ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА СУДНА Российский патент 1995 года по МПК B63H23/24 

Изобретение относится к судостроению, в частности к электроэнергетическим силовым установкам (ЭЭСУ) судов, преимущественно парусно-моторных.

Известна ЭЭСУ судна, преимущественно парусно-моторного, содержащая по меньшей мере два тепловых двигателя, соединенных с синхронными генераторами с помощью разъединительных муфт, полупроводниковые преобразователи частоты со звеном постоянного тока, двухъякорный гребной синхронный электродвигатель, распределительные шины, ветрогенераторы, аккумуляторные батареи с автоматическими зарядными устройствами, коммутационные аппараты [1]
Такая ЭЭСУ обеспечивает движение судна при отсутствии ветра, при ходе в узкостях или неисправной системе управления парусами, а также питание общесудовых электропотребителей от экономически чистых источников электроэнергии, требуемые маневренные характеристики судна.

Данная ЭЭСУ имеет следующие недостатки: пониженный КПД установки при питании общесудовых электропотребителей от экологически чистых источников электроэнергии, а также при питании гребного электродвигателя от синхронного генератора, так как используемые в установке автономные инверторы тока (напряжения) имеют более низкий КПД (0,95-0,96) по сравнению с полупроводниковыми преобразователями на основе циклоконверторов и ведомых инверторов с КПД, равным 0,99;
низкие массогабаритные и стоимостные характеристики установки при использовании автономных инверторов тока (напряжения).

Наиболее близкой к предлагаемой является ЭЭСУ судна, преимущественно парусно-моторного, содержащая тепловые двигатели, соединенные разъединительными муфтами с синхронными генераторами, которые снабжены датчиками частоты и фазы и связаны статорными обмотками с циклоконверторами, снабженными блоками управления, ветрогенераторы, распределительные шины, аккумуляторные батареи с автоматическими зарядными устройствами, гребной синхронный электродвигатель с датчиком частоты и фазы, аккумуляторные батареи с автоматическими зарядными устройствами, судовые электропотребители, электрические цепи с коммутационной аппаратурой [2]
Данная ЭЭСУ обеспечивает движение судна при отсутствии ветра, при ходе в узкостях или портах, неисправных парусах и системе управления парусами, питание общесудовых электропотребителей от экологически чистых источников электроэнергии, требуемые маневренные характеристики судна.

Несмотря на то, что такая ЭЭСУ является более совершенной, она имеет следующие недостатки:
более сложная силовая схема применяемых в ЭЭСУ 36-ти тиристорных мостовых циклоконверторов и их систем управления по сравнению с циклоконверторами, выполненными на 18-ти тиристорах, что снижает надежность установки и ухудшает ее массогабаритные и стоимостные характеристики, при этом остальные характеристики циклоконверторов обоих типов при работе их в режиме источников тока в диапазоне регулирования частоты 0,5-1 от номинальной величины практически не отличаются;
невозможность произвести запуск тепловых двигателей с помощью синхронных генераторов при питании их от гребного электродвигателя, работающего в режиме гидрогенератора, ветрогенераторов, аккумуляторных батарей без обесточивания распределительных шин, а также невозможность произвести запуск тепловых двигателей при питании от других работающих синхронных генераторов, что приводит к необходимости воздушного запуска тепловых двигателей со всеми вытекающими отсюда недостатками: уменьшение долговечности тепловых двигателей и надежности из запуска, что приводит к снижению надежности всей ЭЭСУ;
для запуска ветрогенераторов (разгона ветроколеса) необходимо применять дополнительные пусковые устройства, что усложняет запуск и также уменьшает надежность установки.

Цель предлагаемого изобретения повышение надежности ЭЭСУ и долговечности тепловых двигателей.

Цель достигается тем, что известная ЭЭСУ судна снабжена датчиками частоты и фазы ветрогенераторов и многопозиционными переключателями, входы 1, 2, 3 и 4 которых соединены с датчиками частоты и фазы синхронных генераторов, ветрогенераторов и гребного синхронного электродвигателя, а выходы 5 и 6 с блоками управления циклоконверторов, при этом циклоконверторы выполнены на 18-ти тиристорах, а их блоки управления включают два фазосдвигающих устройства, причем ветрогенераторы подключены к входам и выходам циклоконверторов, а аккмуляторные батареи к одной из групп тиристоров циклоконверторов.

На фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема ЭЭСУ судна; на фиг. 2 силовая схема циклоконвертора; на фиг.3 схема многопозиционного переключателя.

В ЭЭСУ судна тепловые двигатели 1 и 2 соединены разъединительными муфтами 3 и 4 с синхронными генераторами 5 и 6, снабженными датчиками 7 и 8 частоты и фазы (ДЧиФ) и подключенными к распределительным шинам 9. Ветроколеса 10 и 11 механически соединены с ветрогенераторами 12 и 13, которые снабжены ДЧиФ 14 и 15 и подсоединены к входам (выходам) циклоконверторов 16 и 17. Входы (выходы) циклоконверторов 16 и 17 соединены также со статорными обмотками синхронных генераторов 5 и 6, распределительными шинами 9, аккумуляторными батареями 18 и 19 с автоматическими зарядными устройствами 20 и 21 и со статорными обмотками синхронного гребного электродвигателя (СГЭД) 22, 23, который снабжен ДЧиФ 24 и 25. Якорь СГЭД механически связан с гребным винтом 26. К входам многопозиционных переключателей (МП) 27 и 28 подключены ДЧиФ 7, 8, 14, 15, 24 и 25 соответственно ветрогенераторов 12 и 13, синхронных генераторов 5 и 6 и СГЭД 22, 23, а выходы МП 27 и 28 соединены с фазосдвигающими устройствами (ФСУ), входящими в состав блоков 29 и 30 управления циклоконверторов 16 и 17. Общесудовые электропотребители получают питание от распределительных шин 9.

ЭЭСУ работает следующим образом.

В основном режиме (при ходе судна под парусами) тепловые двигатели 1 и 2 не работают. Синхронные генераторы 5 и 6 отсоединяются от тепловых двигателей 1 и 2 разъединительными муфтами 3 и 4. Электроэнергия для питания общесудовых электропотребителей поступает от ветрогенераторов 12 и 13, аккумуляторных батарей 18 и 19 или СГЭД 22, 23, работающего в режиме гидрогенератора.

При питании общесудовых электропотребителей от ветрогенераторов 12 и 13 или запуске с их помощью тепловых двигателей 1 и 2 МП 27 и 28 устанавливаются в положение I или II. При этом в первом случае МП 27 и 28 соединяют ДЧиФ 14 и 15 ветрогенераторов 12 и 13 с первым ФСУ блоков 29 и 30 управления циклоконверторов 16 и 17, а ДЧиФ 7 и 8 синхронных генераторов 5 и 6 с вторым ФСУ блоков 29 и 30 управления. Во втором случае подключаемые к ФСУ ДЧиФ 7, 8 и 14, 15 меняются местами. Включаются соответственно автоматические выключатели (АВ) А4, А10, А9, А11 или А12, А5, А13, А8 (остальные АВ разомкнуты). Осуществляется плавный пуск синхронных генераторов 5 и 6, работающих в режиме вентильных двигателей (разъединительные муфты 3 и 4 находятся в разомкнутом состоянии). При достижении заданных величин напряжения и частоты включаются АВ А1, А2 и синхронные генераторы 5 и 6 подключаются к распределительным шинам 9. Напряжение и частота на шинах 9 поддерживаются постоянными (номинальными) при изменяющейся частоте вращения ветрогенераторов 12 и 13, как и в прототипе. Для запуска тепловых двигателей 1 и 2 их предварительно соединяют разъединительными муфтами 3 и 4 с синхронными генераторами 5 и 6, которые, работая в режиме вентильных двигателей, раскручивают тепловые двигатели 1 и 2 до пусковой частоты вращения. Направление протекания электрической энергии через циклоконверторы 16 и 17 зависит от величины управляющих напряжений, поступающих с поста управления (ПУ) в ФСУ блоков 29 и 30 управления.

В случае обеспечения электрической энергией общесудовых электропотребителей от аккумуляторных батарей 18 и 19 или запуска тепловых двигателей 1 и 2 с помощью их МП 27 и 28 устанавливаются в положение I или II и соединяют ДЧиФ 7 и 8 синхронных генераторов 5 и 6 с вторым или первым ФСУ блоков 28 и 30 управления (в работе участвует только одно ФСУ). При этом величиной управляющего напряжения, подаваемого с ПУ в работающее ФСУ, циклоконверторы 16 и 17 переводятся в режим ведомых инвеpторов (в работе участвуют тиристоры V3, V9, V15, V6, V12, V8 или V8, V10, V12, V13, V15, V17 циклоконвертора 16 (фиг. 2) или соответствующие тиристоры циклоконвертора 17. Включаются АВ А4, А14, А9, А15 или А5, А16, А8, А17. Запуск и подключение синхронных генераторов 5 и 6 к распределительным шинам 9 и запуск тепловых двигателей 1 и 2 производятся аналогично.

При питании общесудовых электропотребителей от СГЭД 22, 23, работающего в режиме гидрогенератора, или запуске тепловых двигателей 1 и 2 МП 27 и 28 устанавливаются в положение III, соединяя при этом ДЧиФ 7 и 8 синхронных генераторов 5 и 6 с первым ФСУ блоков 29 и 30 управления, а ДЧиФ 24 и 25 СГЭД 22, 23 с вторыми ФСУ. Величиной напряжения управления, поступающего с ПУ в ФСУ, устанавливается направление протекания электроэнергии от СГЭД 22, 23 к синхронным генераторам 5 и 6. Включаются АВ А5, А18, А19. Запуск и подключение синхронных генераторов 5 и 6 к распределительным шинам 9 и запуск тепловых двигателей 1 и 2 производятся аналогично.

При отсутствии ветра, при ходе судна в узкостях или порту СГЭД 22, 23 переводится из генераторного режима работы в двигательный. При этом тепловые двигатели 1 и 2 соединяются с помощью разъединительных муфт 3 и 4 с синхронными генераторами 5 и 6. МП 27 и 28 остаются в положении III. Величиной управляющего напряжения, поступающего с ПУ в ФСУ блоков 29 и 30 управления, циклоконверторы 16 и 17 изменяют направление преобразования электроэнергии, и СГЭД 22, 23 переходит в двигательный режим работы. При этом во включенном состоянии находятся АВ А1, А6, А18, А2, А7, А19 или А5, А18, А8, А19. Аналогично СГЭД 22, 23 переводится из двигательного режима работы в гидрогенераторный.

Для питания СГЭД 22, 23 может также использоваться и электроэнергия, вырабатываемая аккумуляторными батареями 18 и 19 и ветрогенератораторами 12 и 13. При этом в первом случае МП 27 и 28 устанавливаются в положение III и соединяют ДЧиФ 24 и 25 СГЭД 22, 23 с вторыми ФСУ блоков 29 и 30 управления. Включаются АВ А14, А18, А15, А19. Циклоконверторы 16 и 17 аналогично переводятся в режим ведомых инверторов. Во втором случае МП 27 и 28 переводятся в положение IV и соединяют ДЧиФ 14 и 15 ветрогенераторов 12 и 13 с первыми ФСУ блоков 29 и 30 управления, а ДЧиФ 24 и 25 СГЭД 22, 23 с вторыми ФСУ. Включаются АВ А10, А18, А11, А19.

Для запуска теплового двигателя 1 (2) с помощью соединенного с ним посредством разъединительной муфты 3 (4) синхронного генератора 5 (6) с использованием электроэнергии, вырабатываемой вторым (работающим) синхронным генератором 6 (5), МП 27 (28) устанавливается в положение V и соединяет ДЧиФ 7(8) запускаемого синхронного генератора 5 (6) с вторым ФСУ блока 29 (30) управления циклоконвертора 16 (17), а ДЧиФ 8 (7) работающего синхронного генератора 6 (5) с первым ФСУ блока 29 (30) управления. Напряжениями управления, подаваемыми с ПУ в ФСУ блока 29 (30) управления, задается соответствующее направление преобразования электроэнергии. Включаются АВ А2, А3, А6, А4 (А3, А7, А9) и производится запуск теплового двигателя 1 (2) аналогично вышесказанному.

Для запуска ветрогенераторов 12 и 13 может использоваться электроэнергия, вырабатываемая синхронными генераторами 5 и 6 (разъединительные муфты 3 и 4 соединены), аккумуляторными батареями 18 и 19 или СГЭД 22, 23, работающего в режиме гидрогенератора. При этом МП 27, 28 устанавливаются в положение I, II или IV и включаются соответствующие набираемой электрической схеме соединения АВ. Ветрогенераторы 12 и 13 переводятся в режим работы вентильных двигателей и раскручивают ветроколеса 10 и 11 до рабочей частоты вращения.

Для зарядки аккумуляторных батарей 18 и 19 используется электроэнергия, вырабатываемая синхронными генераторами 5 и 6 (разъединительные муфты 3 и 4 соединены), ветрогенераторами 12 и 13 или СГЭД 22, 23, работающим в режиме гидрогенератора. При этом МП 27, 28 устанавливаются в положение I, II, III, IV или V, соединяя одно из ФСУ блоков 29 и 30 управления с ДЧиФ 7, 8, 14, 15 или 24, 25 (другое ФСУ в работе не участвует). Величиной напряжения управления, подаваемого с ПУ в работающее ФСУ блоков 29 и 30 управления, циклоконверторы 16 и 17 переводятся в режим управляемых выпрямителей (в работе участвуют те же тиристоры, что и при работе циклоконверторов 16 и 17 в режиме ведомых инверторов). Включаются АВ, соответствующие выбранной схеме соединения, и с помощью автоматических зарядных устройств 20 и 21 производится зарядка аккумуляторных батарей 18 и 19.

Использование: в судостроении. Сущность изобретения: электроэнергетическая силовая установка судна содержит тепловые двигатели 1 и 2, соединенные разъединительными муфтами 3 и 4 с синхронными генераторами, снабженными датчиками 7 и 8 частоты и фазы и подключенными к распределительным шинам 9. Ветроколеса 10 и 11 механически соединены с ветрогенераторами 12 и 13, которые снабжены датчиками 14 и 15 частоты и фазы и подсоединены к входам (выходам) циклоконверторов 16 и 17. Входы (выходы) циклоконверторов 16 и 17 соединены также со статорными обмотками синхронных генераторов 5 и 6, распределительными шинами 9, аккумуляторными батареями 18 и 19 и статорными обмотками синхронного гребного электродвигателя 22, 23, который снабжен датчиками 24 и 25 частоты и фаз. К входам многопозиционных переключателей 27 и 28 подключены датчики 7, 8, 14, 15, 24 и 25 частоты и фазы, а выходы многопозиционных переключателей 27 и 28 соединены с фазосдвигающими устройствами, входящими в состав блоков 29 и 30 управления циклоконверторов 16 и 17. 3 ил.

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА СУДНА, содержащая тепловые двигатели, соединенные разъединительными муфтами с синхронными генераторами, снабженными датчиками частоты и фазы и связанными статорными обмотками с циклоконверторами, снабженными блоками управления, распределительные шины, двухъякорный гребной синхронный электродвигатель, снабженный датчиками частоты и фазы, ветрогенераторы, аккумуляторные батареи с автоматическими зарядными устройствами, судовые электропотребители, электрические цепи с коммутационной аппаратурой, отличающаяся тем, что она снабжена датчиками частоты и фазы ветрогенераторов и многопозиционными переключателями, первые-четвертые входы которых соединены с датчиками частоты и фазы синхронных генераторов, ветрогенераторов и гребного синхронного электродвигателя, а пятые и шестые выходы с блоками управления циклоконверторов, при этом циклоконверторы выполнены на восемнадцати тиристорах, а их блоки управления включают в себя два фазосдвигающих устройства, причем ветрогенераторы подключены к входам и выходам циклоконверторов, а аккумуляторные батареи к одной из групп тиристоров циклоконверторов.