СУДОВАЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
SHIP 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, B63H 21/17), содержащая двигатели внутреннего сгорания или турбины, вращающие роторы генераторов переменного тока, трехфазные обмотки статора которых подключены к трехфазным линиям главного распределительного щита, к трехфазным 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, B63H 21/17), 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. Гальванически не связанные обмотки синхронных генераторов и выпрямители позволяют получить гальванически не связанные источники постоянного напряжения, необходимые для питания многоуровневых инверторов. А многоуровневые инверторы обеспечивают гребные электродвигатели, которые являются на судах с электродвижением основными потребителями электроэнергии, переменным напряжением высокого качества, что обеспечивает высокий к.п.д. гребных электродвигателей и судовой электроэнергетической установки в целом. Однако в прототипе на статоре каждого синхронного генератора размещены две или более раздельные трехфазные обмотки, что исключает возможность независимого регулирования напряжений на этих обмотках. Действующее значение выходного напряжения на обмотках статора 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 значение 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 трансформаторов, 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 обеспечить гребные электродвигатели и все остальные судовые потребители электроэнергией от одной и той же электростанции, получить гальванически не связанные источники постоянного напряжения, необходимые для работы многоуровневых инверторов, вырабатывающих переменное напряжение высокого качества для питания гребных электродвигателей. Кроме того, в отличие от прототипа изобретение дает возможность независимо регулировать напряжения на каждой многофазной обмотке генераторов, что позволяет исключить уравнительные токи во вторичных обмотках трансформаторов, питающих судовые потребители, и создать судовую электроэнергетическую установку с более высоким к.п.д., тем самым 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 линиям питания главного распределительного щита, к которым через автоматические выключатели подключены входы выпрямителей преобразователей частоты. Число выпрямителей равно числу линий главного распределительного щита, а выходы выпрямителей подключены к входам многоуровневых инверторов, составляющих с выпрямителями преобразователи частоты, питающие гребные электродвигатели. К каждой линии главного распределительного щита через автоматические выключатели подключены также первичные обмотки трансформаторов с вращающимся магнитным полем, а трехфазные вторичные обмотки трансформаторов через автоматические выключатели присоединены к трехфазной линии питания распределительного щита остальных судовых потребителей. Обмотка статора аварийного дизель-генератора через автоматические выключатели также подключена к трехфазной линии питания судовых потребителей. Согласно изобретению на статоре каждого главного синхронного генератора размещена одна многофазная обмотка с числом фаз более трех, фазы которой соединены звездой или треугольником, а линии главного распределительного щита имеют такое же число фаз, что и обмотки главных синхронных генераторов.
Выполнение в судовой электроэнергетической установке каждого главного генератора с одной многофазной обмоткой на статоре с числом фаз более трех, фазы которой соединены звездой или треугольником, а также линий главного распределительного щита с таким же числом фаз, что и обмотки главных синхронных генераторов, позволяет получить две и более системы гальванически развязанных многофазных напряжений, необходимых для работы преобразователя частоты с многоуровневыми инверторами. При этом каждый синхронный генератор имеет собственную автономную систему стабилизации напряжения, поэтому на выходе всех многофазных 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 которой первый главный дизель (или турбина) 1 соединен выходным валом 2 с ротором 3 синхронного генератора 4, на статоре которого находится многофазная обмотка 5, имеющая число фаз более трех (на фиг.1 изображена шестифазная обмотка 5). Выводы многофазной обмотки 5 через автоматический выключатель 6 подключаются к многофазной линии 7 главного распределительного щита 8. Число фаз линии 7 равно числу фаз обмотки 5. Второй главный дизель 9 соединен выходным валом 10 с ротором 11 синхронного генератора 12, на статоре которого находится многофазная обмотка 13, аналогичная многофазной обмотке 5. Выводы многофазной обмотки 13 через автоматический выключатель 14 подключаются к многофазной линии 15 главного распределительного щита 8. Третий главный дизель 16 соединен выходным валом 17 с ротором 18 синхронного генератора 19, на статоре которого находится многофазная обмотка 20, аналогичная многофазным обмоткам 5 и 13. Выводы многофазной обмотки 20 через автоматический выключатель 21 подключаются к многофазной линии 22 главного распределительного щита 8. Многофазные линии 7, 15 и 22 гальванически не соединены.
К многофазным линиям 7, 15 и 22 с помощью автоматических выключателей соответственно 23, 24 и 25 подключаются входы многофазных выпрямителей 26, 27 и 28, которые входят в состав преобразователя частоты 29. Выпрямленное напряжение с выхода выпрямителей 26, 27 и 28 подается на вход многоуровневого инвертора напряжения 30, к выходу которого подключен гребной электродвигатель 31, на валу которого установлен гребной винт 32.
К многофазным линиям 7, 15 и 22 с помощью автоматических выключателей соответственно 33, 34 и 35 подключаются входы многофазных выпрямителей 36, 37 и 38, которые входят в состав преобразователя частоты 39. Выпрямленное напряжение с выхода выпрямителей 36, 37 и 38 подается на вход многоуровневого инвертора напряжения 40, к выходу которого подключен гребной электродвигатель 41, на валу которого установлен гребной винт 42.
К многофазной линии 7 с помощью автоматического выключателя 43 подключается многофазная первичная обмотка 44 трансформатора 45 с вращающимся магнитным полем. Трехфазная вторичная обмотка 46 трансформатора 45 с помощью автоматического выключателя 47 подключается к трехфазной линии 48 распределительного щита 49 судовых потребителей электроэнергии.
К многофазной линии 15 с помощью автоматического выключателя 50 подключается многофазная первичная обмотка 51 трансформатора 52 с вращающимся магнитным полем. Трехфазная вторичная обмотка 53 трансформатора 52 с помощью автоматического выключателя 54 подключается к трехфазной линии 48 распределительного щита 49.
К многофазной линии 22 с помощью автоматического выключателя 55 подключается многофазная первичная обмотка 56 трансформатора 57 с вращающимся магнитным полем. Трехфазная вторичная обмотка 58 трансформатора 57 с помощью автоматического выключателя 59 также подключается к трехфазной линии 48 распределительного щита 49.
Аварийный дизель 60 вращает ротор аварийного синхронного генератора 61. Трехфазная обмотка статора синхронного генератора 61 с помощью автоматического выключателя 62 подключается к трехфазной линии 63 аварийного распределительного щита 64, а трехфазная линия 63 с помощью автоматического выключателя 65 подключается к трехфазной линии 48 распределительного щита 49 судовых потребителей электроэнергии.
В состав судовой электроэнергетической установки входят также стояночный дизель 66, вращающий ротор трехфазного стояночного генератора 67, который с помощью автоматического выключателя 68 подключается к трехфазной линии 48 распределительного щита 49. Автоматический выключатель 69 подключает к трехфазной линии 48 кабель 70, с помощью которого на судно подается питание с берега. Автоматические выключатели 71 подают питание от трехфазной линии 48 распределительного щита 49 на фидеры 72, питающие распределительные щиты судовых потребителей электроэнергии (не показаны на схеме).
Предлагаемая судовая электроэнергетическая установка работает следующим образом. После запуска главных дизелей 1, 9 и 16 устройства регулирования напряжения и частоты синхронных генераторов 4, 12 и 19 обеспечивают на выходе генераторов номинальные напряжение и частоту. Затем автоматические выключатели 6, 14 и 21 подключают многофазные обмотки 5, 13 и 20 статоров синхронных генераторов 4, 12 и 19 соответственно к многофазным линиям 7, 15 и 22 главного распределительного щита 8.
При замыкании автоматических выключателей 23, 24 и 25 к трем многофазным линиям 7, 15 и 22 подключаются входы многофазных выпрямителей 26, 27 и 28 преобразователя частоты 29. Выпрямленные напряжения с выходов многофазных выпрямителей 26, 27 и 28 поступают на входы автономного многоуровневого инвертора 30, и с выхода инвертора 30 управляемое переменное напряжение подается на гребной электродвигатель 31, вращающий винт 32. Аналогичным образом будет работать вторая гребная установка:
автоматические выключатели 33, 34 и 35 подают питание на многофазные выпрямители 36, 37 и 38 преобразователя частоты 39, с выхода выпрямителей 36, 37 и 38 напряжения поступают на входы автономного многоуровневого инвертора 40 и с выхода инвертора 40 переменное напряжение подается на гребной электродвигатель 41, вращающий винт 42.
Для обеспечения судовых потребителей электроэнергией трехфазного тока к многофазной линии 7 с помощью автоматического выключателя 43 подключается многофазная первичная обмотка 44 трансформатора 45 с вращающимся магнитным полем. На вторичной трехфазной обмотке 46 трансформатора 45 появляется трехфазное напряжение, которое с помощью автоматического выключателя 47 подается на трехфазную линию 48 распределительного щита 49 судовых потребителей электроэнергии.
От многофазной линии 15 через автоматический выключатель 50 подается напряжение на многофазную первичную обмотку 51 трансформатора 52 с вращающимся магнитным полем. На вторичной трехфазной обмотке 53 трансформатора 52 появляется трехфазное напряжение. Перед подключением вторичной обмотки 53 к линии 48 распределительного щита 49 система синхронизации генераторов, воздействуя на дизель 9 и генератор 12, производит синхронизацию трехфазных напряжений на линии 48 и на вторичной обмотке 53 трансформатора 52. После того как будут выполнены правила синхронизации -равенство амплитуд, равенство частот и равенство начальных фаз трехфазных напряжений на линии 48 и на вторичной обмотке 53 трансформатора 52, автоматический выключатель 54 замыкается и вторичные обмотки 46 и 53 трансформаторов 45 и 52 будут подключены параллельно на линию 48.
От многофазной линии 22 через автоматический выключатель 55 подается напряжение на многофазную первичную обмотку 56 трансформатора 57 с вращающимся магнитным полем. На вторичной трехфазной обмотке 58 трансформатора 57 появляется трехфазное напряжение. Перед подключением вторичной обмотки 58 к линии 48 распределительного щита 49 система синхронизации генераторов, воздействуя на дизель 16 и генератор 18, производит синхронизацию трехфазных напряжений на линии 48 и на вторичной обмотке 58 трансформатора 57. После того как будут выполнены правила синхронизации трехфазных напряжений на линии 48 и на вторичной обмотке 58 трансформатора 57, автоматический выключатель 59 замыкается и вторичные обмотки 46 и 53 и 58 трансформаторов 45, 52 и 57 будут подключены параллельно на линию 48.
В случае необходимости запускается дизель 60, вращающий ротор трехфазного аварийного генератора 61, обмотка статора которого через автоматический выключатель 62 подключается к трехфазной линии 63 аварийного распределительного щита 64. Линия 63 через автоматический выключатель 65 подключается к трехфазной линии 48 распределительного щита 49 судовых потребителей. В случае аварии на главных генераторах 4, 12 и 19 аварийный генератор 61 обеспечивает питанием судовых потребителей, а также может обеспечить через трансформаторы 45, 52 и 57 электроэнергией гребные установки в частичных режимах.
На стоянке дизель 66 вращает ротор стояночного генератора 67, статор которого через автоматический выключатель 68 подключается к трехфазной линии 48 распределительного щита 49 судовых потребителей и обеспечивает электроэнергией судовых потребителей. Через автоматический выключатель 69 к линии 48 может также подключаться кабель 70 питания с берега.
Распределительные щиты судовых потребителей через автоматические выключатели 71 и фидеры 72 подключаются к трехфазной линии 48 распределительного щита 49 и обеспечивают питанием судовые потребители.
В предлагаемой судовой электроэнергетической установке на статоре каждого синхронного генератора находится одна многофазная обмотка, напряжение на выходе которой обеспечивается автономной системой стабилизации. Равенство напряжений на выходе генераторов, а значит и на выходе вторичных обмоток трансформаторов, питающих судовые потребители, исключает уравнительные токи во вторичных обмотках трансформаторов. Поскольку на статорах генераторов находится только одна многофазная обмотка магнитная связь этой обмотки с другими обмотками и искажение ее напряжения из-за магнитной связи с другими обмотками в данной электроэнергетической установке отсутствуют.
Таким образом, применение в судовой электроэнергетической установке главных синхронных генераторов, на статоре каждого из которых размещена одна многофазная обмотка с числом фаз более трех, соединеных звездой или треугольником, и линий главного распределительного щита, имеющих такое же число фаз, что и обмотки главных синхронных генераторов, 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.