Система распределения мощности

Система распределения мощности

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Настоящее изобретение, в общем, имеет отношение к системам распределения мощности, а в частности, к системам распределения мощности, которые могут быть использованы на борту морских судов для подачи электропитания на один или несколько гребных электродвигателей, а также дополнительно на системы электроснабжения судна.

Предпосылки к созданию изобретения

Пример традиционной морской системы тяги (приведения в движение) и распределения мощности показан на фиг.1. Группы дизельных двигателей D используют для привода индивидуальных ас генераторов (генераторов переменного тока) G. Эти генераторы подают ас мощность (мощность переменного тока) на первую распределительную доску или шину MVAC1 среднего напряжения и на вторую распределительную доску или шину MVAC2 среднего напряжения. Шины среднего напряжения снабжены защитной коммутационной аппаратурой, которая содержит автоматические выключатели и объединенные с ними органы управления, показанные на фиг.1 символом х. Силовые преобразователи PC используют для согласования шин среднего напряжения с электрическими гребными электродвигателями РМ, которые приводят в действие гребные винты. Шины среднего напряжения связаны друг с другом при помощи защитной коммутационной аппаратуры.

В большинстве систем электроснабжения судна требуется низкое напряжение, которое удобно получать от указанных шин среднего напряжения с использованием трансформатора. В традиционной морской системе тяги и распределения мощности, показанной на фиг.1, первая распределительная доска или шина LVAC1 низкого напряжения подключена к первой шине MVAC1 среднего напряжения через первый трансформатор Т1 и защитную коммутационную аппаратуру. Вторая распределительная доска или шина LVAC2 низкого напряжения подключена ко второй шине MVAC2 среднего напряжения через второй трансформатор Т2 и защитную коммутационную аппаратуру. Шины низкого напряжения связаны между собой при помощи защитной коммутационной аппаратуры. Группы различных электрических нагрузок (названных нагрузками LVAC) могут быть подключены к шинам низкого напряжения.

Несмотря на то, что удобно подключать шины низкого напряжения к шинам среднего напряжения, такое подключение обычно ведет к проблемной связи гармонических искажений. Другими словами, гармонические искажения на шинах среднего напряжения, вызванные, например, работой гребных электродвигателей, будут передаваться через трансформаторы Т1 и Т2 на шины низкого напряжения. Если электрические нагрузки, подключенные к шинам низкого напряжения, требуют низких гармонических искажений (то есть высокого качества электропитания (QPS)), то могут возникать проблемы, связанные с обеспечением их нормальной работы. Кроме того, некоторые нагрузки, подключенные к шинам низкого напряжения, сами могут создавать гармонические искажения на шинах низкого напряжения. Эти гармонические искажения будут передаваться через трансформаторы Т1 и Т2 на шины среднего напряжения.

Для подавления таких гармонических искажений обычно используют большие и дорогие фильтры F, подключенные к шинам среднего напряжения.

Другой возможностью подавления гармонических искажений является использование фазосдвигающих трансформаторов вместо трансформаторов Т1 и Т2.

В других традиционных морских системах тяги и распределения мощности, в которых используют ас источник низкого напряжения, и схема построения которых соответствует схеме, показанной на фиг.1, используют первую и вторую шины MVAC1 и MVAC2 среднего напряжения, которые просто работают при низком напряжении. При этом может возникать случай, когда номинальная мощность гребных электродвигателей РМ недостаточна для гарантированного использования ас источника питания среднего напряжения. Обычно на гребные электродвигатели РМ подают другой уровень низкого напряжения, чем на нагрузки LVAC. Например, тяговые нагрузки могут иметь питающее напряжение 690 V (вольт), в то время как нагрузки электроснабжения судна могут иметь питающее напряжение 440 V.

В таких системах низкого напряжения обычно используют крупные вспомогательные электрические нагрузки, такие как, например, поворотные движители, насосы и подъемные краны, на которые подают такое же напряжение питания, что и на гребные электродвигатели. Таким образом, несмотря на то, что на фиг.1 показаны только тяговые нагрузки (силовые установки), подключенные к первой и второй шинам MVAC1 и MVAC2 среднего напряжения, следует иметь в виду, что к этим шинам могут быть подключены и другие электрические нагрузки.

Более того, в некоторых случаях используют тяговые (силовые) преобразователи PC для подключения гребных электродвигателей РМ к первой и второй шинам MVAC1 и MVAC2 среднего напряжения, которые, вместе с другими крупными вспомогательными электрическими нагрузками, могут потребовать введения дополнительных технических решений, связанных с увеличением веса и стоимости, чтобы минимизировать гармонические искажения в этих шинах. Использование таких дополнительных технических решений позволяет исключить фильтры F. Вне зависимости от того, какой подход используют для минимизации гармонических искажений, всегда требуется идти на существенное увеличение веса и стоимости, чтобы поддерживать QPS на первой и второй шинах MVAC1 и MVAC2 среднего напряжения, обеспечивающее аналогичное удовлетворительное поддержание QPS на шинах LVAC1 и LVAC2 низкого напряжения.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является устранение указанной выше проблемной связи гармонических искажений и создание системы распределения мощности, которая содержит: первую шину распределения; вторую шину распределения; мультиимпульсный выпрямитель, имеющий выводы, электрически подключенные к первой шине распределения; и генератор с множеством выходов, который имеет первую и вторую гальванически изолированные обмотки статора, причем первая обмотка статора создает первый многофазный a c _ выход с n фазами и подключена к первой шине распределения (при необходимости при помощи мультиимпульсного выпрямителя, в том случае, когда первая шина распределения несет d c _ напряжение распределения (напряжение распределения постоянного тока)), для подачи первого напряжения распределения на первую шину распределения, а вторая обмотка статора создает второй многофазный a c _ выход с m фазами и подключена ко второй шине распределения, для подачи второго напряжения распределения на вторую шину распределения; причем n фаз первого a c _ выхода имеют фазовый сдвиг относительно m фаз второго ас выхода.

Фазовый сдвиг первого ас выхода относительно второго a c _ выхода приводит к снижению гармонических искажений, причина которого будет объяснена далее более подробно. На практике, второй a c _ выход работает как эталонный выход и фазы первого a c _ выхода имеют фазовый сдвиг относительно него.

Первая обмотка статора преимущественно разделена на две или больше добавочных обмоток статора, причем каждая обмотка статора создает часть n фаз первого ас выхода.

Добавочные обмотки статора преимущественно гальванически изолированы друг от друга и от второй обмотки статора.

Как первая, так и вторая обмотка статора содержат множество соединенных вместе витков и образуют многофазные обмотки статора. Группы общего тока для генератора с множеством выходов будут работать при различных напряжениях и фазовых зависимостях гармонических искажений. Группы общего тока также могут работать при различных коэффициентах мощности.

N фаз первого a c _ выхода преимущественно имеют главным образом симметричный фазовый сдвиг относительно m фаз второго a c _ выхода. Типично, первая часть n фаз первого a c _ выхода имеет фазовый сдвиг на заданный положительный угол относительно m фаз второго ас выхода, а вторая часть n фаз первого выхода имеет фазовый сдвиг на заданный отрицательный угол относительно m фаз второго ас выхода. Заданный положительный угол и заданный отрицательный угол преимущественно имеют главным образом одинаковую величину.

В первой возможной схеме построения, первый a c _ выход представляет собой шестифазный a c _ выход, а второй a c _ выход представляет собой трехфазный a c _ выход. Три фазы первого a c _ выхода имеют фазовый сдвиг на заданный положительный угол относительно второго a c _ выхода и три другие фазы первого a c _ выхода имеют фазовый сдвиг на заданный отрицательный угол относительно второго a c _ выхода. Заданный положительный угол составляет около +15 градусов, а заданный отрицательный угол составляет около -15 градусов. Мультиимпульсный выпрямитель представляет собой 12-импульсный выпрямитель.

Во второй возможной схеме построения, первый a c _ выход представляет собой двенадцатифазный a c _ выход, а второй a c _ выход представляет собой трехфазный a c _ выход. Три фазы первого a c _ выхода имеют фазовый сдвиг на первый заданный положительный угол относительно второго a c _ выхода, три другие фазы первого a c _ выхода имеют фазовый сдвиг на второй заданный положительный угол относительно второго a c _ выхода, три другие фазы первого a c _ выхода имеют фазовый сдвиг на первый заданный отрицательный угол относительно второго a c _ выхода, и три другие фазы первого a c _ выхода имеют фазовый сдвиг на второй заданный отрицательный угол относительно второго a c _ выхода. Первый заданный положительный угол составляет около +22.5 градусов, второй заданный положительный угол составляет около +7.5 градусов, первый заданный отрицательный угол составляет около -7.5 градусов, и второй заданный отрицательный угол составляет около -22.5 градусов. Мультиимпульсный выпрямитель представляет собой 24-импульсный выпрямитель.

Конденсаторная батарея может быть подключена ко второму a c _ выходу, чтобы обеспечивать дополнительное снижение гармонических искажений и влиять на возбуждение генератора с множеством выходов. В первой возможной схеме построения, токи гармонических составляющих порядка больше 7 не снижаются за счет фазового подавления внутри генератора и гармоники порядка ниже 8 могут иметь не идеальное фазовое подавление. Во второй возможной схеме построения, токи гармонических составляющих порядка больше 13 не снижаются за счет фазового подавления внутри генератора и гармоники порядка ниже 14 могут иметь не идеальное фазовое подавление. Таким образом, второй ас выход генератора будет иметь гармонические искажения напряжения. Действие конденсаторной батареи, совместно с реактивным и активным сопротивлениями электрической машины, можно сравнить с действием LC фильтра второго порядка, однако практическая природа электрической машины такова, что фильтрация отклоняется от идеальной характеристики. Тем не менее, действие конденсаторной батареи обеспечивает полезную фильтрацию гармоник. За счет удаления основной гармоники тока в опережающем коэффициенте мощности, конденсаторная батарея также обеспечивает возбуждение генератора. Основной MVAR номинал конденсаторной батареи не должен быть избыточным в перспективе обычной устойчивости, причем конденсаторная батарея должна содержать средства ограничения бросков пускового тока.

Первая шина распределения (MVAC1) может нести a c _ напряжение распределения, которое создано при помощи первой обмотки статора генератора с множеством выходов.

Вторая шина распределения (LVAC1) также может нести a c _ напряжение распределения, которое создано при помощи второй обмотки статора генератора с множеством выходов.

Первая a c _ шина распределения будет нормально работать как шина среднего напряжения (MV) или шина низкого напряжения (LV), а вторая a c _ шина распределения будет нормально работать как шина низкого напряжения. Таким образом, в том случае, когда система распределения мощности представляет собой морскую систему тяги и распределения мощности, a c _ мощность, генерируемая при помощи генератора с множеством выходов, может быть распределена при среднем или низком напряжении (например, 6.6 kV или 690 V) на одну или несколько систем приведения в движение через первую ас шину распределения, и при низком напряжении (например, 440 V) на системы энергоснабжения судна через вторую ас шину распределения.

Мультиимпульсный выпрямитель может быть электрически подключен между первой шиной распределения и гребным электродвигателем. Другими словами, многофазный выпрямитель может являться частью силового преобразователя, который также содержит d c _ звено и инвертор, который электрически подключен к ас выводам ас гребного электродвигателя. Если используют d c _ гребной электродвигатель, то тогда его d c _ выводы в некоторых случаях могут быть непосредственно соединены с d c _ выводами мультиимпульсного выпрямителя, а в других случаях могут быть подключены к d c _ выводам мультиимпульсного выпрямителя за счет введения преобразователя постоянного тока.

Первая шина распределения может нести d c _ напряжение распределения. В такой схеме построения, мультиимпульсный выпрямитель электрически подключен между первой обмоткой статора генератора с множеством выходов и первой шиной распределения, чтоб выпрямлять первый a c _ выход (первое a c _ выходное напряжение). Другими словами, напряжение распределения, которое имеется на первой шине распределения, получают непосредственно от первого a c _ выхода генератора за счет действия выпрямления мультиимпульсного выпрямителя.

Система распределения мощности может иметь дополнительные шины распределения. Шины распределения, которые имеют такое же напряжение распределения, могут быть взаимосвязаны при помощи защитной коммутационной аппаратуры. Все компоненты (например, генераторы с множеством выходов, силовые преобразователи и нагрузки низкого напряжения) могут быть подключены к шинам распределения при помощи защитной коммутационной аппаратуры, которая содержит автоматические выключатели и объединенные с ними органы управления.

Каждая шина распределения может получать мощность от дополнительных генераторов с множеством выходов. Например, в одной возможной схеме построения, система распределения мощности может иметь два или несколько генераторов с множеством выходов, первые a c _ выходы которых связаны с первой шиной распределения (возможно, после выпрямления при помощи мультиимпульсного выпрямителя, в том случае, когда первая шина распределения несет d c _ напряжение распределения), а вторые a c _ выходы которых связаны со второй шиной распределения. Любая практическая система распределения мощности может работать с различным числом "островков" распределения мощности, но при совместном использовании параллельно подключенных генераторов с множеством выходов и при тщательном контроле переходов между рабочими режимами. Все указанные островки могут быть включены параллельно, чтобы получить единую островную конструкцию (например, для вращения единственного гребного электродвигателя), или могут быть разделены для обеспечения резервирования и постепенного снижения функциональных возможностей в случае отказов оборудования. Каждым генератором с множеством выходов преимущественно управляют при помощи автоматического регулятора напряжения (AVR) в соответствии с подходящим аналоговым или цифровым процессом или алгоритмом управления.

Гребной электродвигатель может быть подключен к мультиимпульсному выпрямителю с использованием соответствующего промежуточного силового преобразователя, причем это может быть электродвигатель любого подходящего типа (индукционный, синхронный и т.д.). Однако следует иметь в виду, что при необходимости и другие электрические нагрузки могут быть подключены к мультиимпульсному выпрямителю.

Может быть использован обычный мультиимпульсный выпрямитель промышленного или морского типа. Точный тип использованного мультиимпульсного выпрямителя будет влиять на рабочие характеристики и функциональные возможности системы распределения мощности, особенно в случае отказов оборудования. Мультиимпульсный выпрямитель может иметь стандартную последовательную или параллельную конфигурацию и в нем могут быть использованы, например, диоды или тиристоры. Если используют тиристоры, то они обычно должны работать с минимальным углом задержки включения, однако они также могут иметь фазовое управление для обеспечения защитных или других регулирующих функций. Какой бы ни была конфигурация и использованные в ней полупроводниковые силовые приборы, в том случае, когда первая шина распределения несет a c _ напряжение распределения, важно, чтобы система управления мультиимпульсным выпрямителем, устройство переключения выпрямителя и d c _ звено фильтрации не нарушали фазовый баланс во всех a c _ магистралях первой шины распределения. Например, если используют стандартную последовательную конфигурацию, то тогда d c _ напряжение смещения имеется между индивидуальными фазовыми группами первой обмотки статора.

Мультиимпульсный выпрямитель может быть использован в комбинации с любыми обычными типами инверторов источника напряжения, такими как, например, основанный на IGBT инвертор с двумя уровнями ШИМ или инвертор с тремя уровнями ШИМ. При условии сохранения фазового баланса в a c _ магистралях первой шины распределения, мультиимпульсный выпрямитель также может быть использован в комбинации с другими хорошо известными инверторами источника тока d c _ звена преобразователей частоты. Инвертор может быть частью силового преобразователя, который содержит мультиимпульсный выпрямитель, или может быть расположен между первой шиной распределения и гребным электродвигателем, например, в том случае, когда первая шина распределения несет d c _ напряжение распределения.

Два или несколько мультиимпульсных выпрямителей при необходимости могут быть подключены к первой шине распределения.

Другие многофазные приводы с регулируемой скоростью, приводы с постоянной скоростью и электрические нагрузки не приводного типа могут быть подключены к первой шине распределения. В том случае, когда первая шина распределения несет a c _ напряжение распределения, важно, чтобы мультиимпульсные выпрямители не нарушали фазовый баланс в a c _ магистралях первой шины распределения.

Не связанные с использованием преобразователя многофазные электрические нагрузки также могут быть подключены к первой шине распределения. В том случае, когда первая шина распределения несет a c _ напряжение распределения, важно, чтобы многофазные нагрузки не нарушали фазовый баланс в a c _ магистралях первой шины распределения. Кроме того, когда последовательно включенные мультиимпульсные выпрямители отбирают мощность от первой шины распределения, важно, чтобы такие не связанные с использованием преобразователя многофазные нагрузки не нарушали d c _ напряжение смещения, которое имеется между индивидуальными фазовыми группами первой обмотки статора.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показана принципиальная схема традиционной морской системы тяги и распределения мощности.

На фиг.2 показана принципиальная схема морской системы тяги и распределения мощности в соответствии с первым вариантом настоящего изобретения.

На фиг.3 показана детально принципиальная схема генератора с двумя выходами (DOG), имеющего шестифазный a c _ выход и трехфазный a c _ выход.

На фиг.4 показана схема фазового подавления гармоник.

На фиг.5 показана детально принципиальная схема DOG, имеющего двенадцатифазный a c _ выход и трехфазный a c _ выход.

На фиг.6 показана принципиальная схема морской системы тяги и распределения мощности в соответствии со вторым вариантом настоящего изобретения, которая имеет d c _ архитектуру распределения.

Несмотря на то, что последующее описание проведено со ссылкой на системы распределения мощности для морских применений, и в частности со ссылкой на системы тяги и распределения мощности, которые являются особенно предпочтительными для торговых судов, военно-морских кораблей и подводных лодок, специалисты легко поймут, что аналогичные топология построения системы и способ управления может быть использованы в других типах систем распределения мощности, например, установленных на земле или на летательных аппаратах.

На фиг.2 показана первая морская система тяги и распределения мощности в соответствии с настоящим изобретением. В этой системе использованы a c _ генераторы с двумя выходами (DOGs), которые имеют две гальванически изолированные многофазные статорные обмотки, причем каждая обмотка статора подключена к независимой нагрузке.

Как главный дизельный a c _ генератор с двумя выходами (DOG1), так и вспомогательный дизельный a c _ генератор с двумя выходами (DOG2) подают a c _ мощность на первую распределительную доску или шину MVAC1 среднего напряжения с одной из их многофазных обмоток статора и подают a c _ мощность на первую распределительную доску или шину LVAC1 низкого напряжения с другой из их многофазных обмоток статора. Аналогичным образом, другой главный дизельный a c _ генератор с двумя выходами (DOG3) и другой вспомогательный дизельный a c _ генератор с двумя выходами (DOG4) оба подают a c _ мощность на вторую распределительную доску или шину MVAC2 среднего напряжения с одной из их многофазных обмоток статора и подают a c _ мощность на вторую распределительную доску или шину LVAC2 низкого напряжения с другой из их многофазных обмоток статора. Легко можно понять, что каждая обмотка статора каждого генератора с двумя выходами создает другое a c _ выходное напряжение (например, 6.6 kV и 440 V или, в том случае, когда на шинах среднего напряжения имеется низкое напряжение, 690 V и 440 V).

Исключен трансформатор между шинами среднего и низкого напряжения, за счет чего повышен кпд всей морской системы тяги и распределения мощности, при одновременном снижении шума, вибраций, а также объема и массы оборудования.

Шины среднего напряжения несут среднее напряжение (MV) в качестве ас напряжения распределения (например, 6.6 kV, 60 Hz) и снабжены защитной коммутационной аппаратурой, которая содержит автоматические выключатели и объединенные с ними органы управления, показанные на фиг.2 символом ×. Шины MVAC1 и MVAC2 среднего напряжения взаимосвязаны при помощи защитной коммутационной аппаратуры. Легко можно понять, что шины MVAC1 и MVAC2 среднего напряжения могут иметь любое подходящее напряжение (в том числе низкое напряжение, например, 690 V, 60 Hz), причем такая схема построения не выходит за рамки настоящего изобретения.

Главный и вспомогательные дизельные ас генераторы DOG1, DOG2 с двумя выходами подключены к первой шине MVAC1 среднего напряжения при помощи защитной коммутационной аппаратуры. Аналогичным образом, главный и вспомогательные дизельные ас генераторы DOG3, DOG4 с двумя выходами подключены ко второй шине MVAC2 среднего напряжения при помощи защитной коммутационной аппаратуры. Несмотря на то, что это не показано на фиг.2, следует иметь в виду, что шины среднего напряжения могут быть разделены на две или больше отдельных секций, которые взаимосвязаны при помощи защитной коммутационной аппаратуры. Таким образом, отдельные секции каждой шины среднего напряжения, и сами первая и вторая шины среднего напряжения, могут быть избирательно изолированы друг от друга в некоторых рабочих режимах. За счет этого становится возможной работа морской системы тяги и распределения мощности с использованием одного или множества островков, если использовать соответствующее число ас генераторов с двумя выходами или с множеством выходов, шин среднего напряжения и секций шин.

Каждая первая и вторая система приведения в движение содержит силовой преобразователь PC, который введен между шинами MVAC1 и MVAC2 среднего напряжения и a c _ гребным электродвигателем РМ, который вращает гребной винт. Морская система тяги и распределения мощности также содержит первую и вторую системы привода поворотного движителя. Каждая система привода поворотного движителя содержит силовой преобразователь PC, который согласует шины MVAC1 и MVAC2 среднего напряжения с a c _ двигателем поворотного движителя (ТМ), который вращает гребной винт. Каждый силовой преобразователь PC, показанный на фиг.2, содержит 12-импульсный выпрямитель, d c _ звено и инвертор. Однако, в альтернативной схеме построения, когда первая и вторая системы приведения в движение содержат d c _ гребные электродвигатели или двигатели поворотного движителя, тогда каждый силовой преобразователь PC содержит только 12-импульсный выпрямитель.

Главный и вспомогательные дизельные a c _ генераторы DOG1, DOG2 с двумя выходами подключены к первой шине LVAC1 низкого напряжения при помощи защитной коммутационной аппаратуры. Аналогичным образом, главный и вспомогательные дизельные a c _ генераторы DOG3, DOG4 с двумя выходами подключены ко второй шине LVAC2 низкого напряжен