МНОГОФАЗНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОДВИЖЕНИЯ СУДОВ С КОММУТАТОРОМ В НЕЙТРАЛИ

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 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.
Из уровня техники также известна система электродвижения судов [патент РФ на полезную модель №181202], содержащая источник с двумя трехфазными обмотками, два реверсивных полупроводниковых коммутатора, гребной трехфазный электродвигатель переменного тока. Реверсивные полупроводниковые коммутаторы включаются последовательно с питающими трехфазными обмотками, чередуясь с ними. Начало первой из трехфазных обмоток собирается в общую точку (то есть нейтраль обмотки), вторая трехфазная обмотка выполняется разомкнутой и включена последовательно в цепи между полупроводниковыми коммутаторами. Выход второго полупроводникового коммутатора подключается к двигателю.
К недостаткам такого решения относится использование значительного числа ключей (транзисторов) в полупроводниковых коммутаторах, что ведет к увеличению себестоимости установки, и росту стоимости эксплуатации по причине снижения надежности. Формируемое напряжение позволяет питать только трехфазный гребной электродвигатель, для получения шестифазного напряжения необходимо два канала преобразования частоты, что удваивает число ключей (транзисторов) в полупроводниковых коммутаторах и ведет к соответствующему росту габаритов и себестоимости.
Данное техническое решение является наиболее близким по своей технической сущности прототипом.
Раскрытие полезной модели. Появление систем электродвижения судов практически совпало с появлением электричества в промышленности. В начале 20 века, с развитием техники, увеличивалась насыщенность судов электрооборудованием, росла мощность судовых источников электроэнергии (генераторов), что дало предпосылки развитию систем электродвижения. В дальнейшем, произошло совершенствование электрооборудования из состава судовых электроэнергетических систем, сопровождаемое увеличением числа потребителей и их единичной мощности. Появление атомных энергетических установок, например на ледоколах, открыло новые перспективы для развития систем электродвижения судов [2, 3].
В настоящее время мировой тенденцией [3] является использование систем электродвижения переменного тока - как на военных кораблях, так и на гражданских судах, особенно арктического класса. Изменение оборотов гребного электродвигателя в системах электродвижения переменного тока реализуется за счет регулирования выходной частоты полупроводниковых преобразователей, входящих в состав гребной установки. Электродвигатели постоянного тока имеют несколько большие габариты по длине, и меньший ресурс из-за наличия щеточного аппарата на коллекторе. Последнее делает затруднительным создание гребных приводов постоянного тока повышенной мощности, особенно в погружном исполнении.
В настоящее время наиболее распространенным из используемых в системах электродвижения типов являются преобразователи с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) [1, 2]. К их достоинствам относятся простота схемотехники и малое число ключей в полупроводниковом коммутаторе. Однако более высокая по сравнению с классическими преобразователями частота коммутации полупроводниковых ключей вызывает повышенный нагрев и снижает долговечность модулей, а разрывание тока при коммутации требует защитных цепей для гашения коммутационных выбросов [1, 2]. Для повышения качества выходного напряжения таких преобразователей частоты применяют многоуровневые преобразователей, в которых различными способами достигается разделение напряжения питания на ступени, что позволяет улучшить качество выходного напряжения и его гармонический состав [1, 2, 3]. Для этого применяют высоковольтные конденсаторы большой емкости, что ведет к росту габаритов преобразователя и снижению надежности. Высокая частота коммутации полупроводниковых ключей ведет к ухудшению электромагнитной совместимости, что является недостатком всех импульсных преобразователей с ШИМ.
Таким образом, использование преобразователей частоты в условиях судовой электроэнергетической установки и характерной для нее плотной компоновки оборудования, основной технической проблемой современной судовой преобразовательной техники можно признать процесс коммутации тока, сопровождаемые коммутационными выбросами. Другой проблемой является искажения формы напряжений и токов [2, 4].
В используемых на судах статических преобразователях для гребных установок, трансформаторы применяются главным образом для согласования напряжения питающей сети с напряжением на выходе преобразователя [2, 3]. В современных преобразователях частоты используется звено постоянного тока, получаемое выпрямлением переменного напряжения сети, в таком случае для гальванической развязки с питающей сетью и согласования напряжения используется многофазный трансформатор. Недостатком такой схемы является невозможность регулирования напряжения трансформаторов, а также их значительные габариты и стоимость.
Также существует известный из многочисленной литературы [1, 2] вид преобразователей переменного напряжения одной частоты в переменное напряжение пониженной частоты без промежуточного преобразования (выпрямления). Подобные устройства получили название преобразователей частоты с непосредственной связью (непосредственных преобразователей частоты, или НПЧ).
Основу любого преобразователя НПЧ составляет многофазный реверсивный полупроводниковый коммутатор, подключенный с одной стороны к источнику переменного напряжения, а с другой стороны - к питаемой нагрузке [1, 2, 5, 6]. Существуют два основных способа управления (преобразования) полупроводниковым коммутатором НПЧ, в литературе наилучшим образом они описаны в [1]. Первый из алгоритмов управления НПЧ формирует выходное напряжение, состоящее из прямых (совпадающих по направлению с фронтом полуволны выходного напряжения) фрагментов, форма выходного напряжения представлена на фигуре 1. Другой алгоритм НПЧ формирует выходное напряжение, состоящее из обратных (имеющих противоположное направление к фронту полуволны выходного напряжения) фрагментов, форма выходного напряжения представлена на фигуре 2.
Автором был разработан способ непосредственного преобразования частоты [7, 9], основанный на двухканальном преобразовании, причем один канал НПЧ работает по алгоритму с прямыми фронтами, другой канал НПЧ работает по алгоритму с обратными фронтами. Напряжения двух каналов суммируются, что технически реализуется последовательным включением выходов каналов, а результат суммирования представлен на фигуре 3.
Из фигуры 3 становится очевидным значительное улучшение качества выходного напряжения, и высокая степень приближенности его к синусоиде. Данный способ двухканального преобразования был реализован в системе электродвижения судов, выбранной за основной прототип [8].
На фигуре 4 представлена принципиальная схема упомянутой системы электродвижения с интегрированным двухканальным непосредственным преобразованием частоты. К достоинствам такого решения можно отнести простоту, и возможность регулирования выходного напряжения изменением тока возбуждения (и соответственно, напряжением) судового генератора. Такая система содержит два трехфазных реверсивных полупроводниковых коммутатора, оснащенных двунаправленными ключами. Для реализации такой системы в случае трехфазной нагрузки требуется 36 однонаправленных ключей (например, IGBT-транзисторов). Шестифазный электропривод по такой схеме будет иметь 2 коммутатора с 72 ключами (IGBT-транзисторами) в каждом, то есть всего 144 ключа.
На фигуре 5 представлена схема шестифазного полупроводникового коммутатора, имеющего 6 входных фаз, и 6 выходных фаз. Изображенные схематично ключи должны быть двунаправленными, что требует наличия 2 однонаправленных ключей (IGBT-транзисторов), включенных в разных направлениях (полярности). Из схемы на фигуре 5 видна громоздкость такого полупроводникового коммутатора, которая выражается также в большом количестве внутренних соединений, выполняемых в мощном электроприводе силовыми шинами. Реализация шестифазного электропривода по схеме, изображенной на фигуре 4, будет громоздкой и дорогостоящей.
Основной целью данного решения является снижение необходимого количества ключей в полупроводниковом коммутаторе, и снижение числа внутренних и внешних соединений между элементами системы.
На фигуре 6 представлена принципиальная схема шестифазной системы электродвижения с непосредственным преобразованием частоты. Из схемы видно, что для реализации шестифазного полупроводникового коммутатора потребуется 36 двунаправленных ключей, то есть 72 силовых IGBT-транзистора. Возможна работа в одном из режимов преобразования, описанных в литературе [1, 2] - либо с прямыми, либо с обратными фронтами, то есть реализуется одноканальный режим НПЧ.
На фигуре 7 представлена схема полупроводникового коммутатора, для установки в нейтрали шестифазной обмотки генератора. Таким образом, подобный полупроводниковый коммутатор имеет 6 входных фаз, но не имеет выходных фаз, реализуя коммутацию между входами. Это обеспечивает некоторое снижение общего числа ключей, поскольку 1 фаза коммутируется с 5 остальными фазами, и число двунаправленных ключей снижается с 6 до 5 на каждую фазу. Для реализации такого шестифазного коммутатора требуется 30 двунаправленных ключей, то есть 60 однонаправленных IGBT-транзисторов, объединяемых в пары.
На фигуре 8 представлена принципиальная схема шестифазной системы электродвижения с коммутатором в нейтрали. Из схемы видно, что нейтраль обмоток фаз судового генератора выполняется разомкнутой и подключается к реверсивному полупроводниковому коммутатору.
Преимуществом изображенной на фигуре системы электродвижения будет невозможность возникновения токов короткого замыкания при авариях в полупроводниковом коммутаторе. Более того, возможна работа такой системы электродвижения при замыкании всех двунаправленных ключей полупроводникового коммутатора, что обеспечит режим полного хода при максимальной частоте напряжения на электродвигателе.
Еще одним преимуществом заявляемого решения является возможность реализации режима двухканального НПЧ, с формированием улучшенной формы кривой выходного напряжения. Это достигается благодаря последовательному включению фаз, коммутация которых производится полупроводниковым коммутатором, изображенным на фигуре 8.
В таком случае возможно подключение произвольной фазы к любой другой, следовательно, возможно соединить произвольную комбинацию фаз между собой. Это позволило отказаться от еще одного полупроводникового коммутатора, и реализовать двухканальный режим НПЧ при помощи одного полупроводникового коммутатора. В сравнении с решением, выбранным за основной прототип, это позволило снизить количество однонаправленных ключей (IGBT-транзисторов) со 144 штук до 60 штук, то есть количественно более чем в 2 раза меньше. Двукратное снижение числа полупроводниковых ключей является существенным преимуществом, одновременно решается задача уменьшения массы и габаритов - и как следствие, себестоимости всей установки, а также повышения надежности.
Так же можно сделать количественную оценку снижения числа однонаправленных ключей, необходимых для реализации двухканального шестифазного режима, в сравнении с классическим НПЧ [1, 2]. В таком случае, нам было бы необходимо 2 реверсивных шестифазных моста, включенных последовательно - для формирования каждой из 6 фаз выходного напряжения в отдельности. Это потребовало бы 24 ключа на шестифазный мост (полупроводниковый коммутатор), 48 однонаправленных ключей на каждую фазу выходного напряжения, 288 однонаправленных ключей (IGBT-транзисторов) в совокупности. В сравнении с такой системой, в заявляемом решении обеспечивается почти 5-кратное снижение.
На фигуре 9 изображена функциональная схема электроэнергетической систем, содержащей многофазную систему электродвижения с коммутатором в нейтрале. Здесь обмотка генератора переключается полупроводниковым коммутатором, выход генератора подключен к гребному электродвигателю. По три фазы обмотки генератора подаются на преобразователи напряжения, обеспечивающие стабилизацию выходного напряжения при изменениях напряжения на генераторе (например, при регулировании скорости гребного электродвигателя). Выходы преобразователей напряжения подключены к распределительным щитам, питающим общесудовых потребителей. С учетом того, что мощность судовых потребителей составляет менее 5% от мощности системы электродвижения [3], такую схему электроэнергетической системы можно признать рациональной. Мощность преобразователей напряжения является незначительной, и они могут быть выполнены на стандартных для этих целей импульсных преобразователей со звеном постоянного тока.
Заявляемая полезная модель является новым решением, имеющим следующие принципиальные отличия от прототипа:
- полупроводниковый коммутатор устанавливается в нейтрали многофазной обмотки судового источника электроэнергии, что делает невозможным короткое замыкание в цепи при пробое ключей упомянутого полупроводникового коммутатора;
- для коммутации отводов обмоток генератора требуется меньшее количество ключей в полупроводниковом коммутаторе.
Таким образом, совокупность существенных признаков решения приводит к новому техническому результату - повышению надежности за счет установки полупроводникового коммутатора в нейтрали обмотки судового генератора, что делает невозможным возникновение аварийных токов короткого замыкания при пробое одного или нескольких ключей полупроводникового коммутатора. Также, для переключения отводов фаз в полупроводниковом коммутаторе требуется меньше ключей, чем в известных решениях с коммутацией внешних отводов обмоток многофазных обмоток, что позволяет упростить конструкцию упомянутого полупроводникового коммутатора, и снизить себестоимость системы электродвижения.
Краткое описание чертежей.
На фигуре 1 изображен график выходного напряжения трехфазной системы электродвижения с непосредственным преобразованием частоты по алгоритму с прямыми фронтами.
На фигуре 2 изображен график выходного напряжения трехфазной системы электродвижения с непосредственным преобразованием частоты по алгоритму с обратными фронтами.
На фигуре 3 изображен график выходного напряжения системы электродижения с двухканальным непосредственным преобразованием частоты.
На фигуре 4 изображена принципиальная схема трехфазной системы электродвижения с интегрированным двухканальным непосредственным преобразованием частоты. Здесь 1 - электродвигатель, 2 - полупроводниковый коммутатор, 3 - обмотка судового генератора.
На фигуре 5 изображена схема шестифазного полупроводникового коммутатора.
На фигуре 6 изображена принципиальная схема шестифазной системы электродвижения с непосредственным преобразованием частоты. Здесь 1 -электродвигатель, 2 - полупроводниковый коммутатор, 3 - обмотка судового генератора.
На фигуре 7 изображена схема полупроводникового коммутатора устанавливаемого в нейтрали шестифазной обмотки.
На фигуре 8 изображена принципиальная схема шестифазной системы электродвижения судов с коммутатором в нейтрали. Здесь 1 - гребной электродвигатель, 2 - полупроводниковый коммутатор, 3 - обмотка судового генератора.
На фигуре 9 изображена функциональная схема электроэнергетической системы судна с многофазной системой электродвижения. Здесь 1 - электродвигатель, 2 - полупроводниковый коммутатор, 3 - обмотка судового генератора, 4 - преобразователь напряжения, 5 - главный распределительный щит.
Список использованной литературы.
1. Карташов Р.П., Кулиш А.К. Тиристорные преобразователи частоты с искусственной коммутацией. - Киев: Техника, 1979. - 152 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. Васин И.М. Создание перспективных электротехнических и энергетических комплексов судовых единых электроэнергетических систем. Диссерт. … докт.техн.наук. СПб.: ФГУП «ЦНИИ СЭТ», 2011. - с. 445
4. Новиков Г.В. Частотное управление асинхронными электродвигателями. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016. - 498 с.
5. Прошин И.А. Асинхронный электропривод с маловентильным непосредственным преобразователем частоты // диссертация. - Пенза: Изд-во Пензенского политехнического института, 1983. - 274 с.
6. Прошин И.А. Управление в системах с непосредственным преобразователями электрической энергии // диссертация. - Пенза: Изд-во Пензенского государственного университета, 2003. - 432 с.
7. Евсеев Р.И., Ивлев М.Л., Коптяев Е.Н., Хомяк В.А., Черевко А.И. Способ преобразования частоты // патент РФ на изобретение №2639048
8. Коптяев Е.Н., Попков Е.Н. Система электродвижения судов // патент РФ на полезную модель №181202
9. Коптяев Е.Н. Двухканальный непосредственный преобразователь частоты // Электричество. 2018. №3. с. 33-37