Гребная электроэнергетическая установка
PROPULSION ELECTRIC POWER PLANT

Изобретение относится к судостроению, в частности к гребным электроэнергетическим установкам судов большой мощности как гражданского, так и военно-морского флота для которых необходимо обеспечить питание гребных электродвигателей с широким диапазоном регулирования частоты вращения гребного винта. Предлагаемая гребная электроэнергетическая установка может обеспечивать питание потребителей собственных нужд, а также питание внешних береговых либо буксируемых потребителей, что значительно расширяет ее функциональные возможности.
Известна судовая электроэнергетическая установка (МПК В63Н 21/17, В63Н 23/24, патент RU 2529090 (С1), дата подачи заявки 27.03.2013, Калмыков А.Н., Кузнецов В.И., Сеньков А.П., Судовая электроэнергетическая установка), содержащая главные первичные тепловые двигатели, многообмоточные главные синхронные генераторы, главный распределительный щит, многоуровневые преобразователи частоты, гребные электродвигатели, аварийный дизель-генератор, аварийный распределительный щит, согласующие многообмоточные трансформаторы и потребители собственных нужд. На статоре каждого главного синхронного генератора размещены многофазные обмотки, подключенные к раздельным шинам главного распределительного щита к которому также подключены выпрямители многоуровневых преобразователей частоты и согласующие многообмоточные трансформаторы потребителей собственных нужд. К выходу многоуровневых преобразователей частоты подключены гребные электродвигатели, а к шинам вторичного распределительного щита подключены аварийный и стояночный дизель-генератор.
Недостатками известной судовой электроэнергетической установки является сложная структура системы распределения электроэнергии, наличие нестандартного, громоздкого и сложного электрооборудования, а также искажения напряжения на шинах главного распределительного щита вызванные работой преобразователей частоты. К недостаткам известной установки также можно отнести невозможность использования высокочастотного генераторного агрегата, так как шины главного распределительного щита должны быть рассчитаны на напряжение промышленной частоты 50 Гц для последующего питания потребителей собственных нужд.
Известна конструкция единой судовой электроэнергетической установки (МПК В63Н 21/17; В63Н 23/24; B63J 3/02, патент KR 20140046441 (А), 21.06.2012, Hystad Egil [FI]; Djuve Svein [FI]; WAERTSILAE FINLAND OY, Improvement in ship propulsion engine fuel efficiency), содержащая первичные тепловые двигатели, с которыми механически соединены синхронные генераторы переменного тока, трехфазные обмотки статора которых подключены каждая к своей трехфазной линии главного распределительного щита. Причем напряжения, генерируемые трехфазными обмотками статоров генераторов одного борта, сдвинуты друг относительно друга по фазе. К шинам трехфазных линий главного распределительного щита через согласующие трансформаторы подключены потребители собственных нужд и выпрямители преобразователей частоты, питающие гребные электродвигатели. Известная установка содержит промежуточные накопители энергии, которые через электрические преобразователи подключены к шинам переменного тока главного распределительного щита. Достоинством такой структуры является наличие промежуточных накопителей энергии, с возможностью запасания энергии торможения гребных электродвигателей и последующей отдачей этой энергии для совершения полезной работы, следовательно, такая структура обладает высокой энергетической эффективностью.
Недостатком известной установки является большое количество преобразований электрической энергии, сложная структура системы электродвижения, а также множество электрических преобразователей и элементов преобразования электрической энергии.
Наиболее близкой по технической сущности является гребная электрическая установка (МПК B60L 11/00, В63Н 21/17, Н02М 7/00, патент RU 2475376 (С1), дата подачи заявки 24.06.2011, Калинин И.М., Хомяк В.А., Балабанов В.А., Гребная электрическая установка с многоуровневыми преобразователями частоты), содержащая генераторные агрегаты с источниками электроэнергии, коммутационные аппараты, главный распределительный щит, многообмоточные трансформаторы, разъединитель, выпрямительные модули, конденсаторы звена постоянного тока, многоуровневые инверторы и двухобмоточный гребной электродвигатель. Достоинством такой структуры является простота структуры системы электродвижения, а также использование многоуровнего преобразователя частоты позволяющего обеспечить более высокое качество формируемого выходного напряжения для питания обмоток гребного электродвигателя.
К недостаткам известной структуры относятся наличие сложного двухобмоточного гребного электродвигателя и силовых многообмоточных согласующих трансформаторов. К недостаткам известной гребной электрической установки можно отнести большое количество преобразований электроэнергии, а так же невозможность использования энергии торможения гребного электродвигателя. Еще одним из недостатков известной структуры является отсутствие питания потребителей собственных нужд.
Задачей предлагаемой гребной электроэнергетической установки является улучшение эксплуатационных характеристик системы электродвижения, упрощение системы распределения электроэнергии и уменьшение количества электрических преобразователей в силовом электрическом канале.
Гребная электроэнергетическая установка судна может быть построена с использованием высокооборотных безредукторных главных генераторных установок с выходным напряжением повышенной частоты, а электрические преобразователи гребных электродвигателей построены на основе трехуровневых преобразователей частоты позволяющих получать высокое качество напряжения питания гребных электродвигателей.
Гребная электроэнергетическая установка судна помимо выполнения основных требований эксплуатационного характера позволит:
- улучшить массогабаритные характеристики, а также повысить надежность и живучесть энергетической установки;
- повысить энергетическую эффективность и экономичность энергоустановки;
- повысить коэффициент загрузки первичных тепловых двигателей, тем самым повысив их ресурс эксплуатации;
- осуществлять торможение гребных электродвигателей без использования громоздких и дорогих тормозных цепочек с передачей энергии на накопитель, либо рассеиванием энергии торможения в рабочей среде - воде;
- обеспечивать потребители собственных нужд электроэнергией от главного первичного теплового двигателя в режимах движения судна;
- обеспечивать питание электроэнергией внешних потребителей судна, например береговых потребителей либо потребителей буксируемых объектов от главного первичного теплового двигателя.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в гребной электроэнергетической установке, содержащей два тепловых двигателя, два трехфазных электрических генератора, два трехфазных двухполупериодных выпрямителя напряжения, два конденсатора звена постоянного тока, трехуровневые инверторы напряжения, гребные электродвигатели, работающие каждый на свой винт, причем каждый из электрических генераторов механически соединен со своим тепловым двигателем, а электрически подключен на вход своего трехфазного двухполупериодного выпрямителя напряжения, предусмотрены следующие отличия: трехфазные электрические генераторы имеют вывод нулевой точки, а количество трехуровневых инверторов напряжения равно количеству гребных электродвигателей, причем плюсовой вывод первого трехфазного двухполупериодного выпрямителя напряжения соединен с плюсовым выводом второго трехфазного двухполупериодного выпрямителя напряжения, а также с плюсовыми выводами всех трехуровневых инверторов напряжения и с первым выводом первого конденсатора, второй вывод которого соединен с нулевыми точками трехфазных электрических генераторов, нулевыми точками всех трехуровневых инверторов напряжения и с первым выводом второго конденсатора, второй вывод которого соединен с минусовыми выводами двух трехфазных двухполупериодных выпрямителей напряжения и с минусовыми точками всех трехуровневых инверторов напряжения.
Кроме того, предложенная гребная электроэнергетическая установка может быть выполнена так, что один из электрических генераторов и один из двухполупериодных выпрямителей напряжения электрически подключенный к этому генератору выполнены многофазными.
Кроме того, предложенная гребная электроэнергетическая установка дополнительно содержит накопитель энергии со своим согласующим электрическим преобразователем, дополнительный трехуровневый инвертор напряжения, двухобмоточный согласующий трансформатор, два автоматических выключателя, распределительный щит, вспомогательный дизель-генератор и потребители собственных нужд, причем накопитель энергии через согласующий электрический преобразователь подключен к плюсовым и минусовым выводам трехуровневых инверторов напряжения, дополнительный трехуровневый инвертор напряжения своим входом подключен параллельно входам трехуровневых инверторов напряжения, а выход дополнительного трехуровневого инвертора напряжения подключен на первичную обмотку двухобмоточного согласующего трансформатора, вторичная обмотка которого через первый автоматический выключатель подключена к распределительному щиту, к которому подключены потребители собственных нужд и через второй автоматический выключатель электрический генератор вспомогательного дизель-генератора.
Кроме того, гребная электроэнергетическая установка дополнительно содержит автоматический выключатель, разъединитель и щит питания внешних потребителей, причем разъединитель установлен в цепь между одним из выходов одного трехуровневого инвертора напряжения и гребным электродвигателем, а автоматический выключатель своим входом подключен на выход этого трехуровневого инвертора напряжения, а выход автоматического выключателя подключен к щиту питания внешних потребителей.
Структура гребной электроэнергетической установки судна построена таким образом, что для различных режимов работы энергетической установки используются различные варианты включения в работу одного из генераторных агрегатов и осуществляется мягкий переход с одного генератора на другой, при этом в такой структуре нет необходимости использования коммутационных аппаратов в основном силовом канале гребных электродвигателей. Соединение элементов схемы выполнено таким образом, чтобы помимо выполнения требований технологического процесса между источником энергии и исполнительным агрегатом было минимальное число элементов, а используемый источник энергии загружался под номинальное значение и не работал вхолостую.
Предложенная гребная электроэнергетическая установка судна может быть снабжена дополнительными накопителем энергии, а также согласующими электрическим преобразователем и двухобмоточным трансформатором для питания потребителей собственных нужд.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
Гребная электроэнергетическая установка, схема которой представлена на Фиг. 1, содержит два тепловых двигателя 1, 2, два трехфазных электрических генератора 3, 4, два трехфазных двухполупериодных выпрямителя напряжения 5, 6, два конденсатора 7 и 8 звена постоянного тока, трехуровневые инверторы напряжения 9-1÷9-n, гребные электродвигатели 10-1÷10-n. Гребные электродвигатели 10-1÷10-n работают каждый на свой винт 11-1÷11-n. Каждый из электрических генераторов 3 и 4 механически соединен со своим тепловым двигателем 1 и 2, а электрически подключен на вход своего трехфазного двухполупериодного выпрямителя напряжения 5 и 6. Трехфазные электрические генераторы 3 и 4 имеют вывод нулевой точки, а количество трехуровневых инверторов напряжения 9-1÷9-n равно количеству гребных электродвигателей 10-1÷10-n. Плюсовой вывод первого трехфазного двухполупериодного выпрямителя напряжения 5 соединен с плюсовым выводом второго трехфазного двухполупериодного выпрямителя напряжения 6, а также с плюсовыми выводами всех трехуровневых инверторов напряжения 9-1÷9-n и с первым выводом первого конденсатора 7. Второй вывод первого конденсатора 7 соединен с нулевыми точками трехфазных электрических генераторов 3 и 4, нулевыми точками всех трехуровневых инверторов напряжения 9-1÷9-n и с первым выводом второго конденсатора 8. Второй вывод второго конденсатора 8 соединен с минусовыми выводами двух трехфазных двухполупериодных выпрямителей напряжения 5 и 6 и с минусовыми точками всех трехуровневых инверторов напряжения 9-1÷9-n.
Гребная электроэнергетическая установка, схема которой представлена на Фиг. 2, реализована так, что один из электрических генераторов 3 и один из двухполупериодных выпрямителей напряжения 5, электрически подключенный к этому генератору 3, выполнены многофазными.
Гребная электроэнергетическая установка, схема которой представлена на Фиг. 3, дополнительно содержит накопитель энергии 12 со своим согласующим электрическим преобразователем 13, дополнительный трехуровневый инвертор напряжения 14, двухобмоточный согласующий трансформатор 15, два автоматических выключателя 16, 17, распределительный щит 18, вспомогательный дизель-генератор 19 и потребители собственных нужд 20. Накопитель энергии 12 через согласующий электрический преобразователь 13 подключен к плюсовым и минусовым выводам трехуровневых инверторов напряжения 9-l÷9-n. Дополнительный трехуровневый инвертор напряжения 14 своим входом подключен параллельно входам трехуровневых инверторов напряжения 9-1÷9-n. Выход дополнительного трехуровневого инвертора напряжения 14 подключен на первичную обмотку двухобмоточного согласующего трансформатора 15, вторичная обмотка которого через первый автоматический выключатель 16 подключена к распределительному щиту 18. К распределительному щиту 18 подключены потребители собственных нужд 20 и через второй автоматический выключатель 17 электрический генератор 21 вспомогательного дизель-генератора 19.
Гребная электроэнергетическая установка, схема которой представлена на Фиг. 4, дополнительно содержит автоматический выключатель 22, разъединитель 23 и щит питания внешних потребителей 24. Разъединитель 23 установлен в цепь между одним из выходов одного трехуровневого инвертора напряжения 9-1 и гребным электродвигателем 10-1, а автоматический выключатель 22 своим входом подключен на выход этого трехуровневого инвертора напряжения 9-1, а выход автоматического выключателя 22 подключен к щиту питания внешних потребителей 24.
Работа гребной электроэнергетической установки происходит следующим образом. В гребной электроэнергетической установке, представленной на Фиг. 1 и Фиг. 2, изображены два источника электроэнергии на основе первого теплового двигателя 1 и электрического генератора 3 большей мощности и на основе второго теплового двигателя 2 и электрического генератора 4 меньшей мощности. При этом в гребной электроэнергетической установке (Фиг. 1 и Фиг. 2) возможны два режима работы режим полного хода и швартовный режим (режим малого хода). Источник электроэнергии на основе первого теплового двигателя 1 и электрического генератора 3 используется для режима полного хода судна, источник электроэнергии на основе второго теплового двигателя 2 и электрического генератора 4 используется для швартовного режима судна и режима малого хода. При этом одновременно оба тепловых двигателя 1 и 2 работают только при переходе с одного режима работы на другой. Переход с одного режима на другой осуществляется плавно без использования электрических коммутационных и пусковых аппаратов. Более подробно рассмотрим переход гребной электроэнергетической установки с одного режима работы на другой. Пусть гребная электроэнергетическая установка (Фиг. 1) работает в швартовном режиме (режиме малого хода) при этом работает источник электроэнергии на основе второго теплового двигателя 2 и электрического генератора 4 при этом трехуровневые инверторы напряжения 9-1÷9-n и гребные электродвигатели 10-1÷10-n получают питание от трехфазного двухполупериодного выпрямителя напряжения 6. При необходимости перехода гребной электроэнергетической установки в режим полного хода производится запуск первого теплового двигателя 1 и возбуждение электрического генератора 3. Как только напряжение на выходе электрического генератора 3 станет больше, чем напряжение на выходе электрического генератора 4, трехуровневые инверторы напряжения 9-1÷9-n и гребные электродвигатели 10-1÷10-n начнут получать питание от источника электроэнергии на основе первого теплового двигателя 1 и электрического генератора 3, а трехфазный двухполупериодный выпрямитель напряжения 6 будет заперт напряжением, приложенным с выхода трехфазного двухполупериодного выпрямителя напряжения 5. В результате чего второй тепловой двигатель 2 и электрический генератор 4 выведены из работы и могут быть остановлены. Следует отметить, что в такой структуре есть возможность регулирования напряжения в звене постоянного тока средствами возбуждения электрических генераторов 3 и 4 для различных режимов работы гребной электроэнергетической установки. Следовательно, появляется возможность формировать напряжения на выходах трехуровневых инверторов напряжения 9-1÷9-n близкие к синусоидальным, в зависимости от частот вращения гребных электродвигателей 10-1÷10-n. Аналогичным образом производиться переход гребной электроэнергетической установки с режима полного хода на швартовный режим (режим малого хода). Таким образом, осуществляется переход гребной электроэнергетической установки с одного режима на другой без использования электрических коммутационных и пусковых аппаратов только средствами пуска тепловых двигателей 1 и 2 и средствами возбуждения электрических генераторов 3 и 4. Электрические генераторы 3 и 4 имеют выводы нулевой точки, которые используются для организации питания трехуровневых инверторов напряжения 9-1÷9-n гребных электродвигателей 10-1÷10-n без применения многообмоточных трансформаторов и использования сложных генераторных агрегатов. При этом гребная электроэнергетическая установка имеет простую структуру и минимальное число преобразовании энергии в силовом канале.
Гребная электроэнергетическая установка, изображенная на Фиг. 2, схемотехнически реализована, так что электрический генератор 3 и выпрямитель напряжения 5, электрически подключенный к этому генератору 3, выполнены многофазными. Такое решение позволит снизить уровень пульсации на конденсаторах 7 и 8 при работе гребной электроэнергетической установке в режиме полного хода и тем самым улучшить качество напряжения формируемого на выходах трехуровневых инверторов напряжения 9-1÷9-n для питания гребных электродвигателей 10-1÷10-n.
При необходимости остановки или изменения направления движения судна в гребной электроэнергетической установке, изображенной на Фиг. 1 и Фиг. 2, меньшее целое число от половины либо половина гребных электродвигателей 10-1÷10-S (где S=trunk(n/2), trunk - меньшая целая часть числа) переводятся в генераторный режим, при этом рекуперируемая энергия поступает через трехуровневые инверторы напряжения 9-1÷9-S, подключенные к этим гребным электродвигателям 10-1÷10-S, на общие шины постоянного тока. Происходит рост напряжения на шинах постоянного тока, при этом выпрямители напряжения 5 и 6 гребной электроэнергетической установки находятся в запертом состоянии. Энергия, рекуперируемая гребными электродвигателями 10-1÷10-S, переведенными в генераторный (тормозной) режим, потребляется гребными электродвигателями 10-(S+1)÷10-n, работающими в двигательном режиме. После остановки гребных электродвигателей 10-1÷10-S они переводятся в двигательный режим с направлением вращения в противоположную сторону, а гребные электродвигатели 10-(S+1)+÷10-n переводятся в генераторный режим, энергия, рекуперируемая ими, передается на раскрутку гребных электродвигателей 10-1÷10-S. После остановки гребных электродвигателей 10-(S+1)÷10-n они переводятся в двигательный режим и энергия из сети потребляется всеми 10-1÷10-n электродвигателями на вращение в противоположную сторону.
Гребная электроэнергетическая установка, изображенная на Фиг. 3, позволяет осуществлять питание потребителей собственных нужд 20 и осуществлять сброс энергии торможения гребных электродвигателей 10-1÷10-n на накопитель энергии 12 через согласующий электрический преобразователь 13 с последующим использованием накопленной энергии для обеспечения разгона гребных электродвигателей 10-1÷10-n либо для питания потребителей собственных нужд 20.
В штатном режиме работы потребители собственных нужд 20 гребной электроэнергетической установки (Фиг. 3) получают питание от источника электроэнергии на основе первого теплового двигателя 1 и электрического генератора 3 либо источника электроэнергии на основе второго теплового двигателя 2 и электрического генератора 4 по цепи от выпрямителей напряжения 5 либо 6 соответственно на общие шины постоянного тока, через дополнительный трехуровневый инвертор напряжения 14, согласующий трансформатор 15, первый автоматический выключатель 16 и распределительный щит 18. При этом дополнительный трехуровневый инвертор напряжения 14 производит стабилизацию уровня напряжения и частоты напряжения на требуемом уровне для питания потребителей собственных нужд 20. При недогрузке тепловых двигателей 1 либо 2 при их работе в режимах полного хода или швартовном режиме (режим малого хода) соответственно возможна их "дозагрузка" за счет заряда накопителя энергии 12 через согласующий электрический преобразователь 13 подключенный к плюсовым и минусовым выводам трехуровневых инверторов напряжения 9-1÷9-n. При этом энергия, накопленная в накопителе энергии 12, будет использоваться для разгона гребных электродвигателей 10-1÷10-n либо для питания потребителей собственных нужд 20 при необходимости.
При необходимости остановки или изменения направления движения судна энергия торможения с гребных электродвигателей 10-1÷10-n может передаваться через общие шины постоянного тока и через согласующий электрический преобразователь 13 для заряда накопителя энергии 12 либо через общие шины постоянного тока, дополнительный трехуровневый инвертор напряжения 14 и согласующий трансформатор напряжения 15, первый автоматический выключатель 16, распределительный щит 18 для питания потребителей собственных нужд 20. В случае невозможности накопителем энергии 12 принять на себя энергию торможения и при необходимости торможения судна торможение осуществляется ранее описанным способом перераспределением энергии между гребными электродвигателями 10-1÷10-n.
При стоянке судна гребная электроэнергетическая установка может быть переведена в стояночный режим с осуществлением питания потребителей собственных нужд от электрического генератора 21 вспомогательного дизель-генератора 19. При этом потребители собственных 20 нужд получают питание по цепи электрический генератор 21, второй автоматический выключатель 17 и на шины распределительного щита 18.
Предложенная гребная электроэнергетическая установка отличается высокой степенью надежности так в случае отказа первого теплового двигателя 1 система может работать с уменьшением значения мощности на гребных электродвигателях 10-1÷10-n от второго теплового двигателя 2, в случае отказа второго теплового двигателя 2 система может работать с уменьшением значения мощности на гребных электродвигателях 10-1÷10-n от вспомогательного дизель-генератора 19. Питание гребных электродвигателей 10-1÷10-n от вспомогательного дизель-генератора 19 в аварийном режиме осуществляется по цепи электрический генератор 21 вспомогательного дизель-генератора 19, второй автоматический выключатель 17, распределительный щит 18, первый автоматический выключатель 16, согласующий трансформатор напряжения 15, обратные диоды транзисторов дополнительного трехуровневого инвертора напряжения 14, звено постоянного тока, трехуровневые инверторы напряжения 9-1÷9-n и гребные электродвигатели 10-1÷10-n. Следует отметить, что суммарная мощность на винтах 11-1÷11-n гребных электродвигателей 10-1÷10-n не должна превышать мощности электрического генератора 21 вспомогательного дизель-генератора 19.
Гребная электроэнергетическая установка, изображенная на Фиг. 4 позволяет осуществлять питание внешних потребителей от электроэнергетической установки судна, например питание мощных береговых потребителей либо транспортируемого объекта. В этом случае производиться отключение разъединителя 23 и включение автоматического выключателя 22 на щит питания внешних потребителей 24. При этом трехуровневый инвертор напряжения 9-1 синтезирует выходные напряжения с требуемыми параметрами действующего значения, частоты и фазы необходимого для питания внешних потребителей электрической энергии. Следует отметить, что от этого же щита питания внешних потребителей 24 может осуществляться и питание предложенной гребной электроэнергетической установки при стоянке либо при движении от внешнего источника электроэнергии. Таким образом, гребная электроэнергетическая установка, представленная на Фиг. 4 существенно расширяет функциональные возможности и делает ее универсальной.
Структура электроэнергетической установки судна построена таким образом, что для различных режимов работы энергетической установки используются различные варианты включения в работу одного из генераторных агрегатов.
Предложенная гребная электроэнергетическая установка судна может быть снабжена дополнительными накопителем энергии, а также согласующими электрическим преобразователем и двухобмоточным трансформатором для питания потребителей собственных нужд.
Предложенная гребная электроэнергетическая установка судна позволяет осуществлять мягкий переход с одного генератора на другой, при этом в такой структуре нет необходимости использования коммутационных аппаратов в основном силовом канале гребных электродвигателей. Предлагаемая электроэнергетическая установка позволяет использовать высокочастотные генераторные агрегаты, тем самым уменьшая массогабаритные характеристики всей электроэнергетической системы. Такая электроэнергетическая система сочетает в себе минимум элементов преобразования электрической энергии, и максимальную функциональность, и энергетическую эффективность при работе. К достоинствам единой электроэнергетической системы также можно отнести: отсутствие необходимости в использовании ГРЩ (главного распределительного щита); отсутствие необходимости в использовании согласующих трансформаторов; торможение судна осуществляется без использования тормозных резисторов, либо сбросом энергии на потребители собственных нужд и накопитель энергии, либо сбросом энергии на другие гребные электродвигатели. Преимуществом данной электроэнергетической установки является повышение энергетической эффективности и увеличения коэффициента загрузки первичных тепловых двигателей электроэнергетической установки и, как следствие, экономия топлива, а также повышение ресурса элементов системы. К достоинствам предлагаемой системы также следует отнести простоту структуры, улучшение массогабаритных характеристик, а также повышение надежности и живучести электроэнергетической установки.