НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ РАЗВИТИЯ СУДОВЫХ
СИСТЕМ ЭЛЕКТРОДВИЖЕНИЯ
ОТ 2 МВт
ДО 30 МВт
Санкт-Петербург
2022
1
УДК 629.5.03-83+629.5.064
ББК 39.455
Н76
Новые возможности развития судовых систем электродвижения / О.В. Савченко, К.С. Ляпидов, В.Н. Половинкин [и др.]. – Санкт-Петербург : Крыловский государственный научный центр, 2022. – 94 с.: ил.
Под общей редакцией
кандидата технических наук, доцента О.В. Савченко
Авторский коллектив: Савченко О.В., Ляпидов К.С., Половинкин В.Н., Калинин И.М.,
Николаев М.А., Осыпа С.И.
Монография «Новые возможности развития судовых систем электродвижения» посвящена исследованию проблем использования систем электродвижения на кораблях (судах) Российской Федерации. Дан обстоятельный анализ различных типов энергетических
установок и систем электродвижения кораблей ВМФ и судов гражданского флота, произведен обзор зарубежного опыта и проанализированы тенденции развития отечественных и
зарубежных корабельных (судовых) энергетических установок и систем электродвижения.
В монографии рассматриваются особенности конструкции систем электродвижения
кораблей и судов, показан отечественный опыт их создания.
Рассмотрена конструкция, опыт эксплуатации систем электродвижения с вентильноиндукторным гребным электродвигателем, а также новые разработки систем с данными
типами электродвигателей большой мощности. Выполнено научно-техническое обоснование целесообразности создания систем электродвижения с вентильно-индукторным гребным электроприводом.
Монография предназначена для специалистов в области проектирования и эксплуатации корабельных (судовых) энергетических установок, электроэнергетических систем,
студентов вузов, а также будет полезна для специалистов в области стратегического планирования и инновационного развития.
2
Оглавление
Введение....................................................................................................................................................... 4
Корабельные и судовые энергетические установки .............................................................................. 11
Для кораблей и судов с полным электродвижением основным направлением развития ЭУ является
создание ЕЭЭС (ОЭЭС – объединенная электроэнергетическая система). ........................................ 16
Разработки единых электроэнергетических систем и систем электродвижения Центральным
научно-исследовательским институтом судовой электротехники и технологии ............................... 18
Достоинства и недостатки энергетических установок кораблей и судов с электродвижением ........ 25
Требования к системам управления электродвижением ледоколов (судов ледового плавания) ...... 28
Анализ планов строительства и перечня строящихся судов ................................................................. 30
Отечественное судовое комплектующее оборудование........................................................................ 32
Типовые структуры энергетических установок кораблей..................................................................... 34
и судов с электродвижением .................................................................................................................... 34
Гребные электродвигатели СЭД .............................................................................................................. 36
Типовая схема ПЧ современных СЭД..................................................................................................... 38
Развитие силовой электроники ................................................................................................................ 40
Сравнительный анализ электроэнергетических систем и систем электродвижения отечественных и
зарубежных производителей .................................................................................................................... 42
Примеры СЭД большой мощности ......................................................................................................... 44
Системы электродвижения с вентильно-индукторным гребным электроприводом ....................... 53
Сравнение ГЭП 30 МВт с АД и с ВИД ................................................................................................... 66
Сравнительная оценка электрических машин асинхронного и синхронного типов в составе
регулируемого электропривода ............................................................................................................... 67
Компьютерное моделирование судовой электроэнергетической системы с вентильно-индукторным
гребным электроприводом ....................................................................................................................... 77
Заключение ................................................................................................................................................ 90
3
Введение
Исторически Россия имеет статус ведущей морской державы благодаря географическому положению с выходом в три океана и огромной протяженностью морских границ, а
также вкладу в изучение Мирового океана, развитию морского судоходства, многим великим открытиям, сделанным русскими мореплавателями и путешественниками.
В соответствии с Указом Президента РФ от 20.07.2017 N 327 «Об утверждении Основ государственной политики Российской Федерации в области военно-морской деятельности на период до 2030 года», на основе анализа тенденций развития современной
геополитической обстановки в мире, определено, что только наличие сильного ВоенноМорского Флота обеспечит Российской Федерации лидирующие позиции в многополярном мире в XXI веке, позволит ей эффективно реализовывать и защищать свои национальные интересы.
В настоящее время действует Государственная программа военного кораблестроения
на период до 2050 года [1], в которой предусмотрено поэтапное строительство надводных
кораблей и подводных лодок утвержденного типоряда. При разработке программы были
учтены последние тенденции мирового кораблестроения, развитие инновационных технологий, изменения в области геополитики, прогнозы изменения характера будущих войн и
задач ВМФ и уровня развития научно-производственной базы и финансирования ВС. Новые корабли для ВМФ будут строиться по модульному принципу, который позволит не
только ускорить проектирование, но и удешевить производство. Четыре основных мировых технологии: -инфо, -нано, -киборг (роботы), -когно (искусственный интеллект) создадут основу для вооружений новых поколений.
ВМФ России сегодня сталкивается с дефицитом вспомогательных кораблей и судов,
предназначенных для действий в дальней морской и океанской зоне. Основной проблемой
строительства вспомогательного флота является необходимость использования импортных узлов, агрегатов и оборудования. Обновление флота ВМФ России должно быть связано с восстановлением кораблестроения и локализацией производства наиболее ответственных узлов и агрегатов в нашей стране.
Целью развития ВМФ России на период до 2050 года является создание сбалансированного по составу и боевым возможностям флота, способного совместно с другими видами и родами войск Вооруженных Сил Российской Федерации обеспечить стратегическое ядерное и неядерное сдерживание от агрессии и защиту национальных интересов
Российской Федерации в Мировом океане, военную безопасность страны с океанских и
морских направлений.
По данным печатных изданий в период 2021-2030 годов будут созданы головные
многоцелевые боевые надводные корабли модульной конструкции и начато их серийное
строительство. В долгосрочной перспективе (на период до 2050 года) предусматривается
переход на строительство модульных многоцелевых боевых платформ, как для надводных
кораблей, так и для подводных лодок [1].
В 2019 году утверждена Стратегия развития судостроительной промышленности на
период до 2035 года [13], которая определяет основные направления государственной политики в сфере развития судостроительной промышленности Российской Федерации на
период до 2035 года.
4
Стратегия направлена на создание нового конкурентоспособного облика судостроительной промышленности Российской Федерации на основе развития научнотехнического и кадрового потенциала, оптимизации производственных мощностей, их
модернизации и технического перевооружения, а также совершенствования нормативноправовой базы для удовлетворения потребностей государства и иных заказчиков в современной продукции судостроительной отрасли.
При обновлении российского подводного флота приоритет отдается строительству
многоцелевых и стратегических атомных подводных лодок. Ведутся проектные работы по
перспективным кораблям и подводным лодкам новейшего поколения.
При строительстве боевых надводных кораблей с 2008 года приоритетным является
создание кораблей ближней морской зоны. Вместе с этим в последние годы началось
строительство кораблей дальней морской и океанской зон. Для решения задач ВоенноМорского Флота в Арктике разрабатываются и строятся боевые надводные корабли и суда
обеспечения усиленного ледового класса.
Строительство новых серийных надводных кораблей и подводных лодок по текущим проектам будет завершено в 2022 - 2025 годах. В этот же период будет начато создание головных образцов надводных кораблей и подводных лодок новых проектов.
Внутренний рынок гражданского судостроения представлен судами и морской техникой различного назначения, основными из которых являются транспортные, в том числе пассажирские, суда, суда рыбопромыслового флота, вспомогательные суда и суда технического флота, суда и морская техника для освоения континентального шельфа.
Сегодня в условиях постоянно обостряющейся международной конкуренции в
борьбе за морские энергетические ресурсы и военно-стратегическое превосходство на море, особенно в Арктическом регионе, все большее значение приобретает качественное
развитие судостроительной промышленности.
Основной вектор технологического развития гражданского судостроения связан с
реализацией нишевых (с точки зрения мирового рынка) проектов по направлениям:
- газовозы для транспортировки сжиженного природного газа при температуре 163о С от мест добычи на Арктическом шельфе;
- танкеры ледового плавания с новыми обводами, конструкцией и материалом корпуса;
- ледоколы нового поколения;
- новые типы промысловых судов для добычи и переработки рыбы;
- морские платформы и специальное оборудование для освоения месторождений
нефти и газа на Арктическом шельфе, включая подводно-подледные комплексы;
- суда на подводных крыльях и суда на воздушной подушке;
- современные научно-исследовательские суда для геофизических, геологических,
океанографических, метеорологических, биологических и других исследований;
- морские технические средства для выработки энергии в прибрежных районах
Арктики и Дальнего Востока;
- новые типы двигателей, энергетических установок (ЭУ) и вспомогательных силовых установок, систем автоматического управления и другого судового комплектующего
оборудования.
В настоящее время реализуется комплексный проект развития Северного морского
пути (СМП) с целью реализации потенциала этой акватории, как для транзитного судо5
ходства, так и для доставки грузов из соответствующих пунктов, находящихся на севере
России. Потенциал доставки грузов, оцениваемый за период 15 лет – более 80 млн. тонн.
Для выполнения прогнозируемых объемов работ по транспортировке углеводородов
континентального шельфа России на период до 2030 года потребность в специализированных транспортных судах арктического плавания составит около 90 единиц суммарным
дедвейтом около 4 миллионов тонн и обслуживающего флота – около 140 единиц. Необходимо также построить 10-12 атомных ледоколов. В совокупности с ледоколами различных типов, которые будут обеспечивать транспортные морские перевозки, потребуется
более 40 ледоколов.
Приоритетными рынками для отечественного судостроения являются суда для Арктики, Северного морского пути, перевозки грузов по внутренним водным путям и обеспечение деятельности внутренних водных путей, обеспечение добычи углеводородов на
российском шельфе. Кроме того, в России 2,5 тысяч рыбодобывающих компаний. Рыбаки
получают преференции при строительстве судна на российских предприятиях.
В области ледоколостроения и постройки судов активного ледового плавания Российская Федерация является мировым лидером (рис. 1) [2]. Мы эксплуатируем порядка 40
средних и крупных ледоколов и судов ледового плавания.
Рис. 1. Состав ледокольного флота ведущих государств
6
Для проводок по СМП вдобавок к трем ледоколам проекта 22220 (ЛК-60) принято
решение о строительстве еще двух ЛК-60, а также строительстве ледокола лидера мощностью 120 МВт.
Атомоходы проекта 10510 (ледокол лидер) задуманы как самые мощные в мире
атомные ледоколы. На них будут установлены ядерные паропроизводящие установки, состоящие из двух реакторных установок РИТМ-400 тепловой мощностью по 315 МВт каждая. Основными задачами новых атомоходов должны стать обеспечение круглогодичной
навигации по СМП и проведение экспедиций в Арктику. Проведение крупнотоннажных
судов предполагается за счет большой ширины этих ледоколов.
Дополнительно, вне зависимости от коммерческой привлекательности Арктического
региона, необходимо усиление судовой группировки (многофункциональных судов ледового класса) постоянно находящейся в Арктике путем строительства:
- многофункционального аварийно-спасательного судна мощностью до 16 МВт
(срок строительства три года);
- многоцелевого дизель-электрического ледокола мощностью до 22 МВт, проекта
Aker Arctic 130А или эквивалента (срок строительства три года);
- двух многоцелевых дизель-электрических ледоколов мощностью до 16 МВт, проекта Aker Arctic 124 или эквивалента (срок строительства три года).
В настоящее время имеется устойчивая тенденция к увеличению применения электродвижения на судах, являющегося безальтернативной системой для ледового плавания,
где требуются высокие перегрузочные способности для привода гребных винтов. При сохранении динамики устойчивого роста можно прогнозировать, что к 2025 году рынок судов с электродвижением достигнет 15-20% от общего количества заказываемых судов.
При этом единичная мощность гребных электроприводов в большинстве случаев для
судов такого назначения составляет от 1,4 до 5,9 МВт. Установленная мощность электроэнергетических систем крановых и добычных судов, а также трубоукладчиков характеризуется уровнем от 12,5 до 30 МВ∙А, причем для половины объектов мощность лежит в
диапазоне 22 - 28,8 МВ·А.
Для буровых судов и судов снабжения характерно использование гребных электроприводов мощностью от 0,56 до 1,1 МВт.
Установленная мощность электроэнергетических систем буровых платформ, судов
снабжения и обеспечения, а также плавучих гостиниц характеризуются несколько меньшей величиной. Диапазон реализованных мощностей составляет от 6,8 до 18 МВ·А. Для
полупогружных буровых установок и буровых судов характерным является их стационарное положение. Буровые платформы и суда используют свои пропульсивные установки
для реализации задачи динамического позиционирования или необходимого перемещения
между районами бурения. Использование управляемых гребных электроприводов с винторулевыми гондольными комплексами значительно уменьшает расход топлива и позволяет
разместить движительно-рулевой комплекс вне полезной площади судна.
При этом следует отметить, что в последнее время наметилась динамика к увеличению мощности единых электроэнергетических систем (ЕЭЭС) для данных объектов, и в
настоящий момент вместе с мощностью основных судовых потребителей (обеспечивающих производственных структур, буровых комплексов и пр.) установленная мощность
ЕЭЭС достигает 25 - 55 МВт.
7
Челночные танкеры используются для транспортировки нефти от морских буровых
установок и платформ к береговым хранилищам и перерабатывающим заводам. При этом
существует большое количество способов разгрузки танкеров. Для большинства из них
челночный танкер должен быть зафиксирован с большой точностью в неподвижной позиции при любых внешних условиях окружающей среды. Поэтому большинство челночных
танкеров оборудовано комплексами динамического позиционирования, при этом эти суда
имеют электрические туннельные подруливающие устройства или гондольные азимутальные движительно-рулевые колонки и применяют дизель-генераторные электрические
силовые установки.
Прогресс в развитии судостроения и становления военных флотов морских держав
во многом определялся эволюцией в области судовой и корабельной энергетики. При этом
подходы в оценке целесообразности того или иного варианта ЭУ для судов и кораблей во
многом идентичны.
Интенсивное развитие и совершенствование дизельной и турбопарокотельной техники в свое время способствовало существенному увеличению энерговооруженности военных кораблей и гражданских судов, обеспечивая решение военно-стратегических задач
государств или удовлетворяя гражданские потребности при транспортировке грузов по
мировым водным артериям.
Развитие судовых и корабельных электрических двигателей в настоящее время идет
в следующих направлениях:
− улучшение энергетических и эксплуатационных характеристик;
− повышение КПД, снижение материалоемкости и шума, повышение надежности и
долговечности работы;
− расширение парка электродвигателей специализированного исполнения, объектноориентированных для конкретных условий применения.
Современные электродвигатели постоянного тока совершенствуются благодаря
применению в щеточно-коллекторном узле металловолокнистых и металлокерамических
материалов, что позволяет существенно повысить окружную скорость коллекторов этих
двигателей. Однако необходимость применения щёточно-коллекторого узла и связанные с
этим недостатки двигателей постоянного тока традиционных исполнений привели в последующие годы к сокращению доли их выпуска по сравнению с двигателями переменного тока. В значительной степени это связано с тем, что двигатели постоянного тока обладают значительно большими размерами (на 20-30%) и массой (на 30-40%) по сравнению с
синхронными и асинхронными двигателями переменного тока.
Асинхронные короткозамкнутые электродвигатели являются конструктивно наиболее простыми и надежными, поэтому они получили в последнее время широкое распространение в частотно-регулируемых электроприводах с автономными инверторами (преобразователями частоты).
Синхронные электродвигатели традиционно применяются в диапазоне мощностей от
сотен киловатт и выше. Их совершенствование происходит за счет исключения контактов
путем перехода на вращающиеся выпрямители и применение постоянных магнитов.
Синхронные двигатели с высококоэрцитивными магнитами на роторе имеют минимальную удельную массу по сравнению с любыми другими машинами. Поэтому с их использованием эффективно решаются многие вопросы конструирования мехатронных модулей.
8
По мере того, насколько переход от дизельных и газотурбинных главных ЭУ к ЕЭЭС
становится все более реальным, возрастает потребность в альтернативе применению медных обмоток в электрических машинах. Одной из таких альтернатив является использование явления сверхпроводимости, заключающегося в способности некоторых материалов
обладать нулевым сопротивлением электрическому току при температуре ниже критической. Прорывом в данной области стало открытие высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), обладающих значительно более высокой критической температурой (Тс > –
196° С = 77 К – температура кипения жидкого азота). Данные материалы являются крайне
востребованными при разработке ЭУ нового поколения благодаря возможности создания
сильных магнитных полей и высокой плотности тока при полном отсутствии потерь на
сопротивление. Это позволяет создавать корабельные ЭУ, обладающие значительно
меньшей массой и габаритами, и при этом большим коэффициентом полезного действия
(КПД) по сравнению с традиционными ЭУ.
Технология применения высокотемпературных сверхпроводников в корабельных ЭУ
в настоящее время реализована в двигателях с широким диапазоном мощностей от 1 до
36,5 МВт. Японской корпорацией «Кавасаки» в 2011 году был разработан электродвигатель с применением ВТСП мощностью 1 МВт, работающий со скоростью 190 об/мин, что
привело к уменьшению размеров кормовой части корпуса корабля и повышению гидродинамических характеристик.
Ожидается, что массовое внедрение технологии ВТСП в конструкцию надводных
кораблей и подводных лодок может быть реализовано в течение ближайших 20 лет, когда
экономическая выгода от применения данной технологии будет значительно увеличена за
счет минимизации конструкционных ограничений, а также оптимизации процессов изготовления ВТСП-лент.
Достижения в области силовой и управляющей электронике привели к созданию в
конце XX века надежных статических электрических преобразователей, обеспечивающих
возможность плавного регулирования выходных координат электропривода и получения
требуемого по технологии режима движения. Это радикально изменило возможности традиционного массового электропривода с асинхронными двигателями с короткозамкнутым
ротором по оптимизации режимов работы, экономии электроэнергии и других ресурсов.
Одновременно возникла целая гамма новых электроприводов с различными типами электромеханических преобразователей. Среди них особенно выделяется один - вентильноиндукторный двигатель (ВИД) или (в англоязычной литературе) - Switched Reluctance
Drive (SRD). Такие электродвигатели имеют наиболее простой ротор, выполненный из
магнитомягкого сердечника. Поэтому они допускают высокие частоты вращения ротора и
обладают высокой надежностью.
Важнейшие отличительные особенности ВИД можно определить следующим образом. Во-первых, это предельно простая, технологичная, дешевая и надежная конструкция
собственно двигателя. В нем отсутствуют существенно усложняющие технологию производства постоянные магниты, цена которых иногда составляет до половины цены всего
электропривода. Отсутствует операция заливки ротора, неизбежная при производстве
асинхронных двигателей. Обмотки (катушки) статора хорошо приспособлены к машинному производству, проста сборка и, что важно при массовых применениях, разборка для
ремонта или утилизации. Пропитка осуществляется только собственно катушек, а не статора в целом, как у других типов машин, что также снижает долю технологических затрат.
9
Во-вторых, поскольку сила притяжения ферромагнитного якоря в электромагните не
зависит от направления тока в катушке, фазы ВИД питаются однополярными импульсами
тока, что позволяет выбрать более надежную конфигурацию силовой схемы в сравнении с
преобразователем частоты для асинхронного электропривода. Применение схемы несимметричного моста устраняет принципиальную возможность возникновения сквозных коротких замыканий в плече инвертора, не требует введения, так называемого, мертвого
времени и компенсации его влияния на форму выходного напряжения, характерного для
типовой трехфазной мостовой схемы инвертора, формирующего синусоидальные напряжения и токи за счет высокочастотной широтно-импульсной модуляции (ШИМ) интервалов работы силовых ключей. Питание фаз ВИД прямоугольными импульсами напряжения
устраняет необходимость в ШИМ, что уменьшает динамические потери в силовых транзисторах, улучшает условия их охлаждения, увеличивает КПД статического преобразователя.
В-третьих, ВИД по основным массогабаритным и энергетическим показателям не
уступает и даже превосходит частотно-регулируемый асинхронный привод. Однако это
утверждение принимается не всеми специалистами, которые считают, что синхронные реактивные двигатели традиционной конструкции имеют низкие энергетические и удельные
показатели.
Не менее важным достоинством ВИД является то, что они имеет уникальную устойчивость к отказам отдельных элементов. Ни одна из традиционных электрических машин
не может работать (по крайней мере, длительное время) с оборванной или закороченной
фазой, поскольку в них существуют сильные магнитные связи между фазами статора, а
отклонения от кругового вращающегося магнитного поля вызывают резкую асимметрию
и возрастание токов в работающих фазах. Отсутствие магнитной связи между фазами
ВИД позволяет работать каждой фазе независимо от других. Отключение одной и даже
нескольких фаз приводит только к пропорциональному снижению выходной мощности и
возрастанию пульсаций момента, но сохраняет привод в рабочем состоянии. Потеря мощности частично может быть компенсирована за счет увеличения нагрузки на оставшиеся
фазы, если имеется надлежащий запас по допустимым токам фаз и силовых ключей. Выход из строя одного из силовых транзисторов в плече типового инвертора вызывает
«сквозное» короткое замыкание источника питания, защитой от которого может быть
только отключение привода.
Наиболее целесообразно использовать ВИД в качестве электропривода механизмов,
в которых по условиям работы требуется осуществление регулирования в широком диапазоне частоты вращения. Убедительным примером могут быть электроприводы судовых и
корабельных пропульсивных комплексов.
10
Корабельные и судовые энергетические установки
Отечественные судовые энергетические установки (СЭУ) классифицируется по следующим признакам:
1. По роду применяемого топлива:
- на органическом,
- на ядерном.
2. По типу главных двигателей:
- установки с ДВС (дизелями),
- установки с газотурбинными двигателями (ГТУ),
- установки с паровыми турбинами (ПТУ),
- комбинированные (гибридные) установки.
3. По роду рабочего тела:
- паросиловые,
- газосиловые.
4. По способу передачи мощности от двигателя к движителям:
4.1 Механическая:
- прямая передача,
- зубчатая передача.
4.2. Электрическая:
- на постоянном токе,
-на переменном токе.
4.3. Гидравлические передачи:
- гидростатические,
- гидродинамические.
5. По степени автоматизации установки:
- AUT1 – автоматизированные с дистанционным автоматизированным управлением
(ДАУ) без постоянной вахты в МО и периодическим обслуживанием механизмов. Объем
автоматизации позволяет эксплуатацию механической установки без постоянного присутствия обслуживающего персонала в машинных помещениях и ЦПУ;
- AUT2 – неавтоматизированные или частично автоматизированные с центральным
постом управления в МО, с постоянной вахтой и периодическим обслуживанием механизмов. Объем автоматизации позволяет эксплуатацию механической установки одним
оператором из ЦПУ без постоянного присутствия обслуживающего персонала в машинных помещениях;
- AUT3 – с уменьшенным объемом автоматизации и мощностью до 2250 кВт. Объем
автоматизации позволяет эксплуатацию механической установки судна с мощностью
главных механизмов не более 2250 кВт без постоянного присутствия обслуживающего
персонала в машинных помещениях и ЦПУ.
6. По типу движителя СЭУ могут быть:
– с гребными винтами фиксированного шага (ВФШ);
– с гребными винтами регулируемого шага (ВРШ);
– с гребными винтами в насадке;
– с соосными гребными винтами противоположного вращения;
– с крыльчатым движителем;
11
– с водометным движителем.
8. По способу обеспечения реверса судна СЭУ бывают с реверсивным ГД и с нереверсивным ГД, когда реверс обеспечивается реверс-редуктором или реверсивной муфтой,
а также с помощью ВРШ.
Исходными данными для выбора типа СЭУ служат: тип и назначение судна, районы
и режимы его плавания, условия размещения двигателей, массогабаритные показатели
установки, а также требования Морского Регистра к установкам. Выбранный тип двигателя должен сочетаться с типом движителя и характеристиками корпуса судна (его прочностью и ходовыми качествами).
Появление надежных корабельных газотурбинных двигателей (ГТД) в конце 60-х
годов XX столетия, приспособленных к работе в морских условиях, позволило в значительной степени улучшить маневренные и массогабаритные характеристики (МГХ) корабельных ЭУ. Однако использование ГТД в главных ЭУ на всех ходовых режимах широкого распространения не получило. Это связано с тем, что при снижении нагрузки (например, на скоростях экономического хода корабли затрачивали всего 20-30 % потенциальной мощности ЭУ) расход топлива ГТД резко возрастает, поэтому всережимные главные
газотурбинные энергетические установки на низкооборотных режимах эксплуатировать
было бы нерационально. Логичным решением данной проблемы стало создание комбинированных главных ЭУ. Такие достоинства ГТД, как относительно большая удельная мощность, высокая экономичность на полной нагрузке, сравнительно быстрый запуск и набор
мощности при любых температурных режимах, в сочетании с большим ресурсом и высокой экономичностью дизеля позволили комбинировать их для достижения экономичной
работы главной ЭУ в широком диапазоне нагрузок.
Комбинированной называется такая ЭУ, в которой энергия для движения судна и
работы других судовых потребителей (или только для движения судна) вырабатывается в
двух и более различных тепловых двигателях.
Корабельные и судовые комбинированные ЭУ классифицируются по следующим
принципам:
- по типу двигателей экономического хода (дизельные или газотурбинные);
- по режиму работы двигателей экономического хода корабля (работают или не работают совместно с ускорительной ГТУ на полном ходу);
- по способу передачи мощности на гребной вал (механическая или электрическая).
В настоящее время, как за рубежом, так и в России для обозначения типа комбинированных установок приняты буквенные символы: СО – комбинированная (combined), D
– дизельная (diesel), G – газотурбинная (gas turbine), L - электрическая передача мощности
на гребной вал (electric), О - с раздельной работой двигателей (or) и А - с совместной работой двигателей на всех режимах (and).
В соответствии с применяемыми типами тепловых двигателей и передач мощности
на гребной вал в мировом кораблестроении нашли применение следующие типы комбинированных ЭУ [3]:
- CODAG - комбинированные дизель-газотурбинные ЭУ с механической передачей
мощности на гребные валы, с совместной работой двигателей (рис. 2);
12
Рис. 2. Схема ЭУ CODAG
- CODOG - комбинированные дизель-газотурбинные ЭУ с механической передачей
мощности на гребные валы и раздельной работой двигателей, на большом ходу дизельная
часть отключается (рис. 3);
Рис. 3. Схема ЭУ CODOG
- COGAG - комбинированные газо-газотурбинные ЭУ с механической передачей
мощности на гребные валы, с совместной работой двигателей (рис. 4);
а)
б)
Рис. 4. Схемы ЭУ COGAG
а) маршевого и форсажного ГТД; б) ГТД одинаковой мощности - «спарка»
13
- COGOG - комбинированные газо-газотурбинные энергетические установки с механической передачей мощности на гребные валы. Маршевый двигатель работает до полного хода, на полном ходу работает форсажная турбина (рис. 5);
Рис. 5. Схема ЭУ COGOG
- CODLAG - комбинированные дизель-электрические и газотурбинные ЭУ с совместной работой двигателей (рис. 6);
Рис. 6. Схема ЭУ CODLAG
- CODLOG - комбинированные дизель-электрические и газотурбинные ЭУ с раздельной работой двигателей (рис. 7). Основным отличием ЭУ данного типа от других
комбинированных ЭУ является то, что на режимах малых скоростей хода корабля работают два гребных электродвигателя (ГЭД), которые питаются от дизель-генераторов (одновременно вырабатывающих электроэнергию для других корабельных нужд). Применение электродвижения в сравнении с компоновочными схемами с механической передачей
энергии на винтовую группу позволяет снизить шумность установки при выполнении кораблем поисковых задач;
Рис. 7. Схема ЭУ CODLOG
14
- CODAD - комбинированные дизельные ЭУ с совместной работой двигателей
(рис. 8);
Рис. 8. Схем ЭУ CODAD
- CODAGOL - комбинированные дизель-газотурбинные и дизель-электрические ЭУ
с совместной работой дизеля и ГТД и автономной работой электрических двигателей
(рис. 9).
.
Рис. 9. Схема ЭУ CODAGOL
Одним из прогрессивных решений отечественного кораблестроения стала разработка АО «ЦМКБ «Алмаз» перспективного корвета пр. 20386 «Меркурий» с дизельгазотурбинной ЭУ с частичным электродвижением, схемного исполнения CODLOG [4].
Применение данного типа ЭУ связано с ужесточением требований к тактико-техническим
характеристикам кораблей, увеличение их водоизмещения и скорости полного хода до 30
уз и более, что приводит к необходимости значительного увеличения мощности ГЭУ.
В ЭУ (рис. 10) входят: два ГТД 4-го поколения М90 ФР в капоте, мощностью
2×20200 кВт, редукторный комплекс 6 РП, гребные электродвигатели АДР-1600-8 мощностью 2×1600 кВт, дизель-генераторы ДГАС-1600 и ДГАС-800 на основе дизельных двигателей нового поколения 12 ДМ-185 и 8 ДМ-185.
Разработанная АО «ЦМКБ «Алмаз» ЭУ корвета пр. 20386 схемного исполнения
CODLOG по основным техническим характеристикам не только не уступает лучшим мировым аналогам (фрегатам серий FREMM, F‑125 и 26 «Global Combat Ship»), символизи15
рующим пик развития корабельной энергетики, но и является первым мировым аналогом
среди многоцелевых боевых кораблей относительно небольшого водоизмещения класса
корвет, где удалось реализовать идею дизель-электрической передачи крутящего момента
на винт на маршевых ходах. Водоизмещение соответствующих зарубежных аналогов в 2
раза и более превышает водоизмещение корвета «Меркурий».
Рис. 10. Структурная схема энергетической установки схемного исполнения
CODLOG корвета «Меркурий»
Для кораблей и судов с полным электродвижением основным направлением развития ЭУ является создание ЕЭЭС (ОЭЭС – объединенная электроэнергетическая система).
Наиболее интенсивные работы по созданию ОЭЭС для надводных кораблей проводятся в США и Великобритании. Технологии и конструктивно-схемные решения, разрабатываемые в ходе НИОКР, находят широкое применение в программе управления кораблестроения и вооружения ВМС США IPS (Integrated Power System). В Великобритании подобные работы ведутся в рамках программы FEP (Full Electric Propulsion). Обе программы
предусматривают глубокую интеграцию отдельных систем ГЭУ в единую систему с централизованным управлением и контролем. Ядром этой системы явится ЭЭС корабля, которая будет вырабатывать электроэнергию и распределять ее как на корабельные системы
и механизмы, так и на ГЭД, обеспечивающие ходовые режимы. Более того, зарубежные
разработчики предполагают реализовать принцип «полностью электрического корабля»
(Full Electric Ship), что позволит заменить пневматические, паровые и гидравлические
приводы главных и вспомогательных механизмов и систем КЭУ электроприводами.
Наиболее наглядным примером оснащения ОЭЭС являются американские эскадренные миноносцы с управляемым ракетным оружием типа «Зумвольт». Кроме того, ОЭЭС
оснащены британские ЭМ УРО типа «Деринг», авианосцы типа «Куин Элизабет»
(рис. 11), десантно-вертолетные корабли-доки (ДВКД) типа «Альбион» и ряд других кораблей и судов.
16
Рис. 11. Структурная схема IPS британских авианосцев типа «HMS Queen Elizabeth»
Таким образом, в настоящее время при проектировании и строительстве надводных
кораблей и судов нового поколения возрастает потребность в компактных энергетических
установках (ЭУ) с высоким коэффициентом полезного действия, минимальных МГХ и
при этом имеющих высокую надежность. Современные мировые тенденции в области создания новых ЭУ все больше способствуют переходу от традиционных энергетических
установок с механической передачей мощности на гребной винт к гибридным главным
энергетическим установкам (ГЭУ) либо использующим полное электродвижение.
17
Разработки единых электроэнергетических систем и систем электродвижения
Центральным научно-исследовательским институтом судовой электротехники и
технологии
2011
2010
2008
2007
В качестве примера можно привести разработки единых электроэнергетических систем и систем электродвижения Центральным научно-исследовательским институтом судовой электротехники и технологии (филиал «ЦНИИ СЭТ» ФГУП «Крыловский государственный научный центр») [7], который с начала 21 века выполняет разработки, изготовление и поставки ЕЭЭС и СЭД, среди них:
- комплекс СЭД малого гидрографического судна проекта 19910 (2001-2006 гг.);
- ЕЭЭС судов пр. 20180, 21300 и 22010 (2005 - 2009 гг.);
электродвижительный
комплекс
глубоководного
аппарата
«Консул»
(2007-2008 гг.);
- электрооборудование СЭД для буксирных судов пр. 22030 (2006-2010 гг.), 745.1 и
745.2 (2010-2013 гг.);
- СЭД ледокола пр. 21180 (2015-2017 гг.);
- СЭД универсальных атомных ледоколов пр. 22220 и 10510 (2013-2018 гг.):
- СЭД буксирного судна пр. 23476 (2017-2018 гг.);
- СЭД мелкосидящего ледокола пр. 22740 (2017- 2018 гг.).
Суда, СЭД которых были изготовлены и поставлены «ЦНИИ СЭТ», показаны на рисунке 12.
Проект 19910 (серия из двух судов) 2007 г.
Тип платформы: гидрографическое судно
Мощность электростанции, кВт: 2 1000, 1 200
Мощность на валу, кВт: 2 560
Комплект поставки: ЕЭЭС + АСУ
Проект 20180 2008 г.
Тип платформы: многофункциональное судно
ледового класса
Мощность электростанции, кВт: 4×1600,2×630
Мощность на валу, кВт: 2×2000
Комплект поставки: ЕЭЭС
Проект 745.2 2010 г.
Тип платформы: буксирное судно
Мощность электростанции, кВт: 2 1500. 1 200
Мощность на валу, кВт: 1 2000
Комплект поставки: ЕЭЭС+АСУ
Проект 745.1 2011 г.
Тип платформы: буксирное судно
Мощность электростанции, кВт: 2 1500. 1 200.
Мощность на валу, кВт: 1 2000
Комплект поставки: ЕЭЭС (с СЭД на основе
ВИД) + АСУ
18
2013
2015
2016
2017
2018
Проект 22030 2013 г.
Тип платформы: буксирное судно
Мощность электростанции, кВт: 3 1500, 1 200
Мощность на валу, кВт: 2 2000
Комплект поставки: ЕЭЭС
Проект 21300 2015 г.
Тип платформы: спасательное судно
Мощность электростанции, кВт; 4 1600, 2 1000
Мощность на валу, кВт: 2 2400
Комплект поставки: ЕЭЭС
Проект 23470 (серии из двух судов) 2016 г.
Тип платформы: буксирное судно
Мощность электростанции, кВт: 3 2850
Мощность на валу, кВт: 2 2700
Комплект поставки: ЕЭЭС
Проект 21180 2017 г.
Тип платформы: ледокол
Мощность электростанции, кВт: 4 2895
Мощность на валу, кВт: 2 3500
Комплект поставки: ЕЭЭС
Проект 22220 (серии из трех судов) 2018 г.
Тип платформы: атомный ледокол
Мощность электростанции, кВт: 2 36000,2 2000
Мощность на валу, кВт: 3 20000
Комплект поставки: ЕЭЭС
Рис. 12. Суда, СЭД которых были изготовлены и поставлены филиалом «ЦНИИ СЭТ»
ФГУП «Крыловский государственный научный центр»
«ЦНИИ СЭТ» осуществляет разработку, изготовление, испытание и поставку комплекта электрооборудования для ЕЭЭС и СЭД судна. В состав системы разрабатываемых
комплектов входит следующее электрооборудование:
- статические преобразователи частоты;
- гребные электрические двигатели;
- трансформаторы;
- щиты электродвижения;
- система управления гребной электрической установкой;
- движительное устройство;
- подруливающее устройство.
19
Также в состав системы входят: устройства мягкого пуска, устройства и системы
контроля сопротивления изоляции, кабельные сети, устройства электрической защиты и
другое электрооборудование.
«ЦНИИ СЭТ» имеет обширный опыт в создании СЭД с различными типами первичных двигателей генераторов для различных систем электродвижения:
- дизель-электрические СЭД;
- турбоэлектрические СЭД;
- аккумуляторные СЭД (для глубоководных аппаратов).
Предприятием создаются следующие типы СЭД:
- СЭД с полупроводниковыми преобразователями на базе непосредственного преобразователя частоты (циклоконвертера);
- СЭД с полупроводниковыми преобразователями на базе автономных инверторов
напряжения.
Разработки такого оборудования судового электродвижения требуют больших научно-технических ресурсов, высококвалифицированных кадров, а главное, обширного опыта
в проектировании, создании, испытании и введении в эксплуатацию различных комплексных электротехнических систем в судостроении. Кроме этого, необходимо наличие современно оснащенного научно-производственного комплекса, обширных промышленных
и испытательных помещений, опытного конструкторского и рабочего коллектива.
Одной из последних инновационных разработок «ЦНИИ СЭТ» стала ЕЭЭС дизельэлектрического ледокола проекта 21180.
Дизель-электрический ледокол «Илья Муромец»
Дизель-электрический ледокол нового поколения «Илья Муромец» (пр. 21180) имеет
водоизмещение 8000 т и предназначен для обеспечения деятельности Арктической группировки ВМФ РФ (рис. 13). Предусмотрены следующие функции ледокола: буксировка
судов, транспортировка грузов для снабжения береговых и островных баз, расположенных
в Арктическом районе, проведение гидрографических исследований. Схема ЕЭЭС представлена на рисунке 14.
Рис. 13. Дизель-электрический ледокол «Илья Муромец»
20
Рис. 14. ЕЭЭС ледокола «Илья Муромец»
Источниками электроэнергии в ЕЭЭС ледокола являются четыре ДГ по 2895 кВт
каждый, напряжением 690 В, частотой 50 Гц. Силовая часть СЭД ледокола включает в
себя два ГЭД с двумя обмотками на статоре мощностью 3,5 МВт и частотой вращения 750
об/мин каждый, две ВРК, в которых размешены редукторы и гребные винты, а также два
ПЧ, от которых получают питание ГЭД. Отличительной особенностью ПЧ для СЭД ледокола являлось применение во входной части ПЧ активных выпрямителей. Такое техническое решение в ЭП судовых СЭД отечественного производства встречается впервые.
Использование в ПЧ активных выпрямителей решает три основные задачи:
- согласование уровней напряжения судовой сети и ГЭД без применения сетевых
трансформаторов;
- обеспечение электромагнитной совместимости ПЧ с судовой сетью;
- обеспечение возможности протекания электроэнергии в двух направлениях: от
ГРЩ к ГЭД и от ГЭД к ГРЩ.
Принцип действия активного выпрямителя заключается в следующем. В процессе
его функционирования силовая часть выпрямителя (мост) работает в режиме инвертора
напряжения, ведомого сетью, т.е. преобразовывает постоянное напряжение предварительно заряженной конденсаторной батареи в систему трехфазного напряжения, частота которого равна частоте сети. Эта система напряжений по отношению к напряжению сети ориентирована таким образом, что ток, поступающий из сети в мост выпрямителя, имеет
только активную составляющую. Другими словами, ПЧ на основе активной схемы выпрямления потребляет из сети только активную мощность.
Разработанный ПЧ для СЭД ледокола функционально содержит два идентичных
21
преобразовательных канала. Трехфазные выходы этих каналов посредством кабельных
линии нагружены на трехфазные обмотки, уложенные на статоре ГЭД.
Каждый преобразовательный канал, в свою очередь, содержит активный выпрямитель и инвертор напряжения. Активный выпрямитель включает в себя выпрямительный
мост, конденсаторную батарею и электромагнитный реактор. Необходимость в каждом
преобразователе двух мостов активного выпрямителя и двух мостов инверторов напряжения объясняется предельными значениями величин рабочего тока транзисторных ключей,
из которых собраны вышеуказанные мосты.
Вторая, уже конструктивная, особенность ПЧ состоит в размещении транзисторных
ключей, образующих одноименные плечи мостов активного выпрямителя и инверторов
напряжения в конструктивах общих фазных модулей. В состав преобразовательного канала входят шесть фазных модулей. Компоновка транзисторных ключей в фазных модулях
улучшает условия их охлаждения и уменьшает величины перенапряжений, возникновение
которых обусловлено наличием индуктивностей соединительных шин.
Атомный ледокол проекта 22220
Одним из новейших вариантов структурных схем электроэнергетических систем судов с электродвижением является схема самого большого в мире ледокола типа ЛК-60
проекта 22220 (рис. 15) с ядерной энергетической установкой.
Рис. 15. Схема размещения оборудования ЕЭЭС ледокола проекта 22220
На ледоколе принята схема, представленная на рисунке 16. Схема и конструкция
ГЭД разработаны в соответствии с принципом разделения мощностей. В связи с отсутствием в России производственной возможности и опыта изготовления силовых преобразователей частоты мощностью более 5 МВт произведено разделение суммарной мощности
на гребном валу. Назначенная проектом мощность на винте в 20 МВт распределена за счет
установки на гребном валу двух асинхронных двигателей по 10 МВт. Еще мощность разделена за счет исполнения гребных двигателей с двумя обмотками статора.
22
Рис. 16. Структурная схема электроэнергетической системы атомного ледокола ЛК-60 с
электродвижением: G – синхронный генератор мощностью 36 МВт, напряжением 10 кВ;
ПЧ – преобразователь частоты; М – гребной электродвигатель напряжением 3 кВ; TV –
трехобмоточный трансформатор напряжения; ГРЩ – главный распределительный щит
В состав ЕЭЭС входят:
 два генератора переменного тока типа ТПС-36-2М2ОМ5, синхронные, трехфазные, бесщеточные мощностью 45 МВ·А, 10,5 кВ, 50 Гц, 3000 об/мин, cosφ – 0,8,
КПД – 97,5 %, с приводом от паровых турбин, предназначенные как для раздельной,
так и длительной параллельной работы;
 два щита заземления нейтрали для главных генераторов со встроенными резисторами заземления нейтрали и выключателями;
 два тиристорных регулятора напряжения главных генераторов типа БСВРЭМ291-10-165-2,0 ОМ4;
 шесть преобразователей частоты для регулирования частоты вращения ГЭД в
диапазоне 165 – 0 – 165 об/мин, мощностью по 2×10 МВт, напряжением 3 кВ, частотой
50/16,5 Гц;
 два главных распределительных устройства напряжением 10,5 кВ;
 двенадцать силовых, согласующих, сухих, трехобмоточных трансформаторов,
мощностью 6 MB·A каждый, напряжением 10,5/3,7 кВ;
 три
гребных
электродвигателя
переменного
тока
типа
ГЭД 2×10000-3-165 ОМ5, асинхронные с числом фаз 4×3, двухъякорные или сдвоенные
(два статора в одном корпусе и два ротора на одном валу) , с питанием от преобразователей частоты, мощностью по 20 (2·10) МВт, напряжением 2×3000 В, током фазы 1124
А, cosφ – 0,89, частотой тока 0 – 16,0 Гц, частотой вращения 120 – 165 об/мин;
 системы управления, регулирования, защиты, контроля, сигнализации, диагностирования и мониторинга;
 оборудование, встраиваемое в пульты управления и контроля СЭД и систем ее
обслуживающих, расположенное в центральном посту управления, ходовой рубке и
кормовом посту управления;
23
 девять задатчиков мощности и частоты вращения, имеющих девять указателей
частоты вращения и мощности ГЭД для размещения в ходовой рубке (три поста);
 три задатчика мощности и частоты вращения и три указателя частоты вращения и мощности ГЭД для размещения в кормовом посту;
 три задатчика мощности и частоты вращения и три указателя частоты вращения и
мощности ГЭД, расположенные в пульте СЭД, размещаемом в ЦПУ ледокола;
 посты управления ГЭД с рукоятками (по три рукоятки на каждый пост): один в
ЦПУ, один в кормовом посту и три в ходовой рубке, соединенные электрической передачей с задатчиками мощности;
 аварийный машинный телеграф;
 шесть блоков резисторов для динамического торможения ГЭД, каждый блок состоит из двух последовательно соединенных однофазных резисторов, напряжением 6000
В (2×3000), сопротивлением 7,5 Ом (2×3,75), максимальной энергией, рассеиваемой при
торможении 2×21 МДж;
 четыре сухих понижающих трансформатора отбора мощности от главных генераторов, напряжением 10,5/0,4 кВ, мощностью 2,5 MB·A с возможностью параллельной работы каждой пары трансформаторов, подключенных к своему ГРУ;
 пульты управления двигателями силовой установки для подачи питания и управления работой дополнительных устройств СЭД (электродвигатели насосов, электронагреватели и т.д.). Три пульта для оборудования ГЭД и силовых трансформаторов и один
пульт для оборудования генераторов;
 источники бесперебойного питания для обеспечения аварийного электроснабжения цепей контроля, управления, автоматики оборудования СЭД со встроенной системой
заряда батарей.
В ЕЭЭС ледокола два главных паротурбогенератора (ГТГ) мощностью по 36 МВт
напряжением 10 кВ присоединены к двойной системе шин единого ГРУ. Три ГЭД суммарной мощностью 60 МВт напряжением 3 кВ подключены к ГРУ через преобразователи
частоты с трехобмоточными трансформаторами. Комбинированным соединением первичных и вторичных обмоток трансформаторов по схемам «звезда» и «треугольник» обеспечивается сдвиг между напряжениями первичных обмоток двух трансформаторов и вторичных обмоток каждого трансформатора обмоток в 30 эл.гр., что обеспечивает реализацию 12-пульсной схемы выпрямления для каждого ПЧ и эквивалентной 24-пульсной схемы относительно ГРУ, что ведет к компенсации канонических гармонических составляющих тока и улучшению синусоидальности напряжения на ГРУ. Потребители собственных
нужд получают питание от шин ГРУ через трансформаторы. Преобразователи частоты
работают с широтно-импульсной модуляцией по принципу векторного управления.
24
Достоинства и недостатки энергетических установок кораблей и судов с
электродвижением
Одним из основных элементов корабельной (судовой) ЭУ является движитель ‒
устройство, преобразующее энергию природного источника или механического двигателя
в полезную работу, обеспечивающую движение судна.
Пропульсивное оборудование судна должно обеспечивать его прямолинейное движение с минимальной затратой мощности при различных эксплуатационных режимах, реверс тяги с целью остановки судна и реализации его прямолинейного движения на заднем
ходу, а также маневрирование по курсу и движение по заданной криволинейной траектории. Эти качества должны быть достигнуты при возможно меньшем весе оборудования и
минимальных размерах его элементов, располагающихся вне основного корпуса. Кроме
того, оборудование должно обладать низким уровнем виброактивности, причем стоимость
его должна быть возможно меньшей.
Пропульсивная установка, включает энергетическую и движительную установки, а
также рулевое устройство. Распределение функций между этими тремя элементами и требования к ним существенно зависят от конструкции движительной установки судна.
В настоящее время широкое распространение получили гребные винты фиксированного шага, установленные на гребном валу, являющемся продолжением вала двигателя.
Подобный движительный комплекс обеспечивает высокий пропульсивный коэффициент,
отличается простотой конструкции и сравнительно низкой стоимостью. Однако этот движительный комплекс требует применения реверсивных двигателей, а для достижения высоких пропульсивных качеств необходима установка гребных винтов соответствующего
оптимуму большого диаметра. Управление по курсу осуществляется специальным рулевым устройством.
Наряду с винтами фиксированного шага находят применение винты регулируемого
шага (ВРШ). Использование ВРШ позволяет применять нереверсивные двигатели. Однако
стоимость ВРШ существенно выше, а их диаметр, как правило, больше, чем у обычных
винтов. Управление по курсу в этом случае также достигается с помощью рулей.
Совмещение движительной и рулевой функций осуществляется в движительнорулевых (ДРК) или винто-рулевых (ВРК) колонках.
Весьма перспективным движительным комплексом являются поворотные угловые
колонки с электродвигателем в погруженной гондоле, так называемая система «Azipod».
Этот комплекс обеспечивает все указанные выше функции с применением нереверсивных
двигателей и позволяет отказаться от рулевого устройства. Кроме того, он позволяет располагать двигательно-генераторный комплекс в произвольном месте судна, что благоприятно с точки зрения размещения. Недостатком подобного движительного комплекса являются большие по сравнению с обычными винтами габариты расположенных вне корпуса элементов движителя, включающих колонку с гондолой электродвигателя и гребные
винты большого диаметра. Это затрудняет их использование на судах с ограниченной
осадкой, кроме того, преобразование энергии для привода связано с определенными энергетическими потерями. Необходимо отметить, что устойчивость на курсе судов с подобными движителями хуже, чем судов с рулями.
25
Аналогичным уровнем универсальности обладают водометные движители. Однако
водометные движители имели ограниченное применение, поскольку в течение длительного времени не удавалось спроектировать движительный комплекс с конкурентоспособным
уровнем эффективности. В настоящее время эти трудности в значительной мере преодолены, и водометы находят все более широкое распространение, особенно на скоростных
судах, причем их объем внедрения, который бурно начал расти с начала 1980-х гг., близок
к объему применения поворотных колонок. К настоящему времени агрегатная мощность
водометов достигла 25 МВт, а скорости судов, на которых они устанавливаются, 65 уз. [9].
По способу передачи энергии на движитель различают судовые энергетические
установки с прямой (через редуктор) передачей вращающего момента от теплового двигателя и от гребного электродвигателя (ГЭД) системы электродвижения (суда с электродвижением).
Система электродвижения (СЭД) судна – это электротехнический комплекс, приемник электрической энергии, состоящий из судовых электротехнических модулей, объединяющий процессы преобразования, распределения, передачи и потребления электроэнергии, предназначенный для создания упора или тяги, обеспечивающей ход судна [10].
Основные достоинства энергетических установок (ЭУ) судов с электродвижением
(по сравнению с ЭУ с прямой передачей):
1. Применение высокооборотных и, как следствие, малогабаритных первичных двигателей генераторов.
2. Высокая перегрузочная способность гребных электродвигателей.
3. Лучшие маневренные качества и управляемость корабля (судна) за счет высоких
динамических характеристик СЭД, быстрого изменения частоты и направления вращения
гребных винтов.
4. Возможность обеспечения экономичных ходовых режимов с оптимальной загрузкой приводных двигателей генераторов.
5. Возможность создания единой системы энергообеспечения для движения корабля
(судна), систем вооружения и корабельных (судовых) потребителей.
6. Увеличение живучести энергетической установки за счет многократного резервирования источников энергии, при этом аварийный ходовой режим обеспечивается даже
при наличии одного источника электроэнергии.
7. Большие возможности компоновки элементов энергоустановки, размещения генераторных агрегатов, возможность выноса ГЭД за пределы корпуса корабля (судна).
8. Отсутствие редуктора между первичными двигателями и генераторами, уменьшение длины гребных валов улучшают виброакустические характеристики, способствуют
рациональной компоновке и освобождению места для установки другого оборудования в
наиболее защищенную часть корабля (судна).
9. Возможность формировать внешние характеристики ГЭД практически любой
формы, в т.ч. с ограничением максимального вращающего момента.
Недостатки ЭУ с СЭД (по сравнению с дизельными и другими традиционными ЭУ)
связаны с большим количеством ступеней преобразования энергии и как следствие:
- повышенная масса установки в целом;
- относительно низкий КПД;
- высокая первоначальная стоимость.
26
Следует отметить, что первоначальное значительное увеличение массы и габаритов
по мере развития, как теории, так и практики проектирования кораблей и судов с электродвижением, привело к проигрышу указанных показателей всего на 20-25%, а в настоящее
время удачно спроектированная система проигрывает всего 5-15%, превосходя чисто механические установки по другим показателям.
Необходимо, также заметить, что некоторые корабли и суда принципиально должны
создаваться с электродвижением. Это в первую очередь относится к судам ледового плавания, где необходима высокая перегрузочная способность привода гребного винта и частые реверсы, научно-исследовательские суда с высокими требованиями к шумности
энергетической установки, спасательные суда, суда кабелеукладчики, требующие осуществления режима динамического позиционирования, высокоманевренные буксиры и
другие.
27
Требования к системам управления электродвижением ледоколов (судов ледового
плавания)
Работа ледоколов (судов ледового плавания) во льдах характеризуется длительными
и энергоемкими режимами с большими переменными нагрузками на винтах. Моменты на
гребных валах ледоколов также меняются в очень широком диапазоне.
Анализ повреждений гребных винтов и валов ледоколов и судов ледового плавания
показал, что они происходят, как правило, либо после остановки винта, либо при несоответствии направления вращения винта ходу судна. Остановка гребного винта при продвижении судна во льдах представляет собой наибольшую опасность. Она может привести к поломке гребного винта или вала, поскольку при неподвижном винте его лопасти
воспринимают деформацию изгиба и ломаются под действием движущегося судна. Следовательно, при повышении момента сопротивления вращению винта гребной электродвигатель должен также развивать повышенный момент, чтобы предотвратить понижение
частоты вращения винта до состояния заклинивания, т.е. до полной остановки. При этом в
системе автоматического регулирования ГЭУ не должно быть динамических всплесков
тока якорей главных электрических машин выше максимально допустимого значения (из
условий коммутации и нагревания) [11].
Типовые изменения параметров ГЭД и нагрузки на валу для ледоколов представлены на рис. 17.
Параметры
Разгон ГЭД
4-6 Мн
Установившееся
движение
Вход в битый и
мелкий лед
Фрезерование
льда
Заклинка
винта
30 сек.
10 сек.
Номинальная
мощность
1,8 Мн
1,6 Мн
Номинальный
момент, Мн
Номинальная
частота
вращения
Уравнение движения
Мощность
ГЭД
Момент
ГЭД
Время
Частота вращения
ГЭД
Момент сопротивления
на валу ГЭД
Рис. 17. Типовые изменения параметров ГЭД и нагрузки на валу для ледоколов и судов
ледового плавания
На рис. 18 представлены типовая механическая характеристика ГЭД ледокола (зависимость вращающего момента от частоты вращения двигателя). Там же нанесены винтовые диаграммы – линии 1-3, охватывающие возможные изменения нагрузок винта от хода
в свободной воде, на мелководье и на швартовном режиме.
Первое требование к системе управления СЭД – поддержание постоянства мощности ГЭД при изменяющихся условиях плавания (частоте вращения вала) (линия ABC для
20-го положения поста управления на рис. 18). Тем самым не допускается перегрузка генераторных агрегатов ЕЭЭС.
28
М, о.е.
1,4-1,8
Е
D
А
1
B
C
3
2
1
F
0
1
nогр
n, о.е.
Рис. 18. Типовые винтовые и механические ГЭД характеристики ледоколов и судов
ледового плавания
При работе ледокола в ледовых условиях гребные винты находятся в постоянном
взаимодействии со льдом, отбрасывая или разрушая его. Момент на валу при этом резко
увеличивается, а частота вращения понижается до возможной полной остановки ‒ заклинивания винта – режима, опасного с точки зрения, как угрозы поломок гребного винта, так
и нарушения надежности работы ГЭУ. Избежать заклинивания можно, если обеспечить на
гребном винте вращающий момент, достаточный для преодоления момента сопротивления на винте от усилий, возникающих при фрезеровании льда лопастями, и гидродинамического момента на винте. Второе требование к системе автоматического регулирования
состоит в возможности применения повышенного вращающегося момента на гребном валу, который обеспечивает работу без заклинивания (линия DE на рис. 18) [12].
Третье требование к системе управления – ограничение частоты вращения при резком уменьшении момента сопротивления, что возможно при потере лопастей винта (линия CF на рис. 18). Для данных ледоколов в систему автоматического регулирования введено более жесткое ограничение максимальной частоты вращения на уровне nогр (пунктирная линия).
Четвертое требование – в динамических режимах работы (пуск, остановка, реверс
ГЭД, переход с одного уровня мощности на другой и т.д.) система управления не должна
допускать перегрузку генераторов и турбин.
29
Анализ планов строительства и перечня строящихся судов
Учитывая рассмотренные выше достоинства СЭД и требования к ЭУ, на основе анализа целевой сценарий строительства гражданских судов и морской техники до 2035 года,
приведенного в Стратегии развития судостроительной промышленности на период до
2035 года [13], спрогнозируем количество судов с электродвижением планируемых к
строительству и параметры СЭД данных судов (таблица 1).
Таблица 1. Прогноз строительства судов с электродвижением и параметры СЭД
2021 - 2025 2026 - 2030 2031 - 2035
Номенклатура
Итого
годы
годы
годы
суда-газовозы
11
12
23
буксиры
4
5
9
ледоколы
10
5
1
16
научно-исследовательские
6
3
9
суда
научно-исследовательские
1
3
3
7
суда арктического класса
суда снабжения и обеспе5
12
48
65
чения арктического класса
Итого
26
36
67
129
На основе анализа перечня строящихся судов [8] составлен перечень судов с электродвижением, находящихся в постройке по состоянию на февраль 2022 г., отражен в таблице 2.
Таблица 2. Перечень судов с электродвижением, находящихся в постройке по состоянию
на февраль 2022 г.
Сдача
Номенклатура, проект, тип и
ХарактеСудостроПроектант
до
2024
назначение судов и специальристики
ительный
г., ед.
ных морских средств
СЭД
завод
ALNGC173R, Арктический
6
3 ЭДРК,
ООО «ССК Samsung Heavy
СПГ-танкер для проекта
ГЭД по
«Звезда»
Indastries (Республи«Арктик СПГ 2» (вместимо15 МВт
ка Корея) и АО
стью 172,6 тыс. куб. м, дед«ЦКБ «Лазурит»
вейтом 81 тыс. т)
AST69K, Танкер-челнок (дед- 2
2 ЭДРК,
ООО «ССК АО «ЦКБ «Лазурит»
вейтом 69 тыс. т)
ГЭД по
«Звезда»
10 МВт
123, Многофункциональное
2
2 ЭДРК,
ООО «ССК АО «ЦКБ «Лазурит»
НИС для фундаментальных
ГЭД по
«Звезда»
исследований в Мировом оке2,3 МВт
ане, включая Арктику и Антарктику
22220, Атомный ледокол (60
2
Прямая
АО «БалПАО «ЦКБ «АйсМВт)
передача тийский
берг»
на винт, 3 завод»
по 20
МВт
00903, Ледостойкая самодви1
2 ВРК, 4,2 АО «АдАО «КБ «Вымпел»
жущейся платформа для исМВт
миралтей30
следования Арктики
21900М2, Дизельный ледокол
(18 МВт)
1
HSV05.02, Гидрографическое
лоцмейстерское судно класса
Arc7
MPSV06, Аварийноспасательное судно мощностью 7 МВт
1
MPSV07, Аварийноспасательное судно (4 МВт)
1
2 ВРК,
ГЭД 2,06
МВт
NE025, Буксирноспасательное судно ледового
класса Arc 4
БР29, Ледокол-буксир для
поддержания круглогодичной
навигации на Москве-реке
IBSV10022AH, Многофункциональное судно снабжения
(Icebreaker 7)
5
2 ГЭД по
634 кВт
1
2 ГЭД по
368 кВт
4
2 ЭДРК,
ГЭД по
7,5 МВт
Итого
27
550 МВт
1
2 ВРК,
ГЭД по
9МВт,
600
об/мин
2 ВРК,
ГЭД по
3,1 МВт
2 ВРК,
ГЭД по
3,5 МВт
ские верфи»
ОАО
«Пелла»
АО «КБ «Вымпел»
Не определен
ООО «Морское инженерное бюро»
АО «Прибалтийский
ССЗ «Янтарь»
АО «Зеленодольский
завод им.
А.М. Горького»
АО «Окская судоверфь»
АО «Балтийский
завод»
ООО «ССК
«Звезда»
ООО «Морское инженерное бюро»
ООО «Морское инженерное бюро»
АО «Нордик инжиниринг»
ГК «Р-ФЛОТ»
Damen Shipyards
Group (Нидерланды), АО «ЦКБ «Лазурит» и ООО
«Звезда Морские
Технологии»
Поскольку каждая СЭД включает несколько комплектов однотипного оборудования
в зависимости от количества гребных валов, то масштаб поставок такого оборудования
удобно рассматривать, используя понятие гребного электропривода (ГЭП), как комплекса,
состоящего из гребного электродвигателя и преобразователя электроэнергии: ЭДРК – 34
ГЭП, мощность от 2,3 до 15 МВт, ВРК – 10 ГЭП, мощность от 2,06 до 9 МВт, прямая передача – 13 ГЭП, мощность от 0,368 до 20 МВт.
Если принять стоимость 1 МВт от 20 до 35 млн. руб., то цена закупаемых СЭД составляет от 11 млрд. руб. до 19,25 млрд. руб.
Из 27 комплектов СЭД только СЭД атомного ледокола проекта 22220 поставляется
отечественным предприятием филиалом «ЦНИИ СЭТ» ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Остальные 25 комплектов СЭД поставляются зарубежными
организациями, на сумму от 8,6 млрд. руб. до 15,05 млрд. руб. Убыток экономики России
имеет и другие, косвенные потери, как экономического, так и социально характера.
В соответствии с данными Минпромторга России доля отечественной продукции до
реализации планов импортозамещения составляет 10 %, ежегодный спрос на СЭД составляет 19 единиц, на сумму 4800 млн. руб. [14].
31
Отечественное судовое комплектующее оборудование
На совещании 16.03.2022 «О мерах социально-экономической поддержки субъектов РФ» Президент России В.В. Путин сказал: «Проблема сейчас не в деньгах, ресурсы у
нас есть, ключевые трудности связаны с поставкой комплектующих, техники, стройматериалов, с организацией работы подрядчиков, поэтому могут меняться сроки и способы
реализации конкретных программ, их этапы, и это потребует слаженной работы органов
власти и представителей бизнеса, форсированной реализации проектов импортозамещения» [5].
Генеральный директор ОСК А.Л. Рахманов отмечает, что с 2014 года, когда в отношении корпорации были впервые введены санкции, была проделана большая работа по
переориентации с зарубежных поставщиков судового оборудования и комплектующих на
отечественные аналоги, а в области работ по линии гособоронзаказа, который всегда был
и остается для ОСК главным приоритетом, зависимость от иностранных поставок близка к
нулю» [6].
В области гражданского судостроения доля импортного комплектующего оборудования превышает долю отечественного.
По словам генерального директора ОСК Алексея Рахманова, работа по импортозамещению в гражданском секторе ведется в ОСК уже 8 лет и носит комплексный характер.
В проектно-конструкторских бюро компании разрабатываются проекты судов с учетом
возможностей отечественных машиностроительных предприятий, поставляющих двигатели, якорно-швартовное оборудование, рулевые машины и многие другие комплектующие
для разных типов судов. ОСК создает собственные центры компетенций, формирует панели отечественных поставщиков. В мейкерс-лист корпорации включены уже более ста российских компаний. Корпорация поддерживает компании в открытии опытноконструкторских работ по созданию российских аналогов иностранных образцов. Выступая на форуме «Армия-2021» в августе прошлого года, он, в частности, предлагал решить
этот вопрос на государственном уровне: «Эти чемпионы должны ориентироваться на глобальную конкуренцию, доказывая это заходом на новые рынки, проявляя амбициозность,
которой мы были хорошо известны в сороковые-пятидесятые-шестидесятые годы, и формируя новый облик промышленности» [6].
Возрождение отечественного судостроения сегодня происходит в основном благодаря активной роли государства, которое является с одной стороны прямым заказчиком его
продукции, с другой стороны создает благоприятные условия и преференции, стимулирующие как государственные, так и частные компании строить новый флот по отечественным проектам и на российских верфях. Российскому государству в определенной степени
удалось создать и внедрить отдельные достаточно эффективные механизмы, направленные на развитие отечественного судоходного бизнеса и способствующие постепенному
возвращению заказов на российские верфи.
В целях удовлетворения потребности внутреннего рынка до 2035 г. необходимо построить около 250 морских транспортных судов и более 1500 транспортных судов класса
«река-море», 1640 судов рыбопромыслового флота, более 250 судов и единиц морской
техники вспомогательного и технического флотов, 90 научно-исследовательских судов, 24
ледокола, а также около 150 судов и морской техники для освоения шельфовых месторождений [8].
32
На середину 2021 г. в стадии строительства на отечественных и зарубежных верфях
под класс РС находилось 232 судна.
Верфь по своей сути является лишь интегратором решений проектантов и поставщиков, собирая судно из составляющих, определенных проектом и пожеланиями заказчика.
Отечественные верфи никогда не смогут нормально работать, если у них нет серийной загрузки, и отечественные производители компонентов не в состоянии создать более-менее
конкурентное по цене и срокам поставки оборудование без гарантированных крупных серийных заказов. Получается замкнутый круг. Качественное отечественное оборудование
появится ровно тогда, когда будут приняты либо строгие запретительные меры по использованию зарубежной техники, либо стимулирующие меры по поддержке отечественной. К
примеру, все американские суда, работающие в своих территориальных водах, должны
быть построены в Америке и только из американских комплектующих и материалов. Такой пример государственной политики США для нас имеет смысл и перспективы.
Текущая ситуация на рынке отечественного комплектующего оборудования применительно к судам различного типа и назначения отражена на рисунке 19.
Рис. 19. Текущая ситуация на рынке отечественного комплектующего оборудования
Доля стоимости иностранных комплектующих в структуре стоимости судового оборудования составляет для гражданского сектора от 40 до 85% и более.
Особенно важно, чтобы проблема локализации комплектующего судового оборудования касалась наиболее дорогих и сложных объектов, например, элементов судовых
энергетических установок.
33
Типовые структуры энергетических установок кораблей
и судов с электродвижением
Типовые ЭУ кораблей созданы по принципу (рис. 20): ЕЭЭС на базе дизельгенераторов или (и) газотурбогенераторов, ГЭД и полноповоротных ДРК или других
движительных комплексов. Для изменения частоты вращения ГЭД используется частотное регулирование с помощью ПЧ. ПЧ получают питание от генераторных агрегатов (ГА)
через ГРЩ и щиты электродвижения (ЩЭД). Живучесть системы обеспечивается резервированием через перемычки между ЩЭД (ПЩЭД) и ГРЩ (ПГРЩ).
Потребители
ГА1
М
ПЧ1
ГЭД1
ЩЭД1
ГРЩ1
ГА3
ДРК1
ПЩЭД
ПГРЩ
Потребители
М
ГЭД2
ПЧ2
ГА2
ГРЩ2
ЩЭД1
ГА4
ДРК2
Рис. 20. Типовая схема ЭУ надводного корабля
ЭУ судов отличаются от ЭУ кораблей меньшим количеством ГРЩ
(электростанций) (рис. 21), что связано с меньшими требованиями к живучести ЭУ судов.
Потребители
ГА1
М
ГЭД1
ПЧ1
ГА3
ДРК1
ГРЩ1
Потребители
М
ГЭД2
ГА2
ПЧ2
ГА4
ДРК2
Рис. 21. Типовая схема ЭУ судна
34
Электроэнергетическая система атомных ледоколов отечественной постройки, которые в настоящее время находятся в эксплуатации, состоит из гребной электрической установки (ГЭУ) постоянного тока и электроэнергетической системы переменного тока для
питания потребителей собственных нужд. ГЭУ построена по схеме «генератор переменного тока – неуправляемый выпрямитель – ГЭД постоянного тока» (рис. 22). В ГЭУ использован генератор переменного тока с двумя обмотками, сдвинутыми на 27 и повышенной частотой вращения (116,7 Гц). Путь к разделению электрических систем на ГЭУ и
электроэнергетическую систему собственных нужд был одним из немногих, позволяющих
обеспечить электромагнитную совместимость системы.
ГРЩ
F=50Hz
~
Потребители
Р=0,15
ПД
Р=0,15
СГ
~
ПД
В
Вв
=
= ГЭД
Р=0,75
Вв
~
~
~
ПД
Р=0,75
F=117Hz
В
~
~
~
ПД
Рис. 22. Типовая схема ГЭУ переменно-постоянного тока ледокола
В настоящее время атомные ледоколы проектируются с ЕЭЭС. Первыми такими ледоколами отечественной постройки стали ледоколы проекта 22220 (ЛК-60).
35
Гребные электродвигатели СЭД
Конструкция основных типов электрических двигателей, применяемых в СЭД представлена на рис. 23 [15].
Сердечник
ротора
Контактные
кольца
Обмотка
возбуждения
Корпус
Обмотка сатора
Сердечник
статора
Корпус
Обмотка сатора
Сердечник ротора
Сердечник
статора
Вал
Короткозамкнутая
обмотка ротора
Вал
Синхронный двигатель
Асинхронный двигатель
Полюс статора
Обмотка статора
Сердечник
ротора
Корпус
Постоянные магниты
Полюс ротора
СД с постоянными магнитами
Катушка полюса
ВИД конфигурации 12/8
Рис. 23. Конструкция основных типов электрических двигателей
Статор СД состоит из корпуса, сердечника и обмотки, а ротор – из вала и сердечника с обмоткой возбуждения (ОВ) на которую подается постоянное напряжение через контактные кольца.
Обмотка статора создает вращающееся магнитное поле, которое, взаимодействуя с
полем ОВ, создает электромагнитную силу, стремящуюся ориентировать ротор таким образом, чтобы поля полюсов статора и ротора были направлены согласно. Частоты вращения поля статора и ротора равны, поэтому машина называется синхронной.
В СД с постоянными магнитами вместо обмоток ротора на роторе закреплены постоянные магниты.
Статор АД состоит из корпуса, сердечника и обмотки, а ротор – из вала и сердечника
с короткозамкнутой обмоткой.
При включении обмотки статора в сеть трехфазного тока возникает вращающееся
магнитное поле с частотой вращения, которое сцепляется как с обмоткой статора, так и с
36
обмоткой ротора и наводит в них ЭДС. Поскольку обмотка ротора короткозамкнутая,
ЭДС ротора создает в стержнях токи. Взаимодействие этих токов с полем статора создает
электромагнитные силы, которые стремятся повернуть ротор в направлении вращения
магнитного поля. Совокупность этих сил создает электромагнитный момент, приводящий
ротор во вращение.
Расположенные на полюсах статора ВИМ обмотки совмещают в себе функции обмотки возбуждения и обмотки якоря, поэтому характерной особенностью вентильноиндукторного двигателя (ВИД) является питание обмоток однополярными токовыми импульсами [16].
37
Типовая схема ПЧ современных СЭД
Для построения ПЧ в качестве основной топологии многоуровневых инверторов
можно принять топологию трехуровневого инвертора с фиксирующими диодами по следующим причинам:
- простота и надежность схемы;
- получение максимальной единичной мощности инвертора.
Схема трехуровневого трехфазного инвертора напряжения показана на рисунке
24. Здесь каждое плечо классического трехфазного инвертора состоит из двух последовательно включенных полностью управляемых вентилей, шунтированных обратными диодами. Дополнительные диоды D1-D6 соединяют нулевую точку источника входного
напряжения со средними точками плеч инвертора, образованную последовательно соединенными вентилями. В качестве полностью управляемых вентилей в мощных инверторах использованы IGBT-транзисторы.
Рис. 24. Схема трехуровневого инвертора
Трехуровневый инвертор позволяет получить 3 уровня напряжения (рис. 25). Увеличение количества уровней входного напряжения по сравнению с двухуровневым инвертором позволяет улучшить форму выходного напряжения инвертора и приводит к появлению в математической модели инвертора нескольких возможных уровней обобщенного
вектора напряжения. Технически это решается добавлением к ШИМ методу формирования кривой напряжения метода амплитудной модуляции.
Таким образом, трехуровневый инвертор, имея в три раза большее (восемнадцать)
число возможных положений обобщенного вектора напряжения, чем двухуровневый инвертор, позволяет более качественно формировать кривую напряжения на нагрузке за
счет использования еще и амплитудной модуляции обобщенного вектора выходного
напряжения.
38
Рис. 25. Линейное напряжение и ток фазы трехуровневого инвертора
39
Развитие силовой электроники
Полупроводниковый ключ для коммутации мощных нагрузок можно считать идеальным, если он имеет [17]:
− большой допустимый ток (действующий, средний, ударный);
− высокое допустимое напряжение (длительное, импульсное повторяемое, импульсное неповторяемое перенапряжения);
− способность к быстрому переключению;
− малые потери (статические в открытом состоянии и динамические в процессе переключения);
− высокую частоту переключений как следствие двух предыдущих условий;
− высокую надежность;
− компактную конструкцию.
Широкое внедрение в промышленности и на судах частотно-регулируемого электропривода стало перспективным в связи с революционным развитием силовой техники,
начавшимся в 80-е годы прошлого века с появлением технологии мощных полевых транзисторов MOSFET, биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT, тиристоров с управляемым затвором GTO и полностью управляемых IGCT-тиристоров [17-18].
Однооперационные тиристоры (Silicon Controlled Rectifier, SCR) открывают, подавая
к управляющему электроду короткий импульс тока управления. Закрываются они в результате изменения полярности ЭДС источника питания (в преобразователях с естественной коммутацией) или с помощью специальных устройств искусственной коммутации,
где ток разряда коммутирующего конденсатора направляют навстречу току тиристора,
чтобы снизить его до уровня тока удержания [17].
Биполярные транзисторы (Bipolar Power Transistor, BPT) – полностью управляемые
приборы. Они более быстродействующие, но менее мощные, менее стойкие к перегрузкам, не способны выдержать значительное обратное напряжение, имеют меньшую критическую скорость роста тока.
Силовые полевые транзисторы, или транзисторы, управляемые полем, реализованы
по технологии «металл-окисел-полупроводник» (МОП, Metal Oxide Semiconductor Field
Effect Transistor, MOSFET). В отличие от биполярных, которые управляются импульсом
тока, полевые управляются напряжением. Их номинальные напряжение и ток сравнительно невелики (до 100 А и 1000 В). Потому сфера их применения ограничена низковольтными устройствами малой мощности.
Биполярный транзистор с изолированным затвором IGBT (Insulated Gate Bipolar
Transistors) – полностью управляемый полупроводниковый прибор, в основе которого
трехслойная структура. Его включение и выключение осуществляются подачей и снятием
положительного напряжения между затвором и истоком.
IGBT являются продуктом развития технологии силовых транзисторов со структурой
металл-оксид-полупроводник, управляемых электрическим полем (MOSFET–Metal-OxidSemiconductor–Field–Effect–Transistor) и сочетают в себе два транзистора в одной полупроводниковой структуре: биполярный (образующий силовой канал) и полевой (образующий канал управления). Они совмещают в себе преимущества обоих типов приборов и
имеют большее быстродействие и меньшую мощность управления, чем тиристоры и биполярные транзисторы, большие номинальные ток и напряжение, чем биполярные и поле40
вые транзисторы, большую перегрузочную способность при коротких замыканиях (до шестикратной) сравнительно с биполярными транзисторами. Для них характерна большая
стойкость к производной напряжения dU/dt и меньшая склонность к самопроизвольному
открытию сравнительно с другими полупроводниковыми ключами.
Двухоперационные тиристоры (ДТ), или запираемые тиристоры, (Gate Turn-off
Thyristor, GTO-тиристоры), отличаются от однооперационных тем, что способны выключаться с помощью управляющего электрода (то есть они – полностью управляемые ключи). Открываются они, как и обычные тиристоры, с помощью положительного потенциала
на управляющем электроде, а закрываются отрицательным потенциалом.
Тиристор, в котором во время выключения весь анодный ток переходит в цепь
управляющего электрода (затвора) получил название тиристора, коммутируемого через
затвор (Gate Commutated Thyristor, GCT).
С помощью подобных тиристоров можно реализовать преобразователи мощностью
до 100 МВА для электроприводов, энергетики, транспорта.
Сочетание GCT с формирователем импульсов управления (драйвером) образует интегрированный GCT-тиристор (Integrated Gate Commutated Thyristor, IGCT), использование которого позволяет значительно упростить конструкцию преобразователя.
Диапазоны применений силовых компонентов преобразователей частоты представлены на рис. 26.
Как видно из диаграммы использование тиристоров ограничено низкими частотами
и высокими мощностями, а транзисторов типа MOSFET – низкими мощностями высокими
частотами. Транзисторы IGBT и IGCT-тиристоры занимают промежуточное положение в
этом ряду, а их допустимые мощности соответствуют большинству используемых в
настоящее время корабельных ЭП. Диапазон частот для транзисторов IGBT выше, а диапазон мощности меньше, чем для IGCT-тиристоров. На рисунке также показаны возможные диапазоны для биполярных транзисторов (ВРТ).
Мощность, МВт
1000
10
0,1
0,001
0,1
а
от
ст
Ча
1
м
ко
10
м
Гц
,к
ии
ац
ут
100
1000
FET
MO S
BPT
G TO
IGCT
IGBT
SCR
Рис. 26. Диапазоны применений силовых компонентов
41
Сравнительный анализ электроэнергетических систем и систем электродвижения
отечественных и зарубежных производителей
Электроэнергетические системы современных судов с электродвижением строятся
как ЕЭЭС, обеспечивающие питанием и СЭД, и многочисленные общесудовые потребители. От структуры и параметров ЕЭЭС зависят стоимость проектирования и постройки судов, работоспособность электрооборудования и систем автоматики, коммерческие показатели судов при эксплуатации, в том числе расход топлива, безопасность плавания судна и
условия работы экипажа, функциональные качества судов и боевые качества кораблей
ВМФ [7].
Анализ СЭД отечественных и зарубежных производителей показывает, что выбираются структуры по принципу обеспечения качества электроэнергии на стороне источников электроэнергии, которое достигается применением 12- и 24-пульсных схем преобразования, а также активных выпрямителей. При этом применяются напряжения электростанции – 400 В, 690 В при мощности ГЭД до 5 МВт и 6,3 кВ и более при мощности ГЭД
более 5 МВт.
Наибольших успехов на мировом рынке СЭД добились компании ABB и Rolls−Royce
(RR), Siemens. АВВ длительное время разрабатывают пропульсивные системы Azipod с
диапазоном мощностей 5–30 МВт и системы Compact для мощностей 0,4−5 МВт. RR и
Converteam – аналогичные системы типа Mermaid, мощностью 5–25 МВт [7].
Следует отметить компанию Schottel, имеющую опыт разработки пропульсивных
систем большой мощности SEP (Schottel Electric Propulsion) и SSP (Siemens Schottel
Propulsion).
Сравнение разработок СЭД ведущих производителей мира представлено
в таблице 3.
Из проведенного анализа следует, что общей тенденцией разработок СЭД больших
мощностей является переход на высокое напряжение, использование в качестве преобразователя частоты (ПЧ) автономного инвертора напряжения (АИН) с широтно-импульсной
модуляцией (ШИМ).
При разработке ПЧ предпочтения отдаются в пользу IGBT–транзисторов, позволяющих реализовать высокие частоты широтно-импульсной модуляции (ШИМ), что важно
для улучшения кривой тока двигателя, а, следовательно, для снижения потерь и улучшения акустических и вибрационных характеристик ГЭД.
Выбор между СД, СД с ПМ и АД связан главным образом с накопленным компаниями опытом производства.
42
Таблица 3. Сравнение СЭД ведущих производителей мира
Производитель
Параметры
СЭД
ABB
RR−
Convertea
m
Convertea
m
Schottel−
Siemens
Schottel
ЦНИИ
СЭТ
Azipod
Compact
Mermaid
Convertea
m
SSP
SEP
СЭД
5−30
0,4−5
5−25
5−25
>5
>5
до 60
6,3
0,69−6,3
6,3
≥6,3
6,3
6,3
0,4-10,5
Тип ГЭД−ПЧ
СД
(СДПМ)
−АИН
СД
(СДПМ)
−АИН
СДПМ−А
ИН
АД−АИН
СДПМ−
АИН
АД−ПЧН
АД−АИН
Силовые полупроводники
IGCT,
IGBT
IGCT,
IGBT
IGCT,
IGBT
IGCT,
IGBT
IGBT
IGСT
IGBT
Марка
Мощность,
МВт
Напряжение
ГРЩ, кВ
43
Примеры СЭД большой мощности
В области надводного кораблестроения наиболее интенсивные работы по созданию
корабельных ЕЭЭС проводятся в США, Великобритании и Франции.
Технологии и конструктивно-схемные решения разрабатываются в рамках программ
«Комплексные энергетические системы» (Integrated Power System, IPS) и «Полное электродвижение» (Full Electric Propulsion, FEP) и находят широкое применение в кораблестроении и вооружении этих стран.
Так в феврале 2006 года во Франции вошел в строй первый большой полностью дизель-электрический транспортно-десантный корабль «Мистраль».
В военно-морских силах США планируют оснастить системами электродвижения
224 надводных корабля, в том числе 120 боевых и 104 корабля вспомогательного флота.
В настоящее время корабельная энергетика в ведущих западных странах переживает
переломный момент. Наиболее перспективным путем ее развития зарубежные специалисты считают переход на электродвижение.
В США, Великобритании, Франции, Нидерландах и Германии ведутся работы по созданию перспективной электроэнергетической системы корабля (ЭСК), в которой будет
реализован принцип «полного электродвижения». Применение этого принципа позволяет
исключить из состава ГЭУ (или сократить до минимума) редукторные передачи и протяженные линии вала, являющиеся неотъемлемой частью комбинированных установок различного типа.
ЕЭЭС эскадренного миноносца (ЭМ УРО) типа Daring (проект 45).
Эскадренный миноносец (ЭМ УРО) типа Daring (рис. 27) оснащен корабельной
энергетической установкой (КЭУ) нового поколения – ЕЭЭС, разработанной в рамках
программы «Объединенная система полного электродвижения» (IFEP - Integrated Full
Electric Propulsion). Она предусматривает глубокую интеграцию составных частей корабельной энергетической установки (ГЭУ и ЭЭС) в единую систему с централизованным
управлением и контролем (рис. 28). Воплощение в концепции новых технологий и конструктивно-схемных решений позволяет полностью исключить пневматические, паровые
и гидравлические приводы главных и вспомогательных механизмов и систем корабельной
энергетической установки и заменить их электроприводами [7].
Реализован принцип так называемого полностью электрического корабля (Full
Electric Ship). Результатом осуществления этого замысла стала зональная электроэнергетическая система корабля, которая вырабатывает электроэнергию и распределяет ее как на
корабельные системы и механизмы, так и на гребные электродвигатели, обеспечивающие
ход кораблю.
44
Рис. 27. Эсминец типа 45 Daring
1
2
1
2
4160 В, 60 Гц
3
4
5
7
6
8
7
6
440 В, 60 Гц
9
10
11
12
~
~
~
12
~
~
11
~
~
~
~
~
~
13
13
14
14
~
1– ГТГ WR-21; 2 ~ ДГ «Вяртсиля 200»; 3 – ГРЩ высокого напряжения левого борта; 4 – ГРЩ высокого
напряжения правого борта; 5 – перемычка высокого напряжения левого и правого бортов; 6 – фильтр гармоник высокого напряжения; 7 – преобразователи напряжения левого и правого бортов; 8 – распределительный щит низкого напряжения левого борта; 9 – распределительный щит низкого напряжения правого борта;
10 – перемычка низкого напряжения левого и правого бортов; 11 – фильтр гармоник низкого напряжения; 12
– модуль преобразования частоты VDM25000; 13 – 15-фазный асинхронный гребной электродвигатель; 14 –
винт фиксированного шага
Рис. 28. Однолинейная схема соединений ЕЭЭС ЭМ УРО типа Daring
В качестве основных источников электроэнергии на ЭМ УРО типа Daring используются два ГТГ переменного тока мощностью по 21 МВт. Приводом генератора служит ГТД
WR-21 компании «Rolls-Royce-Northrop Grumman» максимальной мощностью по 24680
кВт. Основным отличаем WR-21 от авиационного прототипа является включение в схему
45
рекуператора, который помимо повышения КПД установки (за счет подогрева поступающего в камеру сгорания воздуха) обеспечивает снижение температуры выхлопных газов и
в результате теплового поля корабля.
Резервными источниками тока являются два ДГ мощностью по 2,2 МВт. Приводом
генератора служит ДД Wartsila. Генераторы электроэнергии как для ГТГ, так и для ДГ
произведены компанией Converteam. Все четыре источника электроэнергии могут быть
включены в любой комбинации в зависимости от фактической нагрузки на ЕЭЭС.
В состав ЕЭЭС эсминца входят два 15-фазных асинхронных ГЭД переменного тока
(произведены той же компанией) мощностью по 20 МВт. Для обеспечения заданной скорости хода корабля на всех режимах установлен трехканальный силовой преобразователь
с динамическим торможением (инвертор) переменного тока и широтно-импульсной модуляцией на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором (по три канала на
ГЭД, пять фаз на каждый канал) марки VDM25000.
Главная энергетическая установка ЭМ УРО типа Daring размещается в двух машинных отделениях и двух отделениях вспомогательных механизмов: в первых – по одному
ГТГ и ГЭД, во вторых – по одному ДГ. Общая мощность такой энергетической установки,
составляющая 46,4 МВт, обеспечивает кораблю скорость полного хода 29 уз.
По оценке зарубежных специалистов, высокий уровень автоматизации процессов
управления кораблем и оружием позволил сократить численность экипажа с первоначально запланированных 270 человек до 187 (без увеличения рабочих нагрузок на личный состав).
Система электродвижения газовозов типа «Кристоф де Маржери»
Газовозы типа «Кристоф де Маржери» предназначены для вывоза сжижженного
природного газа из порта Сабетта в рамках проекта «Ямал-СПГ». Суммарная мощность
системы электродвижения каждого судна составляет 45 МВт – три вала по 15 МВт [19].
В качестве пропульсивных устройств используются три электрические движительнорулевые колонки (ЭДРК), содержащие ГЭД синхронного типа в гондоле, которая вынесена за пределы корпуса судна (рис. 29).
ЭДРК имеют возможность вращаться вокруг своей оси на 360 градусов. Два из них
установлены в корме (ЭДРК1 и ЭДРК3), один в носу (ЭДРК2). В том числе благодаря такому размещению судно реализует технологию «движение кормой вперед». Судно имеет
ледовый класс Arc7 и в некоторых случаях способно перемещаться во льдах без сопровождения ледоколов.
46
Рис. 29. Структура системы электродвижения газовоза типа «Кристоф де Маржери»
В качестве источников электроэнергии выступают двухтопливные главные дизельгенераторы фирмы «Вяртсиля» семейства 50DF, при этом основным топливом выступает
перевозимый сжиженный природный газ, в том числе отпарные газы, резервным топливом
– дизельное топливо.
Установлены две высоковольтные электростанции напряжением 6,6 кВ частотой 60
Гц. К главным распределительным устройствам (ГРУ1 и ГРУ2) подключаются по три
двухтопливных главных генератора: по одному генератору типа 9L50DF мощностью по
8450 кВт (ГДГ1 и ГДГ6), по два генератора типа 12V50DF мощностью по 11250 кВт
(ГДГ2 и ГДГ3, ГДГ4 и ГДГ5). Частота вращения дизельных двигателей составляет
514 об/мин. Для питания главных распределительных щитов низкого напряжения установлены два понижающих трансформатора.
Главные распределительные устройства питают системы электродвижения каждого
из гребных валов, которые имеют мощность по 15 МВт и имеют идентичный состав электрооборудования. ГЭД синхронные с электромагнитным возбуждением, установлены
внутри корпуса ЭДРК и имеют две статорные обмотки напряжением 2,95 кВ.
Питание обеих обмоток ГЭД обеспечивается одним из преобразователей частоты.
Питание каждого преобразователя осуществляется парой понижающих согласующих
трехобмоточных трансформаторов (Т1-Т8) с напряжением 6,6 кВ на первичной обмотке,
1,7 кВ на двух вторичных обмотках, полной мощностью, равной 11500 кВА. Напряжение
с понижающих трансформаторов подается на неуправляемые диодные выпрямители, которые работают на общее звено постоянного тока. Напряжение общего звена постоянного
тока преобразуется четырьмя автономными IGCT инверторами напряжения. Выходы инверторов соединены попарно и подключены на обмотки ГЭД.
47
Обе обмотки ГЭД кормовых ЭДРК1 и ЭДРК3 подключаются к ГРУ1 и ГРУ2 соответственно. У носового ЭДРК2 одна обмотка ГЭД подключается к ГРУ1, а другая – к
ГРУ2. Обмотки возбуждения ГЭД получают питание от выпрямителей, встроенных в состав преобразователей. Причем обмотка возбуждения носового ЭДРК может получать питание либо от ГРУ1, либо от ГРУ2.
В качестве первичных источников электроэнергии приняты двухтопливные ГДГ с
возможностью использования в качестве топлива сжиженного природного газа, непосредственно перевозимого судном. При работе на данном виде топлива ГДГ не способны
обеспечивать быстрое сокращение выдаваемой мощности в сеть. Если нагрузка сократиться быстрее предельных возможностей ГДГ, то произойдет аварийная ситуация. Поэтому при быстром сокращении нагрузки на электростанции, например, при торможении
ЭДРК, необходимо поддерживать нагрузку на ГДГ, равной предварительно установленной.
Системы электродвижения круизных судов
У современных больших круизных судов, как правило, в качестве главных пропульсивных устройств принимаются ЭДРК. Вынос ГЭД за пределы корпуса судна улучшает
виброшумовые характеристики, а возможность вращения корпуса гондолы ЭДРК на 360
градусов улучшает маневренность судна. Данные качества особенно важны для круизных
судов. Помимо ЭДРК с целью повышения маневренности устанавливаются три или четыре подруливающие устройства с мощностями по несколько мегаватт.
Среди круизных судов с системой полного электродвижения следует отметить судно
типа «Куин Мэри 2», суммарная мощность на гребных валах которого составляет 86 МВт.
Структура СЭД одного гребного вала приведена на рис. 30.
В качестве движителей приняты четыре ЭДРК производства компании «Альстом»
(позднее «Конвертим» и «Дженерал Электрик Пауэр Конвершен») мощностью по
21,5 МВт. Также установлены три подруливающих устройства мощностью по 3,2 МВт.
Судовая электростанция состоит из двух ГРУ: кормовой и носовой. В корме установлено
два ГТГ фирмы «Дженерал Электрик» типа LM2500+ мощностью по 25,0 МВт. В носу
установлено четыре ГДГ фирмы «Вяртсиля» типа 16V46CR мощностью по 16,8 МВт с частотой вращения 514 об/мин. Напряжение электростанции составляет 11 кВ, суммарная
полная мощность составляет 135 МВА, активная - 117,2 МВт.
Внутри каждого из четырех ЭДРК установлен синхронный ГЭД с независимым возбуждением, работающий на гребной винт. Номинальная мощность ГЭД составляет 21500
кВт, частота вращения - от 0 до 137 об/мин. ГЭД имеет две статорные обмотки, каждая из
которых получает питание от независимого силового канала. Каждый из силовых каналов
подключается к ГРУ через силовой согласующий трехобмоточный трансформатор мощностью 13700 кВА. Напряжение первичной обмотки составляет 11000 В, двух вторичных
– по 1510 В. Вторичные обмотки сдвинуты друг относительно друга на 30 эл. град. и питают два мостовых управляемых тиристорных выпрямителя. Выпрямители соединяются
последовательно, обеспечивая двенадцатипульсное выпрямление напряжения в звене постоянного тока.
Для работы автономного инвертора тока в звене постоянного тока установлена индуктивность с величиной 5,5 мГн и номинальным током 3213 А. Инвертор тока тиристорный и питает отдельную статорную обмотку ГЭД. Величина выходного напряжения ПЧ
48
составляет от 0 до 2830 В, тока – от 0 до 2630 А, частоты – от 0 до 15,8 Гц. Для компенсации искажений в судовой сети к каждому из ГРУ подключаются фильтры гармоник.
Шины ГРУ
11000 В
60 Гц
Шины ГРУ
11000 В
60 Гц
I = 720 А
ТР1
S = 13700 кВА
U = 11000 /2 х 1510 В
I = 720 А
Управляемый
двенадцатипульсный
тиристорный
выпрямитель
ТР2
S = 13700 кВА
U = 11000 /2 х 1510 В
Управляемый
двенадцатипульсный
тиристорный
выпрямитель
L = 5,5 мГн
Idn = 3213 А
L = 5,5 мГн
Idn = 3213 А
Автономный
тиристорный
инвертор тока
Автономный
тиристорный
инвертор тока
U от 0 до 2830 В
I от 0 до 2630 А
f от 0 до 15,8 Гц
к выпрямителю
обмотки
возбуждения
M
ЭДРК
Синхронный электродвигатель
P = 21500 кВт
n от 0 до 137 об/мин
Рис. 30. Структура системы электродвижения одного гребного вала круизного судна
типа «Куин Мэри 2»
Судно «Куин Мэри 2» было введено в эксплуатацию в 2004 году. Среди более современных типов круизных судов большого водоизмещения можно выделить следующие:
«Оазис», «Фридом» и «Квантум». Поставщиком систем электродвижения для данных типов выступила фирма «АВВ».
В серии «Оазис» построено четыре судна. Суммарная мощность на гребных валах
составляет 60 МВт. В качестве движителей приняты три ЭДРК мощностью по 20 МВт.
Также установлены четыре подруливающих устройства мощностью по 5,5 МВт. Основными источниками электроэнергии являются три ГДГ фирмы «Вяртсиля» типа 16V46D
мощностью по 18,48 МВт и три ГДГ типа 12V46D мощностью по 13,86 МВт.
В серии «Фридом» построено три судна. Суммарная мощность на гребных валах составляет 42 МВт. Установлены три ЭДРК мощностью по 14,0 МВт: две поворотные и одна
зафиксированная. Также установлено четыре подруливающих устройства. В качестве ос49
новных источников электроэнергии выступают шесть ГДГ фирмы «Вяртсиля» типа 12V46
мощностью по 12,6 МВт с частотой вращения 514 об/мин.
В серии «Квантум» также построено три судна. Суммарная мощность на гребных
валах составляет 41 МВт. Установлены два ЭДРК мощностью по 20,5 МВт. Установлены
четыре подруливающих устройства мощностью по 3,5 МВт. Основными источниками
электроэнергии являются два ГДГ фирмы «Вяртсиля» типа 16V46F мощностью по 19,2
МВт и два ГДГ типа 12V46F мощностью по 14,4 МВт.
На данных типах судов в качестве основных источников электроэнергии применяются мощные низкообортные ГДГ. Количество устанавливаемых типов первичных источников – не более двух. Соотношение мощностей у типов ГДГ составляет порядка четырех
к трем, что связано, по всей видимости, с режимами работы судна.
Ледокол лидер проекта 10510
Ледокол проекта 10510 (рис. 31) предназначен для ледокольной проводки судов на
мелководных участках Арктического шельфа, обеспечения ледовой безопасности и помощи в снабжении буровых платформ, выполнения спасательных работ в ледовых условиях и на чистой воде и дополнительных задач в зависимости от выбранной комплектации
специального оборудования.
Суммарная мощность на четырех гребных винтах ледокола составляет 120 МВт
(распределение мощности на гребных валах 1:1:1:1).
Упрощенная схема силовой части ЕЭЭС ледокола лидера имеет вид, приведенный на
рисунке 32.
Рис. 31. Ледокол лидер проекта 10510
Рис. 32. Упрощенная схема силовой части ЕЭЭС ледокола проекта 10510
Функционально СЭД ледокола представляет собой совокупность четырех идентичных ЭП гребных винтов, при разработке которых в максимальной степени использовались
технические решения, принятые в ходе создания СЭД для ледоколов пр. 22220. Однако
двойное увеличение мощности СЭД обусловило их значительную корректировку. В частности, асинхронные электрические машины АЭМ1-АЭМ8, входящие в состав электрома50
шинных агрегатов ГЭД, имеют по три трехфазных обмотки, уложенных на статоре. Увеличение числа обмоток обусловило и увеличение числа преобразовательных каналов в силовых частях ПЧ, от которых получают питание ГЭД (схемы самих преобразовательных
каналов остались практически неизмененными). В целях обеспечения электромагнитной
совместимости СЭД с судовой сетью было принято решение об использовании трехобмоточных сетевых трансформаторов (T1-T24) с различными соединениями фазных обмоток.
Вторичные обмотки трансформаторов соединены одна в «звезду», а другая в «треугольник». Первичные обмотки также соединены по-разному (у одного трансформатора первичная обмотка соединена в «звезду», а у двух других – в «зигзаг»). Такое техническое
решение позволяет исключить в спектре тока, потребляемого ЭП СЭД гармоники низкого
порядка (вплоть до 35-й), что снижает величину коэффициента искажения синусоидальности напряжения судовой сети до требуемого значения. Функционально ЭП гребных
винтов для СЭД ледокола проекта 10510 синтезированы как частотно-регулируемые с алгоритмом векторного управления.
Применение в ЕЭЭС системы распределения электроэнергии на постоянном токе
Для судов с мощностью на валу до 12 МВт перспективным принципом построения
ЕЭЭС является распределение электроэнергии на постоянном токе.
Примером может служить ЕЭЭС портового ледокола «Обь» проекта Aker ARC124
(рис. 33).
Электроэнергетическая система построена на основе системы распределения электроэнергии от генераторных установок ГДГ и выпрямителей через бортовую сеть постоянного тока (Onboard DC Grid) (рис. 34). Это позволяет работать дизельным двигателям с
переменной скоростью и экономить топливо при любой нагрузке. Управление скоростью
ГДГ осуществляется системой управления судовой электростанцией (Power and Energy
Management System). Постоянный ток преобразуется инверторами в частотных преобразователях для питания пропульсивных установок и трансформаторов собственных нужд.
Трансформаторы собственных нужд подключаются к ГРЩ 400/230 В, откуда получают питание судовые потребители 400/230 В.
Для питания при обесточивании аварийного освещения предназначен ИБП 866UPS1
(60 кВА), для питания радионавигационного оборудования предназначен ИБП
866NAVUPS (10 кВА).
Рис. 33. Портовый ледокол «Обь» проекта Aker ARC124
51
Рис. 34. ЕЭЭС портового ледокола «Обь» проекта Aker ARC124
52
Системы электродвижения с вентильно-индукторным гребным электроприводом
Одним из относительно новых типов электрических машин является вентильноиндукторный двигатель (ВИД). ВИД представляет собой работающий в режиме постоянного вращения шаговый двигатель. По этой причине его относят к классу синхронных реактивных машин. В состав электропривода на базе ВИД входят индукторная машина
(ИМ), преобразователь частоты (коммутатор), система управления и датчик положения
ротора (ДПР). Преобразователь частоты обеспечивает питание фаз ИМ однополярными
импульсами напряжения прямоугольной формы, ИМ осуществляет электромеханическое
преобразование энергии, система управления в соответствии с заложенным в нее алгоритмом и сигналами обратной связи, поступающими от датчика положения ротора, управляет
данным процессом. Для примера, приведено поперечное сечение 4х-фазной ИМ конфигурации 8/6 на рисунке 35. При обозначении конфигурации ИМ первая цифра указывает
число полюсов статора, вторая – ротора.
Рис. 35. Поперечное сечение четырехфазной ИМ конфигурации 8/6
Среди отличительных особенностей вентильно-индукторного электродвигателя от
традиционных типов электродвигателей можно выделить:
- различное число зубцов статора и ротора;
- реактивный характер электромагнитного момента;
- практическое отсутствие магнитной взаимосвязи между фазными катушками, их
независимость и дискретность работы;
- наличие в зонах перекрытия зубцов сильного насыщения ферромагнитного материала, что обеспечивает высокую степень электромеханического преобразования энергии,
но приводит к существенной нелинейности магнитных характеристик.
Структура микропроцессорной системы управления индукторным двигателем с самовозбуждением в упрощенном виде показана на рис. 36, где ИН – инвертор напряжения,
ИД – индукторный двигатель, ДПР – датчик положения ротора, МБУ – микропроцессорный блок управления.
Различают два основных режима питания и управления ИД: одноимпульсный, как
основной режим работы, и режим токоограничения, используемый при пуске и разгоне
двигателя, а также при кратковременной работе на малых частотах вращения.
53
МБУ
ДПР
ИН
ИД
Рис. 36. Блок-схема системы питания и управления ВИД
Гребной вентильно-индукторный электропривод 2 МВт
Первый судовой ГЭД типа ИД-2000 (рис. 37) установлен на морском буксире «Виктор
Конецкий» проекта 745.1 (рис. 38). Основные параметры ИД-2000 приведены в таблице 4
[7, 20, 21].
Рис. 37. ВИД типа ИД-2000
Рис. 38. Морской буксир «Виктор Конецкий»
54
Таблица 4. Основные параметры ИД-2000
Наименование параметров
Номинальная мощность
Номинальное напряжение
Номинальный выходной фазный ток
Номинальная частота питания обмоток двигателя
Номинальная частота вращения двигателя
Число фаз
Конфигурация зубцов ротор/статор
Коэффициент полезного действия
Единицы
измерения
кВт
В
А
Гц
об/мин
шт.
%
Значение
2000
900
1065
53,3
200±10
6
16/24
не менее 97
Статор ВИД ИД-2000 состоит из двух пакетов. На каждом пакете статора расположены 24 катушки, которые распределены на шесть фаз (рис. 39). Электрическая схема
привода на основе ИД-2000 представлена на рис. 40.
Рис. 39. Схема соединений фазных обмоток пакетов статора ИД-2000
55
А
А
А
У
TV 1
А
А
А
R1
А
А
А
А
А
А
А
А
А
А
А
А
А
А
А
У
TV 2
А
А
А
R2
Рис. 40. Электрическая схема привода на основе ИД-2000
Для питания ВИД выбрана наиболее часто используемая схема полумостового инвертора напряжения. Инвертор напряжения (ИН) состоит из n включенных параллельно
фазных полумостов (фазных модулей). Каждый полумост содержит два несимметричных
плеча, состоящих из управляемого силового ключа – IGBT-транзистора и обратного диода, соединенных последовательно (рис. 41).
Рис. 41. Электрическая схема фазы полумостового инвертора напряжения
К точке вывода соединения транзистора и диода подключен один из выводов фазной
обмотки ВИД (выводы С и D). В первом плече «верхний» ключ VT1 соединяет вывод
фазной обмотки с положительным полюсом звена постоянного тока (ЗПТ) (вывод А), а
«нижний» обратный диод VD1 – с отрицательным (вывод В). Второе плечо содержит, соответственно, «нижний» ключ VT2 и «верхний» обратный диод VD2.
При открытии обоих ключей фазы ИН к фазной обмотке ВИД прикладывается положительное напряжение, под действием которого в ней нарастает ток (рис. 42, а). После
56
закрытия одного из ключей открывается обратный диод этого же плеча, при этом обмотка
оказывается закороченной, и ток в обмотке определяется энергией свободного контура (в
двигательном режиме спадает) (рис. 42, б). После закрытия обоих ключей через обратные
диоды к обмотке прикладывается напряжение звена постоянного тока, но с обратной полярностью, под действием которого ток в обмотке спадает до нуля (рис. 42, в). После этого обратные диоды закрываются, отрицательное напряжение с обмотки снимается, и ток
не принимает отрицательных значений.
Рис. 42. Контуры протекания тока в цепях полумостового инвертора напряжения
Последовательность импульсов в алгоритме управления ключами фазного модуля и
осциллограмма тока фазы ВИГЭП с ИД-2000 представлены на рисунке 43. Зеленым цветом изображены импульсы управления: во время первого импульса – работают два ключа, второго импульса – один ключ, третьего импульса – все ключи закрыты. Голубым цветом изображен протекающей в фазной обмотке ток.
Рис. 43. Осциллограмма управления ключами фазного модуля
На рисунке 33 показаны осциллограммы токов фаз, зафиксированные при работе
ВИД-2000 на частоте вращения 200 об/мин.
57
Рис. 44. Осциллограммы токов фаз при работе ВИД 2 МВт (200 об/мин)
Таким образом, в полумостовом инверторе имеется возможность управляемой подачи на каждую фазную обмотку импульсов напряжения положительной полярности. В то
же время условием подачи на обмотку отрицательного напряжения является открытое состояние обратных диодов, что возможно лишь в случае протекания в обмотке тока в положительном направлении. Следовательно, в полумостовой схеме невозможно вызвать
протекание в обмотке отрицательного тока.
Данная схема имеет следующие преимущества:
- эффективное поддержание и регулирование заданной формы фазных токов в рабочем диапазоне скоростей и нагрузок двигателя;
- уменьшение всех видов потерь в процессе регулирования и стабилизации токов;
- рациональное использование полупроводниковых элементов по предельным токам
и напряжениям для снижения установленной мощности инвертора по отношению к номинальной мощности двигателя;
- повышение надежности работы инвертора без дополнительных средств защиты за
счет исключения состояний инвертора при коммутации, которые могут приводить к авариям.
Гребной вентильно-индукторный электропривод 30 МВт
Филиалом «ЦНИИ СЭТ» ФГУП «Крыловский государственный научный центр»
разработан модуль одновального гребного электропривода с ВИД мощностью 30 МВт.
Структурная схема модуля одновального гребного электропривода с ВИД мощностью 30
МВт представлена на рис. 45. Гребной электропривод состоит из двух ВИД (рис. 46) по
15 МВт каждый (М1, М2), соединенных в тандем. ВИД получают питание от ПЧ1 и ПЧ2.
Электроэнергия на ПЧ поступает от ГРУ через силовые трансформаторы TV1-TV4. Перед
подключением трансформаторов к ГРУ для снижения токов включения их предварительно намагничивают и одновременно заряжают конденсаторы ПЧ с помощью устройств
мягкого пуска УМП1, УМП2. При торможении ГЭД рекуперативная энергия сбрасывается
на блоки тормозных резисторов БТР1, БТР2.
Многофазный вентильно-индукторный электродвигатель мощностью 15 МВт для
модуля одновального гребного электропривода разработало ООО «Научнопроизводственное предприятие «Машины индукторные реактивные», г. Новочеркасск.
Двигатель изготовлен в ООО «Электротяжмаш-Привод», г. Лысьва.
Основные технические характеристики ВИД мощностью 15 МВт приведены в таблице 5.
58
В таблице 6 приведены параметры ВИД мощностью 15 МВт в основных режимах
работы судна ледового плавания, а на рис. 47 изображены винтовые характеристики судна
ледового плавания и механическая характеристика ГЭД на основе ВИД 15МВт.
Напряжение
10,5 кВ, 50 Гц
Напряжение
10,5 кВ, 50 Гц
Секция 1
QV1
QTV1
Секция 2
QS2
QS1
QTV2
QTV3
QV2
QTV4
ЩА УМП
ЩА УМП
УМП1
УМП2
БСП1
TV1
Система СУ ЭЭС
БСП2
КМ1
КМ1
КМ2
КМ2
TV3
TV2
TV4
Система СУ СЭД
БТР1
ТР 1
ПЧ 2
ПЧ 1
СМ1
СМ1
СМ2
СМ2
ТР 2
БТР2
ТР 1
ТР 2
5 фаз
5 фаз
ДПР ГЭД
ДЧВ
5 фаз
5 фаз
М1
М2
2х15 МВт
160 об/мин
Рис. 45. Структурная схема модуля одновального гребного электропривода с ВИД
мощностью 30 МВт
59
Рис. 46. Многофазный индукторный электродвигатель мощностью 15000 кВт ИГЭД15000-10-107 ОМ5
Таблица 5. Основные параметры ВИД мощностью 15 МВт
60
Таблица 6. Параметры ВИД мощностью 15 МВт в основных режимах работы судна ледового плавания
Десятифазный индукторный ГЭД (ИГЭД-15000-10-107 ОМ5) обеспечивает следующие перегрузки по вращающему моменту:
– при фрезеровании льда гребным винтом в диапазоне частот вращения (0,4-0,6)n
ном - 1,5-1,6Mном в течение 20-30 с, расчетное число таких интервалов не более 15, равномерно распределенных в течение часа;
– должна быть обеспечена стоянка ГЭД под током при заклинивании винта в течение 10 с, при этом должен развиваться момент 1,7-1,8Mном.
Рис. 47. Винтовые характеристики судна ледового плавания и механическая
характеристика ГЭД на основе ВИД 15МВт
ВИД конструктивно состоит из двух пакетов статора и ротора. На статоре каждого
пакета 40 зубцов, на роторе – 32. На каждом зубце статора смонтирована катушка. Фазные
обмотки ВИД 15 МВт соединены в группы, как показано на рисунке 48. Катушки распределены на пять фаз, в каждой фазе по четыре независимых ветви. Катушки, размещенные
на диаметрально противоположных зубцах, включены параллельно.
61
Конструкция гребного привода десятифазной двухпакетной индукторной машины
мощностью 15 МВт с четырьмя автономными на одну фазу ветвями позволяет раздробить
полную мощность двигателя на 40 автономных частей (рис. 48-49). В силу уникальных
свойств индукторной реактивной машины – независимость работы фаз двигателя и инвертора напряжения – может быть обеспечена автономная работа 40 фазных ветвей. При выходе из строя одной из фазных ветвей (двигатель + инвертор) она отключается, привод
продолжает работу с понижением мощности на 1/40 часть до планового предупредительного ремонта. Двухпакетный вариант конструкции позволяет снизить примерно вдвое
пульсации момента и проводить испытания под нагрузкой на одном двигателе методом
взаимного нагружения.
Рис. 48. Размещение катушек на статоре (а) и схемы их соединения (б)
Рис. 49. Статор и пакеты ротора многофазного индукторного электродвигателя
мощностью 15 МВт
Увеличение количества фаз позволяет существенно уменьшить пульсации вращающего момента, создаваемого многофазной обмоткой, а также снизить нагрузку на IGBT
62
ключи инвертора напряжения. Для снижения максимальной токовой нагрузки не более
1000 А каждая фаза была разделена еще на четыре автономных фазных ветви. На рис. 37
показано размещение катушек на пакете статора и схемы соединения катушек в автономные фазные ветви. В каждой независимой фазной ветви катушки включены параллельно,
что позволяет уменьшить вдвое сечение медной шины по сравнению с последовательным
соединением и, соответственно, снизить расход меди при ошиновке.
При подаче на катушку импульса напряжения в ней появляется ток, который создает
магнитной поле. Возбужденная катушка на зубце становится электромагнитом, который
притягивает ближайший к нему зубец. Силу притяжения можно разложить на две составляющие радиальную (нормальную) и угловую (тангенциальную). Тангенциальная сила
создает так называемый реактивный момент, поворачивая ротор в направлении возбужденной катушки. Для того, чтобы компенсировать воздействие на ротор радиальной силы
диаметрально противоположно размещается катушка этой же фазы, которая создает такую
же радиальную силу, уравновешивающую диаметрально противоположную. Все катушки
имеют одинаковую намотку. Подключаются к клеммам «+» и «-» инвертора таким образом, чтобы токи в пазу соседних катушек имели одинаковое направление. Соответственно,
направление токов в соседних пазах будет различным. Момент подачи питания на катушку определяется в соответствие с положением ротора. Для этого в индукторном двигателе,
как и в любой электрической машине синхронного типа с частотным регулированием скорости вращения, устанавливается датчик положения ротора (ДПР).
Если при вращающемся роторе подать питание в катушку, когда ближайший зубец
ротора подходит к ней, то возникает вращающий момент, а если тогда, когда зубец ротора
уходит от зубца статора с возбужденной катушкой, то возникает тормозной момент и кинетическая энергия ротора преобразуется в электрическую энергию. Следовательно, индукторная машина может работать как в двигательном, так и в генераторном режиме. При
этом происходит обмен энергией между возбужденной катушкой и входной емкостью инвертора напряжения, а также часть энергии передается в другую фазу, работающую в двигательном режиме. В двухпакетной машине основной объем генерируемой энергии одного
пакета передается в катушки другого пакета. Синхронизируя подачу импульсов в соответствии с положением ротора обеспечивается его вращение. Изменяя частоту подачи импульсов можно регулировать частоту вращения. Изменяя длительность импульса питания
можно регулировать вращающий момент. Изменяя время подачи импульсов питания, изменяется направление подключения фазных обмоток и обеспечивается реверс машины.
Расчетные осциллограммы напряжения и тока автономной фазной ветви ВИД при
мощности 15 МВт и частоте вращения 150 об/мин, моментов, создаваемых одной фазой
М1, пятью фазами одного пакета МƩ5, двумя пакетами МƩ10 и входного тока инвертора
приведены на рис. 50-52.
63
Рис. 50. Напряжение и ток автономной фазной ветви ВИД при мощности 15 МВт и частоте вращения 150 об/мин
Рис. 51. Моменты, создаваемые одной фазой М1, пятью фазами одного пакета МƩ5,
двумя пакетами МƩ10
Рис. 52. Входной ток инвертора при мощности 15 МВт
Как видно из осциллограмм – ток однополярный. Постоянная составляющая тока
является источником поля возбуждения, а переменная составляющая участвует в электромеханическом преобразовании энергии. Таким образом, катушечная обмотка индукторного реактивного двигателя выполняет одновременно и функции обмотки возбуждения и
функции обмотки якоря. Поэтому его естественная механическая характеристика подобна
механической характеристике машины постоянного тока с последовательным возбуждением.
Традиционная естественная механическая характеристика электропривода
получается при постоянном (номинальном) напряжении питания [22]. Для вентильного
режима работы необходимо также оговаривать способ коммутации фаз и
64
соответствующие значения углов коммутации. До настоящего времени вопрос о выборе
точки номинального режима для вентильно-индукторного электропривода однозначно не
решен, поскольку получить одну и ту же выходную мощность можно при различных
сочетаниях напряжения питания, углов коммутации и схемах соединения катушек в фазе.
Искусственные характеристики в разомкнутых структурах могут получаться как за
счет изменения напряжения, прикладываемого к обмотке на различных этапах цикла коммутации, так и за счет изменения угла включения фазы. На рис. 53 приведены механические характеристики, полученные при одиночной коммутации фаз, разных напряжениях и
разных углах включения и напряжениях питания U2> U1, Θ2> Θ1.
n, о.е.
1
U 2, Ѳ 2
U 2, Ѳ 1
U 1, Ѳ 2
U 1, Ѳ 1
0
1
М, о.е.
Рис. 53. Механические характеристики при разных углах включения и напряжениях
питания
Опыт эксплуатации ВИП буксира 2 МВт и создания ВИА мощностью 15 МВт позволяет сделать предложение о возможности оборудовании ледокола лидера проекта 10510
СЭД с ВИД.
65
Сравнение ГЭП 30 МВт с АД и с ВИД
ГЭП ледокола лидера проекта 10510 строится на основе соединения в тандем двух
ГЭД по 15 МВт каждый. На рис. 54 представлены схемы ГЭП с трехобмоточными АД и
двухпакетными пятифазными ВИД.
Схемы фазных модулей электроприводов с АД и ВИД показаны на рис. 55.
3 обмотки по 3фазы
АД 1
3 обмотки по 3фазы
АД 2
2 пакета по 5 фаз,
4 ветви в фазе
2 пакета по 5 фаз,
4 ветви в фазе
ВИД 1
ВИД 2
Рис. 54. ГЭД 30МВт с АД и ВИД
ФМ ГЭП с АД
ФМ ГЭП с ВИД
Рис. 55. Фазные модули электропривода с АД и ВИД
Таким образом, ПЧ с АД имеет 72 силовых ключа, а с ВИД – 80, т.е. незначительное
отличие. При этом частоты коммутации для АД от 600 до 1000 Гц, для ВИД - 30-300 Гц.
Поэтому для ГЭП с ВИД при меньшей нагрузке на каждый из ключей появляется возможность выбрать силовые электронные приборы с большим запасом по напряжению и току и
использовать вместо IGBT транзисторов IGCT тиристоры отечественного производства.
66
Сравнительная оценка электрических машин асинхронного и синхронного типов в
составе регулируемого электропривода
Для сравнительной оценки выбраны двигатели переменного тока, применяемые в
системах регулируемого электропривода с преобразователем частоты, а именно: асинхронный двигатель (АД), синхронный с постоянными магнитами (СДПМ) и вентильноиндукторный реактивный двигатель с самовозбуждением (ВИРД).
1. Отказоустойчивость (живучесть).
Показатель живучести, в отличие от надежности, будем оценивать по работоспособности регулируемого электропривода при выходе из строя элементов двигателя, инвертора напряжения и другого оборудования, входящего в состав электропривода. Наибольшую
вероятность выхода из строя имеют катушки двигателя (витковое короткое замыкание или
замыкание на корпус), у преобразователя – выход из строя IGBT ключа.
ВИРД обладают одним из главных уникальных отличительных достоинств – это независимая работа фаз двигателя вследствие отсутствия между ними взаимноиндуктивных
связей и инвертора напряжения и, соответственно, его повышенная отказоустойчивость.
При выходе из строя катушки или полупроводникового ключа отключается соответствующая автономная ветвь, а двигатель сохраняет свою работоспособность при пропорциональном снижении мощности. Если был заложен необходимый резерв, то система управления может восстановить мощность двигателя на прежний уровень. Это уникальное
свойство индукторного двигателя с самовозбуждением, обеспечивающее его живучесть,
особенно важно для кораблей надводного и подводного флота.
Независимая работа фаз двигателя и инвертора напряжения также позволяет многократно дробить суммарную мощность двигателя, позволяя повысить его живучесть и снизить нагрузки на ключи. Так, например, в предлагаемом 10-ти фазном двухпакетном индукторном ГЭД с соотношением зубцов статора и ротора 40/32 имеется 40 независимых
фазных ветвей по две диаметрально расположенных катушки в каждой ветви, т.е. обеспечено 40-ка кратное дробление мощности [23].
2. Простота и динамика управления.
Совокупность жестких технических требований, предъявляемых к динамическим
свойствам СЭД, предопределяют использование в системах управления ГЭД относительно сложного алгоритма векторного управления для АД, СДПМ. В ВИРД применяется более простой алгоритм прямого управления моментом, при этом не требуется выполнять
расчеты в режиме реального времени с помощью математической модели, загруженной в
контроллер. Все необходимые таблицы для реализации алгоритмов управления ВИРД,
учитывающих особенности конструкции, режимов работы и типа нагрузки, рассчитываются предварительно, а затем загружаются в управляющий контроллер. У ВИРД высокая
динамика управления за счет малой инерционности безобмоточного ротора и низкой индуктивности катушечной обмотки статора.
В СДПМ также могут применяться катушечные обмотки и использоваться алгоритм
прямого управления моментом. Наличие КЗ обмотки на роторе АД снижает динамику его
управления.
3. Массогабаритные показатели.
Наилучшие массогабаритные показатели имеют СДПМ за счет того, что поле возбуждения, необходимое для работы электрической машины, создается компактными магнитами. Масса и габариты ВИРД, как правило, близки соответствующим показателям АД.
67
4. Надежность.
Надежность ВИРД обусловлена его конструкцией: катушечные обмотки без пересекающихся лобовых частей, пассивный ротор, не имеющий обмотки и постоянных магнитов. При применении распределенной обмотки (АД и СДПМ) возможен пробой обмоток в
лобовых частях при вибрации, выход из строя «беличьей клетки» у АД при механических
и тепловых воздействиях.
Надежность силового инвертора напряжения ВИРД обеспечивается схемными решениями, исключающими в нем возможность сквозных коротких замыканий. Надежность
ВИРД и СДПМ зависит также от работы датчика положения ротора (ДПР). Обеспечение
его безотказной работы является важной задачей.
За счет низкой частоты коммутации 30-300 Гц в вентильных коммутаторах более
низкое тепловыделение, что сказывается на КПД и на срок эксплуатации привода в целом
в лучшую сторону.
5. Энергоэффективность.
Благодаря отсутствию потерь возбуждения СДПМ имеют самый высокий КПД по
сравнению с другими электрическими машинами. У ВИРД отсутствует обмотка на роторе
и соответственно потери в ней, они имеют примерно одинаковый КПД, но более высокий,
чем у АД с КЗ обмоткой на роторе.
Экономия электроэнергии тягового ВИРП в сравнении с аналогичными электроприводами постоянного тока и частотно-управляемыми асинхронными проявляется наиболее
существенно, если доля переходных режимов (разгон, торможение) в путевом цикле относительно велика. Энергоэффективность ВИРД в переходных режимах обусловлена его
конструктивными особенностями: небольшой индуктивностью катушек, которые совмещают функции якоря и возбуждения (обмотка возбуждения распределена по фазным обмоткам, практически индуктивно не связанным), малой инерционностью ротора, отсутствием обмоток и короткозамкнутых контуров на роторе [23].
6. Перегрузочная способность.
Перегрузочную способность электродвигателей оценивают по кратности пускового
и максимального моментов по отношению к номинальному. Перегрузочная способность
обеспечивает статическую и динамическую устойчивость работы двигателя при увеличении нагрузки на валу выше номинальной или снижении напряжения питания. Перегрузочная способность зависит от типа двигателя и его конструктивного исполнения (закрытого или открытого исполнения, с воздушным или жидкостным охлаждением, сплошной
сердечник или составной с радиальными каналами). Перегрузочная способность в существенной степени зависит от токовой нагрузки двигателя. Лучшим по данному показателю
является СДПМ, имеющий минимальную токовую нагрузку за счет возбуждения от постоянных магнитов. ВИРД двухпакетного исполнения имеют коэффициент мощности на
уровне 0,8 за счет междуфазного обмена энергией. Но наличие у АД КЗ обмотки и отсутствие эффективного отвода тепла от ротора уравнивают их возможности по перегрузочной способности.
7. Технологичность и трудоемкость изготовления.
Высокая технологичность и относительно низкая трудоемкость (примерно на 3040% ниже, чем у АД) при изготовлении индукторного двигателя с самовозбуждением обусловлены его конструкцией: простая конфигурация магнитной системы – зубчатые статор
и ротор с открытыми пазами, технологичные в изготовлении катушечные обмотки статора
с хорошо освоенной намоткой на «ребро», отсутствие коллектора, обмоток на роторе и
68
постоянных магнитов. При изготовлении индукторной машины не требуются специальные технологии и материалы. Конструкция технологична и при сборке, ее эксплуатационные качества, зависящие от сборки, достижимы путем применения наиболее экономичного технологического процесса сборки. При сборке индукторной машины не требуется
применения каких-либо специальных приспособлений или специальной оснастки, как
например, для двигателей с постоянными магнитами [23].
Наибольшую трудоемкость при изготовлении имеют СДПМ вследствие необходимости применения приборов для контроля качества магнитов и отбора магнитов с одинаковыми свойствами, изготовления оснастки и приспособлений для сборки и разборки роторов с магнитами, защиты магнитов от пыли. В этой связи СДПМ, как правило, изготавливаются с жидкостным охлаждение, что усложняет и увеличивает трудоемкость изготовления.
8. Развитость технологии изготовления.
Без всякого сомнения, наиболее развита и апробирована технология серийного изготовления АД. За рубежом в стадии развития находятся технологии серийного изготовления СДПМ. Технология производства ВИРД наименее развита. Серийное производство
освоено за рубежом только двигателей малой и средней мощности не более 400 кВт.
В России опыта разработки, изготовления и внедрения крупных индукторных двигателей накоплено больше, чем за рубежом, но как отмечалось выше, все они изготавливаются на электроремонтных заводах, а не на специализированных заводах по производству
крупных электрических машин с более высокой культурой производства.
9. Ремонтопригодность.
Индукторный двигатель с самовозбуждением высокотехнологичен в ремонте. При
выходе из строя катушки достаточно заменить только вышедшую из строя катушку. Модульное построение инвертора также позволяет произвести оперативно ремонт путем замены вышедшего из строя блока питания фазной ветви. При должной структуре построения инвертора напряжения для питания ИГЭД-15000-10-107 ОМ5 ремонт вышедшего из
строя инверторного блока может быть выполнен без остановки двигателя.
СДПМ с катушечными обмотками при их ремонте имеют такие же преимущества,
как и ВИРД. При ремонте распределенных обмоток СДПМ и АД, как правило, приходится
демонтировать если не все обмотки, то значительную их часть.
На рис. 56-57 показаны возможности ремонта ВИРД.
69
Рис. 56. Выведение сегмента пакета ротора без снятия верхней крышки с подшипника
Рис. 57. Ротор с удаленным сегментом одного пакета
10. Удельные мощность и момент, Вт/кг.
Показатели массы и удельные показатели по мощности и моменту взаимосвязаны,
лучшие показатели имеет СДПМ. Удельные показатели ВИРД превосходят АД.
11. Скоростной диапазон постоянства мощности.
Диапазон постоянства мощности у ВИРД самый большой по сравнению с другими
электрическими машинами переменного тока. Естественная механическая характеристика
ВИРД с самовозбуждением (с совмещенными обмотками возбуждения и якоря) близка к
гиперболической форме как у двигателей постоянного тока с последовательным возбуждением. Основное свойство такой характеристики - постоянство мощности на валу машины - оказывается чрезвычайно полезным для электроприводов транспортного применения
с ограниченной мощностью автономного источника, так как при этом легко реализуется
условие его неперегружаемости. Наименьший диапазон постоянства мощности у СДПМ,
т.к. возбуждение у этой машины нерегулируемое, то при увеличении скорости свыше номинальной отсутствует возможность ослабления поля. Для решения этой проблемы можно применить коммутатор для уменьшения числа витков обмоток при регулировании скорости вверх. Что усложняет конструкцию и снижает ее надежность.
70
12. Скоростной диапазон постоянства КПД.
КПД ВИРД в широком диапазоне частот вращения, в отличие от классических машин, имеет практически постоянное высокое значение (для крупных машин КПД составляет 96...97 %), равное номинальному, за счет того, что основной магнитный поток ВИРД
и потери им создаваемые снижаются с уменьшением скорости вращения. Поэтому в условиях работы СЭД с переменной скоростью движения среднее значение КПД ВИРД будет
всегда выше, чем у классических машин.
13. Инерция ротора.
Масса ротора ВИРД из-за наличия открытых пазов наименьшая из сравниваемых
электрических машин. Это обеспечивает хорошую динамику в переходных режимах разгона, торможения и реверса.
14. Пульсации момента.
Пульсации вращающего момента относят к одному из существенных недостатков
ВИРД. Они возникают из-за зубчатости ротора и открытых пазов на статоре, импульсном,
а не синусоидальном питании катушек. Величина пульсаций вращающего момента для
наиболее типовой и широко применяемой конструкции трехфазных машин может достигать 40-50%. Однако эти пульсации оказывают влияние на результирующий момент на
валу только при малых частотах вращения, на средних и больших частотах вращения
пульсации сглаживаются инерцией ротора. Снижение при необходимости пульсаций достигается корректировкой геометрии зубцовой зоны, изменением формы импульса тока в
катушке, а также увеличением количества фаз обмоток двигателя. В предлагаемой конструкции 10-ти фазной машины пульсации вращающего момента примерно в 10 раз
меньше, чем у трехфазной индукторной машины. А для тандема из двух таких двигателей
пульсации результирующего момента составляют не более 2%. СДПМ также могут выполняться с катушечными обмотками, что приводит к появлению пульсаций вращающего
момента. Практически нет пульсаций вращающего момента у АД, которые выполняются с
полузакрытыми пазами статора, гладким ротором и синусоидальным питанием обмоток.
Следует отметить, что в АД и СД синусоидальность магнитного поля в действительности искажается из-за наличия зубцов на статоре и роторе. Это ведет к появлению составляющих электромагнитного момента, обусловленных полями вращающихся со скоростью меньшей, чем поля основной гармоники. Результатом являются пульсации момента с
частотами, близкими к частоте основной гармоники.
Также при принципиально несинусоидальном питающем напряжении частотноуправляемого ГЭД с АД и СД возникают пульсации момента, обусловленные взаимодействием основного магнитного поля и полей высших гармоник.
Исследования с помощью компьютерной модели ГЭП с АД (рис. 58-59) показывают
наличие пульсаций с частотой ШИМ, которые увеличиваются при снижении частоты
ШИМ (4,6% при частоте ШИМ 1,2 кГц, 8,5% при частоте ШИМ 0,7 кГц).
71
Рис. 58. Параметры ГЭП с АД, частота ШИМ 1,2 кГц.
Рис. 59. Параметры ГЭП с АД, частота ШИМ 0,7 кГц.
Для судов ледового плавания пульсации момента в первую очередь определяются
характером взаимодействия со льдом и характеристиками пропульсивного комплекса в
целом.
Для примера на рисунке 60 показаны осциллограммы при плавании судна с электродвижением в канале со случайными контактами со льдом в режиме «набег» [11].
При контакте со льдом момент на валу растет менее чем за 1,5 секунды с 300 кНм
до примерно 450 кНм, то есть не превышает не только допустимого оверторка, но и номинального вращающего момента. При этом частота вращения винта падает с 118 до 111
об/мин под действием момента взаимодействия лопастей со льдом. Обращает на себя
внимание достаточно длительный (12-13 циклов) затухающий процесс колебаний после
снятия нагрузки с частотой около 6 Гц, что соответствует собственным частотам колебаний валолинии.
В установившемся режиме также наблюдаются значительные пульсации момента на
валу.
72
Испытания на предельную лёдопроходимость. Передний ход 119 об/мин, 3.8 уз. В разгоне перед 4-м набегом.
400 QL, кН  м
300
200
120
118
nL, об/мин
116
114
112
4 VS, уз
3.8
3.6
1769
Время, с
1770
1771
1772
1773
1774
1775
1776
Рис. 60. Случайный контакт со льдом в канале при разгоне для выполнения режима
«Набег»
Следует обратить внимание, что пульсации момента, как при моделировании, так и
при натурных испытаниях наблюдаются не только на частоте ШИМ, но и на низких, близких к основной, частотах.
15. Вибрации и шум.
В связи с таким характером питания обмоток основу инвертора для него составляет
асимметричный мост, исключающий сквозные внутренние замыкания в инверторе за счет
того, что в диагонали между транзисторами всегда включена ограничивающая скорость
нарастания тока обмотки с большой индуктивностью. Магнитный шум и пульсации момента, характерные для ВИМ, удается значительно снизить применением специальных
мероприятий на этапе проектирования активной части машины и формирования алгоритма управления [16].
Уровень шума и вибраций ВИРД соответствует уровню АД с ПЧ.
16. Пульсации напряжения на шине постоянного тока, электромагнитная совместимость.
Пульсации напряжения на шине DC связаны с зарядом и разрядом входной емкости
фильтра. У трехфазного ВИРД коэффициент мощности порядка 0,4, что определяет более
высокую величину пульсаций напряжения. У двухпакетных ВМРД коэффициент мощности примерно вдвое выше, что приводит к существенному снижению величины пульсаций
напряжения в промежуточном звене постоянного тока. Уменьшает величину пульсаций
также увеличение количества фаз. У десятифазного двухпакетного ИГЭД-15000 проблем с
величиной пульсаций напряжения на шине DC нет.
Электромагнитная совместимость.
Серьезной проблемой при создании ЕЭЭС является обеспечение электромагнитной
совместимости общесудовых потребителей и СЭД, которые для судовой электростанции
являются нелинейной нагрузкой. По требованию Российского морского регистра судоходства [24] в полностью укомплектованной судовой электроэнергетической системе коэффициент несинусоидальной кривой напряжения (КНС) не должен превышать 10%.
Гармонический состав напряжения на ГРЩ, измеренный при ходовых испытаниях
судна с ГЭД типа ВИД-2000 представлен на рисунке 61 [25].
73
Рис. 61. Гармонический состав напряжения на ГРЩ в ЕЭЭС с СГ и ВИГЭП 2 МВт при частоте вращения ВИД 200 об/мин (данные реального объекта)
Результаты расчета установившегося режима с помощью схемотехнической модели
ЕЭЭС с СГ мощностью 3 МВт и выпрямителями, нагруженными на ВИД 2 МВт при 200
об/мин представлены на рисунке 62.
Рис. 62. Линейное напряжение на ГРЩ, его гармонический состав и коэффициент
несинусоидальности напряжения в ЕЭЭС с СГ мощностью 3 МВт и выпрямителями,
нагруженными на ВИД 2МВт при 200 об/мин
Основной вклад в снижение качества напряжения на ГРЩ в физическом объекте
вносят 11-я и 13-я гармоники. Моделирование показало практически одинаковый с физическим объектом значения 11-й гармоники, а 13-й гармоники расчетный уровень значительно меньше.
При физических измерениях получен КНС=6,6%, а в расчетном эксперименте
КНС=6,9%.
Выполненные исследования подтверждают адекватность компьютерной модели
ЕЭЭС.
Для ЕЭЭС с ВИД 15 МВт и АД 15МВт исследования качества электроэнергии в
ЕЭЭС (ледокол лидер проекта 10510) возможно выполнить только с помощью компьютерного моделирования.
Результаты исследования гармонического состава напряжения на главном распределительном устройстве (ГРУ) в ЕЭЭС с генератором 36МВт, нагруженным на 2 трехобмо74
точных трансформатора с выпрямителями на выходе и 5-тифазным вентильноиндукторным двигателем мощностью 15 МВт при частоте вращения 160 об/мин представлены на рисунке 63.
Рисунок 63. Линейное напряжение на ГРУ, его гармонический состав коэффициент
несинусоидальности напряжения в ЕЭЭС с СГ типа ТПС-36 и выпрямителями,
нагруженными на ВИД 15МВт
Коэффициент несинусоидальности кривой напряжения на ГРУ в ЕЭЭС с СГ типа
ТПС-36 и выпрямителями, нагруженными на ВИД 15МВт составляет 6,96%.
Исследования гармонического состава на ГРУ ЕЭЭС ледокола ЛК-120 с треххобмоточным АД представлены на рис. 64 [26].
.
Рис. 64. Результаты расчета линейных напряжений и КНС напряжения на шинах ГРЩ при
установившемся режиме работы АД от ПЧ
Расчетным путем определен КНС кривых напряжения на шинах ГРЩ при работе в
установившемся режиме ГЭД 15 МВт от синхронного генератора мощностью 36 МВт,
равный 7,8%, и для исследуемого режима также подтверждено соответствие требованиям
Российского морского регистра судоходства.
Расчетным экспериментом установлено допустимое, но большее значение КНС для
системы с АД по сравнению с системой с ВИД.
75
17. Количество кабеля для подключения.
Увеличенное вдвое количество кабельных линий для ВИРД является платой за независимую работу фазных ветвей. Решение проблемы – создание интегрированной конструкции ВИРП, т.е. встраивание блока управления в корпус двигателя [23].
18. Стоимость двигателя.
Наибольшую стоимость двигателя имеет электропривод с постоянными магнитами,
стоимость которых относительно велика и по прогнозам специалистов в дальнейшем будет только расти. ВИРД имеет высокую технологичность в изготовлении. На катушечные
обмотки ВИРД требуется примерно в 1,3 раза меньше меди, чем для распределенных обмоток АД или СДПМ.
19. Стоимость преобразователя.
Схемы преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока примерно одинаковы для всех рассматриваемых двигателей, за исключением привода с ВИРД, в инверторе напряжения используется косой полумост. Преобразователь для СДПМ имеет меньшую стоимость по сравнению с ПЧ для АД, вследствие более низких значений коммутируемого фазного тока. Величина коммутируемого тока в ПЧ для АД и ВИРД примерно
одинакова, незначительно меньше у первого. В ПЧ для ВИРД полупроводниковых приборов несколько больше, но благодаря тому, что используются чопперы, драйверов управления ключами может быть меньше. На преобразователе электромеханической трансмиссии 136 т карьерного самосвала БелАз-7513 для двухпакетных конструкций ВИРД апробирована схема преобразователя с двумя чопперами и одним двухтранзисторным модулем
питания двух фаз со сдвигом импульсов напряжения на 180 эл. град. Это позволило снизить стоимость IGBT на одну фазу на 25 %.
76
Компьютерное моделирование судовой электроэнергетической системы с вентильноиндукторным гребным электроприводом
Рассмотрим идеальную линейную машину, в которой магнитная проницаемость стали статора и ротора равна бесконечности и отсутствует насыщение [29].
Электромеханическое преобразование энергии в ВИД условно можно рассматривать
как последовательное преобразование электрической энергии, поступающей в обмотки
статора, в энергию магнитного поля, а затем преобразование энергии магнитного поля в
механическую.
Преобразование электрической энергии в магнитную энергию описывается дифференциальным уравнением электрического контура:
d
 U  iR
dt
,
(1)
где   wФ – потокосцепление обмотки фазы;
U – напряжение питания;
i – ток обмотки;
R – сопротивление обмотки.
В идеализированном случае (R=0) уравнение (1) определяет скорость изменения
магнитного потока, а значение тока определяется кривой намагничивания B  f (H ) и за-
 .
коном полного тока
Энергия магнитного поля при отсутствии ее преобразования в механическую (угол
поворота ротора   const ) находится интегрированием
Iw  Hdl

WM   id
.
(2)
Преобразование магнитной энергии в механическую энергию без обмена энергией с
0
d
0
источником электроэнергии происходит при постоянстве потокосцепления dt
и связано с изменением проводимости магнитной цепи Λ в функции угла поворота ротора θ.
Электромагнитный момент может быть определен по изменению магнитной энергии
на элементарном перемещении Δθ:
дWM
 WM 
M   lim 
  const

д
  
0
.
(3)
Рассмотрим ИМ с m–фазной обмоткой на статоре, имеющем Nст полюсов и ротором,
имеющим Nрот зубцов (рис. 65).
77
Θ
Λ
согласованное
положение
Λmax
рассогласованное
Λmin
-30
Θ1
Θ2
0
Θ
Рис. 65. Угол поворота ротора
Для идеальной линейной машины магнитный поток полюса определяется МДС его
обмотки Iw и проводимостью воздушного зазора Λ=f(Θ):
Ф  Iw .
(4)
Проводимость воздушного зазора определяется взаимным расположением полюсов
статора и зубцов ротора, их геометрией и воздушным зазором между ними σ. Максимальная проводимость Λmax достигается в согласованном положении (Θ=0) и приближенно
равна
 S
 max  0 пол
 ,
(5)
где Sпол – площадь полюса;
μ0 – магнитная постоянная.
Минимальная проводимость Λmin имеет место в рассогласованном положении. Начальный угол Θ для данного положения составляет π/Nрот . Для определения точного значения
Λmin необходим расчет магнитного поля, учитывающий всю геометрию машины. Приближенно Λmin оценивают по коэффициенту
k 
 max
 7  10
 min
.
Граничные углы Θ1 и Θ2 определяют моменты начала и конца коммутации фазы.
На участке Θ1 - Θ2 по обмотке статора протекает ток и возникает электромагнитный
двигательный момент в соответствии с (3):
M 

д 
дi
id



d


д 0
0 д
.
(6)
В предположении независимости Λ от ψ, выразив ток через магнитный поток из (6.40)
с учетом Ѱ=wФ получим:
д 1 
1 ф 2 д 1
2 д
M

d


 iw 
2 2 
2
д w  0
2  д 2
д
.
(7)
78
Если предположить, что изменение проводимости происходит по периодическому закону, то
N рот

  min

  min
  max
  min  max
cos

2
2
2
.
(8)
После преобразования и с учетом (6.41) имеем:


N рот 
1 
1  cos
 
 1 

k  
2
 0 S пол  
1 



 
2
k 




.
(9)
Подставляя (9) в (7), и выполнив дифференцирование, получим
N рот  0 S пол
N


iw2 1  1  sin рот 
M 
8

2
 k 
.
(10)
Зависимость (10) дает основное понятие о зависимости значений момента от тока фазы
и угла поворота ротора, но не может служить для его точного расчета.
Практически единственным способом оценки качества электроэнергии в ЭЭС проектируемого судна является компьютерное моделирование (компьютерная модель: модель,
выполненная в компьютерной (вычислительной) среде [27]).
Для исследования работы ВИД в качестве нагрузки судовой электроэнергетической
системы использована описанная выше математическая модель ВИД (математическая модель: модель, в которой сведения об объекте моделирования представлены в виде математических символов или выражений [27]) и разработаны схемотехнические модели ЕЭЭС.
Необходимо учитывать, что однополярные токи в фазах ВИД, треугольные формы
изменения потоков, локальное насыщение зубового слоя и ярко выраженная автономность
и дискретность работы фаз чрезвычайно усложняют анализ динамики ВИД. Допущение об
отсутствии взаимного влияния фаз, что вполне оправдано при одиночной коммутации,
позволяет существенно упростить динамическую модель ВИД [28].
С целью экономии машинного времени расчета компьютерной модели, обеспечения
устойчивости расчета систем уравнений системы ЕЭЭС с ВИГЭП в математической модели ВИД [29] приняты следующие допущения:
- отсутствуют падения магнитодвижущей силы на участках магнитной цепи, потоки
рассеяния фазных обмоток, вихревые токи;
- не учитывается насыщение магнитной цепи.
Для проверки адекватности (проверка адекватности компьютерной модели: совокупность действий, результатом которых является подтверждение ее соответствия моделируемому объекту реального мира [27]), учета особенностей модели ВИД требуется
сравнение результатов вычислительного и физического экспериментов. В качестве физического объекта для такого сравнения выбран ВИД ИД-2000.
79
Моделирование гребного электропривода мощностью 2 МВт на основе 6-тифазного
вентильно-индукторного двигателя
Схемотехническая компьютерная модель ВИГЭП представлена на рисунке 66. Катушки двух пакетов статора подключены к двум независимым источникам электроэнергии с конденсаторами в звене постоянного тока (ЗПТ) через фазные модули-коммутаторы
(рис. 67).
Рис. 66. Схемотехническая модель ВИГЭП 2 МВт
Рис. 67. Схемотехническая модель фазного модуля ВИГЭП 2 МВт
80
В модели системы управления ИД-2000 реализована одиночная симметричная коммутация фаз (рис. 43).
Расчетные осциллограммы параметров работы фазы А ВИГЭП 2 МВт при пуске
приведены на рис. 57.
На рисунке 69 представлены расчетные осциллограммы параметров режима работы
ВИГЭП 2 МВт при пуске и увеличении нагрузки на 20%.
На рисунках 44, 70 представлены осциллограммы, полученные при испытаниях
ВИД-2000 и в результате расчета с помощью модели соответственно. Сравнение форм тока натурного образца и полученных расчетным путем показывает заметно более медленное уменьшение тока в его фазах, вызванное эффектом насыщения магнитной цепи.
Рассчитанные момент и суммарный ток ВИД-2000 в зависимости от угла поворота
ротора ВИД представлены на рисунке 71. Пульсации момента составили 9%. Можно
утверждать, что благодаря насыщению, значение пульсаций его электромагнитного момента реального двигателя не будет превышать указанного значения. При этом применение более сложных алгоритмов коммутации фаз позволит дополнительно снизить пульсации электромагнитного момента.
Рис. 68. Расчетные осциллограммы параметров работы фазы А ВИГЭП 2 МВт при пуске
Рис. 69. Расчетные осциллограммы параметров режима работы ВИГЭП 2 МВт при пуске и
увеличении нагрузки на 20%
81
Рис. 70. Расчетные осциллограммы токов фаз пакета статора при пуске ВИД 2 МВт (200
об/мин)
Рис. 71. Момент и суммарный ток ВИД 2 МВт в зависимости от угла поворота ротора
При проверке адекватности модели реальному моделируемому объекту результаты,
полученные при моделировании, сопоставляются с имеющейся об объекте информацией.
Считают, что модель адекватна объекту, если она верно отражает интересующие исследователя свойства объекта. Существует принципиальная разница понятий адекватности и
идентичности (полного совпадения) объекта и модели.
Применительно к проведенным исследованиям можно считать, что модель с достаточной степенью точности позволяет рассчитать значения напряжения фазы, мгновенного
и среднего токов фаз, изменяющихся с соответствующей заданным оборотам ротора частотой, мгновенные и среднее значения электромагнитных моментов, создаваемых фазами, частоту вращения ВИД. Поэтому, влияющий на качество электроэнергии ЕЭЭС, характер электромагнитных процессов в системе ВИГЭП, обмен энергией между фазными
обмотками ВИД и звеном постоянного тока источника электроэнергии моделируется
адекватно реальному объекту.
Формы токов и моментов в отдельных режимах имеют расхождение, связанное с
пренебрежением в модели насыщением магнитной цепи (отсутствуют данные натурных
испытаний), что предположительно ведет к повышенным расчетным пульсациям электро82
магнитного момента, которые практически не влияют на частоту вращения ротора вследствие его большой инерционности.
Исследование гармонического состава напряжения в ЭЭС с ВИД-2000
Для оценки влияния нагрузки в виде ВИГЭП на качество напряжения ЭЭС и вклада
непосредственно ВИД-2000 в гармонический состав напряжения, а также влияние на гармонический состав напряжения режимов работы ВИД-2000 выполнены следующие вычислительные эксперименты:
1. Исследование гармонического состава напряжения на главном распределительном щите (ГРЩ) в системе с генератором 3МВт, нагруженным на 2 трехобмоточных
трансформатора с неуправляемыми выпрямителями на выходе и активно-индуктивной
статической нагрузкой в цепи постоянного тока.
2. Исследование гармонического состава напряжения на ГРЩ в системе с генератором 3МВт, нагруженным на 2 трехобмоточных трансформатора с выпрямителями на выходе и ВИГЭП 2 МВт при частоте вращения ВИД 100 об/мин.
3. Исследование гармонического состава напряжения на ГРЩ в системе с генератором 3МВт, нагруженным на 2 трехобмоточных трансформатора с выпрямителями на выходе и ВИГЭП 2 МВт при частоте вращения ВИД 200 об/мин.
Параметры моделируемого синхронного генератора напряжением 400 В приведены в
таблице 7.
Таблица 7. Параметры моделируемого синхронного генератора с Uн=400 В
Наименование параметра
Обозначение
Величина для
генератора
Номинальная мощность, кВт
Номинальное напряжение, В
Номинальный ток, А
Номинальная частота, Гц
Активное сопротивление обмотки статора генератора, о.е.
Сверхпереходное индуктивное сопротивление по продольной оси, о.е.
Переходное индуктивное сопротивление по продольной
оси, о.е.
Рнг
Uн
Iнг
f
Rг
3 000
400
5410
50
0,014
X''d
0,29
X'd
0,37
В качестве моделируемого трансформатора выбран трансформатор ТСЗП-3000/0.66
ОМ4. На магнитопроводе трансформатора размещены три трехфазные обмотки, одна из
которых – первичная соединена по схеме «звезда» и подключается к трехфазному источнику переменного тока линейным напряжением 380 вольт. К двум другим обмоткам –
вторичным, подключается нагрузка. Одна из обмоток соединена по схеме «звезда», другая
по схеме «треугольник». Такое включение обмоток позволяет получить две системы
трехфазных напряжений сдвинутых на 30 электрических градусов, что обеспечивает на
входе выпрямителей режим, эквивалентный двенадцатипульсной схеме выпрямления,
компенсировать пятую и седьмую гармоники тока, потребляемого из сети, и тем самым,
существенно уменьшить коэффициент несинусоидальности кривой напряжения на шинах
ГРЩ.
83
На основе параметров трансформатора, представленных в таблице 8, при помощи
опытов холостого хода и короткого замыкания рассчитаны параметры схемы замещения
трансформатора.
Таблица 8. Параметры трансформатора ТСЗП-3000/0.66 ОМ4
Наименование параметра
Номинальная мощность, кВ·А
Число фаз питающей сети
Частота питающей сети, Гц
Номинальное линейное напряжение первичных обмоток СО, В
Номинальный линейный ток первичных обмоток, А
Номинальное линейное напряжение вторичных обмоток (звезда), В
Номинальное линейное напряжение вторичных обмоток (треугольник), В
Номинальный линейный ток вторичных обмоток, А
Ток холостого хода, %
Мощность потерь холостого хода, кВт
Напряжение короткого замыкания, %
Мощность потерь короткого замыкания, кВт
Значение
3000
3
50
380
4558
576
570
1520
0,16
4,7
5,5
24
Схемотехническая модель ЕЭЭС с СГ с нагрузкой в виде двух трансформаторов с
двенадцатипульсными схемами выпрямления на выходе и активно-индуктивной нагрузкой представлена на рисунке 72.
Адекватность компьютерной модели ЕЭЭС с неуправляемыми выпрямителями подтверждалась многократно путем результатов сравнения вычислительных и физических
экспериментов [29, 30].
Рис. 72. Схемотехническая модель ЕЭЭС с СГ мощностью 3 МВт и неуправляемыми выпрямителями с активно-индуктивной нагрузкой
84
Исследование гармонического состава напряжения в ЕЭЭС с ВИД-2000
Гармонический состав напряжения на ГРЩ, измеренный при ходовых испытаниях
судна с ГЭД типа ВИД-2000 представлен на рисунке 61.
Результаты расчета установившегося режима ЕЭЭС с СГ мощностью 3 МВт и неуправляемыми выпрямителями с активно-индуктивной нагрузкой представлены на рисунке 73.
Рис. 73. Линейное напряжение на ГРЩ, его гармонический состав и коэффициент
несинусоидальности напряжения в системе с СГ мощностью 3 МВт и выпрямителями с
активно-индуктивной нагрузкой
Схемотехническая модель ЕЭЭС с СГ мощностью 3 МВт и выпрямителями, нагруженными на ВИГЭП 2МВт представлена на рисунке 74.
Результаты расчета установившегося режима ЕЭЭС с СГ мощностью 3 МВт и выпрямителями, нагруженными на ВИД 2МВт при 200 об/мин представлены на рисунке 75.
Рис. 74. Схемотехническая модель ЕЭЭС с СГ мощностью 3 МВт и выпрямителями,
нагруженными на ВИГЭП 2МВт
85
Рис. 75. Линейное напряжение на ГРЩ, его гармонический состав и коэффициент
несинусоидальности напряжения в ЕЭЭС с СГ мощностью 3 МВт и выпрямителями,
нагруженными на ВИД 2МВт при 200 об/мин
Результаты расчетных экспериментов для сравнения гармонического состава напряжения на ГРЩ при разных нагрузках и в различных режимах сведены в таблицу 9.
Таблица 9. Сравнение гармонического состава напряжения на ГРЩ
Наименование
параметра
Номер
гармоники
Частота,
Гц
Нагрузка генератора в эксперименте
ВИД при Активно- ВИД 2 МВт
испытаиндукпри частоте
ниях на тивная
вращения
судне
нагрузка
100 об/мин
Амплитуда тока фазы генератора, кА
Коэффициент несинусоидальности
кривой фазного тока
генератора, %
Коэффициент несинусоидальности
кривой линейного
напряжения, %
1
50
4,93
-
-
Нет дан- 4,84
ных
Нет дан- 27,6
ных
ВИД
2
МВт при
частоте
вращения
200 об/мин
4,84
28,9
21
-
-
6,78
6,25
5,9
Амплитуда гармоники линейного
напряжения на
ГРЩ, В
0
1
3
7
9
11
13
0
50
150
350
450
550
650
6,6 (с учетом постоянной
составляющей
датчика)
39
600
6,5
0
0
39
26,1
0
591
3,4
1,9
13
36,4
5,8
0
599
0
0
0
36,5
7,5
0
599
2,7
0
13,7
31,9
4,8
86
Основной вклад в снижение качества напряжения на ГРЩ в физическом объекте
вносят 11-я и 13-я гармоники. Моделирование показало практически одинаковый с физическим объектом значения 11-й гармоники, а 13-й гармоники расчетный уровень значительно меньше.
Как в физическом, так и расчетном эксперименте выявлено наличие 3-й гармоники
напряжения.
Объяснением причин расхождений результатов физического и расчетного экспериментов является не полное подобие алгоритмов управления реального ВИД-2000 и компьютерной модели, а также принятые при моделировании допущения, которые усугубляются сложными процессами обмена энергией источника электроэнергии и ВИД.
Тем не менее, следует признать, что разработанная модель пригодна для исследования влияния режимов ВИГЭП на качество электроэнергии судовой ЭЭС.
Можно утверждать, что использование схемотехнической модели ЕЭЭС с ВИГЭП
пригодно для оценки качества электроэнергии в ЕЭЭС.
Моделирование электропривода гребного винта с 5-тифазным вентильно-индукторным
двигателем мощностью 15 МВт
Схемотехническая модель ВИГЭП 15 МВт представлена на рисунке 76.
Исследование гармонического состава напряжения на главном распределительном
устройстве (ГРУ) в ЕЭЭС с генератором 36МВт, нагруженным на 2 трехобмоточных
трансформатора с выпрямителями на выходе и ВИД 15 МВт при частоте вращения 160
об/мин выполнены для двух вариантов, отличающихся длительностью импульсов управления ключами фазного модуля.
Исходные данные для главного турбогенератора ТПС-36-2М2 М5 и согласующего
трансформатора ТРСЗП-6000_10-ОМ4 приведены в таблицах 10 и 11 соответственно.
Таблица 10. Исходные данные для главного турбогенератора ТПС-36-2М2 М5
Наименование параметра
Обозначение
Значение
Номинальная мощность, кВт
Номинальное напряжение, В
Номинальный ток, А
Номинальная частота, Гц
Активное сопротивление обмотки статора генератора при
75° С, мОм/о.е. (ориентировочно)
Сверхпереходное индуктивное сопротивление по продольной оси, о.е.
Переходное индуктивное сопротивление по продольной
оси, о.е.
Сверхпереходная постоянная времени по продольной оси, с
Базисное сопротивление, мОм
Рнг
Uн
Iнг
f
36 000
10 500
2 477
50
Rг
5,12/0,00209
X''d
0,181
X'd
0,249
T''d
Zб
0,026
2450
87
Таблица 11. Основные технические характеристики согласующего трансформатора
ТРСЗП-6000_10-ОМ4
Наименование параметра
Номинальное значение мощности, МВ∙А
Число фаз
Частота, Гц
Номинальное значение линейного напряжения первичной обмотки, кВ
Номинальное значение тока первичной обмотки, А
Номинальное значение линейного напряжения вентильной обмотки 1, кВ
Номинальное значение тока вентильной обмотки 1, А
Номинальное значение линейного напряжения вентильной обмотки 2, кВ
Номинальное значение тока вентильной обмотки 2, А
КПД, не менее
Напряжение короткого замыкания, %
Значение
6
3
50
10
347
2
875
2
875
0,99
7
Результаты исследований для первого варианта представлены на рисунке 77, а для
второго варианта – на рисунке 78.
Рис. 76. Схемотехническая модель ЕЭЭС с СГ типа ТПС-36 и выпрямителями, нагруженными на ВИД 15МВт
88
Рис. 77. Линейное напряжение на ГРУ, его гармонический состав коэффициент
несинусоидальности напряжения в ЭЭС с СГ типа ТПС-36 и выпрямителями,
нагруженными на ВИД 15МВт
Рис. 78. Линейное напряжение на ГРУ, его гармонический состав коэффициент
несинусоидальности напряжения в ЕЭЭС с СГ типа ТПС-36 и выпрямителями,
нагруженными на ВИД 15МВт
Коэффициент несинусоидальности кривой напряжения на ГРУ в ЕЭЭС с СГ типа
ТПС-36 и выпрямителями, нагруженными на ВИД 15МВт для 1 варианта составляет
7,27%, а для 2 варианта – 6,96%, что указывает на возможность улучшения гармонического состава ЕЭЭС путем оптимизации соотношения длительностей управляющих ключами
импульсов.
89
Заключение
В настоящее время при проектировании и строительстве надводных кораблей и судов нового поколения возрастает потребность в компактных энергетических установках с
высоким коэффициентом полезного действия, минимальных МГХ и при этом имеющих
высокую надежность. Современные мировые тенденции в области создания новых ЭУ все
больше способствуют переходу от традиционных энергетических установок с механической передачей мощности на гребной винт к гибридным главным энергетическим установкам, либо использующим полное электродвижение.
Одним из основных поставщиков единых электроэнергетических систем и систем
электродвижения на корабли и суда является Центральный научно-исследовательский институт судовой электротехники и технологии ФГУП «Крыловский государственный научный центр».
Первая СЭД разработки ЦНИИ СЭТ с вентильно-индукторным ГЭП и ГЭД типа ИД2000 установленная на морском буксире «Виктор Конецкий» проекта 745.1 позволила получить многолетний положительный опыт эксплуатации ГЭП с ВИД.
В настоящее время разработаны и находятся в эксплуатации СЭД с единичными
мощностями до 20 МВт, планируется внедрение СЭД с единичной мощностью до 30 МВт.
В настоящее время в постройке находятся гражданские суда с электродвижением,
предусматривающие установку около 60 гребных электроприводов преимущественно
иностранного производства на общую сумму более 11 млрд. руб. Ежегодная потребность
в СЭД составляет 19 единиц, на сумму 4800 млн. руб.
Доля стоимости иностранных комплектующих в структуре стоимости судового оборудования составляет для гражданского сектора от 40 до 85% и более.
Выполненная разработка модуля одновального гребного электропривода с ВИД
мощностью 30 МВт с опытным образцом многофазного вентильно-индукторного электродвигателя мощностью 15 МВт подтвердила соответствие характеристик СЭД установленным самым жестким требованиям к СЭД ледоколов.
ГЭП с ВИД имеет неоспоримые преимущества по ряду характеристик в сравнении с
ГЭП на основе других типов электрических машин, имеет положительный опыт эксплуатации и может быть рекомендован для установки на корабли и суда с единичной мощностью на валу до 30 МВт включительно.
В условиях ухода с российского рынка зарубежных поставщиков главным приоритетом становится проектирование судового оборудования и систем на основе отечественных
комплектующих. Одним из основных преимуществ ГЭП с ВИД является возможность выбрать силовые электронные приборы с большим запасом по напряжению и току и использовать вместо IGBT транзисторов IGCT тиристоры отечественного производства.
Развитие собственного производства широкой номенклатуры продукции судостроительной промышленности позволит Российской Федерации проводить самостоятельную и
независимую политику, направленную на обеспечение технологической безопасности
страны. Для решения столь сложной задачи необходим комплексный системный подход,
предполагающий тесное взаимодействие государства, бизнеса, научно-исследовательских
институтов, что в результате позволит выстроить оптимальную программу развития всей
отрасли. Одна из ключевых ролей в решении этой комплексной задачи должна отводится
90
прорывным научно-техническим разработкам и отраслевой экспериментальной базе, а
применительно к судовой энергетике и электротехнике – развитие нетрадиционных ЕЭЭС
и СЭД и уникальному электротехническому стенду 40 МВт ФГУП «Крыловский государственный центр».
91
Литература
1. Будущее российского флота // PRо Атом : [сайт]. Санкт-Петербург, 2016. URL:
http://proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=7067
(дата
обращения:
12.05.2022).
2. Ледокольный флот России – от угольного «Ермака» до атомного «Ленина» // Хабр
: [сайт]. Москва, 2021. URL: https://habr.com/ru/post/576550/ (дата обращения: 12.05.2022).
3. Половинкин В.Н., Рахманов А.Л., Фомичев А.Б. Военно-морские силы стран мира.
Санкт-Петербург : 24 линия, 2021. 650 с.
4. Шляхтенко А.В., Захаров И.Г., Барановский В.В. Тенденции эволюционного развития схемного исполнения энергетических установок многоцелевых надводных кораблей
// Морской вестник. 2021. № 3(79). С. 1–11.
5. Путин заявил о необходимости форсированного импортозамещения // РИА Новости : [сайт]. Москва, 2022. URL: https://ria.ru/20220316/importozameschenie1778499851.html (дата обращения: 12.05.2022).
6. Предприятия ОСК готовы вывести импортозамещение на новый уровень // Объединенная
судостроительная
корпорация
:
[сайт].
Москва,
2022.
URL:
https://www.aoosk.ru/press-center/news/predpriyatiya-osk-gotovy-vyvesti-mportozameshcheniena-novyy-uroven/ (дата обращения: 01.06.2022).
7. Состояние и перспективы развития судовых электроэнергетических систем и систем электродвижения / И.М. Калинин, В.В. Комаров, В.А. Хомяк, Г.М. Шевелев ; Военноморской политехн. ин-т ВУНЦ ВМФ «Военно-морская академия». Санкт-Петербург :
ВМПИ, 2021. 194 с.
8. Савченко О.В., Половинкин В.Н. Современное состояние, проблемы и перспективы
развития отечественного гражданского судостроения // Труды Крыловского гос. науч.
центра. 2022. Вып. 3 (401). (в печ.)
9. Мавлюдов М.А., Русецкий А.А. Основы теории и проектирования водометных
движителей. Санкт-Петербург : ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, 2009. 91 с.
10. Калинин И.М., Балабанов Б.А. Судовые электротехнические комплексы. Термины
и определения // Морской вестник. 2013. Спец. вып. 2 (11) : Судовые электроэнергетические системы и гребные электрические установки : докл. Всероссийской науч.-техн. конференции. С. 26–30.
11. О моделировании нагрузки гребных электродвигателей ледоколов при проведении стендовых и виртуальных испытаний систем электродвижения / Н.В. Васильев, И.М.
Калинин, В.Н. Половинкин [и др.] // Труды Крыловского гос. науч. центра. 2022. Вып. 1
(399). С. 15–30. DOI: 10.24937/2542-2324-2022-1-399-15-30.
12. Гребные электрические установки атомных ледоколов / А.С. Быков, В.В. Башаев,
В.А. Малышев, В.В. Романовский. Санкт-Петербург : Элмор, 2004. 319 с.
13. Распоряжение Правительства Российской Федерации от 28.10.2019 №2553-р.
14. План мероприятий по импортозамещению в судостроительной отрасли Российской Федерации на период до 2024 г. : утв. Приказом Минпромторга России от 02.08.2021
№ 2916 // Минпромторг России : официальный сайт. Москва, 2021. URL:
https://minpromtorg.gov.ru/docs/#!vn_prikaz__2916_ot_02082021
(дата
обращения:
31.05.2022).
15. Чем отличается синхронный двигатель от асинхронного // Электрик Эксперт :
[сайт].
URL:
https://elektrikexpert.ru/chem-otlichaetsya-sinhronnyj-dvigatel-otasinhronnogo.html (дата обращения: 12.05.2022).
16. Опыт создания вентильных индукторных машин и вентильных машин с постоянными магнитами и их применение в электротрансмиссиях / С.А. Пахомин, Ф.А. Реднов,
Д.В. Крайнов [и др.] // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2017. Т.
60, № 3. С. 5–11. DOI 10.17213/0136-3360-2017-3-5-11.
92
17. Силовые полупроводниковые устройства для управления двигателями переменного тока : учебный модуль / Сост. Н.Н. Казачковский ; Шнейдер Электрик. [Днепропетровск], 2017. 193 с.
18. Калинин И.М., Михненок М.В., Анцев И.Б. Электрически привод. СанктПетербург: ВМИИ, 2009. 240 с.
19. Гагаринов И.В. Структуры систем электродвижения большой мощности // Труды
Крыловского гос. науч. центра. 2021. Вып. 1 (395). С. 119–133. DOI: 10.24937/2542-23242021-1-395-119-131.
20. Опыт разработки и перспективы применения вентильно-индукторных электроприводов на военно-морском флоте России / Г.К. Птах, А.П. Темирев, Д.А. Звездунов, А.А.
Цветков // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2014. № 6. С. 32–37.
DOI 10.17213/0136-3360-2014-6-32-37.
21. Гребной вентильный индукторный реактивный двигатель для морского буксира
мощностью 2 МВт. Результаты предварительных испытаний / Г.К. Птах, В.А. Карабак,
Д.А. Протасов [и др.] // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2010.
№ 5. С. 35–38.
22. Темирев А.П. Разработка проблемно-ориентированных компонентов электротехнических комплексов дизель-электрической подводной лодки и систем управления ими :
дис. ... д-ра техн. наук : 05.09.03 / А.П. Темирев ; [С.-Петерб. гос. мор. техн. ун-т]. Новочеркасск, 2006. 466 с.
23. Птах Г.К. Сравнительная оценка электрических двигателей переменного тока
асинхронного и синхронного типов с целью применения их в гребных электроустановках
ледоколов большой мощности // Известия высших учебных заведений. Электромеханика.
2019. Т. 62. № 5. С. 24-30. DOI 10/17213/0136-3360-2019-5-24-30.
24. Правила классификации и постройки морских судов. Ч. XI. Электрическое оборудование : НД № 2-020101-152 / Российский морской регистр судоходства. СанктПетербург, 2022. 373 с.
25. Компьютерное моделирование судовой электроэнергетической системы с вентильно-индукторным гребным электроприводом / И.М. Калинин, М.А. Николаев,
М.В. Третьяк, А.Н. Опарин // Труды Крыловского гос. науч. центра. 2020. Вып. 3(393).
С. 54–67. DOI: 10.24937/2542-2324-2020-3-393-54-67.
26. Калинин И.М. Компьютерная модель асинхронного гребного электропривода с
тремя обмотками на статоре// Труды Крыловского гос. науч. центра. 2021. Вып. 1(395). С.
132–140. DOI 10.24937/2542-2324-2021-1-395-132-140.
27. ГОСТ Р 57412-2017. Компьютерные модели в процессах разработки, производства и эксплуатации изделий. Общие положения. Москва : Стандартинформ, 2018. IV, 10
с.
28. Бычков М.Г. Алгоритмы и системы управления вентильно-индукторного электропривода // Вентильно-индукторный электропривод : Доклады научно-практического
семинара. Москва : Изд-во МЭИ, 2006. С. 34–73.
29. Калинин И.М. Моделирование судовых электроэнергетических систем. СанктПетербург : ВМИИ, 2011. 299 с.
30. Статические преобразователи электроэнергии и качество электроэнергии /
И.М. Васин, Г.С. Ясаков, И.М. Калинин [и др.] // Судостроение. 2010. № 4. С. 45–49.
93