СУДОСТРОЕНИЕ 2'2015
ПРОМЫШЛЕННОСТЬ РОССИИ СПОСОБНА ОБЕСПЕЧИТЬ СТРОИТЕЛЬСТВО СИСТЕМ ЭЛЕКТРОДВИЖЕНИЯ ЛЮБОЙ МОЩНОСТИ ПРИ НАПРЯЖЕНИИ ДО 1000 В
(В порядке обсуждения)
Л. Н. Токарев, докт. техн. наук, тел. 812-2346818 (СПбГЭТУ/ЛЭТИ)
удк 629.5.03-83
До настоящего времени системы электродвижения гражданских судов и вспомогательных кораблей ВМФ проектировались и строились почти целиком с использованием электромеханического оборудования зарубежного производства (рис. 1—3). Например, главные распределительные щиты (ГРЩ) полностью комплектовались зарубежным электрооборудованием. Дизель-генераторы и гребные электродвигатели изготовляли немецкие фирмы. Устройства автоматического управления электростанцией поставлялись фирмой «Дэйф».
Рис. 1. Главный распределительный щит на российском судне с электродвижением. ГРЩ на 100% укомплектован изделиями зарубежного производства. Генераторные автоматы для ГРЩ поставлены фирмой «Шнайдер-Электрик»
Рис. 2. Гребной электродвигатель фирмы «Шорх» для российского судна с электродвижением. Фотография сделана в цехе завода фирмы «Шорх» перед поставкой на строящееся российское судно
Рис. 3. Преобразователь частоты, поставленный на российское судно с электродвижением для управления гребным электродвигателем. Все силовые вентили преобразователя частоты и микропроцессорные контроллеры поставлены зарубежными фирмами. Даже конструктивные элементы преобразователя изготовлены зарубежной фирмой «Риталл»
В связи с этим существует проблема безопасности эксплуатации уже построенных и строящихся судов с единой электроэнергетической системой (ЭЭС). Проектируемые и поставленные на суда преобразователи частоты имеют очень большое количество комплектующих в виде полупроводниковых устройств (от силовых вентилей до микропроцессорных контроллеров). Выход из строя каждого из них приводит к остановке гребного электродвигателя. Схемой преобразователя предусмотрены различные виды защиты, например от перегрева силовых вентилей, от аварии вентилей. В каждом таком случае возникает реальная возможность чрезвычайно опасной аварийной ситуации, при которой многотонная движущаяся масса судна становится неуправляемой. Такая ситуация возникла при ходовых испытаниях одного из судов. Не помогло даже то, что судно имело два винта с автономными системами управления. В результате судно с моря привели на буксире.
Указанная крайне негативная для российского флота ситуация с импортными поставками электромеханического оборудования может быть в самое ближайшее время кардинально изменена в лучшую сторону
СУДОСТРОЕНИЕ 2'2015
СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
Рис. 4. Структура ЭЭС судна «Seаgeiг»
путем использования прорывной технологии построения структур судовых электроэнергетических систем. Эта технология позволяет осуществить 100%-ное импортозамещение электромеханического оборудования проектируемых судов, полностью отказаться от зарубежных поставок оборудования судов с электродвижением.
Сущность новой (мультилиней-ной) технологии заключается в разделении потоков энергии, направляемых от генераторных агрегатов (дизель- и турбогенераторов) к гребному винту. Если до сих пор на судах зарубежной и отечественной постройки вся электроэнергия, генерируемая дизель- и турбогенераторами, объединялась на шинах ГРЩ электростанции, то по новой технологии энергия движения объединяется только на гребном валу.
Как видно из схемы, приведенной на рис. 4, все генераторы — G4) подсоединены к шинам ГРЩ. Гребные электродвигатели и потребители собственных нужд питаются от одной электрической точки. Такая структура называется единой.
Поскольку шины ГРЩ являются электрической точкой, то при коротком замыкании (КЗ) на любом фидере через его автомат пройдет ток, равный сумме токов КЗ всех генераторов. Существующие в России автоматы могут выдержать такой ток только в том случае, если при номинальном напряжении генераторов 400 В максимальная суммарная мощность судовой электростанции не превысит примерно 4 МВт. Если напряжение генераторов увеличить
до 690 В, максимальная суммарная мощность судовой электростанции не может быть более 6—7 МВт. Указанные ограничения связаны и с трудностями создания ГРЩ с чрезмерно большими номинальными токами шин.
Решить указанные проблемы можно путем разделения потоков мощности на части, как показано на рис. 5.
Судовая ЭЭС с мультилиней-ной структурой делится на автономные энергетические звенья и позволяет создавать системы электродвижения с мощностью на винте до нескольких десятков мегаватт с использованием серийного электрооборудования российского производства.
Существенно, что новая технология позволяет создавать подобные системы при напряжении до 1000 В. Это обстоятельство значительно облегчает эксплуатацию систем и подбор персонала, не требующего специальной подготовки по обслуживанию высоковольтных установок. Разделение электроэнер-
Сравнение «единой» и мультилинейной структур судовой ЭЭС
гетической системы на относительно маломощные звенья повышает надежность функционирования и живучесть системы движения.
Основным научно-производственным фактором, позволяющим решить подобные задачи, является освоение Саранским заводом «Электровыпрямитель» и предприятием «Ангстрем» серийного производства полупроводниковых кристаллов для силовых преобразователей частоты мощностью в несколько мегаватт. На этой основе обеспечено полностью отечественное серийное производство преобразователей частоты для систем электродвижения.
Разделение структуры энергетической системы на автономные области достигается за счет следующих мероприятий, которые могут использоваться в различных комбинациях:
1) применение многообмоточных гребных электродвигателей (ГЭД);
2) установка нескольких ГЭД на один вал с винтом;
3) применение автономных генераторных агрегатов, питающих отдельные обмотки ГЭД;
4) использование в составе судовой электростанции многообмоточных синхронных генераторов;
5) установка нескольких синхронных генераторов на один вал с первичным двигателем (дизелем или турбиной).
Рассмотрим более подробно принцип «мультилинейности». Обобщенно можно представить мульти-линейные структуры корабельной электроэнергетической системы в виде, приведенном на рис. 6 (для удобства оценки принципа из ее состава исключены потребители собственных нужд). Наиболее существенное качество мультилиней-ных структур — возможность снижения токов КЗ благодаря делению суммарной мощности системы электродвижения на произведение чисел, соответствующих количеству сдвоенных машин и трехфазных обмоток машин.
Главное заключается в том, что при любой установленной (т. е. суммарной) мощности генераторов на судне ток КЗ в ЭЭС
СУДОВЫЕ ЭНЕ^ГЕТ^ЧЕС^^Е УСТАНОВКИ судостроение 2205
Рис. 6. Мультилинейные структуры ЭЭС судов с электродвижением:
1 — структура с многообмоточным ГЭД; 2 — структура со сдвоенными ГЭД и генераторами; 3 — структура со сдвоенными генераторами и многообмоточным ГЭД; 4 — структура с многообмоточными генераторами и ГЭД
будет определяться только мощностью одной из статорных обмоток генератора. Следовательно, муль-тилинейная структура позволяет создать судовую ЭЭС практически любой мощности целиком с электрооборудованием российского производства.
Так, для ЭЭС судна с мощностью на винте 20 МВт (рис. 7) ток КЗ не превысит величины, соответствующей току КЗ одного автономного синхронного генератора мощностью 6 МВт, поскольку все генераторы работают автономно. Величина тока КЗ, даже при очень малой сверхпереходной реактивности, равной 0,12 о. е., не превысит 135 кА. Такой ударный ток вполне выдержит автомат типа ВА производства «Электросилы».
На рис. 8 показана ЭЭС судна с мощностью на винте 40 МВт при напряжении 690 В, а на рис. 9 — ЭЭС судна с мощностью на винте 60 МВт. Даже при таких больших мощностях ток КЗ в этой системе не превысит величины, соответствующей току КЗ одного автономного синхронного генератора мощностью 6 МВт при напряжении 690 В.
Учитывая, что преобразователи частоты (ПЧ) не создают ток подпитки точки КЗ, при мощности генераторов 6 МВт и напряжении 690 В (действующее значение) ток КЗ мо-
жет быть отключен существующими автоматическими выключателями российского производства.
Возможен вариант структуры с разделением основного ПЧ на выпрямительную и инверторную части, что может дать определенное преимущество (рис. 10).
В варианте, представленном на рис. 11, одинаковые напряжения на шинах ГРЩ увеличивают надежность электроснабжения потребителей собственных нужд, упрощают конструкцию ГЭД. Кроме того, в данной схеме может быть предусмотрена параллельная работа инверторов (ПЧ) мощностью по 2,75 МВт. Такое модульное исполнение инверторов в целом повышает надежность эксплуатации системы. Реализацию модульного исполнения преобразователей затрудняет то, что в области судовой электротехники до сих пор не решена проблема автоматического распределения нагрузки параллельно работающих силовых полупроводниковых преобразователей.
Рис. 7. ЭЭС судна с электродвижением с мощностью на винте 20 МВт
Рис. 8. ЭЭС судна с электродвижением с мощностью на винте 40 МВт при напряжении 690 В
Рис. 9. ЭЭС судна с электродвижением с мощностью на винте 60 МВт Рис. 10. Вариант схемы с разделением основных ПЧ на выпрямитель-при напряжении 690 В ную и инверторную части
СУДОСТРОЕНИЕ 2'2015
СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
Рис. 11. Структура ЭЭС с одинаковыми напряжениями основных и вспомогательных источников электроэнергии
Рис. 12. Структура судовой ЭЭС со сдвоенными ГЭД
Преимущество энергосистем со сдвоенными ГЭД (рис. 12) заключается в повышении надежности эксплуатации судна. Например, при срабатывании дифференциальной защиты от внутренних КЗ в гребном двигателе судно может продолжать движение. Снижение мощности каждого из ГЭД, установленных на одном валу, позволяет значительно уменьшить диаметр машины.
Возможности разработки и серийной поставки отечественного электрооборудования для реализации представленных структур. Все представленные структуры могут быть укомплектованы полностью отечественным электрооборудованием. Дизели для привода генераторов
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.