СУДОСТРОЕНИЕ 4'1999
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПЕРСПЕКТИВНОЙ ДЭПЛ
Б. В. Никифоров, Д. Ю. Шишкин (ЦКБ МТ «Рубин
В концепцию создания перспективной дизель-электрической подводной лодки (ДЭПЛ) в качестве основной составляющей входит достижение высокой эффективности используемого оборудования, что, в конечном итоге, направлено на получение максимально возможных значений дальности плавания в подводном положении. Экономичность является одним из важнейших параметров при построении электроэнергетической системы (ЭЭС) ДЭПЛ. Рассмотрим основные пути повышения эффективности ЭЭС.
Система электродвижения на базе электродвигателя с постоянными магнитами. Проблема совершенствования гребного электродвигателя (ГЭД) до недавнего времени в основном сводилась к обеспечению наиболее высокой экономичности в режиме движения малыми скоростями. На ДЭПЛ устанавливался либо специальный низкооборотный ГЭД постоянного тока (ГЭДпт), либо использовался всережимный ГЭД с дополнительными преобразователями цепи якоря. В первом случае КПД электродвигателя не превышает 77, а во втором 68%.
Одно из перспективных направлений улучшения основных показателей ГЭД на подводных лодках — это использование вентильных электродвигателей с системой возбуждения, основанной на постоянных магнитах (ГЭДпм), позволяющее получить КПД до 95% благодаря отсутствию потерь на возбуждение, улучшить удельные характеристики, а также пусковые и регулировочные характеристики и повысить надежность работы (табл. 1).
Низкий уровень воздушного и структурного шумов системы электродвижения (СЭД) с такими ГЭД достигается благодаря снижению электрических, магнитных и механических шумов, а также уменьшению частоты вращения линии вала и гребного винта.
Высокая надежность этой СЭД обеспечивается многоканальной системой питания и использованием многофазной электромашины с независимыми обмотками, в результате чего выход из строя всех каналов, кроме одного, не приведет к полному отказу СЭД.
Использование быстродействующих выключателей в схеме главного тока. Традиционно все ДЭПЛ отечественного производства строятся по двубортному принципу, оба борта соединяются параллельно в щи-
те управления главным ГЭД. При коротких замыканиях (КЗ) по этой схеме возможно полное обесточивание ДЭПЛ на время срабатывания автоматических выключателей, расположенных в щитах батарейных автоматов, при котором все ответственные потребители должны обеспечивать работу от собственных источников электроэнергии. Кроме того, при выходе из строя любого помещения (возгорание, затопление) невозможно локализовать аварийную ситуацию и сохранить ход ДЭПЛ от СЭД, отключив поврежденный борт.
В связи с высокой энергоемкостью групп аккумуляторной батареи (АБ) токи КЗ на проектируемых ДЭПЛ могут достигать величин, которые невозможно отключить существующими автоматическими выключателями.
Решить указанные проблемы можно, используя в перемычке между бортами ЭЭС быстродействующие выключатели со временем срабатывания в четыре-пять раз меньше постоянной времени тока КЗ. Такие выключатели позволяют: снизить время обесточи-вания ДЭПЛ при тяжелой аварии в 40—100 раз; уменьшить ударные значения токов короткого замыкания в два раза; отключить поврежденные участки ЭЭС с сохранением в ряде случаев движения от СЭД; снизить энергию импульсов коммутационных перенапряжений.
Ускоренный режим заряда аккумуляторной батареи. Мощность дизель-генератора (ДГ), устанавливаемого на ДЭПЛ, определяется током заряда АБ и временем заряда. Считалось, что чем больше установленная мощность ДГ, тем лучше. Однако эффективность использования мощных ДГ невысока. Объясняется это следующими причинами:
с возрастанием мощности ДГ увеличивается расход топлива при работе на парциальных режимах. Дальность плавания в режиме работы дизеля под водой падает (при одних и тех же затратах мощности и запасах топлива) с увеличением мощности генераторов, так как рассчитывается при 25—40% мощности ДГ
максимальная мощность используется непродолжительное время (табл. 2).
Мощности ДГ, установленных на российских ПЛ, обычно примерно в два раза превышают соответствующие мощности на ПЛ ФРГ на единицу энергоемкости АБ, а по току заряда на 1 Ач в некоторых случаях в три раза. Несмотря на такое огромное превос-
СУДОСТРОЕНИЕ 4'WV
военное КОРАБЛЕСТРОЕНИЕ
Таблица 1
Сравнительные показатели гребного электрооборудования
Параметр ГЭДпт
Количество ГЭД 1 2
Занимаемый объем, % 52 100
Масса, % 55 100
КПД, %:
при номинальной нагрузке 100 97
при экономическом ходе 100 85
Требуемый объем охлаждающей жидкости, % 30 100
Суммарная длина СЭД, % 38 100
ходство в установленных мощностях, ДЭПЛ российского производства до недавнего времени уступали по расчетному коэффициенту скрытности. Объясняется это, в частности, тем, что на немецких ДЭПЛ рекомендованы ускоренные режимы заряда, позволяющие снизить время заряда практически в два раза без изменения установленной мощности ДГ. Незначительный недозаряд АБ на 2— 3% компенсируется улучшением в два раза коэффициента скрытности. Этот режим обеспечивает некоторое снижение мощности ДГ с соответствующим повышением дальности плавания в режиме работы дизеля под водой.
Аккумуляторная батарея. На ПЛ необходимо устанавливать АБ, сочетающие высокие энергетические и ресурсные показатели. В настоящее время новые отечественные АБ имеют на 5—12% выше энергоемкость по сравнению с АБ на ДЭПЛ класса «Kilo».
Из табл. 3 видно, что российские АБ являются наиболее энергоемкими аккумуляторами. Кроме того, они обладают рядом достоинств, отсутствующих у зарубежных аналогов:
допускают полный многократный разряд, в то время как разряд зарубежных АБ свыше 80% допускается раз в полгода—год;
заряд АБ проводится до сообщения им полной емкости (немецкие аккумуляторы рекомендуется заряжать только до 80% емкости, в противном случае ресурсные характеристики снижаются);
низкое (более чем в два раза) внутреннее сопротивление АБ и, соответственно, высокая энергоемкость в кратковременных режимах разряда; более высокие токи заряда. Следует отметить, что российские АБ последних моделей соответствуют и по ресурсным характеристикам лучшим мировым образцам.
Исключение многочисленных преобразований электроэнергии.
Значительная экономия электроэнергии при движении ДЭПЛ на малых скоростях хода может быть достигнута за счет исключения многократного преобразования электроэнергии. На существующих ДЭПЛ используется большое количество сетей переменного и постоянного тока. Централизованные сетевые преобразователи в основных режимах эксплуатации ДЭПЛ работают на парциальных режимах, так как при движении ДЭПЛ малыми скоростями значительно снижается потребление электроэнергии общекорабельными механизмами и устройствами. Поэтому загрузка установленных преобразователей на действующих ДЭПЛ составляет не более 15—25%. Необходимо отметить, что практически ни один потребитель электроэнергии переменного тока не использует непосредственно получаемую электроэнергию, а преобразует ее в напряжение постоянного тока.
Общий КПД цепочки преобразования составляет не более 50— 60%, а при использовании электромашинного преобразователя электроэнергии — 20—30%. Эти потери приводят не только к непроизводительному расходу электроэнергии АБ, но и к значительным тепловыделениям, что, в свою очередь, требует установки более мощной системы кондиционирования и вентиляции, также потребляющей много энергии. Так, при дополнительных тепловых
потерях в 5 кВт для сохранения дальности плавания необходимо установить дополнительно АБ общей массой около 6 т.
При организации питания систем радиоэлектроники непосредственно от основной силовой сети и использовании современной элементной базы КПД конвертора, непосредственно преобразующего напряжение основной силовой сети в пониженное 5—27 В, достигает 85— 88%.
Следовательно, на ДЭПЛ максимально возможное количество потребителей должно получать электроэнергию непосредственно от основной силовой сети постоянного тока. В таком случае снижение потребления электроэнергии составит до 25% от суммарной мощности, потребляемой в режиме экономического хода.
Маломощная сеть переменного тока может предусматриваться только для питания бытовых электромеханизмов, сигнально-отличительных огней и вторичных потребителей электроэнергии, перевод которых на питание от сети постоянного тока нецелесообразен.
Отказ от централизации повысит надежность систем распределения и преобразования электроэнергии.
Отказ от вращающихся электрических преобразователей. Опыт эксплуатации ДЭПЛ показал низкую эффективность работы вращающихся машинных преобразователей. На номинальных параметрах их КПД составлял в зависимости от мощности и исполнения не более 75—85%, а при работе на частичных нагрузках (особенно на малых скоростях движения) мог снижаться до 45—60%.
Современные статические преобразователи (СП) имеют значительные преимущества перед электромеханическими, благодаря чему обеспечивается построение эффективных систем преобразования электроэнергии с учетом традиционных для ДЭПЛ ограничений по объему,
Таблица 2
Основные характеристики ЭЭС различных ДЭПЛ
Номер проекта Суммарная емкость АБ Е, А-ч Количество и мощность ДГ, кВт Весовой процент, кВт/(А-ч) Максимальный ток заряда I А 'max, А 'maxA 1/ч
209 48 000 4 x 405 0,0338 4315 8,98
212 16 000 1 x 940 0,0588 1100 6,88
206 Ок. 20 000 2 x 440 0,0440 2361 11,80
военное К0РАБЛ1СТР01НИ1
СУДОСТРОЕНИЕ 4'1VW
Таблица 3
Удельные характеристики АБ различных производителей
Емкость
Фирма-производитель А-ч/кг А-ч/л Вт- ч/кг Вт-ч/л
АО «Балтэлектро» (Россия) 25,25 75,13 50,5 150,27
АО «Балтэлектро» (Россия) 26,25 78,11 52,5 156,22
Varta (Германия) 24,67 73,35 48,62 144,53
SBL (Индия) 25,00 72,69 49,25 143,21
CIL (Великобритания) 24,23 72,26 47,69 142,24
Энергия
тепловыделениям и энергоемкости источников.
СП намного более эффективен по сравнению с электромашинным преобразователем и занимает до 50% меньше объема. Его КПД составляет не менее 90% и практически не изменяется в широком диапазоне изменения
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.