МНОГОФАЗНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОДВИЖЕНИЯ СУДОВ

Область техники, к которой относится полезная модель. Полезная модель относится к области судовых движителей и может быть использована в системах электродвижения судов с силовой сетью переменного тока.
Уровень техники. Из уровня техники известна система электродвижения судов [патент РФ на полезную модель №157368], содержащая два источника трехфазного напряжения, два согласующих трансформатора, двухканальный преобразователь частоты, гребной шестифазный асинхронный электродвигатель, при этом между источниками напряжения введена отключаемая перемычка, а каждый трансформатор имеет 6 вторичных многофазных обмоток, подключаемых к преобразователю частоты. Каждый канал преобразователя частоты имеет трехфазный выход и оснащается тремя комплектами из двух последовательно соединенных реверсивных мостов. Упомянутые комплекты реверсивных мостов каждого канала соединяются в звезду, образуя трехфазную систему напряжений, а выходы каналов преобразователя частоты через выключатели подключены к статорной обмотке шестифазного гребного электродвигателя.
К недостаткам такого решения относится использование трансформаторов для согласования уровней выходных напряжений каналов непосредственного преобразователя частоты, что приводит к значительному увеличению стоимости всей установки в целом, а также увеличению эксплуатационных потерь по причине снижения коэффициента полезного действия. Также к недостаткам относится значительное количество силовых полупроводниковых ключей, что ведет к увеличению себестоимости, и снижению надежности работы всей системы в целом.
Из уровня техники также известна система электродвижения судов [патент РФ на полезную модель №181202], содержащая источник с двумя трехфазными обмотками, два реверсивных полупроводниковых коммутатора, гребной трехфазный электродвигатель переменного тока. Реверсивные полупроводниковые коммутаторы включаются последовательно с питающими трехфазными обмотками, чередуясь с ними. Начало первой из трехфазных обмоток собирается в общую точку (то есть нейтраль обмотки), вторая трехфазная обмотка выполняется разомкнутой и включена последовательно в цепи между полупроводниковыми коммутаторами. Выход второго полупроводникового коммутатора подключается к двигателю.
К недостаткам такого решения относится использование значительного числа ключей (транзисторов) в полупроводниковых коммутаторах, что ведет к увеличению себестоимости установки, и росту стоимости эксплуатации по причине снижения надежности. Формируемое напряжение позволяет питать только трехфазный гребной электродвигатель, для получения шестифазного напряжения необходимо два канала преобразования частоты, что удваивает число ключей (транзисторов) в полупроводниковых коммутаторах и ведет к соответствующему росту габаритов и себестоимости.
Данное техническое решение является наиболее близким по своей технической сущности прототипом.
Раскрытие полезной модели. Первое применение систем электродвижения судов практически совпало с появлением электричества на судах. В начале 20 века, с развитием техники, увеличивалась насыщенность судов электрооборудованием, росла мощность судовых источников электроэнергии (генераторов), что дало предпосылки развитию систем электродвижения. В дальнейшем, произошло совершенствование оборудования и систем автоматики судовых электроэнергетических систем, сопровождаемое увеличением числа потребителем. Появление атомных энергетических установок, например на ледоколах, открыло новые перспективы для развития систем электродвижения судов.
В настоящее время мировой тенденцией является использование систем электродвижения переменного тока - как на кораблях, так и на гражданских судах, например атомных ледоколах. Изменение оборотов гребного электродвигателя в системах электродвижения переменного тока реализуется за счет регулирования частоты статических преобразователей частоты, входящих в состав гребной установки. Системы электродвижения с двигателями постоянного тока имеют несколько большие габариты по длине, и меньший ресурс из-за щеточного аппарата на коллекторе. Последнее делает затруднительным создание особо мощных гребных приводов постоянного тока, особенно в погружном исполнении.
Наиболее распространенным типом являются преобразователи частоты с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Более высокая по сравнению с классическими преобразователями частота коммутации полупроводниковых ключей вызывает повышенный нагрев и снижает долговечность модулей, а разрыв тока при коммутации требует защитных снабберных цепей для гашения коммутационных выбросов [1]. Одним из путей повышения качества ШИМ является применение многоуровневых преобразователей, в которых тем или иным способом достигается разделение напряжения питания на несколько уровней, что позволяет приблизить форму выходного напряжения к синусоиде и улучшить его гармонический состав [1, 2, 3]. Для этого используют высоковольтные конденсаторы большой емкости, что ведет к ухудшению габаритов преобразователя и снижения его надежности. Повышение частоты коммутации полупроводниковых ключей ведет к ухудшению электромагнитной совместимости.
Таким образом, главной технической проблемой современной судовой преобразовательной техники можно признать процесс коммутации тока, и как ее следствие - наличие коммутационных выбросов и низкая степень синусоидальности формы выходного напряжения.
Как правило, в используемых на судах статических преобразователях для гребных установок, трансформаторы применяются главным образом для согласования напряжения питающей сети с напряжением на выходе преобразователя [2]. В мощных статических преобразователях частоты, чаще всего, используется звено постоянного тока, получаемое выпрямлением переменного напряжения сети, а для гальванической развязки и согласования напряжения используется силовой трансформатор.
Также существует класс преобразователей переменного напряжения одной частоты в переменное напряжение другой частоты [1, 2]. Подобные устройства преобразования частоты без промежуточного звена постоянного тока получили название преобразователей с непосредственной связью (непосредственных преобразователей частоты, или НПЧ).
Основу любого НПЧ составляет реверсивный коммутатор (трехфазный мост), подключенный к источнику переменного напряжения и нагрузке [1, 2]. Трехфазный электропривод с непосредственным преобразованием частоты изображен на фигуре 1, и образуется соединением выходов трех реверсивных мостов (которые известны из уровня техники и подробно описаны в учебной литературе по преобразовательной технике). Показанная на фигуре 1 схема электропривода с преобразователем НПЧ имеет большое число полупроводниковых ключей, и повышенную себестоимость из-за необходимости использовать силовые трансформаторы для гальванической развязки каждой фазы.
Непосредственное преобразование можно охарактеризовать как случай кусочно-синусоидальной модуляции выходного напряжения, поскольку выходное напряжение формируется из фрагментов синусоиды с частотой питающей сети [4, 5]. При этом на выходе преобразователя в любой момент возможно получение фрагментов как спадающего, так и возрастающего фронта синусоиды, что объясняется симметричным сдвигом напряжений между фазами питающей сети.
Существует несколько алгоритмов формирования выходного напряжения НПЧ, изображенных на фигуре 2 и фигуре 3. Показанный на фигуре 2 вариант имеет большие гармонические искажения, и используется преимущественно в преобразователях с тиристорами. На фигуре 3 показано формирование выходного напряжения, состоящего из аналогичных фрагментов питающего напряжения, так что восходящий фронт состоит из восходящих фрагментов, а нисходящий фронт - из нисходящих фрагментов. Это обеспечивает лучшее качество выходного напряжения.
Из уровня техники известен способ преобразования частоты [6], так что выходное напряжение формируется из суммы обратных фрагментов двух каналов напряжения, в результате чего формируется сглаженная синусоидальная функция, как это показано на фигуре 4. Данный вариант характеризуется наилучшим приближением формы выходного напряжения преобразователя к синусоидальной, и позволяет реализовать естественную коммутацию тока. Реализация алгоритма возможна при использовании полупроводниковых коммутаторов с полностью управляемыми ключами (например, IGBT транзисторами).
В результате суммирования напряжений двух последовательно соединенных реверсивных мостов, формируется гладкая выходная функция без разрывов, и коммутация вентилей происходит в моменты равенства ЭДС, что соответствует естественной коммутации без разрыва кривой тока.
Такое преобразование требует большого числа полупроводниковых ключей, как это показано на фигуре 5. На фигуре 6 показана принципиальная схема одной фазы двухканального непосредственного преобразователя частоты [8]. Для питания трехфазной нагрузки на выходе в такой схеме требуется коммутатор с 72 полупроводниковыми ключами. Подобное двухканальное непосредственное преобразование частоты описано в [6].
Для получения трехфазного выходного напряжения используется три пары последовательно соединенных реверсивных трехфазных мостов, при этом каждый мост получает питание от отдельной трехфазной вторичной обмотки силового трансформатора, каждая фаза выходного напряжения получается последовательным соединением двух мостов - как изображено на фигуре 6. Комплекты реверсивных мостов соединяются по схеме "звезда", образуя трехфазную систему напряжений.
Недостатком является значительная громоздкость, очевидно большое количество полупроводниковых ключей, и использование силовых трансформаторов большой мощности, что повышает себестоимость системы. Для реализации требуется 144 полупроводниковых ключа (IGBT транзистора) в случае питания шестифазного электродвигателя. Подобная система технически реализуема, однако является громоздкой.
В системе электродвижения, выбранной за основной прототип [7], использован полупроводниковый коммутатор, показанный на фигуре 7. Как видно из принципиальной схемы, подобный полупроводниковый коммутатор позволяет преобразовать трехфазное входное напряжение в трехфазное выходное напряжение. Преимущество такой системы электродвижения в уменьшении количества полупроводниковых ключей (IGBT транзисторов).
На фигуре 8 изображена схема системы электродвижения, выбранной за основной прототип. Здесь питание системы электродвижения осуществляется от обмоток генератора, а полупроводниковые коммутаторы объединены с ним. В таком случае преобразователь и судовой источник электроэнергии (генератор) образуют неразрывно связанную систему электродвижения, с интегрированным непосредственным преобразованием частоты.
Главное преимущество основного прототипа - уменьшение числа полупроводниковых ключей, которое путем последовательного включения коммутаторов и обмоток снижается до 36 IGBT транзисторов для случая трехфазного электродвигателя.
Снижение числа полупроводниковых ключей обусловлено следующим. В известном ранее решении [8], применены трехфазные реверсивные коммутаторы (мосты), каждый из которых формирует однофазное напряжения. Напряжения включенных последовательно упомянутых коммутаторов суммируются, формируя выходное напряжение одной фазы. Получение трехфазной системы в таком случае требует включения по схеме "звезда" трех пар коммутаторов. Это и является причиной столь большого числа ключей (72 транзистора для трехфазного выхода и 144 транзистора для шестифазного выхода).
В изображенном на фигуре 8 решении, производится перекоммутация напряжений фазных обмоток, что исключает промежуточное преобразование в однофазное напряжение. На фигуре 9 изображена функциональная схема системы электродвижения с таким коммутатором. Здесь судовой источник (генератор) имеет две трехфазные обмотки, первая из которых началом своих фазных обмоток замыкается в общую точку, а концами упомянутых обмоток подключается к входу первого реверсивного полупроводникового коммутатора. Вторая трехфазная обмотка выполняется разомкнутой без общей точки, начала ее фазных обмоток подключаются к выходу первого реверсивного полупроводникового коммутатора, а концы упомянутых фазных обмоток подключаются к входу второго реверсивного коммутатора. Выход второго реверсивного коммутатора подключается к электродвигателю переменного тока.
Такое решение является основным прототипом. Двукратное снижение числа полупроводниковых ключей является существенным преимуществом, одновременно решается задача уменьшения массы и габаритов - и как следствие, себестоимости всей установки, а также повышения надежности.
К недостаткам можно отнести наличие разомкнутой трехфазной обмотки, использование которой для питания судовой сети переменного тока невозможно. Также недостатком можно назвать необходимость двух каналов преобразования для питания шестифазного электродвигателя.
Перечисленных недостатков лишена изображенная на фигуре 10 система электродвижения, позволяющая питать шестифазный электродвигатель при использовании всего двух полупроводниковых коммутаторов. Предлагаемое решение использует соединение двух трехфазных обмоток на генераторе в общую для них нейтраль, что позволяет реализовать симметричную схему преобразования для питания шестифазного электродвигателя.
Суммирование выходов полупроводниковых коммутаторов в таком случае происходит на многофазной обмотке электродвигателя, все шесть фаз которой объединены общей нейтралью.
Нейтрали генератора и двигателя изображенной на фигуре 10 системы электродвижения могут объединяться через автоматический выключатель. В таком случае, можно продолжить движение судна при питании трех фаз электродвигателя в режиме одноканального преобразования, что будет сопровождаться снижением допустимой мощности.
На фигуре 11 изображена функциональная схема электроэнергетической системы судна с заявляемой многофазной системой электродвижения. В силу симметрии трехфазных обмоток генератора, возможно питание главных распределительных щитов от любой из упомянутых обмоток.
Заявляемая полезная модель является новым решением, имеющим следующие принципиальные отличия от прототипа.
- предусмотрена возможность резервирования, в случае отказа полупроводникового коммутатора либо системы управления одного из каналов преобразования частоты нейтрали генератора и двигателя объединяются;
- система электродвижения интегрирована с судовым источником электроэнергии (генератором), при этом в отличие от прототипа, обе трехфазные обмотки источника соединяются в звезду с нейтралью и могут быть использованы для питания судовых потребителей;
- используется шестифазный двигатель, и шесть соединительных линий между двигателем и коммутаторами.
Таким образом, совокупность существенных признаков решения приводит к новому техническому результату - повышению надежности работы за счет резервирования, повышению эффективности использования электрооборудования электроэнергетической системы, за счет возможности питания судовых потребителей от обмоток генератора.
Краткое описание чертежей.
На фигуре 1 изображена принципиальная схема электропривода с непосредственным преобразованием частоты. Здесь 1 - электродвигатель, 2 -полупроводниковый коммутатор, 5 - силовой трехфазный трансформатор.
На фигуре 2 изображен график выходного напряжения непосредственного преобразования частоты по алгоритму с обратными фронтами.
На фигуре 3 изображен график выходного напряжения непосредственного преобразования частоты по алгоритму с прямыми фронтами.
На фигуре 4 изображен график выходного напряжения двухканального непосредственного преобразования частоты с суммированием напряжения алгоритмов с прямыми и обратными фронтами.
На фигуре 5 изображена принципиальная схема системы электродвижения с двухканальным непосредственным преобразованием частоты, трансформаторами на входе и трехфазным гребным электродвигателем. Здесь 1 - электродвигатель, 2 - полупроводниковый коммутатор, 5 - силовой трехфазный трансформатор.
На фигуре 6 изображена принципиальная схема одной фазы двухканального непосредственного преобразователя с трансформаторами на входе. Здесь 2 - полупроводниковый коммутатор, 5 - силовой трехфазный трансформатор.
На фигуре 7 изображена принципиальная схема трехфазного реверсивного полупроводникового коммутатора.
На фигуре 8 изображена принципиальная схема системы электродвижения с интегрированным двухканальным непосредственным преобразованием частоты. Здесь 1 - электродвигатель, 2 - полупроводниковый коммутатор, 4 - трехфазная обмотка генератора.
На фигуре 9 изображена функциональная схема системы электродвижения с интегрированным двухканальным непосредственным преобразованием частоты. Здесь 1 - электродвигатель, 2 - полупроводниковый коммутатор, 3 - судовой генератор, 4 - трехфазная обмотка генератора.
На фигуре 10 изображена принципиальная схема многофазной системы электродвижения судов двухканальным непосредственным преобразованием частоты. Здесь 1 - электродвигатель, 2 - полупроводниковый коммутатор, 3 - генератор.
На фигуре 11 изображена функциональная схема единой электроэнергетической системы судна с многофазной системой электродвижения. Здесь 1 - электродвигатель, 2 - полупроводниковый коммутатор, 3 - генератор, 6 - главный распределительный щит.
Список использованной литературы.
1. Зиновьев Г.С. Силовая электроника. - М.: Юрайт, 2012. 667 с.
2. Дмитриев Б.Ф., Рябенький В.М., Черевко А.И., Музыка М.М. Судовые полупроводниковые преобразователи: учебник. - Архангельск: Изд-во САФУ, 2015. - 556 с.
3. Новиков Г.В. Частотное управление асинхронными электродвигателями. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016. - 498 с.
4. Прошин И.А. Асинхронный электропривод с маловентильным непосредственным преобразователем частоты // диссертация. - Пенза: Изд-во Пензенского политехнического института, 1983. - 274 с.
5. Прошин И.А. Управление в системах с непосредственным преобразователями электрической энергии // диссертация. - Пенза: Изд-во Пензенского государственного университета, 2003. - 432 с.
6. Евсеев Р.И., Ивлев М.Л., Коптяев Е.Н., Хомяк В.А., Черевко А.И. Способ преобразования частоты // патент РФ на изобретение №2639048
7. Коптяев Е.Н., Попков Е.Н. Система электродвижения судов // патент РФ на полезную модель №181202
8. Коптяев Е.Н. Двухканальный непосредственный преобразователь частоты // Электричество. 2018. №3. с. 33-37