СИСТЕМА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МОЩНОСТИ Российский патент 2015 года по МПК B60K1/00 H02J3/01 H02P25/22 H02P9/08 

Область техники

Настоящее изобретение, в общем, имеет отношение к системам распределения мощности, а в частности, к системам распределения мощности, которые могут быть использованы на борту морских судов для подачи электропитания на один или несколько гребных электродвигателей, а также дополнительно на системы электроснабжения судна.

Предпосылки к созданию изобретения

Пример традиционной морской системы тяги (приведения в движение) и распределения мощности показан на фиг.1. Группы дизельных двигателей D используют для привода индивидуальных ас генераторов (генераторов переменного тока) G. Эти генераторы подают ас мощность (мощность переменного тока) на первую распределительную доску или шину MVAC1 среднего напряжения и на вторую распределительную доску или шину MVAC2 среднего напряжения. Шины среднего напряжения снабжены защитной коммутационной аппаратурой, которая содержит автоматические выключатели и объединенные с ними органы управления, показанные на фиг.1 символом х. Силовые преобразователи PC используют для согласования шин среднего напряжения с электрическими гребными электродвигателями РМ, которые приводят в действие гребные винты. Шины среднего напряжения связаны друг с другом при помощи защитной коммутационной аппаратуры.

В большинстве систем электроснабжения судна требуется низкое напряжение, которое удобно получать от указанных шин среднего напряжения с использованием трансформатора. В традиционной морской системе тяги и распределения мощности, показанной на фиг.1, первая распределительная доска или шина LVAC1 низкого напряжения подключена к первой шине MVAC1 среднего напряжения через первый трансформатор Т1 и защитную коммутационную аппаратуру. Вторая распределительная доска или шина LVAC2 низкого напряжения подключена ко второй шине MVAC2 среднего напряжения через второй трансформатор Т2 и защитную коммутационную аппаратуру. Шины низкого напряжения связаны между собой при помощи защитной коммутационной аппаратуры. Группы различных электрических нагрузок (названных нагрузками LVAC) могут быть подключены к шинам низкого напряжения.

Несмотря на то, что удобно подключать шины низкого напряжения к шинам среднего напряжения, такое подключение обычно ведет к проблемной связи гармонических искажений. Другими словами, гармонические искажения на шинах среднего напряжения, вызванные, например, работой гребных электродвигателей, будут передаваться через трансформаторы Т1 и Т2 на шины низкого напряжения. Если электрические нагрузки, подключенные к шинам низкого напряжения, требуют низких гармонических искажений (то есть высокого качества электропитания (QPS)), то могут возникать проблемы, связанные с обеспечением их нормальной работы. Кроме того, некоторые нагрузки, подключенные к шинам низкого напряжения, сами могут создавать гармонические искажения на шинах низкого напряжения. Эти гармонические искажения будут передаваться через трансформаторы Т1 и Т2 на шины среднего напряжения.

Для подавления таких гармонических искажений обычно используют большие и дорогие фильтры F, подключенные к шинам среднего напряжения.

Другой возможностью подавления гармонических искажений является использование фазосдвигающих трансформаторов вместо трансформаторов Т1 и Т2.

В других традиционных морских системах тяги и распределения мощности, в которых используют ас источник низкого напряжения, и схема построения которых соответствует схеме, показанной на фиг.1, используют первую и вторую шины MVAC1 и MVAC2 среднего напряжения, которые просто работают при низком напряжении. При этом может возникать случай, когда номинальная мощность гребных электродвигателей РМ недостаточна для гарантированного использования ас источника питания среднего напряжения. Обычно на гребные электродвигатели РМ подают другой уровень низкого напряжения, чем на нагрузки LVAC. Например, тяговые нагрузки могут иметь питающее напряжение 690 V (вольт), в то время как нагрузки электроснабжения судна могут иметь питающее напряжение 440 V.

В таких системах низкого напряжения обычно используют крупные вспомогательные электрические нагрузки, такие как, например, поворотные движители, насосы и подъемные краны, на которые подают такое же напряжение питания, что и на гребные электродвигатели. Таким образом, несмотря на то, что на фиг.1 показаны только тяговые нагрузки (силовые установки), подключенные к первой и второй шинам MVAC1 и MVAC2 среднего напряжения, следует иметь в виду, что к этим шинам могут быть подключены и другие электрические нагрузки.

Более того, в некоторых случаях используют тяговые (силовые) преобразователи PC для подключения гребных электродвигателей РМ к первой и второй шинам MVAC1 и MVAC2 среднего напряжения, которые, вместе с другими крупными вспомогательными электрическими нагрузками, могут потребовать введения дополнительных технических решений, связанных с увеличением веса и стоимости, чтобы минимизировать гармонические искажения в этих шинах. Использование таких дополнительных технических решений позволяет исключить фильтры F. Вне зависимости от того, какой подход используют для минимизации гармонических искажений, всегда требуется идти на существенное увеличение веса и стоимости, чтобы поддерживать QPS на первой и второй шинах MVAC1 и MVAC2 среднего напряжения, обеспечивающее аналогичное удовлетворительное поддержание QPS на шинах LVAC1 и LVAC2 низкого напряжения.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является устранение указанной выше проблемной связи гармонических искажений и создание системы распределения мощности, которая содержит: первую шину распределения; вторую шину распределения; мультиимпульсный выпрямитель, имеющий выводы, электрически подключенные к первой шине распределения; и генератор с множеством выходов, который имеет первую и вторую гальванически изолированные обмотки статора, причем первая обмотка статора создает первый многофазный $$\underset{\_}{ac}$$ выход с n фазами и подключена к первой шине распределения (при необходимости при помощи мультиимпульсного выпрямителя, в том случае, когда первая шина распределения несет $$\underset{\_}{dc}$$ напряжение распределения (напряжение распределения постоянного тока)), для подачи первого напряжения распределения на первую шину распределения, а вторая обмотка статора создает второй многофазный $$\underset{\_}{ac}$$ выход с m фазами и подключена ко второй шине распределения, для подачи второго напряжения распределения на вторую шину распределения; причем n фаз первого $$\underset{\_}{ac}$$ выхода имеют фазовый сдвиг относительно m фаз второго ас выхода.

Фазовый сдвиг первого ас выхода относительно второго $$\underset{\_}{ac}$$ выхода приводит к снижению гармонических искажений, причина которого будет объяснена далее более подробно. На практике, второй $$\underset{\_}{ac}$$ выход работает как эталонный выход и фазы первого $$\underset{\_}{ac}$$ выхода имеют фазовый сдвиг относительно него.

Первая обмотка статора преимущественно разделена на две или больше добавочных обмоток статора, причем каждая обмотка статора создает часть n фаз первого ас выхода.

Добавочные обмотки статора преимущественно гальванически изолированы друг от друга и от второй обмотки статора.

Как первая, так и вторая обмотка статора содержат множество соединенных вместе витков и образуют многофазные обмотки статора. Группы общего тока для генератора с множеством выходов будут работать при различных напряжениях и фазовых зависимостях гармонических искажений. Группы общего тока также могут работать при различных коэффициентах мощности.

N фаз первого $$\underset{\_}{ac}$$ выхода преимущественно имеют главным образом симметричный фазовый сдвиг относительно m фаз второго $$\underset{\_}{ac}$$ выхода. Типично, первая часть n фаз первого $$\underset{\_}{ac}$$ выхода имеет фазовый сдвиг на заданный положительный угол относительно m фаз второго ас выхода, а вторая часть n фаз первого выхода имеет фазовый сдвиг на заданный отрицательный угол относительно m фаз второго ас выхода. Заданный положительный угол и заданный отрицательный угол преимущественно имеют главным образом одинаковую величину.

В первой возможной схеме построения, первый $$\underset{\_}{ac}$$ выход представляет собой шестифазный $$\underset{\_}{ac}$$ выход, а второй $$\underset{\_}{ac}$$ выход представляет собой трехфазный $$\underset{\_}{ac}$$ выход. Три фазы первого $$\underset{\_}{ac}$$ выхода имеют фазовый сдвиг на заданный положительный угол относительно второго $$\underset{\_}{ac}$$ выхода и три другие фазы первого $$\underset{\_}{ac}$$ выхода имеют фазовый сдвиг на заданный отрицательный угол относительно второго $$\underset{\_}{ac}$$ выхода. Заданный положительный угол составляет около +15 градусов, а заданный отрицательный угол составляет около -15 градусов. Мультиимпульсный выпрямитель представляет собой 12-импульсный выпрямитель.

Во второй возможной схеме построения, первый $$\underset{\_}{ac}$$ выход представляет собой двенадцатифазный $$\underset{\_}{ac}$$ выход, а второй $$\underset{\_}{ac}$$ выход представляет собой трехфазный $$\underset{\_}{ac}$$ выход. Три фазы первого $$\underset{\_}{ac}$$ выхода имеют фазовый сдвиг на первый заданный положительный угол относительно второго $$\underset{\_}{ac}$$ выхода, три другие фазы первого $$\underset{\_}{ac}$$ выхода имеют фазовый сдвиг на второй заданный положительный угол относительно второго $$\underset{\_}{ac}$$ выхода, три другие фазы первого $$\underset{\_}{ac}$$ выхода имеют фазовый сдвиг на первый заданный отрицательный угол относительно второго $$\underset{\_}{ac}$$ выхода, и три другие фазы первого $$\underset{\_}{ac}$$ выхода имеют фазовый сдвиг на второй заданный отрицательный угол относительно второго $$\underset{\_}{ac}$$ выхода. Первый заданный положительный угол составляет около +22.5 градусов, второй заданный положительный угол составляет около +7.5 градусов, первый заданный отрицательный угол составляет около -7.5 градусов, и второй заданный отрицательный угол составляет около -22.5 градусов. Мультиимпульсный выпрямитель представляет собой 24-импульсный выпрямитель.

Конденсаторная батарея может быть подключена ко второму $$\underset{\_}{ac}$$ выходу, чтобы обеспечивать дополнительное снижение гармонических искажений и влиять на возбуждение генератора с множеством выходов. В первой возможной схеме построения, токи гармонических составляющих порядка больше 7 не снижаются за счет фазового подавления внутри генератора и гармоники порядка ниже 8 могут иметь не идеальное фазовое подавление. Во второй возможной схеме построения, токи гармонических составляющих порядка больше 13 не снижаются за счет фазового подавления внутри генератора и гармоники порядка ниже 14 могут иметь не идеальное фазовое подавление. Таким образом, второй ас выход генератора будет иметь гармонические искажения напряжения. Действие конденсаторной батареи, совместно с реактивным и активным сопротивлениями электрической машины, можно сравнить с действием LC фильтра второго порядка, однако практическая природа электрической машины такова, что фильтрация отклоняется от идеальной характеристики. Тем не менее, действие конденсаторной батареи обеспечивает полезную фильтрацию гармоник. За счет удаления основной гармоники тока в опережающем коэффициенте мощности, конденсаторная батарея также обеспечивает возбуждение генератора. Основной MVAR номинал конденсаторной батареи не должен быть избыточным в перспективе обычной устойчивости, причем конденсаторная батарея должна содержать средства ограничения бросков пускового тока.

Первая шина распределения (MVAC1) может нести $$\underset{\_}{ac}$$ напряжение распределения, которое создано при помощи первой обмотки статора генератора с множеством выходов.

Вторая шина распределения (LVAC1) также может нести $$\underset{\_}{ac}$$ напряжение распределения, которое создано при помощи второй обмотки статора генератора с множеством выходов.

Первая $$\underset{\_}{ac}$$ шина распределения будет нормально работать как шина среднего напряжения (MV) или шина низкого напряжения (LV), а вторая $$\underset{\_}{ac}$$ шина распределения будет нормально работать как шина низкого напряжения. Таким образом, в том случае, когда система распределения мощности представляет собой морскую систему тяги и распределения мощности, $$\underset{\_}{ac}$$ мощность, генерируемая при помощи генератора с множеством выходов, может быть распределена при среднем или низком напряжении (например, 6.6 kV или 690 V) на одну или несколько систем приведения в движение через первую ас шину распределения, и при низком напряжении (например, 440 V) на системы энергоснабжения судна через вторую ас шину распределения.

Мультиимпульсный выпрямитель может быть электрически подключен между первой шиной распределения и гребным электродвигателем. Другими словами, многофазный выпрямитель может являться частью силового преобразователя, который также содержит $$\underset{\_}{dc}$$ звено и инвертор, который электрически подключен к ас выводам ас гребного электродвигателя. Если используют $$\underset{\_}{dc}$$ гребной электродвигатель, то тогда его $$\underset{\_}{dc}$$ выводы в некоторых случаях могут быть непосредственно соединены с $$\underset{\_}{dc}$$ выводами мультиимпульсного выпрямителя, а в других случаях могут быть подключены к $$\underset{\_}{dc}$$ выводам мультиимпульсного выпрямителя за счет введения преобразователя постоянного тока.

Первая шина распределения может нести $$\underset{\_}{dc}$$ напряжение распределения. В такой схеме построения, мультиимпульсный выпрямитель электрически подключен между первой обмоткой статора генератора с множеством выходов и первой шиной распределения, чтоб выпрямлять первый $$\underset{\_}{ac}$$ выход (первое $$\underset{\_}{ac}$$ выходное напряжение). Другими словами, напряжение распределения, которое имеется на первой шине распределения, получают непосредственно от первого $$\underset{\_}{ac}$$ выхода генератора за счет действия выпрямления мультиимпульсного выпрямителя.

Система распределения мощности может иметь дополнительные шины распределения. Шины распределения, которые имеют такое же напряжение распределения, могут быть взаимосвязаны при помощи защитной коммутационной аппаратуры. Все компоненты (например, генераторы с множеством выходов, силовые преобразователи и нагрузки низкого напряжения) могут быть подключены к шинам распределения при помощи защитной коммутационной аппаратуры, которая содержит автоматические выключатели и объединенные с ними органы управления.

Каждая шина распределения может получать мощность от дополнительных генераторов с множеством выходов. Например, в одной возможной схеме построения, система распределения мощности может иметь два или несколько генераторов с множеством выходов, первые $$\underset{\_}{ac}$$ выходы которых связаны с первой шиной распределения (возможно, после выпрямления при помощи мультиимпульсного выпрямителя, в том случае, когда первая шина распределения несет $$\underset{\_}{dc}$$ напряжение распределения), а вторые $$\underset{\_}{ac}$$ выходы которых связаны со второй шиной распределения. Любая практическая система распределения мощности может работать с различным числом "островков" распределения мощности, но при совместном использовании параллельно подключенных генераторов с множеством выходов и при тщательном контроле переходов между рабочими режимами. Все указанные островки могут быть включены параллельно, чтобы получить единую островную конструкцию (например, для вращения единственного гребного электродвигателя), или могут быть разделены для обеспечения резервирования и постепенного снижения функциональных возможностей в случае отказов оборудования. Каждым генератором с множеством выходов преимущественно управляют при помощи автоматического регулятора напряжения (AVR) в соответствии с подходящим аналоговым или цифровым процессом или алгоритмом управления.

Гребной электродвигатель может быть подключен к мультиимпульсному выпрямителю с использованием соответствующего промежуточного силового преобразователя, причем это может быть электродвигатель любого подходящего типа (индукционный, синхронный и т.д.). Однако следует иметь в виду, что при необходимости и другие электрические нагрузки могут быть подключены к мультиимпульсному выпрямителю.

Может быть использован обычный мультиимпульсный выпрямитель промышленного или морского типа. Точный тип использованного мультиимпульсного выпрямителя будет влиять на рабочие характеристики и функциональные возможности системы распределения мощности, особенно в случае отказов оборудования. Мультиимпульсный выпрямитель может иметь стандартную последовательную или параллельную конфигурацию и в нем могут быть использованы, например, диоды или тиристоры. Если используют тиристоры, то они обычно должны работать с минимальным углом задержки включения, однако они также могут иметь фазовое управление для обеспечения защитных или других регулирующих функций. Какой бы ни была конфигурация и использованные в ней полупроводниковые силовые приборы, в том случае, когда первая шина распределения несет $$\underset{\_}{ac}$$ напряжение распределения, важно, чтобы система управления мультиимпульсным выпрямителем, устройство переключения выпрямителя и $$\underset{\_}{dc}$$ звено фильтрации не нарушали фазовый баланс во всех $$\underset{\_}{ac}$$ магистралях первой шины распределения. Например, если используют стандартную последовательную конфигурацию, то тогда $$\underset{\_}{dc}$$ напряжение смещения имеется между индивидуальными фазовыми группами первой обмотки статора.

Мультиимпульсный выпрямитель может быть использован в комбинации с любыми обычными типами инверторов источника напряжения, такими как, например, основанный на IGBT инвертор с двумя уровнями ШИМ или инвертор с тремя уровнями ШИМ. При условии сохранения фазового баланса в $$\underset{\_}{ac}$$ магистралях первой шины распределения, мультиимпульсный выпрямитель также может быть использован в комбинации с другими хорошо известными инверторами источника тока $$\underset{\_}{dc}$$ звена преобразователей частоты. Инвертор может быть частью силового преобразователя, который содержит мультиимпульсный выпрямитель, или может быть расположен между первой шиной распределения и гребным электродвигателем, например, в том случае, когда первая шина распределения несет $$\underset{\_}{dc}$$ напряжение распределения.

Два или несколько мультиимпульсных выпрямителей при необходимости могут быть подключены к первой шине распределения.

Другие многофазные приводы с регулируемой скоростью, приводы с постоянной скоростью и электрические нагрузки не приводного типа могут быть подключены к первой шине распределения. В том случае, когда первая шина распределения несет $$\underset{\_}{ac}$$ напряжение распределения, важно, чтобы мультиимпульсные выпрямители не нарушали фазовый баланс в $$\underset{\_}{ac}$$ магистралях первой шины распределения.

Не связанные с использованием преобразователя многофазные электрические нагрузки также могут быть подключены к первой шине распределения. В том случае, когда первая шина распределения несет $$\underset{\_}{ac}$$ напряжение распределения, важно, чтобы многофазные нагрузки не нарушали фазовый баланс в $$\underset{\_}{ac}$$ магистралях первой шины распределения. Кроме того, когда последовательно включенные мультиимпульсные выпрямители отбирают мощность от первой шины распределения, важно, чтобы такие не связанные с использованием преобразователя многофазные нагрузки не нарушали $$\underset{\_}{dc}$$ напряжение смещения, которое имеется между индивидуальными фазовыми группами первой обмотки статора.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показана принципиальная схема традиционной морской системы тяги и распределения мощности.

На фиг.2 показана принципиальная схема морской системы тяги и распределения мощности в соответствии с первым вариантом настоящего изобретения.

На фиг.3 показана детально принципиальная схема генератора с двумя выходами (DOG), имеющего шестифазный $$\underset{\_}{ac}$$ выход и трехфазный $$\underset{\_}{ac}$$ выход.

На фиг.4 показана схема фазового подавления гармоник.

На фиг.5 показана детально принципиальная схема DOG, имеющего двенадцатифазный $$\underset{\_}{ac}$$ выход и трехфазный $$\underset{\_}{ac}$$ выход.

На фиг.6 показана принципиальная схема морской системы тяги и распределения мощности в соответствии со вторым вариантом настоящего изобретения, которая имеет $$\underset{\_}{dc}$$ архитектуру распределения.

Несмотря на то, что последующее описание проведено со ссылкой на системы распределения мощности для морских применений, и в частности со ссылкой на системы тяги и распределения мощности, которые являются особенно предпочтительными для торговых судов, военно-морских кораблей и подводных лодок, специалисты легко поймут, что аналогичные топология построения системы и способ управления может быть использованы в других типах систем распределения мощности, например, установленных на земле или на летательных аппаратах.

На фиг.2 показана первая морская система тяги и распределения мощности в соответствии с настоящим изобретением. В этой системе использованы $$\underset{\_}{ac}$$ генераторы с двумя выходами (DOGs), которые имеют две гальванически изолированные многофазные статорные обмотки, причем каждая обмотка статора подключена к независимой нагрузке.

Как главный дизельный $$\underset{\_}{ac}$$ генератор с двумя выходами (DOG1), так и вспомогательный дизельный $$\underset{\_}{ac}$$ генератор с двумя выходами (DOG2) подают $$\underset{\_}{ac}$$ мощность на первую распределительную доску или шину MVAC1 среднего напряжения с одной из их многофазных обмоток статора и подают $$\underset{\_}{ac}$$ мощность на первую распределительную доску или шину LVAC1 низкого напряжения с другой из их многофазных обмоток статора. Аналогичным образом, другой главный дизельный $$\underset{\_}{ac}$$ генератор с двумя выходами (DOG3) и другой вспомогательный дизельный $$\underset{\_}{ac}$$ генератор с двумя выходами (DOG4) оба подают $$\underset{\_}{ac}$$ мощность на вторую распределительную доску или шину MVAC2 среднего напряжения с одной из их многофазных обмоток статора и подают $$\underset{\_}{ac}$$ мощность на вторую распределительную доску или шину LVAC2 низкого напряжения с другой из их многофазных обмоток статора. Легко можно понять, что каждая обмотка статора каждого генератора с двумя выходами создает другое $$\underset{\_}{ac}$$ выходное напряжение (например, 6.6 kV и 440 V или, в том случае, когда на шинах среднего напряжения имеется низкое напряжение, 690 V и 440 V).

Исключен трансформатор между шинами среднего и низкого напряжения, за счет чего повышен кпд всей морской системы тяги и распределения мощности, при одновременном снижении шума, вибраций, а также объема и массы оборудования.

Шины среднего напряжения несут среднее напряжение (MV) в качестве ас напряжения распределения (например, 6.6 kV, 60 Hz) и снабжены защитной коммутационной аппаратурой, которая содержит автоматические выключатели и объединенные с ними органы управления, показанные на фиг.2 символом ×. Шины MVAC1 и MVAC2 среднего напряжения взаимосвязаны при помощи защитной коммутационной аппаратуры. Легко можно понять, что шины MVAC1 и MVAC2 среднего напряжения могут иметь любое подходящее напряжение (в том числе низкое напряжение, например, 690 V, 60 Hz), причем такая схема построения не выходит за рамки настоящего изобретения.

Главный и вспомогательные дизельные ас генераторы DOG1, DOG2 с двумя выходами подключены к первой шине MVAC1 среднего напряжения при помощи защитной коммутационной аппаратуры. Аналогичным образом, главный и вспомогательные дизельные ас генераторы DOG3, DOG4 с двумя выходами подключены ко второй шине MVAC2 среднего напряжения при помощи защитной коммутационной аппаратуры. Несмотря на то, что это не показано на фиг.2, следует иметь в виду, что шины среднего напряжения могут быть разделены на две или больше отдельных секций, которые взаимосвязаны при помощи защитной коммутационной аппаратуры. Таким образом, отдельные секции каждой шины среднего напряжения, и сами первая и вторая шины среднего напряжения, могут быть избирательно изолированы друг от друга в некоторых рабочих режимах. За счет этого становится возможной работа морской системы тяги и распределения мощности с использованием одного или множества островков, если использовать соответствующее число ас генераторов с двумя выходами или с множеством выходов, шин среднего напряжения и секций шин.

Каждая первая и вторая система приведения в движение содержит силовой преобразователь PC, который введен между шинами MVAC1 и MVAC2 среднего напряжения и $$\underset{\_}{ac}$$ гребным электродвигателем РМ, который вращает гребной винт. Морская система тяги и распределения мощности также содержит первую и вторую системы привода поворотного движителя. Каждая система привода поворотного движителя содержит силовой преобразователь PC, который согласует шины MVAC1 и MVAC2 среднего напряжения с $$\underset{\_}{ac}$$ двигателем поворотного движителя (ТМ), который вращает гребной винт. Каждый силовой преобразователь PC, показанный на фиг.2, содержит 12-импульсный выпрямитель, $$\underset{\_}{dc}$$ звено и инвертор. Однако, в альтернативной схеме построения, когда первая и вторая системы приведения в движение содержат $$\underset{\_}{dc}$$ гребные электродвигатели или двигатели поворотного движителя, тогда каждый силовой преобразователь PC содержит только 12-импульсный выпрямитель.

Главный и вспомогательные дизельные $$\underset{\_}{ac}$$ генераторы DOG1, DOG2 с двумя выходами подключены к первой шине LVAC1 низкого напряжения при помощи защитной коммутационной аппаратуры. Аналогичным образом, главный и вспомогательные дизельные $$\underset{\_}{ac}$$ генераторы DOG3, DOG4 с двумя выходами подключены ко второй шине LVAC2 низкого напряжения при помощи защитной коммутационной аппаратуры. Шины LVAC1 и LVAC2 низкого напряжения взаимосвязаны при помощи защитной коммутационной аппаратуры.

Шины LVAC1 и LVAC2 низкого напряжения несут низкое напряжение (LV) в качестве $$\underset{\_}{ac}$$ напряжения распределения (например, 440 V, 60 Hz), причем несколько различных нагрузок, таких как системы распределения для электроснабжения судна (обозначенные как LVAC нагрузки) подключены к шинам низкого напряжения при помощи защитной коммутационной аппаратуры.

Теперь будут описаны более подробно технические характеристики одного из $$\underset{\_}{ac}$$ генераторов с двумя выходами (DOGs), со ссылкой на фиг.3. DOG имеет ротор (не показан), который приводится во вращение от первичного двигателя, например, такого как дизельный двигатель. Первая обмотка статора содержит множество витков (не показаны), соединенных вместе и образующих первый $$\underset{\_}{ac}$$ выход, имеющий шесть фаз. Шестифазная обмотка статора имеет все шесть фаз, намотанные таким образом, что обеспечена их специфическая рабочая взаимосвязь, причем это верно, несмотря на то, что первая обмотка статора разделена на две или содержит две добавочные обмотки статора, которые гальванически изолированы друг от друга. Первая добавочная обмотка статора создает три фазы первого $$\underset{\_}{ac}$$ выхода, а вторая добавочная обмотка статора создает три другие фазы первого $$\underset{\_}{ac}$$ выхода. Первая и вторая добавочные обмотки статора типично имеют сбалансированные реактивные сопротивления и должны работать с нагрузками, которые имеют сбалансированные токи первой гармоники, токи гармонических составляющих и коэффициенты мощности на основной частоте, что позволяет эффективно осуществлять процесс подавления фаз. Таким образом, первая обмотка статора должна быть специфически спроектирована и сконструирована, чтобы соответствовать этим эксплуатационным требованиям.

Вторая обмотка статора содержит множество витков (не показаны), соединенных вместе и образующих второй $$\underset{\_}{ac}$$ выход, имеющий три фазы. Первая и вторая обмотки статора гальванически изолированы друг от друга. Более конкретно, вторая обмотка статора гальванически изолирована от первой и второй добавочных обмоток статора, которые совместно образуют первую обмотку статора.

Несмотря на то, что базовые принципы подавления фаз гармоник и фазового сдвига хорошо известны, специфический фазовый сдвиг, который используют в соответствии с настоящим изобретением, требует дополнительного подробного объяснения, которое приведено ниже. Как это показано на фиг.3, две трехфазных группы первого $$\underset{\_}{ac}$$ выхода симметрично сдвинуты по фазе относительно второго трехфазного $$\underset{\_}{ac}$$ выхода. Более конкретно, три фазы первого $$\underset{\_}{ac}$$ выхода, которые созданы при помощи первой добавочной обмотки статора, сдвинуты на +15 градусов относительно соответствующих трех фаз второго $$\underset{\_}{ac}$$ выхода, а другие три фазы первого $$\underset{\_}{ac}$$ выхода, которые созданы при помощи второй добавочной обмотки статора, сдвинуты на -15 градусов относительно соответствующих трех фаз второго $$\underset{\_}{ac}$$ выхода.

Углы фазового сдвига, которые отложены относительно компонентов основной частоты напряжений статора, специфически выбраны таким образом, чтобы напряжения пятой и седьмой гармоник (то есть гармоники порядков 5 и 7) первой трехфазной группы первого ас выхода были в противофазе относительно напряжений пятой и седьмой гармоник второй трехфазной группы первого ас выхода. Имеется относительный фазовый сдвиг 30 градусов между этими напряжениями основной частоты, что соответствует 30 градусам "плюс" 5×30=180 градусов фазового сдвига между напряжениями пятой гармоники и соответствует 30 градусам "минус" 7×30=-180 градусов фазового сдвига между напряжениями седьмой гармоники. Термины "плюс" и "минус" 30 градусов связаны с отрицательной последовательностью напряжения пятой гармоники и с положительной последовательностью напряжения седьмой гармоники, соответственно. Так как напряжения гармоник находятся в противофазе, то все токи гармонических составляющих, которые возникают в 12-импульсной нагрузке, будут циркулировать между двумя трехфазными группами первого $$\underset{\_}{ac}$$ выхода, без связи в значительной степени с обмоткой ротора DOGs. За счет симметричного расположения между двумя трехфазными группами первого $$\underset{\_}{ac}$$ выхода, и в результате отсутствия связи с роторами, второй $$\underset{\_}{ac}$$ выход не будет связан с первым $$\underset{\_}{ac}$$ выходом при напряжениях пятой и седьмой гармоник.

Фазовое подавление и связь могут быть дополнительно пояснены со ссылкой на фиг.4, на которой первая добавочная обмотка статора, которая создает первые три фазы первого ас выхода, обозначена как Stator 1/1, а вторая добавочная обмотка статора, которая создает вторые три фазы первого ас выхода, обозначена как Stator 1/2. Вторая обмотка статора, которая создает второй ас выход, обозначена как Stator 2. Как уже было указано здесь выше, напряжения пятой (5) и седьмой (7) гармоник циркулируют в противофазе между первой и второй добавочными обмотками статоров Stator 1/1 и Stator 1/2. Первая и вторая добавочные обмотки статоров Stator I/I и Stator 1/2 по сути связаны друг с другом, так как они образуют первую обмотку статора. Следовательно, имеется минимальное просачивание напряжений пятой и седьмой гармоник как в обмотку ротора, так и во вторую обмотку статора Stator 2, образующую второй ас выход. Упрощенная однофазная форма использована на фиг.4 для облегчения понимания. Однако легко понять, что на практике каждая первая и вторая добавочные обмотки статора Stator 1/1 и Stator 1/2, вторая обмотка статора Stator 2 и обмотка ротора будут иметь три соответствующие фазы и фазовые соотношения, причем соответствующая первая фаза, показанная на фиг.4, будет находиться между соответствующими второй и третьей фазами. Углы, показанные на фиг.4, применимы к основной частоте статора, причем специалисты легко поймут, что эквивалентные физические углы будут зависеть от числа полюсов ротора.

Первый ас выход подключен к шестифазной шине среднего напряжения, которая может быть первой или второй шиной MVAC1, MVAC2 среднего напряжения, показанной на фиг.2. Более конкретно, шина среднего напряжения содержит первую $$\underset{\_}{ac}$$ шину АС1, несущую три фазы первого $$\underset{\_}{ac}$$ выхода, которые созданы при помощи первой добавочной обмотки статора, и вторую $$\underset{\_}{ac}$$ шину АС2, несущую три фазы первого $$\underset{\_}{ac}$$ выхода, которые созданы при помощи второй добавочной обмотки статора. На фиг.3 шина среднего напряжения названа как шина MVAC приведения в движение, так как она предназначена для подачи питания на системы приведения в движение. Два 12-импульсных выпрямителя подключены к шине среднего напряжения при помощи защитной коммутационной аппаратуры. Первый $$\underset{\_}{ac}$$ входной зажим каждого 12-импульсного выпрямителя подключен к первой $$\underset{\_}{ac}$$ шине АС1, а второй $$\underset{\_}{ac}$$ входной зажим каждого 12-импульсного выпрямителя подключен ко второй $$\underset{\_}{ac}$$ шине АС2.

12-импульсные выпрямители являются частью систем приведения в движение и привода поворотного движителя. Более конкретно, 12-импульсные выпрямители являются неотъемлемой частью силовых преобразователей PC, показанных на фиг.2. Выводы постоянного тока каждого 12-импульсного выпрямителя подключены к соответствующему $$\underset{\_}{ac}$$ гребному электродвигателю РМ и к $$\underset{\_}{ac}$$ двигателю поворотного движителя ТМ при помощи $$\underset{\_}{dc}$$ звена и 12-импульсного инвертора (не показан).

На фиг.3 показано 12-импульсное последовательное подключение, однако легко можно понять, что также может быть использовано и параллельное подключение.

Напряжения пятой и седьмой гармоник, которые возникают в 12-импульсных выпрямителях, циркулируют через DOG в соответствии с хорошо известным принципом фазового сдвига, описанным здесь выше, а это означает, что ротор DOG не испытывает никаких существенных проблем за счет напряжения шестой гармоники, которые обычно возникают в системах с трехфазными 6-импульсными выпрямителями. Гармонические составляющие более высокого порядка не снижаются за счет фазового подавления и поэтому на ротор DOG воздействуют напряжения 12, 18, 24… гармоник, однако они не создают особых проблем.

Второй ас выход подключен к трехфазный шине низкого напряжения, которой может быть первая или вторая шина LVAC1, LVAC2 низкого напряжения, показанная на фиг.2. Несмотря на то, что второе $$\underset{\_}{ac}$$ выходное напряжение будет иметь минимальные напряжения пятой и седьмой гармоник в результате фазового сдвига, напряжения 11, 13, 17, 19, 23,… гармоник будут присутствовать, так как они имеются в общих токах выпрямителя. Эти гармонические компоненты могут быть снижены за счет использования диодных мостовых выпрямителей и за счет увеличения шестифазной коммутации реактивного сопротивления DOG. Если требуется дальнейшее снижение этих гармонических компонентов, то тогда конденсаторная батарея может быть подключена ко второму $$\underset{\_}{ac}$$ выходу, чтобы образовать характеристику фильтра нижних частот в комбинации с шестифазным-трехфазным реактивным сопротивлением утечки DOG, за счет чего может быть обеспечено желательное ослабление гармонических составляющих высшего порядка. Такая конденсаторная батарея, которая показана на фиг.2 и 3, позволяет также обеспечивать благоприятное возбуждение статора.

На фиг.5 показано подавление фазы для альтернативной схемы построения, в которой первая обмотка статора каждого DOGs образует первый $$\underset{\_}{ac}$$ выход, имеющий двенадцать фаз. Первая обмотка статора разделена на четыре добавочные обмотки статора, каждая из которых создает три фазы первого $$\underset{\_}{ac}$$ выхода. Четыре добавочные обмотки статора гальванически изолированы друг от друга. Вторая обмотка статора образует второй $$\underset{\_}{ac}$$ выход, имеющий три фазы. Первая и вторая обмотки статора гальванически изолированы друг от друга. Более конкретно, вторая обмотка статора гальванически изолирована от четырех добавочных обмоток статора, которые совместно образуют первую обмотку статора.

Четыре трехфазных группы первого $$\underset{\_}{ac}$$ выхода сдвинуты по фазе симметрично относительно второго трехфазного $$\underset{\_}{ac}$$ выхода. Более конкретно, три фазы первого $$\underset{\_}{ac}$$ выхода, которые образованы при помощи первой добавочной обмотки статора, имеют сдвиг по фазе на +25.5 градусов относительно соответствующих трех фаз второго $$\underset{\_}{ac}$$ выхода, три фазы первого $$\underset{\_}{ac}$$ выхода, которые образованы при помощи второй добавочной обмотки статора, имеют сдвиг по фазе на +7.5 градусов относительно соответствующих трех фаз второго $$\underset{\_}{ac}$$ выхода, три фазы первого $$\underset{\_}{ac}$$ выхода, которые образованы при помощи третьей добавочной обмотки статора, имеют сдвиг по фазе на -7.5 градусов соответствующих трех фаз второго $$\underset{\_}{ac}$$ выхода, и три фазы первого ас выхода, которые образованы при помощи четвертой добавочной обмотки статора, имеют сдвиг по фазе на -22.5 градусов относительно соответствующих трех фаз второго ас выхода.

Настоящее изобретение может быть симметрично расширено на любое удобное число фаз для первого $$\underset{\_}{ac}$$ выхода, в рамках серий We, где Ne представляет собой четное целое число, когда обеспечено снижение гармоник порядка 5, 7, 11, 13 и до 6Ne±1 за счет подавления фаз. Однако, обычно является непрактичным распределение ас мощности с избыточным числом фаз, так как это требует использования чрезмерно большого числа $$\underset{\_}{ac}$$ шин и переключающих контактов внутри системы распределения.

На фиг.6 показана вторая морская система тяги и распределения мощности в соответствии с настоящим изобретением. Эта система аналогична системе, показанной на фиг.2, за исключением того, что первое ас выходное напряжение, созданное при помощи первой обмотки статора каждого DOG, выпрямлено при помощи мультиимпульсного выпрямителя R ранее подачи на первую и вторую шины MVDC1 и MVDC2 среднего напряжения. Таким образом, шины MVDC1 и MVDC2 среднего напряжения отображают возможную $$\underset{\_}{dc}$$ архитектуру распределения. За счет использования мультиимпульсных выпрямителей R и за счет распределения $$\underset{\_}{dc}$$ мощности, могут быть расширены преимущества подавления фаз, что позволяет иметь в первой обмотке статора каждого DOG любое необходимое число фаз, без возникновения трудностей распределения $$\underset{\_}{ac}$$ мощности с использованием избыточного числа фаз.

В схеме, показанной на фиг.6, мультиимпульсные выпрямители копируют функции выпрямления каждого силового преобразователя PC, показанного на фиг.2. Выпрямители R преимущественно расположены в непосредственной физической близости от каждого DOG. Так как $$\underset{\_}{dc}$$ мощность распределяют через первую и вторую шины MVDC1 и MVDC2 среднего напряжения, только инвертор 1 необходим для сопряжения с $$\underset{\_}{ac}$$ гребными электродвигателями РМ.

Изобретение относится к системам распределения мощности на морских судах. Система распределения мощности содержит первую шину распределения, вторую шину распределения и мультиимпульсный выпрямитель, имеющий выводы, подключенные к первой шине распределения. Также система содержит генератор с множеством выходов, причем n фаз первого ас выхода имеют фазовый сдвиг относительно m фаз второго ас выхода. Первая часть n фаз первого ас выхода имеет фазовый сдвиг на заданный положительный угол относительно m фаз второго ас выхода, а вторая часть n фаз первого ас выхода имеет фазовый сдвиг на заданный отрицательный угол относительно m фаз второго ас выхода. Минимизируются гармонические искажения. 15 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Система распределения мощности, которая содержит:
первую шину распределения (MVAC1);
вторую шину распределения (LVAC1);
мультиимпульсный выпрямитель, имеющий выводы, электрически подключенные к первой шине распределения (MVAC1, MVAC2); и
генератор (DOG1) с множеством выходов, который имеет первую и вторую гальванически изолированные обмотки статора, причем первая обмотка статора создает первый многофазный ас выход с n фазами и подключена к первой шине распределения (MVAC1) для подачи первого напряжения распределения на первую шину распределения (MVAC1), а вторая обмотка статора создает второй многофазный ас выход с m фазами и подключена ко второй шине распределения (LVAC1) для подачи второго напряжения распределения на вторую шину распределения (LVAC1);
причем n фаз первого ас выхода имеют фазовый сдвиг относительно m фаз второго ас выхода,
отличающаяся тем, что первая часть n фаз первого ас выхода имеет фазовый сдвиг на заданный положительный угол относительно m фаз второго ас выхода, а вторая часть n фаз первого ас выхода имеет фазовый сдвиг на заданный отрицательный угол относительно m фаз второго ас выхода.

2. Система распределения мощности по п. 1, в которой первая обмотка статора разделена на две или больше добавочных обмоток статора, причем каждая обмотка статора создает часть n фаз первого ас выхода.

3. Система распределения мощности по п. 1, в которой заданный положительный угол и заданный отрицательный угол имеют, по существу, одинаковую величину.

4. Система распределения мощности по любому из пп. 1-3, в которой n не равно m.

5. Система распределения мощности по любому из пп. 1-3, в которой первый ас выход представляет собой шестифазный ас выход, а второй ас выход представляет собой трехфазный ас выход.

6. Система распределения мощности по п. 5, в которой три фазы первого ас выхода сдвинуты по фазе на заданный положительный угол относительно второго ас выхода и три другие фазы первого ас выхода сдвинуты по фазе на заданный отрицательный угол относительно второго ас выхода.

7. Система распределения мощности по п. 6, в которой заданный положительный угол составляет около +15 градусов, а заданный отрицательный угол составляет около -15 градусов.

8. Система распределения мощности по п. 5, в которой мультиимпульсный выпрямитель представляет собой 12-импульсный выпрямитель.

9. Система распределения мощности по любому из пп. 1-3, в которой первый ас выход представляет собой двенадцатифазный ас выход, а второй ас выход представляет собой трехфазный ас выход.

10. Система распределения мощности по п. 9, в которой три фазы первого ас выхода сдвинуты по фазе на первый заданный положительный угол относительно второго ас выхода, три фазы первого ас выхода сдвинуты по фазе на второй заданный положительный угол относительно второго ас выхода, три фазы первого ас выхода сдвинуты по фазе на первый заданный отрицательный угол относительно второго ас выхода и три фазы первого ас выхода сдвинуты по фазе на второй заданный отрицательный угол относительно второго ас выхода.

11. Система распределения мощности по п. 10, в которой первый заданный положительный угол составляет около +22,5 градусов, второй заданный положительный угол составляет около +7,5 градусов, первый заданный отрицательный угол составляет около -7,5 градусов и второй заданный отрицательный угол составляет около -22,5 градусов.

12. Система распределения мощности по п. 9, в которой мультиимпульсный выпрямитель представляет собой 24-импульсный выпрямитель.

13. Система распределения мощности по любому из пп. 1-3, которая дополнительно содержит конденсаторную батарею, подключенную ко второму ас выходу.

14. Система распределения мощности по любому из пп. 1-3, в которой первая шина распределения (MVAC1) несет ас напряжение распределения.

15. Система распределения мощности по п. 14, в которой мультиимпульсный выпрямитель электрически подключен между первой шиной распределения (MVAC) и электрической нагрузкой, например гребным электродвигателем.

16. Система распределения мощности по любому из пп. 1-3, в которой первая шина распределения (MVDC1) несет dc напряжение распределения, а мультиимпульсный выпрямитель (R) электрически подключен между первой обмоткой статора и первой шиной распределения (MVDC1), чтобы выпрямлять первый ас выход.