СУДОВАЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
MARINE ELECTRIC POWER PLANT

Изобретение относится к судостроению, в частности к электроэнергетическим установкам судов с преобразователями частоты и гребными электродвигателями.
Аналогом является, например, судовая электроэнергетическая установка (патент РФ №2436708), содержащая двигатели внутреннего сгорания или турбины, вращающие роторы генераторов переменного тока, трехфазные обмотки статора которых подключены к трехфазным линиям главного распределительного щита, к линиям главного распределительного щита подключены 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 №2458819), содержащая главные дизели, вращающие роторы главных трехфазных синхронных генераторов, на статорах которых размещаются две и более аналогичные трехфазные обмотки, линейные напряжения на которых совпадают по фазе. 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 выпрямителей, число выпрямителей равно числу трехфазных линий главного распределительного щита, выходы выпрямителей подключены к входам многоуровневых инверторов преобразователей частоты, питающих гребные электродвигатели. К каждой трехфазной линии главного распределительного щита через автоматические выключатели подключены также первичные обмотки трехфазных трансформаторов, а вторичные обмотки 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 электроэнергии получают электроэнергию от одной и той же электростанции, что повышает надежность электроснабжения и живучесть судна. Гребные электродвигатели, которые являются на судах с электродвижением основными потребителями электроэнергии, питаются от многоуровневых инверторов, входящих в состав преобразователей частоты, которые в свою очередь подключаются к трехфазным линиям главного распределительного щита. Однако в прототипе на статоре каждого синхронного генератора размещены две или более трехфазные обмотки, что исключает возможность независимого регулирования напряжений на этих обмотках. Выходное напряжение синхронного генератора при изменении тока нагрузки изменяется. Необходимая для потребителей электроэнергии постоянная величина действующего значения номинального выходного напряжения каждого синхронного генератора обеспечивается автономной системой стабилизации напряжения, которая изменяет ток в обмотке возбуждения ротора генератора таким образом, чтобы действующее значения выходного напряжения было практически постоянным. В прототипе при работе многоуровневых инверторов нагрузка на разные трехфазные обмотки одного и того же синхронного генератора будет различной, и напряжение на этих обмотках будет отклоняться от номинального на различные величины. Вследствие этого обеспечить стабильность одновременно на всех трехфазных обмотках синхронного генератора автономная система стабилизации не сможет. Поэтому выходные напряжения на различных трехфазных обмотках генераторов, а значит, и на линиях главного распределительного щита будут различны.
Различие напряжений на линиях, к которым подключены первичные обмотки трансформаторов, приведет к различию напряжений на вторичных обмотках, подключенных к одной и той же линии питания распределительного щита остальных судовых потребителей. Это приведет к возникновению во вторичных обмотках трансформаторов уравнительных токов и снизит общий к.п.д. электроэнергетической системы. Кроме того, расположение двух или более трехфазных обмоток на одном статоре приводит к росту магнитной связи между двумя или более трехфазными обмотками и взаимному искажению напряжений на выходе обмоток. Таким образом, отсутствие возможности независимого регулирования напряжений на обмотках синхронного генератора и высокая магнитная связь между ними приведет к снижению качества напряжений, а также к снижению к.п.д. судовой электроэнергетической установки.
Предлагаемое изобретение позволит независимо регулировать напряжения на каждой трехфазной обмотке генераторов, создать судовую электроэнергетическую установку с более высоким к.п.д. и повысить качество электроэнергии в судовой сети.
Это достигается тем, что в предлагаемой судовой электроэнергетической установке, содержащей главные дизели или турбины, вращающие роторы главных синхронных генераторов, обмотки статора которых через автоматические выключатели подключены к линии питания главного распределительного щита, преобразователи частоты, входы которых подключены к линии главного распределительного щита, а к выходам преобразователей частоты подключены гребные электродвигатели, а также аварийный дизель-генератор, обмотка статора которого через автоматический выключатель подключена к линии питания аварийного распределительного щита, согласно изобретению к валу каждого главного дизеля или турбины присоединены два или более аналогичных синхронных генератора, каждый из которых имеет автономную систему стабилизации напряжения, главный распределительный щит имеет трехфазные линии питания, число которых равно числу генераторов на валу главных дизелей или турбин, и к каждой трехфазной линии питания через автоматические выключатели подключены трехфазные обмотки статоров главных генераторов, линейные напряжения которых совпадают по фазе. К трехфазным линиям главного распределительного щита через автоматические выключатели подключены входы выпрямителей, число которых равно числу трехфазных линий главного распределительного щита, а выходы выпрямителей подключены к входам многоуровневых инверторов преобразователей частоты, питающих гребные электродвигатели.
Выполнение в судовой электроэнергетической установке главных генераторных агрегатов, состоящих из дизелей или турбин, к валу которых присоединены два или более синхронных генераторов, позволяет получить две и более системы гальванически развязанных трехфазных напряжений, совпадающих по фазе, необходимых для работы преобразователя частоты с многоуровневыми инверторами. При этом каждый синхронный генератор имеет собственную автономную систему стабилизации напряжения, поэтому на выходе всех трехфазных обмоток и на линиях главного распределительного щита будет обеспечено одинаковое напряжение, что позволяет исключить уравнительные токи во вторичных обмотках трансформаторов, подключенных к одной линии питания распределительного щита остальных судовых потребителей. Кроме того, обмотки разных синхронных генераторов практически не имеют магнитной связи и не создают взаимных искажений выходного напряжения. Таким образом, в отличие от прототипа в предлагаемой судовой электроэнергетической установке обеспечивается стабильное напряжение на линиях главного распределительного щита и исключаются уравнительные токи во вторичных обмотках трансформаторов, а также исключается взаимное искажение напряжения из-за индуктивной связи между обмотками, вследствие чего повышается к.п.д. 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 роторами синхронных генераторов 3, 4 и 5, на статорах которых находятся трехфазные обмотки 6, 7 и 8. Трехфазные обмотки 6, 7 и 8 расположены таким образом, чтобы трехфазные напряжения совпадали по фазе относительно друг друга. Выводы трехфазных обмоток 6, 7 и 8 через автоматические выключатели 10, 11 и 12 подключаются к трехфазным линиям 13, 14 и 15 главного распределительного щита 9. Трехфазные линии 13, 14 и 15 гальванически не соединены. Выходной вал 17 второго главного дизеля (или турбины) 16 соединен с роторами синхронных генераторов 18, 19 и 20, на статорах которых находятся трехфазные обмотки 21, 22 и 23. Трехфазные обмотки 21, 22 и 23 расположены таким образом, чтобы трехфазные напряжения совпадали по фазе относительно друг друга. Выводы трехфазных обмоток 21, 22 и 23 через автоматические выключатели 24, 25 и 26 подключаются к трехфазным линиям 27, 28 и 29 главного распределительного щита 9. Трехфазные линии 27, 28 и 29 гальванически не соединены. При выполнении условий синхронизации напряжений синхронных генераторов 1 и 16 трехфазная линия 13 и трехфазная линия 27 могут быть соединены автоматическим выключателем 30, трехфазная линия 14 и трехфазная линия 28 могут быть соединены автоматическим выключателем 31, трехфазная линия 15 и трехфазная линия 29 могут быть соединены автоматическим выключателем 32.
К трехфазным линиям 13, 14 и 15 с помощью автоматических выключателей соответственно 33, 34 и 35 подключаются входы трехфазных выпрямителей 37, 38 и 39, которые входят в состав преобразователя частоты 36. Выпрямленное напряжение с выхода выпрямителей 37, 38 и 39 подается на вход многоуровневого инвертора напряжения 40, к выходу которого подключен гребной электродвигатель 41, на валу которого установлен гребной винт 42.
К трехфазным линиям 27, 28 и 29 с помощью автоматических выключателей соответственно 43, 44 и 45 подключаются входы трехфазных выпрямителей 47, 48 и 49, которые входят в состав преобразователя частоты 46. Выпрямленное напряжение с выхода выпрямителей 47, 48 и 49 подается на вход многоуровневого инвертора напряжения 50, к выходу которого подключен гребной электродвигатель 51, на валу которого установлен гребной винт 52.
К трехфазной линии 27 с помощью автоматического выключателя 53 подключается первичная обмотка трехфазного трансформатора 54. Вторичная обмотка трансформатора 54 с помощью автоматического выключателя 55 подключается к трехфазной линии 56 распределительного щита 57 судовых потребителей электроэнергии.
К трехфазной линии 28 с помощью автоматического выключателя 58 подключается первичная обмотка трехфазного трансформатора 59. Вторичная обмотка трансформатора 59 с помощью автоматического выключателя 60 подключается к трехфазной линии 56 распределительного щита 57.
К трехфазной линии 29 с помощью автоматического выключателя 61 подключается первичная обмотка трехфазного трансформатора 62. Вторичная обмотка трансформатора 62 с помощью автоматического выключателя 63 также подключается к трехфазной линии 56 распределительного щита 57.
Аварийный дизель 64 вращает ротор аварийного синхронного генератора 65. Трехфазная обмотка статора синхронного генератора 65 с помощью автоматического выключателя 67 подключается к трехфазной линии 68 аварийного распределительного щита 66, а трехфазная линия 68 с помощью автоматического выключателя 69 подключается к трехфазной линии 56 распределительного щита 57 судовых потребителей электроэнергии.
В состав судовой электроэнергетической установки входят также стояночный дизель 70, вращающий ротор стояночного генератора 71, который с помощью автоматического выключателя 72 подключается к трехфазной линии 56 распределительного щита 57. Автоматический выключатель 74 подключает к трехфазной линии 56 кабель 73, с помощью которого на судно подается питание с берега. Автоматические выключатели 75 подают питание от трехфазной линии 56 распределительного щита 57 на фидеры 76, питающие распределительные щиты судовых потребителей электроэнергии (не показаны на схеме).
Предлагаемая судовая электроэнергетическая установка работает следующим образом. После запуска главных дизелей 1 и 16 устройства регулирования напряжения и частоты синхронных генераторов 3, 4, 5 и 18, 19, 20 обеспечивают на выходе генераторов 3, 4, 5 и 18, 19, 20 номинальные напряжение и частоту. Затем автоматические выключатели 10, 11 и 12 подключают обмотки 6, 7 и 8 синхронных генераторов 3, 4 и 5 к линиям 13, 14 и 15, а автоматические выключатели 24, 25 и 26 подключают обмотки 21, 22 и 23 синхронных генераторов 18, 19 и 20 к линиям 27, 28 и 29 главного распределительного щита 9. Перед включением автоматических выключателей 30, 31 и 32 производится синхронизация синхронных генераторов 3, 4, 5 и 18, 19, 20, при этом достаточно обеспечить условия синхронизации генераторов 3 и 18, так как синхронизация напряжений на другой паре генераторов 4 и 19 или 5 и 20 также будет обеспечена. После включения автоматических выключателей 30, 31 и 32 трехфазные линии 13 и 27, трехфазные линии 14 и 28 и трехфазные линии 15 и 29 соединены и синхронные генераторы 3 и 18, 4 и 19, 5 и 20 будут работать параллельно.
При замыкании автоматических выключателей 33, 34 и 35 к трем трехфазным линиям 13, 14 и 15 подключаются входы трехфазных выпрямителей 37, 38 и 39 преобразователя частоты 36. Выпрямленные напряжения с выходов выпрямителей 37, 38 и 39 поступают на входы автономного многоуровневого инвертора 40, и с выхода инвертора 40 управляемое переменное напряжение подается на гребной электродвигатель 41, вращающий винт 42. Аналогичным образом будет работать вторая гребная установка: автоматические выключатели 43, 44 и 45 подают питание на трехфазные выпрямители 47, 48 и 49 преобразователя частоты 46, с выхода выпрямителей 47, 48 и 49 напряжения поступают на входы автономного инвертора 50, и с выхода инвертора 50 переменное напряжение подается на гребной электродвигатель 51, вращающий винт 52.
Для обеспечения электроэнергией остальных судовых потребителей используются трехфазные трансформаторы 54, 59 и 62. Первичная обмотка трансформатора 54 с помощью автоматического выключателя 53 подключается к линии 27 главного распределительного щита 9. Первичная обмотка трансформатора 59 с помощью автоматического выключателя 58 подключается к линии 28, а первичная обмотка трансформатора 62 с помощью автоматического выключателя 61 подключается к линии 29 главного распределительного щита 9. Вторичные обмотки трехфазных трансформаторов 54, 59 и 62 с помощью автоматических выключателей 55, 60 и 63 подключаются параллельно к одной трехфазной линии 56 распределительного щита 57 судовых потребителей.
Как было отмечено выше, одноименные выходные напряжения трехфазных обмоток 6, 7 и 8 синхронных генераторов 3, 4 и 5 равны и совпадают по фазе. Одноименные выходные напряжения трехфазных обмоток 21, 22 и 23 синхронных генераторов 18, 19 и 20 также равны и совпадают по фазе. Синхронные генераторы 3 и 18, 4 и 19, 5 и 20 синхронизированы и включены на параллельную работу. Значит, одноименные трехфазные напряжения трехфазных линий 27, 28 и 29 имеют равные амплитуды, частоты и фазы, и тогда при одинаковой схеме включения первичных и вторичных обмоток трехфазных трансформаторов 54, 59 и 62, а также при одинаковом коэффициенте трансформации трансформаторов 54, 59 и 62 вторичные обмотки трансформаторов 54, 59 и 62 могут быть включены параллельно на одну трехфазную линию 56.
В случае необходимости запускается дизель 64, вращающий ротор трехфазного аварийного генератора 65, обмотка статора которого через автоматический выключатель 67 подключается к трехфазной линии 68 аварийного распределительного щита 66. Линия 68 через автоматический выключатель 69 подключается к трехфазной линии 56 распределительного щита 57 судовых потребителей. В случае аварии на главных генераторах 3, 4, 5 и 18, 19, 20 аварийный генератор 65 обеспечивает питанием судовые потребители, а также может обеспечить через трансформаторы 54, 59 и 62 электроэнергией гребные установки в частичных режимах.
На стоянке дизель 70 вращает ротор стояночного генератора 71, статор которого через автоматический выключатель 72 подключается к трехфазной линии 56 распределительного щита 57 судовых потребителей и обеспечивает электроэнергией судовые потребители. Через автоматический выключатель 74 к линии 56 может также подключаться кабель 73 питания с берега.
Распределительные щиты судовых потребителей через автоматические выключатели 75 и фидеры 76 подключаются к трехфазной линии 56 распределительного щита 57.
Таким образом, применение главных генераторных агрегатов, состоящих из дизелей или турбин, к валу которых присоединены два и более трехфазных синхронных генераторов, каждый из которых имеет автономную систему стабилизации напряжения, позволяет исключить уравнительные токи во вторичных обмотках трансформаторов, подключенных к одной линии питания распределительного щита остальных судовых потребителей, а также получить высокое качество напряжения, подаваемого на гребные электроприводы.