ЕДИНАЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА СУДНА

Область техники, к которой относится полезная модель.
Полезная модель относится к судостроению, а именно к электроэнергетическим системам судов.
Уровень техники. Из уровня техники уже известна единая электроэнергетическая система [патент РФ на изобретение №2618614], содержащая главные первичные тепловые двигатели, электрические генераторы, автоматические выключатели, неуправляемые выпрямители напряжения, инверторы напряжения с накопительными конденсаторами, согласующий электрический преобразователь, накопитель энергии и гребные электродвигатели, механически соединенные с гребными винтами. Каждый из главных первичных тепловых двигателей механически соединен со своим электрическим генератором, на статоре которого размещены трехфазные обмотки, выходы которых подключенные к входам автоматических выключателей, согласующий электрический преобразователь соединен с накопителем энергии, а выходы инверторов напряжения подключены к статорным обмоткам гребных электродвигателей. Также имеется система управления единой электроэнергетической установкой, дополнительный инвертор напряжения со своим накопительным конденсатором, согласующий трансформатор, щит вторичного электропитания, аварийный (стояночный) дизель-генератор и потребители собственных нужд, причем автоматические выключатели имеют электромагнитный привод, подключенный к системе управления единой электроэнергетической установкой. Каждый из силовых выходов автоматических выключателей подключен к входу своего неуправляемого выпрямителя напряжения, которые своими выходами соединены между собой согласованно последовательно и образуют общие шины постоянного тока, к которым подключены входы инверторов напряжения со своими накопительными конденсаторами, согласующий электрический преобразователь, преобразователь, дополнительный накопительный конденсатор и, через дополнительный инвертор напряжения и согласующий трансформатор, щит вторичного электропитания, к которому подключены потребители собственных нужд и аварийный (стояночный) дизель-генератор. Система управления управляет работой первичных тепловых двигателей, электрических генераторов, инверторов напряжения, согласующего электрического преобразователя, накопителя энергии и аварийным (стояночным) дизель-генератором.
К недостаткам этого решения можно двойное преобразование энергии электричества из переменного в постоянный род тока и обратно - что ведет к росту потерь на преобразование, и росту искажений напряжений и токов.
Также из уровня техники известна электроэнергетическая система судна с электродвижением [патент РФ на изобретение №2693745], 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 которых включен между выходом преобразователя частоты и гребным электродвигателем, второй и третий обеспечивают шунтирование преобразователя частоты по цепи вход преобразователя частоты и обмотка гребного электродвигателя. Второй автоматический выключатель обеспечивает прямой порядок чередования фаз питающего напряжения на гребной электродвигатель, а третий автоматический выключатель обеспечивает обратный порядок чередования фаз питающего напряжения на гребной электродвигатель. Кроме того, в составе системы имеются 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, к выходу преобразователя частоты через четвертый дополнительный автоматический выключатель, согласующий трансформатор и пятый дополнительный автоматический выключатель - 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.
Данное решение принимается основным прототипом, наиболее близким по своей технической сущности.
К недостаткам такого решения можно отнести резервирование работы системы электродвижения при аварии за счет введения шунтирующих преобразователь частоты трехфазных выключателей - что не допускает его плавный пуск и управление оборотами при аварии преобразователя частоты, а поскольку частота судовых генераторов в большинстве случаев превышает частоту на выходе преобразователя, то возможно превышение номинальной частоты вращения и выход из строя гребного электродвигателя.
Раскрытие полезной модели. Мировое судостроение является одной из наиболее динамично развивающихся отраслей техники, а объем ввода в действие новых морских судов демонстрирует неуклонный рост. Растет не только суммарный тоннаж спускаемых на воду кораблей, но и их энерговооруженность. Для перевозки большого количества пассажиров проектируются новые круизные суда, для которых свойственен повышенный уровень комфорта - что неизбежно ведет к использованию систем электродвижения для повышения маневренности и снижения шумности хода, также возрастает и их мощность. Еще одним перспективным направлением являются ледоколы, предназначением которых является поддержание судоходства круглый год на Северном морском пути, а их работа сопровождается частыми реверсами и переменными режимами. Все перечисленные типы современных судов используют электродвижение, а доля гребного электродвигателя в общей мощности электроэнергетической системы составляет 90% и более.
Само понятие судовой электроэнергетической системы определяется как совокупность источников электроэнергии, распределительных устройств осуществляющих питание судовых потребителей и коммутацию цепей при изменении режимов работы электроэнергетической системы и в аварийных случаях. Выделяют как особый вид системы электродвижения, имеющие значительную мощность - сравнимую с мощностью судовых генераторов. Их питание от общих с остальными судовыми потребителями источников электроэнергии (генераторов) приводит к переходным процессам, которые нарушают допустимые для других систем допуски на качество напряжений и токов. Использование отдельных генераторов, от которых осуществляется питание только системы электродвижения, увеличивает число элементов электроэнергетической системы, снижает тем ее надежность, и ухудшает габариты оборудования [1, 2], и поэтому является нежелательным.
Известным их уровня техники электроэнергетическим системам свойственен ряд недостатков, а именно: промежуточное преобразование (что ведет к падению КПД), низкое качество напряжений и токов (излучение помех, сбои систем автоматики), наличие в системе электродвижения силовых трансформаторов (рост себестоимости, падение КПД). Большинство существующих электроэнергетических систем являются едиными, то есть питание всех потребителей на судне осуществляется от общих генераторов. Повсеместно применяется электропривод переменного тока для приведения в действие судовых механизмов, в том числе и линии вала с гребным винтом, что требует преобразования частоты для плавного пуска и регулирования скорости вращения. Использование широтно-импульсной модуляции при ее высокой частоте ведет как к излучению высоких уровней электромагнитных полей, так и искажению протекающих токов, а в ряде случаев требует применения фильтров на полную номинальную мощность электропривода. Это особенно затруднительно в случае систем электродвижения.
Применение постоянного тока для передачи электроэнергии судовых генераторов к потребителям также не является решением всех проблем, так как ведет к использованию двойного преобразования - сначала выпрямления активными выпрямителями переменного напряжения судовых генераторов, а далее обратное преобразование (инвертирование) для питания всех судовых потребителей электроэнергии, а также системы электродвижения.
Из уровня техники и учебной литературы известны непосредственные преобразователи частоты, осуществляющие преобразование входного напряжения - а именно, понижение его частоты за счет коммутирования отводов (фаз) генератора [1, 2, 3]. Таким образом, напряжение на выходе состоит из фрагментов входного напряжения, и имеет приближение к синусоиде. В общем случае, форма напряжений при непосредственном преобразовании частоты лучше формы напряжения с широтно-импульсной модуляцией. Кроме того, следует отметить и низкую частоту коммутации полупроводниковых ключей - что дает более низкие электромагнитные излучения при работе преобразователя.
Из уровня техники [5] известна многофазная система электродвижения с общими нейтралями трехфазных источников (генераторов), и общими нейтралями трехфазной нагрузки (обмоток гребного электродвигателя). Такая система позволяет реализовать суммирование напряжений каналов непосредственного преобразования, и улучшить качество токов.
В предлагаемом решении реализована электроэнергетическая система, обеспечивающая питание входящей в ее состав системы электродвижения без согласующих силовых трансформаторов - позволяя снизить стоимость и габариты оборудования. Предлагается устанавливать судовые генераторы на общем валу с приводящим их во вращение тепловым двигателем, при этом питающие главные распределительные щиты высокого напряжения обмотки располагаются на двух раздельных синхронных генераторах - что позволяет снимать возбуждение с одного из них, сохраняя питание на потребителях в электроэнергетической системе, а также ход от системы электродвижения при мощности на линии вала, близкой к половине. В отличие от прототипов, известных из уровня техники, предлагается использовать перемежающиеся обмотки на статоре гребного электродвигателя, не имеющие фазового сдвига, что дает преимущество при отключении части трехфазных обмоток.
На фигуре 1 представлена схема электроэнергетической системы, выбранной за основной прототип. Здесь главный распределительный щит высокого напряжения питается от трехфазного электрического генератора, который приводится во вращение от вала теплового двигателя. Выбор уровня напряжения в таком случае диктуется мощностью главного потребителя - системы электродвижения, для снижения уровней токов и сечения кабелей и шин. Вся остальная судовая нагрузка имеет относительно незначительную мощность в сравнении с системой электродвижения. Для общесудовой нагрузки здесь используется главный распределительный щит низкого напряжения, получающий питание через согласующий трансформатор, на выходной обмотке которого уровень напряжения значительно ниже, чем в питающей сети высокого напряжения. Как правило, уровень напряжения для питания общесудовой нагрузки выбирается равным 400 вольт. При наличии на судне особых механизмов (например, электропривод трала и т.п.) с очень большой мощностью - они питаются также от главного распределительного щита высокого напряжения. В качестве решения проблемы резервирования отказов системы электродвижения в составе электроэнергетической системы предусмотрены шунтирующие трехфазные выключатели, обеспечивающие подачу питания на гребной электродвигатель непосредственно от шин щита в прямом или обратном чередовании фаз - соответствующем обратному или прямому вращению вала гребного электродвигателя. Однако при простоте, такому решению свойственны недостатки - а именно, большие пусковые токи и несоответствие номинальной частоты судовых генераторов номиналу частоты питающего напряжения гребного электродвигателя, что ведет к его вращению с превышением номинальных оборотов.
На фигуре 2 представлена схема улучшенной электроэнергетической системы. Из схемы видно ее главное отличие - установка трехфазных электрических генераторов (основных судовых источников) с приводом от одного теплового двигателя обеспечивает их одновременное вращение - а значит и отсутствие смещения фазы между ними. В отличие от всех остальных прототипов судовых электроэнергетических систем, это обеспечивает заявленное в системе электродвижения [5] качество непосредственного преобразования частоты, поскольку система трехфазных напряжений разных генераторов будет иметь всегда одинаковую частоту и фазовое смещение (равное нулю в данном случае). Автору заявки известны промышленно выпускаемые судовые генераторы, имеющие две трехфазные обмотки на статоре, однако в данном заявляемом решении предлагается разделение обмоток на два или более трехфазных электрических генератора, с одной трехфазной обмоткой на статоре. Такое решение позволяет решить в том числе задачу раздельной защиты генераторов от коротких замыканий и прочих аварийных ситуаций. В конфигурации генераторов, механически приводимых во вращение от общего теплового двигателя, для вывода из действия любого генератора достаточно снять возбуждение с его ротора, на котором у генераторов расположены полюса возбуждения. Это позволяет обеспечить режим резервирования.
Также резервирование обеспечивается применением в показанном на фигуре 2 решении резервных преобразователей частоты, которые могут быть выполнены с широтно-импульсной модуляцией напряжения, поскольку мощность резервных преобразователей частоты не может превышать также мощности резервного источника - резервных дизель-генераторов. В таком случае уровень вносимых в питающую сеть искажений будет относительно малым, разумеется, при меньших оборотах вала гребного электродвигателя. Для непосредственного преобразования частоты в системе электродвижения предусмотрены трехфазные реверсивные полупроводниковые коммутаторы, которые уже известны из уровня техники [2, 5] и схема такого коммутатора приведена на фигуре 4. Упомянутые коммутаторы преобразуют входную частоту напряжения электрических генераторов в пониженную выходную частоту, необходимую для питания гребного электродвигателя. При аварии любого из коммутаторов в представленном на фигуре 2 решении требуется снятие возбуждения с соответствующего ему электрического генератора.
Таким образом, при наличии в улучшенной системе электродвижения двух электрических генераторов, и двух резервных преобразователей частоты реализуется четырехкратное резервирование работоспособности для системы электродвижения - при отказе одного трехфазного реверсивного коммутатора, ход судна может быть продолжен под оставшимся каналом непосредственного преобразования частоты при механической мощностью на валу, не превышающей половины номинальной. При отказе обоих из трехфазных реверсивных коммутаторов - ход может быть продолжен от резервных преобразователей частоты, как это очевидно из фигуры 2. Если произойдет отказ одного из резервных преобразователей частоты, ход может быть продолжен от второго с меньшей мощностью. При проектировании судна и электроэнергетической системы мощность обоих резервных преобразователей частоты следует выбирать по критерию минимальной достаточности для хода судна в аварийной ситуации, также учитываются такие ограничения, как минимально допустимые обороты электродвигателя по условиям смазки его подшипников. Как правило, минимальные обороты гребного электродвигателя по условиям смазки составляют 20% от номинала, что соответствует от 5 до 10% от номинальной мощности. Такие резервные преобразователи частоты обеспечивают увеличение уровня резервирования, а значит и надежности всей системы в целом - при условии, что мощность единичного звена не менее минимально допустимой по условию обеспечения хода судна. Мощность резервных преобразователей частоты, питаемых от главных распределительных щитов низкого напряжения должна быть больше необходимой по условиям смазки подшипников гребного электродвигателя в целом, а это значит что суммарная мощность двух и более каналов будет значительной и может достигать половины номинальной мощности гребного электродвигателя. Таким образом, в такой электроэнергетической системе резервирование достигается избыточным запасом мощности резервных преобразователей частоты - что отрицательно сказывается на себестоимости и габаритах входящей в ее состав системы электродвижения.
В целях упрощения конструкции и снижения уровня электромагнитных излучений, в показанном на фигуре 2 варианте предложено подключение трехфазных коммутаторов непосредственно к выводам генераторов, то есть близко к источнику электроэнергии, что снижает уровень электромагнитных излучений при работе системы электродвижения. Кроме того, предложено совместить системы охлаждения полупроводниковых ключей коммутаторов и электрических генераторов, имеющих, как правило, водяное охлаждение для отвода тепла. В случае необходимости снятия питания с коммутатора может быть снято возбуждение с электрического генератора для его обесточивания. Тогда работа остальных электрических генераторов, которые устанавливаются на общем валу с одним тепловым двигателем, может быть продолжена, однако может произойти обесточение части судовой нагрузки. В решении, показанном на фигуре 2, установлены выключатели в силовых электрических цепях, исключая входы трехфазные коммутаторов.
Такое решение заявлено автором ранее, и имеет свои преимущества. К ним можно отнести уменьшение излучений от коммутации токов за счет расположения полупроводниковых коммутаторов вблизи от генераторов, а также высокую степень резервирования на случай отказов. Однако подобное резервирование достигается большим запасом по суммарной мощности преобразователей частоты (основных и резервных), что повышает стоимость. Питание главных распределительных щитов высокого напряжения возможно только от основных источников электроэнергии - трехфазных электрических генераторов. Как известно из основ электротехники, трансформатор может работать при питании как со стороны высокого напряжения, так и со стороны низкого напряжения. В таком случае уровень напряжения понижается или повышается пропорционально коэффициенту трансформации, здесь следует учесть, которая из обмоток (высокого или низкого напряжения) питается от внешнего источника. При подаче питания на обмотку низкого напряжения, будет происходить повышение напряжения на выходе трансформатора, а в начальный момент включения трансформатора будет протекать бросок тока, который может достигать 5-кратного значения от номинала [1, 2].
Также следует заметить, что представленная на фигуре 2 улучшенная судовая электроэнергетическая система не является в полной мере единой. Питание гребного электродвигателя при отказе основных источников идет через резервные преобразователи частоты от главных распределительных щитов низкого напряжения, питаемых в таком случае от дизель-генераторов. Каналы непосредственного преобразования частоты при этом ограничены невозможностью включения понижающих трансформаторов от резервных дизель-генераторов, поскольку при их подключении со стороны обмотки низкого напряжения будет происходить существенный бросок тока. Таким образом, при отказе основных трехфазных электрических генераторов перед подключением резервных дизель-генераторов трехфазные трансформаторы отключаются от главных распределительных щитов низкого напряжения. Их последующее включение будет в такой системе невозможно.
Режим работы трансформаторов при питании обмотки низкого уровня напряжения от соответствующего источника ничем не отличается от режима работы при питании от источника высокого напряжения с другой стороны. В зависимости от того, со стороны какой обмотки находится источник энергии генератор или трансформатор может повышать или понижать напряжение. То есть коэффициент трансформации обмоток может быть повышающим или понижающим в зависимости от включения [1, 2]. Поэтому возможна работа главных распределительных щитов как высокого, так и низкого напряжения при питании через согласующие понижающие трансформаторы.
Показанные на фигуре 2 резервные дизель-генераторы обеспечивают генерирование электроэнергии в аварийных режимах, связанных с отказом основных электрических генераторов, а также при стоянке у причала или при перешвартовке - когда запуск основных источников электроэнергии связан с излишними затратами. Мощность резервных дизель-генераторов выбирается при проектировании электроэнергетической системы, с учетом всех факторов и мощности судовых потребителей. Задача резервных дизель-генераторов в обеспечении питания минимально необходимого количества потребителей, включая систему электродвижения судна и необходимого хода судна. Как указано выше, по условиям смазки подшипника гребного электродвигателя мощность необходимая для этого составляет около 10%, однако для условия обеспечения работы от одного исправного резервного преобразователя частоты или резервного дизель-генератора, требуется обеспечение подобного уровня мощности на каждом резервном преобразователе частоты. В случае наличия 4 резервных преобразователей частоты, их общий уровень мощности будет соответствовать работе системе электродвижения на 40% номинальной мощности. Учитывая, что многие суда оснащены полным электродвижением, а гребной электродвигатель в этом случае является основным потребителем электроэнергии на судна - резервные преобразователи частоты неизбежно имеют значительную мощность. При этом нет возможности подать питание от низкого напряжения на непосредственные преобразователи частоты.
На фигуре 3 показана предлагаемая единая электроэнергетическая система судна. В целом по функциональному составу она близка к системе, показанной на фигуре 2, однако имеет принципиальные отличия. В целях обеспечения питания каналов непосредственного преобразования частоты, в состав которых входят питаемые от шин главных распределительных щитов высокого уровня напряжения трехфазные реверсивные полупроводниковые коммутаторы, питание для трехфазных реверсивных полупроводниковых коммутаторов подается от шин главных распределительных щитов высокого напряжения. Также в отличие от предшествующего решения, показанного на фигуре 2, предлагаемое решение на фигуре 3 имеет выключатель в цепи питания трехфазных реверсивных полупроводниковых коммутаторов. Это обеспечивает его гарантированное отключение в случае пробоя транзисторов или падения изоляции теплоотвода, либо в любой другой ситуации. Так как шины главных распределительных щитов высокого напряжения также имеют выключатели в цепях питания от обмоток статоров трехфазных генераторов, становится возможной работа трехфазных реверсивных полупроводниковых коммутаторов от других источников электроэнергии на шинах главных распределительных щитов высокого напряжения, при отключенных в это время выключателях трехфазных генераторов. В штатном режиме работы от трехфазных генераторов, шины главных распределительных щитов низкого напряжения питаются от согласующих понижающих трансформаторов, обмотка высокого напряжения которых подключается к шинам главных распределительных щитов напрямую путем включения выключателя, так как мощность трансформаторов значительно меньше мощности от трехфазных генераторов. Возникающие пусковые токи в момент включения значительно ниже номинальных токов основных судовых источников электроэнергии, и не вызывают их перегрузки или аварийного отключения. Это объяснялось уже ранее, так как мощность всех остальных судовых потребителей мала относительно мощности системы электродвижения, а допустимая мощность по минимальным оборотам гребного электродвигателя составляет около 10% от номинальной, то соответственно - мощность главных распределительных щитов низкого напряжения и резервных дизель-генераторов составляет менее 20% от номинальной мощности гребного электродвигателя и соответственно, от мощности основных судовых источников (трехфазных генераторов). Так и мощность согласующих понижающих трансформаторов соответствует ей, с учетом потерь в самом трансформаторе. Точное значение мощности источников низкого напряжения (резервных дизель-генераторов) выбирается как требуемая минимальная мощность системы электродвижения, плюс мощность судовых потребителей, которые будут задействованы в аварийном режиме питания от дизель-генераторов. При подаче питания на шины щитов высокого напряжения, согласующий трансформатор включается через устройство плавного пуска со стороны обмотки низкого напряжения, что обеспечивает плавное включение без бросков пускового тока на резервные дизель-генераторы, которые как это было сказано выше имеют ограниченную номинальную мощность. Таким образом, предлагаемая система является действительно единой, обеспечивая питание всех распределительных щитов при работе от основных и резервных судовых источников электроэнергии. При отключении (отказе) основных источников электроэнергии (трехфазных генераторов) единая электроэнергетическая система обеспечивает работу от резервных дизель-генераторов с резервированием питания непосредственных преобразователей частоты (трехфазных реверсивных полупроводниковых преобразователей) через устройства плавного пуска трансформаторов. Такая возможность отсутствует в известных из уровня техники решениях.
На фигуре 4 показана электрическая схема трехфазного реверсивного полупроводникового коммутатора, представляющего собой блок коммутации трехфазного входного напряжения в трехфазное выходное напряжение [5]. Для коммутации наиболее удобно использовать igbt-транзисторы, известные из теории и выпускаемые серийно. Такой блок коммутации предназначен для непосредственного преобразования частоты по известным из уровня техники алгоритмам, например описанным в [1, 2].
На фигуре 5 показана векторная диаграмма напряжений двух систем трехфазных напряжений. Из диаграммы видно, что при угле сдвига, равном 60 электрическим градусам - вектора напряжений в фазах между двумя трехфазными системами начинают совпадать по модулю, но разнятся по своему знаку. Таким образом, такому углу сдвига 60 градусов соответствует включение фаз в общую нейтраль с обратной полярностью обмоток фаз, что известно из теоретической литературы [2, 3, 5] и не позволяет реализовать полноценный шестифазный режим работы, при котором сдвиг фаз между составляющими его двумя трехфазными системами напряжений равно 30 электрическим градусам. При известном из литературы по электрическим машинам способе формирования многофазных обмоток [4], для более чем трехфазной системы питающих обмоток катушки разных фаз в группе последовательно чередуются по типу U1-U2-V1-V2-W1-W2 - однако угол сдвига между системами напряжений U1-V1-W1 и U2-V2-W2 должен быть равен пространственному сдвигу фаз, то есть 60 градусам. Это объясняется полным равенством (симметрией) шести фаз между собой по числу витков и шагу - а таким образом, при чередовании их на статоре электродвигателя, возможен только симметричный фазовый сдвиг для их напряжений, который составляет 60 электрических градусов. Использование такого сдвига не ведет к улучшению качества электромагнитного поля в зазоре "статор-ротор". Для решения этой проблемы в предлагаемом решении используется размещение трехфазных обмоток гребного электродвигателя без взаимного сдвига, то есть фазы двух или более трехфазных систем накладываются друг на друга. Это ведет к появлению суперпозиции их электромагнитных полей при работе системы электродвижения, а суммарное поле и мощность электродвигателя будет удвоенной (или более, в зависимости от выбранного числа элементов) по сравнению с работой на одной обмотке. Подобного рода обмотки уже известны из литературы, однако при использовании многослойных обмоток суммарное количество будет равно двойному числу трехфазных обмоток на статоре, что может быть громоздко. Поэтому в заявляемом решении для формирования общей многофазной обмотки, включающей две или более трехфазные обмотки каналов непосредственного преобразования частоты, используется перемежение катушек в фазах группы. Это значит, что если каждая фаза состоит из 4 катушек подряд, то они чередуются при укладке в пазах статора гребного электродвигателя следующим образом: U1.1-U2.1-U1.2-U2.2-U1.3-U2.3-U1.4-U2.4, где в дробном индексе указывает номер для отдельной катушки в фазе. Для случая четырех каналов непосредственного преобразования частоты, и четырех трехфазных обмоток на статоре гребного электродвигателя чередование фазы U будет иметь вид: U1.1-U2.1-U3.1-U4.1-U1.2-U2.2-U3.2-U4.2- U1.3-U2.3-U3.3-U4.3-U1.4-U2.4-U3.4-U4.4 (и подобным образом для остальных фаз V и W, напомним что U, V, W - это принятое в области электрических машин обозначение фаз А, В, С). Поскольку в таком случае не происходит смещения обмоток относительно друг друга - работа многофазной обмотки является согласной, то есть катушки от одноименных фаз разных трехфазных обмоток усиливают друг друга, а магнитные потоки суммируются. Предлагаемое исполнение гребного электродвигателя дает возможность отключения отдельных его трехфазных обмоток - что не ведет к искажению формируемого магнитного поля в зазоре "статор-ротор", так как обмотки не чередуются - а накладываются. При отключении происходит уменьшение магнитного потока и мощности, без возникновения биений за счет неравномерности магнитного потока.
На фигуре 6 показана известная их уровня техники [5] двухканальная система электродвижения, имеющая общую нейтраль между обмотками источника электроэнергии, и общую нейтраль нагрузок. Она может быть масштабирована на большее число трехфазных каналов, и реализована в составе предлагаемой электроэнергетической системы - однако не является предметом данного решения. Заявляемая электроэнергетическая система может быть реализована как при использовании ее, так и при классическом раздельном использовании трехфазных обмоток без объединения их в общую нейтраль. Также повторно оговоримся, что в современной классификации система электродвижения является не просто самым мощным потребителем в электроэнергетической системе - но и ее неотъемлемой частью, поскольку выбор типа системы электродвижения определяет тип и структуру самой электроэнергетической системы ("единая электроэнергетическая система"). Таким образом, эти понятия всегда рассматривают неразрывно, причем система электродвижения входит в электроэнергетическую систему как составляющая ее подсистема, объединяющая ряд элементов системы.
На фигуре 7 показана принципиальная схема устройства плавного пуска, представляющая собой комплект из трех пар включенных параллельно и встречно тиристоров, шунтируемых контакторами. При подаче питания на согласующие трансформаторы шунтирующие контакторы отключены, и ток течет через тиристоры, угол открытия которых изменяется, обеспечивая плавное нарастание токов. В момент, когда тиристоры открыты полностью, включаются контакторы, шунтируя тиристоры. Процесс плавного запуска в этот момент завершается. Подобного рода устройства известны из уровня техники, и применяются для плавного пуска отдельных потребителей, однако не применялись в составе судовой электроэнергетической системы.
На фигуре 8 показана функциональная схема предлагаемой единой электроэнергетической системы в штатном режиме работы от трехфазных электрических генераторов (основных источников). Выключатели в цепи трехфазных генераторов включены, далее питание идет по цепочке через шины главных распределительных щитов высокого напряжения, далее на согласующие трансформаторы, включенное (зашунтированное) устройство плавного пуска на шины главных распределительных устройств низкого напряжения. Гребной электродвигатель получает питание через трехфазные реверсивные полупроводниковые коммутаторы, питаемые от шин щитов высокого напряжения. Такой режим является основным для единой электроэнергетической системы и обеспечивает ход судна и питание для судовых потребителей от шин распределительных щитов низкого напряжения, два и более каналов непосредственного преобразования частоты обеспечивают надежность работы системы электродвижения - в случае отказа любого одного трехфазного реверсивного полупроводникового коммутатора питание гребного электродвигателя обеспечивает оставшийся в работе канал/каналы. При этом в системе отсутствует лишняя избыточность в виде резервных преобразователей частоты.
На фигуре 9 показана функциональная схема предлагаемой единой электроэнергетической системы в режиме работы от резервных дизель-генераторов. Выключатели в цепи трехфазных генераторов отключены, а питание идет по цепочке от резервных дизель-генераторов на шины главных распределительных щитов низкого напряжения, далее через устройство плавного пуска на согласующие трансформаторы, далее на шины главных распределительных устройств высокого напряжения. Питание трехфазных реверсивных полупроводниковых коммутаторов идет от шин главных щитов высокого напряжения, аналогично штатному режиму работы.
Описанная выше конструкция является простой, и реализуемой при промышленном применении - за счет симметрии количества элементов в предлагаемом решении, и их взаимного резервирования. В таком случае происходит резервирование как основных каналов преобразования частоты (трехфазных полупроводниковых коммутаторов, и их генераторов) но также и за счет резервирования их питания от судовых источников электроэнергии низкого напряжения происходит повышение надежности работы системы в целом. При выходе одного из каналов непосредственного преобразования частоты возможна работа на значительной мощности на других каналах, а при отказе трехфазных электрических генераторов (основных источников) - переход на резервные дизель-генераторы. Используемая для резервирования совместная укладка трехфазных обмоток в гребном электродвигателе обеспечивает его качественную работу при отключении одного или более каналов. Современный уровень полупроводниковой электроники делает работу трехфазных полупроводниковых реверсивных коммутаторов весьма надежной, при этом в решении достигнуто резервирование их питания.
Предлагаемое решение имеет следующие отличия от прототипа:
- трехфазные реверсивные коммутаторы подключаются своими входами к шинам главных распределительных щитов высокого напряжения через выключатели;
- понижающие трехфазные трансформаторы со стороны низкого напряжения оснащаются устройством плавного пуска;
- мощность понижающих трехфазных трансформаторов и резервных дизель-генераторов не меньше необходимой для работы системы электродвижения на минимальных по условиям смазки подшипников линии вала оборотах плюс мощность необходимая для питания вспомогательного судового оборудования.
Таким образом, вся совокупность существенных признаков полезной модели ранее неизвестна и приводит к новому техническому результату -повышению надежности и безотказности работы электроэнергетической системы, при упрощении и обеспечении ее единства.
Предлагаемое решение является реализуемым технически, причем оно по своей сущности находится в непосредственной причинно-следственной связи между элементами.
Краткое описание чертежей. На фигуре 1 изображена схема выбранной за прототип электроэнергетической установки судна с электродвижением. Здесь 1 - тепловой двигатель, 2 - трехфазный электрический генератор, 3 - система управления, 4 - преобразователь частоты, 5 - гребной электродвигатель, 6 - первый трехфазный выключатель, 7 - второй трехфазный выключатель, 8 - третий трехфазный выключатель, 9 - главный распределительный щит высокого напряжения, 17 - щит питания внешних потребителей, 18 - мощные потребители, 19 - резервный дизель-генератор, 20 - главный распределительный щит низкого напряжения, 21 - согласующий понижающий трансформатор, 22 - судовые потребители, 23 - щит приема питания с берега, 24 - согласующий электрический преобразователь, 25 - накопитель энергии. На фигуре 2 изображена схема улучшенной судовой электроэнергетической установки. Здесь 1 - тепловой двигатель, 2 - трехфазный электрический генератор, 5 - гребной электродвигатель, 9 - главный распределительный щит высокого напряжения, 10 - система управления электродвижением, 11 - трехфазный реверсивный полупроводниковый коммутатор, 12 - резервный преобразователь частоты, 18 - мощные потребители, 19 - резервный дизель-генератор, 20 - главный распределительный щит низкого напряжения, 21 - согласующий понижающий трансформатор, 22 - судовые потребители. На фигуре 3 изображена схема предлагаемой единой электроэнергетической системы судна. Здесь 1 - тепловой двигатель, 2 - трехфазный электрический генератор, 5 - гребной электродвигатель, 9 - главный распределительный щит высокого напряжения, 10 - система управления электродвижением, 11 - трехфазный реверсивный полупроводниковый коммутатор, 12 - резервный преобразователь частоты, 13 - устройство плавного пуска, 18 - мощные потребители, 19 - резервный дизель-генератор, 20 - главный распределительный щит низкого напряжения, 21 - согласующий понижающий трансформатор, 22 - судовые потребители. На фигуре 4 изображена принципиальная схема трехфазного реверсивного полупроводникового коммутатора. На фигуре 5 изображена векторная диаграмма двух трехфазных систем со взаимным сдвигом 60 электрических градусов. На фигуре 6 изображена схема двухканальной системы электродвижения с общей нейтралью генераторов и общей нейтралью обмоток статора. Здесь 2 - трехфазный электрический генератор, 5 - гребной электродвигатель, 11 - трехфазный реверсивный полупроводниковый коммутатор. На фигуре 7 изображена принципиальная схема устройства плавного пуска. На фигуре 8 изображена функциональная схема единой электроэнергетической системы судна при работе от трехфазных электрических генераторов. На фигуре 9 изображена функциональная схема единой электроэнергетической системы судна при работе от резервных дизель-генераторов.
Список использованной литературы.
1. Дмитриев Б.Ф., Рябенький В.М., Черевко А.И., Музыка М.М. Судовые полупроводниковые преобразователи: учебник. - Архангельск: Изд-во САФУ, 2015. - 556 с.
2. Зиновьев Г.С. Силовая электроника. - М.: Юрайт, 2012. 667 с.
3. Прошин И.А. Управление в системах с непосредственным преобразователями электрической энергии // диссертация. - Пенза: Изд-во Пензенского государственного университета, 2003. - 432 с.
4. Копылов И.П. Проектирование электрических машин. М.: Изд-во ЮРАЙТ, 2014. - 767 с.
5. Коптяев Е.Н., Попков Е.Н. Многофазная система электродвижения судов // патент РФ на полезную модель №185666