Судовая электроэнергетическая установка
SHIP ELECTRIC POWER INSTALLATION

Изобретение относится к судостроению, в частности к электроэнергетическим установкам судов с преобразователями частоты и гребными электродвигателями.
Аналогом является, например, судовая электроэнергетическая установка (пат. ЕР 1641098 от 2006.03.29), содержащая двигатели внутреннего сгорания или турбины, вращающие роторы генераторов переменного тока, трехфазные обмотки статора которых подключены к трехфазной линии главного распределительного щита, к линии главного распределительного щита подключены первичные обмотки трансформаторов, а к вторичным обмоткам трансформаторов подключены входы преобразователей частоты, к выходам которых подключены гребные электродвигатели переменного тока.
Наиболее близким к предлагаемой судовой электроэнергетической установке является изобретение «Marine propulsion system with reduced on-board network distortion factor» (патент WO 02/100716 A1), содержащее главные дизели, вращающие роторы главных синхронных генераторов, выводы трехфазных обмоток статоров которых подключены через автоматические выключатели к трехфазной линии питания главного распределительного щита. К трехфазной линии главного распределительного щита через автоматический выключатель подключены первичные обмотки трехфазных трансформаторов. Каждый из трансформаторов имеет две вторичные трехфазные обмотки, при этом фазы одной вторичной обмотки соединены звездой, а фазы второй вторичной обмотки соединены треугольником. Вторичные обмотки трансформаторов подключаются к входам выпрямителей, входящих в состав преобразователей частоты. Выходы выпрямителей подключаются к входу автономного инвертора напряжения, также входящего в состав преобразователей частоты. Выход инвертора напряжения подключается к обмотке гребного электродвигателя, соединенного с гребным винтом. Остальные судовые потребители подключаются к вторичной обмотке трехфазных трансформаторов, а первичная обмотка этих трансформаторов подключается к линии главного распределительного щита.
В данной судовой электроэнергетической установке гребные электродвигатели и все остальные судовые потребители электроэнергии получают электроэнергию от одной и той же электростанции, что повышает надежность электроснабжения и живучесть судна. Благодаря получению с помощью трансформаторов двух систем трехфазных напряжений, смещенных на 30 электрических градусов в составе преобразователей частоты применены 12-пульсные выпрямители, повышающие качество напряжения на выходе автономных инверторов и значит КПД гребных электродвигателей. 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 гребные электродвигатели питаются от трехуровневых автономных инверторов напряжения, которые входят в состав преобразователей частоты. Для работы трехуровневого автономного инвертора напряжения требуется два гальванически развязанных источника постоянного тока, в качестве которых, согласно изобретению, используются два 12-пульсных выпрямителя. Для работы каждого 12-пульсного выпрямителя требуется две гальванически развязанные системы трехфазных напряжений, имеющих сдвиг фаз в 30 электрических градусов, которые получены путем размещения двух вторичных обмоток, соединенных в звезду и треугольник, на соответствующем трансформаторе. Поэтому для работы двух 12-пульсных выпрямителей, от которых запитывается трехуровневый автономный инвертор напряжения, который питает гребной электродвигатель, на трансформаторе расположены 4-е вторичные обмотки, соединенные по схемам - звезда, треугольник, звезда, треугольник. Расположение 4-х вторичных обмоток на одном трансформаторе позволяет в большей степени компенсировать наличие гармоник, чем при использовании двух трансформаторов с двумя вторичными обмотками.
Выполнение в судовой электроэнергетической установке преобразователей частоты с трехуровневым автономным инвертором напряжения и двумя 12-пульсными выпрямителями, а также трансформатора с 4-я вторичными обмотками, предназначенного для обеспечения работы двух 12-пульсных выпрямителей позволяет снизить потери в гребных электродвигателях и в целом повысить КПД судовой электроэнергетической установки.
На чертеже 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, трехфазная обмотка которого, через автоматический выключатель 4 подключается к трехфазной линии 5 главного распределительного щита 6. Выходной вал 8 второго главного дизеля (или турбины) 7 соединен с ротором второго синхронного генератора 9, трехфазная обмотка которого, через автоматический выключатель 10 подключается к трехфазной линии 11 главного распределительного щита 6. Трехфазная линия 5 и трехфазная линия 11 могут быть соединены автоматическим выключателем 12.
К трехфазной линии 5 с помощью автоматического выключателя 13 подключается первичная обмотка 15 трансформатора 14, соединенная звездой. Две вторичные обмотки 16 и 17, соединенные по схемам звезда и треугольник, трансформатора 14, подключаются к входам 12-пульсного выпрямителя 22, а две вторичные обмотки 18 и 19, также соединенные по схемам звезда и треугольник, подключаются к входам 12-пульсного выпрямителя 21. Выпрямленные напряжения с выпрямителей 21 и 22, входящих в состав преобразователя частоты 20, поступают на входы трехуровневого автономного инвертора напряжения 23, к выходу которого подключен гребной электродвигатель 24, на валу которого установлен гребной винт 25.
К трехфазной линии 11 с помощью автоматического выключателя 26 подключается первичная обмотка 28 трансформатора 27, соединенная звездой. Две вторичные обмотки 29 и 30, соединенные по схемам звезда и треугольник, трансформатора 27, подключаются к входам 12-пульсного выпрямителя 35, а две вторичные обмотки 31 и 32, также соединенные по схемам звезда и треугольник, подключаются к входам 12-пульсного выпрямителя 34. Выпрямленные напряжения с выпрямителей 34 и 35, входящих в состав преобразователя частоты 33, поступают на входы трехуровневого автономного инвертора напряжения 36, к выходу которого подключен гребной электродвигатель 37, на валу которого установлен гребной винт 38.
К трехфазной линии 11 с помощью автоматического выключателя 39 подключается первичная обмотка 41 трансформатора 40, соединенная звездой. Вторичная обмотка 42 трансформатора 40, также соединенная звездой, с помощью автоматического выключателя 43 подключается к фидеру 44, питающего распределительные щиты судовых потребителей электроэнергии (не показаны на схеме).
Предлагаемая судовая электроэнергетическая установка работает следующим образом. После запуска главных дизелей 1 и 7, устройства регулирования напряжения и частоты синхронных генераторов 3 и 9 обеспечивают на выходе генераторов 3 и 9 номинальные напряжение и частоту. Затем автоматический выключатель 4 подключает трехфазную обмотку синхронного генератора 3 к линии 5, а автоматический выключатель 10 подключает обмотку синхронного генератора 9 к линии 11 главного распределительного щита 6. Перед включением автоматического выключателя 12 производится синхронизация синхронных генераторов 3 и 9. После включения автоматического выключателя 12 трехфазные линии 5 и 11 соединены и синхронные генераторы 3 и 9 будут работать параллельно.
При замыкании автоматического выключателя 13 к трехфазной линии 5 подключается первичная обмотка 15 трансформатора 14, соединенная звездой. Напряжения с вторичных обмоток 16 и 17 поступают на входы 12-пульсного выпрямителя 22, а напряжения с вторичных обмоток 18 и 19 поступают на входы 12-пульсного выпрямителя 21. Обязательным условием работы 12-пульсных выпрямителей 21 и 22 преобразователя частоты 20, является подключение к их входам двух систем, гальванически развязанных трехфазных напряжений, сдвинутых друг относительно друга на 30 электрических градусов, что достигается в данной установке, путем чередования схем соединения вторичных обмоток трансформатора 14. Выпрямленные напряжения с выходов выпрямителей 21 и 22 поступают на входы трехуровневого автономного инвертора напряжения 23, и с выхода инвертора 23 управляемое переменное напряжение подается на гребной электродвигатель 24, вращающий винт 25.
Аналогичным образом будет работать вторая гребная установка. При замыкании автоматического выключателя 26 к трехфазной линии 11 подключается первичная обмотка 28 трансформатора 27, соединенная звездой. Напряжения с вторичных обмоток 29 и 30 поступают на входы 12-пульсного выпрямителя 35, а напряжения с вторичных обмоток 31 и 32 поступают на входы 12-пульсного выпрямителя 34. Обязательным условием работы 12-пульсных выпрямителей 34 и 35 преобразователя частоты 33, является подключение к их входам двух систем, гальванически развязанных трехфазных напряжений, сдвинутых друг относительно друга на 30 электрических градусов, что достигается в данной установке, путем чередования схем соединения вторичных обмоток трансформатора 27. Выпрямленные напряжения с выходов выпрямителей 34 и 35 поступают на входы трехуровневого автономного инвертора напряжения 36, и с выхода инвертора 36 управляемое переменное напряжение подается на гребной электродвигатель 37, вращающий винт 38.
Для обеспечения электроэнергией остальных судовых потребителей к линии 11 главного распределительного щита 6 через автоматический выключатель 39 подключается первичная обмотка 41 трансформатора 40, соединенная звездой. Вторичная обмотка 42 трансформатора 40 также соединенная звездой через автоматический выключатель 43 подключается к фидеру 44, от которого питаются распределительные щиты судовых потребителей электроэнергии (не показаны на схеме).
Таким образом, в предлагаемой судовой электроэнергетической установке преобразователей частоты с трехуровневым автономным инвертором напряжения и двумя 12-пульсными выпрямителями, а также трансформатора с 4-я вторичными обмотками, предназначенного для обеспечения работы двух 12-пульсных выпрямителей позволяет снизить потери в гребных электродвигателях и в целом повысить КПД судовой электроэнергетической установки.
Показатели потерь в гребных электродвигателях и КПД судовой электроэнергетической установки могут быть дополнительно улучшены путем дальнейшего увеличения числа уровней у автономных инверторов напряжения, входящих в состав преобразователей частоты. Применение преобразователей частоты на базе четырехуровневого или пятиуровневого автономного инвертора напряжения позволяет в большей степени снизить потери в гребных электродвигателях и повысить КПД судовой электроэнергетической установки. Для обеспечения работы четырехуровневого автономного инвертора напряжения требуется три 12-пульсных выпрямителя, а для обеспечения работы трех 12-пульсных выпрямителей требуется трансформатор с 6-ю вторичными обмотками, соединенными по схемам - звезда, треугольник, звезда, треугольник, звезда, треугольник. Для обеспечения работы пятиуровневого автономного инвертора напряжения требуется четыре 12-пульсных выпрямителя, а для обеспечения работы четырех 12-пульсных выпрямителей требуется трансформатор с 8-ю вторичными обмотками, соединенными по схемам - звезда, треугольник, звезда, треугольник, звезда, треугольник, звезда, треугольник.