Алгоритм векторного управления гребными электроприводами на основе синхронных двигателей для ледоколов с движителями типа «Азипод»

СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ И ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА

DOI: 10.24937/2542-2324-2019-3-389-103-112 УДК 62-83:629.5.03

В.И. Вершинин, C.B. Махонин, В.А. Паршиков, В.А. Хомяк

Филиал «ЦНИИ СЭТ» ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург, Россия

АЛГОРИТМ ВЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ ГРЕБНЫМИ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ НА ОСНОВЕ СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ДЛЯ ЛЕДОКОЛОВ С ДВИЖИТЕЛЯМИ ТИПА «АЗИПОД»

Объект и цель научной работы. Объект исследований - электропривод гребного винта винторулевых колонок, входящих в состав систем электродвижения мощных ледоколов нового поколения, на основе синхронного двигателя и статического преобразователя частоты. Цель работы - разработка функциональной схемы и исследование электромеханических свойств гребного синхронного электропривода, в основу которого положен алгоритм векторного управления, обеспечивающий выполнение жестких технических требований в части динамических свойств, предъявляемых к системам электро движения ледоколов нового поколения.

Материалы и методы. Исходными материалами для статьи являются научно-техническая информация, представленная в трудах по теории электропривода, а также личные наработки и многолетний опыт, накопленный авторами в ходе проведения НИР и ОКР по разработке судовых систем электродвижения. Решение поставленной перед авторами задачи базируется на возможности моделирования электромеханических устройств и систем различного назначения средствами прикладной компьютерной программы Simulink и библиотеки блоков Sim Power Systems пакета MATLAB.

Основные результаты. К основному результату*полученному в ходе работы над статьей, следует отнести разработку функциональной схемы гребного электропривода на основе синхронного двигателя мощностью 6,5 МВт, который по быстродействию и поддержанию точности задаваемых выходных координат не уступает как лучшим частотно-регулируемым электроприводам, так и электроприводам на постоянном токе, превосходя их по энергетическим показателям.

Заключение. Ценность практических результатов, полученных авторами статьи, заключается в том, что они могут быть использованы в ходе проведения ОКР, направленных на разработку гребных электроприводов на основе синхронных двигателей, которые предназначены для использования в системах электро движения перспективных ледоколов нового поколения.

Ключевые слова: система электро движения, гребной электропривод, винторулевая колонка, статический преобразователь, синхронный двигатель* векторное управление, преобразование координат, датчик положения ротора. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.

SHIP POWERING AND ELECTRIC GENERATION SYSTEMS

DOI: 10.24937/2542-2324-2019-3-389-103-112 UDC 62-83:629.5.03

V. Vershinin, S. Makhonin, V. Parshikov, V. Khomyak

TsNII SET branch of Krylov State Research Centre, St. Petersburg, Russia

Дня цитирования: Вершинин В.И., Махонин С.В., Паршиков В.А., Хомяк В.А. Алгоритм векторного управления гребными электроприводами на основе синхронных двигателей для ледоколов с движителями типа «азипод». Труды Крыловского государственного научного центра. 2019; 3(389): 103-112.

For citations: Vershinin V., Makhonin S., Parshikov V., Khomyak V. Vector control algorithm for electric propulsion drives with synchronous motors for icebreakers with Azipods. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2019; 3(389): 103-112 (in Russian).

VECTOR CONTROL ALGORITHM FOR ELECTRIC PROPULSION DRIVES WITH SYNCHRONOUS MOTORS FOR ICEBREAKERS WITH AZIPODS

Object and purpose of research. This paper studies electric drives of pod propulsion units installed at heavy-duty icebreakers of the new generations: their electric propulsion systems are based on synchronous motors and static frequency converters. The purpose of this work is to develop a flow chart and investigate electromechanical properties of vector-controlled synchronous propulsion drive that meets stringent requirements to the dynamics of electric propulsion systems aboard new-generation icebreakers.

Materials and methods. The study is based on the data available in theoretical literature on electric drives, as well as on personal findings and experience of the authors gained in numerous R&D projects on marine electric propulsion systems. The method followed by the authors is based on the possibility to simulate various electromechanical devices and systems in Simulink application and Sim Power Systems library of MATLAB software package.

Main results. The main result of this study is the flow chart of propulsion drive based on 6.5MW synchronous motor: this system is not only as fast and accurate in terms of output coordinates as the best examples of DC and frequency-controlled AC drives, but excels them in terms of power efficiency.

Conclusion. Practical findings of the authors could be helpful in development of propulsion drives based on synchronous motors for electric propulsion system of advanced new-generation icebreakers.

Keywords: electric propulsion system, propulsion drive, pod propulsion unit, static converter, synchronous motor, vector-based control, conversion of coordinates, rotor position gauge. Authors declare lack of the possible conflicts of interests.

В настоящее время в системах электродвижения (СЭД) универсальных атомных ледоколов нового поколения, находящихся в постройке и вновь проектируемых (ледоколы проектов 22220, «Лидер»), используются гребные частотно-регулируемые электроприводы (ЭП) переменного тока на основе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором [1]. Это обстоятельство объясняется достаточно большим опытом, приобретенным проектантами автоматизированных ЭП подобного типа за последние 20-25 лет, а также технологическими возможностями предприятий отечественного энергомашиностроения.

В то же время анализ современного состояния дел в области автоматизированного регулируемого ЭП показывает, что наиболее перспективной и сулящей существенный технологический скачок является ветвь ЭП на основе синхронных двигателей (СД). При этом одна из наиболее рациональных областей применения синхронных ЭП - судостроение. Именно здесь они могут найти широкое применение при создании СЭД мощных ледоколов нового поколения, технические требования к которым отличаются особой жесткостью в части надежности, экономичности и удельных массогабаритных показателей.

На путях практической реализации регулируемых синхронных ЭП до последнего времени вста-

вали серьезные трудности. Однако на рынке появились мощные статические преобразователи частоты (ПЧ), выполненные на современной полупроводниковой элементной базе, а также малогабаритные микропроцессорные системы управления, обладающие широким спектром вычислительных возможностей и высоким быстродействием. В связи с этим возникла реальная возможность создания вышеуказанных ЭП большой мощности, предназначенных для использования в СЭД судов различного назначения, в том числе и ледоколов.

Один из возможных способов построения регулируемых синхронных ЭП рассматривается в настоящей статье. Суть этого способа, основанного на алгоритме векторного управления, заключается в том, что статический ПЧ, его система управления и датчик положения ротора, используемые в ЭП, формируют фазные напряжения таким образом, что обобщенный вектор напряжения статора СД всегда ортогонален вектору магнитного потока, создаваемого обмоткой ротора. Это, в свою очередь, обеспечивает возможность регулирования электромагнитного момента двигателя и, соответственно, частоты его вращения путем изменения величины обобщенного вектора фазного напряжения статора, а также не позволяет двигателю выпасть из синхронизма.

Алгоритм векторного управления базируется на том, что система управления ЭП оперирует проек-

циями обобщенных векторов фазных напряжений и токов обмоток статора на оси системы координат II, V, которая вращается с синхронной скоростью и имеет ось и, совмещенную с вектором магнитного потока, создаваемого обмоткой ротора. Соответственно, ось V совпадает по направлению с обобщенным вектором напряжения статора. Иными словами, система управления оперирует не синусоидально изменяющимися величинами, а величинами, неизменными по знаку.

Процесс электромеханического преобразования энергии, протекающий в СД, во вращающейся системе координат описывается системой дифференциальных уравнений [2]:

ш

(И„г

иш= ^ V + А Нг+Ьи + ф0 X

ш

Мэ=|^пФо^

где Ф0 - магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения. размещенной на роторе; 1\У - проекции обобщенного вектора тока статора на оси вращающейся системы координат; иш - модуль обобщенного вектора напряжения статора; 1,\ - индуктивность рассеяния фазных обмоток статора; И\ - активное сопротивление фазных обмоток статора; Мэ -электромагнитный момент, развиваемый СД; со -частота вращения ротора; Рп - число пар полюсов.

Из уравнения (1) следует, что величина электромагнитного момента СД при постоянстве магнитного потока, создаваемого обмоткой ротора, определяется значением проекции обобщенного вектора тока статора на ось V.

Приведенная выше система уравнений представляет собой математический аппарат, позволяющий достаточно просто анализировать процесс электромеханического преобразования энергии, протекающего в СД, и осуществлять синтез синхронного ЭП по принципу подчиненного регулирования с последовательной коррекцией, который широко используется в регулируемых ЭП постоянного тока, обладающих наилучшими динамическими свойствами.

В настоящей статье анализируется возможность использования рассматриваемого способа в гребном ЭП винторулевой колонки (ВРК) типа «Ази-под» СЭД ледокола. В качестве исполнительного двигателя в ЭП используется СД типа ЭДРК. Кон-

Основные технические характеристики синхронных двигателей

Main technical parameters of synchronous motors

Наименование параметра Значение

Номинальная мощность, кВт 2x3250

Номинальное действующее значение фазного напряжения, В 1734

Номинальное действующее значение фазного тока, А 658

Номинальная частота напряжения статора, Гц 12,5

Число фаз одной обмотки, ед. 2x3

Номинальная частота вращения, об/мин 150

Номинальный электромагнитный момент, Нм 414 000

Активное сопротивление фазы статора, Ом 0,0532

Индуктивное сопротивление фазы статора, Ом 0,395

структивной особенностью последнего является наличие двух трехфазных обмоток, размещенных на статоре, магнитные оси которых сдвинуты на 30 электрических градусов. Указанные обмотки получают питание от ПЧ, силовая часть которого, соответственно, содержит два преобразовательных канала. Основные технические характеристики СД приведены в таблице.

Функциональная схема гребного ЭП ВРК, в принцип действия которого заложен рассматриваемый способ, приведена на рис. 1. В соответствии с функциональной схемой в состав гребного ЭП ВРК ледокола входят: СД - синхронный двигатель; ДПР - датчик положения ротора; ДС - датчик скорости; ГВ - гребной винт;

СЧ ПЧ - силовая часть преобразователя частоты; СУ ПЧ - система управления преобразователя частоты;

ДГа - ДТс - комплект датчиков фазных токов обмоток статора СД;

СУ ЭП - блок, имитирующий систему управления ЭП; КА - командоаппарат; В - возбудитель;

Tl, Т2, ТЗ - сетевые согласующие трансформаторы; Rl, R2 - тормозные резисторы.

10 kB, 50 Гц -

О о ж?

Ia2 Ib2

&2

Рис. 1. Функциональная схема гребного электроприводы винторулевой колонки

Fig. 1. Flow chart of pod unit propulsion drive

Как отмечалось выше, отличительной особенностью СД, используемого в рассматриваемом гребном ЭП является наличие двух обмоток, уложенных на его статоре, магнитные цепи которых сдвинуты на 30 электрических градусов. Соответственно, ПЧ, от которого получают питание ста-торные обмотки, содержит два преобразовательных канала, в выходных цепях каждого из которых включены трехуровневые инверторы с широтно-импульсной модуляцией напряжения. Обобщенные векторы фазных напряжений инверторов сдвинуты на 30 электрических градусов (схема силовой части ПЧ аналогична схеме, приведенной в [1]).

Второй отличительной особенностью является использование КА, рукоятка управления которого

кВт

6500

240

0 5 10 15 20

Положение рукоятки управления

Рис. 2. Диаграммы изменения частоты вращения и мощности гребного винта в зависимости от положения рукоятки управления

Fig. 2. Propeller speed and power versus control joystick position

может занимать двадцать фиксированных положений. Перемещение рукоятки в секторе от первого до десятого положения задает величину частоты вращения гребного винта; перемещение ее в следующем секторе от одиннадцатого до двадцатого положения формирует задание мощности на гребном валу. Изменение направления частоты вращения (реверс) двигателя в рассматриваемом ЭП не предусматривается. Изменение направления тягового усилия гребного винта обеспечивается разворотом ВРК. Диаграммы изменения частоты вращения и мощности гребного винта в зависимости от положения рукоятки управления приведены на рис. 2.

Наконец, третьей особенностью рассматриваемого ЭП является использование алгоритма векторного управления, реализуемого в ходе синтеза системы управления ЭП. Блок СУ ЭП (рис. 1), имитирующий систему управления ЭП, реализуется посредством программного продукта, закладываемого в микропроцессорную систему управления. На рис. 3, в целях объяснения математических операций, производимых в блоке СУ ЭП, приведена его схема, реализованная аппаратными средствами. В состав блока СУ ЭП входят следующие элементы: ЗИ1, ЗИ2 - задатчики интенсивности изменения величин сигналов задания при переводе рукоятки управления из одного положения в другое; С1, С2, СЗ, С4 - сумматоры сигналов; ПИ1, ПИ2. ПИЗ, ПИ4 - пропорционально-интегральные регуляторы; НО - нуль-орган;

К1 - сухой контакт, замкнутый в случаях, когда НО фиксирует величину сигнала задания мощности (Р.). отличную от нуля;

Рис. 3. Функциональная схема блока системы управления электропривода

Fig. 3. Flow chart of drive control system

ЗИ1

k«

CÖ3

Лсоз

Рз

C2

ЗИ2

HO

IlV3

C3

Iv3

ОМэ

Лсоз

KU

Whfllv

I2v

3Ud

ПИЗ

Шаз

БВН1

Ulß3

sinaT cosa

sin

Ilv

U2ß3

r cos

БВНК ,ц ß 1БПЗв2

Рг»

12 ß 2БПЗв2

П

IIa

lib

lie

I2a

I2b

I2c

• Ulas  Ulbs

• Ules

• U2as

• U2b3

• U2c3

ОМэ - ограничитель сигнала задания электромагнитного момента, развиваемого СД, на уровне 1,8 Мэн;

БД - блок деления, осуществляющий деление сигнала управления пополам;

Ud - задатчик величин проекций обобщенных векторов напряжений обмоток статора на ось U вращающейся системы координат на нулевом уровне; БВНК - блок вычисления ненаблюдаемых координат;

1БПЗв2, 2БПЗв2 - блоки преобразования трехфазных систем координат в двухфазные; 1БП2вЗ, 2БП2вЗ - блоки преобразования двухфазных систем координат в трехфазные.

В процессе работы гребного ЭП блоки 1БПЗв2 и 2БПЗв2 производят вычисления проекций обобщенных векторов токов, протекающих в трехфазных обмотках статора, на оси двухфазных систем координат al, ßl и a2, ß2, неподвижных относительно магнитных осей обмоток. Информация о фазных токах IIa, IIb, Ile и 12а, 12Ь, 12с обмоток статора двигателя поступает от комплекта датчиков тока ДТ1-ДГЗ, включенных в фазы обмоток статора. Вычисления производятся в соответствии с выражениями

ha = ha>

Aß

12a ~~ 12a >

hv=A=

Информация о вычисленных значениях проекций обобщенных векторов фазных токов поступает на входы блока БВНК, на другие входы которого приходит информация о частоте вращения двигателя (со) и угле поворота ротора (а) относительно координатной оси al неподвижной системы координат. Блок БВНК имеет сложную структуру, схема которой приведена на рис. 4.

В блоке БВНК производятся математические операции по вычислению проекций (I1V, bv) обобщенных векторов фазных токов обмоток статора на ось V вращающейся системы координат ( '. V. Эти проекции являются моментообразующими факторами. Вычисления производятся в соответствии с выражениями

Iw = /jр cos a - 1Ш sin a,

I2V = /2р cos

Кроме того, в блоке БВНК вычисляется величина мощности на гребном винте винторулевой колонки. Вычисление производится в соответствии с формулой

Р = юМэ=СДРпФ0

Рассматриваемый гребной ЭП функционально представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования, содержащую два канала:

канал регулирования и поддержания постоянства задаваемой частоты вращения гребного винта;

канал регулирования и поддержания постоянства задаваемой мощности на гребном винте.

Рис. 4. Структура блока вычисления ненаблюдаемых координат

Fig. 4. Components

of calculating unit

for non-observable coordinates

Первый канал функционирует в тех случаях, когда рукоятка управления КА устанавливается в одно из десяти начальных положений. При этом сигнал задания частоты вращения (соз), скорость изменения которого формируется задатчиком интенсивности ЗИ1, поступает на положительный порт сумматора С1. На отрицательный порт С1 поступает сигнал, пропорциональный фактическому значению частоты вращения. Разность между задаваемым и фактическим значениями частоты вращения поступает на вход пропорционально-интегрального регулятора ПИ1. Регулятор на основании полученной разности формирует сигнал (1у3)', величина сигнала пропорциональна значению электромагнитного момента (Мэ), который должен развить двигатель для того, чтобы свести эту разность к нулю. Сформированный таким образом сигнал управления, проходя через блоки ОМ и БД, превращается в сигналы (/ц73, ¡2г-Х поступающие на положительные порты сумматоров СЗ, С4. На отрицательные порты этих сумматоров поступают сигналы (7ц/, Ас), величины которых вычисляются в блоке БВНК. Разность между задаваемыми величинами проекций обобщенных векторов токов статора на ось V и их фактическими значениями поступает на входы пропорционально-интегральных регуляторов ПИЗ, ПИ4. На основании полученной информации регуляторы формируют сигналы (С/ц^, и2уз), величины которых пропорциональны задаваемым значениям проекций обобщенных векторов напряжения обмоток статора СД на ось V вращающейся системы координат. Сформированные сигналы управления с выходов регуляторов ПИЗ, ПИ4 поступают на входы блоков БВН1, БВН2. На другие входы этих блоков поступают сигналы, по величине равные нулю, что соответствует задавае-

мым значениям проекций обобщенных векторов напряжения статора на ось U вращающейся системы координат.

В блоках БВН1, БВН2 выполняются математические операции по вычислению задаваемых проекций обобщенных векторов напряжения обмоток статора (С/1аз, I ) р, и U2аз, U2р3) на оси al, (31 и а2, (32 неподвижных систем координат. Указанные вычисления производятся в соответствии с выражениями

ишз = ~U\V3 sin a,

и№ =uw3 cosa,

u2аз =~U2V3 sin(a-30),

U2fi3 =U2V3cos

Вычисленные значения задаваемых проекций Ui р3, и2оз, и2р3) обобщенных векторов фазных напряжений поступают на входы блоков 1БП2вЗ, 2БП2вЗ, в которых вычисляются задаваемые значения фазных напряжений (( ],,,, Ulb3, Г,с, и U2a3, U2b3, U2c3). При вычислениях используются следующие выражения:

U\a3 - ^1аз>

С/,

А 2

и,

1 СЗ

2 U\u3 2 ^Арз>

U2 аз - U2 аз >

и2Ьз - ~^2a3+~^2P3'

U2c3 - 2

А 2

S

и.

2РЗ-

Вычисленные задаваемые значения фазных напряжений статора поступают в систему управления ПЧ, в которой они используются в качестве модуляционного напряжения, формирующего ши-ротно-импульсную модуляцию выходного напряжения, прикладываемого к трехфазным обмоткам, уложенным на статоре синхронного СД.

Как следует из вышесказанного, канал регулирования и поддержания постоянства частоты вращения содержит два контура: внешний (скоростной) и внутренний (токовый). Эти контуры синтезированы по принципу последовательной коррекции, поскольку сигнал задания для внутреннего контура формирует регулятор внешнего контура. Такое построение широко используется в регулируемых ЭП постоянного тока, обладающих, как известно, наилучшими динамическими свойствами.

Функционирование электропривода в режиме регулирования и поддержания постоянства мощности на гребном винте происходит следующим образом. При переводе рукоятки управления КА в требуемое положение сигнал задания мощности (Р3), скорость изменения которого формируется задатчиком интенсивности ЗИ2, поступает на положительный порт сумматора С2. На отрицательный порт сумматора С2 приходит сигнал, величина которого пропорциональна фактическому значению мощности, вычисляемому в блоке БВНК. Разность между задаваемыми и фактическими значениями мощностей поступает на вход пропор-ционально-интегрального регулятора ПИ2. Последний вырабатывает сигнал, поступающий на положительный порт сумматора С1, в котором суммируется с сигналом задания частоты вращения. Сумма этих сигналов является сигналом задания частоты вращения двигателя, при которой

обеспечивается заданное значение мощности на его валу.

Анализ электромеханических процессов, протекающих в рассматриваемом гребном ЭП, удобно производить на его компьютерной модели, построенной посредством пакета прикладных программ 8шшИпк МАТЬАВ. На рис. 5-8 приведены диаграммы, полученные в ходе компьютерных исследований электромеханических процессов, протекающих в модели гребного ЭП. В модель закладывались параметры синхронного двигателя ЭДРК (таблица). На рис. 5 (сверху вниз) показаны диаграммы изменения частоты вращения (1/с), электромагнитного момента (Нм), действующего значения фазного тока двигателя и мощности на гребном винте (Вт), характеризующие работу ЭП в режиме регулирования частоты вращения.

Анализ приведенных диаграмм показывает, что пуск и регулирование частоты вращения от 0 до 5,23 1/с (50 об/мин) происходят строго по линейному закону, формируемому задатчиком интенсивности ЗИ1. Уменьшение частоты вращения от 5,23 1/с (50 об/мин) до полной остановки также происходит по линейному закону, формируемому ЗИ1. При этом электромагнитный момент, развиваемый СД, изменяет свой знак, в результате чего последний переходит в режим генераторного торможения. Изменяет свой знак и мощность на гребном винте, которая на временном интервале 10 с будет рассеиваться в виде тепла на тормозных резисторах Ю, Я2 (рис. 1). Максимальное значение действующего значения фазного тока, протекающего в обмотках статора СД, определяется моментом инерции механической части ЭП и длительностью переходного процесса. В исследуемом режиме эта максимальная величина действующего значения фазного тока со-

Рис. 5. Диаграммы изменения частоты вращения, электромагнитного момента, действующего значения фазного тока статора и мощности на гребном винте при работе электропривода в режиме регулирования частоты вращения

Fig. 5. Time histories for propeller speed, electromagnetic torque of motor, actual phase current of stator and propeller power: frequency-control mode of drive operation

Рис. 6. Диаграммы изменения частоты вращения, электромагнитного момента двигателя и мощности на гребном винте при переходе в режимы «фрезерование льда» и «заклинивание винта»

Fig. 6. Time histories of propeller speed, electromagnetic torque of motor and propeller power: transition to ice milling and propeller jamming conditions

ставляет 100 А. В установившемся режиме фазный ток равен 36 А.

На рис. 6 (сверху вниз) показаны диаграммы изменения частоты вращения (1/с), электромагнитного момента (Нм) СД и мощности (Вт) на гребном винте, снятые при разгоне двигателя и переходе в режимы «фрезерование льда» и «заклинивание винта».

Как следует из диаграмм, после разгона СД до частоты вращения 5,23 1/с (50 об/мин) на 15 секунде ЭП вошел в режим работы «фрезерование льда». Электромагнитный момент при этом увеличился до 662 000 Нм, что превышает номинальное значение в 1,6 раза. СУ ЭП в этом режиме поддерживает заданное значение частоты вращения 5,23 1/с, а мощность на гребном винте возрастает до 3,5 МВт. При переходе в режим «заклинивание гребного винта» электромагнитный момент возрастает до 745 000 Нм, что превышает номинальное значение в 1,8 раза, частота вращения и мощность на гребном винте становятся равными нулю.

На рис. 7 (сверху вниз) показаны диаграммы изменения частоты вращения (1/с) электромагнитного момента (Нм), действующего значения фазного тока (А) СД и мощности (МВт) на гребном винте, которые получены в ходе моделирования электромеханических процессов, протекающих в режиме регулирования мощности на гребном винте. Из диаграмм следует, что мощность в ходе ее принудительного увеличения возрастает от 240 кВт до 6,5 МВт строго по линейному закону, формируемому задатчиком интенсивности ЗИ2. При этом частота вращения СД возрастает от 5,23 1/с (50 об/мин) до 15,7 1/с (150 об/мин) по апериодическому закону.

В установившемся режиме работы ЭП электромагнитный момент, развиваемый СД, составляет 414 000 Нм, а действующее значение тока в фазах обмоток статора равно 658 А. Регулирование мощности на гребном винте в сторону ее уменьшения от 6,5 МВт до 240 кВт также происходит строго по линейному закону. Частота вращения СД при этом

Рис. 7. Диаграммы изменения частоты вращения, электромагнитного момента, фазного тока двигателя и мощности на гребном винте при работе электропривода в режиме регулирования мощности

Fig. 7. Time histories for propeller speed, electromagnetic torque of motor, actual phase current of stator and propeller power: power-control mode of drive operation

Рис. 8. Диаграммы изменения частоты вращения гребного винта, электромагнитного момента двигателя и мощности на гребном винте при работе электропривода в режиме поддержания постоянства мощности

Fig. 8. Time histories of propeller speed, electromagnetic torque of motor and propeller power: constant-power mode of drive operation

снижается нелинейно от 15,7 1/с (150 об/мин) до 5,23 1/с (50 об/мин).

На рис. 8 (сверху вниз) приведены диаграммы изменения частоты вращения (1/с), электромагнитного момента (Нм) СД и мощности (МВт) на винте, полученные при моделировании электромеханических процессов, которые протекают в ЭП, работающем в режиме поддержания постоянства мощности. Из диаграмм следует, что после пуска СД на временном интервале от 35 до 40 секунды ЭП работал в номинальном режиме (частота вращения СД составляла 15,7 1/с, электромагнитный момент был равен 414000 Нм, мощность на винте соответствовала 6,5 МВт). Далее на 40, 50, 60 и 70 секундах происходили ступенчатые увеличения статического момента нагрузки на винте на 56 000 Нм, что приводило на каждой ступени к экспоненциальному увеличению электромагнитного момента на эту же величину (56 000 Нм) и, соответственно, к экспоненциальному снижению частоты вращения СД. Величина же мощности, как следует из нижней диаграммы, оставалась неизменной на заданном уровне (6,5 МВт). Далее, на 80, 90, 100 и 110 секундах статический момент нагрузки на гребном винте ступенчато уменьшался на 56 000 Нм. В результате на каждой ступени происходили экспоненциальные увеличения частоты вращения и, соответственно, экспоненциальные уменьшения электромагнитного момента СД. Мощность на гребном винте при этом также оставалась неизменной на заданном уровне 6,5 МВт.

Как отмечалось выше, в СЭД, в которых используются ВРК, изменение направления тяги гребных винтов осуществляется путем разворота колонок. При развороте ВРК гребной винт начинает работать в косом водяном потоке, что приводит к изменению величины статического момента нагрузки на винте.

По мере увеличения угла скоса потока статический момент нагрузки сначала растет, но при некотором достаточно большом угле происходит срыв потока, сопровождающийся резким уменьшением статического момента нагрузки на гребном винте. При дальнейшем увеличении угла скоса статический момент нагрузки резко возрастает.

При небольших углах скоса увеличение статического момента на гребном винте объясняется уменьшением осевой составляющей скорости набегающего потока, а следовательно, уменьшением абсолютной величины относительной поступи гребного винта. При больших углах скоса к указанному обстоятельству добавляется то, что боковая составляющая скорости набегающего потока оказывается соизмеримой с аксиальной. Это существенно изменяет вихревую систему обтекания гребного винта и приводит к резкому увеличению статического момента нагрузки на последнем.

Перечисленные выше особенности работы гребных винтов, используемых в ВРК СЭД ледоколов, учтены в рассматриваемом ЭП. Резкие увеличения статического момента нагрузки на гребном винте, возникающие при развороте ВРК, не приведут к опасным возрастаниям электромагнитных моментов, развиваемых СД, поскольку величина их задания ограничивается посредством блока ОМэ, используемого в составе СУ ЭП (рис. 3).

Заключение

Conclusion

Предлагаемые схема ЭП и алгоритм его векторного управления обеспечивают выполнение технических требований к гребным ЭП, используемым в ВРК СЭД ледоколов, в части динамических свойств. Использование же в ЭП в качестве ис-

полнительных двигателей СД позволит получить преимущества перед частотно-регулируемыми ЭП на основе асинхронных двигателей в части энергетических показателей.

Библиографический список

1. Вершинин В.И., МахонинС.В., ПаршиковВ.А., Хомяк В.А. Алгоритм управления гребным электроприводом универсального атомного ледокола проекта 22220 II Труды Крыловского государственного научного центра. 2017. Вып. 4(382). С. 95-102.

2. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB. СПб.: Корона, 2001.

References

1. V. Vershinin, S. Makhonin, V. Parshikov, V. Khomyak. Control algorithm for electric propulsion drive of Project 22220 multi-purpose nuclear icebreaker // Transactions of the Krylov State Research Centre. 2017. Issue 4(382). P. 95-102 {in Russian).

2. S. German-Galkin. Computer-based simulation of semiconductor systems in MATLAB. St. Petersburg: Korona, 2001 (in Russian).

Сведения об авторах

Вершинин Виктор Иванович, инженер 1 категории филиала «ЦНИИ СЭТ» ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196128, Россия, Санкт-Петербург, ул. Благодатная, 6. Тел.: 8(812)748-52-38. E-mail: krylov@krylov.spb.ru.

Махонин Сергей Васильевич, начальник сектора -заместитель начальника отдела филиала «ЦНИИ СЭТ»

ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196128, Россия, Санкт-Петербург, ул. Благодатная, 6. Тел.: 8 (812) 748-52-44. E-mail: krylov@krylov.spb.ru.

Паршиков Владимир Алексеевич, начальник отдела филиала «ЦНИИ СЭТ» ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196128, Россия, Санкт-Петербург, ул. Благодатная, 6. Тел.: 8(812)748-52-43. E-mail: krylov@krylov.spb.ru.

Хомяк Валентин Алексеевич, начальник отдела - главный конструктор ЕЭЭС и ГЕУ филиала «ЦНИИ СЭТ» ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196128, Россия, Санкт-Петербург, ул. Благодатная, 6. Тел.: 8 (812) 748-52-30. E-mail: krylov@krylov.spb.ru.

About the authors

Viktor I. Vershinin, 1st Category Engineer, TSNII SET branch of Krylov State Research Centre. Address: 6, Blagodat-naya st., St. Petersburg, Russia, post code 196128. Tel.: 8 (812) 748-52-38. E-mail: krylov@krylov.spb.ru. Sergey V. Makhonin, Head of Sector - Deputy Head of Department, TSNII SET branch of Krylov State Research Centre. Address: 6, Blagodatnaya st., St. Petersburg, Russia, post code 196128. Tel.: 8(812)748-52-44. E-mail: krylov@krylov.spb.ru.

Vladimir A. Parshikov, Head of Department, TSNII SET branch of Krylov State Research Centre. Address: 6, Blagodatnaya st., St. Petersburg, Russia, post code 196128. Tel.: 8 (812)748-52-43. E-mail: krylov@krylov.spb.ru. Valentin A. Khomyak, Head of Department - Chief Designer of IEPS and Electric Propulsion Plants, TSNII SET branch of Krylov State Research Centre. Address: 6, Blagodatnaya st., St. Petersburg, Russia, post code 196128. Tel.: 8 (812) 748-52-30. E-mail: krylov@krylov.spb.ru.

Поступила / Received: 01.07.19 Принята в печать / Accepted: 24.07.19 © Коллектив авторов, 2019