В данной статье рассмотрена модель корабельного привода который состоит из дизельной установки, генератора и электродвигателя вращающего винт, модель построена с помощью Engee, параметры модели заданы в виде скрипта.

Теоретическое обоснование

Технология передачи энергии от теплового двигателя к гребному винту
включает в себя выработку электроэнергии, её преобразование и согласование
движения электродвигателя и винта. В настоящее время наибольшее распространение получила следующая структура передачи энергии: *тепловой двигатель — электрический генератор — электрический преобразователь — гребной электродвигатель — (редуктор) — винт. Данная структура позволяет синтезировать энергосистему единой, то есть питающей все потребители, не только винт, но и другие потребители электричества на судне.

Основные достоинствами передачи энергии к винту через электроэнергетическую систему судна следующие:

• Возможность создания установки большой мощности за счет использования работы нескольких генераторов на один гребной электродвигатель и или использование нескольких электродвигателей; 

• Простота и рациональность размещения и распределения оборудования ГЭУ за счет отсутствия прямой механической связи между дизельный двигателем и винтом. 

• Применение высокоскоростных дизелей (которые было бы затруднительно использовать при механической передачи энергии). 

• Работа дизельного двигателя в наиболее благоприятных и экономичных режимах (поддержание скорости вращения в районе номинальной и ограничение или постоянный момент при перегрузках за счет регулирования и поддержания постоянства мощности). 

• Обеспечение различных режимов электроснабжения (ходовых или маневровых) при оптимальной загрузке генераторных установок, за счет этого, больший КПД при минимальном расходе топлива. 

• Применение гребных винтов с наилучшим КПД. 

• Большой диапазон регулирования и как следствие более высокие маневровые свойства. 

• Возможность осуществления автоматического регулирования или ограничения мощности установки. Например, способность обеспечения автоматического изменения скорости винта для поддержания необходимого хода при изменениях момента сопротивления.

• Возможность использования полной мощности при заднем ходе. 

• Ограничение момента на валу электродвигателя при внезапных ударах или заклинивании винта. 

• Высокий КПД электрических машин и преобразователей. 

• Полное устранение вибраций и ударов с гребного винта на тепловые двигатели. 

• Обеспечение быстрого изменения скорости вращения и ускорения гребного винта, что является важным фактором при выполнении маневра.

Константы необходимые для моделирования

Механические параметры

Tv=1.5; #Механическая постоянная времени якоря двигателя, валопровода и винта

Параметры генератора

T1=0.3; #Обмотка возбуждения генератора
G1=0.02; #Проводимость обмотки возбуждения
R1=1/G1; #сопротивление обмотки возбуждения
L12=R1; #Взаимная индуктивность обмоток возб. и якоря
T2=0.01; #Обмотка якоря генератора
R2=0.03; #Обмотка якоря генератора
DPmeh1=0.02; #Механические потери в номинальном режиме

Параметры двигателя

T4=0.2; #Обмотка возбуждения двигателя
R4=R1;   #сопротивление обмотки возбуждения
L34=R4; #Взаимная индуктивность обмоток возб и якоря
T3=T2; #Обмотка якоря двигателя
R3=R2; #Обмотка якоря двигателя
DPmeh2=0.02; #Механические потери в номинальном режиме
Tz=T2+T3; #Цепь якорей
Rz=R2+R3; #Цепь якорей

Параметры винта

kV=0.6 #Константа режима работы винта в свободной воде
MnomV=1-Rz #номинальный относительный момент винта

Параметры дизельного двигателя

Gmax=1; #Максимальный расход топлива
OMEGA=0.775; #Скорость дизеля с минимальным расходом топлива
TD=5; #Механическая постоянная времени ДИЗЕЛЯ
M0=0.1; #Момент внутреннего сопротивления ДИЗЕЛЯ
km=1; #Коэф. пропорциональности относительного расхода топлива и момента
gn=2.5; #Номинальный удельный расход топлива в о.е.
g0=0.949*gn; #Удельный расход топлива в о.е. на скорости OMEGA
kN=42600; # Удельная теплота сгорания топлива
koc=1; #Коэф. обратной связи по скорости ДИЗЕЛЯ
TrD=TD/2; #Постоянная времени регулятора ДИЗЕЛЯ
krD=2*TD/TrD; #Коэф. пропорциональности регулятора ДИЗЕЛЯ

Параметры преобразователей напряжения

f=4000; #Частота модуляции преобразователя
Ti=1/f; #Постоянная времени импульсов (силовая часть)
k1=1; #Коэффициент передачи преобразователя
fsu=16000; #Частота вычислений системы управления
Tsu=1/fsu; #Постоянная времени системы управления
DU=4*0.02; #Падение напряжения на ключах
TG=Ti+Tsu+T1; #Постоянная времени преобразователя ОВ генератора, системы управления и ОВ генератора
TM=Ti+Tsu+T4; #Постоянная времени преобразователя ОВ ГЭД, системы управления и ОВ ГЭД
u1max=1.5; #Максимальное выходное напряжение преобразователя ОВ генератора
u3max=1.5; #Максимальное выходное напряжение преобразователя ОВ ГЭД
Tr1=2*TM; #Постоянная времени
Tr2=TM/5; #Постоянная времени с форсировкой
kT=1; #Коэффициент передачи по току
Tm=Tv*Rz; #Электромеханическая постоянная ГЭД, валопровода и винта
Krz=Rz*TG/(2*kT*Tz); #Пропорциональное звено первого контура
Tr1z=2*kT*Tz/Rz; #Постоянная времени первого контура
Tr2z=4*Tz; #Постоянная времени второго контура
Imax=1.0; #Звено ограничения тока
Tmy=4*Tz; #Постоянная времени передаточной функции контура тока
Tmy1=2*Tmy; #Постоянная времени первого контура
kpc1=Tv/(8*Tmy); #Пропорциональное звено первого контура
Tmy2=4*Tmy; #Постоянная времени второго контура
kpc2=1/(8*Tmy); #Пропорциональное звено второго контура

Как упоминалось ранее, гребная дизель-электрическая установка состоит из
дизеля, электрического генератора с возбуждением со стороны ротора постоянным током, электродвигателя так же с возбуждением со стороны ротора постоянным током, электрических преобразователей. В качестве движителя используется винт с фиксированным шагом. Принципиальная схема гребной дизель-электрической установки приведена на рисунке 1

Исследуемая модель Engee

Также предполагается что для данной схемы электрического привода (рисунок 1) возможны различные способы автоматического управления, в рамках данной статьи будет сравниваться классический и оптимальный способ регулирования. Для этих целей построена схема по которой можно провести сравнение параметром установок с различными способами регулирования (Рисунок 2). Кроме того стоит отметить что для данной математической модели Engee настроен обратный вызов с теми константами которые заданы в скрипте, обратный вызов запускается единоразово при открытии схемы, и если требуется менять значения констант то при открытой схеме нужно запустить скрипт с нужными значениями констант.

Подсистемы входящие в модель

Ниже показано содержимое подсистем входящих в силовую установку (два типа регулирования оборотов винта, силовая подсистема генератор-двигатель, контура САУ обеспечивающие требуемые параметры быстродействия силовой установки)