Судовая электроэнергетическая установка

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 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 данной судовой электроэнергетической установке гребные электродвигатели и все остальные судовые потребители получают электроэнергию от одной и той же электростанции, что повышает надежность электроснабжения и живучесть судна. Гальванически не связанные обмотки синхронных генераторов, линейные напряжения на которых смещены друг относительно друга на 30 электрических градусов, позволяют в составе преобразователей частоты применить 12-пульсные выпрямители, характеризующиеся малыми пульсациями напряжения на выходе, необходимые для питания автономных инверторов напряжения, от которых запитываются гребные электродвигатели, которые являются на судах с электродвижением основными потребителями электроэнергии. Применение 12-пульсных выпрямителей в составе преобразователей частоты позволяет обеспечить гребные электродвигатели переменным напряжением высокого качества, что обеспечивает хороший КПД гребных электродвигателей и судовой электроэнергетической установки в целом.

Однако, питание распределительного щита остальных судовых потребителей производится от вторичных обмоток двух трехфазных трансформаторов, первичные обмотки которых подключаются к двум трехфазным линиям главного распределительного щита. При таком способе питания распределительного щита остальных судовых потребителей, частичная компенсация 5-й и 7-й гармоник тока, возникающих при работе 12-пульсных выпрямителей, обеспечивается на вторичных обмотках трансформаторов и на трехфазной линии распределительного щита остальных судовых потребителей. Поэтому происходит увеличение потерь в магнитопроводе у обоих трансформаторов, и в фидерах, соединяющих распределительный щит остальных судовых потребителей с трансформаторами, из-за наличия 5-й и 7-й гармоник тока. Увеличение потерь в магнитопроводе трансформаторов и в фидерах, соединяющих трансформаторы с распределительным щитом остальных судовых потребителей, ведет к росту их нагрева, снижению срока службы, а также к снижению КПД всей установки, а значит к увеличению расходов при эксплуатации судна.

Предлагаемое изобретение позволит создать судовую электроэнергетическую установку с более высоким КПД и меньшими габаритами и массой..

Это достигается тем, что в предлагаемой судовой электроэнергетической установке, содержащей главные дизели или турбины и главные синхронные генераторы, на статоре которых размещаются две аналогичные трехфазные обмотки, линейные напряжения на которых смещены на 30 электрических градусов, обмотки статора которых через автоматические выключатели подключаются к двум линиям питания главного распределительного щита, преобразователи частоты, каждый из которых состоит из 12-пульсного выпрямителя и автономного инвертора напряжения, к выходу которого подключен гребной электродвигатель, согласно изобретению, питание распределительного щита остальных судовых потребителей производится от вторичной обмотки трансформатора, на котором размещены две первичные обмотки, имеющие схемы соединения звезда и треугольник. Обе первичные обмотки трансформатора подключаются к двум трехфазным линиям главного распределительного щита.

Применение трансформатора с двумя первичными обмотками, соединенными в звезду и треугольник, позволяет частично компенсировать 5-ю и 7-ю гармонические составляющие тока, возникающие при работе 12-пульсных выпрямителей в магнитной системе трансформатора, и тем самым исключить потери от гармоник в магнитопроводе трансформатора, а также в фидере, соединяющем трансформатор и распределительный щит остальных судовых потребителей, что в целом, повышает к.п.д., сокращает количество элементов и снижает расходы при эксплуатации судовой электроэнергетической установки.

На фиг. 1 показана структурная схема предлагаемой судовой электроэнергетической установки, где выходной вал 2 первого главного дизеля (или турбины) 1 соединен с ротором 3 синхронного генератора 4, на статоре которого находятся трехфазная обмотка 5 и трехфазная обмотка 6. Трехфазные обмотки 5 и 6 должны быть размещены на статоре синхронного генератора 4 так, чтобы линейные напряжения трехфазной обмотки 5 были смещены относительно линейных напряжений обмоток 6 на 30 электрических градусов. Выводы трехфазной обмотки 5 через автоматический выключатель 7 подключаются к трехфазной линии 8 главного распределительного щита 9, а выводы трехфазной обмотки 6 через автоматический выключатель 10 подключаются к трехфазной линии 11 главного распределительного щита 9. Выходной вал 13 второго главного дизеля (или турбины) 12 соединен с ротором 14 второго синхронного генератора 15, на статоре которого находятся трехфазная обмотка 16 и трехфазная обмотка 17. Трехфазные обмотки 16 и 17 должны быть размещены на статоре синхронного генератора 15 так, чтобы линейные напряжения трехфазной обмотки 16 были смещены относительно линейных напряжений обмоток 17 на 30 электрических градусов. Выводы трехфазной обмотки 16 через автоматический выключатель 18 подключаются к трехфазной линии 19 главного распределительного щита 9, а выводы трехфазной обмотки 17 через автоматический выключатель 20 подключаются к трехфазной линии 21 главного распределительного щита 9. Трехфазная линия 8 и трехфазная линия 19 могут быть соединены автоматическим выключателем 22, а трехфазная линия 11 и трехфазная линия 21 могут быть соединены автоматическим выключателем 23.

К трехфазным линиям 8 и 11 с помощью автоматических выключателей соответственно 24 и 25 подключаются входы 12-пульсного выпрямителя 26, который входит в состав преобразователя частоты 27. Выпрямленное напряжение с выхода выпрямителя 26 подается на вход автономного инвертора напряжения 28, к выходу которого подключен гребной электродвигатель 29, на валу которого установлен гребной винт 30.

К трехфазным линиям 19 и 21 с помощью автоматических выключателей соответственно 31 и 32 подключаются входы 12-пульсного выпрямителя 33, который входит в состав преобразователя частоты 34. Выпрямленное напряжение с выхода выпрямителя 33 подается на вход автономного инвертора напряжения 35, к выходу которого подключен гребной электродвигатель 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 21 с помощью автоматического выключателя 41 подключается вторая первичная обмотка 42 трансформатора 40, соединенная треугольником. Вторичная обмотка 43 трансформатора 40, соединенная звездой, с помощью автоматического выключателя 44 подключается к трехфазной линии 45 распределительного щита 46 судовых потребителей электроэнергии. Автоматические выключатели 47 подают питание от трехфазной линии 45 распределительного щита 46 на фидеры 48, питающие распределительные щиты судовых потребителей электроэнергии (не показаны на схеме).

Предлагаемая судовая электроэнергетическая установка работает следующим образом. После запуска главных дизелей (или турбин) 1 и 12, устройства регулирования напряжения и частоты синхронных генераторов 4 и 15 обеспечивают на выходе генераторов 4 и 15 номинальные напряжение и частоту. Затем автоматические выключатели 7 и 10 подключают обмотки 5 и 6 синхронного генератора 4 к линиям 8 и 11, а автоматические выключатели 18 и 20 подключают обмотки 16 и 17 синхронного генератора 15 к линиям 19 и 21 главного распределительного щита 9. Перед включением автоматических выключателей 22 и 23 производится синхронизация синхронных генераторов 4 и 15, при этом достаточно обеспечить условия синхронизации генераторов 4 и 15 только по напряжениям на одной паре трехфазных обмоток, например, 5 и 16, так как синхронизация напряжений на другой паре обмоток 6 и 17 также будет обеспечена, поскольку трехфазные обмотки 5, 16 и 6, 17 аналогичны, а линейные напряжения обмоток 6 и 17 смещены относительно линейных напряжений обмоток 5 и 16 на одинаковый угол 30 электрических градусов. После включения автоматических выключателей 22 и 23 трехфазные линии 8 и 19, и трехфазные линии 11 и 21 соединены и синхронные генераторы 4 и 15 будут работать параллельно.

При замыкании автоматических выключателей 24 и 25 к двум трехфазным линиям 8 и 11 подключаются входы 12-пульсного выпрямителя 26 преобразователя частоты 27. Выпрямленное напряжение с выхода выпрямителя 26 поступает на вход автономного инвертора напряжения 28, и с выхода инвертора 28 управляемое переменное напряжение подается на гребной электродвигатель 29, вращающий винт 30.

Аналогичным образом будет работать вторая гребная установка: автоматические выключатели 31 и 32 подают питание на 12-пульсный выпрямитель 33 преобразователя частоты 34, с выхода выпрямителя 33 напряжение поступает на вход автономного инвертора напряжения 35, и с выхода инвертора 35 переменное напряжение подается на гребной электродвигатель 36, вращающий винт 37.

Для обеспечения электроэнергией остальных судовых потребителей к линии 19 главного распределительного щита 9 через автоматический выключатель 38 подключается первая первичная обмотка 39 трансформатора 40, соединенная звездой. К линии 21 главного распределительного щита 9 через автоматический выключатель 41 подключается вторая первичная обмотка 42 трансформатора 40, соединенная треугольником. Вторичная обмотка 43 трансформатора 40 соединенная звездой через автоматический выключатель 44 подключается к трехфазной линии 45 распределительного щита 46 судовых потребителей. Различный способ соединения первичных обмоток 39 и 42 трансформатора 40, позволяет компенсировать наличие сдвига фаз в 30 электрических градусов, на трехфазных линиях 19 и 21 главного распределительного щита 9.

Распределительные щиты судовых потребителей через автоматические выключатели 47 и фидеры 48 подключаются к трехфазной линии 45 распределительного щита 46.

Таким образом, в предлагаемой судовой электроэнергетической установке питание распределительного щита остальных судовых потребителей производится от вторичной обмотки трансформатора, на котором размещены две первичные обмотки, имеющие схемы соединения звезда и треугольник. Обе первичные обмотки трансформатора подключаются к двум трехфазным линиям главного распределительного щита. Применение трансформатора с двумя первичными обмотками, соединенными в звезду и треугольник, позволяет частично компенсировать 5-ю и 7-ю гармонические составляющие тока, возникающие при работе 12-пульсных выпрямителей, в магнитной системе трансформатора, и тем самым исключить потери от гармоник в магнитной системе трансформатора и в фидере, соединяющего вторичную обмотку трансформатора и распределительный щит остальных судовых потребителей, что в целом, повышает к.п.д., сокращает количество элементов и снижает расходы при эксплуатации судовой электроэнергетической установки.