ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА СУДНА С СИСТЕМОЙ ЭЛЕКТРОДВИЖЕНИЯ
ELECTRIC POWER PLANT OF VESSEL WITH ELECTRIC PROPULSION SYSTEM

Предложение относится к судостроению, в частности к электроэнергетическим установкам судов с системами электродвижения как гражданского, так и военно-морского флота для которых необходимо обеспечить питание гребного электродвигателя с широким диапазоном регулирования частоты вращения гребного винта, питание мощных вспомогательных потребителей и питание потребителей собственных нужд.
Известна конструкция единой судовой электроэнергетической установки (Григорьев А.В., Ляпидов К.С., Макаров Л.С. Единая электроэнергетическая установка гидрографического судна на базе системы электродвижения переменного тока. // Судостроение, 2006, №4, с. 33-34), содержащая первичные тепловые двигатели, с которыми механически соединены синхронные генераторы переменного тока, трехфазные обмотки статора которых подключены к трехфазной линии главного распределительного щита. К шинам трехфазной линии главного распределительного щита подключены потребители собственных нужд и первичные обмотки трансформаторов, к вторичным обмоткам которых подключены входы преобразователей частоты, к выходам которых подключены гребные электродвигатели переменного тока. Недостатком известной электроэнергетической установки является то, что гребные электроприводы, которые на судах с электродвижением являются основными потребителями электроэнергии, питаются не напрямую от главного распределительного щита, а через трансформаторы, что увеличивает массу и габариты электроэнергетической установки, снижает К.П.Д. и увеличивает ее стоимость. К недостаткам также относится искажение напряжения на шинах главного распределительного щита, вызванные работой преобразователей частоты, так как мощность гребных электроприводов может значительно превышать мощность потребителей собственных нужд.
Известна электроэнергетическая установка судна (МПК В63Н 23/24, В63Н 21/17, патент RU 2575366 (С1), Заявка: 2014140557/11, 07.10.2014, Гельвер Ф.А., Хомяк В.А., ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА СУДНА). Известная установка содержит главный первичный тепловой двигатель, преобразователи частоты, гребной электродвигатель, вспомогательный дизель-генератор, согласующий трансформатор, главный распределительный щит, вторичный распределительный щит, автоматические выключатели и потребители собственных нужд. Достоинством известной структуры является то, что для управления гребным электродвигателем используются преобразователи частоты, которые можно использовать и для обеспечения питания мощных электроприводов и потребителей собственных нужд. Данная структура позволяет использовать высокооборотный главный генераторный агрегат, а также загружать используемый источник энергии под номинальное значение и не использовать его вхолостую. Недостатками известного устройства является то, что преобразователи частоты должны быть рассчитаны на полную мощность передаваемой от главного электрического генератора к гребному электродвигателю либо для обеспечения питания мощных электроприводов и потребителей собственных нужд. К недостаткам известной электроэнергетической системы относится и то, что в ней используется многообмоточные электрический генератор и гребной электродвигатель.
Наиболее близкая по технической сущности к заявляемой электроэнергетической установке и выбранная в качестве прототипа является электроэнергетическая установка судна (МПК В63Н 21/17, В63Н 23/24, B60L 11/08, патент RU 2658762, приоритет от 06.04.2017, Гельвер Ф.А. Электроэнергетическая установка судна). Известная электроэнергетическая установка судна содержит 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 обмоток генератора, систему управления, датчик напряжения, трехфазные автоматические выключатели с электромагнитным приводом, число которых равно удвоенному числу обмоток генератора плюс один. Причем вход преобразователя частоты подключен к выводам первой обмотки генератора, выход преобразователя частоты подключен к входу первого автоматического выключателя, выход которого подключен к первой обмотке электродвигателя. Автоматические выключатели образуют реверсивные коммутаторы. Вход каждого автоматического выключателя подключен к выводам соответствующей обмотки генератора, а выход каждого автоматического выключателя подключен к соответствующей обмотке электродвигателя.
ном.гребн.дв.
Технический результат такой электроэнергетической установки обеспечивает лучшие эксплуатационные характеристики системы электродвижения и характеризуется простой структурой построения и минимальным количеством электрических преобразователей в силовом электрическом канале. Известная электроэнергетическая установка судна позволяет значительно упростить структуру системы электродвижения, повысить надежность, энергетическую эффективность и коэффициент загрузки первичных тепловых двигателей, а так же позволяет использовать простые и надежные компоненты для построения. 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⋅P) регулирования частоты вращения гребного электродвигателя выше половины номинальной используется регулирование частоты вращения главного первичного теплового двигателя и электрической передачи построенной по системе генератор-двигатель.
Недостатками известного прототипа является то, что в ней используется многообмоточный электрический генератор и многообмоточный гребной электродвигатель, а так же отсутствие возможности питания внешних потребителей, вспомогательных потребителей и потребителей собственных нужд судна от главного генераторного агрегата. К недостаткам известной структуры электроэнергетической установки может быть отнесено и то, что отсутствует возможность питания мощных потребителей и невозможность полезного использования энергии торможения гребной установки, невозможность запасания энергии в накопителе. Еще одним недостатком известной структуры является низкий коэффициент использования (коэффициент загрузки) первичного теплового двигателя в долевых режимах работы гребной установки при движении судна с малой скоростью.
Задачей предлагаемого изобретения является улучшение функциональных возможностей и эффективности работы электроэнергетической установки, содержащей группы мощных нагрузок, работающих в режиме разделения времени с системой электродвижения. Предлагаемая электроэнергетическая установка судна с системой электродвижения обеспечивает применение различных мощных потребителей и хода судна как отдельно, так и совместно, в различных комбинациях от различных источников электрической энергии. Количество генерируемой на судне электроэнергии ограничивается мощностью ее источников, и задача состоит в ее рациональном распределении между различными потребителями, подключенными к источнику энергии в данный момент времени, в зависимости от поставленных целей и решаемых задач.
Поставленная задача решается благодаря тому, что электроэнергетическая установка судна с системой электродвижения, содержащая главный первичный тепловой двигатель, механически соединенный с главным электрическим генератором, систему управления, преобразователь частоты, гребной электродвигатель, три трехфазных автоматических выключателя с электромагнитным приводом от системы управления, один из трехфазных автоматических выключателей включен между выходом преобразователя частоты и гребным электродвигателем, второй и третий трехфазные автоматические выключатели обеспечивают шунтирование преобразователя частоты по цепи вход преобразователя частоты и обмотка статора гребного электродвигателя, причем второй трехфазный автоматический выключатель обеспечивает прямой порядок чередования фаз питающего напряжения на гребной электродвигатель, а третий трехфазный автоматический выключатель обеспечивает обратный порядок чередования фаз питающего напряжения на гребной электродвигатель, имеет следующие отличия: дополнительно содержит главный распределительный щит, дополнительные автоматические выключатели с электромагнитным приводом от системы управления, щит питания внешних потребителей, мощные потребители, используемые при стоянке либо при движении судна с небольшой скоростью, вспомогательный дизель-генератор, щит потребителей собственных нужд, согласующий трансформатор, потребители собственных нужд, щит питания с берега, согласующий электрический преобразователь и накопитель энергии, причем обмотка главного электрического генератора через первый дополнительный автоматический выключатель подключена к главному распределительному щиту, к которому подключены: вход преобразователя частоты; через второй дополнительный автоматический выключатель щит питания внешних потребителей; через третий дополнительный автоматический выключатель мощные потребители используемые при стоянке либо при движении судна с небольшой скоростью, к выходу преобразователя частоты через четвертый дополнительный автоматический выключатель согласующий трансформатор и пятый дополнительный автоматический выключатель подключен щит питания потребителей собственных нужд, к которому подключены: через шестой дополнительный автоматический выключатель вспомогательный дизель-генератор; через седьмой дополнительный автоматический выключатель щит питания с берега; через согласующий электрический преобразователь накопитель энергии; потребители собственных нужд.
Кроме того, предложенная электроэнергетическая установка судна с системой электродвижения может быть выполнена так, что содержит электрический двигатель катапульты и дополнительный восьмой автоматический выключатель с электромагнитным приводом от системы управления, причем электрический двигатель катапульты через восьмой дополнительный автоматический выключатель подключен к выходу преобразователя частоты.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
Электроэнергетическая установка судна с системой электродвижения, схема которой представлена на Фиг. 1, содержит главный первичный тепловой двигатель 1, механически соединенный с главным электрическим генератором 2, систему управления 3, преобразователь частоты 4, гребной электродвигатель 5, три трехфазных автоматических выключателя 6, 7, 8 с электромагнитным приводом от системы управления 3. Один из трехфазных автоматических выключателей 6 включен между выходом преобразователя частоты 4 и гребным электродвигателем 5, второй 7 и третий 8 трехфазные автоматические выключатели обеспечивают шунтирование преобразователя частоты 4 по цепи вход преобразователя частоты 4 и обмотка статора гребного электродвигателя 5. Причем второй трехфазный автоматический выключатель 7 обеспечивает прямой порядок чередования фаз питающего напряжения на гребной электродвигатель 5, а третий трехфазный автоматический выключатель 8 обеспечивает обратный порядок чередования фаз питающего напряжения на гребной электродвигатель 5. Электроэнергетическая установка судна с системой электродвижения дополнительно содержит главный распределительный щит 9, дополнительные автоматические выключатели 10÷16 с электромагнитным приводом от системы управления 3, щит питания внешних потребителей 17, мощные потребители 18 используемые при стоянке либо при движении судна с небольшой скоростью, вспомогательный дизель-генератор 19, щит потребителей собственных нужд 20, согласующий трансформатор 21, потребители собственных нужд 22, щит питания с берега 23, согласующий электрический преобразователь 24 и накопитель энергии 25. Обмотка главного электрического генератора 2 через первый дополнительный автоматический выключатель 10 подключена к главному распределительному щиту 9. К главному распределительному щиту 9 подключены: вход преобразователя частоты 4; через второй дополнительный автоматический выключатель 11 щит питания внешних потребителей 17; через третий дополнительный автоматический выключатель 12 мощные потребители 18 используемые при стоянке либо при движении судна с небольшой скоростью. К выходу преобразователя частоты 4 через четвертый дополнительный автоматический выключатель 13 согласующий трансформатор 21 и через пятый дополнительный автоматический выключатель 14 подключен щит питания потребителей собственных нужд 20. К щиту питания потребителей собственных нужд 20 подключены: через шестой дополнительный автоматический выключатель 15 вспомогательный дизель-генератор 19; через седьмой дополнительный автоматический выключатель 16 щит питания с берега 23; через согласующий электрический преобразователь 24 накопитель энергии 25; потребители собственных нужд 22.
Электроэнергетическая установка судна с системой электродвижения, схема которой представлена на Фиг. 2, содержит дополнительно электрический двигатель катапульты 26 и дополнительный восьмой автоматический выключатель 27 с электромагнитным приводом от системы управления 3. Причем электрический двигатель катапульты 26 через восьмой дополнительный автоматический выключатель 27 подключен к выходу преобразователя частоты 4.
Работа электроэнергетической установки судна с системой электродвижения происходит следующим образом.
В электроэнергетической установке судна с системой электродвижения представленной на Фиг. 1 источниками энергии являются главный первичный тепловой двигатель 1 с главным электрическим генератором 2 и вспомогательный дизель-генератор 19. Для регулирования частоты вращения гребного электродвигателя 5 могут быть использованы два способа регулирования: посредствам преобразователя частоты 4 и посредствам регулирования частоты вращения главного первичного теплового двигателя 1 и возбуждения главного электрического генератора 2. Питание потребителей собственных нужд 22 может осуществляться как от главного электрического генератора 2, так и от вспомогательного дизель-генератора 19. При этом в структуре предложенной электроэнергетической установки судна с системой электродвижения от главного электрического генератора 2 может быть обеспечено питание мощных потребителей 18 и питание внешних потребителей энергии от щита питания внешних потребителей 17. С целью повышения энергетической эффективности электроэнергетической установки судна в ней предусмотрена установка накопителя энергии 25 с согласующим электрическим преобразователем 24, которые позволяют запасать энергию торможения гребного электродвигателя 5, либо энергию от главного электрического генератора дозагружая первичный тепловой двигатель 1 и отдавать запасенную энергию для питания потребителей собственных нужд 22.
Установленная мощность преобразователя частоты 4, необходимая для регулирования частоты вращения гребного электродвигателя 5 от нуля до требуемой частоты вращения, от которой может быть осуществлено регулирование посредствам регулирования частоты вращения первичного теплового двигателя 1 и возбуждения главного электрического генератора 2 составляет:
пч
ном.гребн.дв.
3
P=ω⋅Р,
ном.гребн.дв.
где ω - частота вращения в долях от номинальной частоты вращения гребного электродвигателя 5, принятой за единицу, до которой требуется осуществлять регулирование частоты вращения гребного электродвигателя средствами преобразователя частоты 4, Р - номинальная мощность гребного электродвигателя 5.
Регулирование частоты вращения гребного электродвигателя 5 выше чем обеспечиваемое регулирование от преобразователя частоты 4. Данное регулирование частоты вращения гребного электродвигателя 5 осуществляется регулированием частоты вращения главного первичного теплового двигателя 1 и возбуждения главного электрического генератора 2, а работа электроэнергетической установки судна с системой электродвижения осуществляется по системе генератор-двигатель на переменном токе. При такой структуре электроэнергетической установки судна с системой электродвижения гребной электродвигатель может работать на полную мощность как при движении судна вперед, так и при движении судна назад без необходимости реверсирования первичного теплового двигателя 1.
С целью расширения функциональных возможностей электроэнергетической установки судна с системой электродвижения в нее добавлен главный распределительный щит 9, дополнительные автоматические выключатели 10÷16 с электромагнитным приводом от системы управления 3, щит питания внешних потребителей 17, мощные потребители 18 используемые при стоянке либо при движении судна с небольшой скоростью. При стоянке либо движении судна с небольшой скоростью от главного электрического генератора 2 могут быть запитаны мощные потребители 18, например, вооружение судна либо мощные вспомогательные механизмы с электрическим приводом. В предложенной электроэнергетической установки судна предусмотрен режим работы первичного теплового двигателя 1 и главного электрического генератора 2 в качестве электростанции с обеспечением питания внешних потребителей от щита питания внешних потребителей 17. Такой режим работы может быть использован при стоянке судна, например у берега, и обеспечением питания населенного пункта либо воинской базы. Питание потребителей собственных нужд 22 может осуществляться как от главного электрического генератора 2 через преобразователь частоты 4 и согласующий трансформатор 21 при регулировании частоты вращения гребного электродвигателя 5 от первичного теплового двигателя 1, либо от вспомогательного дизель-генератора 19 при стоянке судна у берега и отключенном первичном тепловом двигателе 1, либо при маневрировании судна и использования регулирования частоты вращения гребного электродвигателя 5 от первичного теплового двигателя 1. При питании потребителей собственных нужд 22 от главного электрического генератора 2 появляется возможность использования энергии торможения гребного электродвигателя 5 для питания потребителей собственных нужд 22, либо для запасания энергии в накопителе энергии 25 через согласующий электрический преобразователь 24 с последующей отдачей этой энергии для питания потребителей собственных нужд 22.
Электроэнергетическая установка судна с системой электродвижения, представленная на Фиг. 2 может быть снабжена электрокатапультой состоящей из электрического двигателя катапульты 26 и дополнительного автоматического выключателя 27 с электромагнитным приводом от системы управления 3. Электрический двигатель катапульты 26 вместе с преобразователем частоты 4 образуют электропривод предназначенный для запуска летательных аппаратов. При этом электрический двигатель катапульты 26 может работать от преобразователя частоты 4 как при движении судна при регулировании частоты вращения гребного электродвигателя 5 регулированием частоты вращения главного первичного теплового двигателя 1 и возбуждения главного электрического генератора 2 так и при стоянке судна.
Следует отметить, что питание потребителей собственных нужд 22 осуществляется от вспомогательного дизель-генератора 19 при работе гребного электродвигателя 5 от преобразователя частоты 4, либо работе электрического двигателя катапульты 26 от преобразователя частоты 4. При этом соответствующие автоматические выключатели трехфазный 6, и дополнительные 13-46, 27 осуществляют набор схемы электроэнергетической установки судна с системой электродвижения. При такой схеме питания обеспечивается высокий показатель качества питания электроэнергией потребителей собственных нужд, поскольку их питание осуществляется либо от главного электрического генератора через преобразователь частоты и согласующий трансформатор напряжения, либо от независимого вспомогательного дизель-генератора.
Таким образом, предложенная электроэнергетическая установка судна позволяет улучшить функциональные и эксплуатационные характеристики, обладает простой структурой с минимальным количеством электрических преобразователей и возможностью обеспечения питанием гребного электродвигателя, мощных вспомогательных потребителей, потребителей собственных нужд корабля, а так же работу электроэнергетической установки, в качестве электростанции обеспечивая возможность питания внешних потребителей. Электроэнергетическая установка с системой электродвижения позволяет уменьшить установленную мощность преобразователя частоты, а также обладает высоким показателем энергетической эффективности и экономичности, поскольку позволяет запасать в накопителе энергии энергию торможения гребной установки, а также осуществлять загрузку первичного теплового двигателя до режима близкого к номинальному, а также обеспечить широкий диапазон регулирования частоты вращения гребного электродвигателя с использованием преобразователя частоты, мощность которого зависит от диапазона регулирования, а также обеспечивать мощные вспомогательные потребители электроэнергией от главного первичного теплового двигателя в режимах движения судна, а также улучшить массогабаритные характеристики, а также повысить надежность и живучесть энергетической установки; обеспечить возможность пуска и работы электропривода катапульты от того же преобразователя частоты и от того же главного электрического генератора как при движении судна так и при его стоянке; повысить экономичность энергоустановки и коэффициент загрузки первичных тепловых двигателей, тем самым повысив их ресурс эксплуатации, а также имеет возможность использования серийных быстроходных нереверсивных дизелей, паровых и газовых турбин работающих с высокими экономическими показателями в диапазоне минимального расхода топлива и имеющих меньшую стоимость и массогабаритные показатели по сравнению с тихоходными двигателями, что выгодно отличает ее от прототипа.