СУДОВАЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
SHIP ELECTRIC POWER PLANT

Изобретение относится к судостроению, в частности к судовым электроэнергетическим установкам с валогенераторами.
В известных судовых электроэнергетических установках (СЭУ) с валогенераторами используются необратимые и обратимые полупроводниковые преобразователи частоты на полную мощность для передачи электроэнергии, например, от агрегата с тепловым двигателем и генератором - к гребному винту и от валогенератора с изменяющейся частотой вращения - к распределительному щиту электропотребителей, обладающие пониженной надежностью и высокой стоимостью.
Так известна судовая валогенераторная установка [Анисимов Я.Ф. Особенности применения полупроводниковых преобразователей в судовых электроустановках Л.: Судостроение, 1973, стр.85-88], содержащая главный двигатель, соединенный с валопроводом с гребным винтом и приводящий во вращение валогенератор, подключенный к шинам судовых электропотребителей через полупроводниковый преобразователь частоты. С шинами также соединен генераторный агрегат, содержащий синхронный генератор, приводимый во вращение через муфту вспомогательным двигателем или асинхронным двигателем, подключаемым к шинам судовых потребителей. К шинам могут быть подключены несколько таких агрегатов. Валогенератор и синхронный генератор снабжены системами самовозбуждения, а преобразователь - системой управления.
Эта установка имеет следующие недостатки:
- наличие полупроводникового преобразователя частоты на полную мощность для передачи электроэнергии на шины питания судовых электропотребителей;
- повышенный уровень гармонических составляющих на зажимах преобразователя частоты;
- повышенные стоимость, габариты и масса, низкая надежность и качество электроэнергии, вырабатываемой валогенераторной установкой с тиристорным преобразователем частоты для питания судовых электропотребителей;
- применение в качестве валогенератора коллекторной электрической машины с электромагнитным возбуждением;
- отсутствие возможности работы валогенераторной установки в двигательном режиме.
В качестве прототипа выбрана «Электроэнергетическая установка автономного подвижного объекта» [патент RU 2346850 опубл. 20.02.2009], которая содержит главный тепловой двигатель, редуктор, валогенератор переменного тока, полупроводниковый преобразователь частоты с главными распределительными шинами, вспомогательные тепловые двигатели, приводящие во вращение генераторы переменного тока, электродвигатель переменного тока, получающий питание от главных распределительных шин, соединенный с винтом фиксированного шага. Электродвигатель переменного тока соединен дополнительной электрической цепью и коммутационным аппаратом с выходом полупроводникового преобразователя частоты, выполненного на полностью управляемых силовых полупроводниковых приборах.
Недостатками данной установки являются:
- наличие полупроводникового преобразователя частоты на полную мощность для передачи энергии на гребной двигатель и винт, а также электроэнергии на шины питания судовых электропотребителей;
- пониженная надежность, повышенные габариты, масса и стоимость;
- повышенный уровень гармонических составляющих на зажимах преобразователя частоты.
Задача, решаемая изобретением - расширение арсенала средств и создание новой судовой электроэнергетической установки с улучшенными эксплуатационными характеристиками за счет исключения применения полупроводникового преобразователя частоты на полную мощность для передачи энергии на гребной двигатель и винт, а также электроэнергии на шины питания судовых электропотребителей.
Достигаемый технический результат заключается в обеспечении возможности:
- питания судовых электропотребителей непосредственно от валогенератора отдельно и совместно с генератором судовой электростанции при изменении частот вращения его теплового и гребного двигателей и возвратом электроэнергии на общие шины питания;
- работы валогенератора в двигательном режиме с постоянной номинальной частотой вращения и передачей механической энергии на винт через вариатор для вращения с переменной частотой при раздельной и совместной работе с его тепловым двигателем;
- снижения уровня гармонических составляющих на шинах питания судовых электропотребителей;
- повышения надежности и снижения массы и габаритов.
Поставленная задача решается изменением функциональной схемы установки.
Судовая электроэнергетическая установка содержит первый тепловой двигатель, снабженный блоком управления скоростью вращения. Выходной вал первого теплового двигателя через первую разъединительную муфту и первый вал соединен с вариатором. Вариатор вторым валом соединен с гребным винтом, а его первый и второй валы механически не связаны между собой. Вариатор содержит первую униполярную машину, механически соединенную с первым валом, вторую униполярную машину, механически соединенную со вторым валом, а также третью униполярную машину с ротором, закрепленным на третьем валу. Третий вал выполнен полым и установлен через вторую разъединительную муфту на опоре вращения коасиально первому валу. В качестве опоры вращения полого вала могут быть применены подшипники и/или электромагнитный подвес. Все три униполярные машины электрически соединены между собой. Установка также содержит шины питания электропотребителей и валогенератор с пусковым устройством, а также систему управления, которая может быть соединена по интерфейсу с системой управления верхнего уровня При этом ротор валогенератора также закреплен на третьем валу. Выводы фаз валогенератора через первый датчик тока фаз соединены с первым датчиком напряжения фаз и через первый автоматический выключатель подключены к шинам питания электропотребителей, а также к силовому выходу пускового устройства. Силовой вход пускового устройства через второй автоматический выключатель соединен с шинами питания электропотребителей. С шинами питания электропотребителей также соединен второй датчик напряжения фаз, с которыми соединен через третий автоматический выключатель и второй датчик тока фаз генератор. Генератор механически соединен со вторым тепловым двигателем. На всех трех валах установлены датчики скорости вращения, соединенные с системой управления. С системой управления также соединены управляющий вход пускового устройства, возбудитель валогенератора, обмотки возбуждения униполярных машин, а также входы управления разъединительными муфтами, автоматическими выключателями и блоком управления скоростью вращения первого теплового двигателя.
На Фигуре представлена схема судовой электроэнергетической установки, где введены следующие обозначения: 1 - первый тепловой двигатель, 2 - выходной вал первого теплового двигателя, 3 - первая разъединительная муфта, 4 - первый вал, 5 -датчик скорости вращения первого вала, 6 - электродинамический вариатор, 7 - первая униполярная машина, 8 - шины соединений выводов униполярных машин, 9 - вторая униполярная машина, 10 - второй вал, 11 - датчик скорости вращения второго вала, 12 - гребной винт фиксированного шага, 13 - опора вращения - подшипники и/или электромагнитный подвес, 14 - третий (полый) вал, 15 - третья униполярная машина 16 - ротор третьей униполярной машины, 17 - валогенератор, 18 - ротор валогенератора, 19 - вторая разъединительная муфта, 20 - датчик скорости вращения третьего (полого) вала, 21 - возбудитель валогенератора, 22 - обмотки возбуждения униполярных машин, 23 - блок управления скоростью вращения первого теплового двигателя, 24 - система управления, 25 - система управления верхнего уровня, 26 - первый датчик тока фаз, 27 - первый датчик напряжения фаз, 28 - первый автоматический выключатель, 29 - шины питания электропотребителей, 30 - электропотребители, 31 - пусковое устройство валогенератора, 32 - второй автоматический выключатель, 33 - второй датчик напряжения фаз, 34 - третий автоматический выключатель, 35 - второй датчик тока фаз, 36 -генератор, 37 - второй тепловой двигатель.
Судовая электроэнергетическая установка содержит первый тепловой двигатель 1, выходной вал 2 которого через разъединительную муфту 3 соединен с первым валом 4, который, в свою очередь, механически соединен с вариатором 6, а конкретно с входящей в его состав первой униполярной машиной 7. Таким образом, первый тепловой двигатель 1 и униполярная машина 7 вариатора 6 при замыкании муфты 3 могут быть механически соединены. В состав вариатора 6 также входит вторая униполярная машина 9, установленная на втором валу 10, на котором также установлен и механически закреплен гребной винт 12 фиксированного шага. На валах 4 и 10 установлены первый и второй датчики скорости вращения 5 и 11 соответственно. Валы 4 и 10 механически не связаны между собой. Токовые выводы первой униполярной машины 7 с помощью шин 8 соединены с токовыми выводами второй униполярной машины 9. На первом валу 4 с помощью подшипников 13 и/или электромагнитного подвеса коаксиально установлен третий (полый) вал 14, механически соединенный с ротором 16 третьей униполярной машины 15 вариатора и с ротором 18 валогенератора 17. Валы 4 и 14 могут быть механически соединены с помощью второй разъединительной муфты 19. На валу 14 установлен датчик 20 скорости вращения третьего (полого) вала. Валогенератор 17 может быть выполнен в виде безколлекторной обратимой синхронной машины со встроенным возбудителем 21 в единой конструкции с вариатором 6. Токовые выводы третьей униполярной машины 15 также с помощью шин 8 соединены с соответствующими токовыми выводами первой и второй униполярных машин 7 и 9. Обмотки возбуждения 22 униполярных машин 7, 9, 15, возбудитель 21 валогенератора, а также выходы датчиков 5, 11, 20 и блок управления 23 скоростью вращения первого теплового двигателя 1 соединены с системой управления 24. Система управления 24 по интерфейсу связана с системой управления 25 верхнего уровня. Выводы фаз валогенератора 17 соединены через первый датчик 26 тока фаз с первым датчиком 27 напряжения фаз и через первый автоматический выключатель 28 подключены к шинам 29 питания электропотребителей, а также к силовому выходу пускового устройства 31. Силовой вход пускового устройства 31 соединен с шинами 29 питания электропотребителей через второй автоматический выключатель 32. Шины 29 питания электропотребителей также соединены со вторым датчиком 33 напряжения фаз и через третий автоматический выключатель 34, второй датчик 35 тока фаз - с генератором 36, который механически соединен со вторым тепловым двигателем 37. Сигнальные цепи датчиков 27 и 33 напряжения фаз, 26 и 35 тока фаз, выводы управления пусковьм устройством 31, автоматическими выключателями 28, 32 и 34, разъединительными муфтами 3 и 19 подключены к системе управления 24.
Судовая электроэнергетическая установка работает следующим образом. По сигналу, поступающему на вход системы управления 24 от системы управления 25 верхнего уровня, установка может быть переведена в следующие основные режимы работы:
- обеспечение режимов движения судна с непосредственной передачей электроэнергии от валогенератора на шины питания электропотребителей;
- обеспечение режимов движения судна при работе валогенератора в двигательном режиме с потреблением электроэнергии от шин питания судовых электропотребителей.
Обеспечение режимов движения судна с непосредственной передачей электроэнергии от валогенератора на шины питания электропотребителей осуществляется следующим образом.
В исходном состоянии третий автоматический выключатель 34 включен, генератор 36, приводимый во вращение вторым тепловым двигателем 37, обеспечивает электроэнергией шины 29 питания электропотребителей. Автоматические выключатели 28 и 32 отключены, первая разъединительная муфта 3 соединена, а вторая разъединительная муфта 19 - разъединена.
Обеспечение режима движения судна с подачей электроэнергии от валогенератора 17 на шины питания 29 электропотребителей осуществляется следующим образом.
По сигналам системы управления 25 верхнего уровня, поступающим на систему управления 24, блок управления 23 задает скорость вращения первому тепловому двигателю 1, которая контролируется с помощью датчика 5 скорости вращения системой управления 24. При увеличении тока в обмотках возбуждения на токовых выводах любой униполярной машины нарастает ЭДС постоянного тока, величина которой зависит от скорости вращения ротора. Генераторный режим униполярной машины обеспечивается при условии превышении ЭДС встречно приложенного напряжения на ее зажимах. При превышении напряжения, приложенного извне над ЭДС, генерируемой машиной, возникает двигательный режим. При этом ток униполярной машины определяется разностью этого напряжения и ЭДС, а также суммой внешнего и внутреннего сопротивлений замкнутой цепи. Изменение направления тока возбуждения униполярных машин изменяет направление их вращения.
После разгона первого теплового двигателя 1 обмотки возбуждения 22 униполярной машины 7 для работы в генераторном режиме и униполярной машины 9 для работы в двигательном режиме получают токи питания обмоток возбуждения, заданные системой управления 24 по величине и направлению. Ток униполярной машины (генератора) 7 поступает на выводы униполярной машины (двигателя) 9 по шинам 8. Униполярная машина (двигатель) 9 приводится во вращение с заданной системой управления 24 скоростью, контролируемой через датчик 11. Изменение величины тока возбуждения изменяет величину электрической мощности на выходных зажимах униполярной машины (генератора) 7 и механической мощности вращения на валу 10 униполярной машины (двигателя) 9.
Для принятия нагрузки валогенератором 17 система управления 24 выполняет следующие функции:
- изменением тока возбуждения переводит третью униполярную машину 15 в двигательный режим и увеличивает скорость ее вращения;
- сигналом управления возбудителем 21 задает ток возбуждения валогенератора 17;
- контролируя сигналы первого и второго датчиков 27 и 33 напряжения фаз, обеспечивает условия синхронизации по частоте, амплитуде и фазе выходного напряжения валогенератора 17 и напряжения на шинах 29 питания судовых электропотребителей;
- подает сигнал на замыкание автоматического выключателя 28;
- повышает возбуждение и обеспечивает принятие валогенератором 17 заданной нагрузки.
Изменяя возбуждение валогенератора 17, система управления 24 обеспечивает передачу электрической мощности на шины 29 питания судовых электропотребителей.
При необходимости останова второго теплового двигателя 37 и генератора 36 при отключении третьего автоматического выключателя 34 питание электропотребителей 30 будет осуществляться с шин 29 от валогенератора 17.
При необходимости уменьшения скорости вращения гребного винта 12 уменьшается ток возбуждения первой униполярной машины 7, ее нагрузка уменьшается, униполярный машина (двигатель) 9 переходит в генераторный режим и энергия торможения через третью униполярную машину 15 и валогенератор 17 поступает на шины 29 питания судовых электропотребителей 30. При этом уменьшается и ток возбуждения униполярной машины 9. Для работы на минимальных скоростях вращения гребного винта 12 по сигналу системы управления 24, поступающему в блок управления 23, частота вращения выходного вала 2 первого теплового двигателя 1 может быть понижена. Для поддержания нагрузочного режима и синхронизации с сетью валогенератора 17 при снижении скорости вращения гребного винта 12 система управления 24, контролируя показания датчика 20 скорости вращения, регулированием тока возбуждения третьей униполярной машины 15 поддерживает частоту вращения, а по показаниям датчиков 26 и 27 тока и напряжения фаз - частоту, амплитуду, фазу выходного напряжения и выходную мощность валогенератора 17.
Обеспечение режима движения судна при работе валогенератора в двигательном режиме с потреблением электроэнергии от шин питания судовых электропотребителей осуществляется следующим образом.
В исходном состоянии первый тепловой двигатель 1 может быть остановлен.
При этом система управления 24 подает сигналы:
- на разъединение муфтой 3 выходного вала 2 первого теплового двигателя и первого вала 4;
- на соединение муфтой 19 полого вала 14 с первым валом 4;
- задания тока возбуждения для возбудителя 21 валогенератора 17;
- на включение второго автоматического выключателя 32 для питания пускового устройства 31 валогенератора;
- управления пусковым устройством 31 при контроле показаний датчика 20 скорости вращения для обеспечения плавного пуска и повышения частоты вращения для синхронизации валогенератора 17 с напряжением на шинах 29, получаемым от генератора 36 через включенный третий автоматический выключатель 34;
- на отключение второго автоматического выключателя 32 и включения первого автоматического выключателя 28 для прямого подключения валогенератора 17 к шинам 29 питания электропотребителей при условии достижения синхронной скорости вращения валогенератора 17 и обеспечения синхронизации;
- на возбудитель 21 - для управления током возбуждения при переводе валогенератора 17 в двигательный режим.
Ротор 18 валогенератора 17 приводит во вращение полый вал 14, ротор 16 третьей униполярной машины 15 и через соединенную муфту 3 - вал 4 и ротор первой униполярной машины 7. Униполярные машины 7 и 15 получают токи возбуждения от системы управления 24 и переводятся в генераторный режим для параллельной работы на шины 8, питающие униполярную машину 9. Машина 9 также получает ток возбуждения от системы управления 24, переводится в двигательный режим и приводит во вращение гребной винт 12 с частотой вращения, контролируемой датчиком 11. Частота вращения гребного винта 12 задается системой управления 25 верхнего уровня, сигнал которой поступает в систему управления 24 по интерфейсу.
Для передачи дополнительной мощности к гребному винту возможен режим совместной работы первого теплового двигателя 1 и валогенератора 17, работающего в двигательном режиме, при замкнутой муфте 3 и разомкнутой муфте 19. При этом ротор первой униполярной машины 7 приводится во вращение первым тепловым двигателем 1 с произвольной частотой вращения, а машина 7 согласно сигналам системы управления 24 поддерживается в генераторном режиме и работает параллельно с третьей униполярной машиной 15 на общую нагрузку - униполярный машину (двигатель) 9. Мощность, получаемая от первого теплового двигателя 1, и мощность, отбираемая валогенератором 17 от генератора 36, приводимого во вращение вторым тепловым двигателем 37, суммируются, что приводит к повышению частоты вращения и усилия упора гребного винта 12.
Таким образом, применение в изобретении электродинамического вариатора на базе униполярных электрических машин для передачи энергии с вала главного теплового двигателя на гребной винт и через валогенератор на шины питания электропотребителей позволяет исключить применение широтно-импульсных преобразователей частоты, рассчитываемых на полную мощность, что в свою очередь позволяет повысить надежность судовой электроэнергетической установки, снизить уровень электромагнитных помех при преобразовании энергии, массу и габариты. Кроме того, это позволяет обеспечить возможность работы установки в расширенном диапазоне частот вращения первого теплового двигателя с питанием электропотребителей электроэнергией от валогенератора, в том числе и при рекуперации электроэнергии на шины питания электропотребителей при торможении гребного винта.