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 экологически 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 с помощью разъединительных муфт с синхронными генераторами, которые снабжены датчиками частоты и фазы и связаны статорными обмотками с полупроводниковыми преобразователями, снабженными блоками управления, ветрогенераторы, распределительные шины, аккумуляторные батареи с автоматическими зарядными устройствами, двухъякорной гребной синхронный электродвигатель с датчиком частоты и фазы, судовые электропотребители, электрические цепи с коммутационной аппаратурой [2]
Данная ЭЭСУ обеспечивает движение судна при отсутствии ветра, при ходе в узкостях и портах, неисправных парусах или системе управления парусами, а также 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:
пониженная надежность установки из-за невозможности функционально взаимозаменять управляемые выпрямители и ведомые инверторы, входящие в состав полупроводниковых преобразователей, которые вследствие этого могут преобразовывать электроэнергию только в одном направлении, что приводит к необходимости произведения переключений коммутационных аппаратов в цепи питания статора гребного синхронного электродвигателя при изменении им режимов работы (двигательный или гидрогенераторный), усложняя этим процесс изменения режима работы всей ЭЭСУ судна;
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 их запуска, что приводит к снижению надежности всей ЭЭСУ;
для запуска ветрогенераторов (разгон ветроколеса) необходимо применять дополнительные пусковые устройства, что усложняет процесс запуска и уменьшает надежность всей 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 полупроводниковых преобразователей, при этом полупроводниковые преобразователи включают соединенные последовательно управляемые выпрямители или ведомые инверторы.

На фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема ЭЭСУ судна; на фиг.2 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) управляемых выпрямителей (ведомых инверторов) УВ (ВИ) 16-19, между которыми включены аккумуляторные батареи (АБ) 20 и 21 с автоматическими зарядными устройствами 22 и 23. Входы (выходы) управляемых выпрямителей (ведомых инверторов) 16-19 соединены также со статорными обмотками синхронных генераторов 5 и 6, распределительными шинами 9 и статорными обмотками синхронного гребного электродвигателя (СГЭД) 24, 25, который снабжен ДЧиФ 26 и 27. Якорь СГЭД 24, 25 механически связан с гребным винтом 28. К входам многопозиционных переключателей (МП) 29 и 30 подключены ДЧиФ 7, 8, 14, 15, 26 и 27 соответственно синхронных генераторов 5 и 6, ветрогенераторов 12 и 13 СГЭД 24, 25, а выходы МП 29 и 30 соединены с блоками 31-34 управления УВ (ВИ) 16-19. Общесудовые электропотребители получают питание от распределительных шин 9.

ЭЭСУ работает следующим образом.

В основном режиме работы (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, АБ 20 и 21 или СГЭД 24, 25, работающего в режиме гидрогенератора.

При питании общесудовых электропотребителей от ветрогенераторов 12 и 13 или запуске с их помощью тепловых двигателей 1 и 2 МП 29 и 30 устанавливаются в положение I или II. При этом в первом случае МП 29 и 30 соединяют ДЧиФ 14 и 15 ветрогенераторов 12 и 13 с блоками 31 и 32 управления УВ (ВИ) 16 и 17, а ДЧиФ 7 и 8 синхронных генераторов 5 и 6 c блоками 33 и 34 управления УВ (ВИ) 18 и 19. Во втором случае подключаемые к блокам 31-34 управления ДЧиФ 7, 8 и 14, 15 меняются местами. Включаются соответственно автоматические выключатели (АВ) А4, А10, А9, А11 или А5, А12, А8, А13 (остальные АВ разомкнуты). Величиной напряжения сигнала управления, подаваемого с поста управления (ПУ) в блоки 31-34 управления, УВ (ВИ) 18, 19 в первом случае и УВ (ВИ) 16, 17 во втором случае переводятся в режим работы ведомых инверторов. Осуществляется плавный пуск синхронных генераторов 5 и 6, работающих в режиме вентильных двигателей. 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 которых 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.

В случае обеспечения электрической энергией общесудовых электропотребителей от АБ 20 и 21 или запуска тепловых двигателей 1 и 2 с их помощью МП 29 и 30 устанавливаются в положение I или II и соединяют ДЧиФ 7 и 8 синхронных генераторов 5 и 6 с блоками 31 и 32 управления УВ (ВИ) 16, 17. Величиной управляющего напряжения, поступающего с ПУ в блоки 31-34 управления, участвующие в работе УВ (ВИ) 16, 17 или 18, 19 переводятся в режим работы ведомых инверторов. Включаются АВ А4, А14, А18, А15 или А5, А14, А8, А15. Запуск синхронных генераторов 5 и 6, подключение их к распределительным шинам 9, а также запуск тепловых двигателей 1 и 2 производятся аналогично.

При питании общесудовых электропотребителей от СГЭД 24, 25, работающего в режиме гидрогенератора, или запуске тепловых двигателей 1 и 2 с его помощью МП 29 и 30 устанаваются в положение III, соединяя при этом ДЧиФ 7 и 8 синхронных генераторов 5 и 6 с блоками 31 и 32 управления УВ (ВИ) 16 и 17, а ДЧиФ 26 и 27 СГЭД 24, 25 с блоками 33 и 34 управления УВ (ВИ) 18 и 19, при этом УВ (ВИ) 16 и 17 величиной управляющего напряжения, поступающего с ПУ в блоки 31 и 32 управления, переводятся в инверторный режим работы, а УВ (ВИ) 18 и 19 в режим управляемых выпрямителей, включаются АВ 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 отсутствии ветра, ходе судна в узкостях или порту СГЭД 24, 25 переводится из генераторного режима работы в двигательный. При этом тепловые двигатели 1 и 2 соединяются разъединительными муфтами 3 и 4 с синхронными генераторами 5 и 6, МП 29 и 30 остаются в положении III. Величиной управляющего напряжения, поступающего с ПУ в блоки 31-34 управления, УВ (ВИ) 16 и 17 переводятся в выпрямительный режим работы, а УВ (ВИ) 18 и 19 в режим работы ведомых инверторов. Во включенном состоянии находятся АВ А5, А16, А8, А17 или А1, А6, А16, А2, А7, А17. Аналогично СГЭД 24, 25 переводится из двигательного режима работы в гидрогенераторный.

СГЭД 24, 25, работая в двигательном режиме, может также получать питание от ветрогенераторов 12 и 13 или АБ 20 и 21. При этом МП 29 и 30 в первом случае устанавливаются в положение IV, соединяя ДЧиФ 14 и 15 ветрогенераторов 12 и 13 с блоками 31 и 32 управления УВ (ВИ) 16 и 17, а ДЧиФ 26 и 27 СГЭД 24, 25 с блоками 33 и 34 управления УВ (ВИ) 18 и 19. Включаются АВ А10, А16, А11, А17. Во втором случае МП остается в положении IV или устанавливается в положение 1, соединяя ДЧиФ 26 и 27 СГЭД 24, 25 с блоками 33 и 34 управления УВ (ВИ) 18 и 19. Включаются АВ А14, А16, А15, А17. При этом в обоих случаях УВ (ВИ) 18 и 19 переводятся в режим ведомых инверторов, а УВ (ВИ) 16 и 17 в первом случае в выпрямительный режим, а во втором случае в работе не участвуют.

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 29 (30) устанавливается в положение V, соединяя ДЧиФ 7 (8) запускаемого синхронного генератора 5 (6) с блоком 33 (34) управления УВ (ВИ) 18 (19), а ДЧиФ 8 (7) работающего синхронного генератора 6 (5) с блоком 31 (32) управления УВ (ВИ) 16 (17). Включаются АВ А2, А3, А6, А4 или А1, А3, А7, А9, и аналогично вышесказанному производится запуск тепловых двигателей 1 (2), при этом УВ (ВИ) 18 (19) переводится в режим ведомого инвертора, а УВ (ВИ) 16 (17) в режим управления выпрямителей.

Для запуска ветрогенераторов 12 и 13 может использоваться электроэнергия, вырабатываемая синхронными генераторами 5 и 6, АБ 20 и 21 или СГЭД 24, 25, работающего в режиме гидрогенератора. МП 29 и 30 при этом устанавливается в положение I, II или IV. Включаются АВ, соответствующие набираемой электрической схеме соединений, и один из УВ (ВИ) 16, 17 или 18, 19 переводится в инверторный режим работы. Ветрогенераторы 12 и 13, работая в режиме вентильных двигателей, раскручивают ветроколеса 10 и 11 до рабочих частот вращения.

Для зарядки АБ 20 и 21 используется электроэнергия, вырабатываемая синхронными генераторами 5 и 6, ветрогенераторами 12 и 13 или СГЭД 24, 25, работающим в гидрогенераторном режиме. При этом МП устанавливается в положения I, II, III, IV. Один из УВ (ВИ) 16, 17 или 18, 19, входящий в состав полупроводникового преобразователя, переводится в режим управляемого выпрямителя, а другой в работе не участвует. Включаются АВ, соответствующие выбранной схеме соединения, и с помощью автоматических зарядных устройств 22 и 23 производится зарядка АБ 20 и 21.

Использование: в судостроении. Сущность изобретения: электроэнергетическая силовая установка судна содержит тепловые двигатели 1 и 2, соединенные разъединительными муфтами 3 и 4 с синхронными генераторами 5 и 6, снабженными датчиками 7 и 8 частоты и фазы и подключенными к распределительным шинам 9. Ветрогенераторы 12 и 13 снабжены датчиками 14 и 15 частоты и фазы и подсоединены к входам (выходам) управляемых выпрямителей (ведомых инверторов) 16 - 19, между которыми включены аккумуляторные батареи 20 и 21 с автоматическими зарядными устройствами 22 и 23. Входы (выходы) управляемых выпрямителей (ведомых инверторов) 16 - 19 соединены также со статорными обмотками синхронных генераторов 5 и 6, распределительными шинами 9 и статорными обмотками синхронного гребного электродвигателя 24 и 25, который снабжен датчиками 26 и 27 частоты и фазы. К входам многопозиционных переключателей 29 и 30 подключены датчики 7, 8, 14, 15, 26 и 27 частоты и фазы соответственно синхронных генераторов 5 и 6, ветрогенераторов 12 и 13 и гребного электродвигателя 24, 25, а выходы многопозиционных переключателей 29 и 30 соединены с блоками 31 и 34 управления управляемых выпрямителей (ведомых инверторов) 16 - 19. 2 ил.

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА СУДНА, содержащая тепловые двигатели, соединенные разъединительными муфтами с синхронными генераторами, снабженными датчиками частоты и фазы и связанными статорными обмотками с полупроводниковыми преобразователями, 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 полупроводниковых преобразователей, при этом полупроводниковые преобразователи включают в себя соединенные последовательно управляемые выпрямители или ведомые инверторы.