СИСТЕМА ЭЛЕКТРОДВИЖЕНИЯ СУДОВ

Область техники, к которой относится полезная модель. Полезная модель относится к области судовых движителей и может быть использована в системах электродвижения судов с силовой сетью переменного тока.
Уровень техники. Из уровня техники известен способ преобразования напряжения гребного электропривода и гребной электропривод для его осуществления [патент РФ №2489311], имеющий в своем составе источник напряжения, согласующий трансформатор, преобразователь частоты со звеном постоянного тока и с инвертором, гребной электродвигатель и блок управления преобразователем частоты, а способ преобразования напряжений гребного электропривода основан на последовательном согласовании напряжения питания, выпрямлении согласованного и инвертировании выпрямленного напряжений, при этом задают допустимые значения напряжений, токов и скоростей их изменения, преобразуют напряжение питания до начала его подключения, подключают преобразуемое уменьшенное до допустимого значения напряжение питания, управляют увеличением напряжения питания, измеряют преобразуемые напряжения и токи фаз, вычисляют скорости их изменения как производные напряжений и токов по времени, регулируют скорости этих изменений по результатам выполненных измерений и вычислений и в соответствии с заданными допустимыми значениями напряжений, токов и скоростей их изменения отключают преобразование напряжения питания при достижении им заданного значения, инвертируют выпрямленное напряжение и управляют гребным электроприводом в соответствии с заложенным алгоритмом.
К недостаткам такого решения можно отнести наличие сглаживающего конденсатора большой емкости в звене постоянного тока, что приводит к снижению надежности и ресурса силовой части схемы, а также ухудшению габаритов. Работающий от звена постоянного тока инвертор работает в режиме прерывистых токов, и характеризуется плохой электромагнитной совместимостью с судовым электрооборудованием. Питание асинхронного гребного электродвигателя напряжением с широтно-импульсной модуляцией приводит к увеличению уровня его вибрации и снижению срока службы обмоток, а также повышенному нагреву кабельных трасс.
Из уровня техники также известна система электродвижения судов [патент РФ на полезную модель №157368], содержащая два источника трехфазного напряжения, два согласующих трансформатора, двухканальный преобразователь частоты, гребной шестифазный асинхронный электродвигатель, при этом между источниками напряжения введена отключаемая перемычка, а каждый трансформатор имеет 6 вторичных многофазных обмоток, подключаемых к преобразователю частоты. Каждый канал преобразователя частоты имеет трехфазный выход и оснащается тремя комплектами из двух последовательно соединенных реверсивных мостов. Упомянутые комплекты реверсивных мостов каждого канала соединяются в звезду, образуя трехфазную систему напряжений, а выходы каналов преобразователя частоты через выключатели подключены к статорной обмотке шестифазного гребного электродвигателя.
К недостаткам такого решения относится использование трансформаторов для согласования уровней выходных напряжений каналов непосредственного преобразователя частоты, что приводит к значительному увеличению стоимости всей установки в целом, а также увеличению эксплуатационных потерь по причине снижения коэффициента полезного действия. Также к недостаткам относится значительное количество силовых полупроводниковых ключей, что ведет к увеличению себестоимости, и снижению надежности работы всей системы в целом.
Данное техническое решение является наиболее близким по своей технической сущности прототипом.
Раскрытие полезной модели. Первое применение систем электродвижения судов практически совпало с появлением электричества на судах. В начале 20 века, с развитием техники, увеличивалась насыщенность судов электрооборудованием, что дало предпосылки развитию систем электродвижения. В дальнейшем, произошло значительное увеличение мощности судовых электроэнергетических систем, сопровождаемое увеличением числа потребителем. Появление атомных энергетических установок, например на ледоколах, открыло новые перспективы для развития систем электродвижения судов.
В настоящее время мировой тенденцией является использование систем электродвижения переменного тока - как на кораблях, так и на гражданских судах, например арктических ледоколах. В таких системах регулировка оборотов гребного асинхронного электродвигателя реализуется за счет статических преобразователей частоты. Системы электродвижения с двигателями постоянного тока (ДПТ) имеют несколько большие габариты, и меньший ресурс из-за наличия коллектора и щеточного аппарата. Последнее делает затруднительным создание особо мощных гребных приводов на основе ДПТ для атомных ледоколов.
Наиболее распространенным типом являются преобразователи частоты с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Более высокая по сравнению с классическими преобразователями частота коммутации полупроводниковых ключей вызывает повышенный нагрев и снижает долговечность модулей, а разрыв тока требует снабберных цепей для гашения коммутационных выбросов [1]. Одним из путей повышения качества ШИМ является применение многоуровневых преобразователей, в которых тем или иным способом достигается разделение напряжения питания на несколько уровней, что позволяет приблизить форму выходного напряжения к синусоиде и улучшить его гармонический состав. Чаще всего в многоуровневых преобразователях используют высоковольтные конденсаторы на большую емкость, что ведет к ухудшению габаритов преобразователя и снижения его надежности ввиду относительно низкой вероятности безотказной работы таких конденсаторов. Повышение частоты коммутации полупроводниковых ключей ведет к ухудшению электромагнитной совместимости и снижению надежности их работы.
Таким образом, главной технической проблемой современной судовой преобразовательной техники можно признать процесс коммутации тока, а решением ее - снижение коммутационных выбросов и улучшение формы выходного напряжения. Осциллограмму напряжения одного из таких преобразователей, реализующего многоуровневую широтно-импульсную модуляцию, можно увидеть на фигуре 1.
Как правило, в используемых на судах статических преобразователях для гребных установок, трансформаторы применяются главным образом для согласования напряжения питающей сети с напряжением на выходе преобразователя [2]. В мощных статических преобразователях частоты, чаще всего, используется звено постоянного тока, получаемое выпрямлением переменного напряжения сети, а для гальванической развязки и согласования напряжения используется силовой трансформатор.
Также существует класс преобразователей переменного напряжения одной частоты в переменное напряжение другой частоты [1, 2]. Подобные устройства преобразования частоты без промежуточного звена постоянного тока получили название преобразователей с непосредственной связью (непосредственных преобразователей частоты, НПЧ).
Основу любого НПЧ составляет трехфазный реверсивный коммутатор (трехфазный мост), подключенный к источнику переменного напряжения и нагрузке. Трехфазные НПЧ образуются соединением трех многофазных реверсивных мостов (которые известны из уровня техники и подробно описаны в учебной литературе по преобразовательной технике), при этом для соединения фаз нагрузки в звезду используют трансформаторы с раздельными вторичными обмотками, как это показано на фигуре 2.
Показанная на фигуре 2 схема электропривода с преобразователем НПЧ характеризуется большим числом полупроводниковых ключей, и повышенной себестоимостью из-за необходимости использовать силовые трансформаторы для гальванической развязки.
Непосредственные преобразователи можно охарактеризовать как случай кусочно-синусоидальной модуляции выходного напряжения, поскольку выходное напряжение формируется из фрагментов синусоиды с частотой питающей сети. При этом на выходе преобразователя для любого момента времени возможно получение фрагментов как спадающего, так и возрастающего фронта синусоиды, что объясняется симметричным сдвигом напряжений между фазами.
Существует несколько алгоритмов формирования выходного напряжения НПЧ, изображенных на фигуре 3 и фигуре 4. Показанный на фигуре 3 вариант имеет наихудшие гармонические искажения, и используется преимущественно в преобразователях с не полностью управляемыми ключами (тиристорами). На фигуре 4 показано формирование выходного напряжения, состоящего из аналогичных фрагментов питающего напряжения, так что восходящий фронт состоит из восходящих фрагментов, а нисходящий фронт - из нисходящих фрагментов. Это обеспечивает лучшее качество выходного напряжения.
Из уровня техники известен альтернативный способ преобразования, так что выходное напряжение формируется из суммы обратных фрагментов двух каналов напряжения (фигура 5). Данный вариант характеризуется наилучшим приближением формы выходного напряжения преобразователя к синусоидальной, и позволяет реализовать режим квази-естественной коммутации без разрыва кривой тока. Реализация такого алгоритма возможна при использовании полупроводниковых коммутаторов с полностью управляемыми ключами (например, IGBT транзисторами).
В результате суммирования напряжений двух последовательно соединенных реверсивных мостов, формируется гладкая выходная функция без разрывов, и коммутация вентилей происходит в моменты равенства ЭДС, что соответствует естественной коммутации без разрыва кривой тока.
Такое преобразование используется в системе электродвижения судов, выбранной за основной прототип, и показанной на фигуре 6. Для получения трехфазного выходного напряжения в ней используется три комплекта последовательно соединенных реверсивных мостов, при этом каждый мост получает питание от отдельной трехфазной вторичной обмотки силового трансформатора, каждая фаза выходного напряжения получается последовательным соединением двух мостов - как изображено на фигуре 7. Комплекты реверсивных мостов соединяются "звездой" по классической схеме, образуя трехфазную систему напряжений.
Недостатком такой системы электродвижения является ее значительная громоздкость, очевидно большое количество полупроводниковых ключей, и использование силовых многообмоточных трансформаторов большой мощности, что повышает себестоимость системы. Для реализации такой системы требуется 72 IGBT транзистора на трехфазный канал, и 144 IGBT транзистора для работы в шестифазном режиме. Такая система технически реализуема, однако является громоздкой.
Как известно, использование в изменяемом по оборотам электроприводе преобразователя частоты требует регулирования его выходного напряжения [3], в зависимости от скорости вращения. Такое регулирование принципиально невозможно в системе электродвижения, принятой за основной прототип, что является ее главным недостатком.
На фигуре 8 изображена принципиальная схема предлагаемой системы электродвижения, не имеющей указанных недостатков основного прототипа. Здесь питание системы осуществляется напрямую от обмоток судового генератора переменного тока, таким образом, предлагаемое решение является интегрированным в судовую электроэнергетическую систему. В таком случае преобразователь и судовой источник электроэнергии (генератор) образуют неразрывно связанную систему электродвижения, с непосредственным преобразованием частоты.
Главное преимущество такой системы - в возможности регулирования выходного напряжения, подаваемого на гребной электродвигатель, путем регулирования тока возбуждения источника (генератора), что принципиально невозможно (для широкого диапазона) в основном прототипе по причине использования трансформаторов, режим работы которых существенно зависит от питающего напряжения. Также в предлагаемой системе электродвижения решается задача уменьшения числа полупроводниковых ключей, которое благодаря последовательному включению коммутаторов и обмоток снижается до 36 IGBT транзисторов.
Снижение числа полупроводниковых ключей обусловлено следующим. В известном из уровня техники решении, выбранном за основной прототип, применены трехфазные реверсивные коммутаторы (мосты), осуществляющие формирование однофазного напряжения. Напряжения включенных последовательно упомянутых коммутаторов суммируются, формируя выходное напряжение одной фазы. Получение трехфазной системы в таком случае требует включения по схеме "звезда" трех пар коммутаторов. Это и является причиной столь большого числа ключей (72 транзистора для трехфазного выхода). В предлагаемом решении, производится перекоммутация напряжений фазных обмоток, что исключает промежуточное преобразование в однофазное напряжение.
На фигуре 9 изображена функциональная схема предлагаемой системы электродвижения. Здесь судовой источник (генератор) имеет две трехфазные обмотки, первая из которых началом своих фазных обмоток замыкается в общую точку, а концами упомянутых обмоток подключается к входу первого реверсивного полупроводникового коммутатора. Вторая трехфазная обмотка выполняется разомкнутой без общей точки, начала ее фазных обмоток подключаются к выходу первого реверсивного полупроводникового коммутатора, а концы упомянутых фазных обмоток подключаются к входу второго реверсивного полупроводникового коммутатора. Выход второго реверсивного полупроводникового коммутатора подключается к входу гребного электродвигателя переменного тока.
Снижение числа полупроводниковых ключей в 2 раза является существенным преимуществом такой системы, одновременно решается задача уменьшения массы и габаритов - и как следствие, себестоимости всей установки в целом, а также повышения надежности.
Заявляемая полезная модель является новым решением, имеющим следующие принципиальные отличия от прототипа:
- для преобразования частоты предложено использовать последовательное включение обмоток и их полупроводниковых коммутаторов, что позволило существенно снизить количество полупроводниковых ключей;
- предложенное решение является интегрированным с судовым источником электроэнергии (генератором), при этом обмотки генератора входят в состав схемы системы электродвижения;
- предложенное решение не содержит согласующих силовых трансформаторов, что позволило снизить массу и стоимость;
- предложенное решение позволяет регулировать выходное напряжение гребного электропривода за счет управления током обмотки возбуждения судового генератора.
Таким образом, совокупность существенных признаков решения приводит к новому техническому результату - значительному повышению эксплуатационных качеств системы электродвижения, в том числе улучшению электромагнитной совместимости, существенному снижению числа полупроводниковых ключей, снижению себестоимости за счет отказа от силовых трансформаторов, появлению возможности изменения выходного напряжения за счет регулирования обмотки возбуждения генератора.
Краткое описание чертежей. На фигуре 1 изображена осциллограмма выходного напряжения промышленной серийно выпускаемой гребной установки мощностью 1,5 МВт. На фигуре 2 изображена принципиальная схема промышленного непосредственного преобразователя частоты. Здесь 1 - электродвигатель, 2 - полупроводниковый коммутатор. На фигуре 3 изображен график выходного напряжения непосредственного преобразователя частоты с обратными фронтами. На фигуре 4 изображен график выходного напряжения непосредственного преобразователя частоты с прямыми фронтами. На фигуре 5 изображен график выходного напряжения двухканального непосредственного преобразователя частоты с суммированием прямых и обратных фронтов. На фигуре 6 изображена функциональная схема системы электродвижения с двухканальным непосредственным преобразованием частоты, трансформаторами на входе и шестифазным гребным электродвигателем. Здесь 1 - электродвигатель, 2 - полупроводниковый коммутатор, 3 - судовые генераторы. На фигуре 7 изображена принципиальная схема одной фазы двухканального непосредственного преобразователя частоты. На фигуре 8 изображена принципиальная схема системы электродвижения с интегрированным двухканальным непосредственным преобразованием частоты. Здесь 1 - электродвигатель, 2 - полупроводниковый коммутатор, 4 - трехфазная обмотка судового генератора. На фигуре 9 изображена функциональная схема системы электродвижения с интегрированным двухканальным непосредственным преобразованием частоты. Здесь 1 - электродвигатель, 2 - полупроводниковый коммутатор, 3 - судовой генератор, 4 - трехфазная обмотка судового генератора.
Список использованной литературы.
1. Зиновьев Г.С.Силовая электроника. - М.: Юрайт, 2012. 667 с.
2. Дмитриев Б.Ф., Рябенький В.М., Черевко А.И., Музыка М.М. Судовые полупроводниковые преобразователи: учебник. - Архангельск: Изд-во САФУ, 2015. - 556 с.
3. Г.В. Новиков Частотное управление асинхронными электродвигателями. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016. - 498 с.