЦНИИ им. Крылова на продукцию, испытательное оборудование и методы испытаний;
Апробация работы.
Результаты работы докладывалась и обсуждалась на:
VI Международной научно-технической конференции в ЦНИИ СЭТ, С.-Петербург, 12-15.05.98;
III Международной конференции по электромеханике и электротехнологии (МКЭЭ-98), г. Клязьма, 14-18.09.98;
Всероссийском электротехническом конгрессе с международным участием ВЭЛК-99, г. Суздаль, 1999;
Заседании технического совета ЦКБ МТ «Рубин» 27.10.98;
Third international symposium AES 2000 (All Electric Ship), Paris, 26-27.10.2000;
VII Международной научно-технической конференции в ЦНИИ СЭТ, С-Петербург, 12-15.09.2000;
XXII сессии семинара «Кибернетика электрических систем», г. Новочеркасск, 25-27.09.2000;
Научно-практической конференции «Транспортный электропривод 2001», Петродворец, 26-28.09.01;
Межотраслевом научно-техническом семинаре «Силовая электроника в бортовых системах электроснабжения и электроприводах», г. Ростов-на-Дону, 23.10.03;
Семинарах в Военно-Морской академии им. адмирала Н.Г. Кузнецова в ноябре 2000,2002 гг. и 07.12.04;
Межотраслевом научно-техническом семинаре «Силовая электроника корабельных электротехнических комплексов», г. Новочеркасск, 21-22. 05.05.
Работа обсуждена и получила одобрение на заседаниях кафедры «Теоретических основ электротехники» ЮРГТУ (НПИ) и расширенном НТС ФГУП ПКП «ИРИС» (г. Новочеркасск) в 2006 г.
Публикации. Основные научные результаты работы опубликованы в 68 научных работах, в том числе: в статьях в журналах «Электричество», «Изв. вузов. Электромеханика», «Chip News», «Судостроение», «Электрическое питание», авторских свидетельствах и патентах на изобретения, запатентованных полезных моделях и программах, трудах научно-технических конференций и в сборниках научно-технических трудов.
