ЕДИНАЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА СУДНА
UNIFIED VESSEL POWER GENERATING PLANT

Предложение относится к судостроению, в частности к единым электроэнергетическим установкам судов большой мощности как гражданского, так и военно-морского флота, содержащих два и более гребных винта, для которых необходимо обеспечить питание гребного электродвигателя с широким диапазоном регулирования частоты вращения гребного винта и питание потребителей собственных нужд. Предлагаемая электроэнергетическая система помимо минимального количества элементов системы отличается повышенным показателем энергетической эффективности.
Известна конструкция единой судовой электроэнергетической установки (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 первичные тепловые двигатели, с которыми механически соединены синхронные генераторы переменного тока, трехфазные обмотки статора которых подключены к трехфазной линии главного распределительного щита. К шинам трехфазной линии главного распределительного щита подключены потребители собственных нужд и первичные обмотки трансформаторов, к вторичным обмоткам которых подключены входы преобразователей частоты, к выходам которых подключены гребные электродвигатели переменного тока. Недостатком известной установки является то, что гребные электроприводы, которые являются на судах с электродвижением основными потребителями электроэнергии, питаются не напрямую от главного распределительного щита, а через трансформаторы, что снижает кпд судовой электроэнергетической установки и повышает ее стоимость, массу и габариты. К недостаткам также относятся искажения напряжения на шинах главного распределительного щита, вызванные работой преобразователей частоты, так как мощность гребных электроприводов может значительно превышать мощность потребителей собственных нужд. Электроэнергетическая установка также отличается сложной структурой и схемой распределения электроэнергии и множеством элементов последовательной структуры, находящихся между первичным тепловым двигателем и движителем.
Известна конструкция единой судовой электроэнергетической установки (МПК B63H 21/17; B63H 23/24; B63J 3/02, патент KR 20140046441 (A), 21.06.2012, Hystad Egil [FI]; Djuve Svein [FI]; WAERTSILAE FINLAND OY, Improvement in ship propulsion engine fuel efficiency), лишенная ряда вышеуказанных недостатков, содержащая первичные тепловые двигатели, с которыми механически соединены синхронные генераторы переменного тока, трехфазные обмотки статора которых подключены каждая к своей трехфазной линии главного распределительного щита. Причем напряжения, генерируемые трехфазными обмотками статоров генераторов одного борта, сдвинуты друг относительно друга по фазе. К шинам трехфазных линий главного распределительного щита через согласующие трансформаторы подключены потребители собственных нужд и выпрямители преобразователей частоты, питающие гребные электродвигатели. Данная установка содержит промежуточные накопители энергии, которые через электрические преобразователи подключены к шинам переменного тока главного распределительного щита. Достоинством структуры является наличие накопительного элемента, повышающего энергетическую эффективность системы электродвижения. Недостатком известной установки является большое количество преобразований электрической энергии, сложная структура системы электродвижения, а также множество электрических преобразователей и элементов преобразования электрической энергии.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранная в качестве прототипа судовая электроэнергетическая установка (МПК B63H 23/24, патент EP 2423103 (A1), Заявка: 10460034.1, дата заявки 26.08.2010, дата публикации 29.02.2012, Ruszczyk Adam, Electric propultion of a ship incorporating an energy storage system). Известная установка содержит главные первичные тепловые двигатели, главные синхронные генераторы, главный распределительный щит, согласующие трансформаторы, выпрямители, инверторы, гребные электродвигатели, винты, преобразователи постоянного напряжения в постоянное и накопители энергии. В представленном прототипе накопитель энергии через преобразователь постоянного напряжения в постоянное подключен к звену постоянного тока преобразователя частоты. При этом каждый гребной электродвигатель питается от своего индивидуального преобразователя частоты, который содержит свой накопитель энергии. В такой структуре системы электродвижения повышается энергетическая эффективность за счет использования накопителя электрической энергии, который может принять энергию торможения и затем отдать эту энергию на создание полезной работы. Однако в такой структуре отсутствует возможность обмена энергией между силовыми каналами гребных электродвигателей, а также отсутствует возможность передачи энергии с одного двигателя на другой. К недостаткам также можно отнести наличие силовых согласующих трансформаторов, рассчитанных на полную мощность, большое количество электрических преобразователей энергии и отсутствие питания потребителей собственных нужд.
Предлагаемая единая электроэнергетическая установка судна помимо выполнения требований эксплуатационного характера позволяет:
- осуществлять питание потребителей собственных нужд от главных тепловых двигателей и возможность сброса энергии при торможении судна на общий накопитель энергии;
- осуществить обмен энергией между гребными электрическими машинами, осуществляя торможение судна посредством распределения этой энергии и решить данную задачу на алгоритмическом уровне;
- использовать высокооборотные безредукторные генераторные установки с выходным напряжением повышенной частоты;
- упростить сложную систему главных распределительных щитов;
- осуществлять торможение и реверс движения судна без использования тормозных цепочек и без рассеивания энергии на них в виде тепла;
- использовать требуемое количество первичных тепловых двигателей, не допуская их работы на холостом ходу или недогруженными;
- улучшить массогабаритные характеристики, а также повысить надежность и живучесть энергетической установки;
- улучшить виброшумовые характеристики электроэнергетической установки для режима работы при питании от накопителя энергии и, как следствие, осуществить снижение шума излучаемого в воду при движении судна;
- повысить экономичность энергоустановки и коэффициент загрузки первичных тепловых двигателей, тем самым повысив их ресурс эксплуатации.
Описанные преимущества достигаются тем, что единая электроэнергетическая установка судна содержит первичные тепловые двигатели, каждый из которых работает на свой генератор, а каждый из генераторов через автоматический выключатель - на свой выпрямитель. Все выпрямители соединены согласованно последовательно и образуют звено постоянного тока. К звену постоянного тока через инверторы напряжения подключены гребные электродвигатели, через электрический преобразователь подключен накопитель энергии и через инвертор напряжения и согласующий трансформатор - вторичный щит питания потребителей собственных нужд. Структура единой электроэнергетической установки судна построена таким образом, что питание всех потребителей осуществляется от общих шин звена постоянного тока, на которые через согласующий электрический преобразователь подключен промежуточный накопитель энергии. Такая структура обладает простотой и минимальным количеством элементов силового канала и позволяет осуществлять обмен энергией между потребителями и накопителем энергии.
Единая электроэнергетическая установка судна, структурная схема которой представлена на фиг. 1, содержит главные первичные тепловые двигатели 1-1÷1-n, электрические генераторы 2-1÷2-n, автоматические выключатели 3-1÷3-n, неуправляемые выпрямители напряжения 4-1÷4-n, инверторы напряжения 5-1÷5-m с накопительными конденсаторами 6-1÷6-m, согласующий электрический преобразователь 7, накопитель энергии 8 и гребные электродвигатели 9-1÷9-m, механически соединенные с гребными винтами 10-1÷10-m. Каждый из главных первичных тепловых двигателей 1-1÷1-n механически соединен со своим электрическим генератором 2-1÷2-n, на статоре которого размещены трехфазные обмотки, выходы которых подключенные к входам автоматических выключателей 3-1÷3-n. Согласующий электрический преобразователь 7 соединен с накопителем энергии 8, а выходы инверторов напряжения 5-1÷5-m подключены к статорным обмоткам гребных электродвигателей 9-1÷9-m. Единая электроэнергетическая установка судна содержит также систему управления единой электроэнергетической установкой 11, дополнительный инвертор напряжения 12 со своим накопительным конденсатором 13, согласующий трансформатор 14, щит вторичного электропитания 15, аварийный (стояночный) дизель-генератор 16 и потребители собственных нужд 17. Автоматические выключатели 3-1÷3-n имеют электромагнитный привод, подключенный к системе управления единой электроэнергетической установкой 11. Каждый из силовых выходов автоматических выключателей 3-1÷3-n подключен к входу своего неуправляемого выпрямителя напряжения 4-1÷4-n, которые своими выходами соединены между собой согласованно последовательно и образуют общие шины постоянного тока 18. К общим шинам постоянного тока 18 подключены входы инверторов напряжения 5-1÷5-m со своими накопительными конденсаторами 6-1÷6-m, согласующий электрический преобразователь 7, дополнительный накопительный конденсатор 13 и через дополнительный инвертор напряжения 12 и согласующий трансформатор 14 щит вторичного электропитания 15. К щиту вторичного электропитания 15 подключены потребители собственных нужд 17 и аварийный (стояночный) дизель-генератор 16. Система управления единой электроэнергетической установкой 11 управляет работой первичных тепловых двигателей 1-1÷1-n, электрических генераторов 2-1÷2-n, инверторов напряжения 5-1÷5-m, согласующего электрического преобразователя 7, накопителя энергии 8 и аварийным (стояночным) дизель-генератором 16.
Единая электроэнергетическая установка судна, структурная схема которой представлена на фиг. 2, выполнена так, что один из выпрямителей напряжения 19 является полууправляемым.
Единая электроэнергетическая установка судна, структурная схема которой представлена на фиг. 3, дополнительно содержит щит питания с берега 20 и автоматический выключатель 21. Щит питания с берега 20 через дополнительный автоматический выключатель 21 подключен к щиту вторичного электропитания 15.
Единая электроэнергетическая установка судна, структурная схема которой представлена на фиг. 4, дополнительно содержит два автоматических выключателя 22, 23 и щит питания внешних потребителей 24. Первый автоматический выключатель 22 установлен между выходом одного из инверторов 5-m напряжения и обмоткой статора гребного электродвигателя 9-m, а второй автоматический выключатель 23 установлен между выходом этого же инвертора 5-m напряжения и щита питания внешних потребителей 24.
Предлагаемая единая электроэнергетическая установка судна работает следующим образом. Структурно и схемотехнически в предложенной единой электроэнергетической установке судна можно выделить четыре режима работы: рабочий (штатный) режим; режим малошумного хода; аварийный режим и стояночный режим.
В рабочем режиме выработка электроэнергии осуществляется электрическими генераторами 2-1÷2-n, механически соединенными с главными первичными тепловыми двигателями 1-1÷1-n. При этом уровень напряжения и максимальная вырабатываемая мощность определяется количеством работающих главных первичных тепловых двигателей 1-1÷1-n и количеством подключенных к неуправляемым выпрямителям напряжения 4-1÷4-n электрических генераторов 2-1÷2-n, посредствам автоматических выключателей 3-1÷3-n. При этом, когда какой-либо из автоматических выключателей 3-к (где к=1…n) находится в разомкнутом состоянии, то главный первичный тепловой двигатель 1-к и электрический генератор 2-к либо отключены, либо работают на холостом ходу. Неуправляемый выпрямитель напряжения 4-к при этом пропускает электрический ток как проводник, состоящий из трех параллельно соединенных цепей, каждая из которых состоит из двух последовательно соединенных диодов. Такое последовательное соединение неуправляемых выпрямителей напряжения 4-1÷4-n позволяет осуществить снижение пульсации напряжения на общих шинах постоянного тока 18 при условии сдвига между фазами напряжениями одноименных фаз разных генераторов равным 120/N (где N=1…n количество работающих электрических генераторов 2-1÷2-n). Число пульсации напряжения на общих шинах постоянного тока 18 на периоде сетевого напряжения равно N⋅6. Система управления единой электроэнергетической установкой 11 управляет работой первичных тепловых двигателей 1-1÷1-n для обеспечения этого сдвига в зависимости от числа включенных в работу главных первичных тепловых двигателей 1-1÷1-n.
Для номинальной загрузки главных первичных тепловых двигателей 1-1÷1-n система управления единой электроэнергетической установкой 11 определяет значение мощности, потребляемой гребными электродвигателями 9-1÷9-m и потребителями собственных нужд 17, и включает такое количество главных первичных тепловых двигателей 1-1÷1-n, электрических генераторов 2-1÷2-n и автоматических выключателей 3-1÷3-n, чтобы суммарная установленная мощность электрических генераторов 2-1÷2-n была равна или больше потребляемой. Дозагрузка главных первичных тепловых двигателей 1-1÷1-n и электрических генераторов 2-1÷2-n осуществляется посредством заряда накопителя энергии 8 через согласующий электрический преобразователь 7. При этом обеспечивается номинальная загрузка главных первичных тепловых двигателей 1-1÷1-n и электрических генераторов 2-1÷2-n, а, соответственно, они работают в экономичном режиме работы. При этом энергия, запасенная в накопителе энергии 8, будет использоваться в режимах разгона или пуска гребной электрической установки, когда необходимо кратковременно обеспечить значительным значением энергии гребные электродвигатели 9-1÷9-m в динамических режимах работы. Соответственно в такой электроэнергетической установке установленная мощность главных первичных тепловых двигателей 1-1÷1-n и электрических генераторов 2-1÷2-n равна установленной мощности всех потребителей электроэнергии на судне.
В режимах торможения гребной установки энергия, рекуперируемая от гребных электродвигателей 9-1÷9-m, при торможении будет расходоваться для питания потребителей собственных нужд 17. При этом поток энергии будет направлен по цепи от гребных электродвигателей 9-1÷9-m через диоды инверторов напряжения 5-1÷5-m на общие шины постоянного тока 18 через инвертор напряжения 12, согласующий трансформатор напряжения 14 на щит вторичного электропитания 15 и питание потребителей собственных нужд 17. Неуправляемые выпрямители напряжения 4-1÷4-n в этом режиме находятся в запертом состоянии, так как напряжение на общих шинах постоянного тока 18 больше, чем суммарное напряжение, вырабатываемое электрическими генераторами 2-1÷2-n. Таким образом, в режимах рекуперации энергии от гребных электродвигателей 9-1÷9-m энергия от главных первичных тепловых двигателей 1-1÷1-n и электрических генераторов 2-1÷2-n не потребляется. Инвертор напряжения 12 работает в режиме стабилизации уровня и частоты напряжения на шинах вторичного электропитания 15, обеспечивая питание потребителей собственных нужд 17 напряжением с требуемыми показателями качества. В случае, если потребители собственных нужд 17 не способны принять такое количество электроэнергии, тогда сброс электроэнергии осуществляется на накопитель энергии 8 по цепи от гребных электродвигателей 9-1÷9-m через диоды инверторов напряжения 5-1÷5-m на общие шины постоянного тока 18 и через согласующий преобразователь энергии 7 - на накопитель энергии 8.
В случае если потребители собственных нужд 17 и накопитель энергии 8 более не могут принять на себя рекуперируемую электроэнергию, торможение будет осуществляться перераспределением энергии питания между гребными электродвигателями 9-1÷9-m. Так например, для торможения судна используется следующий алгоритм работы. Пусть количество работающих гребных электродвигателей 9-1÷9-m равно трем, а именно работают гребные электродвигатели 9-1, 9-2, 9-3. При необходимости торможения судна гребные электродвигатели 9-1 и 9-3 переводятся в генераторный режим, при этом рекуперируемая энергия поступает на общие шины постоянного тока 18, происходит рост напряжения на данных шинах, при этом неуправляемые выпрямители напряжения 4-1÷4-n находятся в запертом состоянии. Энергия, рекуперируемая гребными электродвигателями 9-1 и 9-3, переведенными в генераторный (тормозной) режим, потребляется гребным электродвигателем 9-2, работающим в двигательном режиме. После остановки гребных электродвигателей 9-1 и 9-3 они переводятся в двигательный режим с направлением вращения в противоположную сторону, а гребной электродвигатель 9-2 переводится в генераторный режим, а энергия, рекуперируемая им, передается на раскрутку гребных электродвигателей 9-1 и 9-2. Таким образом, возможны различные комбинации работы гребных электродвигателей 9-1÷9-m при торможении судна в данной единой электроэнергетической системе без использования тормозного прерывателя и тормозного резистора для быстрого торможения гребных электродвигателей 9-1÷9-m.
Данная единая электроэнергетическая установка судна может работать в режиме малошумного хода, при этом источником электроэнергии будет выступать накопитель энергии 8. Через согласующий преобразователь энергии 7 эта энергия, запасенная накопителем энергии 8, будет поступать на общие шины постоянного тока 18 для обеспечения электроэнергией потребителей, а именно гребных электродвигателей 9-1÷9-m и потребителей собственных нужд 17. В данном режиме главные первичные тепловые двигатели 1-1÷1-n и аварийный (стояночный) дизель-генератор 16 не работают.
Предлагаемая единая электроэнергетическая установка судна может работать в аварийном режиме работы. В этом режиме гребные электродвигатели 9-1÷9-m и потребители собственных нужд 17 будут получать питание от аварийного (стояночного) дизель-генератора 16. Схема единой электроэнергетической установки при работе в таком режиме состоит из аварийного (стояночного) дизель-генератора 16, от которого получает питание щит вторичного электропитания 15, обеспечивающий питание потребителей собственных нужд 17. От аварийного (стояночного) дизель-генератора 16 также могут получать питание гребные электродвигатели 9-1÷9-m по цепи - согласующий трансформатор напряжения 14, диодный неуправляемый выпрямитель напряжения, инвертор напряжения 12, общие шины постоянного тока 18 и инверторы напряжения 5-1÷5-m.
Работа предложенной единой электроэнергетической установки в стояночном режиме заключается в питании потребителей собственных нужд от аварийного (стояночного) дизель-генератора 16 на щит вторичного электропитания 15, осуществляющий питание потребителей собственных нужд 17.
Для обеспечения плавного заряда накопительных конденсаторов 6-1÷6-m и дополнительного накопительного конденсатора 13 выпрямитель напряжения 19 может быть выполнен полууправляемым, как изображено на фиг. 2. Данное схемотехническое решение позволяет осуществить плавный заряд накопительных конденсаторов 6-1÷6-m и дополнительного накопительного конденсатора 13 методом фазового управления катодной группы тиристоров полууправляемого выпрямителя напряжения 19, а также осуществлять отключение напряжения, вырабатываемого электрическими генераторами 2-1÷2-n от общих шин постоянного тока 18.
В случае стоянки у берега, для обеспечения питания потребителей собственных нужд 17 и зарядки накопителя энергии 8 единая электроэнергетическая установка может быть снабжена щитом питания с берега 20 и автоматическим выключателем 21 (фиг. 3). Такое схемное решение выполнено с целью экономии топлива и ресурса главных первичных тепловых двигателей 1-1÷1-n и аварийного (стояночного) дизель-генератора 16 при стоянке судна у берега.
Для обеспечения питания внешних потребителей электроэнергией единая электроэнергетическая установка судна может быть дополнительно снабжена двумя автоматическими выключателями 22, 23 и щитом питания внешних потребителей 24 (фиг. 4). Такое схемное решение позволит осуществить питание мощных внешних потребителей электроэнергии с требуемыми показателями качества электроэнергии от главных первичных тепловых двигателей 1-1÷1-s (где s=1÷n) по цепи - электрические генераторы 2-1÷2-s, автоматические выключатели 3-1÷3-s, неуправляемые выпрямители напряжения 4-1÷4-n, общие шины постоянного тока 18, инвертор напряжения 5-m, автоматический выключатель 23 и щит питания внешних потребителей 24. Такой режим может быть необходим для электроснабжения берегового временного лагеря, поселка и т.д. Следует отметить, что в данном режиме работы исключена одновременная работа автоматических выключателей 22 и 23.
Предлагаемая электроэнергетическая установка позволяет использовать высокочастотный генераторный агрегат, тем самым уменьшая массогабаритные характеристики всей электроэнергетической системы. Главным же достоинством такой единой электроэнергетической системы является то, что в ней используются столько главных первичных тепловых двигателей и электрических генераторов, сколько необходимо потребителям, а благодаря накопителю энергии установленная мощность генераторных агрегатов равна установленной мощности потребителей электроэнергии. Такая электроэнергетическая система сочетает в себе минимум элементов преобразования электрической энергии и максимальную энергетическую эффективность при работе.
К достоинствам единой электроэнергетической системы также можно отнести отсутствие необходимости в использовании ГРЩ (главного распределительного щита); отсутствие необходимости в использовании согласующих трансформаторов; торможение судна осуществляется без использования тормозных резисторов, либо сбросом энергии на потребители собственных нужд и накопитель энергии, либо сбросом энергии на другие гребные электродвигатели; возможность ступенчатой регулировки уровня напряжения в звене постоянного тока посредством количества включенных генераторных установок.
Преимуществом данной электроэнергетической установки является повышение энергетической эффективности и увеличение коэффициента загрузки первичных тепловых двигателей электроэнергетической установки и, как следствие, экономия топлива, а также повышение ресурса элементов системы. К достоинствам предлагаемой системы также следует отнести простоту структуры, отсутствие искажений напряжения на шинах щита вторичного электропитания, улучшение массогабаритных и виброшумовых характеристик, а также повышение надежности и живучести электроэнергетической установки.