СУДОВАЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
SHIP ELECTRIC POWER GENERATOR UNIT

Изобретение относится к судостроению, в частности к электроэнергетическим установкам судов с преобразователями частоты и гребными электродвигателями.
Аналогом является, например, судовая электроэнергетическая установка (пат. ЕР 1641098 от 2006.03.29), содержащая двигатели внутреннего сгорания или турбины, вращающие роторы генераторов переменного тока, трехфазные обмотки статора которых подключены к трехфазной линии главного распределительного щита, к линии главного распределительного щита подключены первичные обмотки трансформаторов, а к вторичным обмоткам трансформаторов подключены входы преобразователей частоты, к выходам которых подключены гребные электродвигатели переменного тока.
Наиболее близкая к предлагаемой судовой электроэнергетической установке - 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 и автономные инверторы напряжения, и гребные электродвигатели переменного тока с установленными на их валах винтами.
В данной судовой электроэнергетической установке гребные электродвигатели и все остальные судовые потребители электроэнергии получают электроэнергию от одной и той же электростанции, что повышает надежность электроснабжения и живучесть судна, а в составе преобразователей частоты используются 12-пульсные выпрямители, имеющие минимальные пульсации выходного напряжения, что приводит к снижению потерь в гребных электроприводах. Однако в прототипе гребные электроприводы, которые являются на судах с электродвижением основными потребителями электроэнергии (мощность гребных электроприводов может превышать суммарную мощность остальных судовых потребителей в несколько раз), питаются не напрямую от линии главного распределительного щита, а через трансформаторы, что снижает кпд судовой электроэнергетической установки и повышает ее стоимость, массу и габариты. В прототипе трансформаторы, установленные между линией главного распределительного щита и гребными электроприводами, имеют две вторичные обмотки, одна из которых соединена звездой, а вторая треугольником, и используются для того, чтобы получить на вторичных обмотках две системы трехфазных напряжений, смещенных на 30 электрических градусов, необходимых для работы 12-пульсных выпрямителей.
Предлагаемое изобретение позволит создать судовую электроэнергетическую установку с более высоким кпд, уменьшить ее стоимость, массу и габариты.
Это достигается тем, что в предлагаемой судовой электроэнергетической установке, содержащей 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, а также аварийный дизель-генератор, обмотка статора которого через автоматический выключатель подключена к линии питания аварийного распределительного щита, согласно изобретению на статоре каждого главного генератора размещаются две аналогичные трехфазные обмотки, линейные напряжения которых смещены на 30 электрических градусов, а 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.
Выполнение в судовой электроэнергетической установке главных генераторов судовой электростанции с двумя аналогичными трехфазными обмотками, линейные напряжения которых смещены на 30 электрических градусов, позволяет исключить трансформаторы, установленные в прототипе между линией питания главного распределительного щита и 12-пульсными выпрямителями преобразователей частоты, питающих гребные электродвигатели. Гребные электродвигатели являются на судах с электродвижением основными потребителями электроэнергии, и исключение на пути главного потока электроэнергии промежуточных преобразователей электроэнергии - трансформаторов, в целом повышает кпд, снижает массу и габариты судовой электроэнергетической установки.
На чертеже показана структурная схема предлагаемой судовой электроэнергетической установки.
В изображенной на чертеже структурной схеме судовой электроэнергетической установки выходной вал первого главного дизеля (или турбины) 1 соединен с ротором 2 синхронного генератора 3, на статоре которого находятся трехфазная обмотка 4 и трехфазная обмотка 5. Трехфазные обмотки 4 и 5 должны быть размещены на статоре синхронного генератора 3 так, чтобы линейные напряжения трехфазной обмотки 4 были смещены относительно линейных напряжений обмоток 5 на 30 электрических градусов. Выводы трехфазной обмотки 4 через автоматический выключатель 6 подключаются к трехфазной линии 7 главного распределительного щита 8, а выводы трехфазной обмотки 5 через автоматический выключатель 9 подключаются к трехфазной линии 10 главного распределительного щита 8. Выходной вал второго главного дизеля (или турбины) 11 соединен с ротором 12 второго синхронного генератора 13, на статоре которого находятся трехфазная обмотка 14 и трехфазная обмотка 15. Трехфазные обмотки 14 и 15 должны быть размещены на статоре синхронного генератора 13 так, чтобы линейные напряжения трехфазной обмотки 14 были смещены относительно линейных напряжений обмоток 15 на 30 электрических градусов. Выводы трехфазной обмотки 14 через автоматический выключатель 16 подключаются к трехфазной линии 17 главного распределительного щита 8, а выводы трехфазной обмотки 15 через автоматический выключатель 18 подключаются к трехфазной линии 19 главного распределительного щита 8. Трехфазная линия 7 и трехфазная линия 17 могут быть соединены автоматическим выключателем 20, а трехфазная линия 10 и трехфазная линия 19 могут быть соединены автоматическим выключателем 21.
К трехфазным линиям 7 и 10 с помощью автоматических выключателей соответственно 22 и 23 подключаются входы 12-пульсного выпрямителя 24, который входит в состав преобразователя частоты 25. Выпрямленное напряжение с выхода выпрямителя 24 подается на вход инвертора напряжения 26, к выходу которого подключен гребной электродвигатель 27, на валу которого установлен гребной винт 28.
К трехфазным линиям 17 и 19 с помощью автоматических выключателей соответственно 29 и 30 подключаются входы 12-пульсного выпрямителя 31, который входит в состав преобразователя частоты 32. Выпрямленное напряжение с выхода выпрямителя 31 подается на вход инвертора напряжения 33, к выходу которого подключен гребной электродвигатель 34, на валу которого установлен гребной винт 35.
К трехфазной линии 17 с помощью автоматического выключателя 36 подключается первичная обмотка трансформатора 37, соединенная звездой. Вторичная обмотка трансформатора 37, также соединенная звездой, с помощью автоматического выключателя 38 подключается к трехфазной линии 39 распределительного щита 40 судовых потребителей электроэнергии.
К трехфазной линии 19 с помощью автоматического выключателя 41 подключается первичная обмотка трансформатора 42, соединенная звездой. Вторичная обмотка трансформатора 42, соединенная треугольником, с помощью автоматического выключателя 43 подключается к трехфазной линии 39 распределительного щита 40.
Аварийный дизель 44 вращает ротор аварийного синхронного генератора 45. Трехфазная обмотка статора синхронного генератора 45 с помощью автоматического выключателя 46 подключается к трехфазной линии 47 аварийного распределительного щита 48, а трехфазная линия 47 с помощью автоматического выключателя 49 подключается к трехфазной линии 39 распределительного щита 40.
В состав судовой электроэнергетической установки входят также стояночный дизель 50, вращающий ротор стояночного генератора 51, который с помощью автоматического выключателя 52 подключается к трехфазной линии 39 распределительного щита 40. Автоматический выключатель 53 подключает к трехфазной линии 39 кабель 54, с помощью которого на судно подается питание с берега. Автоматические выключатели 55 подают питание от трехфазной линии 39 распределительного щита 40 на фидеры 56, питающие распределительные щиты судовых потребителей электроэнергии (не показаны на схеме).
Предлагаемая судовая электроэнергетическая установка работает следующим образом. После запуска главных дизелей 1 и 11 устройства регулирования напряжения и частоты синхронных генераторов 3 и 13 обеспечивают на выходе генераторов 3 и 13 номинальные напряжение и частоту. Затем автоматические выключатели 6 и 9 подключают обмотки 4 и 5 синхронного генератора 3 к линиям 7 и 10, а автоматические выключатели 16 и 18 подключают обмотки 14 и 15 синхронного генератора 13 к линиям 17 и 19 главного распределительного щита 8. Перед включением автоматических выключателей 20 и 21 производится синхронизация синхронных генераторов 3 и 13, при этом достаточно обеспечить условия синхронизации генераторов 3 и 13 только по напряжениям на одной паре трехфазных обмоток, например, 4 и 14, так как синхронизация напряжений на другой паре обмоток 5 и 15 также будет обеспечена, поскольку трехфазные обмотки 4, 14 и 5, 15 аналогичны, а линейные напряжения обмоток 5 и 15 смещены относительно линейных напряжений обмоток 4 и 14 на одинаковый угол 30 электрических градусов. После включения автоматических выключателей 20 и 21 трехфазные линии 7 и 17, и трехфазные линии 10 и 19 соединены и синхронные генераторы 3 и 13 будут работать параллельно.
При замыкании автоматических выключателей 22 и 23 к двум трехфазным линиям 7 и 10 подключаются входы 12-пульсного выпрямителя 24 преобразователя частоты 25. Выпрямленное напряжение с выхода выпрямителя 24 поступает на вход автономного инвертора 26, и с выхода инвертора 26 управляемое переменное напряжение подается на гребной электродвигатель 27, вращающий винт 28. Аналогичным образом будет работать вторая гребная установка: автоматические выключатели 29 и 30 подают питание на 12-пульсный выпрямитель 31 преобразователя частоты 32, с выхода выпрямителя 31 напряжение поступает на вход автономного инвертора 33, и с выхода инвертора 33 переменное напряжение подается на гребной электродвигатель 34, вращающий винт 35.
Для обеспечения электроэнергией остальных судовых потребителей к линии 17 главного распределительного щита 8 через автоматический выключатель 36 подключается первичная обмотка трансформатора 37, соединенная звездой. Вторичная обмотка трансформатора 37, также соединенная звездой через автоматический выключатель 38, подключается к трехфазной линии 39 распределительного щита 40 судовых потребителей. К линии 19 главного распределительного щита 8 через автоматический выключатель 41 подключается первичная обмотка трансформатора 42, соединенная звездой. Вторичная обмотка трансформатора 42 соединена треугольником и через автоматический выключатель 43 также подключается к трехфазной линии 39 распределительного щита 40 судовых потребителей. Различный способ соединения вторичных обмоток трансформаторов 37 и 42 - звезда и треугольник - позволяет получить на вторичных обмотках трансформаторов 37 и 42 напряжения, совпадающие по фазе, а величина напряжений на вторичных обмотках выравнивается за счет соответствующего выбора коэффициентов трансформации трансформаторов 37 и 42. Поэтому напряжения на вторичных обмотках трансформаторов 37 и 42 совпадают по частоте, амплитуде и фазе, что дает возможность подключить их к линии 39 параллельно.
В случае необходимости запускается дизель 44, вращающий ротор трехфазного аварийного генератора 45, обмотка статора которого через автоматический выключатель 46 подключается к трехфазной линии 47 аварийного распределительного щита 48. Линия 47 через автоматический выключатель 49 подключается к трехфазной линии 39 распределительного щита 40 судовых потребителей. В случае аварии аварийный генератор 45 обеспечивает питанием судовые потребители, а также может обеспечить через трансформаторы 37 и 42 электроэнергией гребные установки в частичных режимах.
На стоянке дизель 50 вращает ротор стояночного генератора 51, статор которого через автоматический выключатель 52 подключается к трехфазной линии 39 распределительного щита 40 судовых потребителей и обеспечивает электроэнергией судовые потребители. Через автоматический выключатель 53 к линии 39 подключается также кабель 54 питания с берега.
Распределительные щиты судовых потребителей через автоматические выключатели 55 и фидеры 56 подключаются к трехфазной линии 39 распределительного щита 40.
Таким образом, в предлагаемой судовой электроэнергетической установке питание основных потребителей электроэнергии гребных электроприводов обеспечивается напрямую от главных дизель-генераторов, без промежуточных трансформаторов, при этом применение синхронных генераторов с двумя трехфазными обмотками на статоре дает возможность использования в составе преобразователей частоты 12-пульсные выпрямители, что обеспечивает высокое качество выпрямленного напряжения на входе инвертора, также как в прототипе. Масса, габариты и стоимость синхронных генераторов с двумя трехфазными обмотками на статоре вместо одной практически одинаковы, так как для выполнения двух трехфазных обмоток вместо одной достаточно изменить схему соединения катушек фаз на статоре генераторов и предусмотреть дополнительные клеммы. Питание остальных судовых потребителей, имеющих меньшую суммарную мощность, чем гребные электроприводы, обеспечивается через трансформаторы. Различные способы включения вторичных обмоток трансформаторов (звезда и треугольник), первичные обмотки которых подключенны к трехфазным линиям, напряжения на которых смещены на 30 электрических градусов, обеспечивает совпадение по фазе напряжений на вторичных обмотках и их параллельное включение. При этом по величине напряжение на выходе синхронных генераторов, которое используется для питания гребных электроприводов, и стандартное напряжение на выходе вторичных обмоток трансформаторов, которое используется для питания остальных судовых потребителей (400 В, 50 Гц), могут быть различными. Это дает возможность применения синхронных генераторов и гребных электродвигателей с более высокими уровнями напряжений и меньшими токами, что позволяет снизить стоимость электрических машин. Исключение в предлагаемой судовой электроэнергетической установке в электрической цепи между синхронными генераторами и гребными электроприводами, являющимися главными потребителями электроэнергии, промежуточных преобразователей электроэнергии - трансформаторов, повышает кпд, снижает массу и габариты судовой электроэнергетической установки.