Повышение эффективности автономных генераторных установок на основе ДВС переменной частоты вращения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, доктор наук Дарьенков Андрей Борисович

• Дарьенков Андрей Борисович
• доктор наук
• 2020

Оглавление диссертации доктор наук Дарьенков Андрей Борисович

Введение

Глава 1. Общие вопросы дизель-генераторных установок

переменной частоты вращения

1.1 Обоснование разработки дизель-генераторных установок переменной частоты вращения и электротехнических комплексов на их основе

1.2 Особенности генераторных установок переменной частоты вращения

1.3 Предлагаемые варианты дизель-генераторных установок переменной частоты вращения

1.3.1 Дизель-генераторная установка на основе двухзвенного преобразователя частоты

1.3.2 Дизель-генераторная установка на основе широтно-импульсного преобразователя

1.3.3 Дизель-генераторная установка на основе высокочастотного трансформатора

1.3.4 Дизель-генераторная установка на основе матричного преобразователя частоты

1.3.5 Дизель-генераторная установка на основе синхронного генератора специального типа

1.4 Предлагаемые варианты электротехнических комплексов на основе дизель-генераторных установок переменной частоты вращения

1.4.1 Ветро-дизель-электрическая станция

1.4.2 Единая электростанция автономного транспортного объекта

1.5 Постановка задач по разработке и исследованию дизель-генераторных установок переменной частоты вращения и

электротехнических комплексов на их основе

Выводы по главе

Глава 2. Математическое моделирование и методы исследования дизель-генераторных установок переменной частоты вращения

2.1 Обоснование и выбор методов исследования дизель-генераторных установок и электротехнических комплексов на их основе

2.2 Синтез математических моделей приводных двигателей

2.2.1 Математическое моделирование двигателя внутреннего

сгорания

2.2.2 Математическое моделирование турбины ветрогенератора

2.3 Синтез математической модели синхронной машины

2.4 Синтез математических моделей преобразователей параметров электрической энергии

2.4.1 Математическое моделирование двухзвенного преобразователя частоты

2.4.2 Математическое моделирование широтно-импульсного преобразователя

2.4.3 Математическое моделирование матричного преобразователя частоты

2.4.3.1 Анализ схемотехнических решений и математическое описание силовой части матричного преобразователя частоты

2.4.3.2 Разработка алгоритма управления матричным преобразователем частоты

2.5 Синтез математических моделей нагрузки

2.5.1 Математическое моделирование активно-индуктивной нагрузки

2.5.2 Математическое моделирование нагрузки канала электродвижения единой электростанции автономного транспортного объекта

2.6 Оптимизация управления частотой вращения дизель-генераторной установки

2.6.1 Структура задатчика экономичного режима

2.6.2 Разработка алгоритма работы задатчика экономичного режима

Выводы по главе

Глава 3. Динамические режимы работы дизель-генераторных установок переменной частоты вращения и электротехнических комплексов на их основе

3.1 Моделирование дизель-генераторной установки на основе матричного преобразователя частоты

3.1.1 Математическая и имитационная модели дизель-генераторной установки на основе матричного преобразователя частоты

3.1.2 Исследование динамических режимов работы дизель-генераторной установки на основе матричного преобразователя

частоты

3.2 Моделирование дизель-генераторной установки на основе двухзвенного преобразователя частоты

3.2.1 Математическая и имитационная модели дизель-генераторной установки на основе двухзвенного преобразователя частоты

3.2.2 Исследование динамических режимов работы дизель-генераторной установки на основе двухзвенного преобразователя

частоты

3.3 Моделирование канала электродвижения единой электростанции автономного транспортного объекта

3.3.1 Математическая и имитационная модели канала электродвижения единой электростанции автономного транспортного объекта

3.3.2 Исследование динамических режимов работы канала электродвижения единой электростанции автономного транспортного объекта

3.4 Моделирование ветро-дизель-электрической станции

3.4.1 Математическая и имитационная модели ветро-дизель-электрической станции

3.4.2 Исследование параллельной работы каналов преобразования

энергии ветро-дизель-электрической станции

Выводы по главе

Глава 4. Энергетические показатели режимов работы дизель-генераторных установок переменной частоты вращения

4.1 Разработка методики расчета коэффициента полезного действия и расхода топлива дизель-генераторной установки

4.1.1 Анализ многопараметровых характеристик двигателей внутреннего сгорания

4.1.2 Алгоритм расчета коэффициента полезного действия синхронной машины

4.1.3 Алгоритм расчета коэффициента полезного действия трансформатора

4.1.4 Алгоритм расчета коэффициента полезного действия преобразователей параметров электрической энергии

4.2 Сравнительный анализ зависимостей коэффициента полезного действия и расхода топлива дизель-генераторных установок от

мощности нагрузки

Выводы по главе

Глава 5. Анализ надежности и диагностирование неисправностей дизель-генераторных установок переменной частоты вращения

5.1 Сравнительный анализ надежности дизель-генераторных

установок

5.1.1 Прогнозирование интенсивности отказов дизель-генераторных установок

5.1.2 Оценка средней наработки на отказ дизель-генераторных

установок

5.2 Алгоритмы диагностирования дизель-генераторных установок переменной частоты вращения

5.2.1 Алгоритм диагностирования дизель-генераторной установки на основе широтно-импульсного преобразователя

5.2.2 Алгоритм диагностирования дизель-генераторной установки на основе синхронного генератора специального типа

5.2.3 Алгоритм диагностирования дизель-генераторной установки на основе двухзвенного преобразователя частоты

5.2.4 Алгоритм диагностирования дизель-генераторной установки на основе высокочастотного трансформатора

5.2.5 Алгоритм диагностирования дизель-генераторной установки на

основе матричного преобразователя частоты

Выводы по главе

Глава 6. Экспериментальные исследования дизель-генераторных установок переменной частоты вращения

6.1 Экспериментальный стенд «Автономная электростанция на основе двигателя внутреннего сгорания переменной частоты вращения»

6.2 Анализ экспериментальных характеристик автономной электростанции переменной частоты вращения

6.3 Выбор оптимального режима регулирования частоты вращения двигателя внутреннего сгорания по критериям эксплуатационной экономичности и обеспечения требуемого ресурса

6.4 Экологическая оценка электростанций на основе двигателей внутреннего сгорания переменной частоты вращения

6.4.1 Постановка задачи и методика экологической оценки

6.4.2 Экологическая оценка снижения расхода топлива

Выводы по главе

Глава 7. Технико-экономическое сопоставление вариантов дизель-

генераторных установок переменной частоты вращения

7.1 Оценка удельной стоимости и удельной массы дизель-генераторных установок

7.2 Оценка средней за период эксплуатации дизель-генераторных

установок стоимости вырабатываемой электроэнергии

7.3 Оценка срока окупаемости дизель-генераторных установок

Выводы по главе

Заключение

Список сокращений

Список литературы

Приложение А Принципиальные электрические схемы экспериментального стенда «Автономная электростанция на основе

двигателя внутреннего сгорания переменной частоты вращения

Приложение Б Акты о внедрении результатов

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности автономных генераторных установок на основе ДВС переменной частоты вращения»

Введение

Актуальность. «Один из безусловных приоритетов ближайших лет -это электроэнергетика. Россия уже столкнулась с нехваткой мощностей для дальнейшего роста. Предстоит крупнейшая за последние десятилетия структурная реформа. По сути, речь идет о «второй» масштабной электрификации страны. К 2020 году необходимо увеличить на 2/3 производство электроэнергии в России» - сказал в своем обращении к Федеральному Собранию РФ Президент России В.В. Путин 26 апреля 2007 года.

Развитие электроэнергетики в России определяется рядом обстоятельств, среди которых немаловажным является отсутствие централизованного энергоснабжения на 2/3 территории нашей страны. По оценкам специалистов около 20 млн. человек, проживающих на Дальнем Востоке, в северных областях и ряде других территорий, получают электроэнергию в основном от автономных дизель-генераторных установок (ДГУ) - основных генерирующих устройств децентрализованного электроснабжения. Необходимое для выработки электроэнергии топливо при этом завозится из далеко расположенных центров автотранспортом либо водными путями, а иногда, и вертолетами, что существенно сказывается как на его стоимости, так и надежности самих поставок.

Существующая концепция развития энергетики в нашей стране, в основном, ориентирована на «большую» энергетику, при этом уделяется не достаточно внимания объектам децентрализованного электроснабжения, где основу энергетических мощностей составляют именно дизель-генераторные и газотурбинные установки, а также мини-ТЭЦ, работающие на местном топливе. Количество ДГУ в России составляет порядка 50 тыс. единиц с потребным расходом топлива 6 млн. тонн в год.

ДГУ имеют следующие преимущества:

- длительная работа без технического обслуживания;

- автоматизация процесса генерирования электроэнергии;

- относительно высокий КПД (-0,4);

- компактность и простота обслуживания.

К тому же, данные установки подтвердили свою надежность при эксплуатации в составе различных технических, в том числе транспортных, объектов.

Электростанции, работающие с неизменной частотой вращения вала двигателя внутреннего сгорания (ДВС), имеют существенный недостаток, связанный с завышенным удельным расходом углеводородного топлива при работе на долевых нагрузочных режимах, т.е. при снижении мощности нагрузки в электрической сети.

Исследования, проведенные в 70-е годы ХХ века под руководством профессора Орлова А.В. [104], показали, что уменьшение частоты вращения ДВС при снижении мощности нагрузки позволяет сократить удельный расход топлива на 20-30%. Вариация частоты вращения вала при изменении мощности нагрузки ДВС также обеспечивает оптимальный тепловой режим, снижает износ, и, следовательно, повышает моторесурс.

Исследования электротехнических генераторных комплексов переменной частоты вращения отражены в работах российских и зарубежных ученых Загорского А.Е., Костырева М.Л., Лукутина Б.В., Онищенко Г.Б., Титова В.Г., Торопцева Н.Д., Хватова С.В., Хватова О.С., Шакаряна Ю.Г., Heller M., Schumacher W., Pena R., Clare J.C., Asher G.M., Kahn A., Ricardo L.M., Sebastian R.M., Rudnick H. и др. Авторами исследований в области дизель-генераторных установок переменной частоты вращения (ДГПЧВ) являются российские и зарубежные ученые Артюхов И.И., Загорский А.Е., Григорьев А.В., Лукутин Б.В., Обухов С.Г., Степанов С.Ф., Хватов О.С., Шакарян Ю.Г., Delgado C., Ketabi A., Leong K., Sliga R., Shuben Z. и др.

Исследованию электротехнических комплексов на основе генераторов переменного тока посвящены работы [12, 18, 79, 91, 102, 145, 190]. Вопросам построения электротехнических комплексов на основе ДГПЧВ (структуры силовой части, методы построения локальных сетей на основе ДГПЧВ, особенности применения преобразователей параметров электрической энергии и др.) посвящены работы как отечественных, так и зарубежных авторов [96, 98, 104, 106, 110-112, 117-119, 204, 210, 214, 220, 225, 230]. По исследованию динамических режимов работы электротехнических комплексов на основе ДГПЧВ (математические и имитационные модели, анализ переходных процессов) необходимо отметить работы [1, 97, 205, 215, 223, 224]. Способы управления ДГПЧВ нашли свое отражение в публикациях [219, 228, 229]. Вопросы эксплуатации электротехнических комплексов на основе ДГПЧВ (экспериментальные исследования ДГПЧВ, стоимостные оценки, критерии по вредным выбросам и др.) рассмотрены в работах [19, 106, 190, 230]. Отмеченные выше работы, как правило, содержат решение отдельных частных вопросов, выполнены на различной методологической основе, не имеют системного характера и зачастую не доведены до инженерных расчетов.

На сегодняшний день отсутствуют комплексные исследования ДГПЧВ, позволяющие с единых научно-методологических позиций осуществлять оптимальный выбор варианта структуры силового оборудования, определять расход топлива и ресурс ДГПЧВ, анализировать электромагнитные и электромеханические процессы в ДГПЧВ. Мало изучено влияние ДГПЧВ на экологию.

Таким образом, научно-технические проблемы, связанные с выбором структуры силовой части ДГПЧВ, разработкой системы управления, обеспечивающей оптимальный энергетический режим работы ДГПЧВ, а также проблемы, связанные с разработкой математических и имитационных моделей элементов ДГПЧВ и комплексов на их основе, с исследованием

динамических режимов работы ДГПЧВ и комплексов на их основе, с анализом энергетических показателей, показателей надежности, влиянием на экологию и вопросы технико-экономического сопоставления вариантов таких электростанций остаются во многом нерешенными.

Задачу повышения эффективности использования энергоресурсов ДГУ можно отнести к стратегическим целям развития отечественной энергетики. Тем более, что за последние 20 лет энергосбережение стало одним из основных направлений развития техники во всех развитых странах. Это, во-первых, связано с исчерпаемостью основных энергоресурсов, во-вторых, с ростом стоимости их добычи а, в-третьих, с особой важностью экологических проблем.

Таким образом, решение научной проблемы, связанной с разработкой и созданием ДГПЧВ и электротехнических комплексов на их основе, обеспечивающих значительную экономию топлива, является актуальной народнохозяйственной задачей, новым техническим направлением в малой энергетике и составляет объект исследования настоящей диссертационной работы.

Научные исследования проводились в рамках реализации федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 20142020 г.г.» (соглашение №14.574.21.0009 о предоставлении субсидии от 17.06.2014, уникальный идентификатор проекта RFMEFI57414X0009), а также в рамках реализации государственного задания в сфере научной деятельности по соглашению с Минобрнауки РФ № 8.2668.2014/К о предоставлении субсидии от 18.06.2014 г. и по соглашению с Минобрнауки РФ № 14.574.21.0167 о предоставлении субсидии от 26.09.2017 г. (уникальный идентификатор проекта RFMEFI57417X0167).

Объектом исследования являются автономные генераторные установки на основе ДВС переменной частоты вращения и электротехнические комплексы на их основе.

Предмет исследования: динамические и энергетические режимы генераторных установок переменной частоты вращения и электротехнических комплексов на их основе, вопросы управления, надежности, диагностирования неисправностей, влияния на экологию, а также сопоставительный анализ вариантов автономных электростанций на основе ДВС переменной частоты вращения.

Цель работы состоит в разработке научного обоснования и технических решений по повышению эффективности автономных генераторных установок на основе ДВС переменной частоты вращения и электротехнических комплексов на их основе.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе поставлены следующие задачи:

1. Разработка вариантов структур ДГПЧВ, а также комплексов на их основе: ДГПЧВ на основе двухзвенного преобразователя частоты (ПЧ); ДГПЧВ на основе матричного преобразователя частоты (МПЧ); ДГПЧВ на основе высокочастотного трансформатора; ДГПЧВ на основе широтно-импульсного преобразователя (ШИП); ДГПЧВ на основе синхронного генератора (СГ) специального типа; ветро-дизель-электрической станции (ВДЭС); единой электростанции (ЕЭС) автономного объекта.

2. Разработка задатчика экономичного режима (ЗЭР) ДГПЧВ, обеспечивающего работу ДВС в оптимальном с точки зрения расхода топлива режиме и учитывающего изменение внутренних и внешних условий его работы.

3. Разработка алгоритма управления МПЧ в составе ДГПЧВ, обеспечивающего увеличение коэффициента передачи напряжения преобразователя частоты до 0,95.

4. Разработка логических моделей и графов алгоритмов диагностирования вариантов ДГПЧВ, позволяющих осуществлять наблюдение за техническим состоянием каждого элемента системы в реальном масштабе времени.

5. Разработка математических и имитационных моделей вариантов ДГПЧВ и электротехнических комплексов на их основе, позволяющих исследовать динамические режимы их работы с учетом величины и характера нагрузки, а также формируемой с целью минимизации расхода топлива многопараметровой характеристикой ДВС.

6. Разработка методики расчета КПД и расхода топлива вариантов ДГПЧВ и ДГУ постоянной частоты вращения, позволяющей получить зависимости суммарного КПД силового электротехнического канала установки, а также расхода топлива в функции мощности нагрузки.

7. Экспериментальные исследования ДГПЧВ, позволяющие оценить расход топлива и провести анализ экологического воздействия ДГПЧВ на окружающую среду.

8. Сравнительная оценка надежности вариантов ДГПЧВ на основе расчета средней наработки на отказ.

9. Технико-экономическое сопоставление вариантов ДГПЧВ по таким критериям, как себестоимость вырабатываемой электроэнергии, удельные масса и стоимость электростанций, сроки их окупаемости, позволяющее осуществлять выбор наиболее оптимального варианта ДГПЧВ в зависимости от сферы применения электростанции.

Используемые в работе методы исследования основываются на теории электромеханического преобразования энергии, общей теории сложных технических систем, теории автоматического управления, математического моделирования, численных и натурных экспериментах. Достоверность полученных в диссертационной работе научных результатов обеспечивается корректностью постановки задач, обоснованностью

принятых допущений, применением апробированных математических методов и подтверждается результатами имитационного моделирования и экспериментальных исследований.

Научной новизной обладают следующие положения, выносимые на защиту:

1. Варианты структур ДГПЧВ, состоящие из ДВС переменной частоты вращения, электрических генераторов, преобразователей параметров электрической энергии, трансформаторов и др. элементов, отличающиеся новизной технических решений и обеспечивающие работу ДВС в оптимальном с точки зрения потребления топлива режиме, а также стабилизацию параметров генерируемой электрической энергии - амплитуды и частоты выходного напряжения электростанции:

- ДГПЧВ на основе двухзвенного ПЧ;

- ДГПЧВ на основе МПЧ;

- ДГПЧВ на основе высокочастотного трансформатора;

- ДГПЧВ на основе ШИП;

- ДГПЧВ на основе СГ специального типа.

2. Варианты электротехнических комплексов на основе ДГПЧВ, отличающиеся новизной технических решений и обеспечивающие экономию потребляемого ДВС топлива и стабилизацию амплитуды и частоты выходного напряжения:

- ВДЭС, состоящая из каналов преобразования энергии ветра и тепловой энергии ДВС переменной частоты вращения в электрическую энергию;

- ЕЭС автономного объекта, состоящая из каналов электродвижения и электроснабжения бортовой сети.

3. Структура ЗЭР ДГПЧВ, позволяющая при изменении мощности нагрузки определять значения оптимальной с точки зрения расхода топлива частоты вращения вала ДВС, отличающаяся тем, что обеспечивает учет

изменяющихся внутренних (износ внутренних частей, марка и качество топлива) и внешних (температура, давление и влажность окружающего воздуха) условий его работы.

4. Алгоритм управления МПЧ в составе ДГПЧВ, реализующий режим перемодуляции выходного напряжения и обеспечивающий увеличение коэффициента передачи напряжения преобразователя частоты до 0,95, и отличающийся от известных алгоритмов методом формирования модулирующих функций.

5. Логические модели вариантов ДГПЧВ на основе МПЧ, СГ специального типа, двухзвенного ПЧ, ШИП, высокочастотного трансформатора, как объектов диагностирования, учитывающие сложность диагностируемых объектов, разнородность элементов, входящих в состав электростанций, а также наличие контуров обратной связи.

6. Математические модели вариантов ДГПЧВ и электротехнических комплексов на их основе, отличающиеся от известных тем, что с целью оптимизации расхода топлива частота вращения вала ДВС изменяется в зависимости от мощности нагрузки в соответствии с нейросетевым алгоритмом ЗЭР, и позволяющие исследовать динамические режимы работы вышеуказанных систем с учетом величины и характера нагрузки, а также формируемой, с целью минимизации расхода топлива, многопараметровой характеристикой ДВС.

7. Методика расчета КПД и расхода топлива вариантов ДГПЧВ и ДГУ постоянной частоты вращения в функции мощности нагрузки, основанная на учете КПД элементов силового электротехнического канала электростанций (электрических генераторов, преобразователей параметров электрической энергии и трансформаторов) и многопараметровых характеристик ДВС, позволяющая расчетным путем получить зависимости суммарного КПД силового электротехнического канала установки, а также расхода топлива ДВС от значения мощности нагрузки.

Новизна результатов подтверждена патентами РФ на изобретения и полезные модели.

Практическую ценность работы составляют:

1. Алгоритм работы ЗЭР на основе аппарата нейронных сетей, позволяющий накапливать в ассоциативной памяти (АП) дискретные значения оптимальной с точки зрения расхода топлива частоты вращения ДВС в составе ДГПЧВ в зависимости от мощности нагрузки, а также генерировать значения оптимальной частоты вращения для отсутствующих в памяти дискрет на основе методов ассоциации и интерполяции в пределах «обучения» АП.

2. Имитационные модели ДГПЧВ на основе МПЧ и на основе двухзвенного ПЧ, а также электротехнических комплексов - ЕЭС и ВДЭС, разработанные в программном пакете Ма1ЪаЬ 81ши1тк и позволяющие проводить анализ динамических режимов их работы с учетом величины и характера нагрузки, а также формируемой, с целью минимизации расхода топлива, многопараметровой характеристикой ДВС.

3. Результаты исследования разработанных вариантов ДГПЧВ и электротехнических комлпексов на их основе, проведенные с помощью имитационных моделей в программном пакете Ма1:ЬаЬ 81шиНпк, позволившие определить параметры динамических режимов работы электростанций.

4. Графы алгоритмов диагностирования вариантов ДГПЧВ, позволившие упростить алгоритмы диагностирования ДГПЧВ путем разбиения каждого из них на два подмножества на каждом этапе осуществления элементарных проверок.

5. Результаты сравнительного анализа расхода топлива вариантов ДГПЧВ и ДГУ постоянной частоты вращения, проведенные с помощью разработанной методики, и позволившие определить диапазон мощностей

нагрузки, в котором целесообразно регулирование частоты вращения ДВС с целью экономии топлива.

6. Результаты экспериментальных исследований ДГПЧВ на основе МПЧ, подтвердающие результаты расчета с помощью разработанной методики абслолютного и удельного расходов топлива.

7. Анализ экологического воздействия ДГПЧВ на окружающую среду, отражающий влияние регулирования частоты вращения ДГУ в зависимости от мощности нагрузки на эмиссию парниковых газов, концентрацию оксида углерода и углеводородов в атмосферном воздухе.

8. Результаты сравнительной оценки надежности вариантов ДГПЧВ, позволяющие осуществлять выбор варианта электростанции на основе ее средней наработки на отказ.

9. Результаты технико-экономического сопоставления различных вариантов ДГПЧВ по таким показателям, как стоимость вырабатываемой электроэнергии, удельные масса и стоимость электростанций, сроки их окупаемости, позволяющие осуществлять выбор варианта электростанции в зависимости от области применения.

Полученные результаты могут быть использованы разработчиками и производителями автономных электростанций на основе ДВС мощностью от единиц до сотен кВт, а также энергетическими предприятиями, занимающимися вопросами энергообеспечения удаленных

децентрализованных регионов России.

Личный вклад автора. Диссертация является результатом самостоятельных исследований автора, которые проводились под его руководством или с непосредственным участием. Все научные положения и результаты, определяющие научную новизну и практическую ценность работы, получены соискателем лично либо в соавторстве. Личное участие автора подтверждено публикациями и выступлениями на конференциях. В опубликованных в соавторстве печатных работах, автору принадлежит

научное обоснование принятых технических решений; разработка математических моделей, методик и алгоритмов; анализ и обобщение результатов теоретических и экспериментальных исследований.

На защиту выносятся положения:

1. Варианты структур ДГПЧВ и электротехнических комплексов на их основе.

2. Структура и алгоритм работы ЗЭР ДГПЧВ.

3. Алгоритм управления МПЧ в составе ДГПЧВ.

4. Комплекс математических и имитационных моделей вариантов ДГПЧВ и электротехнических комплексов на их основе.

5. Методика расчета КПД и расхода топлива вариантов ДГПЧВ и ДГУ постоянной частоты вращения.

6. Результаты экспериментальных исследований, подтверждающие адекватность методики расчета КПД и расхода топлива вариантов ДГПЧВ и ДГУ постоянной частоты вращения, и отражающие экологическое воздействие ДГПЧВ на окружающую среду.

7. Логические модели и графы алгоритмов диагностирования вариантов ДГПЧВ.

8. Результаты сравнительной оценки вариантов ДГПЧВ, позволяющие осуществлять выбор варианта электростанции в зависимости от области применения.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «Пром-Инжиниринг» (г. Челябинск, 2017, 2018 г.г.), International conference on informatics, networking and intelligent computing (Shenzhen, China, 2014), International conference on mechanical, aeronautical and automotive engineering (Malacca, Malaysia, 2017), Международном научно-промышленном форуме «Великие реки» (г. Нижний Новгород, 2011, 2012, 2015 г.г.), IX Международной (XX Всероссийской) конференции по

автоматизированному электроприводу (г. Новочеркасск, 2018), VIII Международной (XIX Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу (г. Пермь, 2016 г.), VII Международной (XVIII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу (г. Иваново, 2012 г.), VIII Международной (XIX Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу (г. Саранск, 2014 г.), I Международной (IV Всероссийской) научно-технической конференции «Электропривод, электротехнологии и электрооборудование предприятий» (г. Уфа, 2013 г.), Международной научно-технической конференции "Информационные системы и технологии" ИСТ-2011(г. Нижний Новгород, 2011, 2013 г.г.), Всероссийской конференции "Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (г. Воронеж, 2011 г.), Международной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (Бенардосовские чтения). (г. Иваново, 2011, 2013 г.г.), Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки» (г. Нижний Новгород, 20092018 г.г.), Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы электроэнергетики» (г. Нижний Новгород, 2010-2018 г.г.).

Реализация результатов работы. Полученные результаты работы нашли практическое применение в АО «НПЦ «Электродвижение Судов» (г. Санкт-Петерубрг) при разработке проектной документации электростанций судов с ДГПЧВ, а также при анализе опыта экспериментальных исследований и эксплуатации судовых ДГПЧВ; в ФАУ «Российский Речной Регистр» (Верхне-Волжский филиал Российского Речного Регистра, г. Нижний Новгород) при разработке требований к судовым ДГПЧВ и для учета в классификационной деятельности Речного Регистра; в АО КБ «Вымпел» (г. Нижний Новгород) при разработке проектной документации портового ледокола и большого морозильного рыболовного траулера.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 125 печатных работах, в том числе 1 монографии, 17 статьях в изданиях из Перечня, рекомендованного ВАК РФ, 9 публикациях в изданиях, индексируемых в Scopus, 10 патентах на изобретения и полезные модели и 7 свидетельствах о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа объемом 327 страниц основного текста, состоит из введения, семи глав, заключения, 2 приложений, списка использованных источников из 230 наименований; содержит 26 таблиц и 161 рисунок.

Глава 1. Общие вопросы дизель-генераторных установок переменной

частоты вращения 1.1 Обоснование разработки дизель-генераторных установок переменной частоты вращения и электротехнических комплексов на их

основе

Автономные электростанции производятся на основе бензиновых, дизельных или газовых ДВС. Бензиновые электростанции используются для аварийного и резервного электроснабжения, строительных и аварийно-восстановительных работ, а также бытовых нужд. Дизельные электростанции применяются для тех же целей, что и бензиновые, а также для электроснабжения таких автономных объектов, как речные и морские суда. Газовые электростанции работают на пропанобутановых смесях, природном или промышленном газе. В качестве электрического генератора в составе ДГУ применяются, как правило, генераторы синхронного типа, реже -асинхронные генераторы [24, 79, 91, 94, 204, 210, 214, 220, 225, 230].

Системы ДГУ обычно выполняются по схеме (рисунок 1.1), которая содержит две системы автоматического управления: частотой вращения ДВС и выходным напряжением электрического генератора. Первая автоматическая систем предназначена для стабилизация частоты вращения ДВС, вторая - для стабилизации выходного напряжения генератора [94, 95].

Частота и амплитуда выходного напряжения синхронного генератора (СГ), приводимого во вращения ДВС, пропорциональны частоте вращения его ротора. Частота вращения вала ДВС стабилизируется с помощью регулятора частоты вращения, чем обеспечивается стабильность частоты выходного напряжения СГ во всех режимах работы. В связи с относительной простотой конструкции такие электростанции получили широкое распространение, как в России, так и за рубежом.

Рисунок 1.1 - Функциональная схема ДГУ постоянной частоты

вращения:

ДВС - двигатель внутреннего сгорания; СГ - синхронный генератор; РН -регулятор напряжения; РЧ - регулятор частоты; БВ - блок возбуждения СГ

При постоянной частоте вращения расход топлива, эффективный и механический КПД и др. основные показатели ДВС принято оценивать в зависимости от одного из показателей, отражающих нагрузку на его валу. Таким показателем может быть эффективная мощность N [10] (рисунок 1.2) [10]. Кривая расхода топлива ge имеет выраженный минимум при частичной загрузке двигателя, как видно из рисунка 1.2, на котором представлена нагрузочная характеристика ДВС. При этом известно, что автономные ДГУ работают, как правило, на долевых режимах с нагрузкой в диапазоне от 30 до 70% номинальной [10]. Значит, ДВС, работая при переменной нагрузке и постоянной частоте вращения, как правило, работает с завышенным расходом топлива.

Таким образом, ДГУ постоянной частоты вращения имеет существенный недостаток, заключающийся в невозможности работать в режимах, обеспечивающих снижение расхода топлива и повышающих срок службы ДВС [96-98, 106]. Кроме того, известно, если нагрузка ДГУ менее 20% номинальной, то эксплуатация ДВС в длительном режиме может привести к закоксовыванию цилиндров [10].

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2

0.0

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 ^

Рисунок 1.2 - Нагрузочная характеристика ДВС

Устранить отмеченные выше недостатки возможно с помощью ДГУ, которая вырабатывает напряжение стабильной частоты и амплитуды при регулировании частоты вращения вала ДВС в функции мощности нагрузки.

Для выбора экономичного режима работы ДВС, работающего при переменной нагрузке, следует воспользоваться его многопараметровой характеристикой. Многопараметровая характеристика ДВС строится в системе, в которой координатами служат два основных показателя его работы при различных значениях третьего, используемого в качестве параметра и остающегося постоянным для каждой из характеристик [10].

На многопараметровой характеристике, представленной на рисунке 1.3, штрихпунктирной линией показана зависимость эффективного давления pe и эффективной мощности от частоты вращения вала ДВС при наименьшем удельном расходе топлива g ^

Ре N

Рисунок 1.3 - Многопараметровая характеристика ДВС

Таким образом, как видно из рисунка 1.3, с целью экономии топлива при переменной мощности нагрузки требуется регулирование частоты вращения ДВС. При этом частота и амплитуда выходного напряжения СГ, приводимого во вращение ДВС, будут переменными. Выполнение требования стабильности амплитуды и частоты выходного напряжения ДГУ при переменной частоте вращения вала требует нового подхода к построению ее системы управления. Система управления ДГУ переменной частоты вращения должна содержать устройство выбора оптимальной, с точки зрения потребления топлива, частоты вращения вала ДВС в зависимости от мощности нагрузки. Целесообразно, чтобы такое устройство учитывало марку топлива и меняющиеся с течением времени и в зависимости от параметров окружающей среды рабочие параметры ДВС [2, 41, 117].

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Дарьенков Андрей Борисович, 2020 год

Источник питания £ &

Выход 1 1

Выход ? 2

В-ажад 3 3

Выжсд4 4

Диалог, их 5

Аналог, 1зк, б

Аналог, нх 7

Анйпйг, ИХ, «

БСиСД

"и'СС ■

ИХ <А) 2

ТХ(В> 3

4

Шзг- Ь

Шаг- 6

Наг2, * /

Напр. ■ 8

24 Вход 6 Вход 1 9

ахад е 0 Б -

Зход ,' В*«Д 2 "1

'А Вход а 0 В 12

20 выход в ВиодЗ 13

19 ЙЫЖОД ? : ь 14

0ЫЖОД ® Вход 4 *Ь

V Выход 5 0 в 1®

Датч»( саслс да тогггва ХТ1

чсс

7 ТХ(В)

Л

■1 еыр

БУШД

ХТ1

ь Шш •

й Шаг -

/ Напр.

я Напр. -

Выход А *

выход А" 2

Выход 6

Выход Б* 4

1±:! -"ими даигатель. ХГ1

1 бикса А

г Выход А"

.1 Выход Б

4 Выход Б"

Датчик тока 2

Бмйод 1

Датчик напряжения 1

Выхоа 1

0 В

О-)

и> <1

Дэтчш напряжения 2

Вьжзд 1

Рисунок П. А. 10 -

Схема электрическая соединений

модулей

ЗЭР

Приложение Б Акты о внедрении результатов

Утверждаю Начальник 1а разработки Правил, к.т.Н ______Гйлочкин Д.А.

АКТ

О внедрении результатов докторской диссертации

Дарьей кова Андрея Борисовича

Настоящим подтверждаем, что результаты диссертационной работы «Повышение эффективности автономных генераторных установок на основе ДВС переменкой частоты Вращения», представленной ¡та соискание ученой степени доктора технических наук, были рассмотрены на Научно-техническом совете при ФЛУ «Российский Речной Регистр»; в рамках обсуждения научно-исследовательской работы «Разработка требований к судовым дизель-генераторным установкам с переменной скоростью вращения». По результатам рассмотрения Научно-техническим советом при ФЛУ «Российский Речной Регистр» было рекомендовано использовать рассмотренные материалы для учета в классификационной деятельности Речного Регистра (Протокол №3 от 20.06.2013 г.).

Заместитель начальника 1 разработки Правил, технических наук, профессор

Бажан П.И.

Акционерное общество конструкторское бюро по проектированию судов

«Вымпел»

АО КБ «Вымпел»; 603104. г. Нижний Новгород, ул. Картава, л. 6. корп. 6. тел +7 (SJ3) ] -to, факс +7-) 4.Ю-20-96. infoi(№ympd,ra. vi-ww.vympel.ru ИННКГГП 52ЫЮ1П20&'5гб2и1М1 ОГРН Ш2531Ш11И70К

№

на №

/^jf от МГ//ЛЛ"?

АКТ

Утверждаю алыный директор . Шаталов/

■ '/&.D.

2019г.

о внедрении результатов диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Дарьенкова Андрея Борисовича

Комиссия в составе: Председатель.

Члены комиссии.

первый заместитель генерального директора - главный инженер Д.А. Посадов

заместитель главного конструктора, к.т.н. В.В. Самулеев

начальник отдела электрооборудования Д.В. Умяров

составила настоящий акт о том. что материалы диссертационной работы Дарьенкова A.B. «Повышение эффективности автономных генераторных установок на основе ДВС переменной частоты вращения», представленной на соискание ученой степени доктора технических наук, были внедрены в проектную практику АО КБ «Вымпел» при разработке проектной документации портового ледокола и большого морозильного рыболовного траулера в виде:

1 Результатов исследования дизель-генераторных установок переменной частоты вращения (ДП1ЧВ) на основе матричного преобразователя частоты и двухзвенного преобразователя частоты, а также единой электростанции автономного обьекта на основе ДГПЧВ.

2 Эскизной конструкторской документации на экспериментальный образец ДГПЧВ на основе матричного преобразователя частоты.

Председатель Члены комиссии

Д.А. Посадов

В Самулеев Д.В. Умяров

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева»

МННОБРНАУКИ РОССИИ

(НГТУ)

АКТ

г. \ |иж||нй \ [овгород

О внедрении результатов диссертационной работы на соискание ученой степени доктора технических наук Дарьенкова А.Б.

Результаты диссертационной работы Дарьенкова Андрея Борисовича «Повышение эффективности автономных генераторных установок на основе ДВС переменной частоты вращения» внедрены в ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева» (ПГТУ) и процессе проведения научно-исследовательской работы, направленной на разработку и исследование технических решений по повышению эффективности автономных генераторных установок на основе ДВС переменной частоты вращения и электротехнических комплексов па их основе.

Полученные Дарьенковым Л.К. результаты были использованы:

при обосновании разработки автономных дизель-генерагорных установок переменной частоты вращения (ДГПЧВ) на основе полупроводниковых преобразователей параметров электрической энергии;

- при обосновании применения матричных преобразователей частоты (МПЧ) в составе

- при разработке алгоритма работы задатчика экономичного режима (30Р) ДВС переменной частоты вращения в составе ветро-дизель-электрической станции (ВДЭС) на основе нейронных сетей:

- при разработке имитационной компьютерной модели ВДЭС в пакете Matlab Sim u link;

- при разработке имитационной компьютерной модели ДГПЧВ на основе МПЧ в пакете Matlab Simulmk:

- при разработке технического проекта ДГПЧВ на основе двухзвепного преобразователя частоты;

- при разработке технического проекта МПЧ в составе ДГПЧВ;

- при создании экспериментального образца интеллектуальной системы управления ВДЭС в составе с ЗЭР;

при создании испытательного стенда для проведения испытаний экспериментального образца интеллектуальной системы управления ВДЭС в составе с ЗЭР;

ДГПЧВ;

- при создании экспериментального образца М11Ч и его испытании в составе ДГПЧВ;

- при разработке и испытании экспериментального образца энергоэффеетивйого электротехнического комплекса на основе ДВС переменной частоты Вращения.

Разработанная конструкторская и программная документация, результаты исследования статических и динамических режимов ДГПЧВ и ВДЭС в составе с ЗЭР будут востребованы при проектировании новых и модернизации существующих автономных электростанций на основе ДВС.

Работа выполнялась в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» по гос. контакту с Минобрнауки РФ№ 14.574.21.0009 о предоставлении субсидии от 17.06.2014 г. (уникальный идентификатор проекта Ю-М1-1-157414X0009), а также в рамках проектов по реализации государственного задания в сфере научной деятельности по соглашению с Минобрнауки РФ № 8.2668.2014/К о предоставлении субсидии от 18.06,2014 г. и по соглашению с Минобрнауки РФ № 14.574.21.0167 о предоставлении субсидии от 26.09.2017 г. (уникальный идентификатор проекта ИКМЕГ157417X0167).

Научный руководитель работ по гос. контракту № 14.574.21.0009, по соглашению № 14.574.21,0167

Научный руководитель работ но соглашению № 8.2668.2014/К

федеральное государственпое бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Нижегородский государственный технический университет им, P.E. Алексеева»

МИНОЬРНАУКИ РОССИИ

(НГТУ)

АКГ

^У tfUtf » .¿MW/

Г. Нижний Новгород

О внедрении в учебный процесс результатов диссертационной работы на соискание ученой степени доктора технических наук Дарьенкова А.Б.

Мы, нижеподписавшиеся, начальник учеб по-методического управления ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева» (НГТУ) Ермакова Т.Н., зам, директора по учебной работе образовательно-научного института электроэнергетики НГТУ Ходыкипа И.В., зам. заведующего кафедрой «Электрооборудование, электропривод и автоматика» НГТУ к.т.н. доцент Филатов И.Н. составили настоящий акт о том, что материалы диссертационной работы Дарьенкова Андрея Борисовича «Повышение эффективности автономных генераторных установок па основе две переменной частоты вращения» внедрены в учебный процесс кафедры «Электрооборудование, электропривод п автоматика» НГ'ТУ.

Материалы диссертационной работы используются при проведении учебных занятий с бакалаврами направления 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» по курсам «Судовые энергетические системы» и «Электроснабжение автономных и береговых объектов», с магистрами направления 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника» по курсам «Системы электродвижения автономных объектов» и «Электрооборудование автономных объектов», а также при выполнении выпускных квалификационных работ.

Начальник управления IГГТУ

у ч еб но-м его днческо го

Зам. директора по учебной работе образовательно-научного института

электроэнергетики НГТУ

института

Зам. заведующего кафедрой «Электрооборудование, электропривод и автоматика» НГГУ. к.т.н, доцент