СУДОВАЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ ПОВЫШЕННОЙ ЧАСТОТЫ С СИСТЕМОЙ ЭЛЕКТРОДВИЖЕНИЯ И МАТРИЧНЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ ЧАСТОТЫ
MARINE AC HIGH-FREQUENCY ELECTRICAL SYSTEM WITH ELECTRIC PROPULSION SYSTEM AND MATRIX FREQUENCY CONVERTERS

1.1. Область техники
Настоящее изобретение относится к области электросетей с системами питания и распределения электроэнергии. В частности, может относиться к судовым единым электроэнергетическим системам переменного напряжения с системой питания и распределения электроэнергии переменного тока двух различных частот, а именно, повышенной частоты - для системы электродвижения и промышленной частоты - для общесудовых потребителей.
1.2. Уровень техники
Известны судовые электроэнергетические системы (ЭЭС) с системами электродвижения (СЭД), имеющие на борту электросети с разными видами электроэнергии, построенные как по схеме автономного питания СЭД, так и питания от единой (всережимной) ЭЭС, описанные, например, в [1; 2; 3; 4]. В указанных ЭЭС питание СЭД осуществляют, как правило, от электросетей переменного напряжения промышленной частоты 50 (60) Гц, в которых в качестве источников электроэнергии используют турбо (дизель)-генераторы.
Известно, что электрооборудование электросетей, в частности, генераторы и трансформаторы на повышенную частоту, например, на 200 Гц или 400 Гц, могут обладать существенно меньшими массогабаритными показателями по сравнению с аналогичным оборудованием, рассчитанным на промышленную частоту 50 Гц переменного напряжения [5].
Близким по техническому решению к предлагаемому изобретению является единая базовая судовая ЭЭС по заявке на изобретение [3]. Однако указанная ЭЭС характеризуется сложной системой распределения электроэнергии переменного тока и наличием многозвенной структуры ее последовательного преобразования в другие виды электроэнергии с введением соответствующего количества промежуточных электросетей и главных распределительных щитов (ГРЩ), включая обратимые преобразователи, устройства коммутации, защиты и управления потребителей электроэнергии.
Упомянутые свойства заявленной ЭЭС [3] существенно увеличивают массу и габариты электрооборудования, снижают структурную надежность и увеличивают потери мощности в системе питания и распределения электроэнергии.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой судовой ЭЭС является судовая ЭЭС [4] (прототип), которая имеет на борту электростанцию переменного напряжения, предположительно, промышленной частоты и, по крайней мере, две электросети с разными видами электроэнергии, а именно, переменного тока и постоянного тока. В составе электросети постоянного тока присутствуют автономные инверторы напряжения с входными и выходными фильтрами, которые обеспечивают питание некоторой части потребителей переменного тока со значениями частоты и (или) напряжения, отличающимися от таковых в сети переменного тока.
Однако упомянутая ЭЭС также обладает достаточно сложной системой распределения электроэнергии переменного тока, построенной по двухзвенной структуре преобразования с промежуточным звеном электросети постоянного тока, включая распределительные щиты, управляемые выпрямители, устройства фильтрации и пуска автономных инверторов напряжения. Двухзвенная структура преобразования существенно увеличивает общую массу и габариты электрооборудования ЭЭС, снижает надежность ее функционирования, а также к.п.д. системы в целом.
1.3. Краткое описание чертежей
Заявляемое изобретение поясняется фиг.1, на которой изображена блок-схема построения судовой ЭЭС переменного напряжения с системой электродвижения (СЭД) и матричными преобразователями частоты, в которой единая электростанция генерирует электроэнергию высокого напряжения повышенной частоты, а распределяют ее при помощи двух электросетей переменного напряжения с двумя различными параметрами по частоте и напряжению.
В представленной блок-схеме (фиг.1) судовой ЭЭС используются следующие обозначения: 1 - главные турбо(дизель)-генераторы повышенной частоты; 2 - главные распределительные щиты (ГРЩ) высокого напряжения повышенной частоты; 3 - ГРЩ низкого напряжения промышленной частоты; 4 - система электродвижения (СЭД); 5 - мощные потребители повышенной частоты с каскадными матричными преобразователями частоты; 6 - мощные потребители повышенной частоты без преобразователей частоты; 7 - централизованная система отбора мощности (СОМ); 8, 9, 10 - общесудовые потребители промышленной частоты; 11 - вспомогательные турбо(дизель)-генераторы низкого напряжения промышленной частоты; 12 - ввод низкого напряжения промышленной частоты; 13 - индивидуальные источники бесперебойного питания; 14 - индивидуальные преобразующие устройства.
1.4. Раскрытие изобретения
Предлагаемая судовая ЭЭС переменного напряжения повышенной частоты с системой электродвижения и матричными преобразователями частоты обеспечивает по сравнению с прототипом [4] упрощение системы распределения электроэнергии, снижение общей массы и габаритов оборудования в составе двух электросетей, а также уменьшение мощности потерь при сохранении необходимых уровней и параметров качества электроэнергии как на стороне единой электростанции повышенной частоты (коэффициент мощности, близкий к единице), так и на стороне СЭД и общесудовых потребителей промышленной частоты (коэффициент несинусоидальности не более 6-7%).
Указанный технический результат достигается за счет исключения промежуточной электросети постоянного тока и ее оборудования (распределительных щитов, выпрямителей, фильтров и т.п.) при одновременном введении в состав обеих электросетей каскадных матричных преобразователей частоты, описание которых представлено в [6]. Причем последние вводятся в состав одной электросети для питания СЭД и некоторых мощных потребителей повышенной частоты, а в состав другой сети - в качестве централизованной системы отбора мощности (СОМ) для питания общесудовых потребителей промышленной частоты.
Кроме того, достигается уменьшение массогабаритных показателей самих каскадных матричных преобразователей частоты как в составе СЭД, так и в составе централизованной СОМ, а также генераторного оборудования за счет использования в предлагаемой ЭЭС единой электростанции повышенной частоты.
Предлагаемая судовая ЭЭС состоит из единой электростанции высокого напряжения, включающей в себя n (где n=1, 2, 3…) главных турбо(дизель)-генераторов 1 повышенной частоты; из двух электрических сетей переменного трехфазного напряжения с главными распределительными щитами (ГРЩ) 2 высокого напряжения повышенной частоты и ГРЩ 3 низкого напряжения промышленной частоты; из системы электродвижения 4, содержащей m (где m=1, 2…) гребных электродвигателей 4.1 переменного тока и соответствующего количества преобразователей частоты 4.2 и 4.3 с силовыми трансформаторами 4.4 и 4.5; из ряда мощных потребителей 5 и 6 переменного тока повышенной частоты, как включающих в себя каскадные матричные преобразователи частоты 5.1 с силовыми трансформаторами 5.2, так и без них; из централизованной системы отбора мощности (СОМ) 7, содержащей каскадные матричные преобразователи частоты 7.1, силовые трансформаторы 7.2 и ГРЩ 3 низкого напряжения промышленной частоты, и из общесудовых потребителей 8; 9; 10 промышленной частоты.
Причем некоторые ответственные общесудовые потребители 9 промышленной частоты с не отключаемым питанием снабжают индивидуальными источниками бесперебойного питания 13, необходимыми на период времени запуска и подключения вспомогательных турбо(дизель)-генераторов 11 низкого напряжения промышленной частоты. А некоторые общесудовые потребители 10 промышленной частоты с регулируемыми параметрами электроэнергии снабжают индивидуальными преобразующими устройствами 14, построенными на основе матричных преобразователей частоты [7].
Предлагаемую судовую ЭЭС дополнительно снабжают вспомогательными турбо (дизель)-генераторами 11 низкого напряжения промышленной частоты (3×3 SOB; 50 Гц), выходные зажимы которых подключены к ГРЩ 3 низкого напряжения промышленной частоты, а также вводами 12 низкого напряжения промышленной частоты, к которым подключают, при необходимости, внешние вспомогательные источники промышленной частоты. Предлагаемая судовая ЭЭС работает следующим образом. Единая электростанция, содержащая n главных турбо(дизель)-генераторов 1 повышенной частоты, генерирует высоковольтную (до 10 кВ) электроэнергию трехфазного переменного тока повышенной частоты (до 400 Гц), которую затем распределяют при помощи двух электросетей переменного тока с двумя различными параметрами по частоте и напряжению.
Причем генерирование энергии, питание СЭД 4 и некоторых мощных потребителей 5, 6 повышенной частоты, как использующих каскадные матричные преобразователи частоты 5.1 для их пуска и регулирования, так и без них, осуществляют через ГРЩ 2 высокого напряжения повышенной частоты.
Питание всех остальных общесудовых потребителей 8, 9, 10 промышленной частоты осуществляют через ГРЩ 3 низкого напряжения промышленной частоты трехфазным током 50 Гц от централизованной СОМ 7, входы которой подключены через ГРЩ 2 к единой электростанции высокого напряжения повышенной частоты.
В случае выхода из строя единой электростанции высокого напряжения или централизованной СОМ 7 и/или их отключения вспомогательные турбо(дизель)-генераторы 11 низкого напряжения промышленной частоты вступают в работу в качестве источников резервного электропитания и через ГРЩ 3 низкого напряжения промышленной частоты осуществляют электропитание общесудовых потребителей 8, 9, 10 промышленной частоты.
Кроме того, предусмотрена возможность резервного электропитания общесудовых потребителей 8, 9, 10 промышленной частоты через вводы 12 ГРЩ 3 низкого напряжения промышленной частоты от внешних источников, например, береговых или от ЭЭС другого судна.
Технический результат снижения массогабаритных показателей каскадных матричных преобразователей частоты в составе СЭД 4 и некоторых других мощных потребителей 5 повышенной частоты, а также в составе СОМ 7, достигаемый за счет снижения объема активной стали и меди силовых трансформаторов 4.4; 4.5; 5.2; 7.2 при их питании напряжением повышенной частоты, подтверждается формулой (1), известной из [5]:
<mrow><msup><mi>D</mi><mn>2</mn></msup><msub><mi>l</mi><mrow><mi>s</mi><mi>i</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><msqrt><mn>2</mn></msqrt><mi>P</mi></mrow><mrow><msup><mi>π</mi><mn>2</mn></msup><mi>m</mi><msub><mi>φ</mi><mrow><mi>F</mi><mi>e</mi></mrow></msub><mi>f</mi><msub><mi>B</mi><mi>S</mi></msub><mi>A</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где D - эквивалентный диаметр сердечника трансформатора;
si
l - высота обмотки (стержня сердечника);
P - внутренняя мощность трансформатора;
f - частота питающего напряжения в электросети;
m - число фаз;
s
B - индукция в сердечнике;
А - линейная токовая нагрузка;
Fe
φ - коэффициент заполнения сечения сердечника.
Fe
1
2
1
2
s2
s1
2
1
Fe2
Fe1
2
1
Из формулы (1) можно получить соотношение (2), определяющее величину уменьшения объема активной стали V силового трансформатора при переходе от частоты питающего напряжения f=50 Гц к частоте f=200 Гц при одинаковой внутренней мощности P=P и его исходных параметрах, определяемых в соответствии с [5]: B=0,86·В; A=0,8·A; φ=1,12·φ; m=m.
<mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mfrac bevelled="true"><mrow><msub><mrow /><mrow><mi>F</mi><mi>e</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>F</mi><mi>e</mi><mn>2</mn></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow></msub><mo>≈</mo><mn>3,1,</mn><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Fe1
1
si
1
1
2
где V=m(Dl) - объем активной стали при частоте питания f=50 Гц;
Fe2
2
si
2
2
2
V=m(Dl) - объем активной стали при частоте питания f=200 Гц.
акт
Технический результат снижения массогабаритных показателей генераторного оборудования, а именно, главных турбо(дизель)-генераторов 1, обеспечивающих повышенную частоту генерируемой электроэнергии, достигается за счет увеличения их частоты вращения и подтверждается известной из [5] формулой для расчета объема V их активных материалов:
<mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>а</mi><mi>к</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msup><mi>D</mi><mn>2</mn></msup><msub><mi>l</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msqrt><mn>2</mn></msqrt><mi>P</mi></mrow><mrow><msup><mi>π</mi><mn>2</mn></msup><msub><mi>k</mi><mi>ω</mi></msub><mi>n</mi><msub><mi>B</mi><mi>δ</mi></msub><mi>A</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где D - диаметр якоря;
i
l - расчетная длина пакета якоря;
P - внутренняя мощность генератора;
n=2πf/p - частота вращения генератора;
f - частота генерируемой электроэнергии;
p - число пар полюсов;
δ
B - индукция основной гармоники в воздушном зазоре;
А - линейная токовая нагрузка;
ω
k - коэффициент обмотки.
акт
2
1
2
1
1
2
δ2
δ1
2
1
ω2
ω1
1
2
2
1
-1
-1
На основе формулы (3) можно получить соотношение (4), показывающее величину уменьшения объема активных материалов V синхронного турбо(дизель)-генератора при увеличении его частоты вращения в 2 раза (n=2·n), а частоты генерируемой электроэнергии в 4 раза (f=4·f=200 Гц) при одинаковой внутренней мощности Р=Р и его исходных параметрах, определяемых в соответствии с [5]: B=1,12 B; А=1,1А; k=0,95k; p=1; p=2; n=628 рад(6000 об/мин); n=314 paд(3000 об/мин).
<mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mfrac bevelled="true"><mrow><msub><mrow /><mrow><mi>а</mi><mi>к</mi><mi>т</mi><mn>.1</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>а</mi><mi>к</mi><mi>т</mi><mn>.2</mn></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow></msub><mo>≈</mo><mn>2,3,</mn><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
акт.1
1
-1
где V - объем активных материалов при частоте вращения n=314 рад;
акт.2
2
-1
V - объем активных материалов при частоте вращения n=628 рад.
Упрощение системы распределения, уменьшение мощности потерь при сохранении необходимых уровней и параметров качества электроэнергии как на стороне главных турбо(дизель)-генераторов 1 повышенной частоты, так и на стороне СЭД 4 и общесудовых потребителей 8, 9, 10 промышленной частоты достигается за счет введения каскадных матричных преобразователей частоты 4.2; 4.3; 5.1; 7.1 с силовыми трансформаторами 4.4; 4.5; 5.2; 7.2, обладающих как на входе, так и на выходе высокими параметрами качества электроэнергии [6].
Таким образом, в предлагаемой судовой ЭЭС заявленный технический результат имеет необходимое обоснование и раскрыт в полном объеме.
Литература.
1. Гребные электрические установки. Айзенштадт Е.Б. и др. Справочник. Из-во: «Судостроение», Л., 1985 г.
2. Гилерович Ю.М., Чернух Е.А. Гребные электрические установки ледоколов береговой охраны США и Канады. Судостроение за рубежом, №9, 1990 г.; ЦНИИ «Румб».
3. Способ генерирования и распределения электроэнергии единой базовой судовой электроэнергетической системы и система для его реализации. Лазаревский Н.А., Лебедев B.C., Хомяк В.А. Заявка на изобретение №RU 2010131706 А, кл. B60L 3/00 от 29.07.2010.
4. Судовая электроэнергетическая система. Кувшинов Г.Е., Коршунов А.В., Коршунов В.Н. Патент РФ №RU 2375804 С2, кл. H02J 3/00 от 09.01.2008.
5. Постников И.М. Проектирование электрических машин. Гостехиздат УССР, Киев, 1952, с.20…23.
6. Устройство формирования и регулирования напряжения матричного непосредственного преобразователя частоты с высокочастотной синусоидальной ШИМ. Скворцов Б.А., Васин И.М., Махонин С.В., Богатырев Д.Е. Патент РФ №RU 2422975 С1, кл. Н02М 5/27 от 15.07.2010.
7. Виноградов А.Б. Новые алгоритмы пространственно-векторного управления матричным преобразователем частоты. «Электричество» №3, 2008.