ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА МНОГОВАЛЬНОГО СУДНА
MULTI-SHAFT SHIP ELECTRIC POWER PLANT

Изобретение относится к судостроению, а именно к электроэнергетическим установкам судов. Преимущественной областью использования изобретения являются электроэнергетические установки (ЭЭУ) переменно-постоянного тока и переменного тока с полупроводниковыми преобразователями электроэнергии и отбора мощности на электропотребители.
Известные электроэнергетические установки многовальных судов содержат паропроизводящую установку с системой аварийной защиты, турбины, синхронные генераторы, полупроводниковые преобразователи электроэнергии, шины ответственных потребителей, гребные электродвигатели (а.с. СССР №235152, кл. Н02Р 7/68, опубл. 1966; книга авт. Быкова А.С., Башаева В.В., Малышева В.А. и Романовского В.В. Гребные электрические установки атомных ледоколов. Учебное пособие. - СПб.: Элмор, 2004, с. 9-12, 149-154). Эти установки обеспечивают необходимые тяговые характеристики гребных электродвигателей, питание общесудовых электропотребителей от автономных электростанций, бесперебойность питания шин ответственных потребителей.
К недостаткам таких установок следует отнести:
- наличие большого числа генераторов, находящихся на одном валу турбины, что снижает надежность установки;
- отсутствие отбора мощности на общесудовые электропотребители, а следовательно, необходимость установки автономных электростанций для общесудовых электропотребителей, что приводит к снижению технико-экономических показателей электроэнергетической установки.
Наиболее близким аналогом предлагаемого устройства является электроэнергетическая установка многовального судна (а.с. СССР №1032521, МКИ H02J 3/00, опубл. 30.07.1987), содержащая паропроизводящую установку с системой аварийной защиты, турбины, главные синхронные генераторы, гребные электродвигатели, полупроводниковые преобразователи электроэнергии, по меньшей мере две главные распределительные шины, каждая из которых получает питание от главных генераторов, при этом электропотребители подключены к главным распределительным шинам, и двух шин ответственных потребителей, подключенных к главным шинам через согласующее устройство и стабилизированный преобразователь электроэнергии. Данная электроэнергетическая установка, по сравнению с вышеприведенными аналогами, обладает более высокой надежностью и КПД, обеспечивает использование полной мощности генераторов, работающих на разные шины, исключает установку двух автономных электростанций для судов с ядерной энергетической установкой.
Недостатками прототипа являются:
- недостаточная надежность параллельной работы главных генераторов в условиях переменных нагрузок, например, при работе судна в сложных ледовых условиях, т.к. при резком набросе или сбросе нагрузки известные устройства автоматического регулирования параллельной работы генераторов из-за инерционности не обеспечивают требуемого распределения нагрузок, что приводит к нарушению параллельной работы генераторов и, в худших случаях, к обесточиванию установки;
- невысокое качество напряжения на шинах ответственных потребителей при использовании полупроводниковых стабилизированных преобразователей электроэнергии, в выходном напряжении которых содержатся высшие гармонические составляющие, которые вызывают дополнительные потери в электропотребителях, снижают надежность их работы;
- необходимость создания специального оборудования для многочисленных общесудовых электропотребителей в случае применения главных генераторов с частотой напряжения, отличной от традиционной (например, 100 Гц и более). В то же время чем выше частота главных генераторов, тем лучше качество напряжения на выходе полупроводниковых преобразователей электроэнергии, а следовательно, выше КПД системы: полупроводниковый преобразователь электроэнергии - гребной электродвигатель. В случае применения непосредственных полупроводниковых преобразователей частоты и гребных электродвигателей переменного тока исключается также неравномерность токовой загрузки фаз генераторов;
Таким образом, недостатками устройства являются недостаточная надежность и недостаточно высокий КПД, а также необходимость создания специального оборудования.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении надежности и КПД установки, исключение необходимости создания специального оборудования при одновременном расширении функциональных возможностей установки.
Поставленная цель достигается тем, что в электроэнергетическую установку многовального судна (содержащую так же, как и прототип, паропроизводящую установку с системой аварийной защиты, турбины, главные синхронные генераторы, управляемые полупроводниковые преобразователи электроэнергии, гребные электродвигатели, по меньшей мере две главные распределительные шины, каждая из которых получает питание от двух и более параллельно работающих главных синхронных генераторов, шины питания ответственных потребителей, согласующие блоки, преобразователи электроэнергии и фидеры питания с берега) в отличие от прототипа введены дополнительные распределительные шины, число которых равно числу главных распределительных шин, навешенные синхронные генераторы, подключенные параллельно к дополнительным распределительным шинам, и согласующее устройство, включенное между дополнительными распределительными шинами, шинами питания ответственных потребителей и системой аварийной защиты, в свою очередь шины питания ответственных потребителей подключены к дополнительным шинам через согласующие блоки и стабилизированные преобразователи. При этом главные и дополнительные распределительные шины соединены между собой через управляемые выпрямители и ведомые инверторы. При этом между главными распределительными шинами установлен разъединитель.
Для обеспечения качества напряжения на шинах ответственных потребителей согласующее устройство выполнено в виде агрегата, состоящего из синхронного генератора с датчиком частоты вращения и приводного электродвигателя, в цепь питания которого включен управляемый полупроводниковый преобразователь, вход и выход которого соединены между собой и снабжены коммутационными аппаратами, связанными с системой аварийной защиты.
Сущность изобретения заключается в следующем.
В предлагаемом ЭЭУ многовального судна введением навешенных генераторов и дополнительных шин электропотребителей достигнута возможность разделения цепей питания главных и вспомогательных электропотребителей, что позволило использовать главные генераторы нестандартной частоты (100 Гц и более), а следовательно, увеличить КПД гребных электродвигателей за счет улучшения качества напряжения на выходе полупроводникового преобразователя электроэнергии, исключить неравномерную нагрузку фаз генератора, а для питания общесудовых электропотребителей использовать навешенные генераторы стандартной частоты. Т.к. навешенные генераторы нагружены квазистатической нагрузкой при соизмеримости мощностей главных и навешенных генераторов осуществляется жесткая связь по положению роторов. Это, в свою очередь, дало возможность избежать разработки и изготовления специального оборудования для многочисленных общесудовых электропотребителей или мощных преобразовательных устройств, кроме того, обеспечить питание общесудовых электропотребителей неискаженным напряжением, что позволило увеличить по сравнению с прототипом КПД и надежность установки в целом. Включение же главных и дополнительных шин между собой через управляемый выпрямитель и ведомый инвертор дало возможность обеспечить передачу мощности как от главных шин на дополнительные шины и на фидера питания с берега, так и от фидеров питания с берега на дополнительные и главные шины, а также от дополнительных шин на главные. Указанная схема позволяет использовать энергию главных генераторов с нестандартной частотой для питания береговых потребителей стандартной частоты, в экстремальных режимах использовать энергию навешенных генераторов для движения судна, а также проводить испытание главных и вспомогательных электропотребителей установки от береговой сети, т.е. значительно расширить функциональные возможности ЭЭУ судна. Установка разъединителя между главными шинами упрощает схему подключения гребных электродвигателей к одной из групп параллельно работающих главных генераторов на частичных (или других) режимах работы ЭЭУ, за счет сокращения количества коммутационных аппаратов, электрических цепей их соединяющих, что увеличивает надежность ЭЭУ. Такое техническое решение стало возможным за счет введения в ЭЭУ дополнительных шин и подключения к ним шин ответственных потребителей.
Выполнение согласующего устройства в виде агрегата, состоящего из синхронного генератора с датчиком частоты вращения и приводного электродвигателя, в цепь питания которого включен полупроводниковый преобразователь, повышает качество напряжения на шинах ответственных потребителей. Агрегатом также обеспечивается стабильность параметров (напряжение, частоты) на шинах ответственных потребителей в течение заданного промежутка времени при срабатывании аварийной защиты. Соединение входа и выхода полупроводникового преобразователя агрегата между собой и снабжение коммутационными аппаратами, связанные с системой аварийной защиты выполнены для того, чтобы исключить работу преобразователя в обычных эксплуатационных режимах, что повышает надежность цепи питания ответственных потребителей.
Сопоставление предлагаемого устройства и прототипа показало, что поставленная задача решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие предлагаемого изобретения критерию патентоспособности «новизна».
В свою очередь проведенный информационный поиск в области судостроения не выявил отдельных отличительных признаков заявляемого изобретения, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняет представленная на фиг. 1 принципиальная схема электроэнергетической установки (ЭЭУ) многовального судна; на фиг. 2 приведена принципиальная схема согласующего устройства
Электроэнергетическая установка многовального судна (фиг. 1) содержит паропроизводящую установку с системой аварийной защиты 1, турбины 2, 3, 4, 5, главные синхронные генераторы 6, 7, 8, 9, навешенные синхронные генераторы (вспомогательные) 10, 11, 12, 13, главные 14, 15 и дополнительные 16, 17 распределительные шины, управляемые выпрямители 18, 19, ведомые инверторы 20, 21, коммутационные аппараты 22 (на схеме показан один коммутационный аппарат), системы управления 23 (на схеме показана одна система) полупроводниковыми преобразователями электроэнергии 24, гребные электродвигатели 25, 26, 27, согласующие блоки 28, 29, стабилизированные преобразователи электроэнергии 30, 31, шины ответственных потребителей 32, 33, разъединитель 34, фидеры питания с берега 35, 36.
В предложенной ЭЭУ каждая турбина 2, 3, 4, 5 соединена с главными 6, 7, 8, 9 и навешенными 10, 11, 12, 13 синхронными генераторами соответственно. Главные генераторы 6, 7 (их количество не менее двух) подключены к распределительной шине 14, а другие главные генераторы 8, 9 - к распределительной шине 15. Навешенные генераторы 10, 11 и 12, 13 подключены соответственно к дополнительным шинам 16, 17. В цепях питания гребных электродвигателей 25, 26, 27 (на фиг. 1 показаны двухъякорные) установлены полупроводниковые преобразователи электроэнергии 24 с системами управления 23 и коммутационные аппараты 22. На фиг. 1 с целью упрощения схемы ЭЭУ показан один коммутационный аппарат 22 и одна система управления 23. Коммутационные аппараты 22 и система управления 23 электрически связаны с системой аварийной защиты паропроизводящей установки 1. Разъединитель 34 соединяет главные распределительные шины 14 и 15, а управляемые выпрямители 18, 19 и ведомые инверторы 20, 21 соединяют главные 14, 15 и дополнительные 16, 17 распределительные шины соответственно. Фидеры питания с берега 35, 36 подключены к дополнительным шинам 16 и 17, а шины ответственных потребителей 32, 33 через стабилизированные преобразователи электроэнергии 30, 31 и согласующие устройства 28, 29 подсоединены к дополнительным шинам 16 и 17. Согласующее устройство 37 (фиг. 2) выполнено в виде агрегата, состоящего из управляемого полупроводникового преобразователя 38 со схемой управления 39, приводного электродвигателя 40, синхронного генератора 41, датчика частоты вращения 42, коммутационных аппаратов 43, 44, 45. В согласующем устройстве 37 вход полупроводникового преобразователя 38 подключен к распределительной шине 16 (17) через коммутационный аппарат 43, а выход - через коммутационный аппарат 45 к статорной обмотке приводного электродвигателя 40. Коммутационный аппарат 44 дополнительно соединяет вход и выход полупроводникового преобразователя 38. Цепи управления коммутационными аппаратами 43, 44, 45 соединены с системой аварийной защиты. Выход датчика частоты вращения 42 синхронного генератора 41 подключен ко входу схемы управления 39 полупроводникового преобразователя 38. Синхронный генератор 41 жестко соединен с приводным электродвигателем 40 и подключен к шине ответственных потребителей 32 (33).
ЭЭУ работает следующим образом.
Турбины 2, 3, 4, 5, непосредственно сочлененные с главными синхронными генераторами 6, 7, 8, 9 и, соответственно, с навешенными (вспомогательными) генераторами 10, 11, 12, 13, работают с постоянной частотой вращения, при этом электроэнергия от главных синхронных генераторов 6, 7, 8, 9 поступает на главные шины 14, 15, а от навешенных генераторов 10, 11, 12, 13 - на дополнительные шины 16, 17. В результате этого через коммутационные аппараты 22 и полупроводниковые преобразователи электроэнергии (ППЭ) 24 гребные электродвигатели (ГЭД) 25, 26, 27 получают питание от главных шин 14, 15. Частота вращения гребных электродвигателей 25, 26, 27 задается системами управления 23 полупроводниковых преобразователей 24. Напряжения главных 6, 7, 8, 9 и навешенных генераторов 10, 11, 12, 13 устанавливаются известными системами возбуждения (на фиг. 1 отсутствуют и в заявке не рассматриваются). Общесудовые электропотребители стандартной частоты получают питание от дополнительных шин 16, 17, к которым также подключены шины ответственных потребителей 32, 33 через согласующие блоки 28, 29 и стабилизированные преобразователи электроэнергии 30, 31. При срабатывании аварийной защиты паропроизводящей установки 1 сигнал поступает в системы управления 23 ППЭ 24, коммутационные аппараты 22 цепей главного тока, при этом снимаются напряжения питания ГЭД 25, 26, 27, отключаются цепи питания ГЭД от главных распределительных шин 14, 15, а шины ответственных потребителей 32, 33 получают питание до включения аварийных и резервных дизель-генераторов (в заявке не рассматриваются) от дополнительных шин 16, 17 за счет энергии, накопленной в маховых массах роторов турбин, главных и навешенных генераторов, а также остатков пара паропроизводящей установки через согласующие блоки 28, 29 и стабилизированные преобразователи электроэнергии 30, 31. Указанный эффект может быть усилен введением дополнительных маховых масс, накопителей энергии, например маховиков, установленных на валах главных и навешенных генераторов (на фиг. 1 не показаны) по одной из известных конструкций (см. книгу Гулиа Н.В. Маковичные двигатели. М.: Машиностроение, 1976).
В экстремальных режимах (обеспечение максимального хода, при работе в тяжелых ледовых условиях и т.д.) мощность навешенных генераторов 10, 11 и 12, 13 передается на главные распределительные шины 14, 15, а затем и на гребные электродвигатели 25, 26, 27, включением ведомых инверторов 20, 21 и, соответственно, управляемых выпрямителей 18, 19. При этом ведомые инверторы 20, 21 работают в выпрямительном режиме, а управляемые выпрямители 18, 19 - в режиме ведомого инвертора. Аналогично осуществляется передача береговой электрической энергии к главным распределительным шинам 14, 15, при этом важно, чтобы один из главных генераторов включенный на шины, находился в работе.
Для передачи электрической энергии главных генераторов 6, 7 и 8, 9 при неработающих гребных электродвигателях 25, 26, 27, например, во время стоянки судна к береговым потребителям подключаются управляемые выпрямители 18, 19 и, соответственно, ведомые инверторы 20, 21, фидеры питания с берега 35, 36, при работающем навешенном генераторе на дополнительные шины 16, 17.
На частичных режимах работы ЭЭУ, когда один или несколько турбоагрегатов не работают, включается разъединитель 34, установленный между главными распределительными шинами.
В ЭЭУ судна могут применяться как ГЭД постоянного тока в многоякорном исполнении, так и ГЭД переменного тока - многоякорные или многообмоточные. В первом случае в качестве ППЭ используются управляемые выпрямители, во втором - полупроводниковые преобразователи частоты (например, непосредственный полупроводниковый преобразователь частоты, преобразователь частоты со звеном постоянного тока).
Согласующее устройство 37 работает следующим образом. В обычных эксплуатационных условиях напряжение от дополнительных шин 16 (17) через коммутационный аппарат 44 (коммутационные аппараты 43, 45 отключены) подается на приводной электродвигатель 40 синхронного генератора 41, от которого получают питание шины ответственных потребителей 32 (33). В случае срабатывания аварийной защиты, при котором напряжение и частота на главных шинах падает, сигнал поступает на коммутационные аппараты 43, 44, 45, при этом коммутационный аппарат 44 отключается, а коммутационные аппараты 43, 45 включаются. В этом режиме приводной электродвигатель 40 получает питание от дополнительных шин 16 (17) через полупроводниковый преобразователь 38. Датчик частоты вращения 42 осуществляет контроль частоты вращения синхронного генератора 41 и в случае отклонения от заданной частоты вращения воздействует на схему управления 39 управляемого полупроводникового преобразователя 38 и тем самым обеспечивает постоянную частоту вращения приводного электродвигателя 40, а следовательно, стабильные параметры на шинах ответственных потребителей 32(33) (напряжение поддерживается постоянным во всех режимах работы ЭЭУ системой возбуждения синхронного генератора 41, на фиг. 2 система не указана и в заявке не рассматривается) и высокое качество электрической энергии, т.к. искажения напряжения, возникающие на дополнительных шинах, не передаются на шины ответственных потребителей 32, 33.
В качестве приводного электродвигателя используется электрическая машина переменного тока (асинхронная или синхронная), а в качестве управляемого полупроводникового преобразователя - полупроводниковые преобразователи частоты, тиристорные пускатели и т.д.
Таким образом, в предлагаемой ЭЭУ повышается надежность и КПД гребных электродвигателей. В свою очередь, за счет улучшения качества напряжения на выходе полупроводникового преобразователя электроэнергии и обеспечения питанием общесудовых электропотребителей неискаженным напряжением от навешенных генераторов также увеличивается КПД и надежность установки в целом. Одновременно расширяются функциональные возможности ЭЭУ.
Кроме того, выполнение согласующего устройства в виде агрегата позволяет повысить надежность цепей питаний ответственных потребителей и их КПД, что весьма важно для судов с ядерными энергетическими установками.
Предлагаемая установка была разработана специалистами кафедры основ судовой электроэнергетики ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» в составе научно-исследовательской работы. Установка была апробирована в лабораторных условиях, результаты чего показали возможность использования ее на атомных ледоколах перспективной постройки. Предлагаемая ЭЭУ может быть применена как на многовальных, так и на одновальных судах.
Изложенное позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию «промышленная применимость».