СУДОВАЯ ПРОПУЛЬСИВНАЯ ВАЛОГЕНЕРАТОРНАЯ УСТАНОВКА
SHIPBOARD PROPULSIVE SHAFT-GENERATOR PLANT

Изобретение относится к судостроению, в частности к судовым электроэнергетическим системам с комбинированными пропульсивными установками, а точнее к их исполнительной части, предназначенной для преобразования механической энергии теплового двигателя в механическую энергию, используемую для движения судна, и в электрическую энергию для питания потребителей от валогенераторной установки, имеющей возможность работы как в качестве генератора электроэнергии, так и в двигательном режиме электрической пропульсивной установки.
В качестве преобразователей в валогенераторных установках используются различные схемы с неуправляемыми выпрямителями, обладающие высокими энергетическими показателями, надежностью и невысокой стоимостью.
Так, известна судовая валогенераторная установка [Анисимов Я.Ф. Особенности применения полупроводниковых преобразователей в судовых электроустановках.- Л.: Судостроение, 1973, стр.85 - 88], содержащая главный двигатель, соединенный с валопроводом с гребным винтом и приводящий во вращение синхронный валогенератор, подключенный к шинам судовых электропотребителей через полупроводниковый преобразователь частоты. С шинами также подключен генераторный агрегат, содержащий синхронный генератор, приводимый во вращение через муфту вспомогательным двигателем или асинхронным двигателем, подключаемым к шинам судовых потребителей для работы синхронного генератора в качестве компенсатора реактивной мощности в судовой сети. К шинам могут быть подключены несколько таких агрегатов. Синхронные валогенератор и генератор снабжены системами самовозбуждения, а преобразователь - системой управления. Эта установка имеет следующие недостатки:
- отсутствие возможности работы валогенераторной установки в двигательном режиме;
- низкая надежность и качество электроэнергии, вырабатываемой валогенераторной установкой, для питания судовых потребителей;
- применением в качестве валогенератора коллекторной синхронной электрической машины со сравнительно большей массой и габаритами;
- электромеханической компенсации реактивной мощности с переводом генераторного агрегата судовой электростанции в режим компенсатора;
- невозможность симметрирования напряжения на шинах судовых электропотребителей.
Известны валогенераторные установки, содержащие обратимые преобразователи, способные рекуперировать (возвращать) энергию в сеть при торможении электропривода. Известно изобретение «Судовая электроэнергетическая установка» [Патент РФ №2146635 20.03.2000]. Эта установка, как и описанный выше аналог, содержит главный двигатель, который соединен с гребным винтом. С главным двигателем также кинематически связан синхронный валогенератор со статорной обмоткой. Валогенератор снабжен системой возбуждения, состоящей из последовательно соединенных трехфазного неуправляемого выпрямителя, широтно-импульсного преобразователя с системой управления и ее блока регулирования, включающего датчик напряжения, соединенного с регулятором напряжения, при этом входы системы возбуждения и блока регулирования электрически связаны со статорной обмоткой, выход же системы возбуждения соединен со вторым входом блока коммутации валогенератора, а блока регулирования - с системой управления широтно-импульсного преобразователя. Источник постоянного тока валогенератора подключен к первому входу блока коммутации, а первый и второй управляющие входы блока коммутации соединены с выходом датчика тока обмотки возбуждения валогенератора и двухпозиционным переключателем. Выход же блока коммутации связан с датчиком тока. Статорная обмотка валогенератора электрически соединена через полупроводниковый преобразователь частоты, снабженный системой управления, с шинами судовых электропотребителей.
К шинам судовых электропотребителей также подсоединен вспомогательный генератор, механически сочлененный через разобщительную муфту с вспомогательным двигателем. Генератор снабжен системой самовозбуждения, вход и выход которой подключены, соответственно, к выходу генератора и ко второму входу блока коммутации вспомогательного генератора. Источник постоянного тока генератора подключен к первому входу блока коммутации, а первый и второй управляющие входы блока коммутации соединены соответственно с датчиком тока обмотки возбуждения генератора и двухпозиционным переключателем. Датчики частоты и фазы валогенератора и генератора подключены к двухпозиционному переключателю, а его выход соединен с системой управления полупроводникового преобразователя частоты. Недостатками данной установки являются:
- пониженная надежность, экономичность;
- повышенные габариты и масса;
- пониженная частота вращения валогенератора, построенного на базе синхронных машин, из-за неоднородной конструкции роторов, что приводит к дополнительному увеличению габаритов и массы установки в целом;
- компенсация реактивной мощности потребителей с помощью штатных генераторов судовой электростанции, переводимых в режим электромашинных компенсаторов;
- отсутствия компенсации реактивной мощности в отдельных фазах для устранения несимметрии векторов напряжений в трехфазной системе.
В качестве прототипа выбрана «Судовая валогенераторная установка» [Патент РФ на полезную модель №119322, опубл. 20.08.2012], которая содержит двигатель приводного вала, механически связанный с синхронным валогенератором, который через электрическую цепь, содержащую преобразователь частоты, датчики тока и напряжения соединен с шинами судовых электропотребителей, к которым также подсоединен вспомогательный генератор, механически связанный с вспомогательным двигателем. Двигатель приводного вала соединен с валогенератором через редуктор, на выходе к валогенератору и входе которого установлены разъединительные муфты. В упомянутой электрической цепи между валогенератором и преобразователем частоты последовательно подключены первый датчик тока и входной дроссель, за преобразователем частоты - выходной дроссель, LC-фильтр, второй датчик тока и первый автоматический выключатель, подсоединенный к шинами судовых электропотребителей. Преобразователь частоты имеет в своем составе встречно включенные электрически обратимые первый и второй выпрямители с векторным управлением, каждый из которых имеет свой блок управления - контроллер. К каждому выпрямителю на стороне постоянного тока подключен, соответственно, первый и второй датчик тока преобразователя частоты, выходы которых подключены к первым входам контроллеров. Между упомянутыми датчиками тока преобразователя частоты подключен конденсаторный накопитель звена постоянного тока с датчиком напряжения, выход которого подключен ко вторым входам контроллеров. К выходу валогенератора подсоединен датчик входного напряжения, выход которого подсоединен к третьему входу контроллера первого выпрямителя. Датчик выходного напряжения, установленный в электрической цепи перед первым автоматическим выключателем, подсоединен к третьему входу контроллера второго выпрямителя, к четвертому входу которого подсоединен выход второго датчика тока, а первый датчик тока подсоединен к четвертому входу контроллера первого выпрямителя. Установка снабжена также задатчиком режимов с внешним управлением, подсоединенным к пятым входам обоих контроллеров, при этом между вспомогательным генератором и шинами судовых электропотребителей установлен второй автоматический выключатель. Возможно использование в качестве валогенератора синхронной электрической машины с возбуждением от постоянных магнитов.
Возможно применение нескольких вспомогательных двигателей, каждый из которых связан с дополнительным вспомогательным генератором.
Данная установка имеет следующие недостатки, обусловленные применением в ней синхронного валогенератора, а именно:
- наличие щеточного узла либо размещение на роторе элементов возбудителя при применении синхронной машины с электромагнитным возбуждением, что ведет к понижению надежности и увеличивает габариты и массу установки;
- меньший температурный и временной диапазон стабильности параметров, ограничивающий условия работы установки при использовании в качестве валогенераторов синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов;
- использование в синхронной машине с возбуждением от постоянных магнитов дорогостоящих постоянных магнитов на базе материалов, содержащих редкоземельные элементы, а также сложности ее конструкции и технологии изготовления этой машины;
- пониженная частота вращения валогенератора, построенного на базе синхронных машин из-за неоднородной конструкции роторов, что приводит к дополнительному увеличению габаритов и массы установки в целом.
Задача, решаемая изобретением, - расширение арсенала средств и создание новой надежной, энергоэффективной и экономичной судовой валогенераторной установки. Достигаемый технический результат заключается в обеспечении возможности:
- повышения стабильности параметров в широких температурном и временном диапазонах;
- питания судовых потребителей от валогенератора в расширенном диапазоне частот его вращения.
Поставленная задача решается изменением функциональной схемы установки. Судовая пропульсивная валогенераторная установка содержит двигатель приводного вала, соединенный через первую разъединительную муфту и редуктор с гребным винтом, а через вторую разъединительную муфту -  с валогенератором. Валогенератор через электрическую цепь, содержащую последовательно соединенные преобразователь частоты, дроссель, LC-фильтр, первый датчик тока, первый датчик напряжения, первый автоматический выключатель, соединен с шинами судовых электропотребителей, к которым также подсоединен с помощью второго автоматического выключателя вспомогательный генератор, механически связанный с вспомогательным двигателем. Упомянутый преобразователь частоты имеет в своем составе задатчик режимов, первый и второй блоки управления, соединенные своими первыми входами с задатчиком режимов, электрически обратимый инвертор, силовой выход которого является выходом преобразователя частоты, а его управляющий вход соединен с выходом первого блока управления. Преобразователь частоты также имеет конденсаторный накопитель звена постоянного тока, к которому подключен второй датчик напряжения, соединенный сигнальным выходом со вторыми входами каждого из блоков управления, второй датчик тока, установленный на входе конденсаторного накопителя и соединенный сигнальным выходом с третьим входом второго блока управления. Преобразователь частоты также имеет третий датчик тока, установленный на выходе конденсаторного накопителя и соединенный сигнальным выходом с третьим входом первого блока управления, при этом сигнальные выходы первого датчика тока и первого датчика напряжения соединены с четвертым и пятым входом первого блока управления. От прототипа установка отличается тем, что в качестве валогенератора применен вентильно-индукторный обратимый валогенератор, возбудитель которого своим входом соединен с первым выходом второго блока управления. Выходы первой и второй трехфазных статорных обмотки валогенератора, через первый и второй датчики тока фаз соединены с преобразователем частоты, имеющим, соответственно, два входа, с каждым из которых соединен один из двух выпрямительных трехфазных мостов, введенных в состав преобразователя частоты. Выпрямительные мосты имеют диоды, к каждому из которых подсоединен шунтирующий ключ, с проводимостью, противонаправленной проводимости диода (анод диода соединен с эмиттером транзистора, а катод - с коллектором). Цепи управления ключей соединены со вторым блоком управления. Выпрямительные мосты через второй датчик тока подсоединены к конденсаторному накопителю. Сигнальный выход датчика напряжения фаз, установленного на выходе одной из статорных обмоток, и сигнальные выходы первого и второго датчиков тока фаз соединены с четвертым, пятым и шестым входами второго блока управления, соответственно.
Судовая пропульсивная валогенераторная установка может иметь несколько вспомогательных двигателей, каждый из которых связан со своим вспомогательным генератором, подключенным через свой автоматический выключатель к шинам питания потребителей.
На чертеже представлена схема судовой пропульсивной валогенераторной установки и введены следующие обозначения: 1 - двигатель приводного вала; 2 - первая разъединительная муфта; 3 - редуктор; 4 - вторая разъединительная муфта; 5 - валогенератор; 6 - гребной винт фиксированного шага; 7 - преобразователь частоты; 8 - дроссель; 9 - LC-фильтр; 10 - первый датчик тока; 11 - первый датчик напряжения; 12 - первый автоматический выключатель; 13 - шины судовых электропотребителей; 14 - второй автоматический выключатель; 15 - вспомогательный генератор; 16 - вспомогательный двигатель; 17- задатчик режимов; 18 - первый блок управления; 19 - второй блок управления; 20 - электрически обратимый инвертор; 21 - конденсаторный накопитель звена постоянного тока; 22 - второй датчик напряжения; 23 - второй датчик тока; 24 - третий датчик тока; 25 - возбудитель валогенератора; 26, 27 - выводы первой и второй трехфазных статорных обмоток, соответственно; 28, 29 - первый и второй датчики тока фаз; 30, 31 - выпрямительные трехфазные мосты с управляемыми ключами, шунтирующими диоды; 32 - датчик напряжения фаз.
Судовая пропульсивная валогенераторная установка содержит двигатель 1 приводного вала, соединенный через первую разъединительную муфту 2, с редуктором 3, а через вторую разъединительную муфту 4 - с валогенератором 5. Выходной вал редуктора 3 соединен с гребным винтом 6 фиксированного шага. Валогенератор 5 через электрическую цепь, содержащую последовательно соединенные преобразователь частоты 7, дроссель 8, LC-фильтр 9, первый датчик тока 10, первый датчик напряжения 11, первый автоматический выключатель 12, соединен с шинами 13 судовых электропотребителей. К шинам 13 судовых электропотребителей также подсоединен с помощью второго автоматического выключателя 14 вспомогательный генератор 15, механически связанный с вспомогательным двигателем 16. Преобразователь частоты 7 имеет в своем составе задатчик режимов 17, первый и второй блоки управления 18, 19, соединенные своими первыми входами с задатчиком режимов 17, а также электрически обратимый инвертор 20, силовой выход которого является выходом преобразователя частоты, а его управляющий вход соединен с выходом первого блока управления 18. Преобразователь частоты 7 также имеет конденсаторный накопитель 21 звена постоянного тока, к которому подключен второй датчик напряжения 22, соединенный сигнальным выходом со вторыми входами каждого из блоков управления 18 и 19. Второй датчик тока 23, установленный на входе конденсаторного накопителя 21 и соединенный сигнальным выходом с третьим входом второго блока управления 19. Третий датчик тока 24, установленный на выходе конденсаторного накопителя 21 соединен сигнальным выходом с третьим входом первого блока управления 18. При этом сигнальные выходы первого датчика тока 10 и первого датчика напряжения 11 соединены с четвертым и пятым входом первого блока управления 18. В качестве валогенератора применен вентильно-индукторный обратимый валогенератор 5, к которому подключен возбудитель 25, своим входом соединенный с первым выходом второго блока управления 19. Выходы первой и второй трехфазных статорных обмоток 26, 27 валогенератора 5 через первый и второй датчики 28 и 29 тока фаз соединены с преобразователем частоты 7, имеющим, соответственно, два входа. С каждым входом преобразователя частоты 7 соединен один из двух выпрямительных трехфазных мостов 30 и 31. К каждому диоду этих мостов подсоединен управляемый шунтирующий ключ с проводимостью, противонаправленной проводимости диода. Цепи управления ключей соединены со вторым блоком управления 19. Выпрямительные мосты 30 и 31 через второй датчик тока 23 подсоединены к конденсаторному накопителю 21. Сигнальный выход датчика напряжения фаз 32, установленного на выходе одной из статорных обмоток, и сигнальные выходы первого и второго датчиков тока фаз 28 и 29 соединены с четвертым, пятым и шестым входами второго блока управления 19, соответственно. В состав судовой пропульсивной валогенераторной установки могут входить несколько вспомогательных двигателей, каждый из которых механически связан со своим вспомогательным генератором, подключенным через свой автоматический выключатель к шинам питания потребителей 13.
Судовая пропульсивная валогенераторная установка работает следующим образом.
По сигналу от системы верхнего уровня по интерфейсу (не показано), поступающему на вход задатчика 17, установка может быть переведена в следующие основные режимы работы:
- режим питания судовых электропотребителей;
- режим компенсации собственной реактивной мощности, генерируемой в шины 13 судовых электропотребителей;
- режим компенсации реактивной мощности, генерируемой в шины 13 судовыми потребителями;
- режим симметрирования по модулю и фазе напряжения на шинах 13 питания судовых потребителей;
- двигательный режим.
В режиме генератора - питания судовых электропотребителей, задатчик режимов 17 выдает сигналы задания на возбудитель 25 валогенератора 5 и в блоки управления 18 и 19, которые переводят (запиранием ключей, шунтирующих диоды) первый и второй выпрямительные мосты 30 и 31 в режим неуправляемого выпрямления напряжения, поступающего от валогенератора 5, а инвертор 20 - в режим инвертора, ведомого сетью (напряжением на шинах судовых потребителей). При этом разъединительные муфты 2 и 4 обеспечивают механическое соединение своих валов, первый и второй автоматические выключатели 12 и 14 - замкнуты.
Электроэнергия, генерируемая валогенератором 5, передается на шины 13 судовых электропотребителей следующим образом. Системы напряжений, получаемые с выводов первой и второй трехфазных обмоток 26 и 27, сдвинуты на расчетный угол, соответствующий их расчетному расположению на окружности статора с обеспечением минимальных пульсаций напряжения на конденсаторном накопителе 21. Изменением тока возбуждения валогенератора 5 возбудителем 25 обеспечивается стабилизация этого напряжения на заданном уровне под контролем блока управления 19, обрабатывающего сигналы датчиков напряжения 22, 32, и тока 23. С выхода инвертора 20 на фазные обмотки дросселя 8 подаются ШИМ-напряжения, соответствующие системе синусоидальных напряжений с частотой, равной частоте напряжения, генерируемого вспомогательным генератором 15 на шины 13 судовых электропотребителей. Фильтр 9, совместно с дросселем 8, выделяет из ШИМ-напряжения, соответствующую систему трехфазных синусоидальных напряжений с обеспечением требуемых показателей качества электроэнергии.
В режиме компенсации собственной реактивной мощности, генерируемой в шины 13 судовых электропотребителей, блок управления 18 обеспечивает работу инвертора 20 и преобразователя частоты 7 в целом, по следующему алгоритму:
- по информации от первого датчика тока 10 и первого датчика напряжения 11, фиксирует значения напряжения на шинах 13 судовых электропотребителей и тока, передаваемого в сеть преобразователем частоты 7 для питания электропотребителей, в векторной форме;
- определяет угол сдвига между векторами измеренных напряжения и тока соответствующих фаз;
- вычисляет модули и фазовые углы векторов трехфазной системы напряжений, которые необходимо подать на дроссель 8 от инвертора 20, чтобы, в результате сложения этих векторов с векторами напряжений, подаваемых на дроссель 8 и фильтр 9 от шин 13, угол сдвига между векторами напряжений на шинах 13 и тока, передаваемого в шины 13 от преобразователя частоты 7, был близок к нулю.
В случае питания шин 13 электропотребителей только от валогенератора 5 при останове вспомогательных двигателей 16 и отключении генератора 15 автоматическим выключателем 14, преобразователь частоты 7 генерирует ШИМ-напряжения, соответствующие системе синусоидальных напряжений необходимой частоты, заданной для судовых потребителей и, с помощью дросселя 8 и фильтра 9, обеспечивает необходимое качество электроэнергии.
В режиме компенсации реактивной мощности, генерируемой в шины 13 судовыми потребителями, алгоритм работы преобразователя частоты 7 аналогичен. Отличие состоит в том, что на информационный вход блока управления 18, через задатчик 17 от системы управления верхнего уровня (не показана) поступает задание на дополнительную корректировку угла сдвига между векторами напряжений на шинах 13 и тока, передаваемого на шины 13 от преобразователя частоты 7. При этом вспомогательный генератор 15 будет частично разгружен от реактивных токов. В режиме симметрирования по модулю и фазе напряжения на шинах 13 питания судовых потребителей симметрирующее воздействие вырабатывается блоком управления 18 по информации о напряжениях на шинах 13 электропотребителей и о токах фаз вспомогательного генератора 15, получаемых от системы управления верхнего уровня (не показано). Преобразователем 7, с учетом фильтрации, формируется трехфазная система векторов напряжений, которая обеспечит компенсацию несимметрии векторов трехфазной системы напряжений по модулю и фазе на шинах 13 питания электропотребителей с обеспечением фазового сдвига между ними, близким к 120 эл. градусов. При этом модули и фазы векторов напряжений и токов симметрирующего воздействия, формируемого преобразователем 7, в допустимых пределах могут быть несимметричны.
Двигательный режим валогенератора 5 осуществляется по команде от системы управления верхнего уровня (на Фигуре не показана) при остановке двигателя 1 приводного вала и отсоединения его с помощью муфты 2, либо при совместной работе с двигателем 1 на суммирующий редуктор 3 и гребной винт 4. При этом, возбудитель 25 блоком управления 19 отключен и ток возбуждения валогенератора 5 отсутствует, вспомогательные генератор 15 и двигатель 16 находятся в рабочем состоянии, автоматические выключатели 12 и 14 включены. Инвертор 20 блоком управления 18 переведен в обратимый режим управляемого выпрямителя и стабилизирует напряжение на конденсаторном накопителе 21 на заданном уровне с использованием сигналов обратной связи от второго датчика 22 напряжения. Режим управляемого выпрямителя для инвертора 20 аналогичен его режиму работы при обеспечении питания судовых электропотребителей. При этом ключи выпрямительных мостов 30, 31, управляемые блоком 19, формируют импульсы тока в статорных обмотках валогенератора 5. Отличие состоит лишь в изменении направления фазных токов, что обеспечивается уровнем ШИМ-напряжений на выходе инвертора 20, соответствующих системе синусоидальных напряжений с частотой, равной частоте напряжения на шинах 13. В результате суммирования трехфазных систем векторов напряжений, формируемых инвертором 20 и генерируемых вспомогательным генератором 15 на шины 13, сохраняется возможность обеспечения компенсации реактивной мощности и симметрирования, аналогично алгоритму, описанному выше. Выпрямительные мосты 30 и 31 воспроизводят импульсы токов в статорные обмотки вентильно-индукторного валогенератора 5. Форма и частота следования импульсов тока в статорных обмотках определяется блоком управления 19 и контролируется им с помощью датчиков 28 и 29 тока фаз и датчика 32 напряжений фаз, а так же датчика положения ротора (на Фигуре не показан).
Таким образом, как и в прототипе, использование в изобретении обратимого преобразователя позволяет работать установке, как в обычном режиме для питания общесудовой сети, так и в обратимом двигательном режиме с обеспечением возможности использования валогенератора в стартерном режиме и при отказе главного двигателя.
Схема также позволяет повышать качество и эффективность использования энергии за счет компенсации статическим преобразователем реактивной мощности и симметрирования по модулю и фазе напряжения в судовой трехфазной сети, что повышает эксплуатационный ресурс оборудования судовой энергосистемы в целом. Основные дополнительные преимущества изобретения, по отношению к прототипу, обусловлены применением в качестве обратимого валогенератора шестифазной вентильноиндукторной машины, и соответствующим изменением функциональной схемы, а именно: простота и технологичность конструкции установки в целом, возможность ее работы на повышенных частотах, стабильность ее температурных и временных параметрах. Все это позволяет повысить надежность, межремонтный ресурс, снизить массогабаритные показатели, затраты на производство и эксплуатацию установки.