СУДОВАЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ ПОВЫШЕННОЙ ЧАСТОТЫ С СИСТЕМОЙ ЭЛЕКТРОДВИЖЕНИЯ И МАТРИЧНЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ ЧАСТОТЫ Российский патент 2014 года по МПК H02J3/34 B60L3/00 

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]:

$$D^2{l}_{si}=\frac{2\sqrt{2}P}{{\pi }^{2}m{\phi }_{Fe}f{B}_{S}A},\left(1\right)$$

где D - эквивалентный диаметр сердечника трансформатора;

l_si - высота обмотки (стержня сердечника);

P - внутренняя мощность трансформатора;

f - частота питающего напряжения в электросети;

m - число фаз;

B_s - индукция в сердечнике;

А - линейная токовая нагрузка;

φ_Fe - коэффициент заполнения сечения сердечника.

Из формулы (1) можно получить соотношение (2), определяющее величину уменьшения объема активной стали V_Fe 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]: B_s2=0,86·В_s1; A₂=0,8·A₁; φ_Fe2=1,12·φ_Fe1; m₂=m₁.

$$V_{\raisebox{1ex}{${}_{Fe1}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$V_{Fe2}$}\right.}\approx \mathrm{3,1,}\left(2\right)$$

где V_Fe1=m₁(D²l_si)₁ - объем активной стали при частоте питания f₁=50 Гц;

V_Fe2=m₂(D²l_si)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 V_акт их активных материалов:

$$V_{акт}=D^2{l}_i=\frac{\sqrt{2}P}{{\pi }^2{k}_{\omega }n{B}_{\delta }A},\left(3\right)$$

где D - диаметр якоря;

l_i - расчетная длина пакета якоря;

P - внутренняя мощность генератора;

n=2πf/p - частота вращения генератора;

f - частота генерируемой электроэнергии;

p - число пар полюсов;

B_δ - индукция основной гармоники в воздушном зазоре;

А - линейная токовая нагрузка;

k_ω - коэффициент обмотки.

На основе формулы (3) можно получить соотношение (4), показывающее величину уменьшения объема активных материалов V_акт 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 Р₁=Р₂ и его исходных параметрах, определяемых в соответствии с [5]: B_δ2=1,12 B_δ1; А₂=1,1А₁; k_ω2=0,95k_ω1; p₁=1; p₂=2; n₂=628 рад^-1(6000 об/мин); n₁=314 paд^-1(3000 об/мин).

$$V_{\raisebox{1ex}{${}_{акт.1}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$V_{акт.2}$}\right.}\approx \mathrm{2,3,}\left(4\right)$$

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

V_акт.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.

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. 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.