Судовая система электродвижения с двухвинтовым двигательно-движительным модулем с двигателями кольцевой конструкции

Изобретение относится к области судостроения, в частности к судовым системам электродвижения с преобразователями частоты и гребными электродвигателями. Судовая система электродвижения содержит шины распределительного щита, подключенные через автоматический выключатель и дроссель к обратимому преобразователю частоты. К преобразователю частоты с двумя раздельными выходными силовыми цепями подключены соответственно два гребных электродвигателя. Гребные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов имеют кольцевую конструкцию. В полости ротора каждого из электродвигателей установлены гребные винты фиксированного шага. Лопасти первого гребного винта выполнены с противонаправленным разворотом к лопастям второго гребного винта. Преобразователь частоты содержит установленный на входе управляемый выпрямитель, силовой выход которого соединен с конденсаторным накопителем звена постоянного тока, датчик напряжения звена постоянного тока с силовыми входами двух инверторов, а также два задатчика частот. Управление элементами преобразователя частоты осуществляется с помощью локальной системы управления. Достигается повышение КПД, снижение потерь энергии, снижение уровня шума и вибраций. 3 ил.

 

Изобретение относится к области судостроения, в частности к судовым системам электродвижения с преобразователями частоты и гребными электродвигателями. В качестве преобразователей широко используются различные схемы с неуправляемыми выпрямителями, обладающие высокими энергетическими показателями и надежностью, а в качестве гребных электродвигателей - электрические машины постоянного и переменного тока, установленные в корпусе судна или в гондоле движителя типа «поворотная колонка» с ротором, имеющим вал для установки гребного винта.

Известна судовая двигательно-движительная установка типа «поворотная колонка» [патент РФ №2119875 опубл. 10.10.1998 г.]. Установка содержит заключенный в обтекаемый кожух (гондолу) гребной биротативный электродвигатель и два гребных винта, вращающихся в противоположных направлениях, а именно контрпропеллер, установленный на валу ротора биротативного двигателя, и гребной винт, установленный на полом валу вращающегося статора, коаксиальном валу ротора. Кожух установлен с возможностью поворота в горизонтальной плоскости. К сожалению, схема управления в патенте РФ №2119875 не раскрыта, однако для специалиста очевидно, поворотная колонка является частью судовой системы электродвижения, и гребной электродвигатель установки подключен к статическому преобразователю частоты, который, в свою очередь, подключен к энергосистеме и к электрогенератору, приводимому во вращение тепловым двигателем. К недостаткам аналога относятся:

- повышенные масса, габариты и потери энергии за счет большого гидродинамического сопротивления гондолы с установленным в ней гребным электродвигателем и некомпенсированного (остаточного) «закручивания» присоединенных масс воды;

- пониженный уровень виброаккустических характеристик двигательно-движительной системы;

- повышенные уровни электромагнитных помех и гармонических составляющих в токе, потребляемом стандартными преобразователями частоты из судовой сети;

- пониженная надежность конструкции биротативного двигателя и увеличенные потери.

Более прогрессивными и обладающими лучшими виброакустическими характеристиками являются двигательно-движительные системы с магнитными двигателями кольцевой конструкции. В качестве прототипа выбрана судовая система электродвижения на базе двигательно-движительной системы с двигателем кольцевой конструкции (далее - ДДС КК) [А. Григорьев. Судовая система электродвижения нового поколения, - «Морской флот» №02 (1500), 2012 г.стр.38-40]. Судовая система электродвижения содержит двигательно-движительную систему в виде погружного электродвигателя кольцевой конструкции, совмещенного с гребным винтом. Статорные обмотки электродвигателя подключены через обратимый преобразователь частоты, дроссель и автоматический выключатель к распределительному щиту. Преобразователь частоты состоит из последовательно соединенных активного выпрямителя и инвертора. Вход активного выпрямителя подключен к упомянутому дросселю, а выход преобразователя частоты (выход инвертора) - к упомянутым обмоткам статора погружного электродвигателя кольцевой конструкции.

К недостаткам данного прототипа относятся:

- пониженный уровень виброаккустических характеристик двигательно-движительной системы;

- КПД движителя за счет потерь энергии на «закручивание» присоединенных масс воды.

Задача, решаемая изобретением - расширение арсенала средств и создание новой судовой системы электродвижения с двигательно-движительной установкой на базе двухвинтового модуля кольцевой конструкции с повышением эффективности использования энергии, экономичности, снижении уровня шума и вибрации, создаваемого работой движителя, позволяющей, за счет минимизации гидродинамических потерь и создания дополнительного усилия упора обеспечить увеличение КПД движителя, повысить виброаккустические характеристики, с достижением экономии и эффективного использования энергии, а также получить дополнительную возможность применения более технологичных и эффективных гребных винтов типа импеллер.

Достигаемый технический результат заключается в обеспечении возможности:

- повышения КПД движителя;

- снижения потерь энергии за счет управления электродвигателями по характеристике, полученной опытным путем;

- дополнительного снижения потерь энергии за счет малого гидродинамического сопротивления модуля с двумя гребными синхронными электродвигателями кольцевой конструкции с возбуждением от постоянных магнитов;

- снижения уровня шума и вибраций, создаваемых модулем, за счет управления электродвигателями по характеристике, полученной опытным путем;

- дополнительного повышения КПД установки и снижения уровня виброаккустических возмущений, за счет использования в модуле двух гребных винтов типа импеллер и повышения качества и эффективности использования электроэнергии преобразователем частоты, обеспечивающим фильтрацию, компенсацию реактивной мощности и симметрирование фазных напряжений во входной цепи, стабилизацию выходного напряжения и возможность рекуперации электроэнергии для использования судовыми потребителями.

Поставленная комплексная задача решается изменением функциональной схемы установки и изменением конструкции.

Заявляемая судовая система электродвижения с двухвинтовым двигательно-движительным модулем имеет в своем составе шины распределительного щита, подключенные через автоматический выключатель и дроссель к обратимому преобразователю частоты. Первый выход преобразователя частоты подсоединен к статорной обмотке первого гребного электродвигателя кольцевой конструкции с возбуждением от постоянных магнитов (далее - первый электродвигатель). В полости ротора первого электродвигателя установлен первый гребной винт фиксированного шага. От прототипа отличается тем, что дополнительно содержит второй гребной электродвигатель кольцевой конструкции с возбуждением от постоянных магнитов (далее - второй электродвигатель). Его статорная обмотка подсоединена ко второму выходу преобразователя частоты. В полости ротора второго электродвигателя установлен второй гребной винт фиксированного шага, оба упомянутых электродвигателя расположены соосно и объединены в единый модуль таким образом, что их полости образуют сквозной канал. Лопасти первого гребного винта выполнены с противонаправленным разворотом к лопастям второго гребного винта. Упомянутый преобразователь частоты содержит установленный на входе управляемый выпрямитель, силовой выход которого соединен с конденсаторным накопителем звена постоянного тока, с датчиком напряжения на конденсаторном накопителе и с силовыми входами двух инверторов, которые входят в состав преобразователя частоты. Преобразователь содержит также два задатчика частот вращения электродвигателей, каждый из задатчиков своим первым выходом соединен с управляющим входом одного из инверторов, а своим вторым выходом соединены с первыми выходом другого задатчика.

Судовая система электродвижения имеет в своем составе локальную систему управления, соединенную с управляющим входом управляемого выпрямителя, с сигнальным выходом датчика напряжения на конденсаторном накопителе, с управляющими входами задатчиков частот, а также с сигнальными выходами первого и второго датчиков тока фаз, первого и второго датчиков напряжения фаз, установленных в выходных силовых цепях инверторов, являющихся выходами преобразователя частоты. Подключение электродвигателей выполнено с обеспечением возможности разнонаправленного вращения их роторов.

На Фиг.1 представлена схема судовой системы электродвижения с двухвинтовым двигательно-движительным модулем с двигателями кольцевой конструкции, на Фиг.2 - конструктивное исполнение двигательно-движительного модуля, на Фиг.3 - вид А-А Фиг.2. На Фигурах введены следующие обозначения:

1 - шины распределительного щита; 2 - автоматический выключатель; 3 - дроссель; 4 -преобразователь частоты; 5, 6 - первый и второй, соответственно, гребные синхронные электродвигатели кольцевой конструкции с возбуждением от постоянных магнитов, 7 - первый гребной винт фиксированного шага; 8 - второй гребной винт фиксированного шага; 9 - двигательно-движительный модуль; 10, 11 - полости первого и второго роторов, соответственно; 12, 13 - первый и второй роторы, соответственно; 14 - сквозной канал; 15 - управляемый выпрямитель с векторным управлением; 16 - конденсаторный накопитель; 17 - датчик напряжения на конденсаторном накопителе; 18 - первый инвертор; 19 - второй инвертор; 20 - локальная система управления; 21 - первый задатчик частот вращения электродвигателей; 22 - второй задатчик частот вращения электродвигателей, 23 и 24 - первый и второй датчики тока фаз, 25 и 26 - первый и второй датчики напряжений фаз; 27 и 28 - статоры гребных электродвигателей, 29 - интерфейс. Судовая система электродвижения с двухвинтовым двигательно-движительным модулем на базе двигателей кольцевой конструкции содержит шины 1 распределительного щита, соединенные через автоматический выключатель 2 и дроссель 3 с преобразователем частоты 4. К преобразователю частоты 4 с двумя раздельными выходными трехфазными цепями подключены соответственно два гребных синхронных электродвигателя 5 и 6 (их статорные обмотки). Гребные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов имеют кольцевую конструкцию, подобно тому, как описано в прототипе. В полости ротора каждого из электродвигателей установлены гребные винты 7 и 8 фиксированного шага. Конструктивно оба электродвигателя 5 и 6 оформлены в виде модуля 9 двигательно-движительной установки, то есть имеют общий корпус, где они расположены соосно, а полости 10 и 11 их роторов 12 и 13 в корпусе модуля 9 образуют сквозной канал 14. Лопасти первого гребного винта 7 выполнены с противонаправленным разворотом к лопастям второго гребного винта 8. Преобразователь 4 частоты выполнен обратимым и содержит управляемый выпрямитель 15 с векторным управлением, силовой выход которого соединен с конденсаторным накопителем 16 звена постоянного тока, с датчиком напряжения 17 на конденсаторном накопителе и силовыми входами инверторов 18 и 19. Управляемый выпрямитель 15 подключен управляющим входом к локальной системе управления 20. В составе преобразователя 4 частоты имеются также первый задатчик 21 частот вращения электродвигателей 5 и 6 в функции получения максимального суммарного упора гребных винтов и второй задатчик 22 частот вращения электродвигателей в функции минимума шума и вибрации, воспроизводимых модулем, подключенные своими входами к локальной системе управления 20. Первый выход первого задатчика 21 соединен с первым выходом второго задатчика 22 и с управляющим входом первого инвертора 18, а второй выход первого задатчика 21 соединен с вторым выходом второго задатчика 22 и с управляющим входом второго инвертора 19. Выходные силовые цепи инверторов 18 и 19 через силовые цепи соответствующих датчиков 23 и 24 тока фаз, являющиеся выходами преобразователя 4 и к которым подключены первый и второй датчики 25 и 26 напряжений фаз, соединены с обмотками статоров 27 и 28 соответствующих гребных электродвигателей 5 и 6 кольцевой конструкции. Подключение электродвигателей выполнено с противоположным чередованием фаз для разнонаправленного вращения их роторов 12 и 13 со встроенными гребными винтами 7 и 8 и создания упора в одном общем направлении. Сигнальные выводы датчиков напряжения 17, 25, 26 и датчиков тока 23 и 24 подключены к локальной системе управления 20, к которой для соединения с системой верхнего уровня подключен интерфейс 29.

Судовая система электродвижения с двухвинтовым двигательно-движительным модулем на базе двигателей кольцевой конструкции работает следующим образом.

Работой установки управляет система верхнего уровня, передавая команды по интерфейсу 29 локальной системе управления 20, которая задает режимы работы управляемому выпрямителю 15 и инверторам 18 и 19, контролируя напряжение на конденсаторном накопителе 16 с помощью датчика напряжения 17 и токи обмоток статоров 27 и 28, соответствующие механическим моментам нагрузки электродвигателей 5 и 6 и создаваемым гребными винтами 7 и 8 усилиям упоров. Работой силовых схем управляемого выпрямителя 15 с векторным управлением и инверторов 18 и 19 управляют встроенные контроллеры по информации собственных датчиков (на фигурах не показаны).

По сигналу, поступающему на вход локальной системы управления 20 по интерфейсу 29 от системы управления верхнего уровня, система электродвижения может быть переведена в следующие основные режимы работы:

- режим движения и торможения с максимальным усилием упора;

- режим движения и торможения с минимумом шумов и вибраций, создаваемых двигательно-движительным модулем;

- режимы движения и торможения с компенсацией реактивной мощности, генерируемой судовыми электропотребителями и симметрирования по модулю и фазе напряжения на шинах 1 распределительного щита.

Судно приводится в движение с помощью электродвигателей 5 и 6 модуля 9, получающих питание от инверторов 18 и 19 в виде трехфазных систем напряжений, отличающихся по частоте и амплитуде, с противоположным чередованием фаз, что обеспечивает разнонаправленное вращение гребных винтов 7 и 8 с противонаправленным разворотом лопастей для создания упора в одном общем направлении. При этом напряжение с шин 1 распределительного щита через включенный автоматический выключатель 2, дроссель 3 подается на управляемый выпрямитель 15, на инверторы 18 и 19. Управляемый выпрямитель 15 обеспечивает стабилизацию постоянного напряжения на конденсаторном накопителе 16 звена постоянного тока, фильтрацию потребляемого тока, изменение угла сдвига между напряжением и током в каждой фазе на своем входе по заданиям локальной системы 20 управления для компенсации реактивной мощности и для симметрирования по модулю и фазе трехфазной системы векторов питающих напряжений. Инверторы 18 и 19 управляют работой электродвигателей 5 и 6 в соответствии с принципом векторного управления электроприводом.

При торможении электродвигатели 5 и 6 переводятся в генераторный режим, при котором электрическая энергия поступает через инверторы 18 и 19, управляемый выпрямитель 15, дроссель 3, автоматический выключатель 2 на шины 1 распределительного щита, откуда подается для питания судовых электропотребителей (на фигуре не показаны). Избыток электроэнергии поглощается тормозным резистором, устанавливаемым в звене постоянного тока управляемого выпрямителя 15 (на фигурах не показан).

Режимы движения и торможения с максимизацией суммарного усилия упора при оптимальных энергозатратах осуществляются за счет управления электродвигателями с учетом конструктивных особенностей и гидродинамических характеристик модуля 9 и гребных винтов 7 и 8. Усилие упора модуля 9 складывается из усилий упора гребных винтов 7 и 8, приводимых во вращение электродвигателями 5 и 6. Оптимальные зависимости усилий упора от частоты вращения каждого гребного винта, при их совместной работе в модуле 9 и минимальных суммарных затратах электроэнергии на движение судна, получены опытным путем. Электрическая мощность, подводимая к электродвигателям 5 и 6, преобразуется в механическую с частотами вращения роторов, соответствующими моментам сопротивления гребных винтов 7 и 8. Характеристика, находящаяся в памяти первого задатчика 21, устанавливает для каждого электродвигателя свою частоту вращения, оптимальный коэффициент распределения электрической мощности, подводимой к электродвигателям 5 и 6 для получения максимального суммарного усилия упора от гребных винтов модуля 9.

Система верхнего уровня через локальную систему управления 20 задает величину, соответствующую усилию упора модуля 9, на первый задатчик 21 частоты вращения, который распределяет задания по выходной мощности на инверторы 18 и 19. Инверторы 18 и 19 формируют выходные напряжения по частоте и амплитуде для питания обмоток статоров электродвигателей 5 и 6. Электрическая мощность преобразуется в механическую мощность вращения каждого гребного винта, в суммарное усилие упора модуля, приводящее в движение судно с соответствующей скоростью.

Режим движения и торможения с минимумом шумов и вибраций, связанных с гидродинамикой конструкции корпуса двигательно-движительного модуля 9, гребных винтов 7 и 8, осуществляется повышением ламинарности водного потока на выходе модуля, а также оптимизацией режимов его работы. По сигналам системы управления верхнего уровня и локальной системы управления 20 второй задатчик 22 устанавливает оптимальный коэффициент распределения электрической мощности для гребных электродвигателей 5 и 6 во всем диапазоне частот вращения гребных винтов 7 и 8, при минимальном уровне шумов и вибраций, воспроизводимых модулем 9, по характеристике, полученной опытным путем. Задатчики 21 и 22 задают инверторам 18 и 19 частоты и амплитуды выходных напряжений, питающих обмотки статоров 27 и 28 электродвигателей 5 и 6. Система 20 контролирует заданные параметры, вычисляет значения частот вращения, мощности, потребляемые электродвигателями, и по характеристикам гребных винтов, усилия упора, используя информацию, поступающую от датчиков 23, 24 тока и 25, 26 напряжения фаз. Применение в конструкции модуля 9 гребных электродвигателей 5 и 6 кольцевой конструкции с возбуждением от постоянных магнитов, имеющих минимальные габариты торцевой части, обеспечивает минимизацию гидродинамического сопротивления и лучшую обтекаемость корпуса.

Уровень шумов, воспроизводимых оборудованием системы электродвижения, особенно генераторов, гребных электродвигателей 5 и 6, электропотребителей, зависит от величины потребляемых ими токов, которые могут содержать реактивные и высшие гармонические составляющие, а также от симметрии трехфазных систем питающих напряжений.

В режиме движения и торможения с компенсацией реактивной мощности, генерируемой судовыми электропотребителями, по команде системы верхнего уровня, локальная система управления 20 выдает сигнал задания, по которому управляемый выпрямитель 15 изменяет угол сдвига между векторами напряжений и токов фаз, необходимый для компенсации реактивной мощности на шинах 1 распределительного щита питания для электропотребителей. Среднее значение напряжения на выходе управляемого выпрямителя 15 остается стабильным и инверторы 18 и 19 выполняют функцию, заданную системой управления 20.

Режим движения и торможения с симметрированием по модулю и фазе напряжения на шинах 1 распределительного щита питания для электропотребителей осуществляется по команде системы верхнего уровня и по сигналам встроенного в управляемый выпрямитель 15 с векторным управлением, датчиков напряжений и токов фаз с выработкой компенсационного воздействия. Компенсационное воздействие заключается в изменении модулей и фазовых углов векторов тока во входной цепи управляемого выпрямителя 15 и, соответственно, углов сдвига между током и напряжением в каждой фазе. Это осуществляется формированием управляемым выпрямителем 15 во входной цепи и на зажимах трехфазных обмоток дросселя 3 дополнительных векторов фазных напряжений. Сумма векторов фазных напряжений, действующих в каждой фазе дросселя 3, влияет на модуль и фазовый угол вектора тока, протекающего в каждой фазной обмотке дросселя. При этом векторы трехфазной системы напряжений на шинах 1 распределительного щита выравниваются по модулю с приближением взаимного фазового сдвига к 120 электрическим градусам. Среднее значение напряжения на выходе управляемого выпрямителя 15 остается стабильным и инверторы 18 и 19 могут выполнять заданную системой управления 20 функцию по режимам движения и торможения двигателей модуля.

Таким образом, применение в изобретении модуля двухвинтовой двигательно-движительной установки кольцевой конструкции с двумя гребными синхронными электродвигателями, возбуждаемых от постоянных магнитов, вращающих гребные винты с противонаправленным разворотом лопастей и обратимого преобразователя с двумя раздельно управляемыми инверторами для питания гребных электродвигателей, в том числе и при использовании гребных винтов типа импеллер, позволяет судовой системе электродвижения работать как в двигательном, так и в тормозном режиме с обеспечением:

- повышения КПД движителя;

- снижения уровня шумов и вибраций;

- повышения качества и эффективного использования электроэнергии на шинах распределительного щита за счет управляемого выпрямителя, обеспечивающего фильтрацию потребляемого тока, стабилизацию выходного напряжения и возможность рекуперации электроэнергии для использования судовыми потребителями;

- одновременного использования управляемого выпрямителя преобразователя частоты данной установки в качестве статического компенсатора реактивной мощности и для симметрирования по модулю и фазе векторов напряжений в питающей сети при различной загрузке ее фаз для дополнительного снижения уровня шумов и вибраций электрооборудования судна.

Судовая система электродвижения, имеющая в своем составе шины распределительного щита, подключенные через автоматический выключатель и дроссель к обратимому преобразователю частоты, первый выход которого подсоединен к статорной обмотке первого гребного электродвигателя кольцевой конструкции с возбуждением от постоянных магнитов, в полости ротора которого установлен первый гребной винт фиксированного шага, отличающаяся тем, что дополнительно содержит второй гребной электродвигатель кольцевой конструкции с возбуждением от постоянных магнитов, статорная обмотка которого подсоединена ко второму выходу преобразователя частоты, в полости ротора второго гребного электродвигателя установлен второй гребной винт фиксированного шага, оба упомянутых электродвигателя расположены соосно и объединены в единый модуль таким образом, что их полости образуют сквозной канал, а лопасти первого гребного винта выполнены с противонаправленным разворотом к лопастям второго гребного винта, при этом преобразователь частоты содержит установленный на входе управляемый выпрямитель, силовой выход которого соединен с конденсаторным накопителем звена постоянного тока, с датчиком напряжения звена постоянного тока и с силовыми входами двух инверторов, которые входят в состав преобразователя частоты, содержит также два задатчика частот вращения электродвигателей, каждый из задатчиков своим первым выходом соединен с управляющим входом одного из инверторов, а своим вторым выходом соединены с первыми выходом другого задатчика, при этом судовая система электродвижения имеет в своем составе локальную систему управления, соединенную с управляющим входом управляемого выпрямителя, с сигнальным выходом датчика напряжения на конденсаторном накопителе, с задатчиками частот, а также с сигнальными выходами первого и второго датчиков тока и первого и второго датчиков напряжения фаз, установленных в выходных силовых цепях инверторов, являющихся выходами преобразователя частоты, причем подключение электродвигателей выполнено с обеспечением возможности разнонаправленного вращения их роторов.