УСТРОЙСТВО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ РЕЧНОГО ТРАМВАЯ С ЭЛЕКТРОДВИЖЕНИЕМ

Полезная модель относится к судостроению и может быть использована Министерством обороны при проведении боевых действий для перевозки военнослужащих с одного берега на другой на внутренних водных путях, а также в случае отсутствия заправочных станций на рабочем объекте.
Известен патент 2136515, Россия, МПК B60L 9/00. Способ питания электротранспортных средств и устройство для его осуществления/ Стребков Д.С.; Авраменко С.В.; Некрасов А.И. Опубл. 1999.09.10 [1].
Изобретение предназначено для использования при реализации электропитания электромобилей, электропогрузчиков, трамваев, троллейбусов и других транспортных средств с электрической тягой и резиновыми колесами. Электрическую энергию подают на монополярный электростатический генератор электрических зарядов, а полученные в генераторе заряды перемещают через контактную однопроводную сеть и токоприемники к каждому электротранспортному средству и осуществляют обратное преобразование энергии электрического поля свободных зарядов в электрическую энергию переменного тока. В устройстве питания электротранспортных средств между высокочастотным преобразователем и контактной сетью установлен монополярный электростатический генератор электрических зарядов. Данное техническое решение предопределяет высокую эксплуатационную надежность электроснабжения и малые потери мощности, а также позволяет получить повышенную маневренность электротранспортного средства при многорядном движении.
Основным недостатком данного патента является то, что это устройство предназначено преимущественно для наземных транспортных средств.
Известен также патент РФ 2369519, МПК, В63Н 21/17. Электрическое моторное судно с охлаждением окружающей водой/ Гриммайзен Юрген (DE), опубл. 10.10.2009 [2].
Судно имеет проходящий через корпус судна проточный канал. В корпусе судна расположен электромотор и батареи, а также прибор для управления электромотором и гребной винт, которые по меньшей мере на отдельных участках размещены в проточном канале. При этом батареи размещены в водонепроницаемом кожухе и по меньшей мере на отдельных участках находятся в теплопроводном контакте с кожухом, по меньшей мере частично состоящим из теплопроводного материала. Электромотор выполнен в виде двигателя с внутренним ротором. Статор с помощью теплопроводящего узла находится в теплопроводном контакте с приемным корпусом электромотора. При этом приемный корпус, по меньшей мере частично сопряженный с теплопроводящим узлом, состоит из теплопроводного материала и по меньшей мере частично расположен в проточном канале. Повышается КПД судна.
Основным недостатком данного технического решения является то, что в устройстве не предусмотрена зарядка аккумуляторов.
Наиболее близким техническим решением является статья «Павленко И.В. Разработка электроэнергетической установки маломерного судна с электродвижением / И.В. Павленко, В.А. Никитенко, Б.А. Авдеев // Образование, наука и молодежь - 2018: Сборник трудов по материалам научно-практических конференций ФГБОУ ВО «КГМТУ» 2018 г. - Керчь: ФГБОУ ВО «КГМТУ», 2018. - С. 156-160» [3].
В данной статье разработана электроэнергетическая установка маломерного судна с электродвижением. В качестве источников электроэнергии установлены аккумуляторные батареи, для них выбраны инвертор и частотный преобразователь. Приводятся расчеты для выбранных элементов и краткие теоретические сведения.
Основным недостатком данного проекта является то, что предлагаемая энергетическая установка маломерного судна работает только от берегового источника электроэнергии, зарядка аккумуляторных батарей от дизель-генератора отсутствует.
Заявляемая полезная модель решает задачу создания устройства энергетической установки речного трамвая с электродвижением, обладающего возможностью питаться как от судового дизель-генератора и термоэлектрического генератора, так и от берегового источника электроэнергии.
Техническим результатом, достигаемым при этом, является готовность к эксплуатации энергетической установки речного трамвая и при отсутствии возможности заправится дизельным топливом, например, во время выполнения боевых действий или при эксплуатации трамвая в удаленных регионах страны.
Технический результат достигается тем, что энергетическая установка речного трамвая с электродвижением, содержащая гребной вал, винт фиксированного шага, электродвигатель, аккумуляторные батареи, главный распределительный щит, береговой источник электрической энергии дополнительно содержит дизель-генератор, вход которого через зарядно-подзарядное устройство и главный распределительный щит подключен к аккумуляторным батареям, выход связан через пульт управления с электродвигателем. Кроме того, дизель-генератор дополнительно содержит термоэлектрический генератор, установленный на канале отработавших газов дизель-генератора, вход которого через инвертор и совместно с дизель-генератором через зарядно-подзарядное устройство, главный распределительный щит подключен к аккумуляторным батареям, выход через пульт управления связан с электродвигателем.
На фиг. 1 представлено предлагаемое устройство энергетической установки речного трамвая с электродвижением и содержит дизель-генератор (ДГ) 1,2; гребной винт 3, гребной вал 4, электродвигатель 5, аккумуляторные батареи 6, термоэлектрический генератор 7, главный распределительный щит 8, зарядно-подзарядное устройство (ЗПУ) 9, инверторная установка (ИУ) 10, пульт управления (ПУ) 11, береговой источник энергии (БИЭ) 12, выключатели 13, 14, канал отработавших газов 15, каналы забортной воды 16, 17.
Дизель-генератор 1, 2, установленный на судне, служит для выработки электрической энергии и зарядки аккумуляторов.
Аккумуляторные батареи 6 обеспечивают электродвигатель 5 электрической энергией. На судне в настоящее время могут быть использованы аккумуляторы на основе титаната лития. При этом LTO-аккумуляторы имеют меньшую плотность хранения энергии, но заряжаются быстрее, служат дольше и выдерживают более низкие температуры.
В данной заявке используется электродвигатель 5 постоянного тока марки 100 МВО-3СР 100 кВт и связан с гребным валом 4. Электродвигатель 5 постоянного тока является очень маневренным приводом, простым регулированием электрических параметров позволяют получать малые скорости хода судна, осуществлять удобное регулирование скорости хода и автоматическое регулирование мощности установки. Электродвигатель 5 обеспечивает автоматическое уменьшение развиваемого момента при заклиниваниях винта и ударах.
Зарядно-подзарядное устройство 9 с выходами постоянного напряжения, предназначенное для питания электродвигателя 5 и параллельной работы с аккумуляторными батареями 6, ЗПУ 9 формирует постоянное напряжение для содержания аккумуляторных батарей в режиме автоматического постоянного подзаряда, и питания нагрузки. Аккумуляторные батареи 6 подключаются параллельно нагрузке и, следовательно, это устройство хорошо работает с кратковременными пиковыми перегрузками ЗПУ 9, обеспечивают все режимы заряда подзаряда АБ 6 и питание нагрузки полностью в автоматическом режиме. Обслуживающий персонал вмешивается в работу только в случае появления сигналов об ошибках или для выполнения стандартных периодических проверок.
Главный распределительный щит (ГРЩ) 8 - центральный пункт, куда поступает электрическая энергия от источников (аккумуляторов) и где она распределяется между различными группами потребителей на судне. Часть электроэнергии может отбираться на общесудовые нужды. ПУП обеспечивает управление энергетической установкой вахтенным начальником трамвая из рулевой рубки; процессами движения, маневрирования и его остановки путем изменения частоты и реверса электродвигателя 5.
Электродвигатель 5 обеспечивает вращение гребного вала 14 и гребного винта 3. Конструкция валопровода при такой передаче мощности значительно упрощается, облегчается дистанционное управление энергетической установкой.
Дизель-генератор 1, 2 служит для выработки электроэнергии и зарядки через ЗПУ 9 аккумуляторных батарей 6 в тех случаях, когда у энергетической установки нет возможности осуществить зарядку аккумуляторных батарей от берегового источника электрической энергии 12. На выхлопном канале 15 отработавших газов дизель-генератора 1, 2 установлен термоэлектрический генератор 7, который при работе дизель-генератора 1, 2 вырабатывает электрическую энергию и через инвертор 10 совместно с дизель-генератором 1, 2 заряжают аккумуляторные батареи 6 и обеспечивают питанием электродвигатель 5. ТЭГ 7 выполнятся по патенту «№92247, H01L 35/28. Судовой термоэлектрический генератор / В.Н. Тимофеев. Опубл. 10.03.2010 в БИ №7», [4.]. Для охлаждения горячих и холодных спаев термоэлектрических генераторных модулей ТЭГ 7 используется забортная вода, которая по каналу 16 поступает в ТЭГ 7 и по каналу 17 сливается за борт.
Береговой источник энергии 12, то есть береговая электроэнергия в два и более раз дешевле, чем производимая на судне, по этой причине при длительных стоянках ее использование экономически выгодно. Питание от другого судна может применяться в аварийных случаях, когда своя аварийная электростанция, по каким-либо причинам, не может его обеспечить.
При использовании берегового питания необходимо учитывать некоторые особенности. У береговых источников (генераторы и трансформаторы) заземляются нейтральные провода являющиеся общим нулевым проводом в трехфазной сети соединенной по схеме *звезда.*
На судне, по Правилам Регистра, такое соединение отсутствует. Поэтому судно подключают к береговой сети через разделительный трансформатор, у которого первичная обмотка подключается к береговой сети и ее нулевой провод заземляют, а вторичная имеет трехфазную вторичную обмотку без нулевого провода. В целях безопасности, как для судна, так и для судового персонала, корпус судна следует заземлять. Если это условие не выполнять, то корпус судна будет под потенциалом береговой сети и любое замыкание фазы судовой сети на корпус может привести к гибели людей или тяжелым повреждениям судового оборудования.
Энергетическая установка речного трамвая с электродвижением работает следующим образом.
1. Энергетическая установка работает от ДГ 1, 2 (см. фиг. 1). Тогда выключатель 12 находится в отключенном состоянии, а выключатель 13 - в включенном состоянии; заводится дизель-генератор 1, 2, который начинает вырабатывать электрическую энергию, через ЗПУ 9 и ГРЩ 8 начинает заряжать аккумуляторные батареи 6, а через пульт управления 11 начинается подача электроэнергии на электродвигатель 5. Одновременно начинает работать термоэлектрический генератор 7. При работе предлагаемого устройства на горячих спаях ТЭГ 7 (термоэлектрические генераторные модули на фиг. 1 не показаны) происходит поглощение теплоты от ОГ, а с холодной стороны отводится теплота охлаждающей водой за вычетом электроэнергии, полученной на внешней нагрузке. На внешней нагрузке ТЭГ 7 создает напряжение, равное ЭДС, за вычетом падения напряжения и внутреннего сопротивления, электроэнергия через инвертор 10 совместно с электроэнергией ДГ 1, 2 подается к в ЗПУ 9 и через ГРЩ 8 происходит зарядка аккумуляторных батарей 6 и подача электроэнергии через пульт управления 11 на электродвигатель 5.
2. Энергетическая установка работает от БИЭ 12. В этом случае выключателем 14 энергетическая установка подключается к БИЭ 12 и электрическая энергия по каналу поступает в ЗПУ 9, который через ГРЩ 12 начинает заряжать аккумуляторные батареи 6 и происходит подача электроэнергии через пульт управления 11 на электродвигатель 5.
Таким образом, предложенное устройство «Энергетическая установка речного трамвая с электродвижением» позволяет создать энергетическую установку речного трамвая, работающей на электрической тяге, при этом электрической энергией энергетическая установка может обеспечивать дизель-генератором 1, 2 и ТЭГ 7 или от берегового источника электрической энергии 12. Такое конструктивное решение по судовой энергетической установке расширяет функциональные возможности эксплуатации речного трамвая в период ведения боевых действий, например, когда речной трамвай не может заправиться дизельным топливом или дизель-генератор находиться в неисправном состоянии. Тогда на помощь приходит береговая электростанция и, вовремя зарядив аккумуляторные батареи, речной трамвай сможет вовремя выполнять свои обязанности.
При работе речного трамвая от БИЭ 12 речной трамвай не выбрасывает в атмосферу вредные выбросы, происходит экономия дизельного топлива.
Кроме того, подводные и надводные корабли с электродвижением, наиболее распространенные уже сегодня, в дальнейшем будут лишь совершенствоваться, особенно с учетом все более широкого применения винто-рулевых комплексов. При этом в будущем электродвижение на кораблях военно-морского флота во всех странах мира будет приобретать все больший размах.
Источник информации
1. Патент 2136515, Россия, МПК B60L 9/00. Способ питания электротранспортных средств и устройство для его осуществления/ Стребков Д.С.; Авраменко С.В.; Некрасов А.И. Опубл. 1999.09.10.
2. Патент РФ 2369519, МПК, В63Н 21/17. Электрическое моторное судно с охлаждением окружающей водой / Гриммайзен Юрген (DE), Опубл. 10.10.2009.
3. Павленко И.В. Разработка электроэнергетической установки маломерного судна с электродвижением / И.В. Павленко, В.А. Никитенко, Б.А. Авдеев // Образование, наука и молодежь - 2018: Сборник трудов по материалам научно-практических конференций ФГБОУ ВО «КГМТУ» 2018 г. - Керчь: ФГБОУ ВО «КГМТУ», 2018 - С 156-160.
4. Тимофеев В. Н. Методы и средства автоматического регулирования теплового состояния судовых ДВС: дис. докт. техн. наук /В. Тимофеев - СПб, 2015, 2015, - 385 с.