ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА СУДНА
SHIP'S ELECTRIC POWER PLANT

Предложение относится к судостроению, в частности к электроэнергетическим установкам судов большой мощности как гражданского, так и военно-морского флота, для которых необходимо обеспечить широкий диапазон регулирования частоты вращения гребного винта.
Известна конструкция электрической пропульсивной системы для судов (МПК В63Н 23/24, В63Н 21/17, патент CN 101857082 (А), номер заявки CN 20101162739 20100401, 13.10.2010, MASANORI ITO; HIROSHI SATO, Electric propultion system for ships), содержащая тепловой двигатель, синхронный генератор, к обмотке которого подсоединен электрический преобразователь, работающий на гребной электродвигатель, с которым механически соединен гребной винт. Недостатком известной электрической передачи является то, что все элементы данной последовательной структуры, во-первых, должны быть выполнены на полную мощность энергетической установки, а во-вторых, каждый из этих элементов имеет свой КПД, в результате чего общий КПД всей системы будет определяться как произведение КПД отдельных элементов рассматриваемой структуры. Также следует отметить низкую энергетическую эффективность установки на полном ходу судна.
Известна конструкция гребной электрической установки, построенной по системе генератор-двигатель на базе машин постоянного тока ("Электродвижение судов и электропривод судовых механизмов". Л.: "Судостроение", 1965, авторы В.А. Михайлов, С.Б. Рукавишников, И.Р. Фрейдзон, с. 126-130), содержащая одновальную гребную установку с генератором постоянного тока и гребным электрическим двигателем постоянного тока, якорные обмотки которых соединены между собой последовательно. Недостатком известной электрической передачи является наличие сложного устройства коллекторно-щеточного аппарата электрических машин постоянного тока, ограничивающего широкое использование системы генератор-двигатель на постоянном токе.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому устройству является выбранная в качестве прототипа электроэнергетическая установка судна (МПК В63Н 23/24, В 63Н 21/17, патент RU 2575366 (С1), заявка 2014140557/11 от 07.10.2014, Гельвер Ф.А., Хомяк В.А. Электроэнергетическая установка судна), содержащая главный первичный тепловой двигатель, синхронный генератор, преобразователи частоты, автоматические выключатели, гребной электродвигатель. На статорах гребного электродвигателя и синхронного генератора размещены изолированные трехфазные обмотки. Преобразователи частоты через автоматические выключатели связывают трехфазные обмотки синхронного генератора с трехфазными обмотками гребного электродвигателя. Достоинством известного предложения является повышение энергетической эффективности и увеличение загрузки первичных тепловых двигателей.
Недостатками известного прототипа является наличие большого количества преобразователей частоты, рассчитанных на полную мощность каждого силового канала передачи энергии, а также наличие большого количества автоматических выключателей, рассчитанных на полный ток силового канала. К недостаткам известной электроэнергетической установки судна также следует отнести наличие большого количества сложных преобразователей частоты.
Предлагаемая электроэнергетическая установка судна позволяет улучшить эксплуатационные характеристики системы электродвижения и характеризуется простой структурой построения и минимальным количеством сложных электрических преобразователей в силовом электрическом канале. Предлагаемая электроэнергетическая установка судна позволяет значительно упростить структуру системы электродвижения, повысить надежность, энергетическую эффективность и коэффициент загрузки первичных тепловых двигателей, а также позволяет использовать простые и надежные компоненты для построения. Предлагаемая электроэнергетическая установка судна позволяет совместить достоинства электрической передачи, построенной по системе генератор-двигатель, при движении на частоте вращения гребного электродвигателя более половины от номинальной и электрической передачи с преобразователем частоты в силовом канале при частоте вращения гребного электродвигателя менее половины от номинальной.
ном.фебн.дв.
Описанные преимущества достигаются тем, что для регулирования частоты вращения от нуля до половины номинальной частоты вращения гребного электродвигателя используется регулирование посредствам преобразователя частоты, рассчитанного на небольшую мощность (величиной порядка 0,125⋅Р). А для регулирования частоты вращения гребного электродвигателя выше половины номинальной используется регулирование частоты вращения главного первичного теплового двигателя и электрической передачи, построенной по системе генератор-двигатель.
Поставленные задачи решаются благодаря тому, что в электроэнергетической установке судна, содержащей главный первичный тепловой двигатель, механически соединенный с синхронным генератором, на статоре которого размещены изолированные друг от друга трехфазные обмотки, преобразователь частоты, гребной электродвигатель, на статоре которого размещены изолированные друг от друга трехфазные обмотки, число которых равно числу трехфазных обмоток синхронного генератора, предусмотрены следующие отличия: установка дополнительно содержит систему управления, датчик напряжения, трехфазные контакторы с электромагнитным приводом, число которых равно удвоенному числу обмоток синхронного генератора плюс один, причем вход преобразователя частоты подключен к выводам первой трехфазной обмотки синхронного генератора, выход преобразователя частоты подключен к силовому входу первого трехфазного контактора, силовой выход которого подключен к первой трехфазной обмотке гребного электродвигателя, второй и третий, четвертый и пятый, шестой и седьмой и т.д. трехфазные контакторы образуют реверсивные пускатели, силовой вход первого реверсивного пускателя подключен к выводам первой трехфазной обмотки синхронного генератора, а силовой выход реверсивного пускателя подключен к первой трехфазной обмотке гребного электродвигателя, второй и последующие реверсивные пускатели своими силовыми входами подключены к выводам второй и последующих трехфазных обмоток синхронного генератора, а силовые выходы второго и последующего реверсивных пускателей подключены ко второму и последующим выводам трехфазных обмоток гребного электродвигателя, датчик напряжения своими измерительными цепями подключен на выводы последней трехфазной обмотки синхронного генератора, а своими информационными цепями к системе управления, выходы системы управления подключены к информационным входам трехфазных контакторов и к обмотке возбуждения синхронного генератора.
Кроме того, предложенная электроэнергетическая установка судна может быть выполнена так, что она содержит несколько синхронных генераторов, подключенных к главному первичному тепловому двигателю и механически жестко связанных между собой, причем каждый из синхронных генераторов содержит только одну трехфазную обмотку напряжения и свою обмотку возбуждения, каждая из которых подключена к выходам системы управления, а каждая из трехфазных обмоток синхронных генераторов подключена к силовым входам своего реверсивного пускателя, а к выводам трехфазной обмотки первого синхронного генератора подключен вход преобразователя частоты.
Кроме того, предложенная электроэнергетическая установка судна может быть выполнена так, что она содержит несколько главных первичных тепловых двигателей и такое же количество синхронных генераторов и датчиков напряжения, причем каждый из синхронных генераторов содержит только одну трехфазную обмотку напряжения и обмотку возбуждения, каждая из обмоток возбуждения подключена к выходам системы управления, а каждая из трехфазных обмоток синхронных генераторов подключена к силовым входам своего реверсивного пускателя, а к выводам трехфазной обмотки первого синхронного генератора подключен вход преобразователя частоты, каждый из датчиков напряжения своими измерительными цепями подключен на выводы трехфазной обмотки своего синхронного генератора, а своими информационными цепями подключен к системе управления.
Кроме того, предложенная электроэнергетическая установка судна может быть выполнена так, что она дополнительно содержит синхронный генератор, вспомогательный дизель-генератор, согласующий электрический преобразователь и трансформатор, вторичный распределительный щит, автоматические выключатели и потребители собственных нужд, причем синхронный генератор механически соединен с главным первичным тепловым двигателем, трехфазная обмотка синхронного генератора подключена через согласующий электрический преобразователь, трансформатор и первый автоматический выключатель на шины вторичного распределительного щита, к которому также подключены потребители собственных нужд и через второй автоматический выключатель вспомогательный дизель-генератор.
Кроме того, предложенная электроэнергетическая установка судна может быть выполнена так, что в качестве коммутационных элементов установлены трехфазные автоматические выключатели с электромагнитным приводом.
Кроме того, предложенная электроэнергетическая установка судна может быть выполнена так, что в качестве коммутационных элементов установлены бесконтактные трехфазные полупроводниковые ключи.
Кроме того, предложенная электроэнергетическая установка судна может дополнительно содержать статический источник постоянного тока и обратимый согласующий электрический преобразователь, причем статический источник постоянного тока через обратимый согласующий электрический преобразователь подключен на шины звена постоянного тока преобразователя частоты.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
Электроэнергетическая установка судна, схема которой представлена на Фиг. 1, содержит главный первичный тепловой двигатель 1, механически соединенный с синхронным генератором 2, на статоре которого размещены изолированные друг от друга трехфазные обмотки, преобразователь частоты 3, гребной электродвигатель 4. На статоре гребного электродвигателя 4 размещены изолированные друг от друга трехфазные обмотки, число которых равно числу трехфазных обмоток синхронного генератора 2. Гребная электроэнергетическая установка содержит систему управления 5, датчик напряжения 6, трехфазные контакторы 7, 8-1÷8-n, 9-1÷9-n, с электромагнитным приводом, число которых равно удвоенному числу обмоток синхронного генератора 2 плюс один. Вход преобразователя частоты 3 подключен к выводам первой трехфазной обмотки синхронного генератора 2, выход преобразователя частоты 3 подключен к силовому входу первого трехфазного контактора 7, силовой выход которого подключен к первой трехфазной обмотке гребного электродвигателя 4. Второй 8-1 и третий 9-1, четвертый 8-2 и пятый 9-2, шестой 8-3 и седьмой 9-3 и т.д (8-4÷8-n и 9-4÷9-n) трехфазные контакторы образуют реверсивные пускатели 10-1÷10-n. Силовой вход первого реверсивного пускателя 10-1 подключен к выводам первой трехфазной обмотки синхронного генератора 2, а силовой выход реверсивного пускателя 10-1 подключен к первой трехфазной обмотке гребного электродвигателя 4. Второй 10-2 и последующие 10-3÷10-n реверсивные пускатели своими силовыми входами подключены к выводам второй и последующих трехфазных обмоток синхронного генератора 2, а силовые выходы второго 10-2 и последующего 10-3÷10-n реверсивных пускателей подключены ко второму и последующим выводам трехфазных обмоток гребного электродвигателя 4, датчик напряжения 6 своими измерительными цепями подключен на выводы последней трехфазной обмотки синхронного генератора 2, а своими информационными цепями к системе управления 5, выходы системы управления 5 подключены к информационным входам трехфазных контакторов 7, 8-1÷8-n, 9-1÷9-n и к обмотке возбуждения 11 синхронного генератора 2.
Электроэнергетическая установка судна, схема которой представлена на Фиг. 2, содержит несколько синхронных генераторов 12-1÷12-n, подключенных к главному первичному тепловому двигателю 1 и механически жестко связанных между собой. Каждый из синхронных генераторов 12-1÷12-n содержит только одну трехфазную обмотку напряжения и свою обмотку возбуждения 13-1÷13-n, каждая из которых подключена к выходам системы управления 5. Каждая из трехфазных обмоток синхронных генераторов 12-1÷12-n подключена к силовым входам своего реверсивного пускателя 10-1÷10-n, а к выводам трехфазной обмотки первого синхронного генератора 12-1 подключен вход преобразователя частоты 3.
Электроэнергетическая установка судна, схема которой представлена на Фиг. 3, содержит несколько главных первичных тепловых двигателей 14-1÷14-n и такое же количество синхронных генераторов 12-1÷12-n и датчиков напряжения 15-1÷15-n. Каждый из синхронных генераторов 12-1÷12-n содержит только одну трехфазную обмотку напряжения и обмотку возбуждения 13-1 (13-2÷13-n). Каждая из обмоток возбуждения 13-1÷13-n подключена к выходам системы управления 5, а каждая из трехфазных обмоток синхронных генераторов 12-1÷12-n подключена к силовым входам своего реверсивного пускателя 10-1÷10-n. К выводам трехфазной обмотки первого синхронного генератора 12-1 подключен вход преобразователя частоты 3. Каждый из датчиков напряжения 15-1÷15-n своими измерительными цепями подключен на выводы трехфазной обмотки своего синхронного генератора 12-1÷12-n, а своими информационными цепями подключен к системе управления 5.
Электроэнергетическая установка судна, схема которой представлена на Фиг. 4, дополнительно содержит синхронный генератор 16, вспомогательный дизель-генератор 17, согласующий электрический преобразователь 18 и трансформатор 19, вторичный распределительный щит 20, автоматические выключатели 21, 22 и потребители собственных нужд 23. Синхронный генератор 16 механически соединен с главным первичным тепловым двигателем 1. Трехфазная обмотка синхронного генератора 16 подключена через согласующий электрический преобразователь 18, трансформатор 19 и первый автоматический выключатель 21 на шины вторичного распределительного щита 20. К шинам вторичного распределительного щита 20 также подключены потребители собственных нужд 23 и через второй автоматический выключатель 22 вспомогательный дизель-генератор 17.
Электроэнергетическая установка судна, схема которой представлена на Фиг. 5, выполнена так, что в качестве коммутационных элементов установлены трехфазные автоматические выключатели 24, 25-1÷25-n и 26-1÷26-n с электромагнитным приводом.
Электроэнергетическая установка судна, схема которой представлена на Фиг. 6, выполнена так, что в качестве коммутационных элементов установлены бесконтактные трехфазные полупроводниковые ключи 27, 28-1÷28-n и 29-1÷29-n.
Электроэнергетическая установка судна, схема которой представлена на Фиг. 7, дополнительно содержит статический источник постоянного тока 30 и обратимый согласующий электрический преобразователь 31. Статический источник постоянного тока 30 через обратимый согласующий электрический преобразователь 31 подключен на шины звена постоянного тока преобразователя частоты 3.
Работа электроэнергетической установки судна происходит следующим образом.
В электроэнергетической установке судна, представленной на Фиг. 1, источником энергии является главный первичный тепловой двигатель 1, на одном валу с которым сидит синхронный генератор 2, осуществляющий выработку электроэнергии. Для регулирования частоты вращения гребного электродвигателя 4 от нуля до половины номинальной частоты вращения используется регулирование посредством преобразователя частоты 3. При этом в работе используется одна трехфазная обмотка синхронного генератора 2 и одна трехфазная обмотка гребного электродвигателя 4, включенные между собой через преобразователь частоты 3 и трехфазный контактор 7. Следует отметить, что установленная мощность преобразователя частоты 3, необходимая для регулирования частоты вращения гребного электродвигателя 4 от нуля до половины номинальной частоты вращения, составляет всего 0,125 от полной мощности гребного электродвигателя. Данные соотношения следуют из механической характеристики момента сопротивления гребного винта:
2
М=k⋅ω,
где М - момент сопротивления гребного винта; k - коэффициент пропорциональности; ω - частота вращения гребного винта.
Тогда зависимость мощности на валу гребного винта от частоты вращения имеет вид:
3
Р=k⋅ω,
где Р - мощность на валу гребного винта.
Графики зависимости М=ƒ(ω) и P=ƒ(ω) представлены на Фиг. 8, на которых также показаны области регулирования частоты вращения гребного электродвигателя 4 электроэнергетической установки судна от преобразователя частоты 3 и регулирования частоты вращения гребного электродвигателя 4 посредством регулирования частоты вращения главного первичного теплового двигателя 1. При регулировании частоты вращения главного первичного теплового двигателя 1 работа электроэнергетической установки судна осуществляется по системе генератор-двигатель на переменном токе.
Таким образом, для регулирования частоты вращения гребного электродвигателя 4 от нуля до половины номинальной частоты вращения требуется преобразователь частоты 3 небольшой мощности.
Для регулирования частоты вращения гребного электродвигателя 4 выше половины номинальной частоты вращения используется регулирование частоты вращения главного первичного теплового двигателя 1 и регулирование напряжения, подводимого к обмотке возбуждения 11 синхронного генератора 2. Регулирование частоты вращения главного первичного теплового двигателя 1 приводит к регулированию частоты напряжения, генерируемого синхронным генератором 2, а регулирование напряжения подводимого к обмотке возбуждения 11 синхронного генератора 2, приводит к регулированию уровня напряжения, генерируемого синхронным генератором 2. Таким образом, для регулирования частоты вращения гребного электродвигателя 4 выше половины номинальной частоты вращения используется структура электрической передачи, построенной по системе генератор-двигатель.
Для увеличения частоты вращения гребного электродвигателя 4 выше половины номинальной система управления 5 осуществляет контроль фазы напряжения, генерируемого синхронным генератором, посредством датчика напряжения 6. При этом система управления 5, воздействуя на главный первичный тепловой двигатель 1 и обмотку возбуждения 11 синхронного генератора 2, подгоняет частоту, уровень и фазу напряжения первой трехфазной обмотки, генерируемого синхронным генератором 2, к частоте, уровню и фазе напряжения, генерируемого преобразователем частоты 3. При равенстве частоты, уровня и фазы напряжения на входе и выходе преобразователя частоты 3 система управления 5 включает трехфазные контакторы 8-2, 8-3÷8-n либо трехфазные контакторы 9-2, 9-3÷9-n в зависимости от текущего направления вращения вала гребного электродвигателя 4. При таком включении трехфазных контакторов 8-2, 8-3÷8-n либо 9-2, 9-3÷9-n пусковые токи практически отсутствуют. После чего осуществляется отключение трехфазного контактора 7 и включение трехфазного контактора 8-1 либо 9-1 в зависимости от текущего направления вращения вала гребного электродвигателя 4.
Для уменьшения частоты вращения гребного электродвигателя 4 ниже половины номинальной система управления 5 отключает трехфазный контактор 8-1 либо 9-1 в зависимости от текущего направления вращения вала гребного электродвигателя 4 и включает трехфазный контактор 7, при этом подгоняя частоту, уровень и фазу напряжения на выходе преобразователя частоты 3 к частоте, уровню и фазе напряжения, требуемого для питания первой трехфазной обмотке гребного электродвигателя 4. После чего трехфазные контакторы 8-2, 8-3÷8-n либо трехфазные контакторы 9-2, 9-3÷9-n в зависимости от текущего направления вращения вала гребного электродвигателя 4 могут быть отключены системой управления 5. Синхронизация при переходе с одного режима на другой осуществляется с помощью системы управления 5 и информации с датчика напряжения 6. При этом система управления 5 должна иметь возможность управлять: частотой вращения главного первичного теплового двигателя 1; напряжением питания обмотки возбуждения 11; параметрами напряжения, генерируемыми преобразователем частоты 3; трехфазными контакторами 7, 8-1÷8-n, 9-1÷9-n реверсивных пускателей 10-1÷10-n.
Электроэнергетическая установка судна, представленная на Фиг. 2, может быть выполнена с использованием стандартных трехфазных синхронных генераторов 12-1÷12-n, сидящих на одном валу с главным первичным тепловым двигателем 1. Такая структура (Фиг. 2) позволяет осуществлять независимое регулирование уровня напряжения, подводимого к обмоткам возбуждения 13-1÷13-n синхронных генераторов 12-1÷12-n, а следовательно, более точно регулировать уровни напряжения, генерируемые синхронными генераторами 12-1÷12-n. Работа электроэнергетической установки судна, представленной на Фиг. 2, осуществляется аналогичным образом, что и электроэнергетической установки судна, представленной на Фиг. 1.
Электроэнергетическая установка судна, представленная на Фиг. 3, может быть выполнена с использованием независимых генераторных установок, построенных на базе главных первичных тепловых двигателей 14-1÷14-n и синхронных генераторов 12-1÷12-n, причем на валу одного главного первичного теплового двигателя 14-1 (14-2÷14-n) сидит один синхронный генератор 12-1 (12-2÷12-n). Такая структура (Фиг. 3) помимо использования стандартных трехфазных синхронных генераторов 12-1÷12-n осуществляет независимое регулирование уровня напряжения, частоты и фазы, вырабатываемого каждым из трехфазных синхронных генераторов 12-1÷12-n. Помимо этого предложенная структура (Фиг. 3) позволяет использовать такое количество главных первичных тепловых двигателей 14-1÷14-n, которое необходимо на данный момент времени, что существенно повышает энергетическую эффективность и коэффициент загрузки первичных тепловых двигателей электроэнергетической установки и, как следствие, приводит к экономии топлива, а также повышению ресурса элементов энергосистемы. Работа электроэнергетической установки судна, представленной на Фиг. 3, осуществляется аналогичным образом, что и электроэнергетической установки судна, представленной на Фиг. 1.
Электроэнергетическая установка судна, представленная на Фиг. 4, может быть дополнительно снабжена синхронным генератором 16, вспомогательным дизель-генератором 17, согласующим электрическим преобразователем 18 и трансформатором 19, вторичным распределительным щитом 20, автоматическими выключателями 21, 22 и потребителями собственных нужд 23. Такая электроэнергетическая установка судна (Фиг. 3) при его движении позволяет осуществлять питание потребителей собственных нужд 23 от синхронного генератора 16 через согласующий электрический преобразователь 18, трансформатор 19, первый автоматический выключатель 21 и вторичный распределительный щит 20. Предложенная структура значительно расширяет функциональные возможности электроэнергетической установки и позволяет сделать предложенную электроэнергетическую установку единой с обеспечением энергии гребному электродвигателю 4 и потребителям собственных нужд 23 от одного главного первичного теплового двигателя 1. При стоянке судна у берега либо на рейде для обеспечения питания потребителей собственных нужд 23 в схеме электроэнергетической установки предусмотрен вспомогательный дизель-генератор 17, который через второй автоматический выключатель 22 подключается шинам вторичного распределительного щита 20 для осуществления питания потребителей собственных нужд 23.
Электроэнергетическая установка судна, представленная на Фиг. 5, выполнена так, что в качестве коммутационных элементов установлены трехфазные автоматические выключатели 24, 25-1÷25-n и 26-1÷26-n, которые помимо выполнения коммутации электрических цепей осуществляют тепловую и максимально-токовую защиту обмоток синхронного генератора 2 и гребного электродвигателя 4.
Электроэнергетическая установка судна, представленная на Фиг. 6, выполнена так, что в качестве коммутационных элементов установлены бесконтактные трехфазные полупроводниковые ключи 27, 28-1÷28-n и 29-1÷29-n, которые позволяют осуществлять бездуговую коммутацию электрических цепей, что позволяет значительно увеличить ресурс коммутационных элементов и значительно повысить надежность всей электроэнергетической установки судна.
Электроэнергетическая установка судна, представленная на Фиг. 7, дополнительно содержит статический источник постоянного тока 30 и обратимый согласующий электрический преобразователь 31. В такой электроэнергетической установке появляется возможность осуществить питание гребного электродвигателя 4 от статического источника постоянного тока 30 и обратимого согласующего электрического преобразователя 31, подключенного на шины звена постоянного тока преобразователя частоты 3. Такой режим работы электроэнергетической установки судна позволяет реализовать режим тихого хода судна при небольшой скорости (до половины номинальной) от статического источника постоянного тока 30. При этом главный первичный тепловой двигатель 1 в этом режиме не работает.
Таким образом, предложенная электроэнергетическая установка судна позволяет значительно уменьшить установленную мощность преобразователя частоты, улучшить массогабаритные и вибро-шумовые характеристики, повысить энергетическую эффективность и коэффициент загрузки первичных тепловых двигателей, расширяет функциональные возможности и значительно улучшает эксплуатационные характеристики.