Судовая электроэнергетическая установка


 


Владельцы патента RU 2544029:

Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) (RU)

Изобретение относится к судостроению, в частности к судовым электроэнергетическим установкам. Судовая электроэнергетическая установка содержит главный двигатель, соединенный с главным генератором, дополнительный двигатель, соединенный с дополнительным генератором, гребной электродвигатель, подсоединенный к гребному винту, главные шины, шины питания судовых электропотребителей, систему управления установки, автоматические выключатели, датчики тока и датчики напряжения, а также управляемый и обратимый преобразователь частоты, входную цепь преобразователя частоты, дроссель преобразователя, силовой вход управляемого выпрямителя, информационные выходы упомянутых датчиков, контроллер выпрямителя, конденсаторный накопитель звена постоянного тока, датчик постоянного напряжения, локальный блок управления, систему управления установки, дополнительный преобразователь частоты, первый и второй преобразователь частоты, дополнительные дроссель и фильтр, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой автоматические выключатели, входное и выходное напряжение фаз, гребной электродвигатель, контроллер инвертора. Достигается снижение габаритов и массы установки, повышение КПД и качества электроэнергии, повышение надежности без использования трансформатора для гальванической развязки. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к судостроению, в частности к судовым электроэнергетическим установкам, содержащим полупроводниковые преобразователи частоты и объединенным с системами электродвижения.

В качестве преобразователей в установках используются полупроводниковые схемы, обладающие высокими энергетическими показателями и надежностью.

Так, известна аналогичная «Судовая валогенераторная установка» [Патент РФ на полезную модель №119322 от 27.02.2012], обеспечивающая генераторный режим питания судовых электропотребителей и двигательный режим для раздельной или совместной работы с главным двигателем в пропульсивной установке. Судовая валогенераторная установка содержит двигатель приводного вала, механически связанный с валогенератором, который через электрическую цепь, содержащую преобразователь частоты, датчики тока и напряжения соединен с шинами судовых электропотребителей, к которым также подсоединен вспомогательный генератор, механически связанный с вспомогательным двигателем. Двигатель приводного вала соединен с валогенератором через редуктор, на выходе к валогенератору и входе которого установлены разъединительные муфты. В упомянутой электрической цепи между валогенератором и преобразователем частоты последовательно подключены первый датчик тока и входной дроссель, за преобразователем частоты - выходной дроссель, LC-фильтр, второй датчик тока и первый автоматический выключатель, подсоединенный к шинам судовых электропотребителей. Преобразователь частоты имеет в своем составе встречно включенные электрически обратимые первый и второй выпрямители с векторным управлением, каждый из которых имеет свой контроллер. К каждому выпрямителю на стороне постоянного тока подключен соответственно первый и второй датчик тока преобразователя частоты, выходы которых подключены к первым входам контроллеров. Между упомянутыми датчиками тока преобразователя частоты подключен конденсаторный накопитель звена постоянного тока с датчиком напряжения, выход которого подключен ко вторым входам контроллеров. К выходу валогенератора подсоединен датчик входного напряжения, выход которого подсоединен к третьему входу контроллера первого выпрямителя. Датчик выходного напряжения, установленный в электрической цепи перед первым автоматическим выключателем, подсоединен к третьему входу контроллера второго выпрямителя, к четвертому входу которого подсоединен выход второго датчика тока, а первый датчик тока подсоединен к четвертому входу контроллера первого выпрямителя. Установка снабжена также задатчиком режимов с внешним управлением, подсоединенным к пятым входам обоих контроллеров, при этом между вспомогательным генератором и шинами судовых электропотребителей установлен второй автоматический выключатель.

В этой же установке в качестве валогенератора может быть использованы электрическая машина с возбуждением от постоянных магнитов и несколько вспомогательных двигателей, каждый из которых связан с дополнительным генератором.

Эта установка имеет следующие недостатки:

- генераторный режим работы валогенераторной установки возможен в ограниченном диапазоне по частоте вращения двигателя приводного вала, механически связанного с гребным винтом;

- двигатель приводного вала с механической передачей энергии на гребной винт работает в широком диапазоне частот вращения с понижением КПД преобразования и передачи энергии;

- пониженная надежность установки из-за наличия редуктора.

В качестве прототипа выбрана наиболее близкая «Судовая электроэнергетическая установка» [Патент РФ на полезную модель №124246 от 12.07.2012 г.], содержащая главный двигатель, соединенный с главным генератором, который через электрическую цепь, имеющую в своем составе первый автоматический выключатель, главные шины и преобразователь частоты, соединен с гребным электродвигателем, подсоединяемым к гребному винту, содержащая также шины питания судовых электропотребителей, соединенные через трансформатор с главными шинами, и содержащая дополнительный двигатель, соединенный с дополнительным генератором, который через второй автоматический выключатель подключен к шинам электропотребителей. В качестве главного генератора и дополнительного генератора использованы трехфазные генераторы с электромагнитным возбуждением, снабженные на выходе соответственно первым и вторым датчиками тока фаз. Установка также дополнительно имеет систему управления, выполненную с обеспечением возможности подключения к системе управления верхнего уровня. Система управления установки подсоединена к первому и второму датчикам тока фаз, а также к датчику напряжения, установленному на шинах электропотребителей. Преобразователь частоты выполнен управляемым, обратимым и содержит последовательно соединенные управляемые выпрямитель и инвертор, каждый из которых снабжен собственным контроллером, в выходной силовой цепи выпрямителя и входной силовой цепи инвертора установлены датчики тока, каждый из которых связан с соответствующим информационным входом соответствующего контроллера. С силовым входом управляемого выпрямителя соединен дроссель, подсоединенный другим выводом к датчику напряжения фаз и третьему автоматическому выключателю, который своим другим выводом подключен к главным шинам. Датчик напряжения фаз связан с контроллером выпрямителя. В цепи между датчиком тока выходной силовой цепи выпрямителя и датчиком тока входной силовой цепи инвертора установлен конденсаторный накопитель звена постоянного тока, а также датчик постоянного напряжения, подключенный к обоим контроллерам, которые также подсоединены к задатчику режимов, который является локальным блоком управления преобразователя частоты и связан с системой управления установки в целом.

Недостатками данной установки являются:

- повышенные габариты и масса установки за счет применения в схеме трансформатора;

- зависимость величины и качества выходного напряжения трансформатора от величины и качества входного напряжения, а также от величины и гармонического состава тока, потребляемого судовыми электропотребителями.

- отсутствие возможности регулирования, стабилизации и симметрирования напряжения непосредственно на шинах питания судовых электропотребителей, а также компенсации реактивной мощности иным способом, кроме как с помощью дополнительного генератора;

- отсутствие возможности дополнительного регулирования напряжения на главных шинах за счет изменения частоты вращения при ограничении и постоянстве возбуждения главного генератора.

Кроме того, дополнительным недостатком является то, что применение в качестве источника питания электроэнергетической системы судна главного генератора в виде низкочастотной синхронной машины с электромагнитной системой возбуждения, приводимой во вращение соответствующим низкооборотным главным двигателем, в совокупности существенно увеличивает массу и габариты установки, а наличие возбудителя и системы передачи электроэнергии на вращающийся ротор в главном генераторе снижает надежность и вызывает дополнительные потери.

Задача, решаемая изобретением, - расширение арсенала средств и создание новой надежной судовой электроэнергетической установки с расширенными функциональными возможностями.

Достигаемый технический результат заключается:

- в снижении габаритов и массы установки за счет исключения из схемы трансформатора;

- в повышении КПД и качества электроэнергии за счет стабилизации напряжения в звене постоянного тока, компенсации реактивной составляющей тока во входной и выходной цепях, а также фильтрации и симметрирования трехфазной системы напряжений преобразователем частоты непосредственно на шинах питания судовых электропотребителей;

- в возможности дополнительного регулирования напряжения на главных шинах за счет изменения частоты вращения при ограничении и постоянстве возбуждения главного генератора;

- в возможности дополнительного регулирования напряжения и частоты на шинах питания судовых электропотребителей за счет изменения частоты вращения дополнительного генератора в пределах, определяемых допустимым диапазоном изменения частоты и напряжения питания судовых электропотребителей.

Дополнительным результатом является то, что питание электроэнергетической системы судна осуществляется от главного генератора, в качестве которого применена высокооборотная (свыше 6000 об/мин) синхронная машина с возбуждением от постоянных магнитов, приводимая во вращение соответствующим высокооборотным главным двигателем (газотурбинным или паротурбинным двигателем), что приводит к значительному снижению массы и габаритов установки, а отсутствие возбудителя в системе передачи электроэнергии на вращающийся ротор и отсутствие обмоток возбуждения на роторе в главном генераторе повышает надежность и исключает дополнительные потери. Использование в качестве генератора электрической машины с раздельными системами трехфазных обмоток для системы электродвижения и для питания судовых электропотребителей также обеспечит дополнительное повышение надежности без использования трансформатора для гальванической развязки.

Возможно применение нескольких дополнительных двигателей, каждый из которых аналогичным образом связан с системой управления установки и со своим дополнительным генератором, соединенным с помощью автоматического выключателя с шинами питания электропотребителей.

Поставленная задача решается изменением функциональной схемы установки.

Судовая электроэнергетическая установка содержит главный двигатель, соединенный с главным генератором, дополнительный двигатель, соединенный с дополнительным генератором, гребной электродвигатель, подсоединяемый к гребному винту, главные шины, шины питания судовых электропотребителей, систему управления установки, автоматические выключатели, датчики тока и датчики напряжения. Имеющийся в схеме установки управляемый и обратимый преобразователь частоты содержит последовательно соединенные управляемые выпрямитель и инвертор, каждый из которых снабжен собственным контроллером, в выходной силовой цепи выпрямителя и входной силовой цепи инвертора установлены датчики тока, каждый из которых связан с соответствующим информационным входом соответствующего контроллера. Во входной цепи преобразователя частоты установлены датчик напряжения фаз и датчик тока фаз, который через дроссель преобразователя соединен с силовым входом управляемого выпрямителя. Информационные выходы упомянутых датчиков соединены с контроллером выпрямителя. В цепи между датчиком тока выходной силовой цепи выпрямителя и датчиком тока входной силовой цепи инвертора установлен конденсаторный накопитель звена постоянного тока, а также датчик постоянного напряжения, подключенный к обоим контроллерам, которые также подсоединены к локальному блоку управления, связанному с системой управления установки. От прототипа установка отличается тем, что дополнительно содержит преобразователь частоты, функциональная схема которого идентична функциональной схеме упомянутого выше преобразователя частоты. Установка также дополнительно содержит дроссель и фильтр. Главный генератор через цепь, включающую последовательно соединенные первый автоматический выключатель, главные шины, второй автоматический выключатель первый преобразователь частоты, дроссель, фильтр, датчик выходного тока фаз первого преобразователя частоты, датчик выходного напряжения фаз первого преобразователя частоты и третий автоматический выключатель, соединен с шинами питания судовых электропотребителей, к которым через четвертый автоматический выключатель подсоединен дополнительный генератор. Локальный блок управления первого преобразователя частоты соединен с входами управления второго и третьего автоматических выключателей. Датчик выходного тока фаз и датчик выходного напряжения фаз первого преобразователя частоты соединены с входами контроллера инвертора этого преобразователя. К главным шинам через цепь, включающую пятый автоматический выключатель, второй преобразователь частоты, датчик тока фаз второго преобразователя частоты, шестой автоматический выключатель, подсоединен гребной электродвигатель. Локальный блок управления второго преобразователя частоты соединен с входами управления пятого и шестого автоматических выключателей, а датчик выходного тока фаз второго преобразователя частоты соединен с контроллером инвертора второго преобразователя частоты. Блоки управления главного и дополнительного двигателей соединены с системой управления установки, которая также соединена с датчиками напряжений фаз главных шин и шин питания судовых электропотребителей.

В качестве главного теплового двигателя предпочтительно применение высокооборотного газотурбинного или паротурбинного двигателя, а в качестве главного генератора и гребного электродвигателя - электрических машин с возбуждением от постоянных магнитов.

Судовая электроэнергетическая установка дополнительно может быть снабжена автоматическими выключателями, обеспечивающими подключение главных шин и шин питания судовых электропотребителей к соответствующим шинам электроэнергетической установки другого борта судна.

Более подробно решение раскрыто в приведенном ниже примере реализации и иллюстрируется Фигурой, на которой представлена функциональная схема установки.

Судовая электроэнергетическая установка включает в себя главный тепловой двигатель 1, механически связанный с главным генератором 2, который через электрическую цепь, содержащую первый автоматический выключатель 3, главные шины 4, второй автоматический выключатель 5, первый преобразователь частоты 6, дроссель 7, фильтр 8, датчик 9 выходного тока фаз первого преобразователя частоты и третий автоматический выключатель 10, соединен с шинами 11 питания судовых электропотребителей, к которым также через четвертый автоматический выключатель 12 подсоединен дополнительный генератор 13, механически связанный с дополнительным двигателем 14. Главный генератор 2 также через электрическую цепь, содержащую первый автоматический выключатель 3, главные шины 4, пятый автоматический выключатель 15, второй преобразователь частоты 16, датчик 17 выходного тока фаз второго преобразователя частоты и шестой автоматический выключатель 18, соединен с гребным электродвигателем 19, который механически связан с гребным винтом 20 фиксированного шага.

Преобразователи частоты 6 и 16 имеют идентичную функциональную схему. Для упрощения восприятия общей схемы установки на Фигуре раскрыто внутреннее устройство только первого преобразователя частоты 6.

Первый преобразователь частоты 6 имеет в своем составе встречно включенные управляемый выпрямитель 21 с векторным управлением и инвертор 22, каждый из которых имеет свой контроллер 23 и 24 соответственно. Выход инвертора является выходом преобразователя частоты.

К выпрямителю 21 и инвертору 22 на стороне постоянного тока подключен соответственно первый и второй датчики 25 и 26 тока преобразователя частоты, выходы которых подключены к первым входам контроллеров 23 и 24 соответственно. Между упомянутыми датчиками тока преобразователя частоты подключен конденсаторный накопитель 27 звена постоянного тока и датчик 28 напряжения, выход которого подключен ко вторым входам обоих контроллеров 23, 24. Входная силовая цепь преобразователя частоты 6, включающая датчик 29 напряжения фаз, датчик 30 тока фаз и дроссель 31 преобразователя, подключена к входу переменного тока управляемого выпрямителя 21. Сигнальные выходы датчиков 29 и 30 подсоединены соответственно к третьему и четвертому входам контроллера 23 управляемого выпрямителя 21.

В состав первого преобразователя 6 частоты также входит локальный блок управления 32, который отдельными интерфейсами связан с контроллерами 23 и 24 выпрямителя и инвертора соответственно, а также с системой управления 33 установки.

Как отмечено выше, второй преобразователь частоты 16 имеет идентичную функциональную схему.

Локальный блок 32 управления первого преобразователя частоты соединен с входами управления второго и третьего автоматических выключателей 5 и 10 соответственно.

Сигнальные цепи датчика 9 выходного тока фаз первого преобразователя частоты соединены с третьим входом контроллера 24 инвертора. Аналогично подключены сигнальные цепи датчика 17 выходного тока фаз второго преобразователя частоты.

Между датчиком 9 тока фаз и третьим автоматическим выключателем 10 установлен датчик 34 выходного напряжения фаз первого преобразователя частоты. Сигнальный выход датчика 34 соединен с четвертым входом контроллера 24.

Локальный блок управления второго преобразователя частоты также соединен с системой управления 33 установки.

Система управления 33 установки через датчики 35 и 36 напряжений фаз, например встроенные, подключена к главным шинам 4 и шинам 11 питания судовых электропотребителей. Кроме того, система управления 33 установки отдельными интерфейсами связана с блоком управления 37 главного двигателя 1 и с блоком управления 38 дополнительного теплового двигателя 14, а также с системой верхнего уровня и с аналогичной системой управления установки другого борта (на Фигуре не показаны).

Шины 11 питания судовых электропотребителей установок обоих бортов судна могут быть соединены с помощью седьмого автоматического выключателя 39.

Главные шины 4 установки при отключении своего главного генератора 2 могут быть соединены для питания от главного генератора установки другого борта с помощью восьмого автоматического выключателя 40.

В качестве главного теплового двигателя 1 может быть использован высокооборотный газотурбинный или паротурбинный двигатель с номинальной частотой вращения свыше 6000 об/мин, а в качестве главного генератора 2 - высокооборотная электрическая машина с возбуждением от постоянных магнитов.

Целесообразно применение главного генератора 2 с двумя изолированными трехфазными системами обмоток для раздельного питания шин 11 электропотребителей и гребного электродвигателя 19 через свои преобразователи 6 и 16 частоты.

Возможно применение нескольких дополнительных двигателей 14, каждый из которых аналогичным образом связан с системой управления установки 33 и со своим дополнительным генератором 13, соединенным с помощью автоматического выключателя с шинами 11 питания электропотребителей.

Судовая электроэнергетическая установка работает следующим образом.

Система управления 33 установки по сигналам системы верхнего уровня может перевести электроэнергетическую установку в следующие основные режимы работы:

- режим питания судовых электропотребителей и системы электродвижения;

- стартерный режим главного теплового двигателя;

- режим компенсации реактивной мощности на шинах питания судовых электропотребителей;

- режим симметрирования по модулю и фазе напряжения на шинах питания судовых электропотребителей.

В начале работы в режиме питания судовых электропотребителей главный двигатель 1 вращает главный генератор 2 с заданной системой 33 (через блок управления 37) номинальной частотой вращения, который через включенный автоматический выключатель 3 обеспечивает питание главных шин 4.

Дополнительные двигатель 14 и дополнительный генератор 13 через включенный четвертый автоматический выключатель 12, обеспечивают электроэнергией шины 11 питания судовых электропотребителей. Система управления 33 установки с помощью датчиков 35 и 36 напряжений фаз контролирует амплитуды и частоты выходных напряжений главного и дополнительного генераторов 2 и 13, вычисляет частоты вращения главного двигателя 1 и дополнительного двигателя 14. Через блоки управления 37 и 38 главного и дополнительного двигателей 1 и 14 система управления 33 осуществляет регулирование частот вращения двигателей. Дополнительный генератор 13, например, с электромагнитным возбуждением, имеет встроенную систему возбуждения (на Фигуре не показана), которая регулирует амплитуду выходного напряжения генератора. Амплитуда и частота выходного напряжения главного генератора 2 поддерживается постоянными, а в случае применения генератора с возбуждением от постоянных магнитов амплитуда поддерживается с помощью изменения его частоты вращения в допустимых для работы преобразователя 6 пределах. При обеспечении этих условий локальный блок управления 32 включает второй автоматический выключатель 5. В первом преобразователе частоты блок 32 выдает сигналы задания в контроллеры 23 и 24, которые переводят выпрямитель 21 в режим управляемого выпрямления и стабилизации постоянного напряжения на конденсаторном накопителе 27 звена постоянного тока, а инвертор 22 - в режим инвертора, ведомого сетью (напряжением на шинах 11 питания судовых электропотребителей). При обеспечении условий синхронизации по частоте, фазе и амплитуде напряжений на шинах 11 питания судовых электропотребителей и на выходе преобразователя 6 после фильтра 8, измеряемых соответствующими датчиками 36 и 34, третий автоматический выключатель 10 может быть включен. Третий автоматический выключатель 10 включается после точной подстройки первым преобразователем 6 напряжений по частоте, фазе и амплитуде на выходе фильтра 8 для обеспечения «бестоковой» коммутации к шинам 11, находящимся под напряжением дополнительного генератора 13. После включения автоматического выключателя 10 первый преобразователь 6 под контролем тока с помощью датчика 9 тока фаз принимает нагрузку, задаваемую системой верхнего уровня через систему управления 33 и локальный блок 32.

Электроэнергия, генерируемая главным генератором 2, передается на шины 11 судовых электропотребителей через преобразователь 6, который работает следующим образом.

Выпрямитель 21 в режиме управляемого выпрямления получает питание от главного генератора 2, обеспечивает предварительный заряд конденсаторного накопителя 27 и формирует на своем силовом входе ШИМ-напряжение, модулированное по синусоидальному закону. Таким образом, на противоположных зажимах дросселя 29 формируется две вращающиеся синхронно трехфазные системы векторов напряжений: со стороны выпрямителя 21 - с заданным модулем и углом сдвига для каждой фазы, а со стороны шин 11 - трехфазная система векторов напряжений, генерируемая главным генератором 2.

В выходной цепи выпрямителя 21, подключенной через датчик тока 25 к конденсаторному накопителю 27, нарастает ток под управлением контроллера 23. Датчик напряжения 28 передает сигнал обратной связи по напряжению на конденсаторном накопителе 27 для регулирования (стабилизации при изменении напряжения на выходе главного генератора 2) контроллером 23 на заданном уровне.

Одновременно во входной цепи выпрямителя 21 нарастают фазные токи, амплитуды и фазы которых определяются векторной суммой напряжений на противоположных зажимах дросселя 31 преобразователя. Значения этих токов, измеряемые датчиком 30 тока в каждой фазе, и напряжений на выходе главного генератора 2, измеряемые датчиком 29 напряжения фаз, передаются в контроллер 23.

В контроллере 23 вычисляются модули и фазовые углы векторов напряжений, которые необходимо воспроизвести на силовом входе управляемого выпрямителя 21, чтобы в результате сложения этих векторов с векторами напряжений генератора 2 между напряжением генератора 2 и током, потребляемым выпрямителем 21, был заданный угол сдвига. Для компенсации реактивной мощности в цепи главного генератора 2 этот угол должен быть близким к нулю.

Постоянное напряжение конденсаторного накопителя 27 инвертором 22, работающим в режиме инвертора, ведомого напряжением на шинах 11, измеряемого датчиком 34, под управлением контроллера 24 преобразуется в ШИМ-напряжение, поступающее на выход первого преобразователя 6. ШИМ-напряжение фильтруется дросселем 7 и фильтром 8.

По сигналам датчиков 35 и 36 напряжений фаз системой 33 управления установки, локальным блоком управления 32 и контроллером 24 обеспечиваются условия синхронизации для параллельной работы с включенным в работу дополнительным генератором 11.

После включения автоматического выключателя 10 первый преобразователь 6 под контролем тока с помощью датчика 9 тока фаз принимает нагрузку, задаваемую системой верхнего уровня через систему управления 33 и локальный блок 32. При этом между напряжением на шинах 11 судовых электропотребителей и током инвертора 22, управляемого контроллером 24, аналогичным способом, как и при работе управляемого выпрямителя 21, устанавливается заданный угол сдвига.

В случае обеспечения электроэнергией шин 11 судовых электропотребителей только от главного генератора 2 при отключении автоматического выключателя 12 инвертор 22 преобразует постоянное напряжение конденсаторного накопителя 27 в переменное напряжение под управлением контроллера 24. При этом обеспечивается обмен энергии между фазами шин 11 питания судовых электропотребителей и конденсаторным накопителем 27 с управлением формой кривой выходного напряжения для устранения ее несинусоидальности при воздействии со стороны нагрузки, т.е. осуществляется активная фильтрация.

Шины 11 питания судовых электропотребителей установок обоих бортов для суммирования мощности двух главных генераторов могут быть соединены с помощью автоматического выключателя 39. При этом источники электроэнергии, питающие шины 11 обоих бортов, должны быть синхронизированы. Синхронизация и перераспределение мощностей электроустановок осуществляется системами управления 33 и локальным блоком 32 по заданию системы верхнего уровня.

Главные шины 4 установки при отключении главного генератора 2 могут быть соединены с помощью автоматического выключателя 40 для питания от главного генератора аналогичной электроэнергетической установки другого борта судна. Параллельная работа на шины 4 двух главных генераторов, выполненных на базе электрических машин с возбуждением от постоянных магнитов, не предусмотрена.

Режим компенсации реактивной мощности обеспечивается по входной и выходной силовым цепям преобразователя 6. Режим компенсации реактивной мощности, реализуемый инвертором 22 в выходной силовой цепи, аналогичен описанному выше алгоритму работы управляемого выпрямителя 21 во входной цепи. Для компенсации реактивной мощности, генерируемой преобразователем 6, дросселем 7 и фильтром 8 на шины 11 питания судовых электропотребителей, угол сдвига между трехфазными системами векторов напряжений, измеряемых датчиком 34 на шинах 11 питания судовых электропотребителей и векторов токов, измеряемых датчиком 9 в выходной цепи преобразователя 6, должен быть близким к нулю.

Для компенсации реактивной мощности, генерируемой судовыми электропотребителями, трехфазные системы векторов токов выходной цепи преобразователя 6, измеряемые датчиком 9 токов фаз, должны устанавливаться с опережением по фазе трехфазных систем векторов напряжений, измеряемых датчиком 32. Данное опережение определяется и задается системой управления верхнего уровня.

Режим симметрирования по модулю и фазе векторов трехфазной системы напряжений на шинах 11 питания судовых электропотребителей обеспечивается за счет мощностных ресурсов преобразователя 6 и осуществляется по сигналам датчика 34 напряжения фаз формированием инвертором 22 компенсирующего воздействия под управлением контроллера 24. Этот режим может быть реализован по сигналу системы управления верхнего уровня. Как описано выше, инвертор 22 с помощью ШИМ воспроизводит на зажимах дросселя 7 трехфазную систему векторов синусоидальных напряжений с заданным модулем и углом сдвига для каждой фазы, вращающуюся синхронно с трехфазной системой векторов напряжений на шинах 11. В контроллере 24 вычисляются модули и фазовые углы векторов напряжений, которые необходимо воспроизвести на силовом выходе инвертора 22, чтобы в результате сложения этих векторов с векторами напряжений, измеряемых датчиком 34 на шинах 11, между этими напряжениями в соответствующих фазах и токами выходной цепи преобразователя 6, измеряемыми датчиком 9, был заданный угол сдвига. При этом векторы трехфазной системы напряжений выравниваются по модулю с обеспечением взаимного фазового сдвига в 120 электрических градусов.

В стартерном режиме выпрямитель 21 и инвертор 22 по сигналу системы управления верхнего уровня меняются ролями, а дополнительный генератор 13 через замкнутый автоматический выключатель 12 обеспечивает питание шин 11 судовых электропотребителей. Автоматический выключатель 10 тоже замкнут и через инвертор 20 передается энергия, вырабатываемая дополнительным генератором 13, в конденсаторный накопитель 27 звена постоянного тока с компенсацией реактивной мощности на шинах 11 (по описанному выше алгоритму). Управляемый выпрямитель 21 получает энергию из конденсаторного накопителя 27 и обеспечивает питанием двигательный режим главного генератора 2 с амплитудно-частотным регулированием, который, в свою очередь, приводит в регулируемое по частоте вращение главный тепловой двигатель 1.

Вращение гребного винта 20 осуществляется по заданию системы верхнего уровня в систему 33 управления установки, которая управляет работой второго преобразователя 16 частоты, питающего статорные обмотки гребного электродвигателя 19 частотно-регулированным напряжением по алгоритму векторного управления электроприводом.

Второй преобразователь 16 частоты, как отмечено выше, по схеме аналогичен первому преобразователю 6, а его алгоритм отличается лишь более широким диапазоном амплитудно-частотного управления гребным электродвигателем 19 с использованием регулирования по току (соответствующему моменту нагрузки) с помощью датчика 17 и по частоте вращения гребного электродвигателя 19 (датчик скорости не показан). Коммутация автоматических выключателей 15 и 18 осуществляется по команде системы верхнего уровня через систему управления 33 установки преобразователем 16 частоты (входящим в него локальным блоком управления).

На Фигуре представлен один дополнительный двигатель 14 и один дополнительный генератор 13 со своим автоматическим выключателем 12. Все вышесказанное справедливо при использовании нескольких подобных цепей, включенных параллельно.

Таким образом, в предложенной установке обеспечено снижение габаритов и массы установки за счет исключения из схемы трансформатора, повышено качество и расширены функциональные возможности установки за счет замены трансформатора на преобразователь частоты с возможностью компенсации реактивной мощности на его входе и выходе, стабилизации, фильтрации и симметрирования выходного напряжения установки. Применение в качестве источника питания электроэнергетической системы судна - главного генератора - высокооборотной (свыше 6000 об/мин) синхронной машины с возбуждением от постоянных магнитов, приводимой во вращение соответствующим высокооборотным главным двигателем (газотурбинным или паротурбинным двигателям), значительно снижает массу и габариты установки, а отсутствие возбудителя в системе передачи электроэнергии на вращающийся ротор и обмоток возбуждения на роторе повышает КПД установки, надежность и исключает дополнительные потери энергии и нагрев в генераторе.

1. Судовая электроэнергетическая установка, содержащая главный двигатель, соединенный с главным генератором, дополнительный двигатель, соединенный с дополнительным генератором, гребной электродвигатель, подсоединяемый к гребному винту, главные шины, шины питания судовых электропотребителей, систему управления установки, автоматические выключатели, датчики тока и датчики напряжения, а также управляемый и обратимый преобразователь частоты, имеющий в своем составе последовательно соединенные управляемые выпрямитель и инвертор, каждый из которых снабжен собственным контроллером, в выходной силовой цепи выпрямителя и входной силовой цепи инвертора установлены датчики тока, каждый из которых связан с соответствующим информационным входом соответствующего контроллера, во входной цепи преобразователя частоты установлены датчик напряжения фаз и датчик тока фаз, который через дроссель преобразователя соединен с силовым входом управляемого выпрямителя, а информационные выходы упомянутых датчиков соединены с контроллером выпрямителя, в цепи между датчиком тока выходной силовой цепи выпрямителя и датчиком тока входной силовой цепи инвертора установлен конденсаторный накопитель звена постоянного тока, а также датчик постоянного напряжения, подключенный к обоим контроллерам, которые также подсоединены к локальному блоку управления, связанному с системой управления установки, отличающаяся тем, что дополнительно содержит преобразователь частоты, функциональная схема которого идентична функциональной схеме упомянутого выше преобразователя частоты, также дополнительно содержит дроссель и фильтр, при этом главный генератор через цепь, включающую последовательно соединенные первый автоматический выключатель, главные шины, второй автоматический выключатель первый преобразователь частоты, дроссель, фильтр, датчик выходного тока фаз первого преобразователя частоты, датчик выходного напряжения фаз первого преобразователя частоты и третий автоматический выключатель, соединен с шинами питания судовых электропотребителей, к которым через четвертый автоматический выключатель подсоединен дополнительный генератор, локальный блок управления первого преобразователя частоты соединен с входами управления второго и третьего автоматических выключателей, датчик выходного тока фаз и датчик выходного напряжения фаз первого преобразователя частоты соединены с входами контроллера инвертора этого преобразователя, к главным шинам через цепь, включающую пятый автоматический выключатель, второй преобразователь частоты, датчик тока фаз второго преобразователя частоты, шестой автоматический выключатель, подсоединен гребной электродвигатель, при этом локальный блок управления второго преобразователя частоты соединен с входами управления пятого и шестого автоматических выключателей, а датчик выходного тока фаз второго преобразователя частоты соединен с контроллером инвертора второго преобразователя частоты, блоки управления главного и дополнительного двигателей соединены с системой управления установки, которая также соединена с датчиками напряжений фаз главных шин и шин питания судовых электропотребителей.

2. Судовая электроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве главного теплового двигателя применен высокооборотный газотурбинный или паротурбинный двигатель, а в качестве главного генератора и гребного электродвигателя - электрические машины с возбуждением от постоянных магнитов.

3. Судовая электроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно снабжена автоматическими выключателями, обеспечивающими подключение главных шин и шин питания судовых электропотребителей к соответствующим шинам электроэнергетической установки другого борта судна.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к судостроению, а именно к судовым энергетическим установкам. .

Изобретение относится к судостроению, в частности к конструкции морских и речных судов. .

Изобретение относится к судостроению, в частности к конструированию моторных судов. .

Изобретение относится к судостроению, в частности к судовым энергетическим установкам (ЭУ), содержащим газотурбинный двигатель (ГТД), соединенный зубчатой передачей (ЗП) с электрогенератором (ЭГ).

Изобретение относится к судостроению, в частности к системам смазки судовых газотурбинных установок. .
Наверх