ГРЕБНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С ДВОЙНЫМИ ШИНАМИ ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 2022 года по МПК B60L50/13 B63H21/17 B63H23/24 H02M5/42 

Изобретение относится к судостроению, в частности к гребным электрическим установкам судов как гражданского, так и военно-морского флота, для которых необходимо обеспечить питание гребных электродвигателей с возможностью частых пусков и торможений, и с широким диапазоном регулирования частоты вращения гребных винтов и возможностью обеспечения питания потребителей собственных нужд.

Известна гребная электрическая установка с многоуровневыми преобразователями частоты (патент RU 2475376 (С1), МПК B60L11/00, B63H21/17, H02M7/00, опубл. 27.12.2012), содержащая генераторные агрегаты с источниками электроэнергии, коммутационные аппараты, главный распределительный щит, многообмоточные трансформаторы, разъединитель, выпрямительные модули, конденсаторы звена постоянного тока, многоуровневые инверторы и двухобмоточный гребной электродвигатель. Достоинством аналога является использование многоуровнего преобразователя частоты, позволяющего обеспечить высокое качество синтезируемого напряжения для питания обмоток гребного электродвигателя.

Недостатком известной установки является наличие двух многообмоточных силовых согласующих трансформаторов, большое количество преобразований электрической энергии, а так же необходимости рассеивания энергии при торможении гребного электродвигателя. Кроме того к недостаткам известной структуры относится отсутствие возможности питания потребителей собственных нужд.

Известна гребная электрическая установка (патент WO 2009/135736 A1, МПК H02J 3/38, B63H 23/24, H02J 9/06, опубл. 12.11.2009), содержащая генераторные агрегаты с источниками электроэнергии, коммутационные аппараты, главный распределительный щит с двумя секциями, многообмоточные трансформаторы, выпрямительные модули, конденсаторы звена постоянного тока, многоуровневые инверторы и два двухобмоточных гребных электродвигателя. Причем питание одной из независимых обмоток каждого из гребных электродвигателей, возможно, осуществить как от одного, так и от другого генераторного агрегата. Достоинством аналога является высокая степень надежности и живучести системы электродвижения. Так при отказе одного из гребных электродвигателей, электрических преобразователей либо генераторных агрегатов система электродвижения продолжает работать с ограничениями, наложенными на величину мощности движительного комплекса. Кроме того система обладает высоким показателем энергетической эффективности.

Недостатком известной структуры является большое количество сложного оборудования и большое количество преобразований электрической энергии. Кроме того к недостаткам установки относится невозможность полезного использования энергии торможения гребных электродвигателей, а также отсутствие питания потребителей собственных нужд.

Наиболее близкой по технической сущности является гребная электрическая установка (патент WO 2008/081189 A1, МПК B63H 21/17, H02J 3/38, B63H 23/24, опубл. 10.07.2008), содержащая четыре главных генераторных агрегата с источниками электроэнергии, коммутационные аппараты, главный распределительный щит, состоящий из секции главных генераторных агрегатов, согласующие трансформаторы, активные выпрямители напряжения, конденсаторы звена постоянного тока, инверторы напряжения, четыре гребных электродвигателя – по два соединенные в тандем, два электропривода подруливающих устройств, согласующие трансформаторы и потребители собственных нужд. Секции главных генераторных агрегатов образуют правый и левый борт питания гребных электродвигателей, причем питание гребных электродвигателей одного борта возможно осуществить от любых главных генераторных агрегатов. Достоинством такой структуры является возможность питания от главных генераторных агрегатов через согласующие трансформаторы потребителей собственных нужд. Кроме того использование активных выпрямителей напряжения позволяет обеспечить высокие показатели качества электроэнергии на шинах секции главного распределительного щита.

Недостатком известной установки является наличие большого количества сложного и дорогого оборудования гребной электрической установки, а также то, что при необходимости торможения гребного электропривода без использования тормозной цепи энергия между гребными электродвигателями будет перетекать через секции главных генераторных агрегатов и согласующие трансформаторы. Кроме того для обеспечения питания потребителей собственных нужд переменным напряжением фиксированной частоты генераторные агрегаты, включающие первичный тепловой двигатель и электрический генератор, должны быть выполнены низкооборотными, что увеличивает габариты и массу источников электроэнергии на судне. Кроме того необходима система стабилизации и синхронизации частоты вращения первичных тепловых двигателей генераторных агрегатов для стабилизации частоты выходного напряжения и синхронизации совместной работы генераторных агрегатов. При этом первичные тепловые двигатели не всегда будут работать с максимальным показателем энергетической эффективности, который существенно зависит от загрузки электрических генераторов.

Предлагаемая гребная электроэнергетическая установка с двойными шинами постоянного тока позволяет по сравнению с прототипом сократить количество элементов электродвижительного комплекса, снизить энергопотребление, повысить надежность работы и обеспечить питание потребителей собственных нужд от промежуточных электрических преобразователей со стабилизацией параметров питающего напряжения и независящих от работы электроприводов гребных винтов. К достоинствам предлагаемой установки также относится возможность обеспечения питанием внешних береговых либо буксируемых потребителей, что значительно расширяет ее функциональные возможности. Кроме того предложенная электрическая установка судна может быть построена с использованием высокооборотных без редукторных главных генераторных агрегатов с выходным напряжением повышенной частоты, а инверторы напряжения гребных электродвигателей построены на основе трехуровневых инверторов напряжения, которые позволяют получать высокое качество синтезируемого напряжения для питания гребных электродвигателей. Кроме того предложенная электрическая установка позволяет исключить устройства мягкого пуска для заряда накопительных конденсаторов инверторов напряжения, которые использованы в прототипе.

Для достижения указанного технического результата используется следующая совокупность существенных признаков: гребная электрическая установка с двойными шинами постоянного тока, содержащая четыре генераторных агрегата каждый из которых состоит из механически соединенных первичного теплового двигателя и электрического генератора переменного тока, четыре автоматических выключателя, четыре выпрямителя напряжения, четыре инвертора напряжения, четыре гребных электродвигателя переменного тока и два гребных винта, каждый из инверторов напряжения подключен своим выходом к обмотке своего гребного электродвигателя, при этом гребные электродвигатели, получающие питание от первого и второго инверторов напряжения, соединены в тандем и посажены на один вал с гребным винтом правого борта, а гребные электродвигатели, получающие питание от третьего и четвертого инверторов напряжения, соединены в тандем и посажены на один вал с гребным винтом левого борта, в отличие от прототипа дополнительно содержит систему управления, четыре датчика тока и два датчика напряжения, а каждый из электрических генераторов генераторного агрегата содержит обмотку возбуждения со своим электрическим преобразователем, автоматические выключатели выполнены с возможностью дистанционного управления, статорная обмотка каждого электрического генератора генераторного агрегата через свой автоматический выключатель подключена на вход своего выпрямителя напряжения, при этом выводы постоянного тока первого и второго выпрямителей напряжения соединены последовательно согласованно и образуют положительный и отрицательный выводы постоянного тока правого борта, выводы постоянного тока третьего и четвертого выпрямителей напряжения соединены последовательно согласованно и образуют положительный и отрицательный выводы постоянного тока левого борта, каждый из датчиков напряжения установлен на выводах постоянного тока своего борта, первый и третий, а также второй и четвертый инверторы напряжения попарно своими входами соединены параллельно, при этом положительные входы первого и третьего инверторов напряжения через первый датчик тока подключены к положительному выводу постоянного тока правого борта, отрицательные входы первого и третьего инверторов напряжения через второй датчик тока подключены к отрицательному выводу постоянного тока правого борта, положительные входы второго и четвертого инверторов напряжения через третий датчик тока подключены к положительному выводу постоянного тока левого борта, отрицательные входы второго и четвертого инверторов напряжения через четвертый датчик тока подключены к отрицательному выводу постоянного тока левого борта, управление автоматическими выключателями, электрическими преобразователями обмоток возбуждения электрических генераторов и первичными тепловыми двигателями генераторных агрегатов, инверторами напряжения осуществляется от системы управления, куда заведены информационные выходы датчиков тока и напряжения.

Кроме того с целью расширения функциональных возможностей и улучшения технических характеристик гребная электрическая установка с двойными шинами постоянного тока, может содержать инверторы напряжения, выполненные трехуровневыми, причем нулевая точка первого и третьего трехуровневых инверторов напряжения соединены между собой и подключены на общую точку соединения первого и второго выпрямителей напряжения, нулевая точка второго и четвертого трехуровневых инверторов напряжения соединены между собой и подключены на общую точку соединения третьего и четвертого выпрямителей напряжения.

Кроме того с целью расширения функциональных возможностей и улучшения технических характеристик гребная электрическая установка с двойными шинами постоянного тока, может дополнительно содержать две тормозные цепочки, каждая из которых подключена к положительному и отрицательному выводу постоянного тока своего борта, при этом каждая тормозная цепь состоит из транзистора диода и тормозного резистора, причем коллектор транзистора соединен с положительным выводом постоянного тока своего борта, эмиттер транзистора соединен с катодом диода и первым выводом тормозного резистора, второй вывод которого соединен с анодом диода и отрицательной выводом постоянного тока своего борта.

Кроме того с целью расширения функциональных возможностей и улучшения технических характеристик гребная электрическая установка с двойными шинами постоянного тока, может дополнительно содержать два инвертора напряжения, два двухобмоточных согласующих трансформатора, шесть дополнительных автоматических выключателей, два распределительных щита, два щита питания с берега, два вспомогательных дизель-генератора и потребители собственных нужд каждого из бортов, причем первый дополнительный инвертор напряжения своими входами согласовано, подключен к входам первого и третьего инверторов напряжения, а выход первого дополнительного инвертора напряжения подключен на первичную обмотку первого двухобмоточного согласующего трансформатора, вторичная обмотка которого через первый дополнительный автоматический выключатель подключена к первому распределительному щиту, к которому подключены потребители собственных нужд правого борта, через второй дополнительный автоматический выключатель к первому распределительному щиту подключен первый щит питания с берега правого борта, через третий дополнительный автоматический выключатель к первому распределительному щиту подключен электрический генератор первого вспомогательного дизель-генератора, второй дополнительный инвертор напряжения своими входами согласовано, подключен к входам второго и четвертого инверторов напряжения, а выход второго дополнительного инвертора напряжения подключен на первичную обмотку второго двухобмоточного согласующего трансформатора, вторичная обмотка которого через четвертый дополнительный автоматический выключатель подключена ко второму распределительному щиту, к которому подключены потребители собственных нужд левого борта, через пятый дополнительный автоматический выключатель ко второму распределительному щиту подключен второй щит питания с берега левого борта, через шестой дополнительный автоматический выключатель ко второму распределительному щиту подключен электрический генератор второго вспомогательного дизель-генератора.

Предлагаемая установка выполнена на стандартных серийно выпускаемых элементах и помимо выполнения основных требований эксплуатационного характера позволяет:

- улучшить массогабаритные характеристики, а также повысить надежность и срок службы энергетической установки;

- повысить экономичность и энергетическую эффективность энергоустановки;

- повысить коэффициент загрузки первичных тепловых двигателей, тем самым повысив их ресурс эксплуатации;

- осуществлять плавный заряд накопительных конденсаторов установленных на входе инверторов напряжения;

- осуществлять регулирование напряжения на выходах электрических генераторов для осуществления синтеза выходного напряжения инверторов напряжения с высокими показателями качества;

- осуществлять торможение гребных электродвигателей без использования громоздких и дорогих тормозных резисторов с передачей энергии для питания потребителей собственных нужд, либо рассеиванием энергии торможения в рабочей среде - воде;

- обеспечивать потребители собственных нужд электроэнергией от главных генераторных агрегатов в режимах движения судна;

- обеспечивать питание электроэнергией внешних потребителей судна, например береговых потребителей либо потребителей буксируемых объектов от главных генераторных агрегатов.

Описанные преимущества достигаются тем, что предлагаемая установка содержит новые элементы и связи, позволяющие организовать два независимых управляемых источника постоянного тока, каждый из которых способен обеспечивать энергией гребные электродвигатели и вращение гребных винтов, а также осуществлять питание потребителей собственных нужд. При этом такая структура позволяет осуществлять полноценную работу электродвижительного комплекса в долевом режиме от любого одного из генераторных агрегатов, либо от нескольких генераторных агрегатов в любом их сочетаний в зависимости от требуемой скорости движения судна. При этом генераторные агрегаты могут быть выполнены высокооборотными, а соответственно они будут обладать лучшими массогабаритными характеристиками. Предложенная гребная электрическая установка судна может быть дополнительно снабжена согласующими электрическими преобразователями и двухобмоточными трансформаторами для осуществления питания потребителей собственных нужд либо внешних потребителей судна. Предложенная структура электрической установки судна с двойными шинами постоянного тока построена таким образом, что отказ одного из генераторных агрегатов, выпрямителей напряжения, инверторов напряжения, а также одного из гребных электродвигателей не приведет к отказу всей электродвижительной установки. Кроме того в долевых режимах работы с целью повышения энергетической эффективности может быть использован один генераторный агрегат который обеспечивает питание и работу обоих гребных винтов с ограничением величины мощности. Соединение элементов и компоновка гребной электрической установки судна выполнена таким образом, чтобы помимо выполнения требований технологического процесса между источником энергии и исполнительным агрегатом было минимальное число элементов, а используемый генераторный агрегат загружался под номинальное значение и не работал вхолостую. Предложенная структура движительного комплекса отличается использованием стандартных серийно выпускаемых элементов электродвижительного комплекса и универсальностью позволяющей использовать в качестве электрического двигателя любой тип электрической машины переменного тока.

Сущность изобретения заключается в том, что в гребной электрической установке с двойными шинами постоянного тока организована система двух гальванически развязанных шин постоянного тока, от которых осуществляется питание гребных электродвигателей и иных потребителей. Такая схема позволяет сократить число преобразований электрической энергии, повысить экономичность и надежность, а также простыми средствами осуществить распределение энергии между электродвигателями при необходимости торможения судна.

Сопоставление предлагаемого изобретения и прототипа показало, что поставленные задачи – организация двух гальванически развязанных источников электрической энергии для питания гребных электродвигателей гребных винтов - решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие предлагаемых изобретений критерию патентоспособности «новизна».

В свою очередь, проведенный информационный поиск в области электротехники не выявил отдельных отличительных признаков заявленного изобретения, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «изобретательский уровень».

Сущность изобретений поясняется чертежами, где:

на Фиг.1 - представлена базовая схема гребной электрической установки с двойными шинами постоянного тока;

на Фиг.2 - представлена схема гребной электрической установки с двойными шинами постоянного тока реализованной на основе трехуровневых инверторов напряжения;

на Фиг.3 - представлена схема гребной электрической установки с двойными шинами постоянного тока, содержащая тормозные цепочки позволяющие сократить время остановки либо изменения направления движения судна;

на Фиг.4 - представлена схема гребной электрической установки с двойными шинами постоянного тока позволяющая осуществить питание потребителей собственных нужд а также внешних береговых либо буксируемых потребителей;

на Фиг.5 – представлена зависимость, которая характеризует мощность гребной электрической установки в зависимости от скорости движения судна N=f(V) для стационарного режима работы в свободной воде;

на Фиг. 6 – представлена таблица зависимости требуемого количества работающих генераторных агрегатов от текущей скорости движения судна;

на Фиг. 7 – представлены направления потоков мощности при торможении и реверсе гребной электрической установки;

на Фиг. 8 – представлены зависимости ω_8-1(t), М_8-1(t), ω_8-2(t), М_8-2(t) при торможении и реверсе гребной электрической установки;

на Фиг. 9 – представлены зависимость P_8-1(t), P_8-2(t), P_8-1(t)+ P_8-2(t) при торможении и реверсе гребной электрической установки.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

Предлагаемая установка (Фиг.1), содержит четыре генераторных агрегата 1-1, 1-2, 1-3, 1-4, каждый из которых состоит из механически соединенных первичного теплового двигателя 2-1 (2-2, 2-3, 2-4) и электрического генератора 3-1 (3-2, 3-3, 3-4) переменного тока, четыре автоматических выключателя 4-1, 4-2, 4-3, 4-4, четыре выпрямителя напряжения 5-1, 5-2, 5-3, 5-4, четыре инвертора напряжения 6-1, 6-2, 6-3, 6-4, четыре гребных электродвигателя 7-1, 7-2, 7-3, 7-4 переменного тока и два гребных винта 8-1, 8-2. Каждый из инверторов напряжения 6-1, 6-2, 6-3, 6-4 подключен своим выходом к обмотке своего гребного электродвигателя 7-1, 7-2, 7-3, 7-4. Гребные электродвигатели 7-1, 7-2, получающие питание от первого 6-1 и второго 6-2 инверторов напряжения, соединены в тандем и посажены на один вал с гребным винтом 8-1 правого борта. Гребные электродвигатели 7-3, 7-4, получающие питание от третьего 6-3 и четвертого 6-4 инверторов напряжения, соединены в тандем и посажены на один вал с гребным винтом 8-2 левого борта. Дополнительно гребная установка содержит систему управления 9, четыре датчика тока 10, 11, 12, 13 и два датчика напряжения 14, 15. При этом каждый из электрических генераторов 3-1 (3-2, 3-3, 3-4) генераторного агрегата 1-1 (1-2, 1-3, 1-4) содержит обмотку возбуждения со своим электрическим преобразователем 16-1 (16-2, 16-3, 16-4). Автоматические выключатели 4-1, 4-2, 4-3, 4-4 выполнены с возможностью дистанционного управления. Статорная обмотка каждого электрического генератора 3-1 (3-2, 3-3, 3-4) генераторного агрегата 1-1 (1-2, 1-3, 1-4) через свой автоматический выключатель 4-1 (4-2, 4-3, 4-4) подключена на вход своего выпрямителя напряжения 5-1 (5-2, 5-3, 5-4). Выводы постоянного тока первого 5-1 и второго 5-2 выпрямителей напряжения соединены последовательно согласованно и образуют положительный 17 и отрицательный 18 выводы постоянного тока правого борта. Выводы постоянного тока третьего 5-3 и четвертого 5-4 выпрямителей напряжения соединены последовательно согласованно и образуют положительный 19 и отрицательный 20 выводы постоянного тока левого борта. Каждый из датчиков напряжения 14 (15) установлен на выводах постоянного тока 17, 18 (19, 20) своего борта. Первый 6-1 и третий 6-3, а также второй 6-2 и четвертый 6-4 инверторы напряжения попарно своими входами соединены параллельно, при этом положительные входы первого 6-1 и третьего 6-3 инверторов напряжения через первый датчик тока 10 подключены к положительному выводу 17 постоянного тока правого борта. Отрицательные входы первого 6-1 и третьего 6-3 инверторов напряжения через второй датчик тока 11 подключены к отрицательному выводу 18 постоянного тока правого борта. Положительные входы второго 6-2 и четвертого 6-4 инверторов напряжения через третий датчик тока 12 подключены к положительному выводу постоянного тока 19 левого борта. Отрицательные входы второго 6-2 и четвертого 6-4 инверторов напряжения через четвертый датчик тока 13 подключены к отрицательному выводу постоянного тока 20 левого борта. Управление автоматическими выключателями 4-1, 4-2, 4-3, 4-4, электрическими преобразователями 16-1, 16-2, 16-3, 16-4 обмоток возбуждения электрических генераторов 3-1, 3-2, 3-3, 3-4 и первичными тепловыми двигателями 2-1, 2-2, 2-3, 2-4 генераторных агрегатов 1-1, 1-2, 1-3, 1-4, инверторами напряжения 6-1, 6-2, 6-3, 6-4 осуществляется от системы управления 9, куда заведены информационные выходы датчиков тока 10, 11, 12, 13 и напряжения 14, 15.

Гребная установка, представленная на Фиг.2, содержит трехуровневые инверторы напряжения 21-1, 21-2, 21-3, 21-4. Нулевая точка первого 21-1 и третьего 21-3 трехуровневых инверторов напряжения соединены между собой и подключены на общую точку соединения первого 5-1 и второго 5-2 выпрямителей напряжения. Нулевая точка второго 21-2 и четвертого 21-4 трехуровневых инверторов напряжения соединены между собой и подключены на общую точку соединения третьего 5-3 и четвертого 5-4 выпрямителей напряжения.

Гребная установка, представленная на Фиг.3, дополнительно содержит две тормозные цепочки 22-1, 22-2. Каждая из тормозных цепочек 22-1 (22-2) подключена к положительному 17 (19) и отрицательному 18 (20) выводам постоянного тока своего борта. Каждая тормозная цепь 22-1 (22-2) состоит из транзистора 23, диода 24 и тормозного резистора 25. Коллектор транзистора 23 соединен с положительным выводом постоянного тока 17 (19) своего борта. Эмиттер транзистора 23 соединен с катодом диода 24 и первым выводом тормозного резистора 25, второй вывод которого соединен с анодом диода 24 и отрицательной выводом постоянного тока 18 (20) своего борта.

Гребная установка, представленная на Фиг.4, содержит два дополнительных инвертора напряжения 26-1, 26-2, два двухобмоточных согласующих трансформатора 27-1, 27-2, шесть дополнительных автоматических выключателей 28, 29, 30, 31, 32, 33, два распределительных щита 34-1, 34-2, два щита питания с берега 35-1, 35-2, два вспомогательных дизель-генератора 36-1, 36-2 и потребители собственных нужд 37-1, 37-2 каждого из бортов. Первый дополнительный инвертор напряжения 26-1 своими входами согласовано, подключен к входам первого 6-1 и третьего 6-3 инверторов напряжения. Выход первого дополнительного инвертора напряжения 26-1 подключен на первичную обмотку первого двухобмоточного согласующего трансформатора 27-1. Вторичная обмотка согласующего трансформатора 27-1 через первый дополнительный автоматический выключатель 28 подключена к первому распределительному щиту 34-1, к которому подключены потребители собственных нужд правого борта 37-1. Через второй дополнительный автоматический выключатель 29 к первому распределительному щиту 34-1 подключен первый щит питания с берега правого борта 35-1, через третий дополнительный автоматический выключатель 30 к первому распределительному щиту 34-1 подключен электрический генератор первого вспомогательного дизель-генератора 36-1. Второй дополнительный инвертор напряжения 26-2 своими входами согласовано, подключен к входам второго 6-2 и четвертого 6-4 инверторов напряжения. Выход второго дополнительного инвертора напряжения 26-2 подключен на первичную обмотку второго двухобмоточного согласующего трансформатора 27-2, вторичная обмотка которого через четвертый дополнительный автоматический выключатель 31 подключена ко второму распределительному щиту 34-2, к которому подключены потребители собственных нужд левого борта 37-2. Через пятый дополнительный автоматический выключатель 32 ко второму распределительному щиту 34-2 подключен второй щит питания с берега левого борта 35-2, через шестой дополнительный автоматический выключатель 33 ко второму распределительному щиту 34-2 подключен электрический генератор второго вспомогательного дизель-генератора 36-2.

Работа предлагаемой установки происходит следующим образом.

Основной идеей предложенного изобретения является возможность полноценной работы гребной электрической установки с двойными шинами постоянного тока в долевом режиме от одного из генераторных агрегатов 1-1 (1-2, 1-3, 1-4) либо от нескольких генераторных агрегатов 1-1, 1-2, 1-3, 1-4 в любом их сочетаний в зависимости от требуемой скорости движения судна (требуемой мощности, либо требуемого момента – упора на валу гребных винтов 8-1, 8-2). При этом в предлагаемой установке реализована система двух гальванически изолированных друг от друга шин постоянного тока, от которых могут получать питание, как гребные электродвигатели, так и потребители собственных нужд.

Каждый из электрических генераторов 3-1 (3-2, 3-3, 3-4) может быть реализован на широко используемых синхронных генераторах с электромагнитной системой возбуждения. Представленные на Фиг.1 - Фиг.4 электрические генераторы 3-1, 3-2, 3-3, 3-4 содержат обмотку возбуждения со своим электрическим преобразователем 16-1, 16-2, 16-3, 16-4, что позволяет оперативно регулировать уровень напряжения на выходе электрического генератора 3-1, 3-2, 3-3, 3-4. Такое решение позволяет изменять уровень напряжения между положительным 17 (19) и отрицательным 18 (20) выводами постоянного тока правого (левого) борта в стационарном режиме работы, а также обеспечивать плавный заряд накопительных конденсаторов инверторов напряжения 6-1, 6-2, 6-3, 6-4 без использования различных устройств мягкого пуска.

В качестве первичного теплового двигателя 2-1 (2-2, 2-3, 2-4) генераторного агрегата 1-1 (1-2, 1-3, 1-4) в такой структуре могут быть использованы любые дизели, газотурбинные двигатели без ограничения на частоту их вращения. При этом первичный тепловой двигатель 2-1 (2-2, 2-3, 2-4) может работать на оптимальной для текущей нагрузки частоте вращения, обеспечивая высокую экономичность. Выпрямители напряжения 5-1 и 5-2 (5-3 и 5-4) электрических генераторов 3-1 и 3-2 (3-3 и 3-4) правого (левого) борта соединены согласованно последовательно и образуют общую систему шин постоянного тока правого (левого) борта. Такое соединение выпрямителей напряжения 5-1 и 5-2 (5-3 и 5-4) позволяет удвоить напряжения шин постоянного тока правого (левого) борта при одинаковых напряжениях электрических генераторов 3-1 и 3-2 (3-3 и 3-4). Такое схемное решение позволит использовать при работе электродвижительного комплекса один из двух электрических генераторов 3-1 или 3-2 (3-3 или 3-4) электростанции правого (левого) борта при этом второй может быть выведен из работы. Гребные электродвигатели 7-1 и 7-2 (7-3 и 7-4), получающие питание от инверторов напряжения 6-1, 6-2 (6-3, 6-4), соединены в тандем и посажены на один вал с гребным винтом правого (левого) борта 8-1 (8-2). При этом гребные электродвигатели 7-1 и 7-3 (7-2 и 7-4) могут быть запитаны от любого из генераторных агрегатов 1-1, 1-2 (1-3, 1-4), либо от обоих.

В предлагаемом устройстве шины постоянного тока двух бортов имеют гальваническую развязку и не имеют никакой электрической связи между собой, что позволяет обеспечить оптимальную электромагнитную совместимость, высокую степень надежности гребной электрической установки, а соответственно более продолжительный срок службы судна. Предложенное схемное решение позволяет сохранить работоспособность гребной электрической установки. хотя бы при одном работающем генераторном агрегате 1-1 (1-2, 1-3, 1-4) из четырех. Кроме всего данная структура обладает высокой степенью экономичности и обеспечит высокий ресурс работы первичных тепловых двигателей 2-1, 2-2, 2-3, 2-4 благодаря тому, что будет обеспечен оптимальный режим их работы при соответствующей скорости движения судна и степень их загрузки. При этом такая структура исключает недозагрузку генераторных агрегатов 1-1, 1-2, 1-3, 1-4 по мощности или их работу вхолостую. Кроме того при такой структуре нет необходимости в точной синхронизации генераторных агрегатов 1-1, 1-2, 1-3, 1-4, а также проблем с вводом и выводом их из работы. С учетом того, что системы электродвижения применяют, как правило, на специальных типах судов, которым присущи ряд характерных режимов отличных от движения судна на полном ходу, электростанция судна должна быть спроектирована так, чтобы наиболее полно удовлетворять данным режимам работы, а также обеспечивать высокую экономичность работы первичных тепловых двигателей 2-1, 2-2, 2-3, 2-4.

Система управления 9 управляет не просто электроприводом гребных винтов, а всей электроэнергетической установкой судна в зависимости от заданной оператором задачи и режима, а также текущей нагрузки на электростанции правого и левого борта. Датчики тока 10, 11, 12, 13 и датчики напряжения 14, 15 передают информацию о токах и напряжениях в систему управления 9, которая может отслеживать текущую нагрузку электростанции правого и левого бортов и подключать, либо отключать генераторные агрегаты 1-1, 1-2, 1-3, 1-4, либо ограничивать, либо увеличивать мощность на гребных электродвигателях 7-1, 7-2, 7-3, 7-4 и так далее. Датчики тока 10, 11 (12, 13) способны осуществлять дифференциальную защиту и контроль утечек тока на корпус. При этом в такой структуре предполагается согласованное управление всеми элементами электродвижительного комплекса в зависимости от задающих и возмущающих воздействии, а не как в прототипе и иных системах, в которых управление производится блоками и отдельными системами.

Ниже приводится более подробное описание работы предлагаемой гребной электрической установки (Фиг.1).

Для стационарного режима движения судна согласно вентиляторному характеру механической характеристики гребного винта 8-1 (8-2) может быть построена зависимость N=f(V) (Фиг.5), которая характеризует мощность (N) гребной электрической установки в зависимости от скорости движения судна (V). Зависимость приведена в относительных единицах для стационарного режима при движении судна в свободной воде.

Согласно представленному графику (Фиг.5) и рассматриваемой структуры (Фиг.1) может быть получена связь требуемого количества работающих генераторных агрегатов 1-1, 1-2, 1-3, 1-4 в зависимости от требуемой скорости движения судна. На Фиг.6 представлена таблица, отражающая такую зависимость для представленной на Фиг.1 гребной электрической установки. Из представленного графика (Фиг.5) и таблицы (Фиг.6) видно, что для долевых режимов работы гребной электрической установки могут быть задействованы несколько 1-1, 1-2, 1-3, 1-4 либо один 1-1 (1-2, 1-3, 1-4) из всего количества генераторных агрегатов, которые будут обеспечивать требуемую мощность и скорость движения судна. Если необходимо осуществлять движение на скорости, отличной от максимальной в диапазоне от нуля до значения около 0,63 номинальной скорости, в гребной электрической установке может быть использован один любой генераторный агрегат из установленных 1-1, 1-2, 1-3, 1-4. При этом задействованный генераторный агрегат, например 1-1, будет загружен по мощности, близкой к номинальной, а остальные генераторные агрегаты 1-2, 1-3, 1-4 будут отключены. Такое схемное решение позволит повысить энергетическую эффективность, а также значительно увеличить ресурс первичных тепловых двигателей 2-1, 2-2, 2-3, 2-4. Комбинация задействованных генераторных агрегатов 1-1, 1-2, 1-3, 1-4 должна быть выбрана в любом сочетании согласно таблице, изображенной на Фиг.6. При этом для равномерного использования генераторных агрегатов 1-1, 1-2, 1-3, 1-4 по времени работы они могут меняться и комбинироваться в любом сочетании. Предложенная гребная электрическая установка отличается универсальностью и позволяет использовать в качестве гребного электродвигателя 7-1, 7-2, 7-3, 7-4 любой тип электрической машины переменного тока.

Использование двух гальванически изолированных электростанции и электрооборудования в предлагаемой установке позволяют исключить возникновение аварийной ситуации, при которой выход любого из элементов приведет к выходу всего электродвижительного комплекса, при этом обеспечивается высокая степень надежности и электромагнитной совместимости при работе электростанции разных бортов. Так при отказе одного либо любых трех из четырех генераторных агрегатов 1-1 (1-2, 1-3, 1-4) будет сохраняться работоспособность обоих гребных винтов 8-1, 8-2 при ограничениях, наложенных на величины мощности. Таким образом, будет обеспечен высокий показатель надежности, а также срок службы установки.

Кроме того предложенная установка позволяет осуществлять торможение и реверс гребных электродвигателей 7-1, 7-2, 7-3, 7-4 без использования тормозных цепей в составе инверторов напряжения 6-1, 6-2, 6-3, 6-4. Режим торможения и реверса заключается в том, что энергия торможения одного гребного винта 8-1 (8-2) передается на другой гребной винт 8-2 (8-1) по двум гальванически изолированным электрическим каналам, либо по одному из них в зависимости от режима работы установки.

Ниже приводится описание режимов торможения и реверса предлагаемой установки (Фиг.1).

При необходимости торможения судна и реверса гребных электродвигателей 7-1, 7-2, 7-3, 7-4, торможение и реверс последних будет осуществляться перераспределением энергии между гребными электродвигателями 7-1, 7-2, 7-3, 7-4. На Фиг.7 изображены направления потоков энергии при торможении и реверсе установки. Используя начальные условия , получим график функции (Фиг.8). Мощность на правом гребном винте 8-1 при этом равна . График функции P_8-1(t) изображен на Фиг.9. При этом отрицательная величина характеризует генераторный режим работы гребных электродвигателей 7-1 и 7-2 и режим работы гидротурбины правого гребного винта 8-1, а положительная величина характеризует двигательный режим работы гребных электродвигателей 7-1 и 7-2, при котором правый гребной винт 8-1 создает упор при реверсе.

На Фиг.9 приведены графики временных зависимостей мощностей на валах правого 8-1 и левого 8-2 гребных винтов. Из данных графиков видно, что до определенного момента времени (до момента вхождения в режим ограничения при котором ) сумма мощностей на валах правого 8-1 и левого 8-2 гребных винтов равна нулю. Следовательно, при этом нет необходимости сброса энергии торможения на тормозной модуль. После достижения происходит отбор мощности от генераторных агрегатов 1-1÷1-4 для работы правого 8-1 и левого 8-2 гребных винтов с гребными электродвигателями 7-1, 7-2, 7-3, 7-4 на реверс.

Гребная электрическая установка, схема которой представлена на Фиг.2, может быть выполнена с использованием трехуровневых инверторов напряжения 21-1, 21-2, 21-3, 21-4. Это позволит повысить качество синтезируемого напряжения и уменьшить величину дисперсии токов, потребляемых гребными электродвигателями 7-1, 7-2, 7-3, 7-4 а, следовательно, снизить величину пульсации электромагнитного момента. При этом в схеме установки могут быть использованы трехуровневые инверторы напряжения, построенные на основе схемы с нулевой точкой либо на основе Т-образной схемы инвертора напряжения. При использовании трехуровневых инверторов напряжения 21-1, 21-3 (21-2, 21-4) нулевая точка должна быть соединена с общей точкой выпрямителей 5-1, 5-2 (5-3, 5-4). При использовании трехуровневых инверторов напряжения 21-1, 21-2, 21-3, 21-4 сохраняется возможность работы гребных электродвигателей всего лишь от одного генераторного агрегата. При этом трехуровневый инвертор напряжения 21-1 (21-2, 21-3, 21-4) будет работать в режиме двухуровневого.

В случае необходимости быстрой остановки или изменения направления движения судна установка, схема которой представлена на Фиг.3, может быть дополнительно снабжена двумя тормозными цепями 22-1, 22-2. Такое схемное решение позволит осуществлять торможение и реверс гребных электродвигателей 7-1, 7-2 и 7-3, 7-4 одновременно. Это позволит сократить время остановки и время изменения направления движения судна.

Для расширения функциональных возможностей, а также возможности обеспечения питания потребителей собственных нужд правого 37-1 и левого 37-2 бортов электроэнергией вырабатываемой генераторными агрегатами 1-1, 1-2, 1-3, 1-4 гребная электрическая установка, схема которой представлена на Фиг.4 может содержать два дополнительных инвертора напряжения 26-1, 26-2, два двухобмоточных согласующих трансформатора 27-1, 27-2, шесть дополнительных автоматических выключателей 28, 29, 30, 31, 32, 33, два распределительных щита 34-1, 34-2, два щита питания с берега 35-1, 35-2 и два вспомогательных дизель-генератора 36-1, 36-2.

Такая структура установки позволит осуществить питание потребителей собственных нужд 37-1 и 37-2 от генераторных агрегатов 1-1, 1-2, 1-3, 1-4 при движении судна и от вспомогательных дизель-генераторов 36-1, 36-2 при его стоянке. Дополнительный инвертор напряжения 26-1 (26-2) получает питание от общих шин постоянного тока правого (левого) борта, при этом он осуществляет стабилизацию параметров напряжения (частоты, действующего значения) на своем выходе. Согласующий трансформатор 27-1 (27-2) осуществляет согласование напряжений общих шин постоянного тока правого (левого) борта и напряжения питания потребителей собственных нужд правого 37-1 (левого 37-2) борта. Автоматические выключатели 28, 29, 30, 31, 32, 33 осуществляют набор схемы электропитания потребителей собственных нужд правого 37-1 (левого 37-2) борта в различных режимах работы гребной электрической установки. Для возможности осуществления питанием потребителей собственных нужд правого 37-1 (левого 37-2) борта структура гребной электрической установки с двойными шинами постоянного тока (Фиг.4) снабжена щитами питания с берега 35-1 (35-2) при наличии питающего напряжения на берегу и двумя вспомогательными дизель-генераторами 36-1, 36-2 при стоянке судна на якоре либо при стоянке у причала, не оборудованного источником электроэнергии.

Кроме того гребная установка (Фиг.4) может быть использована для осуществления питанием внешних береговых либо буксируемых потребителей через щиты питания с берега 35-1 (35-2).

Предлагаемая гребная электрическая установка судна позволяет повысить экономичность, надежность и живучесть электродвижительного комплекса судна, значительно упростить структуру движительного комплекса, повысить показатель энергетической эффективности, а так же осуществить торможение судна без использования тормозных резисторов. К достоинствам изобретения также относится возможность использования серийно выпускаемых электрических двигателей переменного тока и генераторов электрической энергии, а также высокооборотных первичных тепловых двигателей обладающих лучшими массогабаритными и энергетическими характеристиками.

Изобретение было создано на кафедре «Электропривода и электрооборудования береговых установок» ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» и апробировано на имитационной математической модели. Полученные результаты позволяют сделать вывод о соответствии изобретения критерию «промышленная применимость».

Изобретение относится к электрическим тяговым системам транспортных средств. Гребная электрическая установка с двойными шинами постоянного тока содержит четыре генераторных агрегата, четыре автоматических выключателя, четыре выпрямителя напряжения, четыре инвертора напряжения, четыре гребных электродвигателя переменного тока и два гребных винта, систему управления, четыре датчика тока и два датчика напряжения. При этом выводы постоянного тока первого и второго выпрямителей напряжения соединены последовательно согласованно и образуют положительный и отрицательный выводы постоянного тока правого борта, выводы постоянного тока третьего и четвертого выпрямителей напряжения соединены последовательно согласованно и образуют положительный и отрицательный выводы постоянного тока левого борта. Первый и третий, а также второй и четвертый инверторы напряжения попарно своими входами соединены параллельно. В систему управления заведены информационные выходы датчиков тока и напряжения. Технический результат заключается в повышении надежности и энергетической эффективности гребной электрической установки. 3 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Гребная электрическая установка с двойными шинами постоянного тока, содержащая четыре генераторных агрегата, каждый из которых состоит из механически соединенных первичного теплового двигателя и электрического генератора переменного тока, четыре автоматических выключателя, четыре выпрямителя напряжения, четыре инвертора напряжения, четыре гребных электродвигателя переменного тока и два гребных винта, каждый из инверторов напряжения подключен своим выходом к обмотке своего гребного электродвигателя, при этом гребные электродвигатели, получающие питание от первого и второго инверторов напряжения, соединены в тандем и посажены на один вал с гребным винтом правого борта, а гребные электродвигатели, получающие питание от третьего и четвертого инверторов напряжения, соединены в тандем и посажены на один вал с гребным винтом левого борта, отличающаяся тем, что дополнительно содержит систему управления, четыре датчика тока и два датчика напряжения, а каждый из электрических генераторов генераторного агрегата содержит обмотку возбуждения со своим электрическим преобразователем, автоматические выключатели выполнены с возможностью дистанционного управления, статорная обмотка каждого электрического генератора генераторного агрегата через свой автоматический выключатель подключена на вход своего выпрямителя напряжения, при этом выводы постоянного тока первого и второго выпрямителей напряжения соединены последовательно согласованно и образуют положительный и отрицательный выводы постоянного тока правого борта, выводы постоянного тока третьего и четвертого выпрямителей напряжения соединены последовательно согласованно и образуют положительный и отрицательный выводы постоянного тока левого борта, каждый из датчиков напряжения установлен на выводах постоянного тока своего борта, первый и третий, а также второй и четвертый инверторы напряжения попарно своими входами соединены параллельно, при этом положительные входы первого и третьего инверторов напряжения через первый датчик тока подключены к положительному выводу постоянного тока правого борта, отрицательные входы первого и третьего инверторов напряжения через второй датчик тока подключены к отрицательному выводу постоянного тока правого борта, положительные входы второго и четвертого инверторов напряжения через третий датчик тока подключены к положительному выводу постоянного тока левого борта, отрицательные входы второго и четвертого инверторов напряжения через четвертый датчик тока подключены к отрицательному выводу постоянного тока левого борта, управление автоматическими выключателями, электрическими преобразователями обмоток возбуждения электрических генераторов и первичными тепловыми двигателями генераторных агрегатов, инверторами напряжения осуществляется от системы управления, куда заведены информационные выходы датчиков тока и напряжения.

2. Гребная электрическая установка с двойными шинами постоянного тока по п.1, отличающаяся тем, что инверторы напряжения выполнены трехуровневыми, причем нулевая точка первого и третьего трехуровневых инверторов напряжения соединены между собой и подключены на общую точку соединения первого и второго выпрямителей напряжения, нулевая точка второго и четвертого трехуровневых инверторов напряжения соединены между собой и подключены на общую точку соединения третьего и четвертого выпрямителей напряжения.

3. Гребная электрическая установка с двойными шинами постоянного тока по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит две тормозные цепочки, каждая из которых подключена к положительному и отрицательному выводу постоянного тока своего борта, при этом каждая тормозная цепь состоит из транзистора диода и тормозного резистора, причем коллектор транзистора соединен с положительным выводом постоянного тока своего борта, эмиттер транзистора соединен с катодом диода и первым выводом тормозного резистора, второй вывод которого соединен с анодом диода и отрицательной выводом постоянного тока своего борта.

4. Гребная электрическая установка по п.1, отличающаяся тем, что содержит два дополнительных инвертора напряжения, два двухобмоточных согласующих трансформатора, шесть дополнительных автоматических выключателей, два распределительных щита, два щита питания с берега, два вспомогательных дизель-генератора и потребители собственных нужд каждого из бортов, причем первый дополнительный инвертор напряжения своими входами согласовано подключен к входам первого и третьего инверторов напряжения, а выход первого дополнительного инвертора напряжения подключен на первичную обмотку первого двухобмоточного согласующего трансформатора, вторичная обмотка которого через первый дополнительный автоматический выключатель подключена к первому распределительному щиту, к которому подключены потребители собственных нужд правого борта, через второй дополнительный автоматический выключатель к первому распределительному щиту подключен первый щит питания с берега правого борта, через третий дополнительный автоматический выключатель к первому распределительному щиту подключен электрический генератор первого вспомогательного дизель-генератора, второй дополнительный инвертор напряжения своими входами согласовано, подключен к входам второго и четвертого инверторов напряжения, а выход второго дополнительного инвертора напряжения подключен на первичную обмотку второго двухобмоточного согласующего трансформатора, вторичная обмотка которого через четвертый дополнительный автоматический выключатель подключена ко второму распределительному щиту, к которому подключены потребители собственных нужд левого борта, через пятый дополнительный автоматический выключатель ко второму распределительному щиту подключен второй щит питания с берега левого борта, через шестой дополнительный автоматический выключатель ко второму распределительному щиту подключен электрический генератор второго вспомогательного дизель-генератора.