Full Text

Введение. В последнее время в отечественном судостроении наметилась тенденция строительства специальных типов судов и кораблей большой мощности с использованием систем электродвижения [1-3]. Использование систем электродвижения позволяет получить лучшие эксплуатационные и энергетические характеристики по сравнению с системами, использующими механическую передачу от теплового двигателя к валу винта [1, 2]. Особенно данная тенденция постройки характерна для судов и кораблей, у которых гребная электрическая установка является единственным типом установки, удовлетворяющим жестким требованиям эксплуатационного характера. Вопросам проектирования и эксплуатации систем электродвижения уделяется большое внимание. Их разработкой и совершенствованием заняты все ведущие производители судостроительной области. Получение новых эксплуатационных качеств у современных типов судов и кораблей ведет к увеличению мощности гребных электроприводов, что стимулирует внедрение новых технологий в системы электродвижения судов. Так, модернизация ледокольного флота нашей страны и амбициозные планы по строительству самых мощных в мире ледоколов связаны с планами освоения новых территорий Арктики, а также возможностью круглогодичного использования Северного морского пути [4]. Необходимость повышения мощности таких ледоколов вызвана еще и тем, что они должны иметь широкий корпус для осуществления проводки танкеров класса «афромакс» и прочих судов и кораблей по Северному морскому пути с высокой скоростью. Существующие ледоколы этого делать не могут. Поэтому мощность гребных электродвигателей постоянно повышается. Кроме судов гражданского флота системы полного электродвижения начинают масштабно внедряться на корабли и подводные лодки ВМФ. Суммарная мощность электроустановок таких судов и кораблей доходит до сотен МВт. На Балтийском заводе сегодня изготавливают три атомных ледокола проекта 22220 с мощностью гребной электрической установки 60 МВт (3 винта по 20 МВт) [5, 6]. В 2015 г. ОАО «ЦКБ “Айсберг”» совместно с ФГУП «Крыловский государственный научный центр» в рамках реализации федеральной целевой программы «Развитие гражданской морской техники на 2009-2016 гг.» разработали концептуальный проект атомного ледокола «Лидер» с суммарной установленной мощностью на гребных винтах 120 МВт (4 винта по 30 МВт на каждом) [6, 7]. В военном кораблестроении системы полного электродвижения реализованы на подводных лодках и на нескольких типах судов вспомогательного флота. Так, за последние 10 лет в рамках государственного оборонного заказа в ЦМКБ «Алмаз», в КБ «Вымпел» совместно с филиалом «ЦНИИ СЭТ» ФГУП «Крыловский государственный научный центр» спроектированы и внедрены единые электроэнергетические системы ЭЭС с системами электродвижения для ряда новых судов: проект 19910 - гидрографичекское судно «Вайгач»; проект 20180 - транспортно-поисковое судно «Звездочка»; проект 21300 - спасательное судно «Игорь Белоусов»; проект 22030 - морской спасательный буксир «Охотск»; проект 21180 - ледокол «Илья Муромец» и другие [6]. Наибольшая установленная мощность уже сданных в эксплуатацию судов доходит до 7 МВт. Эксплуатация таких судов подтвердила высокие эксплуатационные качества систем электродвижения. В системах электродвижения используется электрическая технология передачи энергии от теплового двигателя к гребному электрическому двигателю, которая предполагает выработку электроэнергии, согласование и преобразование ее параметров для управления гребным электродвигателем (рис. 1). Рис. 1. Структура движительного комплекса судна, наиболее распространенная на данный момент времени Такая структура движительного комплекса характерна для всех ранее упоминаемых проектов и состоит из первичного теплового двигателя, электрического генератора, распределительного устройства, согласующего трансформатора, преобразователя частоты и гребного электродвигателя [6]. Каждый из элементов данной структуры выполнен на полную мощность движительного комплекса, следовательно, имеет большие габариты и массу. С ростом установленной мощности системы электродвижения возникают существенные проблемы с реализацией, размещением, компоновкой и обеспечением ее надежной работы. К настоящему времени накоплен опыт использования различных типов гребных электродвигателей. Особенностями гребных электродвигателей являются большая мощность и низкие обороты вращения ротора. Массогабаритные показатели двигателя определяются величиной его электромагнитного момента. Поскольку гребные электродвигатели имеют большую мощность и низкие обороты вращения ротора, то их массогабаритные показатели значительно уступают таковым высокооборотных электродвигателей. При этом согласующий трансформатор в такой структуре по массогабаритным показателям мало уступает гребному электродвигателю. Электрический преобразователь в структуре, изображенной на рис. 1, содержит большое количество дорогих и сложных элементов. При большой мощности возникают трудности с его реализацией на существующей элементной базе. Выпускаемая номенклатура силовых электронных ключей на большие токи и напряжения весьма ограничена, а по допустимым значениям тока и напряжения имеется технологический предел, ограничивающий мощность проектируемых электрических преобразователей. Кроме этих задач еще много разнообразных задач, связанных с алгоритмами управления электропривода движительного комплекса, которые позволят улучшить энергетические и эксплуатационные характеристики. Указанным проблемам посвящено множество публикаций и исследований, что свидетельствует об актуальности выбора структуры движительного комплекса судна [1, 3, 8]. Таким образом, широкое применение систем электродвижения на различных типах судов ограничено большой массой, габаритами, стоимостью, а также низкой надежностью и сложностью используемого электрооборудования. При практической реализации систем электродвижения встает вопрос их технической реализуемости, связанной с возможностью размещения электрооборудования на ограниченных площадях судна. Еще одним фактором, ограничивающим использование систем электродвижения, является их сложность, требующая высокой квалификации обслуживающего и ремонтного персонала. Рост установленной мощности систем электродвижения требует разработки, проектирования и внедрения как новой современной элементной базы, так и новых схемотехнических решений при построении электродвижительного комплекса судна [1]. В данной работе предлагается при проектировании электродвижительного комплекса судна большой мощности рассматривать гребной электропривод и систему его электроснабжения как единое целое. Такой комплексный подход к системе электродвижения судна позволит улучшить ее массогабаритные, энергетические и эксплуатационные характеристики. Выбор типа электромеханического преобразователя. В качестве гребных электродвигателей находят применение все типы классических электрических машин (синхронные (СД), асинхронные (АД), постоянного тока (ДПТ)), у которых обмотки находятся как на статоре, так и на роторе. Альтернативой структуре электродвижения, изображенной на рис.1, является система Г-Д (генератор-двигатель) [9], которая является лучшей по критерию массогабаритных показателей. Однако она имеет ограничения по мощности и ряд недостатков эксплуатационного характера, связанных с использованием ДПТ. На вновь строящихся судах ДПТ в качестве гребных электродвигателей не используются. Самым распространенным типом гребного электродвигателя был и остается асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором. Однако в настоящее время внимание специалистов, занимающихся гребным электроприводом, обращено на электрические машины различных конструкций, у которых обмотки на роторе отсутствуют. Это синхронные машины с постоянными магнитами (СМПМ) и реактивные машины, имеющие пассивный ротор [10, 11]. Отсутствие потерь мощности в роторе у крупных машин упрощает систему их охлаждения и является их большим достоинством [12]. У реактивных машин намагничивание ротора происходит за счет токов в обмотке статора. Для фиксации и размещения магнитных полюсов на роторе реактивной машины используются различные конструктивные решения. Одним из вариантов конструкции ротора реактивной машины является его зубчатая форма [10]. Другой вариант конструкции ротора применяется у реактивных машин с анизотропной магнитной проводимостью ротора (РЭМАМПР) [11]. Существуют два вида конструктивных решений, позволяющих придать материалу ротора анизотропные магнитные свойства: продольная шихтовка ротора изогнутыми определенным образом стальными листами (РЭМАМПР-А) [13, 14]; поперечная шихтовка ротора стальными листами со специальными вырезами (РЭМАМПР-Т) [15, 16]. Для намагничивания магнитопровода электрических машин получили распространение два типа обмоток на статоре. Одна обмотка классического типа, как правило, распределенная, она состоит из нескольких фазных обмоток, имеющих между собой магнитные связи [11]. Обмотка другого типа также состоит из нескольких фазных обмоток, образованных двумя секциями с короткими лобовыми частями. Короткие лобовые части обусловливают отсутствие магнитных связей между фазами. Статор таких обмоток имеет зубчатую форму [10]. Машины с зубчатым статором и ротором называют также вентильно-индукторными (ВИ). Считается, что РЭМАМПР-Т более технологична в изготовлении, и такую четырехполюсную машину промышленно выпускает фирма АВВ. Гребные электрические двигатели имеют низкую частоту вращения ротора, следовательно, как правило, их выполняют многополюсными. Конструктивно РЭМАМПР-Т весьма проблематично изготовить с большим числом пар полюсов, а вот РЭМАМПР-А можно выполнить практически с любым требуемым числом пар полюсов. Кроме того, по энергетической эффективности РЭМАМПР-А лучше, чем РЭМАМПР-Т [17]. Поэтому при изготовлении гребных электродвигателей предпочтение может быть отдано РЭМАМПР-А [12]. В 2015 г. совместно с ПАО «НИПТИЭМ» была спроектирована и изготовлена шестиполюсная РЭМАМПР-Т мощностью 500 кВт на номинальную частоту вращения 1000 об/мин, которая прошла успешные испытания и подтвердила высокие энергетические и эксплуатационные характеристики. На данный момент времени в филиале «ЦНИИ СЭТ» ФГУП «Крыловский государственный научный центр» спроектирована и изготавливается двадцатиполюсная РЭМАМПР-А мощностью 1,7 МВт на номинальную частоту вращения 300 об/мин. В таблице приведены достоинства и недостатки рассмотренных типов электрических машин. Согласно таблице большинством достоинств, а также лучшими эксплуатационными характеристиками обладает реактивная электрическая машина с анизотропной магнитной проводимостью ротора (РЭМАМПР). Достоинства и недостатки наиболее распространенных типов электрических машин переменного тока Двигатель Достоинства Недостатки АД - Возможность работы во второй зоне; - Отработанная технология изготовления; - Возможность управлять намагниченностью магнитопровода - Наличие больших потерь мощности в роторе и необходимость отвода тепла от ротора; - Низкий коэффициент полезного действия СД - Возможность работы во второй зоне; - Хорошие энергетические характеристики; - Возможность управлять намагниченностью магнитопровода - Необходимость электрического преобразователя для управления обмоткой возбуждения и обмоткой возбуждения и статора; - Наличие подвижного электрического контакта; - Потери в роторе СДМП - Лучшие энергетические характеристики; - Отсутствие электрических потерь в роторе - Невозможность снять возбуждение, что при возникновении аварийных режимов может приводить к катастофическим последствиям; - Дороговизна магнитов; - Сложная технология изготовления ротора; - Низкий уровень ремонтопригодности на объекте Окончание таблицы Двигатель Достоинства Недостатки ВИ - Простота изготовления; - Простой коммутатор; - Отсутствие электрических потерь в роторе - Большая масса; - Большое количество коммутаторов и кабелей РЭМАМПР - Простая конструкция - Хорошие энергетические характеристики; - Возможность работы во второй зоне; - Лучшие массогабаритные характеристики; - Отсутствие электрических потерь в роторе; - Возможность управлять намагниченностью магнитопровода - Неотработанная технология проектирования роторов крупных электрических машин Сравнить массогабаритные характеристики различных типов электрических машин, приведенных в таблице, можно с использованием данных гребных электрических машин, имеющихся в существующих проектах ледоколов и буксиров. На рис. 2 и 3 приведены диаграммы удельной массы и удельного объема гребных электродвигателей. Из данных диаграмм следует, что лучшими массогабаритными показателями обладает РЭМАМПР. ДПТ АД CM ВИ РЭМАМПР т/мВт 16 8 12 4 Рис. 2. Диаграмма удельной массы гребных электродвигателей на ледоколах и буксирах различных проектов Из приведенного анализа следует, что электропривод с РЭМАМПР по энергетическим характеристикам превосходит самый распространенный электропривод с АД. Кроме того, по ряду эксплуатационных характеристик, надежности и безопасности, а также технологии изготовления, особенно для электрических машин большой мощности, РЭМАПР превосходит все известные типы электрических машин. ДПТ АД CM ВИ РЭМАМПР м3/мВт 16 8 12 4 Рис. 3. Диаграмма удельного объема гребных электродвигателей на ледоколах и буксирах различных проектов Выбор типа электрического преобразователя. Для управления гребными электродвигателями используются электрические преобразователи, построенные с использованием силовых электронных ключей. Предельные мощности электрических преобразователей ограничивает коммутационная способность электронных ключей, выпускаемых на данный момент времени. В качестве электрического преобразователя наибольшее распространение получили непосредственные преобразователи частоты и преобразователи частоты со звеном постоянного тока, построенные с использованием силовых электронных ключей. Непосредственные преобразователи частоты реализуются в основном на полууправляемых полупроводниковых ключах-тиристорах, а преобразователи частоты со звеном постоянного тока - на полностью управляемых полупроводниковых ключах-транзисторах. Отличительной особенностью непосредственных преобразователей частоты является однократное преобразование электрической энергии и простота построения силовой части электрического преобразователя. К недостаткам непосредственных преобразователей частоты относятся: низкое качество синтезируемого напряжения, а также значительные ограничения по диапазону регулирования скорости. Кроме того, к недостаткам следует отнести возможность ложного срабатывания и самопроизвольного открытия тиристоров. Тем не менее следует отметить, что непосредственные преобразователи частоты имеют неоспоримые преимущества по массогабаритным характеристикам и имеют право на использование. В последнее время во всех отраслях промышленности практически все регулируемые электроприводы строят на основе преобразователей частоты со звеном постоянного тока, которые состоят из выпрямителя и инвертора. В гребных электроприводах для увеличения единичной установленной мощности таких преобразователей частоты и улучшения качества синтезируемого напряжения инверторы, как правило, выполняют многоуровневыми [18-23]. При этом значительно усложняется схемотехника преобразователя частоты. К недостаткам такого преобразователя частоты можно отнести большие габариты, вес, а также низкую надежность при его использовании, поскольку выход любого из элементов силовой структуры приводит к выходу из строя всего электрического преобразователя. На современной элементной базе максимально достижимая мощность преобразователя частоты с трехуровневым инвертором составляет 5 МВт. При этом частота модуляции не превышает 400…500 Гц. Низкая частота модуляции влечет низкое качество модулированного напряжения на выходе инвертора. Альтернативой преобразователю частоты с многоуровневыми инверторами являются каскадные преобразователи частоты [24-27]. Каскадный преобразователь частоты представляет собой матрицу, образованную из элементарных ячеек. Каждая ячейка представляет собой трехфазно-однофазный преобразователь частоты. При этом каждый однофазный преобразователь частоты выполнен на стандартных и широко распространенных низковольтных электронных ключах. Однако для питания каждого из однофазных преобразователей частоты требуются гальванически изолированные источники электрической энергии. Для гальванической развязки обычно используются многообмоточные трансформаторы. Выходные выводы ячеек каждой выходной фазы каскадного электрического преобразователя соединяются последовательно и образуют фазные выводы, при этом условные начала фаз каскадного электрического преобразователя соединяют между собой, а условные концы фаз подключают к нагрузке. Поскольку ячейки соединяются последовательно, то наращивание мощности каскадного электрического преобразователя происходит за счет увеличения его выходного напряжения, а не тока. Модулированное напряжение на выходе каскадного преобразователя является многоуровневым и имеет высокое качество [24-27]. Сравнительный анализ рассмотренных электрических преобразователей позволяет сделать вывод: в мощных гребных электроприводах предпочтительным является использование каскадного преобразователя. Выбор структуры электродвижительного комплекса. При проектировании электроэнергетической системы судна обычно отдельно проектируются электростанция и электропривод движительного комплекса. Поэтому возникает необходимость использования согласующих трансформаторов, сложных распределительных устройств, наличие которых является наиболее существенным недостатком структуры гребного электропривода (см. рис. 1). Для исключения этого недостатка предлагается использовать комплексный подход, рассматривая электростанцию и электропривод движительного комплекса как единое целое. При этом из структуры можно исключить согласующий трансформатор напряжения, который является основным недостатком каскадного преобразователя частоты при его общепромышленном исполнении, а также значительно упростить главные и вторичные распределительные щиты. Использование каскадного преобразователя частоты позволит реализовать движительный комплекс судна большой мощности без трансформатора при ограничениях, наложенных на параметры силовых электронных ключей. На рис. 4 представлена идея реализации гребного электропривода большой мощности без согласующего трансформатора с каскадным преобразователем частоты. В представленной структуре число гальванически изолированных друг от друга трехфазных обмоток электрического генератора равно числу трехфазно-однофазных ячеек каскадного преобразователя частоты. Достоинством предложенной структуры является ее модульность, которая обеспечивает гибкость построения электродвижительной установки с различным числом генераторов, гребных электродвигателей и номинальным уровнем напряжения и тока. Управление зарядом конденсаторов в звене постоянного тока ячеек преобразователя может быть реализовано путем воздействия на обмотку возбуждения электрического генератора. Это позволит избавиться от устройств мягкого пуска. Кроме того, в долевых режимах работы движительного комплекса путем воздействия на систему возбуждения генератора можно повысить качество синтезируемого напряжения на выходе каскадного преобразователя частоты и, следовательно, ВШХ электропривода. QF1 QF2 QF3 QF4 QF5 QF6 UZ1 UZ2 UZ3 UZ4 UZ5 UZ6 VD1-VD6 VT1-VT5 G M Рис. 4. Структура движительного комплекса судна большой мощности с каскадным электрическим преобразователем и одним многообмоточным электрическим генератором Пример альтернативной реализации гребного электропривода ледокола проекта 22220 с каскадным преобразователем и РЭМАМПР приведен на рис. 5. Отличительной особенностью данной структуры является отсутствие согласующих трансформаторов и сложных и габаритных распределительных щитов. Для данной структуры произведен выбор компонентов и выполнен расчет энергетических и эксплуатационных характеристик. Расчет электрического преобразователя выполнен, исходя из допустимой перегрузки гребного электродвигателя по величине момента, кратной 1,8 номинала. В качестве силовых транзисторов выбраны модули фирмы «FUJI ELECTRIC» типа 1MBI3600VD-170E. При этом каждый из каскадных преобразователей частоты способен обеспечить регулирование действующего линейного напряжения на выходе в диапазоне от 0 до 7300 В. Результаты расчета массогабаритных показателей альтернативной структуры сравнивались с показателями исходной структуры гребного электропривода проекта 22220, содержащей трасформаторы, преобразователи частоты с многоуровневым инвертором напряжения и АД (рис. 6). Исходя рис. 6, следует, что масса и габариты структуры на основе РЭМАМПР и каскадного преобразователя частоты значительно меньше. Гребной электродвигатель 165 об/мин 2´10 МВт Гребной электродвигатель 165 об/мин 2´10 МВт Гребной электродвигатель 165 об/мин 2´10 МВт QF1-QF15 QF16-QF30 UZ1 UZ2 QF31-QF45 UZ3 QF46-QF60 UZ4 QF61-QF75 UZ5 QF76-QF90 UZ6 15´3 15´3 15´3 15´3 15´3 15´3 G G G G G G M M M M M M Каскадный преобразователь частоты Трехфазно-однофазный преобразователь частоты VD1-VD6 VT1-VT5 Выход U = 0,7300 В Рис. 5. Пример бестрансформаторной реализации гребного электропривода ледокола проекта 22220 с каскадным преобразователем и РЭМАМПР т/мВт 25 15 20 100 м3/мВт 35 30 25 20 А А Б Б Рис. 6. Диаграмма удельной массы и удельного объема источников электроэнергии и электропривода проекта 22220 для варианта А - исходного, Б - альтернативного Кроме того, следует отметить, что отсутствуют согласующие трансформаторы, а главное распределительное устройство и различные распределительные щиты в предложенном варианте значительно проще. Качество синтезируемого напряжения в альтернативном варианте с каскадным преобразователем частоты будет значительно выше, чем у преобразователя с многоуровневым инвертором в исходном варианте. Следует отметить, структура альтернативного варианта имеет высокую надежность. Отказ одного из генераторов, ячейки преобразователя или гребного электродвигателя не приведет к отказу всей гребной электрической установки. Выводы. Предложенная бестрасформаторная структура движительного комплекса судна обладает следующими достоинствами: - отсутствие силового согласующего трансформатора, рассчитанного на полную мощность электропривода судна; - использование простого серийно выпускаемого оборудования и элементной базы, высокая степень унификации, ремонтопригодности и взаимозаменяемости; - использование низковольтных элементов и компонентов в трехфазно-однофазных ячейках преобразователя при возможности управлять мощным высоковольтным гребным электродвигателем; - самое высокое качество синтезируемого напряжения и тока среди всех типов электрических преобразователей; - возможность использования высокооборотного первичного теплового двигателя генераторного агрегата, который обладает лучшими массогабаритными и энергетическими характеристиками и увеличенным ресурсом; - повышение коэффициента загрузки и ресурса первичных тепловых двигателей за счет возможности выбора числа работающих генераторных агрегатов при заданной мощности на валу гребного электродвигателя; - модульность предложенной структуры обеспечивает унификацию и стандартизацию используемых элементов, а также простоту диагностики, ремонта и замены вышедшего из строя элемента; - масштабируемость обеспечивается гибкостью построения системы с возможностью подключения дополнительных трехфазно-однофазных ячеек; - снижение скорости нарастания напряжения (dU/dt) на нагрузке, что помогает избежать резонансов электромагнитных процессов, происходящих в электроприводах гребных винтов; - возможность реализовать гребной электропривод практически неограниченной мощности при ограничениях, наложенных на параметры используемых силовых ключей ячеек; - высокая надежность, обусловленная простотой трехфазно-однофазных ячеек, а также возможностью исключения из работы отказавшей ячейки.

About the authors

F. A Gelver

FSUE Krylov State Research Center; GUMRF named after Admiral S.O. Makarova

I. V Belousov

FSUE Krylov State Research Center; GUMRF named after Admiral S.O. Makarova

V. F Samoseiko

FSUE Krylov State Research Center; GUMRF named after Admiral S.O. Makarova

References

Statistics

Views

Abstract - 2284

PDF (Russian) - 209

Refbacks

• There are currently no refbacks.