RU2522733C1 - Electric propulsion ship system with two-screw propulsion unit with ring structure engines - Google Patents

Electric propulsion ship system with two-screw propulsion unit with ring structure engines Download PDF

Info

Publication number
RU2522733C1
RU2522733C1 RU2012154443/11A RU2012154443A RU2522733C1 RU 2522733 C1 RU2522733 C1 RU 2522733C1 RU 2012154443/11 A RU2012154443/11 A RU 2012154443/11A RU 2012154443 A RU2012154443 A RU 2012154443A RU 2522733 C1 RU2522733 C1 RU 2522733C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
frequency converter
output
propeller
electric
inverters
Prior art date
Application number
RU2012154443/11A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2012154443A (en
Inventor
Андрей Владимирович Григорьев
Елена Алексеевна Глеклер
Юрий Александрович Кулагин
Руслан Ринатович Зайнуллин
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик-Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик-Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик-Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России)
Priority to RU2012154443/11A priority Critical patent/RU2522733C1/en
Publication of RU2012154443A publication Critical patent/RU2012154443A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2522733C1 publication Critical patent/RU2522733C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Control Of Multiple Motors (AREA)

Abstract

FIELD: transport.
SUBSTANCE: electric propulsion ship system contains switchboard buses connected via circuit breaker and reactance to reversible frequency converter. Two propelling motors are connected respectively to frequency converter with two separate output power circuits. Propelling motors with permanent-magnet excitation have ring structure. Fixed pitch propellers are installed in rotor pockets of each motor. Blades of the first propeller are made with opposite turn to blades of the second propeller. Frequency converter contains controlled input rectifier whose power output is connected with condenser-type accumulator of direct current section, voltage sensor of direct current section with power inputs of two inverters, as well as two frequency setting device. Frequency converter components control is executed using local control system.
EFFECT: higher coefficient of efficiency, lower energy losses, lower level of noise and vibrations.
3 dwg

Description

Изобретение относится к области судостроения, в частности к судовым системам электродвижения с преобразователями частоты и гребными электродвигателями. В качестве преобразователей широко используются различные схемы с неуправляемыми выпрямителями, обладающие высокими энергетическими показателями и надежностью, а в качестве гребных электродвигателей - электрические машины постоянного и переменного тока, установленные в корпусе судна или в гондоле движителя типа «поворотная колонка» с ротором, имеющим вал для установки гребного винта.The invention relates to the field of shipbuilding, in particular to ship electrical propulsion systems with frequency converters and propeller motors. Various converters with uncontrolled rectifiers, which have high energy performance and reliability, are widely used as converters, and electric motors of direct and alternating current installed in the ship’s hull or in the gondola of the “rotary column” type propeller with a rotor having a shaft for propeller installation.

Известна судовая двигательно-движительная установка типа «поворотная колонка» [патент РФ №2119875 опубл. 10.10.1998 г.]. Установка содержит заключенный в обтекаемый кожух (гондолу) гребной биротативный электродвигатель и два гребных винта, вращающихся в противоположных направлениях, а именно контрпропеллер, установленный на валу ротора биротативного двигателя, и гребной винт, установленный на полом валу вращающегося статора, коаксиальном валу ротора. Кожух установлен с возможностью поворота в горизонтальной плоскости. К сожалению, схема управления в патенте РФ №2119875 не раскрыта, однако для специалиста очевидно, поворотная колонка является частью судовой системы электродвижения, и гребной электродвигатель установки подключен к статическому преобразователю частоты, который, в свою очередь, подключен к энергосистеме и к электрогенератору, приводимому во вращение тепловым двигателем. К недостаткам аналога относятся:Known ship propulsion system of the type "rotary column" [RF patent No. 2119875 publ. 10/10/1998]. The installation contains a rotational rotational motor enclosed in a streamlined casing (nacelle) and two propellers rotating in opposite directions, namely a counter-propeller mounted on the rotor shaft of the biotational engine, and a propeller mounted on the hollow shaft of the rotating stator, the coaxial rotor shaft. The casing is mounted to rotate in a horizontal plane. Unfortunately, the control circuit in RF patent No. 21919875 is not disclosed, however, for a specialist it is obvious that the rotary column is part of the ship’s electric propulsion system, and the propeller of the installation is connected to a static frequency converter, which, in turn, is connected to the power system and to the electric generator driven into rotation by a heat engine. The disadvantages of the analogue include:

- повышенные масса, габариты и потери энергии за счет большого гидродинамического сопротивления гондолы с установленным в ней гребным электродвигателем и некомпенсированного (остаточного) «закручивания» присоединенных масс воды;- increased mass, dimensions and energy losses due to the large hydrodynamic resistance of the nacelle with a propeller motor installed in it and uncompensated (residual) "twisting" of the attached masses of water;

- пониженный уровень виброаккустических характеристик двигательно-движительной системы;- reduced level of vibro-acoustic characteristics of the propulsion system;

- повышенные уровни электромагнитных помех и гармонических составляющих в токе, потребляемом стандартными преобразователями частоты из судовой сети;- increased levels of electromagnetic interference and harmonic components in the current consumed by standard frequency converters from the ship network;

- пониженная надежность конструкции биротативного двигателя и увеличенные потери.- reduced reliability of the design of the bi-rotational engine and increased losses.

Более прогрессивными и обладающими лучшими виброакустическими характеристиками являются двигательно-движительные системы с магнитными двигателями кольцевой конструкции. В качестве прототипа выбрана судовая система электродвижения на базе двигательно-движительной системы с двигателем кольцевой конструкции (далее - ДДС КК) [А. Григорьев. Судовая система электродвижения нового поколения, - «Морской флот» №02 (1500), 2012 г.стр.38-40]. Судовая система электродвижения содержит двигательно-движительную систему в виде погружного электродвигателя кольцевой конструкции, совмещенного с гребным винтом. Статорные обмотки электродвигателя подключены через обратимый преобразователь частоты, дроссель и автоматический выключатель к распределительному щиту. Преобразователь частоты состоит из последовательно соединенных активного выпрямителя и инвертора. Вход активного выпрямителя подключен к упомянутому дросселю, а выход преобразователя частоты (выход инвертора) - к упомянутым обмоткам статора погружного электродвигателя кольцевой конструкции.More progressive and with better vibroacoustic characteristics are motor-propulsion systems with magnetic ring-shaped motors. The ship’s electric propulsion system based on a propulsion system with a ring-shaped engine (hereinafter referred to as DDS KK) was selected as a prototype [A. Grigoryev. A new generation shipboard electric propulsion system, “Marine Fleet” No. 02 (1500), 2012, pp. 38-40]. The ship’s electric propulsion system comprises a propulsion system in the form of a submersible electric motor of a ring design combined with a propeller. The stator windings of the electric motor are connected through a reversible frequency converter, inductor and circuit breaker to the switchboard. The frequency converter consists of a series-connected active rectifier and inverter. The input of the active rectifier is connected to the aforementioned inductor, and the output of the frequency converter (inverter output) is connected to the stator windings of a submersible electric motor of a ring design.

К недостаткам данного прототипа относятся:The disadvantages of this prototype include:

- пониженный уровень виброаккустических характеристик двигательно-движительной системы;- reduced level of vibro-acoustic characteristics of the propulsion system;

- КПД движителя за счет потерь энергии на «закручивание» присоединенных масс воды.- The efficiency of the propulsion due to energy losses due to the "twisting" of the attached masses of water.

Задача, решаемая изобретением - расширение арсенала средств и создание новой судовой системы электродвижения с двигательно-движительной установкой на базе двухвинтового модуля кольцевой конструкции с повышением эффективности использования энергии, экономичности, снижении уровня шума и вибрации, создаваемого работой движителя, позволяющей, за счет минимизации гидродинамических потерь и создания дополнительного усилия упора обеспечить увеличение КПД движителя, повысить виброаккустические характеристики, с достижением экономии и эффективного использования энергии, а также получить дополнительную возможность применения более технологичных и эффективных гребных винтов типа импеллер.The problem solved by the invention is the expansion of the arsenal of means and the creation of a new ship’s electric propulsion system with a propulsion system based on a twin-screw module of a ring design with increased energy efficiency, economy, reduction of noise and vibration created by the operation of the propulsion system, which allows, by minimizing hydrodynamic losses and creating additional emphasis efforts to provide an increase in the efficiency of the propulsion device, to increase the vibration-acoustic characteristics, with the achievement of economy and efficiency efficient use of energy, as well as an additional opportunity to use more technologically advanced and efficient propeller-type propellers.

Достигаемый технический результат заключается в обеспечении возможности:Achievable technical result is to enable:

- повышения КПД движителя;- increase the propulsion efficiency;

- снижения потерь энергии за счет управления электродвигателями по характеристике, полученной опытным путем;- reduction of energy losses due to the control of electric motors according to the characteristic obtained experimentally;

- дополнительного снижения потерь энергии за счет малого гидродинамического сопротивления модуля с двумя гребными синхронными электродвигателями кольцевой конструкции с возбуждением от постоянных магнитов;- additional reduction of energy losses due to the small hydrodynamic resistance of the module with two rowing synchronous synchronous electric motors of a ring design with excitation from permanent magnets;

- снижения уровня шума и вибраций, создаваемых модулем, за счет управления электродвигателями по характеристике, полученной опытным путем;- reduction of noise and vibration generated by the module, due to the control of electric motors according to the characteristic obtained experimentally;

- дополнительного повышения КПД установки и снижения уровня виброаккустических возмущений, за счет использования в модуле двух гребных винтов типа импеллер и повышения качества и эффективности использования электроэнергии преобразователем частоты, обеспечивающим фильтрацию, компенсацию реактивной мощности и симметрирование фазных напряжений во входной цепи, стабилизацию выходного напряжения и возможность рекуперации электроэнергии для использования судовыми потребителями.- an additional increase in the efficiency of the installation and a decrease in the level of vibro-acoustic disturbances due to the use of two impeller-type propellers in the module and an increase in the quality and efficiency of energy use by the frequency converter, which provides filtering, reactive power compensation and phase voltage balancing in the input circuit, output voltage stabilization and the ability to energy recovery for use by ship consumers.

Поставленная комплексная задача решается изменением функциональной схемы установки и изменением конструкции.The complex task posed is solved by changing the functional diagram of the installation and changing the design.

Заявляемая судовая система электродвижения с двухвинтовым двигательно-движительным модулем имеет в своем составе шины распределительного щита, подключенные через автоматический выключатель и дроссель к обратимому преобразователю частоты. Первый выход преобразователя частоты подсоединен к статорной обмотке первого гребного электродвигателя кольцевой конструкции с возбуждением от постоянных магнитов (далее - первый электродвигатель). В полости ротора первого электродвигателя установлен первый гребной винт фиксированного шага. От прототипа отличается тем, что дополнительно содержит второй гребной электродвигатель кольцевой конструкции с возбуждением от постоянных магнитов (далее - второй электродвигатель). Его статорная обмотка подсоединена ко второму выходу преобразователя частоты. В полости ротора второго электродвигателя установлен второй гребной винт фиксированного шага, оба упомянутых электродвигателя расположены соосно и объединены в единый модуль таким образом, что их полости образуют сквозной канал. Лопасти первого гребного винта выполнены с противонаправленным разворотом к лопастям второго гребного винта. Упомянутый преобразователь частоты содержит установленный на входе управляемый выпрямитель, силовой выход которого соединен с конденсаторным накопителем звена постоянного тока, с датчиком напряжения на конденсаторном накопителе и с силовыми входами двух инверторов, которые входят в состав преобразователя частоты. Преобразователь содержит также два задатчика частот вращения электродвигателей, каждый из задатчиков своим первым выходом соединен с управляющим входом одного из инверторов, а своим вторым выходом соединены с первыми выходом другого задатчика.The inventive marine electric propulsion system with a twin-screw propulsion module incorporates distribution board buses connected through a circuit breaker and inductor to a reversible frequency converter. The first output of the frequency converter is connected to the stator winding of the first rowing electric motor of a ring design with excitation from permanent magnets (hereinafter - the first electric motor). A first fixed pitch propeller is installed in the rotor cavity of the first electric motor. It differs from the prototype in that it additionally contains a second rowing electric motor of a ring design with excitation from permanent magnets (hereinafter - the second electric motor). Its stator winding is connected to the second output of the frequency converter. A second fixed pitch propeller is installed in the rotor cavity of the second electric motor, both of the aforementioned electric motors are aligned and combined into a single module so that their cavities form a through channel. The blades of the first propeller are made with an opposite direction to the blades of the second propeller. The mentioned frequency converter contains a controlled rectifier installed at the input, the power output of which is connected to a capacitor drive of the DC link, with a voltage sensor on the capacitor drive and with the power inputs of two inverters that are part of the frequency converter. The converter also contains two adjusters of the rotational speeds of the electric motors, each of the adjusters with its first output connected to the control input of one of the inverters, and its second output connected to the first output of the other adjuster.

Судовая система электродвижения имеет в своем составе локальную систему управления, соединенную с управляющим входом управляемого выпрямителя, с сигнальным выходом датчика напряжения на конденсаторном накопителе, с управляющими входами задатчиков частот, а также с сигнальными выходами первого и второго датчиков тока фаз, первого и второго датчиков напряжения фаз, установленных в выходных силовых цепях инверторов, являющихся выходами преобразователя частоты. Подключение электродвигателей выполнено с обеспечением возможности разнонаправленного вращения их роторов.The ship’s electric propulsion system incorporates a local control system connected to the control input of the controlled rectifier, with the signal output of the voltage sensor on the capacitor bank, with the control inputs of the frequency adjusters, and also with the signal outputs of the first and second phase current sensors, the first and second voltage sensors phases installed in the output power circuits of inverters, which are the outputs of the frequency converter. The motors are connected with the possibility of multidirectional rotation of their rotors.

На Фиг.1 представлена схема судовой системы электродвижения с двухвинтовым двигательно-движительным модулем с двигателями кольцевой конструкции, на Фиг.2 - конструктивное исполнение двигательно-движительного модуля, на Фиг.3 - вид А-А Фиг.2. На Фигурах введены следующие обозначения:Figure 1 presents a diagram of a ship's electric propulsion system with a twin-screw propulsion module with ring-shaped engines, Figure 2 is a design of the propulsion module, Figure 3 is a view A-A of Figure 2. The following notation is introduced in the Figures:

1 - шины распределительного щита; 2 - автоматический выключатель; 3 - дроссель; 4 -преобразователь частоты; 5, 6 - первый и второй, соответственно, гребные синхронные электродвигатели кольцевой конструкции с возбуждением от постоянных магнитов, 7 - первый гребной винт фиксированного шага; 8 - второй гребной винт фиксированного шага; 9 - двигательно-движительный модуль; 10, 11 - полости первого и второго роторов, соответственно; 12, 13 - первый и второй роторы, соответственно; 14 - сквозной канал; 15 - управляемый выпрямитель с векторным управлением; 16 - конденсаторный накопитель; 17 - датчик напряжения на конденсаторном накопителе; 18 - первый инвертор; 19 - второй инвертор; 20 - локальная система управления; 21 - первый задатчик частот вращения электродвигателей; 22 - второй задатчик частот вращения электродвигателей, 23 и 24 - первый и второй датчики тока фаз, 25 и 26 - первый и второй датчики напряжений фаз; 27 и 28 - статоры гребных электродвигателей, 29 - интерфейс. Судовая система электродвижения с двухвинтовым двигательно-движительным модулем на базе двигателей кольцевой конструкции содержит шины 1 распределительного щита, соединенные через автоматический выключатель 2 и дроссель 3 с преобразователем частоты 4. К преобразователю частоты 4 с двумя раздельными выходными трехфазными цепями подключены соответственно два гребных синхронных электродвигателя 5 и 6 (их статорные обмотки). Гребные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов имеют кольцевую конструкцию, подобно тому, как описано в прототипе. В полости ротора каждого из электродвигателей установлены гребные винты 7 и 8 фиксированного шага. Конструктивно оба электродвигателя 5 и 6 оформлены в виде модуля 9 двигательно-движительной установки, то есть имеют общий корпус, где они расположены соосно, а полости 10 и 11 их роторов 12 и 13 в корпусе модуля 9 образуют сквозной канал 14. Лопасти первого гребного винта 7 выполнены с противонаправленным разворотом к лопастям второго гребного винта 8. Преобразователь 4 частоты выполнен обратимым и содержит управляемый выпрямитель 15 с векторным управлением, силовой выход которого соединен с конденсаторным накопителем 16 звена постоянного тока, с датчиком напряжения 17 на конденсаторном накопителе и силовыми входами инверторов 18 и 19. Управляемый выпрямитель 15 подключен управляющим входом к локальной системе управления 20. В составе преобразователя 4 частоты имеются также первый задатчик 21 частот вращения электродвигателей 5 и 6 в функции получения максимального суммарного упора гребных винтов и второй задатчик 22 частот вращения электродвигателей в функции минимума шума и вибрации, воспроизводимых модулем, подключенные своими входами к локальной системе управления 20. Первый выход первого задатчика 21 соединен с первым выходом второго задатчика 22 и с управляющим входом первого инвертора 18, а второй выход первого задатчика 21 соединен с вторым выходом второго задатчика 22 и с управляющим входом второго инвертора 19. Выходные силовые цепи инверторов 18 и 19 через силовые цепи соответствующих датчиков 23 и 24 тока фаз, являющиеся выходами преобразователя 4 и к которым подключены первый и второй датчики 25 и 26 напряжений фаз, соединены с обмотками статоров 27 и 28 соответствующих гребных электродвигателей 5 и 6 кольцевой конструкции. Подключение электродвигателей выполнено с противоположным чередованием фаз для разнонаправленного вращения их роторов 12 и 13 со встроенными гребными винтами 7 и 8 и создания упора в одном общем направлении. Сигнальные выводы датчиков напряжения 17, 25, 26 и датчиков тока 23 и 24 подключены к локальной системе управления 20, к которой для соединения с системой верхнего уровня подключен интерфейс 29.1 - busbar switchboard; 2 - circuit breaker; 3 - throttle; 4 - frequency converter; 5, 6 - the first and second, respectively, rowing synchronous electric motors of a ring design with excitation from permanent magnets, 7 - the first propeller of a fixed pitch; 8 - second propeller fixed pitch; 9 - motor-propulsion module; 10, 11 - cavity of the first and second rotors, respectively; 12, 13 - the first and second rotors, respectively; 14 - through channel; 15 - controlled rectifier with vector control; 16 - capacitor bank; 17 - voltage sensor on a capacitor bank; 18 - the first inverter; 19 - second inverter; 20 - local control system; 21 - the first speed controller of electric motors; 22 - a second adjuster of the rotational speeds of the electric motors, 23 and 24 - the first and second phase current sensors, 25 and 26 - the first and second phase voltage sensors; 27 and 28 - stators of propeller motors, 29 - interface. A ship’s electric propulsion system with a twin-screw motor-propulsion module based on ring motors contains switchboard buses 1 connected through a circuit breaker 2 and a choke 3 to a frequency converter 4. Two synchronous motors 5 are connected respectively to a frequency converter 4 with two separate output three-phase circuits 5 and 6 (their stator windings). Permanent magnet driven rowing motors have an annular structure, similar to that described in the prior art. In the rotor cavity of each of the electric motors, fixed-pitch propellers 7 and 8 are installed. Structurally, both electric motors 5 and 6 are designed as a module 9 of the propulsion system, that is, they have a common housing where they are coaxial, and the cavities 10 and 11 of their rotors 12 and 13 in the housing of the module 9 form a through channel 14. The blades of the first propeller 7 are made with an anti-directional turn to the blades of the second propeller 8. The frequency converter 4 is made reversible and contains a controlled rectifier 15 with vector control, the power output of which is connected to a capacitor drive 16 of the DC link, with a voltage sensor 17 on the capacitor bank and the power inputs of the inverters 18 and 19. The controlled rectifier 15 is connected by the control input to the local control system 20. As part of the frequency converter 4, there is also a first drive 21 of the frequency of rotation of the electric motors 5 and 6 in the function of obtaining the maximum total stop of the propellers and a second adjuster 22 of the rotational speeds of the electric motors as a function of the minimum noise and vibration reproduced by the module, connected by their inputs to the local control system 20. The first output the first master 21 is connected to the first output of the second master 22 and with the control input of the first inverter 18, and the second output of the first master 21 is connected with the second output of the second master 22 and with the control input of the second inverter 19. The output power circuits of inverters 18 and 19 through the power circuits of the corresponding sensors 23 and 24 of the phase current, which are the outputs of the Converter 4 and to which the first and second sensors 25 and 26 of the phase voltages are connected, are connected to the windings of the stators 27 and 28 of the corresponding rowing motors 5 and 6 of the ring design and. The electric motors are connected with the opposite phase rotation for the multidirectional rotation of their rotors 12 and 13 with built-in propellers 7 and 8 and creating an emphasis in one common direction. The signal outputs of the voltage sensors 17, 25, 26 and current sensors 23 and 24 are connected to a local control system 20, to which an interface 29 is connected to connect to the upper level system.

Судовая система электродвижения с двухвинтовым двигательно-движительным модулем на базе двигателей кольцевой конструкции работает следующим образом.The ship’s electric propulsion system with a twin-screw propulsion module based on ring-shaped engines works as follows.

Работой установки управляет система верхнего уровня, передавая команды по интерфейсу 29 локальной системе управления 20, которая задает режимы работы управляемому выпрямителю 15 и инверторам 18 и 19, контролируя напряжение на конденсаторном накопителе 16 с помощью датчика напряжения 17 и токи обмоток статоров 27 и 28, соответствующие механическим моментам нагрузки электродвигателей 5 и 6 и создаваемым гребными винтами 7 и 8 усилиям упоров. Работой силовых схем управляемого выпрямителя 15 с векторным управлением и инверторов 18 и 19 управляют встроенные контроллеры по информации собственных датчиков (на фигурах не показаны).The operation of the installation is controlled by the upper-level system, transmitting commands through the interface 29 to the local control system 20, which sets the operating modes for the controlled rectifier 15 and inverters 18 and 19, controlling the voltage on the capacitor bank 16 using the voltage sensor 17 and the currents of the stators 27 and 28, corresponding to mechanical load moments of electric motors 5 and 6 and the efforts of the stops created by the propellers 7 and 8. The operation of power circuits of a controlled rectifier 15 with vector control and inverters 18 and 19 is controlled by built-in controllers according to the information of their own sensors (not shown in the figures).

По сигналу, поступающему на вход локальной системы управления 20 по интерфейсу 29 от системы управления верхнего уровня, система электродвижения может быть переведена в следующие основные режимы работы:By the signal received at the input of the local control system 20 via the interface 29 from the upper level control system, the electric movement system can be transferred to the following main operating modes:

- режим движения и торможения с максимальным усилием упора;- driving and braking mode with maximum stop force;

- режим движения и торможения с минимумом шумов и вибраций, создаваемых двигательно-движительным модулем;- mode of movement and braking with a minimum of noise and vibration created by the propulsion module;

- режимы движения и торможения с компенсацией реактивной мощности, генерируемой судовыми электропотребителями и симметрирования по модулю и фазе напряжения на шинах 1 распределительного щита.- modes of movement and braking with reactive power compensation generated by ship electrical consumers and balancing modulo and phase voltage on the busbars 1 of the switchboard.

Судно приводится в движение с помощью электродвигателей 5 и 6 модуля 9, получающих питание от инверторов 18 и 19 в виде трехфазных систем напряжений, отличающихся по частоте и амплитуде, с противоположным чередованием фаз, что обеспечивает разнонаправленное вращение гребных винтов 7 и 8 с противонаправленным разворотом лопастей для создания упора в одном общем направлении. При этом напряжение с шин 1 распределительного щита через включенный автоматический выключатель 2, дроссель 3 подается на управляемый выпрямитель 15, на инверторы 18 и 19. Управляемый выпрямитель 15 обеспечивает стабилизацию постоянного напряжения на конденсаторном накопителе 16 звена постоянного тока, фильтрацию потребляемого тока, изменение угла сдвига между напряжением и током в каждой фазе на своем входе по заданиям локальной системы 20 управления для компенсации реактивной мощности и для симметрирования по модулю и фазе трехфазной системы векторов питающих напряжений. Инверторы 18 и 19 управляют работой электродвигателей 5 и 6 в соответствии с принципом векторного управления электроприводом.The vessel is propelled by electric motors 5 and 6 of module 9, powered by inverters 18 and 19 in the form of three-phase voltage systems that differ in frequency and amplitude, with opposite phase rotation, which provides multidirectional rotation of the propellers 7 and 8 with the opposite direction of rotation of the blades to create emphasis in one general direction. The voltage from the busbars 1 of the switchboard through the circuit breaker 2, the inductor 3 is supplied to the controlled rectifier 15, to the inverters 18 and 19. The controlled rectifier 15 provides stabilization of the DC voltage on the capacitor storage 16 DC link, filtering the current consumption, changing the angle of shift between the voltage and current in each phase at its input according to the instructions of the local control system 20 for reactive power compensation and for balancing the three-phase system modulo and phase we vectors of supply voltages. Inverters 18 and 19 control the operation of electric motors 5 and 6 in accordance with the principle of vector control of an electric drive.

При торможении электродвигатели 5 и 6 переводятся в генераторный режим, при котором электрическая энергия поступает через инверторы 18 и 19, управляемый выпрямитель 15, дроссель 3, автоматический выключатель 2 на шины 1 распределительного щита, откуда подается для питания судовых электропотребителей (на фигуре не показаны). Избыток электроэнергии поглощается тормозным резистором, устанавливаемым в звене постоянного тока управляемого выпрямителя 15 (на фигурах не показан).When braking, the electric motors 5 and 6 are transferred to the generator mode, in which electric energy is supplied through inverters 18 and 19, a controlled rectifier 15, a choke 3, an automatic switch 2 to the distribution busbars 1, from where it is supplied to power marine electrical consumers (not shown in the figure) . The excess electricity is absorbed by the braking resistor installed in the DC link of the controlled rectifier 15 (not shown in the figures).

Режимы движения и торможения с максимизацией суммарного усилия упора при оптимальных энергозатратах осуществляются за счет управления электродвигателями с учетом конструктивных особенностей и гидродинамических характеристик модуля 9 и гребных винтов 7 и 8. Усилие упора модуля 9 складывается из усилий упора гребных винтов 7 и 8, приводимых во вращение электродвигателями 5 и 6. Оптимальные зависимости усилий упора от частоты вращения каждого гребного винта, при их совместной работе в модуле 9 и минимальных суммарных затратах электроэнергии на движение судна, получены опытным путем. Электрическая мощность, подводимая к электродвигателям 5 и 6, преобразуется в механическую с частотами вращения роторов, соответствующими моментам сопротивления гребных винтов 7 и 8. Характеристика, находящаяся в памяти первого задатчика 21, устанавливает для каждого электродвигателя свою частоту вращения, оптимальный коэффициент распределения электрической мощности, подводимой к электродвигателям 5 и 6 для получения максимального суммарного усилия упора от гребных винтов модуля 9.Modes of movement and braking with maximization of the total stop effort at optimal energy consumption are achieved by controlling the electric motors taking into account the design features and hydrodynamic characteristics of module 9 and propellers 7 and 8. The stop force of module 9 is the sum of the stop forces of the propellers 7 and 8, which are rotated electric motors 5 and 6. Optimum dependences of the stop forces on the rotational speed of each propeller, when they work together in module 9 and the minimum total energy consumption on the movement of the vessel obtained experimentally. The electric power supplied to the electric motors 5 and 6 is converted into mechanical power with rotor speeds corresponding to the resistance moments of the propellers 7 and 8. The characteristic stored in the memory of the first setter 21 sets its rotation frequency for each electric motor, the optimal distribution coefficient of electric power, fed to electric motors 5 and 6 to obtain the maximum total stop force from the propellers of module 9.

Система верхнего уровня через локальную систему управления 20 задает величину, соответствующую усилию упора модуля 9, на первый задатчик 21 частоты вращения, который распределяет задания по выходной мощности на инверторы 18 и 19. Инверторы 18 и 19 формируют выходные напряжения по частоте и амплитуде для питания обмоток статоров электродвигателей 5 и 6. Электрическая мощность преобразуется в механическую мощность вращения каждого гребного винта, в суммарное усилие упора модуля, приводящее в движение судно с соответствующей скоростью.The upper level system through the local control system 20 sets the value corresponding to the thrust of the module 9 to the first speed controller 21, which distributes the tasks according to the output power to inverters 18 and 19. Inverters 18 and 19 generate output voltages in frequency and amplitude to power the windings stators of electric motors 5 and 6. Electric power is converted into the mechanical rotation power of each propeller, into the total stop force of the module, which sets the vessel in motion at the corresponding speed.

Режим движения и торможения с минимумом шумов и вибраций, связанных с гидродинамикой конструкции корпуса двигательно-движительного модуля 9, гребных винтов 7 и 8, осуществляется повышением ламинарности водного потока на выходе модуля, а также оптимизацией режимов его работы. По сигналам системы управления верхнего уровня и локальной системы управления 20 второй задатчик 22 устанавливает оптимальный коэффициент распределения электрической мощности для гребных электродвигателей 5 и 6 во всем диапазоне частот вращения гребных винтов 7 и 8, при минимальном уровне шумов и вибраций, воспроизводимых модулем 9, по характеристике, полученной опытным путем. Задатчики 21 и 22 задают инверторам 18 и 19 частоты и амплитуды выходных напряжений, питающих обмотки статоров 27 и 28 электродвигателей 5 и 6. Система 20 контролирует заданные параметры, вычисляет значения частот вращения, мощности, потребляемые электродвигателями, и по характеристикам гребных винтов, усилия упора, используя информацию, поступающую от датчиков 23, 24 тока и 25, 26 напряжения фаз. Применение в конструкции модуля 9 гребных электродвигателей 5 и 6 кольцевой конструкции с возбуждением от постоянных магнитов, имеющих минимальные габариты торцевой части, обеспечивает минимизацию гидродинамического сопротивления и лучшую обтекаемость корпуса.The mode of movement and braking with a minimum of noise and vibration associated with the hydrodynamics of the design of the housing of the propulsion module 9, propellers 7 and 8, is carried out by increasing the laminarity of the water flow at the output of the module, as well as optimizing its operation modes. According to the signals of the upper-level control system and the local control system 20, the second setter 22 sets the optimal electric power distribution coefficient for the propeller motors 5 and 6 over the entire range of rotational speeds of the propellers 7 and 8, with a minimum level of noise and vibration reproduced by module 9, according to the characteristic obtained experimentally. The sets 21 and 22 set the frequency and amplitude of the output voltages inverters 18 and 19 supplying the windings of the stators 27 and 28 of the electric motors 5 and 6. The system 20 monitors the set parameters, calculates the values of the rotational speeds, power consumed by the electric motors, and the thrust force according to the characteristics of the propellers using information from the sensors 23, 24 current and 25, 26 phase voltage. The use in the design of module 9 of the propeller motors 5 and 6 of a ring structure with excitation from permanent magnets having minimal dimensions of the end part, minimizes the hydrodynamic resistance and better streamlining of the housing.

Уровень шумов, воспроизводимых оборудованием системы электродвижения, особенно генераторов, гребных электродвигателей 5 и 6, электропотребителей, зависит от величины потребляемых ими токов, которые могут содержать реактивные и высшие гармонические составляющие, а также от симметрии трехфазных систем питающих напряжений.The noise level reproduced by the equipment of the electric propulsion system, especially generators, propeller motors 5 and 6, electric consumers, depends on the amount of currents consumed by them, which can contain reactive and higher harmonic components, as well as on the symmetry of three-phase voltage supply systems.

В режиме движения и торможения с компенсацией реактивной мощности, генерируемой судовыми электропотребителями, по команде системы верхнего уровня, локальная система управления 20 выдает сигнал задания, по которому управляемый выпрямитель 15 изменяет угол сдвига между векторами напряжений и токов фаз, необходимый для компенсации реактивной мощности на шинах 1 распределительного щита питания для электропотребителей. Среднее значение напряжения на выходе управляемого выпрямителя 15 остается стабильным и инверторы 18 и 19 выполняют функцию, заданную системой управления 20.In the mode of movement and braking with reactive power compensation generated by ship electrical consumers, at the command of the upper level system, the local control system 20 generates a reference signal, according to which the controlled rectifier 15 changes the shift angle between the voltage and phase current vectors necessary to compensate the reactive power on the tires 1 power distribution box for consumers. The average voltage at the output of the controlled rectifier 15 remains stable and the inverters 18 and 19 perform the function specified by the control system 20.

Режим движения и торможения с симметрированием по модулю и фазе напряжения на шинах 1 распределительного щита питания для электропотребителей осуществляется по команде системы верхнего уровня и по сигналам встроенного в управляемый выпрямитель 15 с векторным управлением, датчиков напряжений и токов фаз с выработкой компенсационного воздействия. Компенсационное воздействие заключается в изменении модулей и фазовых углов векторов тока во входной цепи управляемого выпрямителя 15 и, соответственно, углов сдвига между током и напряжением в каждой фазе. Это осуществляется формированием управляемым выпрямителем 15 во входной цепи и на зажимах трехфазных обмоток дросселя 3 дополнительных векторов фазных напряжений. Сумма векторов фазных напряжений, действующих в каждой фазе дросселя 3, влияет на модуль и фазовый угол вектора тока, протекающего в каждой фазной обмотке дросселя. При этом векторы трехфазной системы напряжений на шинах 1 распределительного щита выравниваются по модулю с приближением взаимного фазового сдвига к 120 электрическим градусам. Среднее значение напряжения на выходе управляемого выпрямителя 15 остается стабильным и инверторы 18 и 19 могут выполнять заданную системой управления 20 функцию по режимам движения и торможения двигателей модуля.The mode of movement and braking with balancing by the modulus and phase of the voltage on the buses 1 of the power distribution board for electric consumers is carried out by the command of the upper level system and by the signals built into the controlled rectifier 15 with vector control, voltage sensors and phase currents with the generation of a compensation effect. Compensatory effect consists in changing the modules and phase angles of the current vectors in the input circuit of the controlled rectifier 15 and, accordingly, the shear angles between the current and voltage in each phase. This is accomplished by the formation of controlled rectifier 15 in the input circuit and at the terminals of the three-phase windings of the inductor 3 additional phase voltage vectors. The sum of the phase voltage vectors acting in each phase of the inductor 3 affects the module and the phase angle of the current vector flowing in each phase winding of the inductor. In this case, the vectors of the three-phase voltage system on the buses 1 of the switchboard are aligned modulo with the approximation of the mutual phase shift to 120 electrical degrees. The average value of the voltage at the output of the controlled rectifier 15 remains stable and the inverters 18 and 19 can perform the function specified by the control system 20 according to the driving and braking modes of the module motors.

Таким образом, применение в изобретении модуля двухвинтовой двигательно-движительной установки кольцевой конструкции с двумя гребными синхронными электродвигателями, возбуждаемых от постоянных магнитов, вращающих гребные винты с противонаправленным разворотом лопастей и обратимого преобразователя с двумя раздельно управляемыми инверторами для питания гребных электродвигателей, в том числе и при использовании гребных винтов типа импеллер, позволяет судовой системе электродвижения работать как в двигательном, так и в тормозном режиме с обеспечением:Thus, the use in the invention of a module of a twin-screw propulsion system of a ring design with two propeller synchronous electric motors driven by permanent magnets, rotating propellers with an anti-directional rotation of the blades and a reversible converter with two separately controlled inverters for powering the propeller motors, including the use of propellers of the impeller type, allows the ship's electric propulsion system to work in both motor and brake modes I have with security:

- повышения КПД движителя;- increase the propulsion efficiency;

- снижения уровня шумов и вибраций;- reduce noise and vibration;

- повышения качества и эффективного использования электроэнергии на шинах распределительного щита за счет управляемого выпрямителя, обеспечивающего фильтрацию потребляемого тока, стабилизацию выходного напряжения и возможность рекуперации электроэнергии для использования судовыми потребителями;- improving the quality and efficient use of electricity on the switchboard tires due to the controlled rectifier, which provides filtering of the consumed current, stabilization of the output voltage and the possibility of energy recovery for use by ship consumers;

- одновременного использования управляемого выпрямителя преобразователя частоты данной установки в качестве статического компенсатора реактивной мощности и для симметрирования по модулю и фазе векторов напряжений в питающей сети при различной загрузке ее фаз для дополнительного снижения уровня шумов и вибраций электрооборудования судна.- the simultaneous use of a controlled rectifier of the frequency converter of this installation as a static reactive power compensator and for balancing modulo and phase of the voltage vectors in the supply network with different loading of its phases to further reduce the level of noise and vibration of the ship's electrical equipment.

Claims (1)

Судовая система электродвижения, имеющая в своем составе шины распределительного щита, подключенные через автоматический выключатель и дроссель к обратимому преобразователю частоты, первый выход которого подсоединен к статорной обмотке первого гребного электродвигателя кольцевой конструкции с возбуждением от постоянных магнитов, в полости ротора которого установлен первый гребной винт фиксированного шага, отличающаяся тем, что дополнительно содержит второй гребной электродвигатель кольцевой конструкции с возбуждением от постоянных магнитов, статорная обмотка которого подсоединена ко второму выходу преобразователя частоты, в полости ротора второго гребного электродвигателя установлен второй гребной винт фиксированного шага, оба упомянутых электродвигателя расположены соосно и объединены в единый модуль таким образом, что их полости образуют сквозной канал, а лопасти первого гребного винта выполнены с противонаправленным разворотом к лопастям второго гребного винта, при этом преобразователь частоты содержит установленный на входе управляемый выпрямитель, силовой выход которого соединен с конденсаторным накопителем звена постоянного тока, с датчиком напряжения звена постоянного тока и с силовыми входами двух инверторов, которые входят в состав преобразователя частоты, содержит также два задатчика частот вращения электродвигателей, каждый из задатчиков своим первым выходом соединен с управляющим входом одного из инверторов, а своим вторым выходом соединены с первыми выходом другого задатчика, при этом судовая система электродвижения имеет в своем составе локальную систему управления, соединенную с управляющим входом управляемого выпрямителя, с сигнальным выходом датчика напряжения на конденсаторном накопителе, с задатчиками частот, а также с сигнальными выходами первого и второго датчиков тока и первого и второго датчиков напряжения фаз, установленных в выходных силовых цепях инверторов, являющихся выходами преобразователя частоты, причем подключение электродвигателей выполнено с обеспечением возможности разнонаправленного вращения их роторов. The ship’s electric propulsion system, incorporating switchboard buses connected through a circuit breaker and inductor to a reversible frequency converter, the first output of which is connected to the stator winding of the first propeller ring motor with excitation from permanent magnets, in the rotor cavity of which the first fixed propeller is mounted step, characterized in that additionally contains a second rowing electric motor of a ring design with permanent magnet excitation, the stator winding of which is connected to the second output of the frequency converter, a second fixed pitch propeller is installed in the rotor cavity of the second rowing electric motor, both of these motors are aligned and combined into a single module so that their cavities form a through channel, and the blades of the first propeller are made with an opposite direction to the blades of the second gr a screw, the frequency converter contains a controlled rectifier installed at the input, the power output of which is connected to a capacitor storage of the DC link, with a voltage sensor of the DC link and with the power inputs of two inverters that are part of the frequency converter, it also contains two frequency adjusters rotation of electric motors, each of the setters is connected with its first output to the control input of one of the inverters, and with its second output connected to the first output of the other at the same time, the ship's electric propulsion system incorporates a local control system connected to the control input of the controlled rectifier, with the signal output of the voltage sensor on the capacitor storage, with frequency adjusters, as well as with the signal outputs of the first and second current sensors and the first and second sensors the voltage of the phases installed in the output power circuits of the inverters, which are the outputs of the frequency converter, and the connection of the electric motors is made possible unidirectional rotation of their rotors.
RU2012154443/11A 2012-12-11 2012-12-11 Electric propulsion ship system with two-screw propulsion unit with ring structure engines RU2522733C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012154443/11A RU2522733C1 (en) 2012-12-11 2012-12-11 Electric propulsion ship system with two-screw propulsion unit with ring structure engines

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012154443/11A RU2522733C1 (en) 2012-12-11 2012-12-11 Electric propulsion ship system with two-screw propulsion unit with ring structure engines

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2012154443A RU2012154443A (en) 2014-06-20
RU2522733C1 true RU2522733C1 (en) 2014-07-20

Family

ID=51213754

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012154443/11A RU2522733C1 (en) 2012-12-11 2012-12-11 Electric propulsion ship system with two-screw propulsion unit with ring structure engines

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2522733C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2630024C2 (en) * 2016-02-04 2017-09-05 Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" Method of ship main motor braking and reverse control
RU2670341C1 (en) * 2017-08-18 2018-10-22 Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" Engine-propulsion module of ring structure

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4739256A (en) * 1983-08-02 1988-04-19 Triad Chemical Corporation Method and apparatus for testing and repairing synchronous motors
RU2119875C1 (en) * 1997-01-06 1998-10-10 Государственный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт по развитию и эксплуатации флота Shipboard propeller-engine plant, type swivel column
EP1088237B1 (en) * 1998-06-16 2005-04-06 M.E.A. Motor Inspection Ltd. Method and system for performance testing of rotating machines
RU2436708C1 (en) * 2010-09-20 2011-12-20 Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации Ship electric power generator unit

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4739256A (en) * 1983-08-02 1988-04-19 Triad Chemical Corporation Method and apparatus for testing and repairing synchronous motors
RU2119875C1 (en) * 1997-01-06 1998-10-10 Государственный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт по развитию и эксплуатации флота Shipboard propeller-engine plant, type swivel column
EP1088237B1 (en) * 1998-06-16 2005-04-06 M.E.A. Motor Inspection Ltd. Method and system for performance testing of rotating machines
RU2436708C1 (en) * 2010-09-20 2011-12-20 Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации Ship electric power generator unit

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2630024C2 (en) * 2016-02-04 2017-09-05 Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" Method of ship main motor braking and reverse control
RU2670341C1 (en) * 2017-08-18 2018-10-22 Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" Engine-propulsion module of ring structure

Also Published As

Publication number Publication date
RU2012154443A (en) 2014-06-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9650120B2 (en) Electric drive shaft and vehicle comprising such an electric drive shaft
KR101474016B1 (en) Power converters
US6188591B1 (en) System for supplying electromotive consumers with electric energy
US9580160B2 (en) Ship drive system having a plurality of electric drive shafts
RU2553530C2 (en) Propulsion system
WO2019032065A1 (en) Electrical underwater jet motor with multiple stator for sea vehicles
KR20160146573A (en) Varying quantities of motor poles for noise reduction
US8299638B2 (en) Propulsion system for ships
RU2544268C2 (en) Propulsion system
US20130316602A1 (en) Arrangement for steering and supplying propulsion power to propulsion system
KR20170076757A (en) Electric power generating system
JP5312513B2 (en) Ship propulsion system
RU2522733C1 (en) Electric propulsion ship system with two-screw propulsion unit with ring structure engines
RU2519590C2 (en) Marine propulsive arrangement
RU130581U1 (en) SHIP ELECTRIC MOTION SYSTEM WITH TWIN-SCREW MOTOR-MOTOR MODULE WITH RING ENGINES
JP6298967B2 (en) Frequency converter for electric propulsion ship and electric propulsion ship
RU137014U1 (en) SHIP ELECTRIC POWER PLANT
CN105119464A (en) Magnetic coupling shaft generation system and application of magnetic coupling shaft generation system in ship
Moussodji et al. Electric hybridization of a bow thruster for river boat application
RU126316U1 (en) SHIP MOTOR AND ENGINE INSTALLATION
RU2808304C1 (en) Electric propulsion system for autonomous mining vehicles
RU132774U1 (en) SHIP ELECTRIC POWER PLANT
RU2533869C1 (en) Ship electric power generator
RU2396182C1 (en) Method of operating marine hydraulic power plant
RU2278463C1 (en) Electro-movement system

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20141212

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20180523

RH4A Copy of patent granted that was duplicated for the russian federation

Effective date: 20180609

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20191212

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20200813