ОДЕССКАЯ НАЦИОНАЛЬНАЯ МОРСКАЯ АКАДЕМИЯ
(ОНМА)
На правах рукописи
ДАО МИНЬ КУАН
УДК 629.5.064.5:621.313.332

СОВЕРШЕСТВОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СУДОВОГО
АСИНХРОННОГО ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРА
05.05.03 – двигатели и энергетические установки
Диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук

Научный руководитель:
Вишневский Леонид Викторович,
доктор технических наук, профессор

Одесса – 2011


СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 4
РАЗДЕЛ 1. ОБЗОР НАУЧНЫХ ПРОБЛЕМ И ТЕХНИЧЕСКИХ
ТРЕБОВАНИЙ К СУДОВЫМ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ УСТАНОВКАМ
С АСИНХРОННЫМИ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРАМИ ПО
ЛИТЕРАТУРНЫМ ИСТОЧНИКАМ .................................................................. 11
1.1. Технические требования к характеристикам, параметрам и
переходным процессам в судовых электроагрегатах с приводом от
двигателя внутреннего сгорания ...................................................................... 12
1.1.1. Общие требования к электроагрегатам .............................................. 12
1.1.2. Требования к приводному двигателю внутреннего сгорания ......... 19
1.1.3. Автоматизация судовых вспомогательных установок ..................... 23

1.1.4. Требования к генераторам переменного тока ................................... 27
1.1.5. Частотные характеристики электроагрегатов ................................... 38
1.1.6. Регуляторы частоты вращения приводов электроагрегатов ............ 43
1.1.7. Параллельная работа электроагрегатов ............................................. 48
1.2. Перспективы применения асинхронных дизель-генераторов ............... 52
1.3. Научно-технические проблемы разработки и использования
энергоустановок с асинхронными генераторами ........................................... 59
РАЗДЕЛ 2. ВЫБОР ТЕМЫ, РАЗРАБОТКА МЕТОДОЛОГИИ И
ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ .................................................................. 62
2.1. Выбор темы и методологии научных исследований .............................. 62
2.2. Обоснование методов физического и математического
моделирования судовых асинхронных электроустановок ............................ 64
2.3. Состав и структура математической модели судовой
энергетической установки ................................................................................ 68
2.4. Математическая модель дизель-генератора............................................. 69
2.5. Уравнения типовой нагрузки электроустановки ..................................... 73
2.6. Математическое моделирование систем возбуждения........................... 76
2.7. Уравнения дизельного привода и регулятора частоты вращения ......... 80
2.8. Обобщенный алгоритм моделирования процессов в судовой
вспомогательной электроустановке ................................................................. 83
РАЗДЕЛ 3. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СУДОВОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ
УСТАНОВКИ В КАЧЕСТВЕ ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ ............................... 87
3.1. Вывод передаточной функции асинхронного генератора ...................... 89
3.2. Аппроксимация кривой намагничивания............................................... 101
3.3. Статические коэффициенты передачи дизель-генератора ................... 106
РАЗДЕЛ 4. РАЗРАБОТКА ИМПУЛЬСНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
СУДОВОЙ ВСПОМОГАТЕЛЬНОЙ ЭНЕРГОУСТАНОВКОЙ .................... 111



4.1. Дискретные передаточные функции систем стабилизации
напряжения асинхронного дизель-генератора.............................................. 112
4.2. Определение условий устойчивости в импульсных системах
стабилизации параметров энергетической установки ................................. 116
4.3. Увеличение быстродействия систем стабилизации напряжения
асинхронного дизель-генератора ................................................................... 121
4.4. Определение качества переходных процессов с путем
построения корневых годографов импульсной системы ............................ 129
4.5. Построение переходных процессов ........................................................ 135
4.6. Учет нелинейностей при построении переходных процессов ............. 141
РАЗДЕЛ 5. ОПТИМИЗАЦИЯ И СРАВНЕНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ
СУДОВЫХ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК ...................................... 147
5.1. Выбор критерия оптимизации дискретной системы
стабилизации напряжения асинхронного генератора .................................. 148
5.2. Оптимизация дискретной системы стабилизации напряжения ........... 150
5.3. Сравнение процессов коммутации нагрузки вспомогательных
энергетических установок с синхронными и асинхронными
генераторами .................................................................................................... 158
5.4. Улучшение режимов включения на параллельную работу
дизельных установок с синхронными и асинхронными генераторами ..... 169
ВЫВОДЫ ............................................................................................................. 178
ПРИЛОЖЕНИЯ ................................................................................................... 180
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ......................................... 182


4

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы диссертации.
Преимущества асинхронных генераторов широко известны [49, 50, 67,

84, 100, 101]. Асинхронный генератор имеет меньшие габариты и вес, проще
конструкция короткозамкнутого ротора генератора, отсутствуют вращающиеся обмотки, скользящие контакты и полупроводниковые элементы, отсутствует токовая изоляция на роторе, что повышает предельную температуру
нагрева и обеспечивает высокие предельные скорости вращения ротора [3, 4,
8, 76]. Высокий КПД генератора вследствие малого значения активного сопротивления ротора обеспечивает его экономичность [4, 84]. Асинхронный
генератор обладает синусоидальной формой кривой генерируемого напряжения [73], симметричностью трехфазного напряжения при неравномерном
распределении нагрузки [20]. Небольшая постоянная времени контуров рассеяния генератора, быстрое затухание пусковых токов и токов короткого замыкания обеспечивает безопасность коротких замыканий для генератора [2,
11, 55]. Регулирование возбуждения асинхронного генератора по цепи статора позволяет создать быстродействующие и инвариантные системы стабилизации напряжения [12, 19, 37, 101]. Простота и безопасность включения на
параллельную работу, отсутствие колебаний ротора при значительных изменениях нагрузки обеспечивают устойчивость параллельной работы в многогенераторных электростанциях [1, 26, 31] .
Такое количество значительных преимуществ объясняет интерес к разработкам асинхронных генераторных установок.
Связь работы с научными программами, планами и темами.
Работа выполнялась в рамках Морской доктрины Украины до 2035 г.
(постановление ВС Украины от 7 октября 2009г. № 1307) и в соответствии с
указом Президента Украины от 20 мая 2008 г. №463/2008 «Про заходи щодо
забезпечення розвитку України як морської держави».


5

С 2008 по 2009 годы автор брал участие в разработке госбюджетной
научно-исследовательской темы «Исследование процессов в технических
средствах, системах автоматизированных энергетических установок морских
судов и сооружений» (ДР №0105U002308), выполненной в Одесской национальной морской академии в соответствии с планом Министерства образования и науки Украины.
Цель и задачи исследования.
Целью работы является повышение технико-экономических показателей, качества динамических процессов и устойчивости судовой электроэнергетической установки.
Основные решаемые задачи:
 разработка адекватной математической модели судовой энергетической установки, включающей асинхронный генераторный комплекс,
приводной дизельный двигатель, системы управления частотой вращения и напряжения, коммутационную аппаратуру и типовую судовую нагрузку;
 представление асинхронной электроустановки с дизельным приводом в виде аналитических выражений и передаточных функций по
каналам возбуждения, нагрузки и частоты вращения;
 структурная и параметрическая оптимизация системы стабилизации

напряжения асинхронного генератора в классе дискретных систем
управления коммутируемыми секциями конденсаторов возбуждения;
 совершенствование типовых эксплуатационных режимов работы судовых вспомогательных электроустановок с асинхронными генераторами.
 сравнение типовых режимов работы синхронных и асинхронных дизель-генераторов с целью выявления особенностей и отличий при их
эксплуатации;


6

Объект исследования – процессы преобразования и формирования
потоков энергии в судовом дизель-генераторе.
Предмет исследования – системы управления преобразованием и
формированием потоков электрической энергии в судовой энергетической
установке с асинхронным дизель-генератором.
Методы исследования:
 математическое и физическое моделирование процессов в судовых
энергоустановках для получения компьютерной модели эксплуатационных режимов;
 метод компьютерного моделирования типовых режимов работы
энергетических установок с синхронными и асинхронными дизельными вспомогательными установками;
 методы теории автоматического управления для анализа переходных
процессов, а также структурной и параметрической оптимизации в
дискретных системах стабилизации напряжения асинхронного дизель-генератора;
 метод анализа корней характеристического уравнения асинхронного
генераторного генератора с конденсаторным возбуждением;
 метод баланса активной и реактивной мощности в схеме замещения
асинхронной машины и ее нагрузки для определения аналитических
выражений коэффициентов передачи по каналам управления, частоты вращения и нагрузки.
Научная новизна полученных результатов заключается в том, что
для повышения качества динамических процессов и устойчивости формирования электрического потока энергии в судовой энергетической установки
впервые предложено использование вместо традиционных синхронных генераторов во вспомогательных дизельных установках асинхронных генераторов с конденсаторными системами управления. При этом:



7

 получила дальнейшее развитие математическая модель судовой
энергетической установки, включающей асинхронный генераторный
комплекс, приводной дизельный двигатель, системы управления частотой вращения и напряжения, коммутационную аппаратуру и типовую судовую нагрузку;
 впервые получены выражения передаточных функций асинхронного
генератора, постоянных времени и коэффициентов передачи по каналам возбуждения, нагрузки и частоты вращения;
 впервые проведен выбор оптимальных по быстродействию законов
дискретно-импульсного управления напряжением асинхронного генератора с конденсаторным возбуждением;
 впервые выполнен анализ и сравнение режимов работы синхронных
и асинхронных генераторов в составе судовой электростанции.
Практическое значение полученных результатов. Выявлены преимущества асинхронного дизель-генератора с предложенной системой
управления позволили получить принципиально новые, практически важные
эксплуатационные качества электроустановок. При этом:
 исследованы режимы параллельной работы асинхронных дизельгенераторов позволили сформулировать условия реализации безопасной системы синхронизации при их включении на шины судовой электростанции или береговой сети;
 установлено, что быстродействие восстановления напряжения в режиме коммутации нагрузки в течение одного периода переменного
тока делает асинхронный дизель-генератор инвариантным по отношению к нагрузке, которое изменяется;
 усовершенствованы методы управления типовыми режимами автономной и параллельной работы энергетической установки с асинхронными дизель-генераторами;


8

 использование разработанных асинхронных дизель-генераторов повышает устойчивость многогенераторних судовых электростанций,
упрощает их эксплуатацию в режиме распределения активных нагрузок и реактивной мощности, снижает амплитуду колебаний активной
мощности.
Практические и теоретические результаты диссертационной работы
использованы Морским научно-исследовательским Институтом Вьетнама
(акт от 15.10.2010 г.) и компанией GiaKhanh при изучении и разработке требований к технической эксплуатации, ремонта и настройки систем управления судовой электростанцией с асинхронными дизель-генераторами (акт от

12.08.2010 г.)
Личный вклад диссертанта.
Математическая модель асинхронного генератора доработана с учетом
параллельной работы с другими генераторами через главный распределительный щит судна, обеспечена устойчивость компьютерной программы в
режиме синхронизации и включения на параллельную работу.
В публикациях [Вв.3, Вв.5, Вв.6] автору принадлежит программа и математическая модель асинхронного дизель-генератора. В работе [Вв.2] автором применена методика расчетов импульсных систем. В работе [Вв.4] предложен критерий и выполнены расчеты КПД многопоточных установок. В работах [Вв.1, Вв.8] предложена методика расчетов коэффициентов передаточных функций.
Апробация результатов работы.
Материалы работы докладывались и обсуждались на научных конференциях:
 профессорско-преподавательского состава ОНМА «Современные
проблемы судовой энергетики» в 2007 – 2010 годах (Одесса),
 15-й

Международной конференции по управлению «Автоматика-

2008» (Одесса, ОНМА, 2008);


9

 II Всеукраинской научно-практической конференция «Информационные технологии и автоматизация – 2009» (Одесса, ОНАПТ, 2009);
 Международной научно-технической конференции «Сучасні методи,
інформаційне, програмне та технічне забезпечення систем управління організаційно-технічними комплексами» (Киев, НУХТ , 2009);
 расширенном заседании научного семинара кафедры «Автоматизация судовых паросиловых установок» ОНМА (Одесса, 2010).
Публикации.
Вв.1. Дао Минь Куан. Идентификация асинхронного генератора /
Л.В. Вишневский, Дао Минь Куан // II Всеукраинская научно-практическая
конференция «Информационные технологии и автоматизация – 2009». –
Сборник докладов. – Одесса: ОНАПТ, 2009. – С.12-13.
Вв.2. Дао Минь Куан. Применение методов дискретно-импульсных систем для исследования генераторных установок / Л.В. Вишневский, Дао
Минь Куан // Матеріали міжнародної науково-технічної конференції «Сучасні методи, інформаційне, програмне та технічне забезпечення систем управління організаційно-технічними комплексами». – К.: НУХТ , 2009. – С. 60-61.

Вв.3. Дао Минь Куан. Система нечеткого вывода о качестве переходных процессов в электроэнергетических установках / Л.В. Вишневский,
И.Е. Войтецкий, Дао Минь Куан // Электромашиностроение и электрооборудование. – К.: Техника. – 2009. – Вып. 74. – С. 18-21.
Вв.4. Дао Минь Куан. Оптимизация режимов работы многопоточных
валогенераторов / Л.В. Вишневский, А.М. Веретенник, Дао Минь Куан // Судовые энергетические установки: науч.-техн. сб. – 2009. – Вып. 24. – Одесса:
ОНМА. – С.21-27.
Вв.5. Дао Минь Куан. Повышение качества импульсной системы стабилизации напряжения асинхронного генератора методом корневых годографов / Л.В. Вишневский, Дао Минь Куан // Судовые энергетические установки: науч.-техн. сб. – 2010. – Вып. 25. – Одесса: ОНМА. – С.21-25.


10

Вв.6. Дао Минь Куан. Сравнение автономных электроэнергетических
установок с синхронными и асинхронными генераторами / Л.В. Вишневский,
Дао Минь Куан, И.П. Козырев // Электромашиностроение и электрооборудование. – К.: Техника. – 2010. – Вып. 75. – С. 75-78.
Вв.7. Дао Минь Куан. Выбор дискретного закона управления напряжением асинхронного генератора / Дао Минь Куан // Автоматизация судовых
технических средств: науч.-техн. сб. – 2010. – Вып.16. – Одесса: ОНМА. –
С.34-42.
Вв.8. Дао Минь Куан. Аналитическое определение коэффициентов передачи асинхронного дизель-генератора / Дао Минь Куан, Н.И. Муха,
С.А. Дудко // – Электромашиностроение и электрооборудование. – К.: Техника. – 2010. – Вып. 76. – С. 94-97.


11

РАЗДЕЛ 1
ОБЗОР НАУЧНЫХ ПРОБЛЕМ И ТЕХНИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ
К СУДОВЫМ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ УСТАНОВКАМ С АСИНХРОННЫМИ
ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРАМИ ПО ЛИТЕРАТУРНЫМ ИСТОЧНИКАМ
Эффективность работы судовой силовой установки зависит от рационального использования энергии на движение судна и обеспечение внутренних потребностей. Основным источником энергии в настоящее время является природное топливо, цена которого значительна. Состав и структура судовой энергетической установки оптимизируются разработчиками с целью
наиболее эффективного и полного использования затраченных топливных
ресурсов [7, 41].
Использование различных видов топлива, дезинтеграция мощности судовой силовой установки, эффективное управление потоками энергии привели к появлению многогенераторных силовых установок с различными типами приводных двигателей, таких как дизель-генераторы, валогенераторы,

турбогенераторы [1, 22, 25, 27, 72, 78, 96]. Очевидно, что объединить все виды используемой энергии можно, преобразовав ее в электроэнергию, что
привело к широкому распространению судов с электродвижением [7].
Различные характеристики приводных двигателей и большое количество параллельно работающих энергоустановок при традиционном использовании на судах синхронных генераторов создает проблемы с устойчивостью
многогенераторных силовых установок [9, 14, 16, 18, 57, 71, 77]. Жесткая
геометрическая связь магнитного потока синхронного генератора с его обмоткой возбуждения повышает колебательные свойства системы параллельно работающих энергоустановок.
Альтернативным решением проблемы повышения устойчивости многогенераторных судовых энергетических установок может быть более широ-


12

кое использование асинхронных генераторов с короткозамнутым ротором
[74, 82, 104].

1.1. Технические требования к характеристикам, параметрам и переходным
процессам в судовых электроагрегатах с приводом от двигателя
внутреннего сгорания
1.1.1. О б щи е т р е б о ва н и я к э л е к т р о а г р е г а т а м
Выполним анализ требований к генераторным электроагрегатам переменного тока с приводом от двигателя внутреннего сгорания, аппаратуры
управления, коммутационной аппаратуры и оборудования для собственных
нужд, применяемым на суше и на море [42 – 47, 83].
Основными нормативными документами для формулирования требований будем считать соответствующий комплекс стандартов: ГОСТ Р ИСО
8528 «Электроагрегаты генераторные переменного тока с приводом от двигателя внутреннего сгорания», ИСО 8528 «Электрогенераторные установки переменного тока с поршневыми двигателями внутреннего сгорания (ISO 8528
«Reciprocating internal combustion engine driven alternating current generating
sets»).
Электроагрегат состоит из поршневого двигателя внутреннего сгорания, производящего механическую энергию, генератора, преобразующего
механическую энергию в электрическую, а также устройств для передачи
механической энергии, например, муфт, коробки передач, частей монтажа.
Первичные двигатели могут быть двух типов: двигатели с воспламенением от сжатия топлива и двигатели с искровым зажиганием.
В зависимости от назначения электроагрегата выбор первичного двигателя определяют следующими критериями: качеством и расходом топлива;
эмиссией отработавших газов и шума; диапазоном частоты вращения ротора;



13

массой и габаритными размерами; поведением при набросе нагрузки и частотной характеристикой; характеристикой короткого замыкания генератора;
системой охлаждения; системой пуска; техническим обслуживанием; использованием выделяемого тепла.
Генераторы могут быть двух типов: синхронные и асинхронные.
В зависимости от назначения электроагрегата выбор генератора определяют по следующим критериям: характеристикам напряжения во время
пуска, работы в номинальном режиме и в режиме перегрузки, а также по изменениям характеристики после снятия нагрузки с учетом коэффициента
мощности; параметрам при коротком замыкании (электрической и механической частей); коэффициенту полезного действия; конструкции генератора и
типу кожуха; характеристикам работы в параллельном режиме; техническому обслуживанию.
Аппаратура управления и коммутации включает в себя оборудование
для управления, переключений и контроля, объединенное в системы управления и коммутации для обеспечения работы электроагрегата.
В состав электроагрегата входит оборудование для собственных нужд,
которое включает в себя: систему пуска; системы забора воздуха и выброса
отработавших газов; систему охлаждения; систему смазки; топливную систему (в том числе, при необходимости, систему обработки топлива); вспомогательный источник электропитания.
Из электроагрегатов формируется электростанция, в состав которой
входит один или несколько электроагрегатов и оборудование для собственных нужд, подсоединенная аппаратура управления и коммутации.
Рассмотрим режимы работы и эксплуатации электроагрегатов. Режим
работы электроагрегатов может влиять на некоторые важные характеристики, например, на экономичность и надежность работы, интервалы между
техническим обслуживанием и ремонтом.


14

Режимы работы в зависимости от времени действия электроагрегата
бывают двух видов: продолжительный и кратковременный.
Продолжительный режим работы — способность электроагрегата работать неограниченное время с учетом времени технического обслуживания.
Кратковременный режим работы — способность электроагрегата работать в течение ограниченного промежутка времени. В этом случае основное
время электропитание потребителей осуществляется от береговой сети и

только при отключении основной сети питание может временно обеспечиваться электроагрегатом, который служит резервным или аварийным источником питания
К электроагрегатам, предназначенным для эксплуатации на суше, относятся стационарные, переносные и передвижные электроагрегаты, которые
используются в качестве источника питания для наземных объектов.
К электроагрегатам, предназначенным для эксплуатации на море, относятся электроагрегаты, которые используются на бортах судов или в прибрежных сооружениях.
В зависимости от способа использования электроагрегата бывают два
вида работы: одиночная и параллельная. При одиночной работе электроагрегат, независимо от его конструкции, способов пуска и управления, используется в качестве единственного источника электроэнергии. При параллельной
работе генератор электрически связан с другим источником электроэнергии с
такими же напряжением, частотой и числом фаз для совместного электропитания потребителей.
При параллельной работе два или несколько генераторов электрически
соединяют после обеспечения их синхронизации. Электроагрегаты могут
иметь разные выходную мощность и частоту вращения.
Автономные электростанции могут работать параллельно с общепромышленной сетью.


15

При эксплуатации электроагрегатов выполняют следующие операции:
пуск, контроль, регулирование напряжения и частоты и, при необходимости,
синхронизацию, коммутацию, остановку. Данные операции выполняют
вручную или автоматически (полностью или частично) по ИСО 8528-4.
При ручном управлении пуск и управление электроагрегатами осуществляют вручную. При полуавтоматическом управлении некоторые операции выполняют вручную, а остальные— автоматически. При автоматическом
управлении пуск и управление электроагрегатами должны быть полностью
автоматизированы.
Предъявляются требования к продолжительности пуска электроагрегата. Продолжительностью пуска называют промежуток времени между моментом, когда возникает потребность в электроэнергии, и моментом приема
нагрузки. Продолжительность пуска должна соответствовать требованиям
конкретного потребителя электроэнергии.
Исходя из требований к качеству электроэнергии различных потребителей, установлено четыре класса применения электроагрегатов.
Класс применения G1. Данный класс рассчитан на потребителей, для
которых важными являются только основные характеристики напряжения и
частоты. Например, системы общего применения, освещение и прочие простые электрические нагрузки.

Класс применения G2. Данный класс рассчитан на потребителей, у которых требования к характеристикам напряжения электроагрегатов соответствуют характеристикам напряжения систем электроснабжения коммерческих предприятий. При переключении нагрузок допускаются временные
установленные отклонения напряжения и частоты. Например, системы освещения: насосы, вентиляторы и подъемники.
Класс применения G3. Данный класс рассчитан на потребителей, которые предъявляют жесткие требования к характеристикам напряжения, частоты и форме кривой напряжения. Например, средства дистанционной связи и


16

тиристорные системы управления. Следует учитывать возможность влияния
на форму кривой напряжения при работе на выпрямительную нагрузку и
нагрузку, управляемую тиристорами.
Класс применения G4. Данный класс рассчитан на потребителей, которые предъявляют жесткие требования к характеристикам напряжения, частоты и форме кривой напряжения. Например, системы обработки данных или
вычислительные системы.
Определение номинальных мощностей.
Мощность электроагрегата определяют как выходную мощность на
выводах электроагрегата, не включающую в себя электроэнергию, потребляемую оборудованием для собственных нужд (подраздел 5.1 ИСО 8528-2, раздел 5 ИСО 8528-3).
Номинальную мощность электроагрегатов выражают в киловаттах при
номинальной частоте и при запаздывающем коэффициенте мощности ( cos  ),
равном 0,8. Классификация номинальных мощностей необходима для выбора
изготовителем мощности, которую электроагрегат будет вырабатывать в заданных условиях эксплуатации.
Типы выходной мощности.
Для всех типов выходной мощности необходимо обеспечить дополнительную мощность двигателя, обеспечивающую функции регулирования,
например, при динамической (случайной) и внезапно приложенной нагрузке.
Такая дополнительная мощность двигателя обычно составляет 10 % номинальной мощности электроагрегата и не должна использоваться для питания
потребителей электроэнергии. Дополнительная мощность двигателя должна
отличаться от мощности перегрузки, установленной в ИСО 3046-1 для двигателей внутреннего сгорания.
Предельную мощность электроагрегата (рис. 1.1—1.3) определяют по
предельной мощности двигателя внутреннего сгорания с учетом коэффициента полезного действия генератора переменного тока.


17


Длительной мощностью является мощность, которую электроагрегат
способен непрерывно обеспечивать в течение неограниченного времени ежегодно с перерывами на техническое обслуживание в заданных условиях эксплуатации в соответствии с инструкциями изготовителя (рис. 1.1).

Рис. 1.1. График-иллюстрация длительной мощности
Основной мощностью является максимальная мощность в последовательности меняющихся мощностей, которые могут обеспечиваться в течение
неограниченного времен и ежегодно с перерывами на техническое обслуживание в соответствии с инструкциями изготовителя в заданных условиях эксплуатации.

Рис. 1.2. График-иллюстрация основной мощности


18

Средняя допустимая выходная мощность Ppp (рис. 1.2), вырабатываемая в течение 24 ч, не должна превышать определенный процент основной
мощности, которая должна быть указана изготовителем двигателя внутреннего сгорания. При определении средней эффективной выходной мощности

Ppa значения мощностей, составляющих менее 30 % основной мощности,
принимают равными 30 %, а время простоя не учитывают.
Среднюю эффективную мощность Ppa рассчитывают по формуле
n

n

i

i

Ppa   Pi ti /  ti ,
где Pi — мощности в промежутки времени ti . Время простоя при расчете не
учитывают.

Продолжительность работы, при которой вырабатывается основная
мощность, должна быть достаточной для достижения генератором устойчивого теплового режима.
Ограниченная по времени мощность — максимальная мощность, которую электроагрегат способен отдавать в течение времени до 500 ч ежегодно,
из которых не более 300 ч приходится на непрерывную работу с установленными перерывами на техническое обслуживание в заданных условиях эксплуатации, а также на техническое обслуживание в соответствии с инструкциями изготовителя двигателей внутреннего сгорания. Работа в таком режиме влияет на срок службы генератора (рис. 1.3).
При внезапном увеличении нагрузки на электроагрегат происходит динамическое отклонение напряжения и частоты. Значения этих отклонений
зависят от изменений как активной мощности, так и реактивной мощности
относительно установленной мощности и динамических характеристик электроагрегата (ИСО 8528-2 и ИСО 8528-5).


19

Рис. 1.3. График-иллюстрация ограниченной по времени мощности
Циклическое изменение угловой скорости генератора в процессе горения в двигателе внутреннего сгорания может стать причиной модуляции
напряжения по ИСО 8528-3.
Повышение температуры обмоток генератора электроагрегата может
быть существенным фактором, ограничивающим долговременную надежную
работу электроагрегата. Допускается превышение допустимого предельного
значения температуры, если электроагрегат предполагается использовать в
течение ограниченного времени.
1.1.2. Т р е бо в а ни я к п ри в о д но му д ви г а т е л ю
в н у т р е н н е г о с г о р а ни я

Характеристики мощности двигателя.
Мощность на валу двигателя внутреннего сгорания (тормозная мощность по определению ИСО 3046-1) необходимо выбирать с учетом электри-


20

ческой мощности потребителей, независимого вспомогательного оборудования собственных нужд и потерь электрической мощности в генераторе переменного тока. Также необходимо учитывать внезапное изменение мощности
при включении дополнительной нагрузки, например при пуске электродвигателя соизмеримой мощности, которое влияет на характеристики двигателя и

генератора.
Эксплуатационную мощность двигателя внутреннего сгорания определяют в соответствии с требованиями ИСО 3046-1 с учетом фактических,
условий эксплуатации электроагрегата, особенностей его применения, номинальной мощности электроагрегата и мощности, потребляемой любым существенным независимым вспомогательным оборудованием.
Для обеспечения гарантированного бесперебойного энергоснабжения
потребителей необходимо, чтобы при подключении всех одновременно работающих нагрузок фактическая мощность двигателя не превышала значения
эксплуатационной мощности. Двигатель внутреннего сгорания должен обладать дополнительной мощностью для обеспечения его работы при переходных процессах. Не допускается использовать для этого мощность перегрузки.
К основным характеристикам приводного двигателя относятся:
а) номинальная мощность по ИСО 3046-1 и условия эксплуатации;
б) номинальная частота вращения:
в) расходы топлива и смазочного масла при нормальных условиях эксплуатации по ИСО 3046-1.
Продолжительная работа двигателя с частичной нагрузкой влияет на
его надежность и ресурс. Изготовитель двигателя должен сообщить изготовителю электроагрегата минимальную нагрузку, при которой допускается
длительная работа двигателя без существенных ухудшений. При необходимости работы электроагрегата с нагрузками, меньшими минимального значения, изготовитель двигателя должен принять решение о возможности работы


21

двигателя с такими нагрузками и, если необходимо, дать рекомендации и
предложить соответствующие меры, которые должны быть приняты.
Выбор системы управления двигателем внутреннего сгорания должен
основываться на установившихся и переходных характеристиках частоты
вращения. Общие требования к регулятором частоты вращения и устройств
защиты от превышения частоты вращения установлены в ИСО 3046-4.
Регуляторы частоты вращения, используемые в электроагрегатах.
Пропорциональный (Р) регулятор частоты вращения вырабатывает
корректирующее воздействие управляющего сигнала пропорционально изменению частоты вращения. Изменение электрической нагрузки приводит к
изменению частоты вращения двигателя внутреннего сгорания.
Пропорционально-интегральный (PI) регулятор вырабатывает корректирующее воздействие управляющего сигнала на двигатель внутреннего сгорания, которое зависит от изменения частоты вращения вследствие изменения нагрузки двигателя, обусловленного изменением электрической нагрузки
генератора переменного тока. Изменение частоты вращения осуществляют
по пропорциональному и интегральному действию.

При использовании этого типа регулятора изменение электрической
нагрузки не приводит к изменению частоты вращения в установившемся режиме. Для обеспечения возможности параллельной работы электроагрегатов
пропорционально-интегральный регулятор должен также работать как пропорциональный регулятор, если не предусмотрено дополнительное управление распределением нагрузки.
В пропорционально-интегрально-дифференциальном (PID) регуляторе
воздействие управляющего сигнала зависит от скорости изменения частоты
вращения (дифференцирующее действие). При использовании этого типа регуляторов изменение электрической нагрузки не приводит к изменению частоты вращения.


22

Режим приема нагрузки двигателем внутреннего сгорания главным образом зависит от типа системы подачи воздуха в зону горения.
В двигатель без турбонаддува воздух поступает без наддува (естественное всасывание) или нагнетается под давлением с помощью компрессора с механическим приводом. Максимально возможный наброс нагрузки для
такого двигателя должен быть равен его эксплуатационной мощности.
В двигателе с турбонаддувом воздух нагнетается под давлением турбонагнетателем, приводимым в движение выхлопными газами. Для таких двигателей значение набрасываемой нагрузки определяют по среднему эффективному давлению соответствующей тормозной мощности.
Двигатель внутреннего сгорания создает крутильные колебания во всей
системе валов электроагрегата. Требования к крутильным колебаниям двигателей внутреннего сгорания установлены в ИСО 3046-5.
Двигатель внутреннего сгорания создает линейные колебания, которые
действуют как структурные колебания на корпус, основание, муфту и генератор переменного тока.
В зависимости от размера, конструкции и применения электроагрегата
используют различные способы запуска, соответствующие источнику питания: механический (например, рычаг); электрический (например, электрический пусковой двигатель); пневматический (например, сжатый воздух в цилиндре или двигателе пневматического пуска).
В зависимости от конструкции и применения используют различные
методы отключения электроагрегата: механический; электрический; пневматический; гидравлический.
Степень контроля электроагрегата зависит от: применения; режима работы; размера и типа электроагрегата; требований к электрооборудованию
потребителя. Применяемое контролирующее оборудование должно обеспечивать надежный контроль работы электроагрегатов. На практике между ре-


23

зультатами дорогостоящих измерений в зоне дальнего звукового поля и измерений в зоне ближнего звукового поля существенной разницы нет.
Самый большой момент КЗ возникает в результате двухфазного межфазного КЗ в клеммах генератора. Однако отношение инерции генератора к

машинной инерции настолько велико, что момент на муфте может быть немного больше или меньше непрерывного энергетического момента.
1.1.3. А в т о м а т и з а ц и я с у д о в ы х всп о мог а те ль ных у с т а н о в о к

Двигатели судовых электроагрегатов в зависимости от объема автоматизированных и автоматически выполняемых операций и времени необслуживаемой работы классифицируются по степеням автоматизации, ГОСТ
14228-80.
На дизель-генераторах, отвечающих первой степени автоматизации,
должен выполняться следующий минимум операций: автоматическое регулирование частоты вращения; автоматическое регулирование температуры в
системах охлаждения и смазки; автоматическое регулирование напряжения;
местное и (или) дистанционное управление пуском, остановом, предпусковыми и послеостановочными операциями, а также частотой вращения
(нагружением) и реверсированием; автоматический подзаряд аккумуляторных батарей, обеспечивающих пуск и (или) питание средств автоматизации
(при электростартерном пуске); автоматическая аварийно-предупредительная
сигнализация и защита; индикация значений контролируемых параметров на
местном (дизельном) щитке и (или) на дистанционном пульте.
На двигателях, отвечающих 2-й степени автоматизации дополнительно
должно обеспечиваться выполнение следующих операций: дистанционное
автоматизированное и (или) автоматическое управление пуском, остановом,
предпусковыми и послеостановочными операциями; дистанционное автоматизированное и (или) автоматическое управление частотой вращения (нагружением) и реверсированием при его наличии; автоматический прием нагруз-


24

ки при автономной работе или выдача сигнала о готовности к приему нагрузки; автоматизация совместной работы двигателей, в том числе автоматический прием нагрузки в ходе синхронизации при параллельной работе дизельгенераторов между собой или с внешней сетью; автоматическое поддержание
двигателя в готовности к быстрому приему нагрузки; автоматическое регулирование вязкости тяжелого топлива в автоматизированное управление переходом с одного вида топлива на другой; автоматизированный экстренный
пуск и (или) останов; исполнительная сигнализация.
На двигателях, отвечающих 3-й степени автоматизации дополнительно
должно обеспечиваться выполнение следующих операций: автоматическое
пополнение расходных емкостей: топлива масла, охлаждающей жидкости и
сжатого воздуха; автоматизированное и (или) автоматическое управление
вспомогательными агрегатами и (или) отдельными операциями обслуживания двигателя.
На двигателях, отвечающих 4-й степени автоматизации дополнительно

должно обеспечиваться выполнение одной или нескольких дополнительных
операций: централизованное управление двигателем с помощью управляющих машин; централизованный автоматический контроль; автоматизированное и (или) автоматическое техническое диагностирование состояния двигателя в целом или его отдельных частей.
Технические требования к отдельным операциям и средствам автоматизации двигателей должны соответствовать Правилам Морских Регистров в
части автоматизации судовых двигателей, а также следующим стандартам:
ГОСТ 10511—72—автоматическое регулирование частоты вращения дизелей; ГОСТ 11928—66—аварийно-предупредительная сигнализация и защита
дизелей и газовых двигателей; ГОСТ 18174—72—автоматизированное
управление режимами главных судовых дизелей; ГОСТ 10032—80—
автоматизация дизель-генераторов; ГОСТ 11102—75—приборы и устройства
дизельной автоматики; ГОСТ 22464—77—терморегуляторы.


25

Требования к автоматизируемым операциям.

Предпусковая прокачка смазочного масла должна обеспечивать наличие предпускового давления в масляной магистрали.

При пуске дизель-

генератора электростартером должно автоматически осуществляться не менее трех попыток пуска. При пуске сжатым воздухом его подача должна
ограничиваться временем по ГОСТ 10150—75 и одной попыткой пуска. При
достижении дизель-генератором частоты вращения, соответствующей состоявшемуся пуску, должно осуществляться выключение электростартера или
подачи сжатого воздуха. При несостоявшемся пуске за установленное время
или число попыток должен появляться аварийный сигнал.
Готовность дизель-генератора к приему нагрузки до номинального значения должна определяться контролем (прямым или косвенным) выхода дизель-генератора на заданную частоту вращения, а также контролем (по инструкции по эксплуатации на конкретные дизель-генераторы) дополнительных параметров.
При экстренном пуске должен допускаться прием нагрузки непрогретым дизель-генератором. При этом значение нагрузки и режим ее включения
для определенной температуры смазочного масла устанавливают в инструкции по эксплуатации дизель-генератора.
В начале останова дизель-генератора должна отключаться нагрузка.
После отключения нагрузки должна осуществляться работа дизельгенератора на холостом ходу в течение времени, обусловленного конструкцией дизеля, или до снижения температуры охлаждающей жидкости или
масла до значения, установленного в инструкции по эксплуатации дизельгенератора.

Останов дизель-генератора должен осуществляться отключением подачи топлива путем воздействия непосредственно на механизм управления
топливоподачей или на регулятор частоты вращения. При состоявшемся
останове должна обеспечиваться готовность очередного пуска.