RU2765022C1 - Electric propulsion installation with double dc buses - Google Patents
Electric propulsion installation with double dc buses Download PDFInfo
- Publication number
- RU2765022C1 RU2765022C1 RU2021110315A RU2021110315A RU2765022C1 RU 2765022 C1 RU2765022 C1 RU 2765022C1 RU 2021110315 A RU2021110315 A RU 2021110315A RU 2021110315 A RU2021110315 A RU 2021110315A RU 2765022 C1 RU2765022 C1 RU 2765022C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- voltage
- inverters
- electric
- propulsion
- additional
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B60—VEHICLES IN GENERAL
- B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
- B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
- B60L50/10—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by engine-driven generators, e.g. generators driven by combustion engines
- B60L50/13—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by engine-driven generators, e.g. generators driven by combustion engines using AC generators and AC motors
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
- B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
- B63H21/00—Use of propulsion power plant or units on vessels
- B63H21/12—Use of propulsion power plant or units on vessels the vessels being motor-driven
- B63H21/17—Use of propulsion power plant or units on vessels the vessels being motor-driven by electric motor
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
- B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
- B63H23/00—Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements
- B63H23/22—Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements with non-mechanical gearing
- B63H23/24—Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements with non-mechanical gearing electric
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M5/00—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
- H02M5/40—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc
- H02M5/42—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
- Y02T10/7072—Electromobility specific charging systems or methods for batteries, ultracapacitors, supercapacitors or double-layer capacitors
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
- Y02T10/72—Electric energy management in electromobility
Abstract
Description
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.The invention relates to shipbuilding, in particular to the propulsion electrical installations of both civil and navy ships, for which it is necessary to provide power to propeller motors with the possibility of frequent starts and stops, and with a wide range of propeller speed control and the ability to provide power to consumers own needs.
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.A propulsion electrical installation with multilevel frequency converters is known (patent RU 2475376 (C1), IPC B60L11/00, B63H21/17, H02M7/00, publ. multi-winding transformers, disconnector, rectifier modules, DC link capacitors, multi-level inverters and a two-winding propulsion motor. The advantage of the analogue is the use of a multi-level frequency converter, which allows to ensure the high quality of the synthesized voltage to power the windings of the propulsion motor.
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.The disadvantage of the known installation is the presence of two multi-winding power matching transformers, a large number of electrical energy conversions, as well as the need to dissipate energy when braking the propulsion motor. In addition, the disadvantages of the known structure include the lack of the possibility of supplying consumers with their own needs.
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.Known propulsion electrical installation (patent WO 2009/135736 A1, IPC
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.The disadvantage of the known structure is a large amount of complex equipment and a large number of electrical energy conversions. In addition, the disadvantages of the installation include the impossibility of useful use of the braking energy of propulsion motors, as well as the lack of power for consumers of their own needs.
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.The closest in technical essence is a propulsion electrical installation (patent WO 2008/081189 A1, IPC B63H 21/17,
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.The disadvantage of the known installation is the presence of a large amount of complex and expensive equipment of the propulsion electrical installation, as well as the fact that if it is necessary to brake the propulsion electric drive without using the brake circuit, the energy between the propulsion electric motors will flow through the sections of the main generating sets and matching transformers. In addition, to provide power to consumers of their own needs with alternating voltage of a fixed frequency, generator sets, including a primary heat engine and an electric generator, must be made at low speed, which increases the size and mass of power sources on the ship. In addition, a system for stabilizing and synchronizing the rotational speed of the primary heat engines of generating sets is needed to stabilize the frequency of the output voltage and synchronize the joint operation of generating sets. At the same time, primary heat engines will not always operate with the maximum energy efficiency, which significantly depends on the load of electric generators.
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.The proposed propulsion electric power plant with dual DC buses allows, in comparison with the prototype, to reduce the number of elements of the electric propulsion complex, reduce energy consumption, increase the reliability of operation and provide power to consumers of their own needs from intermediate electrical converters with stabilization of the supply voltage parameters and propellers independent of the operation of electric drives. The advantages of the proposed installation also include the ability to provide power to external shore or towed consumers, which greatly expands its functionality. In addition, the proposed electrical installation of the vessel can be built using high-speed gearless main generator sets with increased frequency output voltage, and voltage inverters for propulsion motors are built on the basis of three-level voltage inverters, which make it possible to obtain high quality synthesized voltage for powering propulsion motors. In addition, the proposed electrical installation makes it possible to exclude soft starters for charging the storage capacitors of voltage inverters, which are used in the prototype.
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.To achieve this technical result, the following set of essential features is used: a propulsion electrical installation with double DC buses, containing four generating units, each of which consists of a mechanically connected primary heat engine and an alternating current electric generator, four circuit breakers, four voltage rectifiers, four inverters voltage, four AC propulsion motors and two propellers, each of the voltage inverters is connected by its output to the winding of its propeller motor, while the propulsion motors, powered by the first and second voltage inverters, are connected in tandem and planted on one shaft with a propeller starboard, and the propulsion motors, powered by the third and fourth voltage inverters, are connected in tandem and planted on the same shaft with the port propeller, unlike the prototype, it additionally contains control system, four current sensors and two voltage sensors, and each of the electric generators of the generating set contains an excitation winding with its own electric converter, automatic switches are made with the possibility of remote control, the stator winding of each electric generator of the generating set is connected through its circuit breaker to the input of its rectifier voltage, while the DC terminals of the first and second voltage rectifiers are connected in series in a consistent manner and form a positive and negative DC terminals of the starboard side, the DC terminals of the third and fourth voltage rectifiers are connected in series in a consistent manner and form a positive and negative DC terminals of the port side, each of voltage sensors are installed on the DC terminals of their side, the first and third, as well as the second and fourth voltage inverters are connected in pairs with their inputs in parallel, while the positive inputs of the first and third voltage inverters through the first current sensor are connected to the positive DC output of the starboard side, the negative inputs of the first and third voltage inverters are connected to the negative DC output of the starboard side through the second current sensor, the positive inputs of the second and fourth inverters voltage through the third current sensor is connected to the positive DC output of the left side, the negative inputs of the second and fourth voltage inverters through the fourth current sensor are connected to the negative DC output of the left side, control of circuit breakers, electric converters of the excitation windings of electric generators and primary heat engines of generating units , voltage inverters are carried out from the control system, where the information outputs of the current and voltage sensors are connected.
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.In addition, in order to expand functionality and improve technical characteristics, a propulsion electrical installation with double DC buses may contain three-level voltage inverters, with the zero point of the first and third three-level voltage inverters interconnected and connected to a common connection point of the first and second rectifiers voltage, the zero point of the second and fourth three-level voltage inverters are interconnected and connected to a common connection point of the third and fourth voltage rectifiers.
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.In addition, in order to expand functionality and improve technical characteristics, a propulsion electric installation with double DC buses can additionally contain two brake circuits, each of which is connected to the positive and negative DC terminal of its side, while each brake circuit consists of a diode transistor and a braking resistor, wherein the transistor collector is connected to the positive DC terminal of its side, the emitter of the transistor is connected to the diode cathode and the first terminal of the braking resistor, the second terminal of which is connected to the diode anode and the negative DC terminal of its side.
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.In addition, in order to expand the functionality and improve the technical characteristics, the propulsion electrical installation with double DC buses can additionally contain two voltage inverters, two two-winding matching transformers, six additional circuit breakers, two switchboards, two power boards from the shore, two auxiliary diesel engines. -generator and auxiliary consumers of each of the boards, moreover, the first additional voltage inverter is coordinated with its inputs, connected to the inputs of the first and third voltage inverters, and the output of the first additional voltage inverter is connected to the primary winding of the first two-winding matching transformer, the secondary winding of which is through the first additional automatic the switch is connected to the first switchboard, to which consumers of the starboard auxiliary needs are connected, through the second additional automatic switch to the first switchboard the dividing board is connected to the first power board from the starboard shore, through the third additional circuit breaker, the electric generator of the first auxiliary diesel generator is connected to the first distribution board, the second additional voltage inverter is coordinated with its inputs, connected to the inputs of the second and fourth voltage inverters, and the output of the second additional the voltage inverter is connected to the primary winding of the second two-winding matching transformer, the secondary winding of which is connected through the fourth additional automatic switch to the second switchboard, to which consumers of the auxiliary needs of the left side are connected, through the fifth additional automatic switch the second power supply from the port side is connected to the second switchboard side, through the sixth additional automatic switch to the second switchboard, an electric generator of the second auxiliary diesel engine is connected b-generator.
Предлагаемая установка выполнена на стандартных серийно выпускаемых элементах и помимо выполнения основных требований эксплуатационного характера позволяет:The proposed installation is made on standard mass-produced elements and, in addition to meeting the basic operational requirements, allows:
- улучшить массогабаритные характеристики, а также повысить надежность и срок службы энергетической установки;- improve weight and size characteristics, as well as increase the reliability and service life of the power plant;
- повысить экономичность и энергетическую эффективность энергоустановки;- increase the efficiency and energy efficiency of the power plant;
- повысить коэффициент загрузки первичных тепловых двигателей, тем самым повысив их ресурс эксплуатации;- increase the load factor of primary heat engines, thereby increasing their service life;
- осуществлять плавный заряд накопительных конденсаторов установленных на входе инверторов напряжения;- to carry out a smooth charge of storage capacitors installed at the input of voltage inverters;
- осуществлять регулирование напряжения на выходах электрических генераторов для осуществления синтеза выходного напряжения инверторов напряжения с высокими показателями качества;- carry out voltage regulation at the outputs of electric generators for the implementation of the synthesis of the output voltage of voltage inverters with high quality indicators;
- 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;- to carry out braking of propulsion electric motors without the use of bulky and expensive braking resistors with the transfer of energy to power consumers of their own needs, or the dissipation of braking energy in the working medium - water;
- обеспечивать потребители собственных нужд электроэнергией от главных генераторных агрегатов в режимах движения судна;- provide consumers of their own needs with electricity from the main generating units in the ship's motion modes;
- обеспечивать питание электроэнергией внешних потребителей судна, например береговых потребителей либо потребителей буксируемых объектов от главных генераторных агрегатов.- provide electric power to external consumers of the vessel, for example, onshore consumers or consumers of towed objects from the main generating sets.
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.The described advantages are achieved by the fact that the proposed installation contains new elements and connections that allow organizing two independent controlled DC sources, each of which is capable of providing power to propeller motors and propeller rotation, as well as supplying consumers with their own needs. At the same time, such a structure allows full-fledged operation of the electric propulsion complex in a shared mode from any one of the generating units, or from several generating units in any of their combinations, depending on the required speed of the vessel. In this case, the generating units can be made high-speed, and, accordingly, they will have better weight and size characteristics. The proposed propulsion electrical installation of the vessel can be additionally equipped with matching electrical converters and two-winding transformers for supplying auxiliary consumers or external consumers of the vessel. The proposed structure of the ship's electrical installation with double DC buses is designed in such a way that the failure of one of the generator sets, voltage rectifiers, voltage inverters, as well as one of the propulsion motors will not lead to the failure of the entire electric propulsion system. In addition, in shared modes of operation, in order to increase energy efficiency, one generating unit can be used, which provides power and operation of both propellers with a power limit. The connection of the elements and the layout of the propulsion electrical installation of the ship is made in such a way that, in addition to fulfilling the requirements of the technological process, there is a minimum number of elements between the power source and the executive unit, and the used generating unit is loaded at the nominal value and does not run idle. The proposed structure of the propulsion complex is distinguished by the use of standard commercially available elements of the electric propulsion complex and the versatility that allows using any type of AC electric machine as an electric motor.
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.The essence of the invention lies in the fact that in a propulsion electrical installation with double DC buses, a system of two galvanically isolated DC buses is organized, from which the propulsion motors and other consumers are powered. Such a scheme makes it possible to reduce the number of electrical energy conversions, increase efficiency and reliability, and also, by simple means, distribute energy between electric motors if it is necessary to brake the ship.
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».Comparison of the proposed invention and the prototype showed that the tasks set - the organization of two galvanically isolated sources of electrical energy to power the propeller motors of the propellers - is solved as a result of a new set of features, which proves the compliance of the proposed inventions with the criterion of patentability "novelty".
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».In turn, the conducted information search in the field of electrical engineering did not reveal individual distinguishing features of the claimed invention, which allows us to conclude that it meets the criterion of "inventive step".
Сущность изобретений поясняется чертежами, где:The essence of the inventions is illustrated by drawings, where:
на Фиг.1 - представлена базовая схема гребной электрической установки с двойными шинами постоянного тока;figure 1 is a basic diagram of a propulsion electrical installation with double DC buses;
на Фиг.2 - представлена схема гребной электрической установки с двойными шинами постоянного тока реализованной на основе трехуровневых инверторов напряжения;figure 2 is a diagram of a propulsion electrical installation with dual DC buses implemented on the basis of three-level voltage inverters;
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;figure 3 - shows a diagram of a propulsion electric installation with double DC buses, containing brake circuits to reduce the time to stop or change the direction of the vessel;
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;figure 4 - shows a diagram of a propulsion electrical installation with dual DC buses that allows you to power consumers for their own needs as well as external shore or towed consumers;
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;figure 5 - shows the dependence that characterizes the power of the propulsion electrical installation depending on the speed of the ship N=f(V) for a stationary mode of operation in free water;
на Фиг. 6 – представлена таблица зависимости требуемого количества работающих генераторных агрегатов от текущей скорости движения судна;in FIG. 6 - a table of the dependence of the required number of operating generator sets on the current speed of the vessel is presented;
на Фиг. 7 – представлены направления потоков мощности при торможении и реверсе гребной электрической установки;in FIG. 7 - shows the directions of power flows during braking and reversing of the propulsion electrical installation;
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;in FIG. 8 - presents s The dependence ω 8-1 (t), M 8-1 (t), ω 8-2 ( t), M 8-2 (t) during braking and reverse propulsion of the electrical installation;
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.in FIG. 9 - shows the dependence P 8-1 (t), P 8-2 (t), P 8-1 (t) + P 8-2 (t) during braking and reversing of the propulsion electric installation.
Сущность изобретения поясняется чертежами.The essence of the invention is illustrated by drawings.
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.The proposed installation (Fig.1), contains four generating units 1-1, 1-2, 1-3, 1-4, each of which consists of a mechanically connected primary heat engine 2-1 (2-2, 2-3, 2-4) and an electric generator 3-1 (3-2, 3-3, 3-4) of alternating current, four circuit breakers 4-1, 4-2, 4-3, 4-4, four voltage rectifiers 5- 1, 5-2, 5-3, 5-4, four voltage inverters 6-1, 6-2, 6-3, 6-4, four propeller motors 7-1, 7-2, 7-3, 7- 4 AC and two propellers 8-1, 8-2. Each of the voltage inverters 6-1, 6-2, 6-3, 6-4 is connected by its output to the winding of its propulsion motor 7-1, 7-2, 7-3, 7-4. Propeller motors 7-1, 7-2, powered by the first 6-1 and second 6-2 voltage inverters, connected in tandem and planted on the same shaft with the starboard propeller 8-1. Propeller motors 7-3, 7-4, powered by the third 6-3 and fourth 6-4 voltage inverters, are connected in tandem and planted on the same shaft with the port propeller 8-2. Additionally, the propulsion plant contains a
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.The rowing plant shown in Fig.2 contains three-level voltage inverters 21-1, 21-2, 21-3, 21-4. Zero point of the first 21-1 and third 21-3 three-level voltage inverters are interconnected and connected to a common connection point of the first 5-1 and second 5-2 voltage rectifiers. Zero point of the second 21-2 and fourth 21-4 three-level voltage inverters are interconnected and connected to a common connection point of the third 5-3 and fourth 5-4 voltage rectifiers.
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.Rowing installation shown in Fig.3, additionally contains two brake chains 22-1, 22-2. Each of the braking circuits 22-1 (22-2) is connected to the positive 17 (19) and negative 18 (20) DC terminals of its side. Each braking circuit 22-1 (22-2) consists of a
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.The rowing plant shown in Fig.4 contains two additional voltage inverters 26-1, 26-2, two two-winding matching transformers 27-1, 27-2, six
Работа предлагаемой установки происходит следующим образом.The operation of the proposed installation is as follows.
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.The main idea of the proposed invention is the possibility of full-fledged operation of a propulsion electrical installation with double DC buses in shared mode from one of the generating units 1-1 (1-2, 1-3, 1-4) or from several generating units 1-1, 1 -2, 1-3, 1-4 in any of their combinations, depending on the required speed of the vessel (required power, or required torque - stop on the propeller shaft 8-1, 8-2). At the same time, in the proposed installation, a system of two DC buses galvanically isolated from each other is implemented, from which both propulsion motors and consumers of their own needs can receive power.
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.Each of the electric generators 3-1 (3-2, 3-3, 3-4) can be implemented on widely used synchronous generators with an electromagnetic excitation system. Presented in Fig.1 - Fig.4 electric generators 3-1, 3-2, 3-3, 3-4 contain the excitation winding with its electric converter 16-1, 16-2, 16-3, 16-4, which allows you to quickly adjust the voltage level at the output of the electric generator 3-1, 3-2, 3-3, 3-4. This solution allows you to change the voltage level between the positive 17 (19) and negative 18 (20) DC terminals of the starboard (left) side in stationary operation, as well as ensure a smooth charge of the storage capacitors of voltage inverters 6-1, 6-2, 6- 3, 6-4 without using various soft starters.
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.As the primary heat engine 2-1 (2-2, 2-3, 2-4) of the generating set 1-1 (1-2, 1-3, 1-4), any diesel engines, gas turbine engines can be used in such a structure without limitation on their speed. At the same time, the primary heat engine 2-1 (2-2, 2-3, 2-4) can operate at the optimal speed for the current load, ensuring high efficiency. Voltage rectifiers 5-1 and 5-2 (5-3 and 5-4) of electric generators 3-1 and 3-2 (3-3 and 3-4) of the starboard (left) side are connected in series and form a common DC busbar system. right (left) side current. Such a connection of voltage rectifiers 5-1 and 5-2 (5-3 and 5-4) allows you to double the voltage of the DC buses of the starboard (left) side at the same voltage of electric generators 3-1 and 3-2 (3-3 and 3- 4). Such a circuit design will allow using one of the two electric generators 3-1 or 3-2 (3-3 or 3-4) of the starboard (left) side power plant during the operation of the electric propulsion complex, while the second one can be taken out of operation. Propeller motors 7-1 and 7-2 (7-3 and 7-4), powered by voltage inverters 6-1, 6-2 (6-3, 6-4), are connected in tandem and mounted on one shaft with propeller of the starboard (left) side 8-1 (8-2). When this propeller motors 7-1 and 7-3 (7-2 and 7-4) can be powered from any of the generating units 1-1, 1-2 (1-3, 1-4), or both.
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.In the proposed device, the DC buses of the two sides are galvanically isolated and do not have any electrical connection between them, which ensures optimal electromagnetic compatibility, a high degree of reliability of the propulsion electrical installation, and, accordingly, a longer service life of the vessel. The proposed circuit solution allows you to maintain the operability of the propulsion electrical installation. with at least one generating set running 1-1 (1-2, 1-3, 1-4) out of four. In addition, this structure has a high degree of efficiency and will provide a high service life of primary heat engines 2-1, 2-2, 2-3, 2-4 due to the fact that the optimal mode of their operation will be ensured at the appropriate speed of the vessel and the degree of their loading . At the same time, this structure excludes underloading of generating units 1-1, 1-2, 1-3, 1-4 in terms of power or their idle operation. In addition, with such a structure, there is no need for accurate synchronization of generating sets 1-1, 1-2, 1-3, 1-4, as well as problems with their input and output from work. Taking into account the fact that electric propulsion systems are used, as a rule, on special types of ships, which have a number of characteristic modes different from the movement of the ship at full speed, the ship's power plant must be designed in such a way as to most fully satisfy these operating modes, as well as provide high efficiency. operation of primary heat engines 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.The
Ниже приводится более подробное описание работы предлагаемой гребной электрической установки (Фиг.1).The following is a more detailed description of the operation of the proposed propulsion electrical installation (Figure 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.DependenceN=f(V) (5), which characterizes the power (N) propulsion electrical installation, depending on the speed of the vessel (v). Addiction given in relative units for stationary mode when the ship is moving in free water.
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.According to the presented graph (Figure 5) and the structure under consideration (Figure 1), a connection can be obtained for the required number of operating generator units 1-1, 1-2, 1-3, 1-4, depending on the required speed of the ship. Figure 6 shows a table showing such a relationship for the propulsion electric installation shown in Figure 1. From the presented graph (Figure 5) and the table (Figure 6) it can be seen that for fractional modes of operation of a propulsion electrical installation, several 1-1, 1-2, 1-3, 1-4 or one 1-1 ( 1-2, 1-3, 1-4) of the total number of generating sets that will provide the required power and speed of the vessel. If it is necessary to move at a speed different from the maximum in the range from zero to a value of about 0.63 of the rated speed, any one of the installed 1-1, 1-2, 1-3, 1- 4. In this case, the involved generating set, for example 1-1, will be loaded with power close to the nominal one, and the remaining generating sets 1-2, 1-3, 1-4 will be turned off. Such a circuit design will improve energy efficiency, as well as significantly increase the resource of primary heat engines 2-1, 2-2, 2-3, 2-4. The combination of generating sets involved 1-1, 1-2, 1-3, 1-4 must be selected in any combination according to the table shown in Fig.6. At the same time, for uniform use of generating units 1-1, 1-2, 1-3, 1-4 in terms of operating time, they can be changed and combined in any combination. The proposed propulsion electrical installation is versatile and allows you to use any type of AC electric machine as a propulsion motor 7-1, 7-2, 7-3, 7-4.
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.The use of two galvanically isolated power plants and electrical equipment in the proposed installation makes it possible to exclude the occurrence of an emergency in which the output of any of the elements will lead to the output of the entire electric propulsion complex, while ensuring a high degree of reliability and electromagnetic compatibility during the operation of the power plant on different sides. So, if one or any three of the four generating units 1-1 (1-2, 1-3, 1-4) fail, both propellers 8-1, 8-2 will remain operational under the restrictions imposed on the power values. Thus, a high reliability indicator will be ensured, as well as the service life of the installation.
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.In addition, the proposed installation allows braking and reversing propulsion motors 7-1, 7-2, 7-3, 7-4 without the use of brake circuits as part of voltage inverters 6-1, 6-2, 6-3, 6-4. The mode of braking and reversing is that the braking energy of one propeller 8-1 (8-2) is transferred to another propeller 8-2 (8-1) through two galvanically isolated electrical channels, or through one of them, depending on operating mode of the installation.
Ниже приводится описание режимов торможения и реверса предлагаемой установки (Фиг.1).The following is a description of the modes of braking and reverse of the proposed installation (Figure 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 
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 
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.Rowing electrical installation, the scheme of which is shown in Fig.2, can be performed using three-level voltage inverters 21-1, 21-2, 21-3, 21-4. This will improve the quality of the synthesized voltage and reduce the magnitude of the dispersion of currents consumed by propulsion motors 7-1, 7-2, 7-3, 7-4 and, therefore, reduce the magnitude of the electromagnetic torque ripple. In this case, three-level voltage inverters built on the basis of a zero-point circuit or on the basis of a T-shaped voltage inverter circuit can be used in the installation circuit. When using three-level voltage inverters 21-1, 21-3 (21-2, 21-4), the zero point must be connected to the common point of the rectifiers 5-1, 5-2 (5-3, 5-4). When using three-level voltage inverters 21-1, 21-2, 21-3, 21-4, it is still possible to operate the propulsion motors from just one generator set. In this case, the three-level voltage inverter 21-1 (21-2, 21-3, 21-4) will operate in two-level mode.
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.If it is necessary to quickly stop or change the direction of movement of the vessel, the installation, the scheme of which is shown in Fig.3, can be additionally equipped with two brake circuits 22-1, 22-2. Such a circuit design will allow braking and reversing of propulsion motors 7-1, 7-2 and 7-3, 7-4 simultaneously. This will reduce the time of stopping and the time of changing the direction of the vessel.
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.To expand the functionality, as well as the possibility of providing power to consumers of their own needs on the right 37-1 and left 37-2 sides with electricity generated by generator units 1-1, 1-2, 1-3, 1-4, a propulsion electrical installation, the diagram of which is presented on 4 may contain two additional voltage inverters 26-1, 26-2, two two-winding matching transformers 27-1, 27-2, six
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.Such a structure of the installation will make it possible to supply consumers of auxiliary needs 37-1 and 37-2 from generating units 1-1, 1-2, 1-3, 1-4 when the ship is moving and from auxiliary diesel generators 36-1, 36-2 when it is parked. Additional voltage inverter 26-1 (26-2) receives power from the common DC busbars of the starboard (left) side, while it stabilizes the voltage parameters (frequency, effective value) at its output. The matching transformer 27-1 (27-2) coordinates the voltages of the common DC buses of the starboard (left) side and the power supply voltage of the auxiliary consumers of the right 37-1 (left 37-2) side.
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).In addition, the propulsion plant (Figure 4) can be used to power external shore or towed consumers through power panels from the shore 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.The proposed propulsion electric installation of the ship allows to increase the efficiency, reliability and survivability of the ship's electric propulsion complex, significantly simplify the structure of the propulsion complex, increase the energy efficiency index, and also brake the ship without using braking resistors. The advantages of the invention also include the possibility of using commercially available electric AC motors and generators of electrical energy, as well as high-speed primary heat engines with better weight, size and energy characteristics.
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».The invention was created at the department of “Electric drive and electrical equipment of coastal installations” of the Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education “State University of the Sea and River Fleet named after Admiral S.O. Makarov" and tested on a simulation mathematical model. The results obtained allow us to conclude that the invention meets the criterion of "industrial applicability".
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021110315A RU2765022C1 (en) | 2021-04-13 | 2021-04-13 | Electric propulsion installation with double dc buses |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021110315A RU2765022C1 (en) | 2021-04-13 | 2021-04-13 | Electric propulsion installation with double dc buses |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2765022C1 true RU2765022C1 (en) | 2022-01-24 |
Family
ID=80445272
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2021110315A RU2765022C1 (en) | 2021-04-13 | 2021-04-13 | Electric propulsion installation with double dc buses |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2765022C1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008081189A1 (en) * | 2007-01-06 | 2008-07-10 | Converteam Technology Ltd | Power systems |
| RU2475376C1 (en) * | 2011-06-24 | 2013-02-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" | Propelling electrical machine with multilevel frequency converter |
| RU197447U1 (en) * | 2020-02-03 | 2020-04-28 | Евгений Николаевич Коптяев | SHIP'S ELECTRIC POWER SYSTEM |
| RU2737842C1 (en) * | 2019-09-26 | 2020-12-03 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" | Motor vehicle electromotive complex |
-
2021
- 2021-04-13 RU RU2021110315A patent/RU2765022C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008081189A1 (en) * | 2007-01-06 | 2008-07-10 | Converteam Technology Ltd | Power systems |
| RU2475376C1 (en) * | 2011-06-24 | 2013-02-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" | Propelling electrical machine with multilevel frequency converter |
| RU2737842C1 (en) * | 2019-09-26 | 2020-12-03 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" | Motor vehicle electromotive complex |
| RU197447U1 (en) * | 2020-02-03 | 2020-04-28 | Евгений Николаевич Коптяев | SHIP'S ELECTRIC POWER SYSTEM |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101089905B1 (en) | Method for operation of a marine-vessel propulsion system with waste-heat recovery, as well as a marine-vessel propulsion system with waste-heat recovery | |
| KR102609347B1 (en) | Power systems for marine applications | |
| US6188139B1 (en) | Integrated marine power distribution arrangement | |
| EP2627557B1 (en) | Marine propulsion systems | |
| RU2436708C1 (en) | Ship electric power generator unit | |
| EP2451041A1 (en) | Methods of operating dual fed systems | |
| JPH05219654A (en) | Power system for ship | |
| AU9736498A (en) | System for supplying electromotive consumers with electric energy | |
| US11787522B2 (en) | Power supply system for a water-bound device | |
| RU197447U1 (en) | SHIP'S ELECTRIC POWER SYSTEM | |
| RU2658759C1 (en) | Propulsion electric power plant | |
| RU2756141C1 (en) | Propulsion electric unit | |
| RU2765022C1 (en) | Electric propulsion installation with double dc buses | |
| CN113169550A (en) | Energy supply system for wading device with different connection areas | |
| CN113169551A (en) | Energy supply system for a wading installation having a first and a second winding system of a generator system for feeding different direct voltage busbars | |
| RU2737842C1 (en) | Motor vehicle electromotive complex | |
| RU2693745C1 (en) | Electric power plant of vessel with electric propulsion system | |
| US11952094B2 (en) | Marine power system | |
| RU2683042C1 (en) | Ship electric power installation | |
| RU2618614C1 (en) | Unified vessel power generating plant | |
| CN205837158U (en) | A kind of AC power propulsion system for tug, anchor-handling and supply vessel | |
| Gelver et al. | Variants of structures of the ship’s electromotive complex with common DC bus-bars | |
| RU2560198C1 (en) | Electrical generating plant of ship | |
| RU2735298C1 (en) | Electrically-driven plant with cascade electric converter | |
| RU2723514C1 (en) | Electrically-driven plant with cascade electric converter |