Судовая энергетическая установка (ее варианты)

СОЮЗ СОВЕТСНИХОРДМ,ВЮФЕПиРЕОЪ%ЛИН 23 2 4(51) КОМИТЕТ СС ЕТЕНИЙ И ОТНРЦТИГОСУД АРСТВЕНН ПО ДЕЛАМ ИЗОБ изоБРЕтКНИ ОП ов, О.Н.Ощепулов и Н.П.Ле на Октябрьскойе училище(71) Ленинградское ордеРеволюции высшее морскоим, адм. С.О,.Макарова(54) СУДОВАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА(57) 1. Судовая энергетическая установка, содержащая главный тепловой 80113701 двигатель, валогенератор, редуктор, шины судовых электропотребителей, тиристорный преобразователь частоты с электроуправлением, синхронный компенсатор и вспомогательные генераторы, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения надежности и экономичности установки синхрон" ный компенсатор снабжен датчиком час" тоты и Фазы, при этом электроуправление тиристорного преобразователя частоты соединено с выходом датчика и статорной обмоткой валогенератора, а между редуктором и главным тепловым двигателем установлена разъединительная муФта с автономным управле- Е кием.1137015 2. Судовая энергетическая установ- ка, содержащая главный тепловой двигатель, валогенератор, редуктор, шины судовых электропотребителей, тиристорный преобразователь частоты с электроуправлением, синхронный компенсатор и вспомогательные генераторы, о т л и ч а ю щ а я с я там, что, с целью повышения надежности и экономичности установки, валогенератор снабжен датчиком частоты и фазы, при этом управление тиристорным преобразователем частоты соединено с выходом датчика частоты и фазы и с шинами судовых электропотребителей, а между редуктором и главным тепловым двигателем установлена разъединительная муфта с автономным управлением.3. Судовая энергетическая установка, содержащая главный тепловой двигатель, валогенератор, редуктор, шины судовых электропотребителей, тиристорный преобразователь частоты с электроуправлением, синхронный компенсатор и вспомогательные генераторы, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности и экономичности установки, синхронный компенсатор и валогенератор снабжены датчиком частоты и фазы, а электроуправление тиристорным преобразователем частоты - двухпозиционным пеИзобретение относится к области судостроения, в частности к судовым энергетическим установкам (СЭУ).Известна СЭУ, содержащая главный тепловой двигатель, валогенератор, Б редуктор, шины судовых электропотребителей, тиристорный преобразователь частоты с электроуправлением, син" кровный компенсатор и вспомогательные генераторы. Валогенератор приводится во вращение главным тепловым двигателем и отдает мощность на шины судовых электропотребителей через тиристорный преобразователь частоты. Для покрытия потребностей тиристор- "15 ного преобразователя частоты в реактивной мощности предусмотрен синхронреключателем, к которому подключены выходы датчиков, шины судовых злектропотребителей и статорная обмотка валогенератора, при этом выход тиристорного преобразователя частоты подключен к статорной обмотке валогенератора, а вход - соответственно к выходам шин судовых электропотребителей, при этом между редуктором и главным тепловым двигателем установлена разъединительная муфта с автономным управлением.4. Установка по пп, 1 - 3, о тл и ч а ю щ а я с я тем, что тиристорный преобразователь частоты выполнен в виде управляемого выпрямителя ведомого инвертора.5. Установка по пп.1 - 3, о т л ич а ю щ а я с я тем, что тиристорный преобразователь частоты выполнен в виде циклоконвертора.Ь. Установка по пп. 1 - 3, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что датчик частоты и фазы валогенератора и синхронного компенсатора выполнен в виде регистратора положения их роторов. 7. Установка по пп. 1 - 3, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что датчик частоты и фазы валогенератора и синхронного компенсатора выполнен в виде регистратора напряжения их статорных обмоток. Хный компенсатор, который работает параллельно со вспомогательными генераторами. Возбуждение синхронного компенсатора регулируется в зависимости от нагрузки 11.Недостатки установки пониженная надежность вниду невозможности использования энергии вспомогательных генераторов для двиления судна в случае выхода из строя главного теплового двигателя; необходимость работы вспомогательных генераторов при отборе мощности от валогенератора, что приводит к дополнительному расходу топлива; наличие дополнительного устройства для запуска синхронного компенсатора; невозможность ис10 пользования дополнительной мощности вспомогательных генераторов для движения судна в экстремальных условиях; невозможность отбора мощности от гребного винта, работающего в режиме 5 гидротурбины без существенных изменений в электросхеме; сложность подготовки судовой энергетической установки при переходе с одного источника питания на другой.Указанные недостатки невозможно устранить в одной судовой энергетической установке, как и невозможно разработать установку, удовлетворяющую всетипь судов. Так, для кораб лей,буксиров, спасателей первостепенным является надежность, долговечность, воэможность увеличения скорости в экстремальных режимах даже в ущерб другим технико-экономическим 20 показателям. В то же время для транспортных судов одной из главных характеристик является экономичность работы при условии. своевременной достав. ки грузов. Установки многоцелевых су дов должны удовпетворять тем и другим требованиям. Поэтому предлагается несколько вариантов судовых энергетических установок для судов различного назначения, в которых устра- ЗО иены эти недостатки.Цель изобретения - повышение надежности и экономичности установки.Поставленная цель достигается тем, что в судовой энергетической установ ке, содержащей в первом варианте, главный тепловой двигатель, валогенератор, редуктор, шины судовых электропотребителей, тиристорный преобразователь частоты с электроуправлением, синхронный комиенсатор и вспомогательные генераторы, синхронный компенсатор снабжен датчиком частоты и фазы, при этом электроуправленне тиристорного преобразователя частоты соединено с выходом датчика и статорной обмоткой валогенератора, а между редуктором и главным тепловым двигателем установлена разъединительная муфта с автономным управлением,По второму варианту в установке, содержащей главный тепловой двигатель, валогенератор, редуктор, шины судовых электропотребителей, тиристорный преобразователь частоты с электроуправлением, синхронный компенсатор и вспомогательные генераторы, валогенератор снабжен датчиком частоты и фазы, при этом управление тиристорным преобразователем частоты соединено с выходом датчика частоты и фазы и с шинами судовых электропотребителей, а между редуктором и главным тепловым двигателем установлена разъединительная муфта с автономным управлением.По третьему варианту в установке содержащей главный тепловой двигатель, валогенератор,редуктор, шины судовых электропотребителей, тиристорный преоб. разователь частоты с электроуправлением, синхронный компенсатор и вспомогательные генераторы, синхронный компенсатор и валогенератор снабжены датчиками частоты и фазы, а электро- управление тиристорным преобразователем частоты в . двухпозициоиным переключателем, к которому подключены выходы датчиков, шины судовых электропотребителей и статорная обмотка валогенератора, при этом выход тиристорного преобразователя частоты подключен к статорной обмотке валогенератора, а вход соответственно к выхоцам шин судовых электропотребителей, при этом между редуктором и главным тепловым двигателем установлена разъединительная муфта с автономным управлением.В одной из модификаций тиристорный преобразователь частоты выполнен в виде управляемого выпрямителя - ведомого инвертора.В другой модификации тиристорный преобразователь частоты выполнен в виде циклоконвертора.В другой модификации датчик частоты и фазы валогенератора и синхронного компенсатора выполнен в виде регистраторов положения их роторовВ другой модификации датчик частоты и фазы валогенератора и синхронного компенсатора выполнен в виде регистратора напряжения их статорных обмоток.В предлагаемой СЭУ снабжение синхронного компенсатора (СК) датчиком частоты и фазы дает возможность осуществить плавный пуск его от валогенератора через тиристорный преобразователь частоты (ТПЧ) и при достижении СК номинальной частоты вращения подсоединить к шинам судовые электропотребители. Таким образом, пуск СК и отбор мощности от валогенератора достигается без работы вспо 113 7 О 15могательных генераторов, что повьвпает надежность установки и дает экономию топлива.Снабжение валогенератора датчиком частоты и Фазы позволяет осуществить 5 плавный пуск валогенератора и последующее его регулирование частоты вращения от ТПЧ (для передачи энергии от вспомогательных генераторов на гребной винт) при постоянных параметрах судовои электростанции (частоты и напряжения вспомогательных генераторов), т.е, без провалов на- Э пряжения и частоты на шинах судовых электропотребителей, тем самым обеспечивая надежную, работу судовых электропотребителей и передачу энергии . вспомогательных генераторов на гребной винт в экстремальных и аварийных ситуациях, что повышает надежность 2 О установки.Установка разъединительной муфты между редуктором и главным тепловым двигателем позволяет отсоединить главный тепловой двигатель от редуктора в случае выхода его из строя и использовать энергчю вспомогательных генераторов для движения судна, а также при буксировке судна либо при ходе судна под парусами, при исполь- ЗО зовании энергии гребного винта, работающего в режиме гидротурбины, для питания общесудовых электропотребителей.35Снабжение схемы управления тиристорным преобразователем частоты двух.позиционным переключателем который соединен цепями с датчиками частоты и Фазы, статорной обмоткой валогене- щв ратора и шинами судовых электропотребителей позволяет выборочно подключать цепи датчика частоты и фазы и цепи синхронизирующего напряжения к схеме управления ТПЧ в зависимостиот режимов работы валогенератора (отбор мощности, работа в качестве вентильного двигателя на движение судна).Соединение выхода (входа) ТПЧ со о статорной обмоткой валогенератора, а входа (вьгхода) ТПЧ с шинами обще- судовых электролотребителей позволяет использовать установленный ТПЧ для передачи энергии вспомогательных генераторов на гребной винт (валогенератор работает в режиме вентильного двигателя) либо осуществлять отбор мощности от валогенератора насудовые электропотребители.Применение в качестве ТПЧ управляемого выпрямителя - ведомого инвеотора - целесообразно для малых исредних мощностей валогенераторов.Использование циклоконвертора вкачестве ТПЧ дает возможность улучшить массо-габаритные характеристикиустановки и КПД для средних и больших мощностей валогенераторов исключить дополнительные коммутирующиеэлементы при пуске ВГ, СИ.В качестве датчика частоты и Фазыможно использовать известные датчикиположения роторов электрических машин, установленных на их валу, илиизвестные датчики напряжения их статорных обмоток.Установка датчика положения ротора на валу машины иногда вызываетопределенные трудности или в некоторых случаях невозможна. Тогда в качестве датчика частоты и Фазы целесообразно применение датчиков напряжения,Па фиг. 1 изображена принципиальная схема СЭУ по первому варианту;на Фиг. 2 - то же, по второму варианту; на Фиг. 3 - то же, по третьемуварианту.СЭУ (вариант 1), изображенная наФиг. 1, содержит главный тепловойдвигатель 1, валогенератор (ВГ) 2шины 3, 4 судовых электропотребителей, тиристорный преобразователь частоты 5 (ТПЧ) с электроуправлением 6,синхронный компенсатор (СИ) 7, вспомогательные генераторы 8, 9, вспомогательные тепловые двигател и 10, 11,датчик частоты и фазы 12, дополнительные электрические цепи 13, 14,разъединительную муфту 15, редуктор16, гребной винт 17, автоматическиевыключатели (АВ) 18 - 26, разъединитель 27.В предложенном варианте СЭУ главный тепловой двигатель 1 механическисвязан с гребным винтом 17 через редуктор 16 и разъединительную муфту15, ВГ 2 соединен с ТГЧ 5 и шинамисудовых электропотребителей 3 с помощью АВ 18, 19. Дополнительныеэлектрические цепи 13, 14 соединяютвыход датчика частоты и Фазы и статорную обмотку ВГ 2 со схемой управления 6 ТПЧ 5. Вспомогательные генераторь 1 8, 9 подсоединены к Винам1137015 8, 4 АВ 24, 26, а СК 7 - АВ 21. Иежду шинами 3, 4 установлен разъединитель 27, а судовые электропотребители подключены к шинам 3, 4 с помощью АВ 20, 22, 23, 25. 5СЗУ работает следующим образом,В ходовом режиме ВГ 2 приводится во вращение главным тепловым двигате лем 1 через редуктор 16 (муфта 15 включена). При частоте вращения главного теплового двигателя 1 выше нижней эксплуатационной валогенератор автоматически вводится в работу: подключаются цепи 13, 14 к электроуправлению 6 ТПЧ, включаются АВ 18, 19, устанавливаются заданные величины напряжения и частоты на выходе ТПЧ 5, включается АВ 21 и напряжение ВГ 2 через ТПЧ 5 подается на СК 7. Осуществляется плавный пуск СК 7, работающего в режиме вентильного двигателя. Коммутация тока тиристоров ТПЧ 5 (циклоконвертера) при низких частотых осуществляется напряжением ВГ 2, а при высоких частотах - напряжением СК 7. При достижении СК 7 номинальной частоты вращения и установке заданных величин напряжения и частоты на шинах судовых электропотребителей 3, к шинам подсоединяются 30 приемники электрической энергии АВ 20, 22. Если энергии, поступающей от ВГ 2, достаточно для питания судовых электропотребителей, то вспомогательные генераторы 8, 9 отключа- З 5 ются от шин 4, при этом вспомогательные тепловые двигатели 10, 11 не ра- ботают, а разъединитель 27 замкнут. Следовательно, отбор мощности ВГ 2 через ТПЧ 5 осуществляется без рабо ты вспомогательных генераторов 8, 9, что дает экономия топлива.В схеме предусмотрена как параллельная работа ВГ 2 и вспомогательных генераторов 8, 9, гак и автоном ная. При автономной работе разъединитель 27 разомкнут. Напряжение и частота на шинах 3, 4 поддерживаются постоянными (номинальными) при изменяющейся частоте вращения главного 5 двигателя, гребного винта 17, работающего в режиме гидротурбины с помощью электроуправления 6 ТПЧ 5, датчиком частоты и фазы 12 синхронного компенсатора 7 и системой возбуждения ВГ 2 (не рассматривается). Следовательно, отбор мощности от ВГ 2 через ТПЧ 5 на судовые электропотребители от главного двигателя 1, от гребного винта 17, работающего в режиме гидротурбины (при буксировке судна, ходе судна под парусами), осуществляется без работы вспомогательных генераторов 8, 9, что дает экономию топлива, Стабильность параметров на шинах 3, 4 повышает надежность работы судовых электропотребителей.СЭУ (вариант 2), изображенная на фиг. 2 содержит главный тепловой двигатель 1, ВГ 2, шины 3, 4 общееудовых электропотребителей, ТПЧ 5 с электроуправлением 6, вспомогательные генераторы 8, 9 и тепловые двигатели 10, 11, датчик частоты и фазы 28, ВГ 2, дополнительные электричес- . кие цепи 29, 30, разъединительную муфту 15, редуктор 16, гребной винт 17, АВ 18 - 20, 22 - 26, разъединитель 27. В предложенном варианте СЭУ соединение элементов аналогично варианту 1.СЭУ работает следующим образом.В аварийных или экстремальных режимах мощность от вспомогательных генераторов 8, 9 передается на гребной винт 17 через ТПЧ 5, ВГ 2 при замкнутых АВ 19, 21, разъединителе 27. Пуск ВГ 2 осуществляется аналогично пуску СК 7. Регулирование частоты .вращения ВГ 2 осуществляется электроуправлением 6 ТПЧ 5, датчиком частоты и фазы 28, системой возбуждения ВГ (не рассматривается). Коммутация тиристоров ТПЧ 5 (циклоконвертера) в данном режиме на низких частотах осуществляется напряжением вспомогательных генераторов 8, 9, на высоких - напряжением ВГ 2.В аварийных ситуациях главный тепловой двигатель 1 отключается от редуктора 16 соединительной муфты 15 и требуемая мощность от вспомогательных генераторов 8, 9 передается на гребной винт 17 ВГ 2 через ТПЧ 5.В экстремальных ситуациях (обеспечение максимального хода судна, заклинивание винта) ВГ 2 работает совместно с главным тепловым двигателем 1. В этом случае управление ТПЧ 5 и системой управления главным тепловым двигателем 1 производится согласованно.Таким образом, во втором варианте СЗУ повышение надежности установки достигается за счет использования энергии вспомогательных генераторов судовой электростанции для движения, 1137015 10.при выходе из строя главного теплового двигателя, или в экстремальных условиях (обеспечение максимального хода и т.д,) при совместной работе малогенератора с главным тепловым Б двигателем.СЭУ (вариант 3), изображенная на фиг. 3, содержит все элементы варианта 1 и 2 и дополнительно двухпозиционный переключа- О тель 31, силовые цепи 32, 33, АЗ 34,. 35.Двухпозициоиный переключатель 31 соединен со статорной обмоткой ВГ 2, шинами судовых электропотребителей 4, 5 датчиками частоты и фазы 12, 28. Дополнительные силовые цепи 32, 33 соединяют ВГ 2 с выходом ТПЧ 5 и вход ТПЧ 5 с шинами судовых электропотребителей 4. 20В данном варианте СЭУ вводом в схему управления 6 ТПЧ 5 двухпозиционного переключателя 31 и.вводом дополнительных силовых цепей 32, 33 достигается возможность использова ния установленного ТПЧ 5 для отбора мощности от ВГ 2 на шины 3 общесудовых электропотребителей с последующей стабилизацией частоты и напряжения и для передачи энергии от вспо- Зр могательных генераторов 8, 9 на греб.ной винт 17 ВГ 2 работает в режиме вентильного двигателя) при работающем главном тепловом двигателе 1 или при выходе его из строя. 35В первом случае(отборе мощности от ВГ 2) двухпозиционный переключатель 31 подключает цепи 13, 14 к схеме управления 6 ТПЧ 5. Набирается цепь: ВГ 2 - ТПЧ 5 - СК 7. Для этого включаются АВ 18, 19, 21 (АВ 34, 35, разъединитель 27 разомкнуты), Последующие операции и принцип работы СЭ" аналогичны варианту 1.В другом случае (передаче энергии от вспомогательных генераторов 8, 9 к гребному винту 17) двухпозиционный переключатель 3 1 подключает цепи 29, 30 к схеме управления 6 ТПЧ 5. Автоматическими выключателями 35, 34, 24, 26 (при разомкнутых АВ 18, 19) ВГ 2 подключается к ТПЧ 5 и далее к вспомогательным генераторам 8, 9. Таким образом, набирается цепь для передачи энергии от вспомогательных генераторов 8, 9 к гребному винту 17. Последующие операции и принцип работы СЭУ аналогичны варианту .Таким образом, достигается экономия топлива за счет исключения из работы вспомогательных тепловых двигателей при отборе мощности на судовые электропотребители от валогенератора, приводимого во вращение главным теп" ловым двигателем, гребным винтом, работающим в режиме гидротурбины при буксировке судна, ходе судна под парусами н неработающем главном двигателе. Повышение надежности установки достигается за счет использования энергии вспомогательных генараторов судовой электростанции для движения, при выходе из строя главного теплово. го двигателя, или в экстремальных условиях (обеспечение максимального хода, освобождения винта от заклинивания и т.д.) при совместной работе валогенератора с главным тепловым двигателем, В то же время неучтенный экономический эффект от использования валогенератора для движения судна в аварийных или экстремальных ситуациях может составить стоимость судна.