СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ГРЕБНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА И ГРЕБНОЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF PROPELLER ELECTRIC DRIVE VOLTAGE CONVERSION AND PROPELLER ELECTRIC DRIVE TO THIS END

Изобретение относится к области техники, включающей в себя судовые электроэнергетические установки и электроэнергетические системы судов. Конкретно изобретение относится к гребным электроприводам, к управлению процессами и построению систем электродвижения современных судов.
Уровень техники определяется тем, что разработка выполнена на основе современных достижений в технологиях изготовления мощных электронных приборов для силовых цепей генерирования, преобразования и распределения электроэнергии, управления технологическими потребителями электрической энергии. Использованы коммутационные возможности современных электронных приборов (тиристоры IGCT, транзисторы IGBT), возможности обработки информации современной компьютерной техникой, применения более совершенных алгоритмов управления, регулирования процессов в мощных технологических потребителях электроэнергии, в ряду которых стоят и гребные электроприводы. Это позволяет высоко оценить уровень применяемой техники.
Известно изобретение «Marine propulsion system with reduced on-board network distortion factor» патент WO 02/100716 A1. Эта морская пропульсивная система со сниженным коэффициентом нелинейных искажений бортовой сети относится к кругу задач гребного электропривода, что подтверждает актуальность решения задач гребного электропривода.
Известен рекуперативный транзисторный бездатчиковый частотно-регулируемый электропривод экскаватора ЭКГ-5 - разработки и производства ЗАО «ЭРАСИБ» (аналог). Электропривод предназначен для замены пяти главных электроприводов постоянного тока экскаватора ЭКГ-5 (подъема, напора, вращения платформы, гусеничного хода и открывания днища ковша) на регулируемый электропривод переменного тока с асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором без датчиков скорости и положения вала электродвигателей. В электроприводе сетевой транзисторный выпрямитель он же инвертор напряжения в режиме рекуперации управляется по закону синусоидальной широтно-импульсной модуляции и обеспечивает преобразование переменного напряжения питающей сети в постоянное напряжение, свободный обмен активной мощностью между сетью переменного и постоянного тока, поддержание синусоидальной формы тока и заданного коэффициента мощности на входе установки. Высокочастотные составляющие напряжения и тока рекуператора не пропускаются в питающую сеть синусным LC-фильтром. Мощность рекуператора выбрана равной 300 кВт по условию одновременной работы электродвигателей подъема и тяги, а также одновременного рекуперативного торможения электродвигателя подъема и двух электродвигателей поворота. К достоинствам привода можно отнести современные методы управления, реализации, элементную базу. Требования к работе привода экскаватора частично согласуются с требованиями к гребному электроприводу. Похожи условия ограничений по мощности и соответствию сетей питания и сети потребителя. Мощность одного гребного двигателя иногда сопоставима с мощностью ЭЭС судна в целом, что подлежит учету.
Известна гребная электрическая установка - патент РФ №2392180 (аналог). Изобретение относится к судовым двигательно-движительным установкам. Электрическая гребная установка содержит источник электропитания постоянного тока, гребной электродвигатель, редуктор, три управляемые разъединительные муфты, систему управления. Источник электропитания соединен с гребным электродвигателем переменного тока через статический преобразователь параметров электроэнергии. Вход системы управления подключен к задатчику частоты вращения вала гребного винта, а ее выходы подключены к статическому преобразователю параметров электроэнергии и к управляемым разъединительным муфтам. Во втором варианте исполнения в качестве гребного электродвигателя применен электродвигатель постоянного тока. Достоинства предложения снижаются при реализации электропривода на постоянном токе, а также из-за наличия механического редуктора. В известной электроустановке не вполне решены вопросы работы гребного электропривода в условиях ограниченной мощности единой ЭЭС.
Известны преобразователи частоты ОАО «Завод ЭЛЕКТРОПУЛЬТ» (Санкт-Петербург). В преобразователях (прототип) применены современные схемные решения и комплектующие элементы. Такие преобразователи частоты могут быть положены в основу судовых гребных электроприводов при реализации конкретных требований к практическим задачам проектируемого судна.
Недостатки прототипа применительно к судовому электроприводу определяются дополнительно особенностями современных судовых электроэнергетических систем. Это сопоставимость мощности судовой электростанции и мощности гребного электропривода, что необходимо учитывать при построении гребных электроприводов в составе единых судовых ЭЭС, обеспечивать их совместную работу особенно в переходных режимах.
Предложено следующее техническое решение.
1. Способ преобразования напряжений гребного электропривода, основанный на последовательном согласовании напряжения питания, выпрямлении согласованного и инвертировании выпрямленного напряжений, отличающийся тем, что задают допустимые значения напряжений, токов и скоростей их изменения, преобразуют напряжение питания до начала его подключения, подключают преобразуемое уменьшенное до допустимого значения напряжение питания, управляют увеличением напряжения питания, измеряют преобразуемые напряжения и токи фаз, вычисляют скорости их изменения как производные напряжений и токов по времени, регулируют скорости этих изменений по результатам выполненных измерений и вычислений и в соответствии с заданными допустимыми значениями напряжений, токов и скоростей их изменения, отключают преобразование напряжения питания при достижении им заданного значения, инвертируют выпрямленное напряжение и управляют гребным электроприводом в соответствии с заложенным алгоритмом.
2. Гребной электропривод, содержащий источник напряжения, согласующий трансформатор, преобразователь частоты со звеном постоянного тока и с инвертором, гребной электродвигатель и блок управления преобразователем частоты, отличающийся тем, что он снабжен преобразователем напряжения, содержащим силовой блок с тиристорами (или транзисторами), датчиками напряжений, датчиками фазных токов и контроллер, вход силового блока соединен с источником напряжения, выход силового блока соединен с входом согласующего трансформатора, входы датчиков напряжений и датчиков токов соединены с выходами силового блока, выходы датчиков напряжений и датчиков токов соединены с входами контроллера, другие входы которого соединены с выходами блока управления преобразователем частоты, выходы контроллера соединены с управляющими входами тиристоров силового блока.
Сформулированы отличительные признаки способа преобразования напряжений в электроприводе и признаки гребного электропривода для реализации предложенного способа. В признаках предлагаемого решения по способу преобразования напряжений «… задают допустимые значения напряжений, токов и скоростей их изменения, преобразуют напряжение питания до начала его подключения, подключают преобразуемое уменьшенное до допустимого значения напряжение питания …» сформулированы действия, которые обеспечивают исключение недопустимого прямого подключения мощного электропривода к сопоставимому по мощности источнику судового напряжения. Для автономных, в том числе гребных электроприводов решение задач подключения питающего напряжения имеет важное самостоятельное значение. Современные мощности гребных электроприводов составляют десятки мегаватт. Потребности роста мощностей и напряжений не исчерпаны. Поэтому решение задач подключения автономных электроприводов актуально.
В признаках «… управляют увеличением напряжения питания измеряют преобразуемые напряжения и токи фаз, вычисляют скорости их изменения как производные напряжений и токов по времени, регулируют скорости этих изменений по результатам выполненных измерений и вычислений и в соответствии с заданными допустимыми значениями напряжений, токов и скоростей их изменения, …» сформулированы и решены задачи устранения недостатков прототипа, предложены и решены аппаратурно технические процедуры подключения мощного гребного электропривода, что является основой разработки конкретных судовых высоковольтных гребных электроприводов при питании от источников напряжения сопоставимой мощности в составе единых ЭЭС. Прямое включение электропривода приводит к негативным последствиям не только непосредственно в судовом электроприводе, но также и в судовой единой ЭЭС вплоть до несанкционированного отключения важных потребителей ЭЭС. Реализация сформулированных признаков обеспечивает управление гребным электроприводом в заданных допустимых значениях напряжений, токов и скоростей их изменения. Кроме того заданные ограничения при регулировании обеспечивают нормальную работу судового автономного источника питания электропривода.
В признаках предлагаемого решения «… отключают преобразование напряжения питания при достижении им заданного значения, инвертируют выпрямленное напряжение и управляют гребным электроприводом в соответствии с заложенным алгоритмом …» сформулирована важная возможность использовать отработанные в аналогах и прототипе алгоритмы управления преобразователем частоты гребного электропривода.
В признаках предлагаемого решения по гребному электроприводу «… снабжен преобразователем напряжения, содержащим силовой блок с тиристорами (транзисторами), датчиками напряжений, датчиками фазных токов и контроллер, вход силового блока соединен с источником напряжения, выход силового блока соединен с входом согласующего трансформатора, …» реализован сформулированный способ преобразования напряжений. В заявляемый электропривод введены конкретные блоки и связи между блоками, обеспечивающие аппаратурное воплощение сформулированных технологических последовательностей.
В признаках предлагаемого решения по гребному электроприводу
«… входы датчиков напряжений и датчиков токов соединены с выходами силового блока, выходы датчиков напряжений и датчиков токов соединены с одним входом контроллера, другой вход которого соединен с выходом блока управления преобразователем частоты, выходы контроллера соединены с управляющими входами тиристоров (транзисторов) силового блока …» реализованы аппаратура, последовательность действий и связи между блоками аппаратуры в соответствии со способом преобразования напряжений гребного электропривода.
Таким образом предложенный способ преобразования напряжений и гребной электропривод по предложенному способу соответствуют критерию «новизна», так как имеют отличительные признаки от прототипа, новые конструктивные элементы, новые связи между элементами. Приведенные свойства не совпадают со свойствами, являющимися отличительными признаками в известных технических решениях, и не являются суммой их свойств, что позволяет считать заявляемое техническое решение соответствующим критерию «существенные отличия».
Сущность изобретения поясняется примерами его реализации по схеме на фигуре.
Гребной электропривод содержит согласующий трансформатор 1, преобразователь частоты 2 со звеном постоянного тока 3 и инвертором 4, гребной электродвигатель 5 и блок управления 6 электроприводом. Электропривод снабжен преобразователем 7 напряжения питания, содержащим силовой блок 8 с первой 9, второй 10 и третьей 11 парами тиристоров (транзисторов) управления напряжением, первый 12 и второй 13 датчики напряжений, а также первый 14 и второй 15 датчики токов фаз силового блока. Преобразователь 7 содержит контроллер 16. Звено постоянного тока 3 содержит датчик напряжения 17 и фильтрующий конденсатор 18. Вход силового тиристорного блока 8 соединен с выходом фаз источника питания, а выход силового тиристорного (транзисторного) блока 8 соединен с входом согласующего трансформатора 1. Входы датчиков напряжений 12, 13 и датчиков токов 14, 15 соединены с фазами выходов силового блока 8, выходы датчиков напряжений 12, 13 и датчиков токов 14, 15 соединены с входами контроллера 16. Другие входы контроллера 16 соединены с выходами блока управления 6 электроприводом. Выходы контроллера 16 соединены с управляющими входами тиристоров 9, 10, 11 силового блока 8. Вход датчика напряжения 17 подключен к выходу звена постоянного тока параллельно с конденсатором 18 фильтра выпрямителя 3 преобразователя частоты 2. Выход датчика напряжения 17 информационно соединен с входом блока управления 6 и через него с входом контроллера 16.
Гребной электропривод по способу пункта 1 формулы изобретения работает следующим образом.
На первом этапе задают в памяти контроллера 16 допустимые значения напряжений, токов и скоростей их изменения с учетом особенностей электропривода и режимов его работы. Контроллер 16 ставит программу и обеспечивает управление силовым блоком 8 для уменьшения до заданного допустимого значения напряжения питания на выходе преобразователя напряжения питания до начала его подключения. После подключения уменьшенного преобразуемого напряжения контроллер 16 управляет увеличением напряжения на выходе силового блока 8. Для регулируемого управления измеряют преобразуемые напряжения и токи фаз, вычисляют в контроллере 16 скорости их изменения как производные напряжений и токов по времени. По результатам выполненных измерений и вычислений, в соответствии с заданными допустимыми значениями напряжений, токов и скоростей их изменения, регулируют эти изменения в процессе увеличения напряжения питания по программе управления, заложенной в контроллере 16. Контроллер 16 и блок управления электроприводом 6 контролируют выпрямляемое напряжение по данным датчика напряжения 17. При достижении заданного значения выпрямленного напряжения по команде контроллера 16 прекращают повышение напряжения питания в силовом блоке 8, отключают силовой блок (на схеме не показано) и начинают инвертировать выпрямленное напряжение по команде блока управления преобразователем 6. Переходят на работу электропривода от сетевого напряжения и управляют гребным электроприводом в соответствии с заложенным алгоритмом блока управления 6 электроприводом. При этом согласующий трансформатор 1 согласовывает напряжение питания и напряжение электропривода. Звено постоянного тока 3 преобразователя частоты 2 выпрямляет согласованное напряжение питания. Инвертор 4 преобразователя частоты 2 по командам бока управления 6 электроприводом обеспечивает управление гребным электродвигателем 5. Сохраняется возможность варьировать по желанию заказчика электропривода набором функций, реализуемых блоком управления электроприводом. Это могут быть например прямое частотное управление, ПИД - регулирование, плавный пуск и останов двигателя, автоматическое управление частотой и напряжением на выходе, автоматическое поддержание величины технологического параметра (скорости, температуры, и т.п.), а также автоматическое повторное включение с выходом на заданный режим после отключения, вызванного аварией питающей сети или недопустимой перегрузкой преобразователя, возможность настройки пользователем характеристики U/f и так далее.
Таким образом предлагаемый гребной электропривод сохраняет возможности, которыми обладает прототип - двухтрансформаторный преобразователь частоты и отличается тем, что он исключает недостатки прямого включения гребного электропривода на напряжение судовой ЭЭС при подключении питания.