Судовая электроэнергетическая система переменного напряжения с турбогенераторами двух различных частот
SHIP VARIABLE VOLTAGE AC ELECTRIC POWER SYSTEM WITH TWO DIFFERENT FREQUENCIES TURBO GENERATORS

1.1. Область техники. Настоящее изобретение относится к области электроэнергетических систем с системами производства, преобразования и распределения электроэнергии. В частности, может относиться к судовым электроэнергетическим системам с турбогенераторными источниками переменного напряжения с двумя различными параметрами по напряжению и частоте, а именно, высокого напряжения повышенной частоты - для питания системы электродвижения и низкого напряжения промышленной частоты - для питания общесудовых потребителей.
1.2. Уровень техники. Известны судовые электроэнергетические системы (ЭЭС) с системами электродвижения (СЭД), имеющие на борту электросети с разными видами электроэнергии, построенные как по схеме автономного питания СЭД, так и питания от единой ЭЭС, описанные, например, в [1; 2; 3]. В указанных ЭЭС питание СЭД осуществляют, как правило, от электросетей переменного напряжения промышленной частоты 50 (60) Гц, в которых в качестве источников электроэнергии используют синхронные турбогенераторы с частотой вращения не более 3000 (3600) об/мин.
Учитывая, что для турбогенераторов в качестве первичных двигателей используют паровые или газовые турбины, рабочая частота вращения которых находится в пределах 628-942 рад/с (6000-9000 об/мин), то на выходном валу турбины обычно устанавливают промежуточный понижающий редуктор [4].
Известно, что электрооборудование электростанций и электросетей, в частности, генераторы и трансформаторы на повышенную частоту переменного напряжения, например, на 100 Гц или 200 Гц могут обладать существенно меньшими массо-объемными показателями по сравнению с аналогичным оборудованием, рассчитанным на промышленную частоту 50 (60) Гц [3; 5].
Близким по техническому решению к предлагаемому изобретению является судовая ЭЭС [2] (аналог), которая имеет на борту электростанцию переменного напряжения, предположительно, промышленной частоты и, по крайней мере, две электросети с разными видами электроэнергии, а именно, переменного тока и постоянного тока.
В составе электросети постоянного тока присутствуют автономные инверторы напряжения, которые обеспечивают электропитание некоторой части потребителей переменного тока со значениями частоты и (или) напряжения, отличающимися от таковых в электросети переменного тока.
Однако указанная ЭЭС обладает достаточно сложной системой распределения электроэнергии переменного тока, включающей в себя двухзвенную структуру ее преобразования с промежуточным звеном постоянного тока, включая распределительные щиты, управляемые выпрямители, устройства фильтрации и пуска автономных инверторов напряжения.
Указанные свойства судовой ЭЭС [2] существенно увеличивают массу и габариты электрооборудования, снижают структурную надежность и увеличивают потери мощности в системе распределения электроэнергии.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой судовой ЭЭС является судовая ЭЭС [3] (прототип), в которой единая электростанция с турбогенераторами повышенной частоты вращения n=628 рад/с (6000 об/мин), вращающимися от вала турбины без промежуточного понижающего редуктора, генерирует электроэнергию высокого напряжения повышенной частоты.
Распределяется электроэнергия при помощи двух электросетей переменного напряжения с двумя различными параметрами по напряжению и частоте, а именно, высокого напряжения повышенной частоты (200 Гц) для питания СЭД, и низкого напряжения 0,4 кВ промышленной частоты 50 (60) Гц для питания общесудовых потребителей. Причем в состав электросети низкого напряжения промышленной частоты введена централизованная система отбора мощности (СОМ), в качестве которой используются каскадные матричные преобразователи частоты с силовыми трансформаторами, рассчитанными на суммарную полную мощность общесудовых потребителей.
U
Однако указанное свойство СОМ существенно увеличивает массу и габариты электрооборудования, а также потери мощности в составе указанной электросети, что является недостатком прототипа. При этом СОМ, хотя и обеспечивает необходимый уровень параметров качества электроэнергии в соответствии с требованиями ГОСТ 32144-2013 (суммарный коэффициент K гармонических составляющих до 40-го порядка, не более 10%), обладает существенным влиянием на электросеть по гармоническим составляющим более высокого порядка (свыше 40-й гармоники).
Задачей предложенного технического решения судовой электроэнергетической системы является существенное снижение по сравнению с прототипом [3] расчетной полной мощности, следовательно, массы и габаритов преобразовательной электросети, в т.ч. по гармоническим составляющим высокого порядка.
2
2
2
1
1
1
1
2
Поставленная задача решается благодаря тому, что в судовой электроэнергетической системе переменного напряжения с турбогенераторами двух различных частот, содержащей n (где n=1, 2, …) главных турбогенераторов синхронного типа высокого напряжения повышенной частоты, вращающихся с повышенной частотой от вала приводной турбины, две электрических сети переменного напряжения с главными распределительными щитами высокого напряжения повышенной частоты и главными распределительными щитами низкого напряжения промышленной частоты; систему электродвижения, состоящую из m (где m=1, 2…) гребных электродвигателей переменного тока и необходимого количества каскадных преобразователей частоты с силовыми трансформаторами; мощные потребители переменного тока повышенной частоты с каскадными преобразователями частоты и без каскадных преобразователей частоты, вспомогательные дизель-генераторы низкого напряжения промышленной частоты, общесудовые потребители промышленной частоты, имеются следующие отличия: в состав электрической сети низкого напряжения промышленной частоты дополнительно введены n обратимых преобразователей частоты с силовыми трансформаторами и n турбогенераторов асинхронного типа с фазным ротором, которые попарно размещены на общем валу с n главными турбогенераторами синхронного типа, при этом в цепь обмотки фазного ротора каждого турбогенератора асинхронного типа подключены выходные зажимы каждого обратимого преобразователя частоты с силовыми трансформаторами, первичные обмотки которых подключены к главным распределительным щитам высокого напряжения повышенной частоты, а выходные зажимы трехфазной обмотки статора каждого турбогенератора асинхронного типа подключены к главным распределительным щитам низкого напряжения промышленной частоты, причем угловую частоту вращения ω=2πƒ/p основной волны намагничивающих сил обмотки фазного ротора турбогенератора асинхронного типа направляют в противоположную сторону относительно направления угловой частоты вращения фазного ротора ω=2πƒ/р, где p - число пар полюсов турбогенератора синхронного типа, р - число пар полюсов турбогенератора асинхронного типа с фазным ротором.
В трехфазной обмотке статора главного турбогенератора (ТГ) синхронного типа генерируется электроэнергия высокого напряжения повышенной частоты 100 или 200 Гц для питания СЭД с гребными электродвигателями (ГЭД) и других мощных потребителей, а в трехфазной обмотке статора ТГ асинхронного типа с фазным ротором генерируется электроэнергия низкого напряжения 0,4 кВ промышленной частоты 50 Гц для питания общесудовых потребителей. При этом в цепь обмотки фазного ротора подключают обратимый преобразователь частоты с силовыми трансформаторами, суммарная расчетная полная мощность которых составляет ориентировочно 50% от суммарной полной мощности общесудовых потребителей.
U
Тем самым существенно уменьшается расчетная полная мощность преобразующих устройств в составе электросети низкого напряжения промышленной частоты 50 Гц и одновременно обеспечивается снижение суммарного коэффициента гармонических составляющих K до значения, не более 3-4%, в т.ч. по гармоникам выше 40-го порядка.
Указанный технический результат в предложенной судовой ЭЭС переменного напряжения с турбогенераторами двух различных частот достигается за счет того, что предусмотрены следующие отличия от прототипа:
1. Из состава электросети низкого напряжения промышленной частоты исключают централизованную систему отбора мощности (СОМ), построенную на основе каскадных матричных преобразователей частоты с силовыми трансформаторами, первичные обмотки которых подключены к главному распределительному щиту (ГРЩ) электросети высокого напряжения повышенной частоты, а выходные зажимы - к ГРЩ электросети низкого напряжения 0,4 кВ промышленной частоты 50 Гц.
2. В состав электросети низкого напряжения промышленной частоты дополнительно вводят турбогенератор асинхронного типа с фазным ротором, который располагают на общем валу с главным турбогенератором синхронного типа, и обратимый преобразователь частоты с силовыми трансформаторами. Выходные зажимы трехфазной обмотки статора турбогенератора асинхронного типа подключают к ГРЩ электросети низкого напряжения 0,4 кВ промышленной частоты 50 Гц. При этом в цепь обмотки фазного ротора подключают выходные зажимы обратимого преобразователя частоты с силовыми трансформаторами, первичные обмотки которых подключают к ГРЩ электросети высокого напряжения повышенной частоты.
1.3 Краткое описание чертежей.
Заявляемое изобретение поясняется чертежом (фиг. 1), на котором изображена структурная схема судовой ЭЭС переменного напряжения с турбогенераторами двух различных частот.
В представленной схеме (фиг. 1) судовой ЭЭС используются следующие обозначения: 1 - главные ТГ синхронного типа; 2 - ТГ асинхронного типа с фазным ротором; 3 - приводная турбина; 4 - ГРЩ высокого напряжения повышенной частоты; 5 - ГРЩ низкого напряжения промышленной частоты; 6 - система электродвижения с ГЭД и 6.1, каскадными преобразователями частоты 6.2, силовыми трансформаторами 6.3; 7 - мощные потребители с каскадными преобразователями частоты 7.1 и силовыми трансформаторами 7.2; 8 - мощные потребители без преобразователей частоты; 9 - обратимые преобразователи частоты (ОПЧ) с силовыми трансформаторами 9.1; 10, 11, 12 - общесудовые потребители промышленной частоты; 13 - вспомогательные дизель-генераторы низкого напряжения промышленной частоты; 14 - ввод низкого напряжения промышленной частоты; 15 - источники бесперебойного питания; 16 - индивидуальные преобразующие устройства.
1.3. Раскрытие изобретения.
1
Предложенное техническое решение судовой ЭЭС переменного напряжения с турбогенераторами двух различных частот заключается в том, что в ее составе содержатся две электросети, в одной из которых в качестве источника электроэнергии высокого напряжения повышенной частоты используют главные турбогенераторы (ТГ) 1 синхронного типа, а в другой в качестве источника электроэнергии низкого напряжения промышленной частоты 50 Гц - ТГ 2 асинхронного типа с фазным ротором. Оба ТГ 1,2 располагают на общем валу и вращают с повышенной частотой вращения ω=628 рад/с (6000 об/мин) непосредственно от приводной турбины 3.
Электроэнергия в каждой электросети распределяется при помощи главных распределительных щитов (ГРЩ) 4 высокого напряжения повышенной частоты 100 или 200 Гц и ГРЩ 5 низкого напряжения промышленной частоты 50 Гц.
U
В составе электросети низкого напряжения промышленной частоты обеспечивается по сравнению с прототипом [3] существенное уменьшение расчетной полной мощности преобразующих устройств ориентировочно на 50% и снижение суммарного коэффициента гармонических составляющих K до значения, не более 3-4%.
1
s
1
Предлагаемая судовая ЭЭС переменного напряжения с турбогенераторами двух различных частот содержит n (где n=1, 2, …) главных ТГ 1 синхронного типа, генерирующих электроэнергию высокого напряжения повышенной частоты ƒ=100 или 200 Гц и n ТГ 2 асинхронного типа с фазным ротором, генерирующих электроэнергию низкого напряжения 0,4 кВ промышленной частоты ƒ=50 Гц, которые попарно располагают на общем валу с главными ТГ1 синхронного типа и вращаются с повышенной частотой ω=628 рад/с (6000 об/мин) от вала приводной турбины 3; выходные зажимы трехфазной обмотки статора ТГ2 асинхронного типа подключают к ГРЩ 5 электросети низкого напряжения промышленной частоты 50 Гц. В цепь обмотки фазного ротора подключают выходные зажимы обратимого преобразователя частоты 9 с силовыми трансформаторами 9.1, первичные обмотки которых подключают к ГРЩ 4 электросети высокого напряжения повышенной частоты; две электрических сети переменного напряжения с ГРЩ 4 высокого напряжения повышенной частоты, к которым подключены выходные зажимы трехфазной обмотки статора главных ТГ1 синхронного типа, и ГРЩ 5 низкого напряжения промышленной частоты, к которым подключены выходные зажимы трехфазной обмотки статора ТГ 2 асинхронного типа с фазным ротором; систему электродвижения 6, состоящую из m (где m=1, 2…) гребных электродвигателей (ГЭД) 6.1 переменного тока и необходимого количества каскадных преобразователей частоты 6.2 с силовыми трансформаторами 6.3, которые подключены к ГРЩ 4 высокого напряжения повышенной частоты; ряд мощных потребителей 7 и 8 высокого напряжения повышенной частоты как включающих в себя каскадные преобразователи частоты 7.1 с силовыми трансформаторами 7.2, так и без них; обратимые преобразователи частоты (ОПЧ) 9 с силовыми трансформаторами 9.1, первичные обмотки которых подключаются к ГРЩ 4 высокого напряжения повышенной частоты, а выходные зажимы ОПЧ подключаются через электрические щетки и контактные кольца (на фиг.1 не обозначены) к трехфазной обмотке фазного ротора ТГ 2 асинхронного типа; общесудовые потребителей 10; 11; 12, подключенные к ГРЩ 5 низкого напряжения промышленной частоты.
В предлагаемой судовой ЭЭС переменного напряжения с турбогенераторами двух различных частот присутствуют также вспомогательные дизель-генераторы 13 низкого напряжения 0,4 кВ промышленной частоты 50 Гц, выходные зажимы которых подключены к ГРЩ 5 низкого напряжения промышленной частоты, а также вводы 14, к которым подключают, при необходимости, внешние вспомогательные или аварийные источники электроэнергии низкого напряжения промышленной частоты.
Причем некоторые ответственные общесудовые потребители 10 снабжаются источниками бесперебойного электропитания 15, необходимыми на период времени пуска и подключения вспомогательных дизель-генераторов 13 низкого напряжения промышленной частоты. А некоторые общесудовые потребители 11 с регулируемыми параметрами электроэнергии снабжаются индивидуальными преобразующими устройствами 16.
Предлагаемая судовая ЭЭС переменного напряжения с турбогенераторами двух различных частот работает следующим образом.
1
Предварительно при помощи приводной турбины 3 осуществляют пуск и разгон одного из n турбогенераторов (ТГ) 1 синхронного типа до частоты вращения  об/мин, где р - число пар полюсов обмотки возбуждения постоянного тока.
1
1
1
1
1
2
В результате взаимодействия магнитного поля вращающейся обмотки возбуждения постоянного тока с обмоткой статора в последней возникает трехфазной высокое напряжение (до ~10,5 кВ) повышенной частоты ƒ=ωp/60=100 Гц (при p=1) или 200 Гц (при p=2), которое через ГРЩ 4 сети высокого напряжения повышенной частоты и силовые трансформаторы 9.1 поступает на вход обратимого преобразователя частоты (ОПЧ) 9, где преобразуется в трехфазное напряжение, регулируемое по амплитуде и частоте ƒ.
2н
2
2н
2
1
1
1
Указанное трехфазное напряжение при плавном увеличении его амплитуды и частоты от нуля до номинального значения ƒ через электрические щетки и контактные кольца (на фиг. 1 не обозначены) поступает в обмотку фазного ротора ТГ 2 асинхронного типа. При этом угловая частота вращения ω=2πƒ/pосновной волны намагничивающей силы (н.с.) от токов, возникающих в указанной обмотке, должна быть направлена в противоположную сторону относительно направления угловой частоты вращения фазного ротора ω=2πƒ/p [6].
2
2н
2
Основная волна н.с.обмотки фазного ротора, вращающаяся относительно ротора в номинальном режиме с угловой частотой вращения ω=2πƒ/р, индуктирует в обмотке статора ТГ 2 низкое напряжение 0,4 кВ промышленной частоты, равной частоте скольжения основной волны н.с.относительно статора  Знак «-» характеризует генераторный режим передачи электроэнергии со стороны обмотки фазного ротора во внешнюю электросеть.
1
s
Затем электроэнергия, генерируемая в трехфазных обмотках статора ТГ 1 и ТГ 2, в виде двух систем трехфазных токов различных частот ƒ; ƒ поступает через соответствующие выключатели на ГРЩ 4 и ГРЩ 5 в электросети соответствующей частоты.
Аналогичным образом осуществляют пуск остальных n-1 ТГ 1 синхронного типа и n-1 ТГ 2 асинхронного типа, и после их синхронизации соответственно с электросетью высокого напряжения повышенной частоты и с электросетью низкого напряжения промышленной частоты подключают соответственно к ГРЩ 4 и ГРЩ 5.
s
2
При этом в ТГ 2 асинхронного типа после перевода его в генераторный режим с отрицательной частотой скольжения ƒ=-50 Гц в обмотке фазного ротора индуктируется переменная противо-э.д.с. с частотой ƒ. Под действием этой противо-э.д.с. электроэнергия в виде трехфазных токов через контактные кольца и электрические щетки поступает в обратном направлении в ОПЧ 9.
1
1
Указанная электроэнергия после обратного преобразования в трехфазный ток повышенной частоты ƒ поступает на силовой трансформатор 9.1 ОПЧ 9 и далее после синхронизации по напряжению и частоте передается в электросеть высокого напряжения повышенной частоты ƒ=100 или 200 Гц.
1
s
Таким образом, в предлагаемой судовой ЭЭС в составе n ТГ 1 синхронного типа и n ТГ 2 асинхронного типа генерируется электроэнергия трехфазных токов двух различных частот: высокого напряжения (до ~10,5 кВ) повышенной частоты ƒ=100 или 200 Гц и низкого напряжения (~0,4 кВ) промышленной частоты ƒ=50 Гц, которую затем распределяют при помощи двух электросетей переменного напряжения с соответствующими параметрами по напряжению и частоте. Причем питание СЭД 6 и некоторых мощных потребителей 7; 8 как использующих каскадные преобразователи частоты 7.1 для их пуска и регулирования, так и без них, осуществляют через ГРЩ 4 высокого напряжения повышенной частоты. Электропитание общесудовых потребителей 10; 11; 12 осуществляют через ГРЩ 5 низкого напряжения промышленной частоты.
В случае отключения либо выхода из строя одной из электросетей высокого либо низкого напряжения вспомогательные дизель-генераторы 13 низкого напряжения промышленной частоты вступают в работу в качестве аварийных источников электроэнергии и через ГРЩ 5 низкого напряжения промышленной частоты осуществляют электропитание общесудовых потребителей 10; 11; 12.
Кроме того, предусмотрена возможность стояночного или аварийного электропитания общесудовых потребителей 10; 11; 12 через вводы 14 ГРЩ 5 низкого напряжения промышленной частоты от внешних источников электроэнергии, например, береговых или от ЭЭС другого судна.
2
1
Технический результат, состоящий в существенном уменьшении расчетной полной мощности ОПЧ 9, которая равна полной мощности (Р) обмотки фазного ротора ТГ2 асинхронного типа при частоте вращения ротора ω=628 рад/с, определяется по формуле [6]:
ТГ2
где: Р - расчетная полная мощность ТГ 2 асинхронного типа, равная суммарной полной мощности общесудовых потребителей;
- скольжение ротора в относительных единицах (знак - «минус» характеризует передачу электроэнергии в электросеть).
U
Технический результат улучшения качества электроэнергии в электросети промышленной частоты 50 Гц, который состоит в снижении суммарного коэффициента гармонических составляющих K, в соответствии с ГОСТ 32144 -2013 определяется по формуле:
ν
где: E - амплитуды гармонических составляющих фазной э.д.с. в обмотке статора ТГ 2 асинхронного типа, которые определяются по формуле [6]:
ν
где: Ф - магнитный поток ν-й пространственной нечетной гармоники в воздушном зазоре одной фазы трехфазной обмотки ротора;
1
w - суммарное число витков в фазе обмотки статора;
1oб.ν
k - обмоточный коэффициент ν-ой гармоники э.д.с. обмотки статора;
z
- коэффициент скоса пазов; b - ширина паза статора.
ν=(6n±1)<40 - по нормативным требованиям (ГОСТ 32144 - 2013) обычно определяется с учетом первых шести n=0, 1, 2, 3…6.
у
φν
Магнитный поток Ф, обусловленный намагничивающей силой (н.с.) F от токов в трехфазной обмотке ротора, определяется по формулам, представленным в [6]:
1(2)
где: τ - полюсное деление статора (ротора);
- активная длина пакета ротора;
2об.ν
k - обмоточный коэффициент ν-ой гармоники н.с. обмотки ротора;
2
w - суммарное число витков в одной фазе обмотки ротора;
δ
δ - воздушный зазор; k - коэффициент воздушного зазора;
μ
k - коэффициент, учитывающий насыщение магнитной цепи ротора;
ν - порядок спектра (1, 5, 7 и т.д.) пространственных гармоник от н.с.;
2а
I - амплитуда фазного тока в обмотке ротора.
1об.ν
2об.ν
Обмоточный коэффициент как для трехфазной обмотки статора k, так и для трехфазной обмотки ротора k определяется произведением двух составляющих [6]:
где:
- коэффициент укорочения шага обмотки статора (ротора);
- коэффициент распределения обмотки статора (ротора);
1(2)
1(2)
1(2)
β=y/τ - относительный шаг обмотки статора (ротора);
1(2)
y - шаг витков обмотки или катушечной группы статора (ротора) по пазам;
1(2)
1(2)
2
1
1(2)
q=Z/2p⋅m - число пазов z на один полюс и фазу на статоре (роторе);
2
р - число пар полюсов обмотки статора (ротора);
1
m - число фаз обмотки статора (ротора).
ν
Как известно [6], амплитуды нечетных гармонических составляющих фазной э.д.с. E могут быть существенно уменьшены как за счет распределения катушечных групп обмотки по пазам при q>1, так и за счет укорочения шага обмотки, например, на 1/6 или 1/12 часть шага.
1об.ν
2об.ν
В соответствии с (3) и (4) амплитуды нечетных гармонических составляющих фазной э.д.с. обмотки статора определяются при прочих равных условиях произведением обмоточных коэффициентов k⋅k обмоток статора и ротора.
1
1
1
2
2
В таблице №1, в качестве примера, показаны результаты расчета коэффициентов распределения и укорочения шага трехфазных (m=3) обмоток статора и ротора, а также обмоточных коэффициентов для гармонических составляющих фазной э.д.с. до 31-го порядка при q=4 и относительном шаге β=5/6 обмотки статора и при q=3 и относительном шаге β=11/12 обмотки ротора.
С учетом (2)…(5) и данных таблицы №1 суммарный коэффициент гармонических составляющих кривой фазной э.д.с. промышленной частоты 50 Гц составляет:
1
2
1
2
U
С учетом того, что при расчете коэффициентов распределения и укорочения в таблице №1 могут быть приняты другие исходные данные для q; q; β; β и порядка гармоник фазной э.д.с., то при наихудшем варианте исходных данных значение суммарного коэффициента гармонических составляющих K по предварительным расчетам находится в пределах, не более 3-4%.
1
U
Таким образом, предложенное техническое решение судовой ЭЭС переменного напряжения с турбогенераторами двух различных частот имеет необходимое обоснование и обеспечивает при частоте вращения ротора ω=628 рад/с (6000 об/мин) заявленный технический результат, т.е. существенное уменьшение (~ на 50%) расчетной полной мощности необходимых преобразующих устройств и улучшение качества электроэнергии в электросети низкого напряжения промышленной частоты с обеспечением в кривой фазной э.д.с. суммарного коэффициента гармонических составляющих K<3-4%.
Литература
1. Гребные электрические установки. Айзенштадт Е.Б. и др. Справочник. Изд-во: «Судостроение», Л. 1985 г.
2. Судовая электроэнергетическая система. Кувшинов Г.Е., Коршунов А.В., Коршунов В.Н. Патент РФ № RU 2375804 С2, кл. H02J 3/00 от 09.01.2008.
3. Александров В.П., Скворцов Б.А., Хомяк В.А. Судовая электроэнергетическая система переменного напряжения повышенной частоты с системой электродвижения и матричными преобразователями частоты. Патент РФ №RU 2510781 С2, кл. H02J 3/34 от 17.07.2012.
4. Турбогенераторы блочные типа ТГ. Продукция ОАО «Калужский турбинный завод»; интернет: www.oaoktz.ru.
5. Постников И.М. Проектирование электрических машин. Гостехиздат УССР, Киев, 1952, с. 20…23.
6. Вольдек А.И. Электрические машины. М.: Энергия, 1978, с. 593; 578; 396.