Рисунок 1 – Схема судна с системой электродвижения

Система электродвижения судна может получать электропитание двумя способами – от отдельной энергетической установки или быть включеной в общесудовую систему энергоснабжения. Развитие полупроводниковой техники позволило конструировать суда с единой энергосистемой, которая обеспечивает питание всех потребителей. Такая энергосистема обеспечивает эффективное распределение нагрузок, повышение КПД и снижение массо-габаритных показателей. Однако система с единым ГРЩ накладывает ограничения на электромагнитную совместимость и согласование по мощности системы электровдижения и судовой сети. На судне система электродвижения является самым мощным и, следовательно, оказывает наибольшее влияние на судовую сеть. Поэтому проблемы искажения формы кривой тока и скорости изменения нагрузки становится крайне важными.

Режим работы энергетической установки судна определяется характеристикой нагрузки гребного электродвигателя. Требуемая мощность и скорость вращения гребной установки определяется на этапе проектирования, исходя из нагрузочных характеристик привода, приведенных в техническом задании.

Однако данные характеристики отличаются невысокой точностью. Реальная нагрузочная характеристика привода снимается только при проведении ходовых испытаний судна. В приведенных в техническом задании характеристиках не указывается разница нагрузочной характеристики в режимах реверса привода, при движении в ледовых условиях, а также сильные колебания нагрузки во время качки и при маневрировании. Мощность, потребляемая двигателем при движении на номинальных оборотах, может значительно отличаться от предполагаемой в техническом задании.

Переходные процессы, протекающие в энергетической системе судна, зависят от динамических характеристик системы электродвижения [2]. Современные системы судового электропривода выполняются с использованием двухзвенного преобразователя частоты и двигателей переменного тока. Из-за небольшой разницы мощности судовой электростанции и гребной электроустановки, в автономных системах не допустимо значительное искажение кривой формы тока, потребляемой преобразователем частоты. Автономные системы не позволяют строить системы с выпрямительной частью преобразователя, выполненной по схеме Ларионова. Поэтому выпрямительную часть схемы выполняют по 12 пульсной схеме или используют активный выпрямитель.

В современном судовом приводе переменного тока в качестве алгоритма управления чаще всего используется векторный алгоритм управления. Векторный алгоритм обеспечивает приводу хорошие энергетические характеристики [3] и более чем достаточное для привода гребной установки, быстродействие.

Для решения проблемы рассогласования скорости нарастания мощности, потребляемой преобразователем частоты и скорости, с которой дизель-генератор может обеспечить увеличение мощности,
было произведено математическое моделирования процесса увеличения задания в системах с электродвижением.

Для решения поставленной задачи была построена математическая модель судового электропривода при питании от системы безгранично большой мощности с целью оценки скорости изменения потребляемой мощности. График моделирования мощности, потребляемой приводом системы электродвижения судна приведен на рисунке 2.

Рисунок 2 – График мощности, потребляемой приводом гребной электроустановки

На графике токов, протекающих в статоре (рисунок 3), видно, что при изменении задания частоты вращения ток, потребляемый двигателем, увеличивается почти мгновенно. Энергосистема ограниченной мощности не способна обеспечить такое быстрое увеличение нагрузки, что подтверждается результатами моделирования.

Рисунок 3 – График токов статора гребного электродвигателя

На рисунке 4 приведено изменение мощности дизель-генератора при набросе нагрузки. Как видно на графике для набора соответствующей мощности требуется время порядка нескольких секунд. В то время как ток системы электродвижения может возрастать за время на несколько порядков меньшее.

Рисунок 4 – График изменения мощности на валу дизеля при увеличении нагрузки

Из-за разной скорости изменения уровня тока частота в сети будет снижаться ниже регламентируемых значений. График изменения частоты при набросе нагрузки сопоставимой по мощности с дизель-генератором приведен на рисунке 5.

Рисунок 5 – Частота вращения дизеля при увеличении нагрузки

Как следует из графика, частота в сети при изменении нагрузки снижается ниже 45 Гц на время порядка нескольких секунд, что подтверждается данными полученными на действующем проекте.

Моделирование процесса, описывающего запаздывание скорости нарастания мощности, вырабатываемой дизельгенератором, от скорости нарастания мощности, потребляемой преобразователем частоты, это подтверждает тот факт, что энергосистема ограниченной мощности не способна обеспечить быстрое увеличение нагрузки.