СУДОВАЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
SHIP ELECTRIC POWER GENERATOR

Изобретение относится к области судостроения, в частности к судовым электроэнергетическим установкам с преобразователями частоты и гребными электродвигателями. В качестве преобразователей используются различные схемы с неуправляемыми выпрямителями, обладающие высокими энергетическими показателями и надежностью.
Так известна аналогичная судовая электроэнергетическая установка (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 главные дизели, вращающие роторы главных трехфазных синхронных генераторов, выводы обмоток статоров которых подключены через автоматические выключатели к трехфазной линии питания главного распределительного щита. В состав известной судовой электроэнергетической установки входит также аварийный дизель-генератор, трехфазная обмотка статора которого через автоматический выключатель подключена к трехфазной линии аварийного распределительного щита, а линия аварийного распределительного щита через автоматический выключатель подключена к трехфазной линии главного распределительного щита, и стояночный дизель-генератор с трехфазной обмоткой статора через автоматический выключатель, также подключенной к трехфазной линии главного распределительного щита. К трехфазной линии главного распределительного щита подключены гребные электроприводы, состоящие из преобразователей частоты, включающих 12-пульсные выпрямители, автономные инверторы напряжения и гребные электродвигатели переменного тока с установленными на их валах винтами.
Однако в аналоге гребные электроприводы, которые являются на судах с электродвижением основными потребителями электроэнергии (мощность гребных электроприводов может превышать суммарную мощность остальных судовых потребителей), питаются не напрямую от линии главного распределительного щита, а через трансформаторы, что снижает КПД судовой электроэнергетической установки, повышает ее стоимость, массу и габариты.
Кроме того, эта установка имеет следующие недостатки:
- повышенный уровень гармоник в токе, потребляемом из сети;
- питание инверторов нестабилизированным выпрямленным напряжением и отсутствие возможности рекуперации электроэнергии в сеть судовых электропотребителей в маневровых режимах;
- электромеханическая компенсация реактивной мощности только при переводе стояночного генераторного агрегата судовой электростанции в режим компенсатора;
- отсутствия возможности симметрирования трехфазной системы питающих напряжений при различной загрузке фаз.
Известна судовая электроэнергетическая установка (патент №2436708, опубл. 20.12.2011, авторы: Васин И.М., Сеньков А.П., Паперж Ю.Е., Токарев Л.Н.), принятая за прототип, содержащая главные дизели или турбины и главные синхронные генераторы, обмотки статора которых через автоматические выключатели подключены к линии питания главного распределительного щита, преобразователи частоты, каждый из которых состоит из 12-пульсного выпрямителя и автономного инвертора, к выходу которого подключен гребной электродвигатель. В установку также входит аварийный дизель-генератор, обмотка статора которого через автоматический выключатель подключена к линии питания аварийного распределительного щита. На статоре каждого главного генератора размещаются две аналогичные трехфазные обмотки, линейные напряжения которых смещены на 30 электрических градусов. Главный распределительный щит имеет две трехфазные линии питания, к каждой из которых через автоматические выключатели подключены трехфазные обмотки статоров главных генераторов, линейные напряжения которых совпадают по фазе. К двум трехфазным линиям главного распределительного щита через автоматические выключатели подключены входы 12-пульсных выпрямителей, входящих в состав преобразователей частоты, питающих гребные электродвигатели. К каждой из двух трехфазных линий главного распределительного щита через автоматические выключатели подключены первичные обмотки двух трехфазных трансформаторов, соединенные звездой. При этом вторичная обмотка трансформатора, подключенного к первой трехфазной линии, соединена звездой, а вторичная обмотка второго трансформатора, подключенного ко второй линии, - треугольником. Вторичные обмотки обоих трехфазных трансформаторов через автоматические выключатели присоединены к трехфазной линии питания распределительного щита остальных судовых потребителей, к которой через автоматические выключатели подключена обмотка статора стояночного дизель-генератора, трехфазная линия распределительного щита аварийного дизель-генератора, а также фидеры и распределительные щиты отдельных судовых потребителей.
Недостатками данной установки являются:
- применения нестандартных многофазных генераторов с более сложной электромагнитной системой возбуждения, которая должна обеспечить равномерное регулирование магнитных потоков для равенства амплитуд напряжений в двух отдельных трехфазных систем, а также конструктивного обеспечения точности заданных фазовых сдвигов между обмотками, что вызывает дополнительное повышение пульсаций напряжения на выходе 12-пульсных выпрямителей, возникновение уравнительных токов при синхронной работе с другим аналогичным генератором;
- повышенный уровень гармоник в токе, потребляемом из сети;
- пониженная надежность, экономичность, повышенные габариты и масса за счет применения генераторов с двумя отдельными трехфазными системами выходных напряжений и комплектов оборудования к ним;
- питание инверторов нестабилизированным выпрямленным напряжением и отсутствие возможности рекуперации электроэнергии в сеть судовых электропотребителей в маневровых режимах;
- электромеханическая компенсация реактивной мощности потребителей только с помощью штатных генераторов судовой электростанции, переводимых в режим компенсаторов;
- отсутствия возможности симметрирования трехфазной системы питающих напряжений при различной загрузке фаз.
Задача, решаемая изобретением, - расширение арсенала средств и создание новой судовой электроэнергетической установки с улучшенными энергетическими характеристиками и расширенными функциональными возможностями. Достигаемый технический результат заключается в обеспечении возможности:
- повышения качества и эффективного использования электроэнергии на шинах питания от главных трехфазных генераторов с электромагнитным возбуждением за счет управляемого выпрямителя, обеспечивающего фильтрацию потребляемого тока, стабилизацию выходного напряжения и возможность рекуперации электроэнергии для использования судовыми потребителями;
- одновременного использования управляемого выпрямителя преобразователя частоты данной установки в качестве статического компенсатора реактивной мощности, в том числе и для симметрирования по модулю и фазе векторов напряжений в питающей сети при различной загрузке ее фаз.
Поставленная комплексная задача решается изменением функциональной схемы установки.
Заявляемая судовая электроэнергетическая установка содержит главный двигатель, соединенный с главным генератором, который через электрическую цепь, имеющую в своем составе первый автоматический выключатель, главные шины и преобразователь частоты, соединен с гребным электродвигателем, подсоединяемым к гребному винту. Установка также имеет в своем составе шины электропотребителей, соединенные через трансформатор с главными шинами, и дополнительный двигатель, соединенный с дополнительным генератором, который через второй автоматический выключатель подключен к шинам электропотребителей. От прототипа установка отличается тем, что в качестве главного генератора и дополнительного генератора использованы трехфазные генераторы с электромагнитным возбуждением, снабженные на выходе соответственно первым и вторым датчиками тока фаз. Установка также дополнительно имеет локальную систему управления, выполненную с обеспечением возможности подключения к системе управления верхнего уровня, которая не входит в состав заявляемого объекта, а находится за его пределами. Локальная система управления подсоединена к первому и второму датчикам тока фаз, а также к датчику напряжения, установленному на шинах электропотребителей. Преобразователь частоты выполнен управляемым обратимым и содержит последовательно соединенные управляемые выпрямитель и инвертор, каждый из которых снабжен собственным контроллером. В выходной силовой цепи выпрямителя и входной силовой цепи инвертора установлены датчики тока, каждый из которых связан с соответствующим информационным входом соответствующего контроллера. С силовым входом управляемого выпрямителя соединен дроссель, подсоединенный другим выводом к датчику напряжения фаз и третьему автоматическому выключателю, который своим другим выводом подключен к главным шинам. Датчик напряжения фаз связан с контроллером выпрямителя. В цепи между датчиком тока выходной силовой цепи выпрямителя и датчиком тока входной силовой цепи инвертора установлен конденсаторный накопитель звена постоянного тока, а также датчик постоянного напряжения, подключенный к обоим контроллерам. Оба контроллера также подсоединены к задатчику режимов, связанному с локальной системой управления.
На фигуре представлена схема установки, на которой введены следующие обозначения:
1 - главный двигатель, 2 - дополнительный двигатель, выполняющий функцию аварийного, резервного или стояночного, 3 - главный генератор, 4 - дополнительный генератор, 5 - первый автоматический выключатель, 6 - первый датчик тока фаз, 7 - главные шины, 8 - второй автоматический выключатель, 9 - второй датчик тока фаз, 10 - шины электропотребителей, 11 - третий автоматический выключатель, 12 - преобразователь частоты, обратимый и управляемый, 13 - гребной электродвигатель, 14 - винт фиксированного шага, 15 - четвертый автоматический выключатель, 16 - трансформатор, 17 - пятый автоматический выключатель, 18 - автоматические выключатели потребителей, 19 - управляемый выпрямитель, 20 - дроссель, 21 - первый датчик тока фаз преобразователя частоты, 22 - датчик напряжения фаз, 23 - первый датчик постоянного тока (датчик тока на выходе выпрямителя 19), 24 - конденсаторный накопитель звена постоянного тока, 25 - датчик постоянного напряжения, 26 - контроллер управляемого выпрямителя, 27 - второй датчик постоянного тока (датчик тока на входе инвертора), 28 - инвертор, 29 - второй датчик тока фаз преобразователя частоты, 30 - контроллер инвертора, 31 - задатчик режимов, 32- локальная система управления, 33 - датчик напряжения фаз, установленный на шинах электропотребителей, 34 - система управления верхнего уровня, 35 и 36 - межсекционные автоматические выключатели.
Судовая электроэнергетическая установка содержит главный двигатель 1 и дополнительный двигатель 2, каждый из которых механически соединен со своим соответственно главным электрическим генератором 3 и дополнительным электрическим генератором 4, которые выполнены трехфазными с электромагнитным возбуждением.
Главный генератор 3 через первый автоматический выключатель 5, первый датчик тока фаз 6 соединен с главными шинами 7. Дополнительный генератор 4 через второй автоматический выключатель 8, второй датчик тока фаз 9 соединен с шинами 10 электропотребителей.
Главные шины 7 через третий автоматический выключатель 11 соединен с силовым входом обратимого управляемого преобразователя частоты 12, силовой выход которого соединен с гребным электродвигателем 13, механически связанным с винтом 14 фиксированного шага.
Главные шины 7 через четвертый автоматический выключатель 15, понижающий трансформатор 16 и пятый автоматический выключатель 17 соединены с шинами 10 электропотребителей, к которым подключены судовые электропотребители через свои автоматические выключатели 18 (автоматические выключатели потребителей).
Обратимый преобразователь частоты 12 в своей структуре содержит: управляемый выпрямитель 19, к силовому входу которого через дроссель 20 подключен первый датчик тока фаз 21 преобразователя частоты, противоположные силовые зажимы которого являются входом преобразователя частоты 12, и к ним подключен датчик 22 напряжения фаз. Силовой выход управляемого выпрямителя 19 через первый датчик 23 постоянного тока подключен к конденсаторному накопителю 24 звена постоянного тока. Сюда же подключен и датчик постоянного напряжения 25 управляемого выпрямителя. Информационные цепи датчиков 21, 22, 23, 25 подключены к контроллеру 26 управляемого выпрямителя 19.
К конденсаторному накопителю 24 звена постоянного тока через второй датчик 27 постоянного тока подключен силовой вход инвертора 28, а силовой выход инвертора 28 через второй датчик тока фаз 29 преобразователя частоты (противоположные силовые зажимы которого являются выходом преобразователя частоты 12) - к обмоткам статора гребного электродвигателя 13. Вход управления инвертора 28 соединен с выходом своего контроллера 30, а входы последнего - с информационными цепями датчиков 25, 27 и 29.
Входы управления контроллеров 26 и 30 соединены с задатчиком режимов 31, который своим входом по интерфейсу соединен с локальной системой управления 32.
Информационные входы локальной системы управления 32 связаны с первым и вторым датчиками тока фаз 6 и 9, а также с датчиком напряжения фаз 33 на шинах электропотребителей.
Локальная система управления 32 связана по интерфейсу с системой управления 34 верхнего уровня.
Главные шины 7 и шины 10 электропотребителей с помощью межсекционных автоматических выключателей 35 и 36, а система управления 34 верхнего уровня - по интерфейсу, могут соединяться соответственно с главными шинами, шинными электропотребителей и локальными системами управления других аналогичных судовых электроэнергетических установок (при их наличии).
Судовая электроэнергетическая установка работает следующим образом.
По сигналу, поступающему на вход локальной системы управления 32 от системы управления 34 верхнего уровня, установка может быть переведена в
следующие основные режимы работы:
- режимы движения и торможения с компенсацией собственной реактивной мощности, генерируемой в главных шинах 7;
- режимы движения и торможения с компенсацией реактивной мощности, генерируемой на главных шинах 7 понижающим трансформатором 16 и судовыми электропотребителями;
- режим симметрирования по модулю и фазе напряжения на главных шинах 7.
В режиме движения и торможения с компенсацией собственной реактивной мощности, генерируемой в главных шинах 7, локальная система управления 32, через задатчик режимов 31, выдает сигналы задания в контроллеры 26 и 30 обратимого преобразователя частоты 12, которые переводят управляемый выпрямитель 19 в режим управляемого выпрямления напряжения, поступающего от главных шин 7 через включенный третий автоматический выключатель 11 и его стабилизации на конденсаторном накопителе 24 звена постоянного тока. Одновременно, инвертор 28 переводится в режим формирования трехфазной системы напряжений с амплитудой и частотой, определяемой контроллером 30 инвертора в соответствии с принципом векторного управления электроприводом.
Гребной электродвигатель 13 с винтом фиксированного шага приводятся во вращение с заданной системой управления 34 скоростью.
При этом управляемый выпрямитель 19 в режиме управляемого выпрямления обеспечивает предварительный заряд конденсаторного накопителя 24 и формирует ШИМ-напряжение, модулированное по синусоидальному закону, и с его помощью воспроизводит на зажимах дросселя 20 трехфазную систему векторов синусоидальных напряжений с заданным модулем и углом сдвига для каждой фазы, вращающейся синхронно с трехфазной системой векторов напряжений на главных шинах 7.
В выходной цепи управляемого выпрямителя 19, подключенной через первый датчик постоянного тока 23 к конденсаторному накопителю 24, нарастает ток под управлением контроллера 26. Датчик постоянного напряжения 25 передает сигнал обратной связи по напряжению на конденсаторном накопителе 24 для регулирования (стабилизации) контроллером 26 напряжения на заданном уровне.
Одновременно во входной цепи управляемого выпрямителя 19 нарастают фазные токи, амплитуды и фазы которых определяются векторной суммой напряжений на главных шинах 7 и ШИМ-напряжений, воспроизводимых управляемым выпрямителем 19 на своем входе.
Информация о значениях этих токов, измеряемых первым датчиком тока фаз 21 в каждой фазе и линейных напряжениях на главных шинах 7, через замкнутый третий автоматический выключатель 11, измеряемых датчиком напряжения фаз 22, представляется в контроллер 26.
В контроллере 26 по информации, поступающей с датчиков 21, 22, 23 и 25, вычисляются модули и фазовые углы векторов напряжений, которые необходимо воспроизвести на входе управляемого выпрямителя 19, чтобы, в результате сложения этих векторов с векторами напряжений на главных шинах 7, между вектором напряжения на главных шинах 7 и вектором тока управляемого выпрямителя 19, измеряемого датчиком тока фаз 21, был заданный угол сдвига. Для компенсации реактивной мощности на главных шинах 7 этот угол должен быть близким к нулю.
Постоянное напряжение конденсаторного накопителя 24 преобразуется под управлением контроллера 30, получающего информацию с датчиков 25, 27 и 29, инвертором 28 в ШИМ-напряжение для питания трехфазных обмоток статора гребного электродвигателя 13.
Перевод в режим торможения с компенсацией собственной реактивной мощности производится по сигналу от системы управления верхнего уровня 34. При этом инвертор 28 обеспечивает генераторный режим гребного электродвигателя 13, а управляемый выпрямитель 19 меняет направление тока на 180 электрических градусов, амплитудное значение которого задается с учетом уровня загрузки главного генератора 3, определяемого с помощью датчика тока фаз 6. В случае отсутствия включенных судовых потребителей, потребление энергии торможения реализуется традиционным способом - включением тормозных резисторов в звене постоянного тока преобразователя частоты (не показаны).
В режимах движения и торможения с компенсацией реактивной мощности, генерируемой на главных шинах 7 трансформатором 16 и судовыми потребителями, по заданию системы управления 34 верхнего уровня и сигналам датчиков, обрабатываемых локальной системой управления 32, управляемый выпрямитель 19 обеспечивает на главных шинах 7 импеданс, обеспечивающий заданный угол сдвига между векторами напряжения на главных шинах и входного тока обратимого преобразователя частоты 12.
При этом угол сдвига между векторами токов и напряжений в соответствующих фазах главного генератора 3, измеряемых датчиками 21 и 22, будет близким к нулю.
В стояночном, технологическом или аварийном режиме судна, его движение и питание судовых потребителей может осуществляться от дополнительного генератора 4 через включенные автоматические выключатели 8, 15, 17 и трансформатор 16 под контролем тока нагрузки генератора 4 вторым датчиком тока фаз 9.
Режим симметрирования по модулю и фазе векторов трехфазной системы напряжений на главных шинах 7 осуществляется по сигналам датчика 22 и формирования управляемым выпрямителем 19 компенсирующего воздействия под управлением контроллера 26. Этот режим может осуществляться по сигналу системы управления 34 верхнего уровня. Как описано выше, управляемый выпрямитель 19 с помощью ШИМ воспроизводит на зажимах дросселя 20 трехфазную систему векторов синусоидальных напряжений с заданным модулем и углом сдвига для каждой фазы, вращающуюся синхронно с трехфазной системой векторов напряжений на главных шинах 7. При этом векторы трехфазной системы напряжений выравниваются по модулю с обеспечением взаимного фазового сдвига в 120 электрических градусов.
Таким образом, применение в изобретении обратимого преобразователя с управляемым выпрямителем и обратными связями по току и напряжению позволяет судовой электроэнергетической установке работать как в двигательном, так и в тормозном режиме СЭД с обеспечением энергосбережения путем использования возвращаемой электроэнергии судовыми электропотребителями при управлении движением, а также и в аварийных, технологических и стояночных режимах. Кроме того, схема позволяет осуществлять стабилизацию напряжения в звене постоянного тока и повышать качество электроэнергии за счет компенсации статическим преобразователем реактивной мощности и симметрирования по модулю и фазе напряжения в судовой трехфазной сети при различных загрузках ее фаз, что, в свою очередь, повышает надежность и рабочий ресурс установки в целом, снижает шумы и вибрации электрооборудования.