СУДОВАЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
SHIP ELECTRIC POWER GENERATOR

Предложение относится к судовой электротехнике и может быть использовано в качестве электроэнергетической установки с несколькими источниками энергии как на надводных, так и на подводных судах.
Известна электрогенерирующая система для морского судна (патент WO 2008/130968, МПК В63Н 21/17, В63Н 21/22, В63Н 23/24, B63J 3/02, 30.10.2008), содержащая дизель-генератор, блоки подключения к береговой сети с изолирующим трансформатором, выпрямители, блоки управления бесщеточными двигателями постоянного тока, гребной и вспомогательный двигатели, аккумуляторную батарею, зарядное устройство, инвертор, общесудовые потребители на постоянном и переменном токе, устройства защиты и блок управления. Недостатком системы является отсутствие резервирования основного источника питания - дизель-генератора другими источниками электроэнергии.
Известна электроэнергетическая система подводной лодки с электрохимическим генератором (патент RU 2167783, МПК B63G 8/08, В63Н 23/24, 27.05.2001), содержащая дизель-генератор, аккумуляторную батарею, электрохимический генератор, гребной электродвигатель, согласующий преобразователь, блок управления, датчик напряжения и датчики тока. Недостаток устройства заключается в сложности и ненадежности обеспечения равномерного распределения нагрузки между параллельно работающими энергоблоками электрохимического генератора и аккумуляторной батареей.
За прототип взята судовая электрическая пропульсивная система (патент WO 2011/073957, МПК В63Н 23/24, B63J 3/02, 23.06.2011), включающая в себя дизель-генераторы, блок аккумуляторных батарей, генератор на топливных элементах, фотоэлектрическую систему, гребные электродвигатели, связанные через редукторы с винтами, выпрямители, фильтры, инвертор, преобразователи AC/DC и DC/DC, замыкающие контакты, общесудовые потребители на постоянном и переменном токе и блок управления. Недостатком устройства является опосредованная передача энергии от всех источников через блок аккумуляторных батарей, неисправность которого приводит к обесточиванию судна и необходимости создания обходных путей передачи электроэнергии к потребителям. Кроме того, в системе содержится большое количество преобразователей AC/DC и DC/DC, обеспечивающих согласование напряжений различных источников энергии, что снижает КПД и надежность системы в целом. При этом преобразователи, включенные между источниками и блоком аккумуляторных батарей, находятся в режиме параллельной работы, что приводит к неравномерному распределению зарядных токов от различных источников, вызывая перегрузку одних из них и недогрузку других.
Предлагаемая судовая электроэнергетическая установка позволяет оптимизировать использование содержащихся на судне источников электроэнергии, исключить перебои в питании при переходе от одного источника к другому, минимизировать количество содержащихся в установке преобразователей, повысить ее КПД и надежность. Введенный в установку преобразователь частоты, работающий в сочетании с асинхронным трехфазным гребным электродвигателем, позволяет улучшить управляемость и маневренность судна.
Установка, функциональная схема которой представлена на рисунке, содержит блок 1 аккумуляторных батарей, генератор 2 на топливных элементах, дизель-генератор 3, соединенный через выпрямитель 4, фильтр (конденсатор) 5 и замыкающие контакты 6 с входами инвертора 7 и согласующего преобразователя DC/DC, к выходам которых подключены общесудовые потребители 9, 10 (освещение, отопление, радионавигационное оборудование, холодильные установки и т.д.) и потребители 11, 12 (электромагнитные клапаны, насосы, компрессоры, нагреватели, вентиляторы, датчики и т.д.) собственных нужд генератора 2. Установка включает в себя также зарядное устройство 13, гребной электродвигатель 14, механически связанный с винтом 15, и блок 16 автоматического управления и контроля.
Установка снабжена преобразователем 17 частоты, вход которого подключен к выходу инвертора 7, а выход - к электродвигателю 14, тремя датчиками 18, 19, 20 напряжения, подключенными к выходам выпрямителя 4, генератора 2 и блока 1, двумя развязывающими диодами 21, 22, дополнительными замыкающими контактами 23 и переключающимися контактами 24. При этом выходы генератора 2 и блока 1 соответственно через контакты 23, диод 21 и замыкающие переключающиеся контакты 24, диод 22 объединены и подключены к входам инвертора 7, преобразователя 8 и зарядного устройства 13, выход которого через размыкающие переключающиеся контакты 24 соединен с блоком 1. Выходы датчиков 18, 19, 20 связаны с входами блока 16, выходы которого соединены с управляющими входами контактов 6, 23, 24 и с управляющими входами потребителей 11,12 генератора 2.
Судовая электроэнергетическая установка работает следующим образом. При запуске дизель-генератора 3 (для подводной лодки в надводном положении) на его выходе появляется переменное напряжение, преобразуемое выпрямителем 4 и фильтром 5 в постоянное. С выхода датчика 18 в блок 16 поступает сигнал о готовности дизель-генератора 3 к приему нагрузки, под действием которого блок 16 замыкает контакты 6. При этом на входы инвертора 7, преобразователя 8 и устройства 13 поступает постоянное напряжение от выпрямителя 4. Инвертор 7 преобразует входное постоянное напряжение в трехфазное переменное, которое запитывает преобразователь 17 и потребители 9, 11. Преобразователь 8 формирует стабильное постоянное напряжение, требуемое потребителями 10, 12. Устройство 13 осуществляет подзаряд оптимальным напряжением аккумуляторов блока 1. Преобразователь 17 в соответствии с требуемыми ходовыми характеристиками судна регулирует напряжение и частоту двигателя 14. Использование в установке двойного преобразования (AC/DC и DC/AC) напряжения дизель-генератора 3 обеспечивает высокую стабильность выходного напряжения инвертора 7.
Для отключения дизель-генератора 3 (например, при погружении подводной лодки) без возникновения перебоев в питании двигателя 14 и потребителей 9, 10, 11, 12 блок 16 сначала переключает контакты 24, подключая блок 1 к входам инвертора 7, преобразователя 8 и устройства 13 и отключая его от выхода устройства 13, а затем с некоторой задержкой размыкает контакты 6 и останавливает дизель-генератор 3. При этом питание инвертора 7 и преобразователя 8 не прерывается и осуществляется от аккумуляторных батарей блока 3. Развязывающий диод 22 и диоды выпрямителя 4 предотвращают взаимодействие дизель-генератора 3 и блока 1 между собой на момент их одновременного действия. Аналогичный порядок функционирования сохраняется и при возникновении неисправности дизель-генератора 3, вызывающей снижение выходного напряжения датчика 18, под действием которого блок 16 последовательно переключает контакты 24, размыкает контакты 6 и останавливает дизель-генератор 3. Одновременно с этим блок 16 начинает управление потребителями 11, 12, обеспечивающими в соответствии с заданным алгоритмом перевод генератора 2 из холодного состояния в рабочее. После достижения выходным напряжением генератора 2 номинального значения датчик 19 сигнализирует блоку 16 о его готовности к подключению нагрузки. По мере разряда аккумуляторных батарей блока 1 напряжение на выходе датчика 20 достигает заданной нижней границы, информируя об этом блок 16. Блок 16 замыкает контакты 23 и с некоторой задержкой переключает контакты 24. Развязывающие диоды 21, 22 предотвращают взаимодействие генератора 2 и блока 1 на момент их одновременного подключения к входу инвертора 7. В результате произведенных переключений к входам инвертора 7, преобразователя 8 и устройства 13, вместо блока 1, подключается генератор 2, а к блоку 1 подсоединяется выход устройства 13, осуществляющего его подзаряд. Указанные переключения также происходят без перебоев в питании двигателя 14 и потребителей 9, 10, 11, 12. При выработке ресурса генератора 2 на выходе датчика 19 снижается напряжение, что фиксируется блоком 16, осуществляющим повторное переключение контактов 24 с последующим размыканием контактов 23. После этого в соответствии с заданным алгоритмом блок 16, управляя потребителями 11, 12, переводит генератора 2 из рабочего состояния в холодное. Дальнейшая работа установки осуществляется от блока 1.
Для реализации рассмотренной схемы электроэнергетической установки необходимо, чтобы выходные напряжения выпрямителя 4, блока 1 и генератора 2 были достаточно близки друг к другу и укладывались в диапазон допустимых входных напряжений инвертора 7, преобразователя 8 и устройства 13. Это достигается за счет использования необходимого количества последовательно-параллельно соединенных аккумуляторных батарей блока 1 и энергоблоков генератора 2.
В качестве управляемых замыкающих и переключающихся контактов 6, 23, 24 могут быть использованы как силовые контакторы, так и твердотельные реле.
Для уменьшения потерь в качестве выпрямителя 4 и диодов 21, 22 могут быть применены диоды Шоттки, обладающие низким падением напряжения в прямом направлении.
Блок 16 позволяет менять режим работы электроэнергетической установки. В частности, может быть изменена последовательность включения и длительность работы того или иного источника электроэнергии. Например, блок 1 может быть использован только для запуска и остановки генератора 2 в течение относительно непродолжительного времени. При этом емкость аккумуляторных батарей блока 1, их масса и габариты будут минимальными.
Для увеличения мощности установки возможно использование второй аналогичной установки, объединенной с первой, посредством блока параллельной работы инверторов.
Таким образом, предлагаемая установка обеспечивает наиболее экономичный и простой способ переключения источников энергии без возникновения перебоев в питании гребного электродвигателя и судовых потребителей. Она характеризуется малым количеством преобразователей, отсутствием влияния источников друг на друга и обладает высокой надежностью и универсальностью.