Судовая электроэнергетическая установка
SHIP ELECTRIC POWER PLANT

Изобретение относится к судостроению, в частности к электроэнергетическим установкам судов с преобразователями частоты и гребными электродвигателями.
Аналогом является, например, изобретение «Marine propulsion system with reduced on-board network distortion factor» (патент WO 02/100716 A1), содержащая двигатели внутреннего сгорания или турбины, вращающие роторы генераторов переменного тока, трехфазные обмотки статоров которых подключены к трехфазным линиям главного распределительного щита, к трехфазным линиям главного распределительного щита подключены первичные обмотки пропульсивных трансформаторов. К вторичным обмоткам пропульсивных трансформаторов подключаются входы 12-пульсных выпрямителей, входящих в состав преобразователей частоты, к выходам которых подключены гребные электродвигатели переменного тока.
Наиболее близка к предлагаемой судовой электроэнергетической установке, судовая электроэнергетическая установка (патент РФ 2436708, В63Н 21/17), содержащая главные дизели, вращающие роторы главных трехфазных синхронных генераторов, на статорах которых размещаются две аналогичные трехфазные обмотки, линейные напряжения на которых смещены друг относительно друга на 30 электрических градусов. Выводы обмоток статора подключены через автоматические выключатели к трехфазным линиям питания главного распределительного щита, число которых равно числу трехфазных обмоток статора одного из генераторов. К трехфазным линиям главного распределительного щита подключены входы 12-пульсных выпрямителей, обеспечивающих малые пульсации выходного напряжения. Выпрямленное напряжение с выхода каждого выпрямителя поступает на вход автономных инверторов напряжения, входящих в состав преобразователей частоты, а с выхода автономных инверторов переменное напряжение, управляемое по амплитуде и частоте, поступает на обмотки статоров гребных электродвигателей переменного тока. К каждой трехфазной линии главного распределительного щита через автоматические выключатели подключены также первичные обмотки трехфазных трансформаторов, а вторичные обмотки, имеющие различные схемы соединения, через автоматические выключатели подключены к одной и той же трехфазной линии питания распределительного щита остальных судовых потребителей, к которой через автоматические выключатели подключена обмотка статора стояночного дизель-генератора, трехфазная линия распределительного щита аварийного дизель-генератора, а также фидеры и распределительные щиты отдельных судовых потребителей.
В данной судовой электроэнергетической установке гребные электродвигатели и все остальные судовые потребители получают электроэнергию от одной и той же электростанции, что повышает надежность электроснабжения и живучесть судна. Гальванически не связанные обмотки синхронных генераторов, линейные напряжения на которых смещены друг относительно друга на 30 электрических градусов, позволяют в составе преобразователей частоты применить 12-пульсные выпрямители, характеризующиеся малыми пульсациями напряжения на выходе, необходимые для питания автономных инверторов напряжения, от которых запитываются гребные электродвигатели, которые являются на судах с электродвижением основными потребителями электроэнергии.
Однако в качестве автономных инверторов напряжения, в составе преобразователей частоты, используются двухуровневые автономные инверторы напряжения (трехфазные, мостовые), которые характеризуются значительными искажениями формы тока и напряжения на их выходе, что ведет к росту потерь в гребных электродвигателях, которые от них запитываются. Увеличение потерь в гребных электродвигателях ведет к росту их нагрева, снижению срока службы, а также к снижению КПД всей установки, а значит к увеличению расходов при эксплуатации судна.
Предлагаемое изобретение позволит создать судовую электроэнергетическую установку с более высоким КПД.
Это достигается тем, что в предлагаемой судовой электроэнергетической установке, содержащей главные дизели или турбины, вращающие роторы главных синхронных генераторов, на статоре которых размещены четыре гальванически развязанные трехфазные обмотки, смещенные относительно друг друга на 15 электрических градусов, которые через автоматические выключатели подключены к линиям питания главного распределительного щита, к которым через автоматические выключатели подключены входы 12-пульсных выпрямителей, содержащихся в главном распределительном щите. Входы каждого 12-пульсного выпрямителя подключаются к двум линиям главного распределительного щита, напряжения на которых смещены друг относительно друга на 30 электрических градусов. Число выпрямителей равно числу пар обмоток синхронных генераторов. Выходы выпрямителей подключены к входам трехуровневого автономного инвертора напряжения, питающего гребной электродвигатель. К одной любой паре линий главного распределительного щита через автоматические выключатели подключены также первичные обмотки трансформаторов общесудовых потребителей, а трехфазные вторичные обмотки трансформаторов через автоматические выключатели присоединены к трехфазной линии питания распределительного щита остальных судовых потребителей.
Выполнение в судовой электроэнергетической установке главных генераторов с четырьмя гальванически развязанными трехфазными обмотками, смещенными относительно друг друга на 15 электрических градусов, 12-пульсных выпрямителей, позволяет получить два источника постоянного тока, обладающих малыми пульсациями напряжения, необходимыми для работы трехуровневого автономного инвертора напряжения. Таким образом, в отличие от прототипа, в предлагаемой судовой электроэнергетической установке обеспечивается более высокое качество напряжения питания гребного электродвигателя, что позволяет снизить потери в гребном электродвигателе, вследствие чего повышается КПД электроэнергетической установки.
На фиг. 1 показана структурная схема предлагаемой судовой электроэнергетической установки.
В изображенной на фиг. 1 структурной схеме судовой электроэнергетической установки выходной вал 2 первого главного дизеля (или турбины) 1 соединен с ротором синхронного генератора 3, на статоре которого размещены четыре гальванически развязанные трехфазные обмотки, смещенные относительно друг друга на 15 электрических градусов. Трехфазные обмотки 4 и 5 сдвинуты друг относительно друга на 30 электрических градусов. Трехфазных обмотки 6 и 7 также сдвинуты друг относительно друга на 30 электрических градусов. Пара обмоток 4, 5 и пара обмоток 6, 7 сдвинуты друг относительно друга на 15 электрических градусов. Трехфазная обмотка 4, через автоматический выключатель 8 подключается к трехфазной линии 9 главного распределительного щита 10. Трехфазная обмотка 5, через автоматический выключатель 11 подключается к трехфазной линии 12 главного распределительного щита 10. Трехфазная обмотка 6, через автоматический выключатель 13 подключается к трехфазной линии 14 главного распределительного щита 10. Трехфазная обмотка 7, через автоматический выключатель 15 подключается к трехфазной линии 16 главного распределительного щита 10. Выходной вал 18 второго главного дизеля (или турбины) 17 соединен с ротором синхронного генератора 19, на статоре которого размещены четыре гальванически развязанные трехфазные обмотки, смещенные относительно друг друга на 15 электрических градусов. Трехфазные обмотки 20 и 21 сдвинуты друг относительно друга на 30 электрических градусов. Трехфазных обмотки 22 и 23 также сдвинуты друг относительно друга на 30 электрических градусов. Пара обмоток 20, 21 и пара обмоток 22, 23 сдвинуты друг относительно друга на 15 электрических градусов. Трехфазная обмотка 20, через автоматический выключатель 24 подключается к трехфазной линии 25 главного распределительного щита 10. Трехфазная обмотка 21, через автоматический выключатель 26 подключается к трехфазной линии 27 главного распределительного щита 10. Трехфазная обмотка 22, через автоматический выключатель 28 подключается к трехфазной линии 29 главного распределительного щита 10. Трехфазная обмотка 23, через автоматический выключатель 30 подключается к трехфазной линии 31 главного распределительного щита 10. Трехфазная линия 16 и трехфазная линия 31 могут быть соединены автоматическим выключателем 32. Трехфазная линия 14 и трехфазная линия 29 могут быть соединены автоматическим выключателем 33. Трехфазная линия 12 и трехфазная линия 27 могут быть соединены автоматическим выключателем 34. Трехфазная линия 9 и трехфазная линия 25 могут быть соединены автоматическим выключателем 35.
К трехфазным линиям 9 и 12 с помощью автоматических выключателей соответственно 36 и 37 подключаются входы 12-пульсного выпрямителя 38. К трехфазным линиям 14 и 16 с помощью автоматических выключателей соответственно 39 и 40 подключаются входы 12-пульсного выпрямителя 41. Выпрямленные напряжения с выходов выпрямителей 38 и 41 через автоматические выключатели 42, 43 и 45, 46 подаются на входы трехуровневых инверторов напряжения 44 и 47, к выходу которых подключены обмотки 48 и 49 гребного электродвигателя 50, на валу которого установлен гребной винт 51.
К трехфазным линиям 25 и 27 с помощью автоматических выключателей соответственно 52 и 53 подключаются входы 12-пульсного выпрямителя 54. К трехфазным линиям 29 и 31 с помощью автоматических выключателей соответственно 55 и 56 подключаются входы 12-пульсного выпрямителя 57. Выпрямленные напряжения с выходов выпрямителей 54 и 57 через автоматические выключатели 58, 59 и 61, 62 подаются на входы трехуровневых инверторов напряжения 60 и 63, к выходу которых подключены обмотки 64 и 65 гребного электродвигателя 66, на валу которого установлен гребной винт 67.
К трехфазной линии 29 с помощью автоматического выключателя 68 подключается первичная обмотка 69 трансформатора 70, соединенная звездой. Вторичная обмотка 71 трансформатора 70, соединенная звездой, через автоматический выключатель 72 подключается к трехфазной линии 73 щита судовых потребителей 74. К трехфазной линии 31 с помощью автоматического выключателя 75 подключается первичная обмотка 76 трансформатора 77, соединенная треугольником. Вторичная обмотка 78 трансформатора 77, соединенная звездой, через автоматический выключатель 79 подключается к трехфазной линии 73 щита судовых потребителей 74. Фидеры судовых потребителей 81, через автоматические выключатели 80, подключаются к трехфазной линии 73 щита судовых потребителей 43.
Предлагаемая судовая электроэнергетическая установка работает следующим образом. После запуска главных дизелей 1 и 17 устройства регулирования напряжения и частоты синхронных генераторов 3 и 19 обеспечивают на выходе генераторов 3 и 19 номинальные напряжение и частоту. Затем автоматические выключатели 8, 11, 13 и 15 подключают обмотки 4, 5, 6 и 7 синхронного генератора 3 к линиям 9, 12, 14 и 16, а автоматические выключатели 24, 26, 28, и 30 подключают обмотки 20, 21, 22 и 23 синхронного генератора 19 к линиям 25, 27, 29 и 30 главного распределительного щита 10. Перед включением автоматических выключателей 32, 33, 34 и 35 производится синхронизация синхронных генераторов 3 и 19, при этом достаточно обеспечить условия синхронизации генераторов 3 и 19 только по напряжениям на одной паре трехфазных обмоток, например, 4 и 20, так как синхронизация напряжений на других парах обмоток (5, 21 и 6, 22 и 7, 23) также будет обеспечена, поскольку трехфазные обмотки 5, 21 и 6, 22 и 7, 23 аналогичны. После включения автоматических выключателей 32, 33, 34 и 35 трехфазные линии 31 и 16, трехфазные линии 29 и 14, трехфазные линии 27 и 12, и трехфазные линии 25 и 9 соединены и синхронные генераторы 3 и 19 будут работать параллельно.
При замыкании автоматических выключателей 36 и 37 входы 12-пульсного выпрямителя 38 подключаются к трехфазным линиям 9 и 12. При замыкании автоматических выключателей 39 и 40 входы 12-пульсного выпрямителя 41 подключаются к трехфазным линиям 14 и 16. Выпрямленные напряжения с выходов выпрямителей 38 и 41 через автоматические выключатели 42, 43 и 45, 46 поступают на входы трехуровневых автономных инверторов напряжения 44 и 47, и с выходов инверторов 44 и 47 управляемое переменное напряжение подается на трехфазные обмотки 48 и 49 гребного электродвигателя 50, вращающего винт 51.
Аналогичным образом будет работать вторая гребная установка. При замыкании автоматических выключателей 52 и 53 входы 12-пульсного выпрямителя 54 подключаются к трехфазным линиям 25 и 27. При замыкании автоматических выключателей 55 и 56 входы 12-пульсного выпрямителя 57 подключаются к трехфазным линиям 29 и 31. Выпрямленные напряжения с выходов выпрямителей 54 и 57 через автоматические выключатели 58, 59 и 61, 62 поступают на входы трехуровневых автономных инверторов напряжения 60 и 63, и с выходов инверторов 60 и 63 управляемое переменное напряжение подается на трехфазные обмотки 64 и 65 гребного электродвигателя 66, вращающего винт 67.
Для обеспечения электроэнергией остальных судовых потребителей к линии 29 главного распределительного щита 10 через автоматический выключатель 68 подключается первичная обмотка 69 трансформатора 70, соединенная звездой. Вторичная обмотка 71 трансформатора 70 также соединенная звездой через автоматический выключатель 72 подключается к трехфазной линии 73 распределительного щита 74 судовых потребителей. К линии 31 главного распределительного щита 10 через автоматический выключатель 75 подключается первичная обмотка 76 трансформатора 77, соединенная треугольником. Вторичная обмотка 78 трансформатора 77 соединена звездой и через автоматический выключатель 79 также подключается к трехфазной линии 73 распределительного щита 74 судовых потребителей. Различный способ соединения первичных обмоток трансформаторов 70 и 71 - звезда и треугольник позволяет получить на вторичных обмотках трансформаторов 70 и 71 напряжения, совпадающие по фазе, а величина напряжений на вторичных обмотках выравнивается за счет соответствующего выбора коэффициентов трансформации трансформаторов 70 и 71. Поэтому напряжения на вторичных обмотках трансформаторов 70 и 71 совпадают по частоте, амплитуде и фазе, что дает возможность подключить их к линии 73 параллельно.
Таким образом, в предлагаемой судовой электроэнергетической установке главные генераторы с четырьмя гальванически развязанными трехфазными обмотками, смещенными относительно друг друга на 15 электрических градусов, двумя дополнительными 12-пульсными выпрямителями, а также трехуровневыми автономными инверторами напряжения позволяет снизить потери в гребных электродвигателях и в целом повысить КПД судовой электроэнергетической установки.
Подключение каждого выпрямителя к паре трехфазных обмоток, напряжения на которых сдвинуты друг относительно друга на 30 электрических градусов, позволяет компенсировать 5 и 7 гармонические составляющие токов при работе выпрямителей. Наличие сдвига фаз в 15 электрических градусов, между двумя парами обмоток синхронного генератора, позволяет компенсировать 11 и 13 гармонические составляющие токов при работе 12-пульсных выпрямителей, что позволяет снизить искажения напряжения в судовой сети.