ЭЛЕКТРОДВИЖИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА СУДНА С НЕСКОЛЬКИМИ ГРЕБНЫМИ ВИНТАМИ Российский патент 2020 года по МПК B60L50/13 H02M5/42 H02P27/06 B63H23/24 

Предложение относится к судостроению, в частности к электрическому приводу движительного комплекса судна с несколькими гребными винтами предназначенному для ледоколов и судов большой мощности как гражданского, так и военно-морского флота. Предложенная структура электродвижительного комплекса может быть использована в любом другом автономном транспортном средстве, который содержит генераторные агрегаты, каскадный электрический преобразователь и несколько тяговых электродвигателей, выполненные на переменном токе. Электродвижительная установка может быть использована в качестве устройства регулирования тяги, упора, мощности и скорости судна либо иного другого транспортного средства.

Известна электродвижительная установка судна (Григорьев А.В., Ляпидов К.С., Макаров Л.С. Единая электроэнергетическая установка гидрографического судна на базе системы электродвижения переменного тока. // Судостроение, 2006, №4, с. 33-34), содержащая первичные тепловые двигатели, с которыми механически соединены синхронные генераторы переменного тока, трехфазные обмотки статора которых подключены к трехфазной линии главного распределительного щита. К шинам трехфазной линии главного распределительного щита подключены потребители собственных нужд и первичные обмотки трансформаторов, к вторичным обмоткам которых подключены входы преобразователей частоты, к выходам которых подключены гребные электродвигатели переменного тока. Недостатком известной электроэнергетической установки является то, что преобразователи частоты выполнены по схеме двухзвенных преобразователей частоты с двухуровневым инветором напряжения, который имеет низкий показатель качества синтезируемого выходного напряжения для питания гребных электродвигателей, а также то, что преобразователи частоты питаются не напрямую от главного распределительного щита, а через согласующие трансформаторы, что снижает энергетические характеристики судовой электроэнергетической установки, повышает ее стоимость, массу и габариты. К недостаткам также относится искажение напряжения на шинах главного распределительного щита вызванные работой преобразователей частоты, так как мощность гребных электроприводов может значительно превышать мощность потребителей собственных нужд.

Известна электродвижительная установка (МПК В63Н 21/17, В63Н 23/24, H02J 3/16, патент RU 2458819 (С1), Заявка: 2011107510/11, 25.02.2011, Васин И.М., Сеньков А.П., Токарев Л. Н., Судовая электроэнергетическая установка (варианты)), содержащая главные первичные тепловые двигатели, главные синхронные генераторы, главный распределительный щит, преобразователи частоты, гребные электродвигатели, аварийный дизель-генератор, аварийный распределительный щит, согласующие трансформаторы и потребители собственных нужд. На статоре каждого главного синхронного генератора размещены несколько изолированных друг от друга трехфазных обмоток, подключенных к раздельным шинам главного распределительного щита к которому также подключены выпрямители многоуровневых инверторов напряжения и согласующие трансформаторы потребителей собственных нужд. К выходу многоуровневых инверторов напряжения подключены гребные электродвигатели, а к шинам вторичного распределительного щита подключены аварийный и стояночный дизель-генератор. Технический результат такой конструкции обеспечивает повышение качества синтезируемого напряжения для питания гребных электродвигателей, а также повышение К.П.Д. и надежности судовой установки за счет исключения трансформаторов между линиями главного распределительного щита и преобразователями частоты. Недостатками известного устройства является сложная структура системы распределения электроэнергии, используемое нестандартное оборудование, изготавливаемое под заказ, большое количество коммутационных аппаратов, сложная схемотехническая реализация многоуровневых преобразователей частоты на основе многоуровневых инверторов напряжения, а также искажения напряжения на шинах главного распределительного щита вызванные работой преобразователей частоты. К недостаткам известной установки также можно отнести невозможность использования высокочастотного генераторного агрегата, так как шины главного распределительного щита должны быть рассчитаны на напряжение промышленной частоты 50 Гц для последующего питания потребителей собственных нужд, причем необходимо осуществлять стабилизацию этой частоты для обеспечения качественного питания потребителей собственных нужд.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранная в качестве прототипа судовая электродвижительная установка (МПК В63Н 23/24, патент RU 2521883 (С1), дата подачи заявки 21.01.2013, Кузнецов В.И., Сеньков А.П., Калмыков А.Н. Судовая электроэнергетическая установка), содержащая главные первичные тепловые двигатели, трехфазные главные синхронные генераторы, главный распределительный щит, многоуровневые преобразователи частоты, гребные электродвигатели, аварийный дизель-генератор, аварийный распределительный щит, согласующие трехфазные трансформаторы и потребители собственных нужд. На статоре каждого главного синхронного генератора размещены трехфазные обмотки, подключенные к трем раздельным шинам главного распределительного щита к которому также подключены выпрямители многоуровневых преобразователей частоты и согласующие трехфазные трансформаторы потребителей собственных нужд. К выходу многоуровневых преобразователей частоты подключены гребные электродвигатели, а к шинам вторичного распределительного щита подключены аварийный и стояночный дизель-генератор. Достоинством известной структуры является высокое качество синтезируемого напряжения на выходе многоуровневых преобразователей частоты для питания гребных электродвигателей. Недостатками известного прототипа является сложная структура системы распределения электроэнергии, наличие нестандартного, дорогого, громоздкого и сложного электрооборудования, а также искажения напряжения на шинах главного распределительного щита вызванные работой многоуровневых преобразователей частоты. К недостаткам известной установки также можно отнести сложность схемотехнической реализации многоуровневых преобразователей частоты, их низкая надежность и ремонтопригодность. Недостатком такой структуры является невозможность использования высокочастотного генераторного агрегата, так как шины главного распределительного щита должны быть рассчитаны на напряжение промышленной частоты 50 Гц для последующего питания потребителей собственных нужд. Еще одним недостатком известной структуры является отсутствие масштабируемости схемы по мощности и невозможность ее использования при больших единичных мощностях тягового электродвигателя. Недостатком такой структуры является использование такой структуры только в составе электродвижительного комплекса с винторулевой колонкой, а так же отсутствие тормозной цепи многоуровнего преобразователя частоты, предназначенной для сброса энергии торможения при остановке и реверсе тягового электропривода.

Технический результат предложения заключается в высокой энергетической эффективности электродвижительной установки, исключении громоздкой и дорогой тормозной цепочки, возможности реализации электрической передачи мощности тягового транспортного с высокими показателями качества синтезируемого напряжения для питания тягового (гребного) электродвигателя. К достоинствам следует отнести масштабируемость схемы и возможность реализации электропривода движительного комплекса практически не ограниченной мощности при ограничении, наложенном на коммутационные способности используемых полупроводниковых ключей, а так же исключение силового согласующего трансформатора в силовом канале движительной установки при использовании каскадной схемы преобразователя частоты. Еще одним преимуществом электродвижительного комплекса является использование простых и надежных однофазных инверторов напряжения в составе электрического преобразователя. Достоинством предложенной электроэнергетической установки является и то, что она может быть построена с использованием высокооборотных безредукторных первичных тепловых двигателей главных генераторных агрегатов с выходным напряжением повышенной частоты а, следовательно, такое конструктивное решение позволит улучшить массогабаритные и энергетические характеристики. К достоинствам предложения также следует отнести возможность использования в долевых режимах работы электродвижительного комплекса только части генераторного агрегата а, следовательно, повышается надежность, экономичность при работе и значительно повышается ресурс первичных тепловых двигателей входящих в состав генераторного агрегата. Таким образом, предлагаемая электроэнергетическая установка движительного комплекса судна позволяет улучшить эксплуатационные характеристики системы электродвижения, повысить энергетическую эффективность, надежность и характеризуется простой структурой построения и используемыми однотипными простыми и надежными однофазными инверторами напряжения в составе каскадного электрического преобразователя.

Описанные преимущества достигаются тем, что для управления каждым тяговым электродвигателем гребного винта используется каскадный электрический преобразователь. Однофазные инверторы напряжения каждого электрического преобразователя тягового электродвигателя получают питание от общих выпрямителей, для питания которых предусмотрены гальванически изолированные обмотки генераторного агрегата. При этом в качестве генераторного агрегата могут быть использованы как один первичный тепловой двигатель и один электрический генератор переменного тока с многофазными изолированными друг от друга электрическими обмотками, так и различные комбинации числа и типа первичных тепловых двигателей и электрических генераторов переменного тока, выполненных в различном конструктивном исполнении. В качестве электрических генераторов могут быть использованы стандартные серийно выпускаемые генераторы переменного тока с трехфазной обмоткой на статоре.

Поставленные задачи решаются благодаря тому, что в электродвижительной установке судна с несколькими гребными винтами которая содержит систему управления, генераторный агрегат, автоматические выключатели, выпрямители напряжения, инверторы напряжения и тяговые электродвигатели механически соединенные каждый со своим гребным винтом, причем автоматические выключатели количество которых равно числу изолированных друг от друга электрических обмоток генераторного агрегата и числу выпрямителей напряжения подключены своими выходными контактами к входу выпрямителей напряжения, предусмотрены следующие отличия, инверторы напряжения выполнены по схеме однофазных инверторов напряжения, причем все инверторы напряжения сгруппированы в электрические преобразователи каждого из тяговых электродвигателей, число инверторов напряжения каждого из электрических преобразователей тяговых электродвигателей равно числу выпрямителей напряжения, количество которых кратно числу фаз тягового электродвигателя, однофазные инверторы напряжения каждого из электрических преобразователей тяговых электродвигателей сгруппированы по фазам электрического преобразователя тягового электродвигателя, количество фаз электрического преобразователя тягового электродвигателя равно количеству фаз тягового электродвигателя, каждая фаза электрического преобразователя содержит такое количество однофазных инверторов напряжения, количество которых равно числу выпрямителей напряжения разделенное на количество фаз тягового электродвигателя, однофазные инверторы напряжения в каждой из фаз электрического преобразователя своими выходными контактами соединены последовательно, условные начала фаз электрического преобразователя соединены между собой, а условные концы фаз электрического преобразователя подключены к фазам тягового электродвигателя, каждый из однофазных инверторов напряжения каждого электрического преобразователя тягового электродвигателя своими входными одноименными контактами подключен к выходу своего выпрямителя напряжения, а изолированные друг от друга электрические обмотки генераторного агрегата подключены на вход каждая к своему автоматическому выключателю.

Кроме того электродвижительная установка судна с несколькими гребными винтами может быть выполнена так что дополнительно содержит накопители электрической энергии каждый со своим согласующим электрическим преобразователем количество которых равно числу выпрямителей напряжения, причем каждый из согласующих электрических преобразователей подключен своим входом на выход своего выпрямителя напряжения, а своим выходом подключен к накопителю электрической энергии.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На Фиг. 1 - представлен электродвижительная установка судна с D гребными винтами и D тяговыми электродвигателями, с тремя (S=3) фазами каждого тягового электродвигателя и тремя фазами электрического преобразователя, с шестью (N=6) трехфазными электрическими обмотками генераторного агрегата, с шестью выпрямителями напряжения, с шестью однофазными инверторами напряжения в каждом из D электрических преобразователей (где D - количество гребных винтов, тяговых электродвигателей электродвижительной установки судна, число электрических преобразователей, S - число фаз тягового электродвигателя, число фаз электрического преобразователя, N - количество электрических обмоток генераторного агрегата, количество выпрямителей напряжения, число однофазных инверторов напряжения в каждом из электрических преобразователей), на Фиг. 2 - представлена электродвижительная установка судна с несколькими гребными винтами содержащая коммутационные аппараты предназначенные для исключения, вышедшего из строя однофазного инвертора напряжения, на Фиг. 3 - представлена электродвижительная установка судна с несколькими гребными винтами с возможностью осуществления питания потребителей собственных нужд, на Фиг. 4 - представлена электродвижительная установка судна с несколькими гребными винтами с накопителями энергии и согласующими электрическими преобразователями, на Фиг. 5 - представлена электродвижительная установка судна с несколькими гребными винтами и тяговыми электродвигателями выполненными с несколькими изолированными обмотками на статоре (многообмоточное исполнение), на Фиг. 6 - представлена электродвижительная установка судна с несколькими гребными винтами с тяговым электродвигателем выполненным в многоякорном исполнении, на Фиг. 7 - представлена осциллограмма фазного напряжения электрического преобразователя в фазе которого установлены два однофазных инвертора напряжения выполнены с различным уровнем питающего напряжения; на Фиг. 8 -представлена таблица, которая отображает связь числа однофазных инверторов напряжения с различными уровнями напряжения питания в каждой из фаз электрического преобразователя с числом уровней напряжения на его выходе, на Фиг. 9 - представлен пример структуры электродвижительной установки судна с тремя гребными винтами, на Фиг. 10 - представлены направления потоков мощности при торможении и реверсе гребной электрической установке, на Фиг. 11 - представлена предельная реверсивная механическая характеристика гребного винта на Фиг. 12 - представлены зависимости при торможении и реверсе гребного электропривода по предложенному алгоритму, на Фиг. 13 - представлены зависимости при торможении и реверсе гребного электропривода по предложенному алгоритму, на Фиг. 14 - представлены зависимость суммарной мощности при торможении и реверсе гребного электропривода по предложенному алгоритму.

Электродвижительная установка судна с несколькими гребными винтами, схема которой представлена на Фиг. 1 (для варианта электродвижительной установки судна с D гребными винтами и D тяговыми электродвигателями, с тремя фазами тягового электродвигателя и тремя фазами электрического преобразователя S=3, с шестью трехфазными электрическими обмотками генераторного агрегата, с шестью выпрямителями напряжения, с шестью однофазными инверторами напряжения N=6 в каждом из D электрических преобразователей), содержит систему управления 1, генераторный агрегат 2, автоматические выключатели 3-1÷3-N, выпрямители напряжения 4-1÷4-N, инверторы напряжения 5-1÷5-F и тяговые электродвигатели 6-1÷6-D механически соединенные каждый со своим гребным винтом 7-1÷7-D. Автоматические выключатели 3-1÷3-N количество, которых равно числу изолированных друг от друга электрических обмоток 8-1÷8-N генераторного агрегата 2 и числу выпрямителей напряжения 4-1÷4-N подключены своими выходными контактами к входу выпрямителей напряжения 4-1÷4-N. Инверторы напряжения 5-1÷5-F выполнены по схеме однофазных инверторов напряжения. Все инверторы напряжения 5-1÷5-F сгруппированы в электрические преобразователи 9-1÷9-D каждого из тяговых электродвигателей 6-1 (6-2÷6-D). Число инверторов напряжения 5-1÷5-F каждого из электрических преобразователей 9-1 (9-2÷9-D) тяговых электродвигателей 6-1÷6-D равно числу выпрямителей напряжения 4-1÷4-N, количество которых кратно числу фаз тягового электродвигателя 6-1÷6-D, однофазные инверторы напряжения 5-1÷5-F каждого из электрических преобразователей 9-1 (9-2÷9-D) тяговых электродвигателей 6-1÷6-D сгруппированы по фазам 10-1÷10-S электрического преобразователя 9-1 (9-2÷9-D) тягового электродвигателя 6-1 (6-2÷6-D). Количество фаз 10-1÷10-S электрического преобразователя 9-1 (9-2÷9-D) тягового электродвигателя 6-1 (6-2÷6-D) равно количеству фаз тягового электродвигателя 6-1 (6-2÷6-D). Каждая фаза 10-1(10-2÷10-S) электрического преобразователя 9-1 (9-2÷9-D) содержит такое количество однофазных инверторов напряжения 5÷5-F, количество которых равно числу выпрямителей напряжения 4-1÷4-N разделенное на количество фаз тягового электродвигателя 6-1÷6-D. Однофазные инверторы напряжения 5-1÷5-F в каждой из фаз 10-1 (10-2÷10-S) электрического преобразователя 9-1 (9-2÷9-D) своими выходными контактами соединены последовательно. Условные начала фаз 10-1÷10-S) электрического преобразователя 9-1 (9-2÷9-D) соединены между собой, а условные концы фаз 10-l÷10-S электрического преобразователя 9-1(9-2÷9-D) подключены к фазам тягового электродвигателя 6-1 (6-2÷6-D). Каждый из однофазных инверторов напряжения 5-1 (5-2÷5-F) каждого электрического преобразователя 9-1 (9-2÷9-D) тягового электродвигателя 6-1 (6-2÷6-D) своими входными одноименными контактами подключен к выходу своего выпрямителя напряжения 4-1÷4-N. Изолированные друг от друга электрические обмотки 8-1÷8-N генераторного агрегата 2 подключены на вход каждая к своему автоматическому выключателю 3-1÷3-N.

Электродвижительная установка судна с несколькими гребными винтами схема, которой представлена на Фиг. 2 (для варианта электродвижительной установки судна с D гребными винтами и D тяговыми электродвигателями, с тремя фазами тягового электродвигателя и тремя фазами электрического преобразователя S=3, с шестью трехфазными электрическими обмотками генераторного агрегата, с шестью выпрямителями напряжения, с шестью однофазными инверторами напряжения N=6 в каждом из D электрических преобразователей) может дополнительно содержать коммутационные аппараты 11-1÷11-F, количество которых равно количеству всех однофазных инверторов напряжения 5-1÷5-F электродвижительной установки. Силовые контакты каждого из коммутационных аппаратов 11-1 (11-2÷11-F) подключены параллельно выходным контактам каждого однофазного инвертора напряжения 5-1 (5-2÷5-F).

Электродвижительная установка судна с несколькими гребными винтами схема, которой представлена на Фиг. 3 (для варианта электродвижительной установки судна с D гребными винтами и D тяговыми электродвигателями, с тремя фазами тягового электродвигателя и тремя фазами электрического преобразователя S=3, с шестью трехфазными электрическими обмотками генераторного агрегата, с шестью выпрямителями напряжения, с шестью однофазными инверторами напряжения N=6 в каждом из D электрических преобразователей) может дополнительно содержать автоматические выключатели 12-1÷12-(N+2), дополнительный электрический преобразователь 13, главный распределительный щит 14, вспомогательный дизель-генератор 15, накопитель электрической энергии 16 с согласующим электрическим преобразователем 17, потребители собственных нужд 18. Часть автоматических выключателей 12-1÷12-N, количество которых равно количеству изолированных друг от друга электрических обмоток 8-1÷8-N генераторного агрегата 2, включены между изолированными друг от друга электрическими обмотками 8-1÷8-N генераторного агрегата 2 и входами дополнительного электрического преобразователя 13. Выход дополнительного электрического преобразователя 13 через автоматический выключатель 12-(N+1) подключен к главному распределительному щиту 14, к которому подключены: через автоматический выключатель 12-(N+2) вспомогательный дизель-генератор 15; через согласующий электрический преобразователь 17 накопитель энергии 16; потребители собственных нужд 18.

Электродвижительная установка судна с несколькими гребными винтами схема, которой представлена на Фиг. 4 (для варианта электродвижительной установки судна с D гребными винтами и D тяговыми электродвигателями, с тремя фазами тягового электродвигателя и тремя фазами электрического преобразователя S=3, с шестью трехфазными электрическими обмотками генераторного агрегата, с шестью выпрямителями напряжения, с шестью однофазными инверторами напряжения N=6 в каждом из D электрических преобразователей) может дополнительно содержать накопители электрической энергии 19-1÷19-N каждый со своим согласующим электрическим преобразователем 20-1÷20-N. Количество накопителей электрической энергии 19-1÷19-N равно числу выпрямителей напряжения 4-1÷4-N. Каждый из согласующих электрических преобразователей 20-1 (20-2÷20-N) подключен своим входом на выход своего выпрямителя напряжения 4-1 (4-2÷4-N), а своим выходом подключен к накопителю электрической энергии 19-1 (19-2÷19-N).

Электродвижительная установка судна с несколькими гребными винтами схема, которой представлена на Фиг. 5 (для варианта электродвижи-тельной установки судна с D гребными винтами и D тяговыми электродвигателями, с двумя гальванически развязанными трехфазными обмотками на каждом из тяговых электродвигателей, 2⋅D электрических преобразователей с тремя фазами S=3 электического преобразователя, с шестью инверторами напряжения N=6 в каждом из 2⋅D электрических преобразователей) выполнена так что каждый тяговый электродвигатель 6-1÷6-D выполнен содержащим изолированные друг от друга многофазные электрические обмотки. Для питания каждой из многофазных электрических обмоток каждого из тяговых электродвигателей 6-1÷6-D предусмотрены кроме основных электрических преобразователей 9-1÷9-D дополнительные электрические преобразователи 9-(D+l)÷9-H при этом суммарное количество электрических преобразователей 9-1÷9-Н равно произведению числа тяговых электродвигателей 6-1÷6-D на количество изолированных многофазных электрических обмоток в каждом из них.

Электродвижительная установка судна с несколькими гребными винтами схема, которой представлена на Фиг. 6 (для варианта электродвижительной установки судна с D гребными винтами и D тяговыми электродвигателями, с двумя якорями в каждом из тяговых электродвигателей, 2⋅D электрических преобразователей с тремя фазами S=3 электического преобразователя, с шестью инверторами напряжения N=6 в каждом из 2⋅D электрических преобразователей) выполнена так что каждый тяговый электродвигатель 6-1÷6-D выполнен в многоякорном исполнении. Каждый из якорей 21-1 (21-2÷21-Y) тягового электродвигателя 6-1 (6-2÷6-D) содержит свою изолированную многофазную электрическую обмотку. Для питания каждого якоря 21-1 (21-2÷21-Y) тягового электродвигателя 6-1 (6-2÷6-D) предусмотрены кроме основных электрических преобразователей 9-1÷9-D дополнительные электрические преобразователи 9-(D+1)÷9-W. Суммарное количество электрических преобразователей 9-1÷9-W равно произведению числа тяговых электродвигателей 6-1÷6-D на количество якорей 21-1÷21-Y в каждом из них. Каждый из однофазных инверторов напряжения 5-1 (5-2÷5-F) каждого электрического преобразователя 9-1 (9-2÷9-D) получает питание от своего выпрямителя напряжения 4-1÷4-N. Выход каждого электрического преобразователя 9-1 (9-2÷9-D) подключен каждый к своей многофазной обмотке якоря 21-1 (21-2÷21-Y) тяговых электродвигателей 6-1÷6-D.

Электродвижительная установка судна с несколькими гребными винтами, схема которой представлена на Фиг. 1 (для варианта электродвижительной установки судна с D гребными винтами и D тяговыми электродвигателями, с тремя фазами тягового электродвигателя и тремя фазами электрического преобразователя S=3, с шестью выпрямителями, шестью инверторами напряжения N=6 в каждом из D электрических преобразователей), выполнена так что электрические обмотки 8-1÷8-N генераторного агрегата 2, питающие через выпрямители напряжения 4-1÷4-N однофазные инверторы напряжения 5-1÷5-F разного уровня выполнены на разный уровень напряжения. Электрические обмотки 8-1÷8-N генераторного агрегата 2, питающие однофазные инверторы напряжения 5-1÷5-N первого уровня электрического преобразователя 9-1(9-2÷9-D) выполнены на номинальное напряжение, которое составляет половину от номинального выходного напряжения электрического преобразователя 9-1 (9-2÷9-D). Номинальное напряжение электрических обмоток 8-1÷8-N генераторного агрегата 2 питающие однофазные инверторы напряжения второго 5-(N+l)÷5-2⋅N и последующего уровня (5-(2⋅N+l)÷5-3⋅N)÷(5-(F-N+l)÷5-F) в два раза меньше номинального напряжения электрических обмоток 8-1, 8-2÷8-(N-1) генераторного агрегата 2 предыдущего уровня.

Работа электродвижительной установки судна с несколькими гребными винтами происходит следующим образом.

В электродвижительной установке судна с несколькими гребными винтами, представленным на Фиг. 1 источником электрической энергии является генераторный агрегат 2 который конструктивно может быть выполнен с использованием одного либо нескольких первичных тепловых двигателей и одного либо нескольких электрических генераторов переменного тока сидящих на одном валу с первичным тепловым двигателем. Причем электрические генераторы переменного тока могут быть выполнены как с одной многофазной электрической обмоткой, так и с несколькими изолированными многофазными электрическими обмотками. Причем все электрические генераторы переменного тока могут быть реализованы на стандартных серийно выпускаемых электрических машинах. Благодаря такой конструкции генераторного агрегата 2 появляется возможность независимого питания выпрямителей напряжения 4-1÷4-N и соответственно инверторов напряжения 5-1÷5-F каждого из электрических преобразователей 9-1 (9-2÷9-D) тягового электродвигателя 6-1 (6-2÷5-D).

При этом электрический преобразователь 9-1(9-2÷9-D) выполнен по схеме каскадного инвертора напряжения с использованием простых и надежных однофазных инверторов напряжения 5-1÷5-N сгруппированных по фазам 10-1÷10-S электрического преобразователя 9-1(9-2÷9-D), количество которых равно количеству фаз тягового электродвигателя 6-1 (6-2÷6-D). Фазы 10-1÷10-S электрического преобразователя 9-1 (9-2÷9-D) состоят из групп последовательно соединенных однофазных инверторов напряжения 5-1÷5-F. Каждый из однофазных инверторов напряжения 5-1÷5-F выполнен на стандартных низковольтных компонентах и может иметь различную схему. На выходе каждого однофазного инверторов напряжения 5-1÷5-F могут быть синтезированы три различных мгновенных уровня выходного напряжения: U_d, 0 и -U_d, где U_d - средний уровень напряжения на выходе выпрямителя напряжения 4-1 (4-2÷4-N). При этом мгновенные уровни напряжении синтезируемые однофазными инверторами напряжения 5-1÷5-F формируются согласованно для того чтобы получить требуемый уровень мгновенного фазного (линейного) напряжения на выходе электрического преобразователя 9-1 (9-2÷9-D) для питания тягового электродвигателя 6-1(6-2÷6-D). Так при одинаковом номинальном напряжении каждой из электрических обмоток 8-1÷8-N генераторного агрегата 2 и при количестве последовательно включенных однофазных инверторов напряжения 5-1÷5-F электрического преобразователя 9-1 (9-2÷9-D), в каждой из фаз 10-1÷10-S электрического преобразователя 9-1 (9-2÷9-D), равным G обеспечивается 3+2⋅(G-1) уровней выходного фазного напряжения. Так при двух однофазных инверторов напряжения 5-1÷5-F фазы 10-1÷10-S электрического преобразователя 9-1 (9-2÷9-D) электродвижительной установки возможно получение пяти уровней фазного напряжения. При трех однофазных инверторов напряжения 5-1÷5-F фазы 10-1÷10-S электрического преобразователя 9-1 (9-2÷9-D) электродвижительной установки возможно получение семи уровней фазного напряжения и так далее. Благодаря такой топологии электрического преобразователя 9-1 (9-2÷9-D) можно синтезировать практически синусоидальное напряжение для питания тягового электродвигателя 6-1 (6-2÷6-D). Такая электродвижительная установка судна позволит получить лучшие вибро-шумовые характеристики при реализации тягового электропривода за счет получения практически синусоидального выходного напряжения на выходе каскадного преобразователя частоты. При этом несмотря на то, что частота коммутации в каждом однофазном инверторе напряжения 5-1÷5-F ограничена частотой коммутации используемых полностью управляемых силовых полупроводниковых ключей, появляется возможность сдвига мгновенного синтезируемого напряжения каждым из однофазных инверторов напряжения 5-1÷5-F при этом эквивалентная частота коммутации напряжения приложенного к нагрузке увеличивается кратно числу однофазных инверторов напряжения 5-1÷5-F в каждой из фаз 10-1÷10-S электрического преобразователя 9-1 (9-2÷9-D). Увеличение эквивалентной частоты коммутации ведет к уменьшению потерь на переключение силовых ключей в каждом из однофазных инверторов напряжения 5-1÷5-F. Предложенная структура электрического преобразователя 9-1 (9-2÷9-D) позволяет снизить скорость нарастания напряжения (dU/dt) на нагрузке и помогает избежать резонансов электромагнитных процессов происходящих в электроприводе гребных винтов 7-1÷7-D.

Кроме того в предложенной электродвижительной установке судна при питании однофазных инверторов напряжения 5-1÷5-F разных электрических преобразователей 9-1 (9-2÷9-D) от одних и тех же выпрямителей напряжения 4-1÷4-N появляется возможность осуществлять передачу энергии от одного тягового электродвигателя 6-1 (6-2÷6-D) к другому тяговому электродвигателю 6-D (6-l÷6-(D-l)). При этом такая электродвижительная установка может осуществлять торможение и реверс тяговых электродвигателей 6-1÷6-D без использования тормозных цепочек.

Более подробно рассмотрим процессы, происходящие в электродвижительной установке судна с тремя гребными винтами 7-1÷7-3 при торможении и реверсе тяговых электродвигателей 6-1÷6-3 схема, которой представлена на Фиг. 9. Для торможения судна с тремя гребными винтами могут быть использованы различные алгоритмы работы. Различие в алгоритмах заключается в последовательности торможения вначале либо одного тягового электродвигателя 6-2, а потом двух оставшихся тяговых электродвигателей 6-1, 6-3 либо наоборот вначале торможения двух тяговых электродвигателей 6-1, 6-3, а потом одного тягового электродвигателя 6-2. Опуская математические расчеты и выкладки второй вариант является более предпочтительным по критерию времени торможения и реверса электродвижительной установки судна с несколькими гребными винтами. Более подробно рассмотрим данный алгоритм торможения и реверса тяговых электродвигателей 6-1÷6-3 гребных винтов 7-1÷7-3.

При необходимости торможения судна тяговые электродвигатели 6-1, 6-3 переводятся в генераторный режим, при этом рекуперируемая ими энергия поступает на общие шины выпрямителей напряжения 4-1÷4-6, происходит рост напряжения на данных шинах, при этом выпрямители напряжения 4-1÷4-6 находятся в запертом состоянии. Энергия, рекуперируемая тяговыми электродвигателями 6-1, 6-3, переведенными в генераторный (тормозной) режим, потребляется тяговым электродвигателем 6-2, работающим в двигательном режиме. После остановки тяговых электродвигателей 6-1, 6-3 они переводятся в двигательный режим с направлением вращения в противоположную сторону, а тяговый электродвигатель 6-2 работавший в двигательном режиме переводится в генераторный режим, а энергия, рекуперируемая им, передается на раскрутку тяговых электродвигателей 6-1, 6-3 переведенных в двигательный режим. После остановки тягового электродвигателя 6-2 он переводится в двигательный режим и осуществляется работа тяговых электродвигателей 6-1÷6-3 на реверс и тяги судна назад. На Фиг. 10 изображены направления потоков энергии при торможении и реверсе гребного электропривода с тремя гребными винтами по предложенному алгоритму работы.

Приведем временные диаграммы частоты вращения, момента и мощности на валу каждого из тяговых электродвигателей 6-1÷6-3. Для этого произведем математическое описание нагрузки - гребных винтов 7-1÷7-3 и тяговых электродвигателей 6-1÷6-3.

Функция, описывающая предельную реверсивную механическую характеристику каждого из гребных винтов 7-1, 7-2, 7-3 в относительных единицах, может быть записана с помощью полинома

График функции, описывающей предельную реверсивную механическую характеристику гребного винта в относительных единицах приведен на Фиг. 11. Управление частотой вращения вала ротора тягового электродвигателя 6-1 (6-2, 6-3) связано с управлением электромагнитным моментом. Эта связь непосредственно следует из основного уравнения движения представленного в операторной форме и записанного в относительных единицах:

где - механическая постоянная времени, - оператор диференцирования, J - момент инерции механизма, - базовое значение скорости, - базовое значение момента.

Тогда уравнения движения для каждого из тяговых электродвигателей 6-1÷6-3 имеют вид

Произведем математическое описание процесса торможения и реверса гребной электрической установки по предложенному алгоритму. Математическое описание и математическое моделирование процессов торможения и реверса будем производить в относительных единицах. Все вычисления и построение графиков выполнено в математическом пакете Maple.

Для осуществления торможения и реверса тягового электропривода вначале производим остановку тяговых электродвигателей 6-1, 6-3 с начальной величиной электромагнитного момента равной -1. Такая величина электромагнитного момента ограничена тем, что в момент начала торможения момент на валу тягового электродвигателя 6-2 не превысил величины двух номиналов. В случае значительного превышения величины электромагнитного момента на валу тягового электродвигателя 6-2 в первый момент времени он будет пытаться разогнать судно, в то время как тяговые электродвигатели 6-1, 6-3 будут пытаться его остановить, таким образом, гребные винты 7-1,7-3 и 7-2 будут работать в режиме раздрай. Далее величину электромагнитного момента тяговых электродвигателей 6-1, 6-3 можно снижать по линейному закону до величины -2.

Введем ограничения на максимально возможное значение электромагнитного момента, развиваемое всеми тяговыми электродвигателями 6-1÷6-3 равным величине

Пусть величина электромагнитного момента тяговых электродвигателей 6-1, 6-3 меняется по закону

Тогда исходя из равенства мощностей при условии получим при этом электромагнитный момент тягового электродвигателя 6-2 должен определяться согласно

Используя начальные условия ω₁(0) = 1, ω₂(0) = 1,ω₃(0) = 1, и законы изменения , получим зависимости ω₁(t), ω₂(t), ω₃(t) , , графики которых изображены на Фиг. 12. На Фиг. 13 изображены графики мощностей потребляемых тяговыми электродвигателями 6-1÷6-3 , ,. На Фиг. 14 изображена суммарная мощность на всех тяговых электродвигателях 6-1÷6-3 при их торможении и реверсе.

Из графиков (Фиг. 14) видно что до определенного момента времени (до момента вхождения в режим ограничения при котором сумма мощностей на валу всех гребных электродвигателей равна нулю при этом нет необходимости сброса энергии торможения на какой либо из потребителей. После достижения происходит отбор мощности от электрических преобразователей 9-1÷9-3 для работы тяговых электродвигателей 6-1÷6-3 на реверс. Таким образом, используя предложенную структуру (Фиг. 9) электродвижительной установки судна возможны различные комбинации и алгоритмы работы тяговых электродвигателей 6-1÷6-3 при торможении и реверсе судна без использования тормозного прерывателя и тормозного резистора в каждом из выпрямителей напряжения 4-1÷4-6 для быстрого торможения и реверса.

В долевых режимах работы электродвижительной установки судна с каскадным электрическим преобразователем для работы могут быть использованы несколько однофазных инверторов напряжения 5-1÷5-F, количество которых кратно числу фаз 10-1÷10-S электрического преобразователя 9-1 (9-2÷9-D). При этом в однофазных инверторах напряжения 5-1÷5-F подключенных каждый к своему выпрямителю напряжения 4-1÷4-N, которые выведены из работы, должны быть включены силовые транзисторы коллекторной или эмиттерной группы. При этом значительно снижаются динамические потери (потери на переключение) в силовых модулях электрического преобразователя 9-1 (9-2÷9-D). Следует отметить, что в этом случае тяговый электродвигатель 6-1 (6-2÷6-D) будет работать с мощностью ограниченной мощностью работающих однофазных инверторов напряжения 5-1÷5-F, а так же будет снижено качество синтезируемого напряжения на выходе электрического преобразователя 9-1 (9-2÷9-D) и уменьшен уровень мгновенного напряжения на его выходе. В случает выхода из строя либо отказа одного (либо нескольких при работающем хотя бы одном) выпрямителя напряжения 4-1÷4-N либо электрической обмотки 8-1 (8-2÷8-N) генераторного агрегата 2 электродвижительная установка судна остается работоспособной и будет продолжать работать с ограничением по выходной мощности на валу тягового электродвигателя 6-1 (6-2÷6-D).

На случай отказа одного из однофазных инверторов напряжения 5-1÷5-F в схеме электродвижительной установки судна, изображенной на Фиг. 2 предусмотрена установка коммутационных аппаратов 11-1÷11-F. При возникновении аварийной ситуации или отказа одного из однофазных инверторов напряжения 5-1 (5-2÷5-F) коммутационный аппарат 11-1 (11-2÷11-F) зашунтирует выходные контакты неисправного однофазного инвертора напряжения 5-1 (5-2÷5-F) исключая его из последовательной цепи фазы 10-1 (10-2÷10-S) электрического преобразователя 9-1 (9-2÷9-D). При этом исправные однофазные инверторы напряжения 5-1÷5-F могут продолжать работать и синтезировать требуемые уровни напряжении электрического преобразователя 9-1 (9-2÷9-D) для питания тягового электродвигателя 6-1 (6-2÷6-D). Данная схема может быть использована и в рабочем долевом режиме работы движительного комплекса, когда выведены из работы один либо несколько уровней электрического преобразователя 9-1 (9-2÷9-D) при этом выведенные из работы однофазные инверторы напряжения 5-1÷5-F будут зашунтированы.

Для осуществления питания потребителей собственных нужд 18 от генераторного агрегата 2 электродвижительный комплекс судна, схема которого представлена на Фиг. 3 снабжена дополнительным электрическим преобразователем 13 который согласует напряжения электрических обмоток 8-1÷8-N генераторного агрегата 2 и потребителей собственных нужд 18. Для дозагрузки по мощности генераторного агрегата 2 электродвижительного комплекса судна она может быть снабжена накопителем электрической энергии 16 с согласующим электрическим преобразователем 17. Накопитель электрической энергии 16 будет запасать энергию в долевых режимах работы электродвижительной установки судна, когда происходит работа с малой нагрузкой на валу тяговых электродвигателей 6-1÷6-D. В те моменты времени, когда идет разгон одного или нескольких тяговых электродвигателей 6-1÷6-D электрическая энергия для питания потребителей собственных нужд 18 будет потребляться из накопителя энергии 16. Согласующий электрический преобразователь 17 осуществляет управление потоками энергии между источниками и потребителями данной энергосистемы. В случае стоянки судна, когда нет необходимости в работе генераторного агрегата 2, электрическая энергия для питания потребителей собственных нужд 18 может быть получена от накопителя электрической энергии 16 через согласующий электрический преобразователь 17 либо от вспомогательного дизель-генератора 15. Автоматические выключатели 12-1÷12-(N+2) осуществляют набор различных вариантов схемы для реализации всевозможных режимов работы электродвижительной установки судна.

Предложенные схемы электродвижительной установки судна позволяют реализовать электрическую передачу практически неограниченной мощности, поскольку напряжение для питания тягового электродвигателя 6-1 (6-2÷6-D) набирается из напряжении низковольтных однофазных инверторов напряжения 5-1÷5-F которые имеют простую схемотехническую реализацию и высокую степень надежности. Еще одним достоинством предложенной электродвижительной установки судна является ее модульная структура, которая обеспечивает гибкость построения электродвижительной установки транспортного средства с различным исполнением и различным числом тяговых электродвигателей 6-1÷6-D, с различным номинальным уровнем напряжении как электрических обмоток 8-1÷8-N генераторного агрегата 2, так и тягового электродвигателя 6-1÷6-D.

На Фиг. 4 изображен электродвижительная установка судна, в которой предусмотрена установка накопителей электрической энергии 19-1÷19-N которые могут запасать энергию торможения тяговых электродвигателей 6-1÷6-D а при разгоне тяговых электродвигателей 6-1÷6-D отдавать запасенную энергию обратно на их разгон. При этом каждый из согласующих электрических преобразователей 20-1 (20-2÷20-N) осуществляет регулирование потока энергии между тяговым электродвигателем 6-1÷6-D и накопителем электрической энергии 19-1÷19-N.

Электродвижительная установка судна, схема которой представлена на Фиг. 5 может содержать тяговые электродвигатели 6-1÷6-D которые конструктивно выполнены в многообмоточном исполнении с изолированными обмотками на статоре. Такое схемное решение позволит значительно поднять единичную установленную мощность тяговых электродвигателей 6-1÷6-D. В такой структуре каждая изолированная обмотка тягового электродвигателя 6-1÷6-D управляется своим электрическим преобразователем 9-1÷9-Н. Огромным достоинством такой структуры (Фиг. 5) является то, что в случае отказа одного из электрических преобразователей 9-1÷9-Н целиком электродвижительная установка судна может продолжать работу с пропорциональным уменьшением мощности на валу тягового электродвигателя 6-1 (6-2÷6-D).

Электродвижительная установка судна, схема которой представлена на Фиг. 6 имеет абсолютно такие же функциональные свойства, что и структура, изображенная на Фиг. 5. Использование много якорного исполнения тягового электродвигателя 6-1÷6-D с независимыми якорями 21-1÷21-Y позволяет использовать стандартные серийно выпускаемые электрические машины.

С целью повышения качества синтезируемого напряжения на выходе электрического преобразователя 9-1 (9-2÷9-D) электродвижительный комплекс судна схема которого представлена на Фиг. 1 может быть выполнена так, что электрические обмотки 8-1, 8-2…8-S÷8-(N-S+1), 8-(N-S)…8-N генераторного агрегата 2 выполнены на разный уровень напряжения. При этом мгновенные напряжения, синтезируемые однофазными инверторами напряжения первого 5-1, 5-2÷5-S уровня и последующих 5-(S+1), 5-(S+2)÷5-S⋅2; уровней, каждого электрического преобразователя 9-1 (9-2÷9-D) различны и определяются согласно закону: мгновенное выходное напряжение однофазного инвертора напряжения первого уровня 5-1, 5-2÷5-S составляет половину от номинального выходного напряжения электрического преобразователя 9-1 (9-2÷9-D), а мгновенные номинальные напряжения однофазных инверторов напряжения 5-1÷5-F каждого последующего уровня 5-(S+1), 5-(S+2)÷5-S⋅2; в два раза меньше номинального напряжения однофазных инверторов напряжения 5-1÷5-S предыдущего уровня. На Фиг. 7 представлена осциллограмма фазного напряжения электрического преобразователя 9-1 (9-2÷9-D) фаза 10-1 (10-2÷10-S) которого состоит, из двух последовательно соединенных однофазных инверторов напряжения , которые выполнены с различными уровнями напряжения питания. Как видно на осциллограмме Фиг. 7 такой электрический преобразователь позволяет синтезировать девять уровней мгновенных напряжении при формировании фазного напряжения электрического преобразователя 9-1 (9-2÷9-D). На Фиг. 8 представлена таблица, которая наглядно отображает связь числа однофазных инверторов напряжения 5-1÷5-N, выполненных на разный уровень напряжения, включенных последовательно в каждой из фаз 10-1 (10-2÷10-S) электрического преобразователя 9-1 (9-2÷9-D) с числом уровней напряжения на выходе электрического преобразователя 9-1 (9-2÷9-D).

Таким образом, предложенная электроэнергетическая установка судна с несколькими гребными винтами обладает следующими достоинствами:

- исключение силового согласующего трансформатора рассчитанного на полную мощность электропривода судна (предложенная структура исключает недостатки использования каскадного электрического преобразователя в общепромышленном применении);

- использование простого серийно выпускаемого оборудования и элементной базы, высокая степень унификации, ремонтопригодности и взаимозаменяемости;

- высокая энергетическая эффективность, повышение коэффициента загрузки и повышение ресурса первичных тепловых двигателей за счет возможности использования такого их количества чтобы обеспечить требуемую текущую мощность на валу тягового электродвигателя;

- возможность осуществления торможения и реверса тяговых электродвигателей без использования сложных тормозных цепочек и дополнительного оборудования в силовом канале электрического преобразователя использованием перераспределения энергии между тяговыми электродвигателями;

- использование промежуточных накопителей позволяет значительно поднять энергетическую эффективность электроэнергетической установки и приблизить установленную мощность генераторных агрегатов к установленной мощности тяговых электродвигателей, что так же в лучшую сторону отразится на массогабаритных и энергетических характеристиках всей электроэнергетической установки судна;

- высокое качество синтезируемого напряжения для питания тягового электродвигателя, низкий уровень гармоник и нелинейных искажении в форме напряжения и тока;

- модульность предложенной структуры обеспечивает унификацию и стандартизацию используемых элементов, а также простоту диагностики, ремонта и замены вышедшего из строя элемента;

- масштабируемость обеспечивается гибкостью построения системы с возможностью повышения напряжения питания тягового электродвигателя путем подключения дополнительных однофазных инверторов напряжения;

- использование низковольтных элементов и компонентов однофазных инверторов напряжения электрического преобразователя при этом такая структура позволяет управлять мощной, высоковольтной нагрузкой;

- увеличение эквивалентной частоты коммутации электрического преобразователя по отношению к частоте коммутации каждого из однофазных инверторов напряжения;

- снижение скорости нарастания напряжения (dU/dt) на нагрузке что помогает избежать резонансов электромагнитных процессов происходящих в электроприводах гребных винтов;

- электрический преобразователь собирается из простых однофазных инверторов напряжения;

- возможность использования высокооборотного первичного теплового двигателя генераторного агрегата, который обладает лучшими массогабаритными и энергетическими характеристиками, а так же значительно увеличенным ресурсом;

- предложенная структура позволяет реализовать электропривод движительного комплекса судна практически неограниченной мощности при ограничениях, наложенных на параметры используемых силовых ключей в однофазных инверторах напряжения;

- высокая степень надежности благодаря простым, отработанным и низковольтным однофазным инверторам напряжения, а также возможностью безболезненного исключения из работы, вышедшего из строя однофазного инвертора напряжения либо части генераторного агрегата.

Изобретение относится к электрическим тяговым системам транспортных средств. Электродвижительная установка судна с несколькими гребными винтами содержит систему управления, генераторный агрегат, автоматические выключатели, выпрямители напряжения, инверторы напряжения и тяговые электродвигатели, механически соединенные каждый со своим гребным винтом. Причем автоматические выключатели, количество которых равно числу изолированных друг от друга электрических обмоток генераторного агрегата и числу выпрямителей напряжения, подключены своими выходными контактами к входу выпрямителей напряжения. Число инверторов напряжения каждого из электрических преобразователей тяговых электродвигателей равно числу выпрямителей напряжения, количество которых кратно числу фаз тягового электродвигателя. Однофазные инверторы напряжения каждого из электрических преобразователей сгруппированы по фазам преобразователя и в каждой из фаз инверторы соединены последовательно. Начала фаз преобразователя соединены между собой, а условные концы фаз преобразователя подключены к фазам тягового электродвигателя. Каждый из инверторов каждого преобразователя своими входными контактами подключен к выходу своего выпрямителя напряжения. Технический результат заключается в улучшении эксплуатационных характеристик системы электродвижения. 14 ил.

Электродвижительная установка судна с несколькими гребными винтами, содержащая систему управления, генераторный агрегат, автоматические выключатели, выпрямители напряжения, инверторы напряжения и тяговые электродвигатели, механически соединенные каждый со своим гребным винтом, причем автоматические выключатели, количество которых равно числу изолированных друг от друга электрических обмоток генераторного агрегата и числу выпрямителей напряжения, подключены своими выходными контактами к входу выпрямителей напряжения, отличающаяся тем, что инверторы напряжения выполнены по схеме однофазных инверторов напряжения, причем все инверторы напряжения сгруппированы в электрические преобразователи каждого из тяговых электродвигателей, число инверторов напряжения каждого из электрических преобразователей тяговых электродвигателей равно числу выпрямителей напряжения, количество которых кратно числу фаз тягового электродвигателя, однофазные инверторы напряжения каждого из электрических преобразователей тяговых электродвигателей сгруппированы по фазам электрического преобразователя тягового электродвигателя, количество фаз электрического преобразователя тягового электродвигателя равно количеству фаз тягового электродвигателя, каждая фаза электрического преобразователя содержит такое количество однофазных инверторов напряжения, количество которых равно числу выпрямителей напряжения, разделенному на количество фаз тягового электродвигателя, однофазные инверторы напряжения в каждой из фаз электрического преобразователя своими выходными контактами соединены последовательно, условные начала фаз электрического преобразователя соединены между собой, а условные концы фаз электрического преобразователя подключены к фазам тягового электродвигателя, каждый из однофазных инверторов напряжения каждого электрического преобразователя тягового электродвигателя своими входными одноименными контактами подключен к выходу своего выпрямителя напряжения, а изолированные друг от друга электрические обмотки генераторного агрегата подключены на вход каждая к своему автоматическому выключателю.