Судовая электроэнергетическая установка (варианты) Российский патент 2020 года по МПК B63H23/24 B63H21/17 B60L50/13 H02M5/42 

Изобретение относится к судостроению, в частности к электроэнергетическим установкам судов с преобразователями частоты и гребными электродвигателями.

Аналогом является, например, изобретение «Marine propulsion system with reduced on-board network distortion factor» (патент WO 02/100716 A1), содержащая двигатели внутреннего сгорания или турбины, вращающие роторы генераторов переменного тока, трехфазные обмотки статоров которых подключены к трехфазным линиям главного распределительного щита, к трехфазным линиям главного распределительного щита подключены первичные обмотки пропульсивных трансформаторов. К вторичным обмоткам пропульсивных трансформаторов подключаются входы 12-пульсных выпрямителей, входящих в состав преобразователей частоты, к выходам которых подключены гребные электродвигатели переменного тока.

Наиболее близка к предлагаемой судовой электроэнергетической установке, судовая электроэнергетическая установка (патент РФ 2436708, В63Н 21/17), содержащая главные дизели, вращающие роторы главных трехфазных синхронных генераторов, на статорах которых размещаются две аналогичные трехфазные обмотки, линейные напряжения на которых смещены друг относительно друга на 30 электрических градусов. Выводы обмоток статора подключены через автоматические выключатели к трехфазным линиям питания главного распределительного щита, число которых равно числу трехфазных обмоток статора одного из генераторов. К трехфазным линиям главного распределительного щита подключены входы 12-пульсных выпрямителей, обеспечивающих малые пульсации выходного напряжения. Выпрямленное напряжение с выхода каждого выпрямителя поступает на вход автономных инверторов напряжения, входящих в состав преобразователей частоты, а с выхода автономных инверторов переменное напряжение, управляемое по амплитуде и частоте, поступает на обмотки статоров гребных электродвигателей переменного тока. К каждой трехфазной линии главного распределительного щита через автоматические выключатели подключены также первичные обмотки трехфазных трансформаторов, а вторичные обмотки, имеющие различные схемы соединения, через автоматические выключатели подключены к одной и той же трехфазной линии питания распределительного щита остальных судовых потребителей, к которой через автоматические выключатели подключена обмотка статора стояночного дизель-генератора, трехфазная линия распределительного щита аварийного дизель-генератора, а также фидеры и распределительные щиты отдельных судовых потребителей.

В прототипе питание распределительного щита остальных судовых потребителей, осуществляется от вторичных обмоток двух трансформаторов, имеющих различные схемы соединения обмоток, а первичные обмотки трансформаторов подключаются к трехфазным линиям главного распределительного щита. Применение трансформаторов для питания распределительного щита остальных судовых потребителей, позволяет согласовать требуемое значение напряжения для остальных судовых потребителей с напряжением на линиях главного распределительного щита, без изменения значения частоты напряжения. При таком способе питания распределительного щита остальных судовых потребителей, исключается возможность применения синхронных генераторов, формирующих напряжение с большой частотой, которые обладают меньшими габаритами и массой.

Предлагаемое изобретение позволит создать судовую электроэнергетическую установку с низкими габаритами и массой.

Это достигается тем, что в предлагаемой судовой электроэнергетической установке, содержащей главные дизели или турбины, вращающие роторы главных синхронных генераторов, обмотки которых через автоматические выключатели подключены к линиям главного распределительного щита, преобразователи частоты, включающие выпрямители и инверторы, входы которых подключены к линиям главного распределительного щита, а к выходам преобразователей частоты подключены гребные электродвигатели, а также распределительный щит остальных судовых потребителей, согласно изобретению по первому варианту, применяются синхронные генераторы, на роторе которых расположены постоянные магниты, а на статоре размещены две гальванически развязанные трехфазные обмотки, которые через автоматические выключатели подключаются к двум линиям главного распределительного щита. К двум линиям главного распределительного щита через автоматические выключатели подключены также первичные обмотки трансформатора остальных судовых потребителей, а трехфазная вторичная обмотка трансформатора подключается к входу преобразователя частоты. Выход преобразователя частоты через автоматический выключатель подключен к трехфазной линии питания распределительного щита остальных судовых потребителей.

Выполнение в судовой электроэнергетической установке главных генераторов, на роторах которых располагаются постоянные магниты, а на статорах размещены две гальванически развязанные трехфазные обмотки, смещенные относительно друг друга на 30 электрических градусов, позволяет существенно повысить частоту вращения генераторов, а значит и частоту напряжения, формируемого генераторами, что позволяет минимизировать габариты и массу главных генераторов. Преобразователь частоты, от которого получает питание щит остальных судовых потребителей, осуществляет согласование частоты напряжения, требуемого для питания остальных судовых потребителей, с напряжением на генераторных агрегатах, что в итоге позволяет снизить габариты и массу электроэнергетической установки.

На фиг. 1 показана структурная схема предлагаемой судовой электроэнергетической установки (первый вариант).

В изображенной на фиг. 1 структурной схеме судовой электроэнергетической установки выходной вал 2 первого главного дизеля (или турбины) 1 соединен с ротором синхронного генератора 3, на котором размещены постоянные магниты. На статоре синхронного генератора 3 размещены две гальванически развязанные трехфазные обмотки 4 и 5. Трехфазные обмотки 4 и 5 сдвинуты друг относительно друга на 30 электрических градусов. Трехфазная обмотка 4, через автоматический выключатель 6 подключается к трехфазной линии 7 главного распределительного щита 10. Трехфазная обмотка 5, через автоматический выключатель 8 подключается к трехфазной линии 9 главного распределительного щита 10.

Выходной вал 12 второго главного дизеля (или турбины) 11 соединен с ротором синхронного генератора 13, на котором размещены постоянные магниты. На статоре синхронного генератора 13 размещены две гальванически развязанные трехфазные обмотки 14 и 15. Трехфазные обмотки 14 и 15 сдвинуты друг относительно друга на 30 электрических градусов. Трехфазная обмотка 14, через автоматический выключатель 16 подключается к трехфазной линии 17 главного распределительного щита 10. Трехфазная обмотка 15, через автоматический выключатель 18 подключается к трехфазной линии 19 главного распределительного щита 10.

Трехфазная линия 7 и трехфазная линия 17 могут быть соединены автоматическим выключателем 20. Трехфазная линия 9 и трехфазная линия 19 могут быть соединены автоматическим выключателем 21.

К трехфазным линиям 9 и 7 с помощью автоматических выключателей соответственно 22 и 24 подключаются входы 6-пульсных выпрямителей 23 и 25, входящих в состав преобразователя частоты 26. К выходам 6-пульсных выпрямителей 23 и 25, подключаются входы трехуровневого автономного инвертора напряжения 27, также входящего в состав преобразователя частоты 26. К выходу инвертора 27 подключается обмотка гребного электродвигателя 28, на валу которого установлен гребной винт 29.

К трехфазным линиям 19 и 17 с помощью автоматических выключателей соответственно 30 и 32 подключаются входы 6-пульсных выпрямителей 31 и 33, входящих в состав преобразователя частоты 34. К выходам 6-пульсных выпрямителей 31 и 33, подключаются входы трехуровневого автономного инвертора напряжения 35, также входящего в состав преобразователя частоты 34. К выходу инвертора 35 подключается обмотка гребного электродвигателя 36, на валу которого установлен гребной винт 37.

К трехфазной линии 19 с помощью автоматического выключателя 38 подключается первая первичная обмотка 39 трансформатора 40, соединенная звездой. К трехфазной линии 17 с помощью автоматического выключателя 41 подключается вторая первичная обмотка 42 трансформатора 40, соединенная треугольником. Вторичная обмотка 43 трансформатора 40, соединенная звездой, подключается к преобразователю частоты 44, выход которого, через автоматический выключатель 45 подключается к трехфазной линии 46 щита судовых потребителей 47. Фидеры судовых потребителей 49, через автоматические выключатели 48, подключаются к трехфазной линии 46 щита судовых потребителей 47.

Предлагаемая судовая электроэнергетическая установка работает следующим образом. После запуска главных дизелей 1 и 11 устройства регулирования частоты синхронных генераторов 3 и 13 обеспечивают на выходе генераторов 3 и 13 номинальные напряжение и частоту. Затем автоматические выключатели 6 и 8 подключают обмотки 4 и 5 синхронного генератора 3 к линиям 7 и 9, а автоматические выключатели 16 и 18 подключают обмотки 14 и 15 синхронного генератора 13 к линиям 17 и 19 главного распределительного щита 10. Перед включением автоматических выключателей 20 и 21 производится синхронизация синхронных генераторов 3 и 13 по частоте, при этом достаточно обеспечить условия синхронизации генераторов 3 и 13 только по напряжениям на одной паре трехфазных обмоток, например, 4 и 14, так как синхронизация напряжений на другой паре обмоток (5 и 15) также будет обеспечена, поскольку трехфазные обмотки 5 и 15 аналогичны. После включения автоматических выключателей 20 и 21 трехфазные линии 7 и 17, и трехфазные линии 9 и 19 соединены и синхронные генераторы 3 и 13 будут работать параллельно.

При замыкании автоматических выключателей 22 и 24 входы 6-пульсных выпрямителей 23 и 25, преобразователя частоты 26, подключаются к трехфазным линиям 9 и 7. Выпрямленные напряжения с выходов выпрямителей 23 и 25 поступают на входы трехуровневого автономного инвертора напряжения 27, и с выхода инвертора 27 управляемое переменное напряжение подается на обмотку гребного электродвигателя 28, вращающего винт 29.

Аналогичным образом будет работать вторая гребная установка. При замыкании автоматических выключателей 30 и 32 входы 6-пульсных выпрямителей 31 и 33, преобразователя частоты 34, подключаются к трехфазным линиям 19 и 17. Выпрямленные напряжения с выходов выпрямителей 31 и 33 поступают на входы трехуровневого автономного инвертора напряжения 35, и с выхода инвертора 35 управляемое переменное напряжение подается на обмотку гребного электродвигателя 36, вращающего винт 37.

Для обеспечения электроэнергией остальных судовых потребителей к линии 19 главного распределительного щита 10 через автоматический выключатель 38 подключается первая первичная обмотка 39 трансформатора 40, соединенная звездой. К линии 17 главного распределительного щита 10 через автоматический выключатель 41 подключается вторая первичная обмотка 42 трансформатора 40, соединенная треугольником. Вторичная обмотка 43 трансформатора 40, соединенная звездой, подключается к входу преобразователя частоты 44. К выходу преобразователя частоты 44, через автоматический выключатель 45, подключается трехфазная линия 46 распределительного щита 47 судовых потребителей. Фидеры судовых потребителей 49, через автоматические выключатели 48, подключаются к трехфазной линии 46 щита судовых потребителей 47.

Таким образом, в предлагаемой судовой электроэнергетической установке главные генераторы, на роторах которых размещены постоянные магниты, а на статорах две гальванически развязанные трехфазные обмотки, смещенные относительно друг друга на 30 электрических градусов, формирующих напряжение с большой частотой, а также трансформатор и преобразователь частоты, обеспечивающие питанием остальных судовых потребителей, позволяют снизить массу и габариты установки.

Значение КПД судовой электроэнергетической установки можно увеличить.

Согласно второму варианту, в предлагаемой судовой электроэнергетической установке, содержащей главные дизели или турбины, вращающие роторы главных синхронных генераторов. На роторе которых расположены постоянные магниты. На статоре которых размещены две гальванически развязанные трехфазные обмотки, смещенные относительно друг друга на 30 электрических градусов, которые через автоматические выключатели подключены к линиям питания главного распределительного щита, к которым через автоматические выключатели подключены входы 6-пульсных выпрямителей, содержащихся в главном распределительном щите. Частота напряжения, формируемая синхронными генератора больше, чем требуемая для общесудовых потребителей. Входы каждого 3-пульсного выпрямителя подключаются к двум линиям главного распределительного щита, напряжения на которых смещены друг относительно друга на 30 электрических градусов. Число выпрямителей равно числу обмоток синхронных генераторов. Выходы выпрямителей подключены к входам трехуровневого автономного инвертора напряжения, питающего гребной электродвигатель. К паре линий главного распределительного щита через автоматические выключатели подключены также первичные обмотки трансформатора общесудовых потребителей, а трехфазная вторичная обмотка трансформатора подключается к входу преобразователя частоты. Выход преобразователя частоты через автоматический выключатель присоединен к трехфазной линии питания распределительного щита остальных судовых потребителей.

Выполнение в судовой электроэнергетической установке главных генераторов, на роторах которых располагаются постоянные магниты, а на статорах размещены две гальванически развязанные трехфазные обмотки, смещенные относительно друг друга на 30 электрических градусов, 6-пульсных выпрямителей, позволяет получить два источника постоянного тока, обладающих малыми пульсациями напряжения, необходимыми для работы трехуровневого автономного инвертора напряжения. Минимальные пульсации выходного напряжения 6-пульсных выпрямителей обеспечиваются путем применения синхронных генераторов, формирующих напряжение с большой частотой, чем требуемая частота напряжения для общесудовых потребителей. Преобразователь частоты позволяет согласовать параметры напряжения на вторичной обмотке трансформатора общесудовых потребителей, с требуемыми характеристиками напряжения для общесудовых потребителей. Таким образом, в отличие от прототипа, в предлагаемой судовой электроэнергетической установке применяются синхронные генераторы с малыми габаритам, а также обеспечивается более высокое качество напряжения питания гребного электродвигателя, что позволяет снизить потери в гребном электродвигателе, вследствие чего повышается КПД электроэнергетической установки, а также снижается ее масса и габариты.

На фиг. 2 показана структурная схема предлагаемой судовой электроэнергетической установки.

В изображенной на фиг. 2 структурной схеме судовой электроэнергетической установки выходной вал 2 первого главного дизеля (или турбины) 1 соединен с ротором синхронного генератора 3, на котором размещены постоянные магниты. На статоре синхронного генератора 3 размещены две гальванически развязанные трехфазные обмотки 4 и 5. Трехфазные обмотки 4 и 5 сдвинуты друг относительно друга на 30 электрических градусов. Трехфазная обмотка 4, через автоматический выключатель 6 подключается к трехфазной линии 7 главного распределительного щита 10. Трехфазная обмотка 5, через автоматический выключатель 8 подключается к трехфазной линии 9 главного распределительного щита 10.

Выходной вал 12 второго главного дизеля (или турбины) 11 соединен с ротором синхронного генератора 13, на котором размещены постоянные магниты. На статоре синхронного генератора 13 размещены две гальванически развязанные трехфазные обмотки 14 и 15. Трехфазные обмотки 14 и 15 сдвинуты друг относительно друга на 30 электрических градусов. Трехфазная обмотка 14, через автоматический выключатель 16 подключается к трехфазной линии 17 главного распределительного щита 10. Трехфазная обмотка 15, через автоматический выключатель 18 подключается к трехфазной линии 19 главного распределительного щита 10.

Трехфазная линия 7 и трехфазная линия 17 могут быть соединены автоматическим выключателем 20. Трехфазная линия 9 и трехфазная линия 19 могут быть соединены автоматическим выключателем 21.

К трехфазным линиям 9 и 7 с помощью автоматических выключателей соответственно 22 и 24 подключаются входы 6-пульсных выпрямителей 23 и 25. К выходам 6-пульсных выпрямителей 23 и 25, через автоматические выключатели 26 и 27 подключается трехуровневый автономный инвертор напряжения 28. К выходам 6-пульсных выпрямителей 23 и 25, через автоматические выключатели 29 и 30 подключается трехуровневый автономный инвертор напряжения 31. К выходам трехуровневых автономных инверторов напряжения 28 и 31 подключаются обмотки 32 и 33 гребного электродвигателя 34, на валу которого установлен гребной винт 35.

К трехфазным линиям 19 и 17 с помощью автоматических выключателей соответственно 36 и 38 подключаются входы 6-пульсных выпрямителей 37 и 39. К выходам 6-пульсных выпрямителей 37 и 39, через автоматические выключатели 40 и 41 подключается трехуровневый автономный инвертор напряжения 42. К выходам 6-пульсных выпрямителей 37 и 39, через автоматические выключатели 43 и 44 подключается трехуровневый автономный инвертор напряжения 45. К выходам трехуровневых автономных инверторов напряжения 42 и 45 подключаются обмотки 46 и 47 гребного электродвигателя 48, на валу которого установлен гребной винт 49.

К трехфазной линии 19 с помощью автоматического выключателя 50 подключается первая первичная обмотка 51 трансформатора 52, соединенная звездой. К трехфазной линии 17 с помощью автоматического выключателя 53 подключается вторая первичная обмотка 54 трансформатора 52, соединенная треугольником. Вторичная обмотка 55 трансформатора 52, соединенная звездой, подключается к преобразователю частоты 56, выход которого, через автоматический выключатель 57 подключается к трехфазной линии 58 щита судовых потребителей 59. Фидеры судовых потребителей 61, через автоматические выключатели 60, подключаются к трехфазной линии 58 щита судовых потребителей 59.

Предлагаемая судовая электроэнергетическая установка работает следующим образом. После запуска главных дизелей 1 и 11 устройства регулирования частоты синхронных генераторов 3 и 13 обеспечивают на выходе генераторов 3 и 13 номинальные напряжение и частоту. Затем автоматические выключатели 6 и 8 подключают обмотки 4 и 5 синхронного генератора 3 к линиям 7 и 9, а автоматические выключатели 16 и 18 подключают обмотки 14 и 15 синхронного генератора 13 к линиям 17 и 19 главного распределительного щита 10. Перед включением автоматических выключателей 20 и 21 производится синхронизация синхронных генераторов 3 и 13 по частоте, при этом достаточно обеспечить условия синхронизации генераторов 3 и 13 только по напряжениям на одной паре трехфазных обмоток, например, 4 и 14, так как синхронизация напряжений на другой паре обмоток (5 и 15) также будет обеспечена, поскольку трехфазные обмотки 5 и 15 аналогичны. После включения автоматических выключателей 20 и 21 трехфазные линии 7 и 17, и трехфазные линии 9 и 19 соединены и синхронные генераторы 3 и 13 будут работать параллельно.

При замыкании автоматических выключателей 22 и 24 входы 6-пульсных выпрямителей 23 и 25 подключаются к трехфазным линиям 9 и 7. Выпрямленные напряжения с выходов выпрямителей 23 и 25 через автоматические выключатели 26, 27 и 29, 30 поступают на входы трехуровневых автономных инверторов напряжения 28 и 31, и с выходов инверторов 28 и 31 управляемое переменное напряжение подается на трехфазные обмотки 32 и 33 гребного электродвигателя 34, вращающего винт 35.

Аналогичным образом будет работать вторая гребная установка. При замыкании автоматических выключателей 36 и 38 входы 6-пульсных выпрямителей 37 и 39 подключаются к трехфазным линиям 19 и 17. Выпрямленные напряжения с выходов выпрямителей 37 и 39 через автоматические выключатели 40, 41 и 43, 44 поступают на входы трехуровневых автономных инверторов напряжения 42 и 45, и с выходов инверторов 42 и 45 управляемое переменное напряжение подается на трехфазные обмотки 46 и 47 гребного электродвигателя 48, вращающего винт 49.

Для обеспечения электроэнергией остальных судовых потребителей к линии 19 главного распределительного щита 10 через автоматический выключатель 50 подключается первая первичная обмотка 51 трансформатора 52, соединенная звездой. К линии 17 главного распределительного щита 10 через автоматический выключатель 53 подключается вторая первичная обмотка 54 трансформатора 52, соединенная треугольником. Вторичная обмотка 55 трансформатора 52, соединенная звездой, подключается к входу преобразователя частоты 56. К выходу преобразователя частоты 56, через автоматический выключатель 57, подключается трехфазная линия 58 распределительного щита 59 судовых потребителей. Фидеры судовых потребителей 61, через автоматические выключатели 60, подключаются к трехфазной линии 58 щита судовых потребителей 59.

Таким образом, в предлагаемой судовой электроэнергетической установке главные генераторы, на роторах которых размещены постоянные магниты, а на статорах две гальванически развязанные трехфазные обмотки, смещенные относительно друг друга на 30 электрических градусов, двумя 6-пульсными выпрямителями, минимальные пульсации напряжения у которых обеспечиваются благодаря применения синхронных генераторов, формирующих напряжение с большой частотой, чем требуемая частота напряжения для общесудовых потребителей, а также трехуровневыми автономными инверторами напряжения позволяет снизить потери в гребных электродвигателях и в целом повысить КПД судовой электроэнергетической установки, снизить массу и габариты.

Группа изобретений относится к электрическому приводу судовых движителей. Судовая электроэнергетическая установка содержит главные дизели или турбины и главные синхронные генераторы, на статоре которых размещены две трехфазные, гальванически развязанные обмотки, смещенные на 30 электрических градусов. Статорные обмотки через автоматические выключатели подключены к двум трехфазным линиям главного распределительного щита, к которым подключены входы выпрямителей, к выходу которых подключены входы автономных инверторов напряжения, к выходу которых подключены гребные электродвигатели. При этом на роторе синхронных генераторов размещены постоянные магниты. К каждой линии главного распределительного щита через автоматические выключатели подключены первичные обмотки трехфазного трансформатора, а вторичная обмотка трансформатора подключена к входу преобразователя частоты. Выход преобразователя частоты через автоматический выключатель подключен к линии распределительного щита остальных судовых потребителей. Также заявлен вариант судовой электроэнергетической установки, в которой выпрямители входят в состав главного распределительного щита. Технический результат заключается в повышении КПД при снижении массы и габаритов. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Судовая электроэнергетическая установка, содержащая главные дизели или турбины и главные синхронные генераторы, на статоре которых размещены две трехфазные, гальванически развязанные обмотки, смещенные на 30 электрических градусов, которые через автоматические выключатели подключены к двум трехфазным линиям главного распределительного щита, к которым подключены входы выпрямителей, к выходу которых подключены входы автономных инверторов напряжения, к выходу которых подключены гребные электродвигатели, и к каждой линии главного распределительного щита через автоматические выключатели подключены первичные обмотки трехфазного трансформатора, а вторичная обмотка трансформатора подключена к входу преобразователя частоты, выход которого через автоматический выключатель подключен к линии распределительного щита остальных судовых потребителей, при этом на роторе синхронных генераторов размещены постоянные магниты.

2. Судовая электроэнергетическая установка, содержащая главные дизели или турбины и главные синхронные генераторы, на статоре которых размещены две трехфазные, гальванически развязанные обмотки, смещенные на 30 электрических градусов, которые через автоматические выключатели подключены к двум трехфазным линиям главного распределительного щита, к которым подключены входы выпрямителей, выходы выпрямителей, входящих в состав главного распределительного щита, подключены к входам трехуровневых инверторов напряжения, выходы которых подключены к обмоткам гребных электродвигателей, к каждой линии главного распределительного щита через автоматические выключатели подключены первичные обмотки трехфазного трансформатора, а вторичная обмотка трансформатора подключена к входу преобразователя частоты, выход которого через автоматический выключатель подключен к линии распределительного щита остальных судовых потребителей, при этом на роторе синхронных генераторов размещены постоянные магниты.