Судовая электроэнергетическая система переменного напряжения повышенной частоты с системой электродвижения и матричными преобразователями частоты



Судовая электроэнергетическая система переменного напряжения повышенной частоты с системой электродвижения и матричными преобразователями частоты

 


Владельцы патента RU 2510781:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр (ФГУП "Крыловский государственный научный центр") (RU)

Использование: в области электротехники. Технический результат - упрощение системы распределения электроэнергии, снижение общей массы и габаритов оборудования, а также уменьшение мощности потерь при сохранении необходимых уровней и параметров качества электроэнергии. Система состоит из n (где n=1, 2, 3…) главных турбо(дизель)-генераторов повышенной частоты; двух электрических сетей переменного напряжения с главными распределительными щитами (ГРЩ) высокого напряжения повышенной частоты и ГРЩ низкого напряжения промышленной частоты; системы электродвижения, состоящей из m (где m=1, 2…) гребных электродвигателей переменного тока и соответствующего количества преобразователей частоты; мощных потребителей повышенной частоты; централизованной системы отбора мощности и общесудовых потребителей промышленной частоты. В системе в качестве преобразователей частоты используют каскадные матричные преобразователи частоты с силовыми трансформаторами, первичные обмотки которых подключают к ГРЩ высокого напряжения повышенной частоты. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

 

1.1. Область техники

Настоящее изобретение относится к области электросетей с системами питания и распределения электроэнергии. В частности, может относиться к судовым единым электроэнергетическим системам переменного напряжения с системой питания и распределения электроэнергии переменного тока двух различных частот, а именно, повышенной частоты - для системы электродвижения и промышленной частоты - для 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 (всережимной) ЭЭС, описанные, например, в [1; 2; 3; 4]. В указанных ЭЭС питание СЭД осуществляют, как правило, от электросетей переменного напряжения промышленной частоты 50 (60) Гц, в которых в качестве источников электроэнергии используют турбо (дизель)-генераторы.

Известно, что электрооборудование электросетей, в частности, генераторы и трансформаторы на повышенную частоту, например, на 200 Гц или 400 Гц, могут обладать существенно меньшими массогабаритными показателями по сравнению с аналогичным оборудованием, рассчитанным на промышленную частоту 50 Гц переменного напряжения [5].

Близким по техническому решению к предлагаемому изобретению является единая базовая судовая ЭЭС по заявке на изобретение [3]. Однако указанная ЭЭС характеризуется сложной системой распределения электроэнергии переменного тока и наличием многозвенной структуры ее последовательного преобразования в другие виды электроэнергии с введением соответствующего количества промежуточных электросетей и главных распределительных щитов (ГРЩ), включая обратимые преобразователи, устройства коммутации, защиты и управления потребителей электроэнергии.

Упомянутые свойства заявленной ЭЭС [3] существенно увеличивают массу и габариты электрооборудования, снижают структурную надежность и увеличивают потери мощности в системе питания и распределения электроэнергии.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой судовой ЭЭС является судовая ЭЭС [4] (прототип), 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 с входными и выходными фильтрами, которые обеспечивают питание некоторой части потребителей переменного тока со значениями частоты и (или) напряжения, отличающимися от таковых в сети переменного тока.

Однако упомянутая ЭЭС также обладает достаточно сложной системой распределения электроэнергии переменного тока, построенной по двухзвенной структуре преобразования с промежуточным звеном электросети постоянного тока, включая распределительные щиты, управляемые выпрямители, устройства фильтрации и пуска автономных инверторов напряжения. Двухзвенная структура преобразования существенно увеличивает общую массу и габариты электрооборудования ЭЭС, снижает надежность ее функционирования, а также к.п.д. системы в целом.

1.3. Краткое описание чертежей

Заявляемое изобретение поясняется фиг.1, на которой изображена блок-схема построения судовой ЭЭС переменного напряжения с системой электродвижения (СЭД) и матричными преобразователями частоты, в которой единая электростанция генерирует электроэнергию высокого напряжения повышенной частоты, а распределяют ее при помощи двух электросетей переменного напряжения с двумя различными параметрами по частоте и напряжению.

В представленной блок-схеме (фиг.1) судовой ЭЭС используются следующие обозначения: 1 - главные турбо(дизель)-генераторы повышенной частоты; 2 - главные распределительные щиты (ГРЩ) высокого напряжения повышенной частоты; 3 - ГРЩ низкого напряжения промышленной частоты; 4 - система электродвижения (СЭД); 5 - мощные потребители повышенной частоты с каскадными матричными преобразователями частоты; 6 - мощные потребители повышенной частоты без преобразователей частоты; 7 - централизованная система отбора мощности (СОМ); 8, 9, 10 - общесудовые потребители промышленной частоты; 11 - вспомогательные турбо(дизель)-генераторы низкого напряжения промышленной частоты; 12 - ввод низкого напряжения промышленной частоты; 13 - индивидуальные источники бесперебойного питания; 14 - индивидуальные преобразующие устройства.

1.4. Раскрытие изобретения

Предлагаемая судовая ЭЭС переменного напряжения повышенной частоты с системой электродвижения и матричными преобразователями частоты обеспечивает по сравнению с прототипом [4] упрощение системы распределения электроэнергии, снижение общей массы и габаритов оборудования в составе двух электросетей, а также уменьшение мощности потерь при сохранении необходимых уровней и параметров качества электроэнергии как на стороне единой электростанции повышенной частоты (коэффициент мощности, близкий к единице), так и на стороне СЭД и общесудовых потребителей промышленной частоты (коэффициент несинусоидальности не более 6-7%).

Указанный технический результат достигается за счет исключения промежуточной электросети постоянного тока и ее оборудования (распределительных щитов, выпрямителей, фильтров и т.п.) при одновременном введении в состав обеих электросетей каскадных матричных преобразователей частоты, описание которых представлено в [6]. Причем последние вводятся в состав одной электросети для питания СЭД и некоторых мощных потребителей повышенной частоты, а в состав другой сети - в качестве централизованной системы отбора мощности (СОМ) для питания общесудовых потребителей промышленной частоты.

Кроме того, достигается уменьшение массогабаритных показателей самих каскадных матричных преобразователей частоты как в составе СЭД, так и в составе централизованной СОМ, а также генераторного оборудования за счет использования в предлагаемой ЭЭС единой электростанции повышенной частоты.

Предлагаемая судовая ЭЭС состоит из единой электростанции высокого напряжения, включающей в себя n (где n=1, 2, 3…) главных турбо(дизель)-генераторов 1 повышенной частоты; из двух электрических сетей переменного трехфазного напряжения с главными распределительными щитами (ГРЩ) 2 высокого напряжения повышенной частоты и ГРЩ 3 низкого напряжения промышленной частоты; из системы электродвижения 4, содержащей m (где m=1, 2…) гребных электродвигателей 4.1 переменного тока и соответствующего количества преобразователей частоты 4.2 и 4.3 с силовыми трансформаторами 4.4 и 4.5; из ряда мощных потребителей 5 и 6 переменного тока повышенной частоты, как включающих в себя каскадные матричные преобразователи частоты 5.1 с силовыми трансформаторами 5.2, так и без них; из централизованной системы отбора мощности (СОМ) 7, содержащей каскадные матричные преобразователи частоты 7.1, силовые трансформаторы 7.2 и ГРЩ 3 низкого напряжения промышленной частоты, и из общесудовых потребителей 8; 9; 10 промышленной частоты.

Причем некоторые ответственные общесудовые потребители 9 промышленной частоты с не отключаемым питанием снабжают индивидуальными источниками бесперебойного питания 13, необходимыми на период времени запуска и подключения вспомогательных турбо(дизель)-генераторов 11 низкого напряжения промышленной частоты. А некоторые общесудовые потребители 10 промышленной частоты с регулируемыми параметрами электроэнергии снабжают индивидуальными преобразующими устройствами 14, построенными на основе матричных преобразователей частоты [7].

Предлагаемую судовую ЭЭС дополнительно снабжают вспомогательными турбо (дизель)-генераторами 11 низкого напряжения промышленной частоты (3×3 SOB; 50 Гц), выходные зажимы которых подключены к ГРЩ 3 низкого напряжения промышленной частоты, а также вводами 12 низкого напряжения промышленной частоты, к которым подключают, при необходимости, внешние вспомогательные источники промышленной частоты. Предлагаемая судовая ЭЭС работает следующим образом. Единая электростанция, содержащая n главных турбо(дизель)-генераторов 1 повышенной частоты, генерирует высоковольтную (до 10 кВ) электроэнергию трехфазного переменного тока повышенной частоты (до 400 Гц), которую затем распределяют при помощи двух электросетей переменного тока с двумя различными параметрами по частоте и напряжению.

Причем генерирование энергии, питание СЭД 4 и некоторых мощных потребителей 5, 6 повышенной частоты, как использующих каскадные матричные преобразователи частоты 5.1 для их пуска и регулирования, так и без них, осуществляют через ГРЩ 2 высокого напряжения повышенной частоты.

Питание всех остальных общесудовых потребителей 8, 9, 10 промышленной частоты осуществляют через ГРЩ 3 низкого напряжения промышленной частоты трехфазным током 50 Гц от централизованной СОМ 7, входы которой подключены через ГРЩ 2 к единой электростанции высокого напряжения повышенной частоты.

В случае выхода из строя единой электростанции высокого напряжения или централизованной СОМ 7 и/или их отключения вспомогательные турбо(дизель)-генераторы 11 низкого напряжения промышленной частоты вступают в работу в качестве источников резервного электропитания и через ГРЩ 3 низкого напряжения промышленной частоты осуществляют электропитание общесудовых потребителей 8, 9, 10 промышленной частоты.

Кроме того, предусмотрена возможность резервного электропитания общесудовых потребителей 8, 9, 10 промышленной частоты через вводы 12 ГРЩ 3 низкого напряжения промышленной частоты от внешних источников, например, береговых или от ЭЭС другого судна.

Технический результат снижения массогабаритных показателей каскадных матричных преобразователей частоты в составе СЭД 4 и некоторых других мощных потребителей 5 повышенной частоты, а также в составе СОМ 7, достигаемый за счет снижения объема активной стали и меди силовых трансформаторов 4.4; 4.5; 5.2; 7.2 при их питании напряжением повышенной частоты, подтверждается формулой (1), известной из [5]:

D 2 l s i = 2 2 P π 2 m φ F e f B S A , ( 1 )

где D - эквивалентный диаметр сердечника трансформатора;

lsi - высота обмотки (стержня сердечника);

P - внутренняя мощность трансформатора;

f - частота питающего напряжения в электросети;

m - число фаз;

Bs - индукция в сердечнике;

А - линейная токовая нагрузка;

φFe - коэффициент заполнения сечения сердечника.

Из формулы (1) можно получить соотношение (2), определяющее величину уменьшения объема активной стали VFe силового трансформатора при переходе от частоты питающего напряжения f1=50 Гц к частоте f2=200 Гц при одинаковой внутренней мощности P1=P2 и его исходных параметрах, определяемых в соответствии с [5]: Bs2=0,86·Вs1; A2=0,8·A1; φFe2=1,12·φFe1; m2=m1.

V F e 1 V F e 2 3,1, ( 2 )

где VFe1=m1(D2lsi)1 - объем активной стали при частоте питания f1=50 Гц;

VFe2=m2(D2lsi)2 - объем активной стали при частоте питания f2=200 Гц.

Технический результат снижения массогабаритных показателей генераторного оборудования, а именно, главных турбо(дизель)-генераторов 1, обеспечивающих повышенную частоту генерируемой электроэнергии, достигается за счет увеличения их частоты вращения и подтверждается известной из [5] формулой для расчета объема Vакт их активных материалов:

V а к т = D 2 l i = 2 P π 2 k ω n B δ A , ( 3 )

где D - диаметр якоря;

li - расчетная длина пакета якоря;

P - внутренняя мощность генератора;

n=2πf/p - частота вращения генератора;

f - частота генерируемой электроэнергии;

p - число пар полюсов;

Bδ - индукция основной гармоники в воздушном зазоре;

А - линейная токовая нагрузка;

kω - коэффициент обмотки.

На основе формулы (3) можно получить соотношение (4), показывающее величину уменьшения объема активных материалов Vакт синхронного турбо(дизель)-генератора при увеличении его частоты вращения в 2 раза (n2=2·n1), а частоты генерируемой электроэнергии в 4 раза (f2=4·f1=200 Гц) при одинаковой внутренней мощности Р12 и его исходных параметрах, определяемых в соответствии с [5]: Bδ2=1,12 Bδ1; А2=1,1А1; kω2=0,95kω1; p1=1; p2=2; n2=628 рад-1(6000 об/мин); n1=314 paд-1(3000 об/мин).

V а к т .1 V а к т .2 2,3, ( 4 )

где Vакт.1 - объем активных материалов при частоте вращения n1=314 рад-1;

Vакт.2 - объем активных материалов при частоте вращения n2=628 рад-1.

Упрощение системы распределения, уменьшение мощности потерь при сохранении необходимых уровней и параметров качества электроэнергии как на стороне главных турбо(дизель)-генераторов 1 повышенной частоты, так и на стороне СЭД 4 и общесудовых потребителей 8, 9, 10 промышленной частоты достигается за счет введения каскадных матричных преобразователей частоты 4.2; 4.3; 5.1; 7.1 с силовыми трансформаторами 4.4; 4.5; 5.2; 7.2, обладающих как на входе, так и на выходе высокими параметрами качества электроэнергии [6].

Таким образом, в предлагаемой судовой ЭЭС заявленный технический результат имеет необходимое обоснование и раскрыт в полном объеме.

Литература.

1. Гребные электрические установки. Айзенштадт Е.Б. и др. Справочник. Из-во: «Судостроение», Л., 1985 г.

2. Гилерович Ю.М., Чернух Е.А. Гребные электрические установки ледоколов береговой охраны США и Канады. Судостроение за рубежом, №9, 1990 г.; ЦНИИ «Румб».

3. Способ генерирования и распределения электроэнергии единой базовой судовой электроэнергетической системы и система для его реализации. Лазаревский Н.А., Лебедев B.C., Хомяк В.А. Заявка на изобретение №RU 2010131706 А, кл. B60L 3/00 от 29.07.2010.

4. 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.

5. Постников И.М. Проектирование электрических машин. Гостехиздат УССР, Киев, 1952, с.20…23.

6. Устройство формирования и регулирования напряжения матричного непосредственного преобразователя частоты с высокочастотной синусоидальной ШИМ. Скворцов Б.А., Васин И.М., Махонин С.В., Богатырев Д.Е. Патент РФ №RU 2422975 С1, кл. Н02М 5/27 от 15.07.2010.

7. Виноградов А.Б. Новые алгоритмы пространственно-векторного управления матричным преобразователем частоты. «Электричество» №3, 2008.

1. Судовая электроэнергетическая система (ЭЭС) переменного напряжения повышенной частоты с системой электродвижения и матричными преобразователями частоты, содержащая единую электростанцию высокого напряжения повышенной частоты, состоящую из n (где n=1, 2, 3…) главных турбо(дизель)-генераторов повышенной частоты; две электрические сети переменного напряжения с главными распределительными щитами (ГРЩ) высокого напряжения повышенной частоты и ГРЩ низкого напряжения промышленной частоты; систему электродвижения, состоящую из m (где m=1, 2…) гребных электродвигателей переменного тока и соответствующего количества преобразователей частоты; мощные потребители повышенной частоты; централизованную систему отбора мощности и общесудовые потребители промышленной частоты, отличающаяся тем, что в системе электродвижения в качестве преобразователей частоты используют каскадные матричные преобразователи частоты с силовыми трансформаторами, первичные обмотки которых подключают к ГРЩ высокого напряжения повышенной частоты.

2. Судовая ЭЭС по п.1, отличающаяся тем, что некоторые мощные потребители повышенной частоты снабжают каскадными матричными преобразователями частоты с силовыми трансформаторами, первичные обмотки которых подключают к ГРЩ высокого напряжения повышенной частоты.

3. Судовая ЭЭС по п.1, отличающаяся тем, что в качестве централизованной системы отбора мощности используют каскадные матричные преобразователи частоты с силовыми трансформаторами, первичные обмотки которых подключают к ГРЩ высокого напряжения повышенной частоты, а выходные зажимы - к ГРЩ низкого напряжения промышленной частоты, к которым в свою очередь подключают общесудовые потребители промышленной частоты, причем некоторые из них с не отключаемым питанием снабжают индивидуальными источниками бесперебойного питания, а некоторые из них с регулируемыми параметрами электроэнергии снабжают индивидуальными преобразующими устройствами.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электротехнике, а именно к автономным электростанциям переменного тока на базе ДВС и синхронного генератора. .

Изобретение относится к способу регулирования нагрузки преимущественно индуктивного типа, например, электрического двигателя, генератора или т.п. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использована в подстанциях, соединяющих синхронизированные части энергосистемы. .

Изобретение относится к системе энергоснабжения для автономных электросетей, в частности, на нефтяных буровых платформах или судах. .

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике и может быть использовано для электроснабжения электролизных, электротермических установок, железнодорожного транспорта и других потребителей электрической энергии постоянным током.

Изобретение относится к электротехнике. .

Изобретение относится к электротехнике. .

Модульная единая корабельная электроэнергетическая система МЕ ЭЭС содержит единый источник электроэнергии, главный распределительный щит, распределительные щиты сети общесудовых приемников и сети приемников гребной установки.

Изобретение относится к электрическому транспортному средству. .

Изобретение относится к средствам диагностики электрооборудования электровоза и может быть использовано на электроподвижном составе, в частности на электровозах с импульсными регуляторами тяговых двигателей.

Изобретение относится к железнодорожном транспорту и представляет собой средство улучшающее режим рекуперативного торможения электровоза при ручном регулировании и обеспечивающее защиту блока балластных резисторов (ББР).

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта и направлено на создание системы для снабжения вспомогательных приводов в рельсовом транспортном средстве электрической энергией.

Система управления зарядной емкостью для батареи, предоставленной на транспортном средстве с электрическим двигателем в качестве источника приведения в движение, включает в себя: модуль оценки изношенного состояния, который оценивает изношенное состояние батареи, модуль установки зон, который устанавливает зарядную емкость, когда батарея может использоваться во множестве зон в соответствии с изношенным состоянием батареи, модуль вычисления заряженного состояния, который вычисляет заряженное состояние батареи; модуль определения зоны, который определяет, к какой зоне из множества зон, установленных модулем установки зон, относится заряженное состояние батареи и модуль предписания управления, который предписывает выполнение управления в связи с зарядкой или разрядкой батареи в соответствии с зоной, которая определена модулем определения зоны. Диапазон зарядной емкости, по меньшей мере, одной предварительно определенной зоны из множества зон, установленных модулем установки зон, остается постоянным независимо от изношенного состояния батареи, тогда как диапазоны зарядных емкостей зон, отличных от предварительно определенной зоны, меняются в соответствии с изношенным состоянием батареи. Следовательно, может в достаточной мере демонстрироваться эффективность батареи, при этом сдерживая влияние износа на минимальном уровне. Технический результат заключается в обеспечении заряда батареи с предотвращением ее перезарядки или чрезмерной разрядки. 11 з.п. ф-лы, 9 ил.
Наверх