RU2375804C2 - Ship electric power system - Google Patents
Ship electric power system Download PDFInfo
- Publication number
- RU2375804C2 RU2375804C2 RU2008100930/09A RU2008100930A RU2375804C2 RU 2375804 C2 RU2375804 C2 RU 2375804C2 RU 2008100930/09 A RU2008100930/09 A RU 2008100930/09A RU 2008100930 A RU2008100930 A RU 2008100930A RU 2375804 C2 RU2375804 C2 RU 2375804C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- voltage
- converters
- rectifiers
- alternating current
- inverters
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Inverter Devices (AREA)
- Direct Current Feeding And Distribution (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области электротехники, а именно к электроэнергетическим системам питания, распределения и преобразования электрической энергии на судах.The invention relates to the field of electrical engineering, namely to electric power supply systems, distribution and conversion of electrical energy on ships.
Такие системы содержат судовые электростанции, снабженные генераторами переменного тока, электрическими сетями и электрическими преобразователями. Предлагаемая судовая электроэнергетическая система может быть использована для электроснабжения тех судов и кораблей различного назначения, в которых имеются крупные, соизмеримые по мощности с генераторами, двигатели переменного тока, а также двигатели переменного тока, скорость которых необходимо регулировать.Such systems include ship power plants equipped with alternators, electrical networks and electrical converters. The proposed marine electric power system can be used to power those ships and ships of various purposes in which there are large, comparable in power to generators, alternating current motors, as well as alternating current motors, the speed of which must be regulated.
Известна судовая электроэнергетическая система, содержащая электрическую станцию и электрическую сеть постоянного тока, к которой подключены автономные инверторы для питания крупных электродвигателей переменного тока (для привода гребных винтов и подруливающих устройств) и преобразователи переменного тока в постоянный. К этим преобразователям подключена электрическая сеть переменного тока, предназначенная для электроснабжения остальных потребителей судна [1, рисунок 4]. В этой системе имеется судовая электростанция постоянного тока. В ней каждый синхронный генератор подключен к входу неуправляемого выпрямителя, выход которого связан с электрической сетью постоянного тока. Выходные зажимы первых автономных инверторов подключены к крупным двигателям переменного тока. Такое решение обеспечивает регулирование скорости этих двигателей плавно и в широких пределах.A ship electrical power system is known, comprising a power station and a direct current electric network, to which autonomous inverters are connected to power large AC electric motors (to drive propellers and thrusters) and AC to DC converters. These converters are connected to an alternating current electric network, designed to power the remaining consumers of the vessel [1, Figure 4]. This system has a marine direct current power plant. In it, each synchronous generator is connected to the input of an uncontrolled rectifier, the output of which is connected to a direct current electric network. The output terminals of the first autonomous inverters are connected to large AC motors. This solution provides speed control of these engines smoothly and over a wide range.
Во время периодической коммутации тока с вентилей одной фазы неуправляемого выпрямителя на вентили другой фазы происходит кратковременное короткое замыкание между фазными зажимами генераторов. В течение этого процесса, повторяющегося шесть (или 12 - в зависимости от схем статорной обмотки генератора и выпрямителя) раз за период переменных величин генераторов, соответствующие линейные напряжения практически равны нулю. При этом напряжения генераторов существенно отличаются от синусоидальных, их коэффициенты формы и гармоник значительно выходят за пределы, допустимые для остальных потребителей электроэнергии судна. Низкое качество электроэнергии, вырабатываемой генераторами, исключает возможность непосредственного или через трансформаторы подключения остальных потребителей электроэнергии судна к шинам генераторов. Поэтому питание остальных потребителей производится более сложным способом.During periodic switching of the current from the valves of one phase of the uncontrolled rectifier to the valves of the other phase, a short-circuit occurs between the phase terminals of the generators. During this process, which is repeated six times (or 12, depending on the stator windings of the generator and rectifier) once during a period of variable values of the generators, the corresponding linear voltages are practically zero. At the same time, the voltage of the generators differs significantly from the sinusoidal ones, their shape and harmonics coefficients significantly exceed the limits acceptable for other ship electric power consumers. The low quality of the electricity generated by the generators eliminates the possibility of directly or through transformers connecting the remaining consumers of the ship’s electricity to the generator buses. Therefore, the nutrition of other consumers is made in a more complex way.
Выходные зажимы вторых автономных инверторов подключены к двигателям переменного тока, которые вращают синхронные генераторы, соединенные с сетью переменного тока, от которой получают питание все остальные судовые потребители электроэнергии. Частота и напряжение синхронных генераторов этих электромеханических преобразователей поддерживаются неизменными. Такое отделение электрических цепей остальных потребителей от электрических цепей синхронных генераторов судовой электростанции, позволяет обеспечить необходимое качество электроэнергии для остальных потребителей, получить практически синусоидальную форму подводимых к ним напряжений.The output terminals of the second autonomous inverters are connected to alternating current motors, which rotate synchronous generators connected to an alternating current network, from which all other ship electricity consumers are powered. The frequency and voltage of the synchronous generators of these electromechanical converters are kept constant. Such separation of the electrical circuits of the remaining consumers from the electrical circuits of the synchronous generators of the ship power station allows us to provide the necessary quality of electric power for the remaining consumers and to obtain an almost sinusoidal shape of the voltages supplied to them.
Наличие у системы-аналога двух основных электрических сетей: переменного и постоянного тока - позволяет получить следующие преимущества по сравнению с электроэнергетической системой с одной основной электрической сетью - переменного тока. Во-первых, снижается суммарная масса линий электропередачи. Это преимущество обусловлено следующими факторами. Напряжение в сети постоянного тока принимается значительно большим, чем линейное напряжение в сети переменного тока, что приводит к снижению значений постоянных токов при той же передаваемой мощности. При этом необходимо учитывать, что сеть переменного тока рассчитывается на передачу полной мощности, которая больше активной из-за наличия реактивных токов. Кроме того, расчетная плотность тока в одножильных кабелях постоянного тока выше, чем в трехфазных кабелях переменного тока. Этот фактор также способствует снижению суммарного сечения у кабелей каждой линии электропередачи постоянного тока. Во-вторых, в линиях передачи постоянного тока к потребителям большой мощности меньше потеря напряжения, чем в линиях переменного тока, так как на постоянном токе нет потери напряжения на индуктивном сопротивлении линии.The presence of an analog system of two main electrical networks: alternating current and direct current - allows you to get the following advantages compared to an electric power system with one main electric network - alternating current. Firstly, the total mass of power lines is reduced. This advantage is due to the following factors. The voltage in the DC network is taken much higher than the linear voltage in the AC network, which leads to a decrease in the values of constant currents at the same transmitted power. It should be borne in mind that the AC network is designed to transmit full power, which is more active due to the presence of reactive currents. In addition, the rated current density in single-core DC cables is higher than in three-phase AC cables. This factor also helps to reduce the total cross-sectional area of the cables of each DC power line. Secondly, in DC transmission lines to consumers of high power there is less voltage loss than in AC lines, since in DC there is no voltage loss on the inductive reactance of the line.
Недостатки аналога обусловлены использованием указанного сложного способа питания маломощных потребителей, которому сопутствует дополнительное тройное преобразование энергии. Это происходит при преобразовании постоянного тока в переменный в автономных инверторах. Далее электрическая энергия превращается в механическую в двигателях электромеханических преобразователей. Затем, наоборот, механическая энергия преобразуется в электрическую в генераторах этих преобразователей. Дополнительное тройное преобразование энергии приводит к увеличению массы, размеров и стоимости преобразователей электроэнергии, обеспечивающих указанное тройное преобразование электроэнергии, а также к дополнительным потерям энергии на каждом этапе ее преобразования.The disadvantages of the analogue are due to the use of this complex method of feeding low-power consumers, which is accompanied by an additional triple energy conversion. This occurs when converting direct current to alternating current in stand-alone inverters. Further, electric energy is converted into mechanical energy in the motors of electromechanical converters. Then, on the contrary, mechanical energy is converted into electrical energy in the generators of these converters. An additional triple energy conversion leads to an increase in the mass, size and cost of electric power converters providing the specified triple electric energy conversion, as well as to additional energy losses at each stage of its conversion.
От указанного недостатка свободна выбранная в качестве прототипа судовая электроэнергетическая система (бурового судна), содержащая судовую электрическую станцию переменного тока, электрическую сеть переменного тока, к которой подключены потребители переменного тока с постоянными значениями напряжения и частоты, силовые трансформаторы, электрическую сеть постоянного тока и управляемые выпрямители, выходные зажимы которых соединены с электрической сетью постоянного тока. Электрическая сеть переменного тока разделена на электрическую сеть переменного тока высокого напряжения и электрическую сеть переменного тока низкого напряжения. Электрическая сеть переменного тока высокого напряжения подключена к судовой электрической станции переменного тока. К электрической сети переменного тока высокого напряжения подключены входные зажимы управляемых выпрямителей и через силовые трансформаторы электрическая сеть переменного тока низкого напряжения [2, рисунок 1.2, б].The ship’s electric power system (of a drilling vessel) selected as a prototype is free from this drawback. It contains a ship’s alternating current electric power station, an alternating current electric network, to which alternating current consumers with constant voltage and frequency are connected, power transformers, direct current electric network and controlled rectifiers, the output terminals of which are connected to an electric DC network. The AC mains is divided into a high voltage AC network and a low voltage AC network. The high voltage alternating current electric network is connected to the ship alternating current electric station. The input terminals of controlled rectifiers and, through power transformers, the low-voltage alternating current electric network [2, Figure 1.2, b] are connected to the high voltage alternating current electric network.
Электрическая сеть переменного тока разделена на две части: с высоким (6500 В) и низким (400 В) напряжениями. Обе части соединены с помощью силовых трансформаторов. Среди потребителей переменного тока есть и те, мощность которых соизмерима с мощностью генераторов переменного тока электрической станции. К ним, в частности, относятся гребные синхронные двигатели и синхронные двигатели подруливающих устройств. Эти потребители получают питание от высоковольтной части электрической сети переменного тока. Остальные потребители подключены к низковольтной части этой сети.The AC mains is divided into two parts: with high (6500 V) and low (400 V) voltages. Both parts are connected using power transformers. Among the consumers of alternating current there are those whose power is comparable with the capacity of alternators of an electric station. These, in particular, include synchronous rowing motors and thrusters synchronous motors. These consumers receive power from the high-voltage part of the AC mains. The remaining consumers are connected to the low-voltage part of this network.
В качестве управляемых выпрямителей применены управляемые выпрямители тока, выполненные на основе тиристоров. Управляемые выпрямители подключены к высоковольтной части электрической сети переменного тока через токоограничивающие реакторы и трансформаторы. Во время периодической коммутации тока с вентилей одной фазы этих преобразователей на вентили другой фазы происходит кратковременное короткое замыкание между фазными зажимами генераторов. Сумма индуктивностей указанных токоограничивающих реакторов и индуктивностей рассеяния обмоток трансформаторов намного больше индуктивного сопротивления генератора. На этой суммарной индуктивности во время процесса коммутации, повторяющегося шесть раз за период переменных величин генераторов, падает большая часть ЭДС генератора. По этому причине его линейные напряжения мало отличаются от одноименных ЭДС. Благодаря этому качество электроэнергии, вырабатываемой генераторами, удовлетворяет требованиям, предъявляемым со стороны остальных потребителей судна. Поэтому удается обойтись без использования электромеханических преобразователей и тем самым устранить недостатки аналога.As controlled rectifiers applied controlled rectifiers based on thyristors. The controlled rectifiers are connected to the high-voltage part of the AC electric network through current-limiting reactors and transformers. During periodic switching of current from the valves of one phase of these converters to the valves of the other phase, a short-circuit occurs between the phase terminals of the generators. The sum of the inductances of these current-limiting reactors and the leakage inductances of the transformer windings is much greater than the inductance of the generator. At this total inductance during the switching process, repeated six times during the period of the variable values of the generators, most of the emf of the generator falls. For this reason, its linear voltages differ little from the same emf. Due to this, the quality of the electricity generated by the generators satisfies the requirements of the other consumers of the vessel. Therefore, it is possible to do without the use of electromechanical converters and thereby eliminate the disadvantages of the analogue.
Электрическая сеть постоянного тока представляет собой несколько изолированных одна от другой секций шин, переключателей для подключения крупных электродвигателей постоянного тока, входящих в технологический комплекс бурового судна, к этим секциям и электролиний, связывающих указанные управляемые выпрямители с секциями шин, а электродвигатели - с переключателями. Такая особенность электрической сети постоянного тока вызвана тем, что управляемый выпрямитель тока может обеспечивать работу только одного электрического привода.The direct current electric network consists of several sections of busbars isolated from one another, switches for connecting large DC motors included in the technological complex of the drilling vessel to these sections and electric lines connecting these controlled rectifiers with bus sections, and electric motors with switches. This feature of the DC electric network is caused by the fact that a controlled rectifier can provide only one electric drive.
Ряд недостатков прототипа связан с тем, что главными потребителями электроэнергии являются электроприводами постоянного тока, скорость которых регулируется изменением напряжения якоря двигателя постоянного тока с помощью указанных управляемых выпрямителей тока.A number of disadvantages of the prototype are related to the fact that the main consumers of electric power are direct current electric drives, the speed of which is regulated by a change in the voltage of the armature of the direct current motor using the indicated controlled current rectifiers.
Такому решению присущи следующие три недостатка.The following three disadvantages are inherent in such a solution.
1. Двигатели постоянного тока обладают значительно большей стоимостью, размерами и массой по сравнению с синхронными и асинхронными двигателями переменного тока. У двигателей постоянного тока имеются коллектор и щеточный аппарат. Их наличие обуславливает как пониженную надежность работы этих двигателей, так и необходимость регулярного ухода за ними, более частого, чем за двигателями переменного тока.1. DC motors have a significantly higher cost, size and weight compared to synchronous and asynchronous AC motors. DC motors have a collector and a brush apparatus. Their presence determines both the reduced reliability of these engines, and the need for regular care for them, more often than for AC motors.
2. Тиристорные управляемые выпрямители тока потребляют несинусоидальные токи. Их форма близка к трапецеидальной, а при малых нагрузках, в прерывистом режиме работы преобразователя, потребляемые токи являются импульсными. Высшие гармонические составляющие несинусоидальных токов создают потери мощности не только в генераторах и линиях передачи, но и в других элементах судовой электроэнергетической системы, в частности в асинхронных двигателях. К тому же под действием высших гармоник искажаются механические характеристики этих двигателей.2. Thyristor controlled rectifiers consume non-sinusoidal currents. Their shape is close to trapezoidal, and at low loads, in intermittent operation of the converter, the current consumption is pulsed. Higher harmonic components of non-sinusoidal currents create power losses not only in generators and transmission lines, but also in other elements of the ship's electric power system, in particular in asynchronous motors. Moreover, under the action of higher harmonics, the mechanical characteristics of these engines are distorted.
3. Первая гармоника тока, потребляемого тиристорным управляемым выпрямителем тока, содержит не только активную, но и индуктивную составляющую. Доля реактивной составляющей в потребляемом токе возрастает по мере уменьшения выходного напряжения постоянного тока на выходе преобразователя. Реактивные токи этих преобразователей дополнительно нагружают линии передачи и генераторы, создают в них потери мощности. Наличие этих токов может потребовать увеличения номинальной мощности генераторов и сечения проводников тока линий электропередачи.3. The first harmonic of the current consumed by the thyristor controlled rectifier current contains not only the active, but also the inductive component. The share of the reactive component in the consumed current increases as the output DC voltage decreases at the output of the converter. Reactive currents of these converters additionally load transmission lines and generators, create power losses in them. The presence of these currents may require an increase in the rated power of the generators and the cross section of the current conductors of the power lines.
Еще два недостатка, четвертый и пятый, обусловлены тем, что в прототипе крупные двигатели переменного тока (например, двигатели гребные, а также подруливающих устройств), пусковые токи которых близки к номинальному току генератора судовой электростанции, подключаются к электрической сети напрямую, без каких-либо преобразователей и устройств, предназначенных для ограничения пусковых токов.Another two drawbacks, the fourth and fifth, are due to the fact that in the prototype large AC motors (for example, propeller motors, as well as thrusters), the starting currents of which are close to the rated current of the generator of a ship power station, are connected directly to the electric network without any or converters and devices designed to limit inrush currents.
Четвертый недостаток заключается в том, что большие пусковые токи таких двигателей вызывают значительные кратковременные «провалы» напряжения в электрической сети переменного тока. Эти провалы, хотя и находятся в допустимых пределах, но все же ухудшают работу всех судовых потребителей электроэнергии, подключенных к указанной электрической сети: резко уменьшается светоотдача осветительных приборов, тормозятся электродвигатели. Если, как иногда бывает, запуск двигателя прерывается до достижения подсинхронной скорости, то возникает значительный «заброс» напряжения в электрической сети переменного тока. При этом резко возрастают токи всех потребителей, подключенных к сети переменного тока, может выйти из строя часть ламп накаливания и т.д.The fourth drawback is that the high starting currents of such motors cause significant short-term “voltage dips” in the AC electric network. Although these dips are within acceptable limits, they nevertheless worsen the work of all ship electricity consumers connected to the indicated electric network: light output of lighting devices decreases sharply, electric motors are braked. If, as it sometimes happens, the engine start is interrupted until the sub-synchronous speed is reached, then there is a significant “surge” in the voltage in the AC electric network. At the same time, the currents of all consumers connected to the AC network sharply increase, some incandescent lamps, etc. can fail.
Пятый недостаток относится к линиям электропередачи, к которым подключены крупные асинхронные двигатели. Даже при номинальной нагрузке потребляемый этими двигателями реактивный ток превосходит половину потребляемого активного тока. Наличие таких значительных реактивных токов вызывает дополнительные потери мощности в электроэнергетической системе, приводит к необходимости завышения сечения токоведущих жил кабелей и, следовательно, их массы и стоимости.The fifth drawback relates to power lines to which large asynchronous motors are connected. Even at rated load, the reactive current consumed by these motors exceeds half the consumed active current. The presence of such significant reactive currents causes additional power losses in the electric power system, leading to the need to overestimate the cross-section of current-carrying cable conductors and, consequently, their mass and cost.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является улучшение технико-экономических показателей судовой электроэнергетической системы.The task to which the invention is directed is to improve the technical and economic indicators of the ship's electric power system.
Технический результат, который достигается при решении такой задачи, выражается в следующем:The technical result that is achieved when solving such a problem is expressed in the following:
упрощается электрическая сеть постоянного тока: в нее вводятся общие шины, к которым подсоединяются выходы всех выпрямителей и все линии электропередачи постоянного тока к преобразователям, питающим потребители электроэнергии;the direct current electric network is simplified: common buses are introduced into it, to which the outputs of all rectifiers and all direct current power lines are connected to converters supplying power consumers;
снижается суммарная масса линий электропередачи как переменного, так и постоянного тока;the total mass of power lines of both alternating and direct currents decreases;
уменьшаются потери мощности в электрических сетях;power losses in electric networks are reduced;
снижаются «провалы» напряжения при включении двигателей и преобразователей электроэнергии;“voltage dips” are reduced when motors and power converters are turned on;
уменьшаются искажения формы токов и напряжений в судовой электроэнергетической системе, которые возникают при работе управляемых выпрямителей.the distortions in the shape of currents and voltages in the ship's electric power system that occur during operation of controlled rectifiers are reduced.
Поставленная задача достигается тем, что в судовой электроэнергетической системе, содержащей судовую электрическую станцию переменного тока, электрическую сеть переменного тока, к которой подключены потребители переменного тока с постоянными значениями напряжения и частоты, силовые трансформаторы, электрическую сеть постоянного тока и управляемые выпрямители, выходные зажимы которых соединены с электрической сетью постоянного тока, причем электрическая сеть переменного тока разделена на электрическую сеть переменного тока высокого напряжения и электрическую сеть переменного тока низкого напряжения, электрическая сеть переменного тока высокого напряжения подключена к судовой электрической станции переменного тока, к электрической сети переменного тока высокого напряжения подключены входные зажимы управляемых выпрямителей и через силовые трансформаторы электрическая сеть переменного тока низкого напряжения,This object is achieved by the fact that in a ship’s electric power system comprising a ship’s alternating current electric power station, an alternating current electric network, to which alternating current consumers with constant values of voltage and frequency are connected, power transformers, direct current electric network and controlled rectifiers, the output terminals of which connected to an electrical network of direct current, and the electrical network of alternating current is divided into an electrical network of alternating current voltage and the low-voltage alternating current electric network, the high-voltage alternating current electric network is connected to the ship alternating current electric power station, the input terminals of controlled rectifiers are connected to the high-voltage alternating current electric network and the low-voltage alternating current electric network is connected through power transformers,
в качестве управляемых выпрямителей использованы управляемые выпрямители напряжения, которые снабжены входными фильтрами этих выпрямителей и пусковыми устройствами этих выпрямителей, а в указанную судовую электроэнергетическую систему введены автономные инверторы напряжения, снабженные входными фильтрами этих инверторов и пусковыми устройствами этих инверторов, и импульсные преобразователи постоянного напряжения, снабженные входными фильтрами этих преобразователей и пусковыми устройствами этих преобразователей, а также входящие в сеть постоянного тока сборные шины постоянного тока, к которым через пусковые устройства автономных инверторов напряжения и входные фильтры этих инверторов подключены входные зажимы указанных автономных инверторов напряжения, через пусковые устройства импульсных преобразователей постоянного напряжения и входные фильтры этих преобразователей подключены входные зажимы указанных импульсных преобразователей постоянного напряжения, а также выходные зажимы указанных управляемых выпрямителей напряжения, входные зажимы которых через пусковые устройства этих выпрямителей и входные фильтры этих выпрямителей подключены к сети переменного тока высокого напряжения, причем с выходными зажимами автономных инверторов напряжения соединены потребители переменного тока со значениями частоты и (или) напряжения, которые отличаются от частоты и (или) напряжения электрической сети переменного тока, а с выходными зажимами импульсных преобразователей постоянного напряжения соединены потребители постоянного тока, напряжения которых отличаются от напряжения на сборных шинах постоянного тока.as controlled rectifiers, controlled voltage rectifiers are used, which are equipped with input filters of these rectifiers and starting devices of these rectifiers, and autonomous voltage inverters equipped with input filters of these inverters and starting devices of these inverters, and pulse voltage converters equipped with input filters of these converters and starting devices of these converters, as well as incoming connecting DC busbars to the DC network, to which the input terminals of the indicated autonomous voltage inverters are connected via the starting devices of the autonomous voltage inverters and the input filters of these inverters, the input terminals of the specified DC pulse converters are connected through the starting devices of the pulse DC / DC converters and input filters of these converters voltage, as well as the output terminals of the specified controlled voltage rectifiers, the input terminals of which the starting devices of these rectifiers and the input filters of these rectifiers are connected to a high voltage AC network, and AC consumers with frequency and (or) voltage values that differ from the frequency and (or) voltage of the AC mains are connected to the output terminals of autonomous voltage inverters current, and with the output terminals of pulsed DC-DC converters connected DC consumers, the voltages of which differ from the voltage on the busbars direct current.
Кроме того, некоторые из автономных инверторов напряжения снабжены выходными фильтрами указанных инверторов, причем входные зажимы этих фильтров подключены к выходным зажимам указанных инверторов, а к выходным зажимам этих фильтров подключены некоторые из потребителей переменного тока со значениями частоты и (или) напряжения, которые отличаются от частоты и (или) напряжения электрической сети переменного тока.In addition, some of the autonomous voltage inverters are equipped with output filters of these inverters, and the input terminals of these filters are connected to the output terminals of these inverters, and some of the AC consumers with frequency and / or voltage values that are different from those connected to the output terminals of these filters frequency and (or) voltage of an alternating current electric network.
При этом некоторые из импульсных преобразователей постоянного напряжения снабжены выходными фильтрами указанных преобразователей, причем входные зажимы этих фильтров подключены к выходным зажимам указанных преобразователей, а к выходным зажимам этих фильтров подключены некоторые из потребителей постоянного тока, напряжения которых отличаются от напряжения на сборных шинах постоянного тока.Moreover, some of the pulse DC-DC converters are equipped with output filters of these converters, and the input terminals of these filters are connected to the output terminals of these converters, and some of the DC consumers connected to the output terminals of these filters, whose voltages differ from the voltage on the DC busbars.
Сопоставительный анализ признаков заявляемого решения и признаков аналога и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».A comparative analysis of the features of the proposed solution and the characteristics of the analogue and prototype indicates its compliance with the criterion of "novelty."
Отличительные признаки предлагаемого решения выполняют следующие функциональные задачи.Distinctive features of the proposed solutions perform the following functional tasks.
Признаки «…в качестве управляемых выпрямителей использованы управляемые выпрямители напряжения…», а также «…введены… входящие в сеть постоянного тока сборные шины постоянного тока…» позволяют получить форму входных токов управляемых выпрямителей практически синусоидальную с равным единице коэффициентом мощности, что позволяет уменьшить расчетные токи, поперечные сечения проводников тока и массу линий электропередачи от электрической станции до управляемых выпрямителей; а также упростить электрическую сеть постоянного тока, исключив из нее переключатели, с помощью которых в прототипе выходы управляемых выпрямителей соединялись с потребителями постоянного тока.The signs "... as controlled rectifiers used controlled voltage rectifiers ...", as well as "... introduced ... DC busbars included in the DC network ..." allow us to obtain the shape of the input currents of the controlled rectifiers almost sinusoidal with a power factor equal to unity, which reduces the rated currents, cross-sections of current conductors and the mass of power lines from the power plant to controlled rectifiers; and also to simplify the DC electric network by eliminating the switches from it, with the help of which, in the prototype, the outputs of controlled rectifiers were connected to DC consumers.
Признак «…управляемые выпрямители напряжения, входные зажимы которых через пусковые устройства этих выпрямителей и входные фильтры этих выпрямителей подключены к сети переменного тока высокого напряжения…» позволяет ограничить пусковые токи, потребляемые управляемыми выпрямителями напряжения при их подключении к сети переменного тока, а также улучшить электромагнитную совместимость управляемых выпрямителей напряжения с другими судовыми электроустановками.The sign “... controlled voltage rectifiers, the input terminals of which through the starting devices of these rectifiers and the input filters of these rectifiers are connected to the high voltage AC network ...” allows to limit the starting currents consumed by the controlled voltage rectifiers when they are connected to the alternating current network, and also improve the electromagnetic compatibility of controlled voltage rectifiers with other marine electrical installations.
Признаки: «…введены автономные инверторы напряжения, снабженные входными фильтрами этих инверторов и пусковыми устройствами этих инверторов,…», «…сборные шины постоянного тока, к которым через пусковые устройства автономных инверторов напряжения и входные фильтры этих инверторов подключены входные зажимы указанных автономных инверторов напряжения,…» и «…с выходными зажимами автономных инверторов напряжения соединены потребители переменного тока со значениями частоты и (или) напряжения, которые отличаются от частоты и (или) напряжения электрической сети переменного тока,…» позволяют получить форму выходных токов автономных инверторов напряжения практически синусоидальную, что дает возможность уменьшить потери мощности от токов высших гармоник в обладающих индуктивностью цепей, подключенных к этим инверторам потребителей переменного тока, например, двигателей переменного тока; кроме того, позволяют ограничить пусковые токи, потребляемые автономными инверторами напряжения при их подключении к сети постоянного тока, и обеспечить при коммутации электронных ключей автономных инверторов напряжения практически мгновенное переключение выходного напряжения этих инверторов с одного крайнего значения на другое, что дает возможность защитить элементы этих инверторов от сверхтоков и расширить диапазон регулирования напряжения первой гармоники выходного напряжения этих инверторов.Signs: "... autonomous voltage inverters are introduced, equipped with input filters of these inverters and triggers of these inverters, ...", "... DC busbars, to which input terminals of the indicated autonomous voltage inverters are connected via the starters of the autonomous voltage inverters and input filters of these inverters , ... "and" ... with the output terminals of autonomous voltage inverters connected AC consumers with frequency and (or) voltage values that differ from the frequency and (or) voltage voltage of the alternating current electric network, ... ”they allow to obtain the shape of the output currents of autonomous voltage inverters almost sinusoidal, which makes it possible to reduce power losses from higher harmonics in inductance circuits connected to these inverters of AC consumers, for example, AC motors; in addition, they allow to limit the starting currents consumed by the autonomous voltage inverters when they are connected to the DC network, and to ensure when switching the electronic keys of the autonomous voltage inverters almost instantly switch the output voltage of these inverters from one extreme value to another, which makes it possible to protect the elements of these inverters from overcurrents and expand the voltage regulation range of the first harmonic of the output voltage of these inverters.
Признаки: «…введены импульсные преобразователи постоянного напряжения, снабженные входными фильтрами этих преобразователей и пусковыми устройствами этих преобразователей,…», «…сборные шины постоянного тока, к которым… через пусковые устройства импульсных преобразователей постоянного напряжения и входные фильтры этих преобразователей подключены входные зажимы указанных импульсных преобразователей постоянного напряжения,…» и «…с выходными зажимами импульсных преобразователей постоянного напряжения соединены потребители постоянного тока, напряжения которых отличаются от напряжения на сборных шинах постоянного тока…» позволяют практически исключить пульсации выходных токов импульсных преобразователей постоянного напряжения, что дает возможность уменьшить потери мощности от токов высших гармоник в обладающих индуктивностью цепях, подключенных к этим преобразователям потребителей постоянного тока, например двигателей постоянного тока; а также позволяют ограничить пусковые токи, потребляемые импульсными преобразователями постоянного напряжения при их подключении к сети постоянного тока, и обеспечить при коммутации электронных ключей импульсных преобразователей постоянного напряжения практически мгновенное переключение выходного напряжения этих преобразователей с одного крайнего значения на другое, что дает возможность защитить элементы этих преобразователей от сверхтоков и расширить диапазон регулирования напряжения среднего выходного напряжения этих преобразователей.Attributes: "... impulse DC-DC converters are introduced, equipped with input filters of these converters and starting devices of these converters, ...", "... busbars of direct current, to which ... through the starting devices of pulsed DC-converters and input filters of these converters are connected input terminals of the indicated pulsed DC-DC converters, ... "and" ... with the output terminals of pulsed DC-DC converters connected consumers dc current, whose voltages differ from the voltage on the DC busbars ... "practically eliminate the ripple of the output currents of pulsed DC-DC converters, which makes it possible to reduce power losses from higher harmonics in inductance circuits connected to these DC-DC converters, for example DC motors and also allow you to limit the starting currents consumed by pulse DC-DC converters when they are connected to the DC network, and provide when switching electronic keys of pulse DC-DC converters, almost instantly switch the output voltage of these converters from one extreme value to another, which makes it possible to protect elements of these converters from overcurrents and expand the voltage regulation range of the average output voltage of these converters The beginners.
Признак «…некоторые из автономных инверторов напряжения снабжены выходными фильтрами указанных инверторов, причем входные зажимы этих фильтров подключены к выходным зажимам указанных инверторов, а к выходным зажимам этих фильтров подключены некоторые из потребителей переменного тока со значениями частоты и (или) напряжения, которые отличаются от частоты и (или) напряжения электрической сети переменного тока.» позволяет получить практически синусоидальную форму напряжения автономных инверторов и тем самым улучшить электромагнитную совместимость автономных инверторов напряжения с другими судовыми электроустановками.The sign "... some of the autonomous voltage inverters are equipped with output filters of these inverters, and the input terminals of these filters are connected to the output terminals of these inverters, and some of the AC consumers with frequency and (or) voltage values that differ from frequency and (or) voltage of an alternating current electric network. ”allows to obtain a practically sinusoidal voltage form of autonomous inverters and thereby improve the electromagnetic compatibility of autonomous voltage inverters with other marine electrical installations.
Признак «…некоторые из импульсных преобразователей постоянного напряжения снабжены выходными фильтрами указанных преобразователей, причем входные зажимы этих фильтров подключены к выходным зажимам указанных преобразователей, а к выходным зажимам этих фильтров подключены некоторые из потребителей постоянного тока, напряжения которых отличаются от напряжения на сборных шинах постоянного тока…» позволяет получить практически постоянное мгновенное значение выходных напряжений указанных преобразователей и тем самым улучшить электромагнитную совместимость этих преобразователей с другими судовыми электроустановками.The sign "... some of the pulse DC-DC converters are equipped with output filters of these converters, and the input terminals of these filters are connected to the output terminals of these converters, and some of the DC consumers whose voltage differs from the voltage on the DC busbars are connected to the output terminals of these filters ... "allows you to get almost constant instantaneous value of the output voltages of these converters and thereby improve the electrical the magnetic compatibility of these converters with other marine electrical installations.
На фиг.1 представлена электрическая структурная схема судовой электроэнергетической системы. На фиг.2 показана принципиальная схема четырехквадрантного импульсного преобразователя, который в зависимости от схемы подключения и направления мощности выполняет функции управляемого выпрямителя напряжения или инвертора напряжения. На фиг.3 изображена принципиальная схема понижающего импульсного преобразователя постоянного напряжения (первого рода), снабженного входным и выходным фильтрами.Figure 1 presents the electrical structural diagram of the ship's electric power system. Figure 2 shows a schematic diagram of a four-quadrant pulse converter, which, depending on the connection diagram and power direction, performs the functions of a controlled voltage rectifier or voltage inverter. Figure 3 shows a schematic diagram of a step-down pulsed DC-DC converter (first kind), equipped with input and output filters.
Судовая электроэнергетическая система содержит судовую электрическую станцию 1 переменного тока, с которой соединены электрическая сеть 2 переменного тока непосредственно, а электрическая сеть постоянного тока 3 - через управляемые выпрямители напряжения 4, снабженные входными фильтрами 5 и пусковыми устройствами 6 этих выпрямителей. Сеть переменного тока 2 может быть разделена на две части: электрическая сеть 7 переменного тока высокого напряжения и электрическая сеть 8 переменного тока низкого напряжения. Обе эти части соединены силовыми трансформаторами 9. Потребители 10 с постоянными значениями частоты и высокого напряжения подключены к сети 7 переменного тока высокого напряжения. Потребители 11 с постоянными значениями частоты и низкого напряжения подключены к электрической сети 8 переменного тока низкого напряжения. Сеть 3 постоянного тока содержит сборные шины 12 постоянного тока, к которым подключены выходные зажимы всех управляемых выпрямителей 4 напряжения. К сборным шинам 12 подключены входные зажимы автономных инверторов 13 напряжения через пусковые устройства 14 и фильтры 15 этих инверторов, а также входные зажимы импульсных преобразователей 16 постоянного напряжения через пусковые устройства 17 и фильтры 18 этих преобразователей. К выходным зажимам некоторых автономных инверторов 13 подключены, по одному на каждый инвертор, потребители 19 со значениями частоты и (или) напряжения, которые отличаются от частоты и (или) напряжения электрической сети 2 переменного тока. Выходные напряжения таких инверторов, а возможно и частоты, изменяются во время работы этих потребителей. Группы других потребителей 20 с неизменными значениями частоты, которые отличаются от частоты электрической сети 2 переменного тока, подключаются к выходным зажимам другой части автономных инверторов 13 через выходные фильтры 21 этих инверторов. Непосредственно к выходным зажимам некоторых импульсных преобразователей 16 постоянного напряжения подключены, по одному на каждый такой преобразователь, потребители 22 со значениями напряжения, которые отличаются от напряжения электрической сети 3 постоянного тока. Другие потребители 23 со значениями напряжения, которые отличаются от напряжения электрической сети 3 постоянного тока, подключаются к выходным зажимам другой части импульсных преобразователей 16 постоянного напряжения через выходные фильтры 24 этих импульсных преобразователей 16 постоянного напряжения.The ship’s electric power system comprises a ship’s alternating current electric power station 1, to which an alternating current electric network 2 is connected directly, and a direct current electric network 3 through controlled voltage rectifiers 4, equipped with input filters 5 and starting devices 6 of these rectifiers. The AC network 2 can be divided into two parts: the high voltage AC network 7 and the low voltage AC network 8. Both of these parts are connected by power transformers 9. Consumers 10 with constant values of frequency and high voltage are connected to the high-voltage alternating current network 7. Consumers 11 with constant values of frequency and low voltage are connected to the electric network 8 of an alternating current of low voltage. The DC network 3 contains busbars 12 DC, which are connected to the output terminals of all controlled rectifiers 4 voltage. To the busbars 12 connected to the input terminals of the autonomous voltage inverters 13 through the starting devices 14 and filters 15 of these inverters, as well as the input terminals of the pulse converters 16 direct voltage through the starting devices 17 and filters 18 of these converters. To the output terminals of some autonomous inverters 13 are connected, one for each inverter, consumers 19 with frequency and (or) voltage values that differ from the frequency and (or) voltage of the alternating current electric network 2. The output voltages of such inverters, and possibly frequencies, change during the operation of these consumers. Groups of other consumers 20 with constant frequency values that differ from the frequency of the AC mains 2 are connected to the output terminals of the other part of the autonomous inverters 13 through the output filters 21 of these inverters. Directly to the output terminals of some pulsed DC-DC converters 16 are connected, one for each such converter, consumers 22 with voltage values that differ from the voltage of the electric network 3 DC. Other consumers 23 with voltage values that differ from the voltage of the DC electric network 3 are connected to the output terminals of the other part of the pulse converters 16 constant voltage through the output filters 24 of these pulse converters 16 direct voltage.
Управляемые выпрямители напряжения 4 известны также под названиями: активные выпрямители или четырехквадрантные преобразователи. На фиг.2 показан выполняющий функцию управляемого выпрямителя 4 мостовой управляемый выпрямитель напряжения. У него каждое вентильное плечо может проводить ток в обоих направлениях и представляет собой встречно-параллельное соединение электронного ключа 25 с односторонней проводимостью и диода 26, проводящего ток в обратном, по отношению к электронному ключу, направлению. В качестве указанных ключей преимущественно используют IGBT или MOSFET транзисторы. В анодную группу выпрямителя входят вентильные плечи, у которых аноды диодов соединены с отрицательным выходным зажимом 27 выпрямителя, а в катодную группу - вентильные плечи, у которых катоды диодов соединены с положительным выходным зажимом 28 выпрямителя. К выходным зажимам 27 и 28 такого выпрямителя подключен выходной конденсатор 29, являющийся обязательным элементом управляемого выпрямителя напряжения. Катод диода каждого вентильного плеча анодной группы соединен с анодом диода вентильного плеча одной из катодных групп и с одним из входных зажимов 30 выпрямителя. Эти зажимы через фильтр 5 выпрямителя и пусковое устройство 6 выпрямителя подключены к электрической сети 2 переменного тока. Выходные зажимы 27 и 28 соединены со сборной шиной 12 постоянного тока (см. фиг.1).Controlled voltage rectifiers 4 are also known as: active rectifiers or four-quadrant converters. In Fig.2 shows a bridge rectifier controlled voltage rectifier performing the function of a controlled rectifier 4. Each valve arm can conduct current in both directions and is a counter-parallel connection of an
Выполняющий функцию преобразователя 16 (см. фиг.1) понижающий импульсный преобразователь 31 постоянного напряжения (первого рода) состоит из электронного ключа 32 и диода 33 (см. фиг.3). К входным зажимам 34 и 35 подключен конденсатор 36, выполняющий функцию входного фильтра преобразователя. Выходные зажимы 37 и 38 преобразователя подключены к входу выходного фильтра 39 преобразователя. Выходной фильтр 39 нижних частот состоит из реактора 40 и конденсатора 41 этого фильтра. Выводы конденсатора подключены к выходным зажимам 42 и 43 выходного фильтра. К этим выводам подключены потребители 23, а входные зажимы 34 и 35 преобразователя через пусковое устройство 17 этого преобразователя соединены со сборной шиной постоянного тока 12 (см. фиг.1).Performing the function of the Converter 16 (see figure 1) step-down
Судовая электроэнергетическая система работает следующим образом.Marine electric power system operates as follows.
После запуска генераторов судовой электростанции 1 и подключения их к шинам главного распределительного щита электростанции 1 на этих шинах и в электрической сети 2 переменного тока появляется напряжение. В электрической сети 7 переменного тока высокого напряжения оно такое же, как и на шинах главного распределительного щита. Для судовых электростанций мощностью свыше 5 МВА используется напряжение, близкое к 10 кВ (у прототипа 6,3 кВ). Для судовых электростанций с меньшей мощностью применяют, как правило, 400 В, 50 Гц или 440 В, 60 Гц. Те потребители 10 переменного тока, которые не требуют регулирования напряжения и частоты, и пусковой ток которых много меньше номинального тока генератора электростанции 1 (например, не более 20% от него), получают питание от сети 7. При включении этих потребителей наибольший провал напряжения на шинах главного распределительного щита не выходит за пределы длительно допустимого отклонения напряжения. (По существующим нормам - это 2,5% от номинального напряжения на них). К таким потребителям относятся, например, стационарные нагревательные приборы, двигатели маломощных насосов и вентиляторов судовых систем и т.п. Через силовые трансформаторы 9 от электрической сети 7 получают питание электрическая сеть 8 переменного тока низкого напряжения (например, 220 В, 50 Гц) и подключенные к ней потребители 11, которые не требуют регулирования напряжения и частоты и пусковой ток которых, приведенный к обмотке высокого напряжения трансформатора 9, много меньше номинального тока генератора электростанции 1. К таким потребителям относятся, например, освещение и бытовое электрооборудование.After starting the generators of the ship power station 1 and connecting them to the buses of the main switchboard of the power station 1, voltage appears on these tires and in the electric network 2. In the electric network 7 high-voltage alternating current it is the same as on the buses of the main switchboard. For ship power plants with a capacity of more than 5 MVA, a voltage close to 10 kV is used (for the prototype 6.3 kV). For ship power plants with less power, 400 V, 50 Hz or 440 V, 60 Hz are usually used. Those consumers 10 of alternating current, which do not require regulation of voltage and frequency, and whose starting current is much less than the rated current of the generator of power station 1 (for example, no more than 20% of it), receive power from the network 7. When these consumers are turned on, the largest voltage drop tires of the main switchboard does not go beyond the long-term allowable voltage deviation. (According to existing standards, this is 2.5% of the rated voltage on them). Such consumers include, for example, stationary heaters, engines of low-power pumps and fans of ship systems, etc. Through power transformers 9, an electric network 8 of low voltage alternating current (for example, 220 V, 50 Hz) and consumers 11 connected to it, which do not require voltage and frequency regulation and whose starting current is reduced to a high voltage winding, are supplied with power from the electric network 7 transformer 9, much less than the rated current of the generator of power plant 1. Such consumers include, for example, lighting and household electrical equipment.
После подключения входных зажимов 30 управляемого выпрямителя 4 к напряжению электрической сети 2 переменного тока выходной конденсатор 29 сначала заряжается в неуправляемом режиме через диоды 26. При этом мгновенное значение тока iЗ этих диодов равно мгновенному значению тока iC конденсатора 29. В начальный момент этого заряда, когда напряжение выходного конденсатора uC равно нулю, происходит короткое замыкание входных зажимов 30 через диоды 26. Чтобы избежать разрушения диодов и выводов конденсатора 29 подключение управляемого выпрямителя 4 к электрической сети 2 переменного тока производится через пусковое устройство 6. В неуправляемом режиме пусковые токи управляемого выпрямителя 4 проходят через токоограничивающий элемент пускового устройства 6. В качестве такого элемента используются пусковые резисторы или реакторы. Когда конденсатор 29 зарядится до амплитудного значения напряжения источника, пусковое устройство 6 выводит токоограничивающие элементы из цепи питания управляемого выпрямителя 4 и подключает входы 30 управляемого выпрямителя 4 к электрической сети 2 переменного тока через фильтр 5 управляемого выпрямителя 4. Дальнейший процесс заряда конденсатора 29 происходит в управляемом режиме путем управления моментами включения и отключения электронных ключей 25 с частотой, которая во много раз превосходит частоту напряжения электрической станции 1. При этом обеспечивается близкая к синусоиде форма входного тока выпрямителя, а коэффициент мощности первой гармоники этого тока практически равен единице. Во время включенного состояния электронных ключей 25 имеет место короткое замыкание цепи, в которой последовательно включены ЭДС источника и ЭДС выходного конденсатора. Для ограничения скорости нарастания тока iЗ короткого замыкания в этой цепи должны содержаться индуктивные элементы. Функцию этих элементов выполняют реакторы, которые последовательно включены с входными зажимами 30 и являются элементами фильтра 5 управляемого выпрямителя 4. Эти реакторы вместе с другими реактивными элементами фильтра 5 придают ему свойства фильтра нижних частот. Такой фильтр не пропускает токи высших гармоник, созданные коммутацией электронных ключей 25, в цепи электрической сети 2 переменного тока. При этом отличие от синусоиды формы токов, потребляемых управляемыми выпрямителями 4 от электрической станции 1, становится еще меньше. Тем самым улучшается электромагнитная совместимость импульсных управляемых выпрямителей 4 с другими судовыми электроустановками. Действующее значение входных токов управляемого выпрямителя 4 в управляемом режиме заряда выходного конденсатора 29 равно номинальному значению этих токов. В управляемом режиме конденсатор 29 заряжается до заданного значения напряжения uC (например, 670 В или 750 В). После чего входные токи управляемого выпрямителя 4 и ток конденсатора iC становятся практически равными нулю.After connecting the input terminals 30 of the controlled rectifier 4 to the voltage of the AC electric network 2, the
Когда напряжение uC выходного конденсатора 29 достигло заданного значения, выходные зажимы 27 и 28 управляемого выпрямителя 4 подключаются к сборной шине 12 постоянного тока. Управляемый выпрямитель 4 работает параллельно с другими, включенными между электрической сетью 2 переменного тока и общей шиной 12 постоянного тока, управляемыми выпрямителями 4 напряжения. Нагрузкой этих выпрямителей служат входные токи автономных инверторов 13 напряжения и импульсных преобразователей 16 постоянного напряжения. В результате действия этих токов через выходные зажимы 27 и 28 управляемого выпрямителя проходит ток ip. Под действием этого тока конденсатор 29 управляемого выпрямителя 4 начинает разряжаться. Микропроцессорная система автоматического управления выпрямителем 4 измеряет напряжение uC конденсатора 29, входные токи управляемого выпрямителя 4 и его выходной ток ip и управляет включением и выключением шести электронных ключей 25 так, чтобы выполнялись следующие условия:When the voltage u C of the output capacitor 29 has reached a predetermined value, the
напряжение конденсатора 29 неизменно, его отличие от заданного значения не выходит за допустимые пределы;the voltage of the
первые гармоники входных токов iвх образуют симметричную трехфазную систему, синфазную с фазными напряжениями судовой электрической сети 2 переменного тока;first harmonic input currents i Rin form a symmetrical three-phase system, in-phase with the phase voltages board grid AC 2;
действующее значение Iвх входного тока управляемого выпрямителя связано со средним значением Iр выходного тока выпрямителя следующим соотношением: Rin effective value I of the input current controlled rectifier is connected with the mean value I p of the output current of the rectifier by the following relation:
Тем самым достигается единичное значение коэффициента мощности токов, потребляемых управляемым выпрямителем 4 напряжения от электрической сети 2 переменного тока. Следовательно, обеспечивается выбор минимального сечения токоведущих проводников фидера, соединяющего управляемый выпрямитель 4 с электрической сетью 2.Thus, a single value of the power factor of the currents consumed by the controlled rectifier 4 voltage from the electric network 2 of alternating current is achieved. Therefore, the choice is made of the minimum cross-section of the current-carrying conductors of the feeder connecting the controlled rectifier 4 to the electric network 2.
Принципиальная схема импульсного автономного инвертора 13 напряжения идентична показанной на фиг.2 схеме импульсного управляемого выпрямителя 4 напряжения. Только входом инвертора являются зажимы постоянного тока 27 и 28, а выходом - зажимы переменного трехфазного тока 30. В преобразователях частоты, выполненных в виде сочетания расположенных рядом импульсного управляемого выпрямителя напряжения и импульсного автономного инвертора напряжения, используется один общий конденсатор 29. В рассматриваемом случае эти два устройства пространственно разнесены, их связывают фидеры, которыми они подключены к общим шинам 12 постоянного тока. Наличие индуктивности этих электрических линий при наличии конденсатора только на выходе управляемого выпрямителя 4 приведет к затягиванию процесса изменения напряжения на выходных зажимах 30 импульсного автономного инвертора 13 напряжения. При этом снижается максимальное значение первой гармоники линейного напряжения на зажимах 30 и увеличивается уровень высших гармоник в кривой этого напряжения. Для устранения этого недостатка автономный инвертор 13 напряжения снабжен емкостным фильтром 15 в виде конденсатора 29, подключенного к входным зажимам 27 и 28 инвертора 13.The circuit diagram of a pulsed autonomous voltage inverter 13 is identical to that shown in FIG. 2 for a circuit of a pulsed controlled voltage rectifier 4. Only the input of the inverter is DC clamps 27 and 28, and the output is clamps of alternating three-phase current 30. In frequency converters, made in the form of a combination of a pulsed controlled voltage rectifier and a pulsed stand-alone voltage inverter, one
Такое решение приводит к тому, что подключать эти зажимы непосредственно к общим шинам 12 становится невозможным. При подключении незаряженного входного конденсатора 29 инвертора к находящимся под напряжением выходным конденсаторам управляемых выпрямителей происходит короткое замыкание. Ток короткого замыкания из-за малого сопротивления линий электропередачи окажется чрезмерным и может повредить эти линии и конденсаторы. Напряжение на общих шинах 12 практически мгновенно значительно снизится, чем нарушится нормальная работа как управляемых выпрямителей 4, так и других автономных инверторов 13. Для исключения указанных последствий подключение импульсного автономного инвертора 13 напряжения к общим шинам 12 производится через пусковое устройство 14, подключенное к зажимам 27 и 28 инвертора 13. Во время заряда конденсатора 29 емкостного фильтра 15 автономного инвертора 13 ток заряда проходит через токоограничивающий элемент пускового устройства 14. В качестве такого элемента используются пусковой резистор. Когда конденсатор 29 зарядится до напряжения на общих шинах 12, пусковое устройство 14 выводит пусковой резистор из цепи питания автономного инвертора 13 и подключает его входные зажимы 27 и 28 непосредственно к фидеру, соединяющему автономный инвертор 13 с общими шинами 12 постоянного тока.This solution leads to the fact that it is impossible to connect these clamps directly to the common buses 12. When connecting the
Трехфазное переменное напряжение на выходных зажимах 30 автономного инвертора 13 напряжения получают, коммутируя электронные ключи 25 с частотой, которая в десятки и сотни раз больше частоты первой гармоники выходного напряжения инвертора 13. Период частоты коммутации обозначим через Т, время включенного состояния электронного ключа - через tИ, а отношение tИ к Т. - через γ, которое называется коэффициентом регулирования. Линейное напряжение на зажимах 30 представляет собой последовательность прямоугольных импульсов, которые имеют продолжительность tИ и повторяются через Т. Амплитуда импульсов равна напряжению на общих шинах 12 постоянного тока. В автономном инверторе 13 напряжения используется широтно-импульсная модуляция, когда коэффициент регулирования изменяют от импульса к импульсу так, чтобы кроме первой гармоники напряжения необходимой частоты с необходимой амплитудой в последовательности прямоугольных импульсов содержались только высшие гармоники с частотами, кратными частоте коммутации. Линейные напряжения первых гармоник образуют симметричную трехфазную систему прямой или обратной последовательности.Three-phase alternating voltage at the output terminals 30 of the autonomous inverter 13 voltage is obtained by switching
Потребители 19 переменного тока, которые непосредственно и индивидуально подключаются к выходным зажимам 30 автономных инверторов 13 напряжения, делятся на две категории. К первой категории относятся электроприводы большой мощности, которые в рабочем режиме не требуют регулирования скорости. Они предназначены для работы с номинальными значениями частоты (50 Гц или 60 Гц) и напряжения. Если использовать прямой пуск синхронного или асинхронного двигателя от источника с неизменными номинальными значениями частоты и напряжения, то пусковые токи статорной обмотки, в среднем в пять раз превышающие номинальные токи статора, приводят к двум отрицательным последствиям. Во-первых, это значительный «провал» напряжения источника, а во-вторых, большие потери мощности в обмотках двигателя, во много раз превосходящие номинальные потери мощности. В особой мере это обстоятельство сказывается у электроприводов с частыми пусками и реверсами. В этом случае двигатель может перегреться даже при работе вхолостую. В рассматриваемой электроэнергетической системе двигатели подключенные к выходным зажимам 30, автономного инвертора 13 напряжения, запускают, плавно увеличивая частоту и напряжение статора двигателя, пока не будут достигнуты номинальные значения этих величин. При этом первые гармоники линейных напряжений на выходе автономного инвертора 13 образуют прямую последовательность. Во время пуска потребляемые двигателем токи лишь немного превосходят номинальный ток статора, что в несколько раз уменьшает потери мощности в обмотках двигателя по сравнению с прямым пуском от источника с неизменными номинальными значениями частоты и напряжения. В этом заключается первое преимущество предлагаемого решения по сравнению с прототипом. Второе преимущество - это снижение массы и стоимости фидеров, по которым получает питание двигатель. Этот результат объясняется тем, что автономный инвертор 13 располагается в непосредственной близости от потребителя, а общие шины 12 постоянного тока - от главного распределительного щита электрической станции 1. Для одного и того же двигателя масса и стоимость линии электропередачи постоянного тока от общих шин 12 до автономного инвертора 13 меньше, чем трехфазного кабеля той же длины.Consumers 19 of alternating current, which are directly and individually connected to the output terminals 30 of the autonomous voltage inverters 13, are divided into two categories. The first category includes electric drives of high power, which in operating mode do not require speed regulation. They are designed to work with rated values of frequency (50 Hz or 60 Hz) and voltage. If you use a direct start of a synchronous or asynchronous motor from a source with constant nominal values of frequency and voltage, then the starting currents of the stator winding, on average five times higher than the rated currents of the stator, lead to two negative consequences. Firstly, this is a significant “dip” of the source voltage, and secondly, large power losses in the motor windings, many times higher than the nominal power losses. To a special extent, this circumstance affects electric drives with frequent starts and reverses. In this case, the engine may overheat even when idling. In the electric power system under consideration, the motors connected to the output terminals 30 of the autonomous voltage inverter 13 start up, gradually increasing the frequency and voltage of the motor stator, until the nominal values of these values are reached. In this case, the first harmonics of the linear voltages at the output of the autonomous inverter 13 form a direct sequence. During start-up, the currents consumed by the motor only slightly exceed the rated current of the stator, which reduces the power losses in the motor windings several times compared to direct start-up from a source with constant nominal frequency and voltage values. This is the first advantage of the proposed solution compared to the prototype. The second advantage is the reduction in the mass and cost of the feeders for which the engine receives power. This result is explained by the fact that the autonomous inverter 13 is located in close proximity to the consumer, and the common DC bus 12 is from the main switchboard of the power station 1. For the same engine, the mass and cost of the DC power line from the common bus 12 to the autonomous the inverter 13 is less than a three-phase cable of the same length.
Ко второй категории относятся потребители 19, длительно работающие при частоте, отличающейся от частоты судовой электростанции. К ним, в основном, относятся электроприводы, которые требуют плавного регулирования скорости. И в этом случае запуск синхронного или асинхронного двигателя производится при плавном увеличении частоты и напряжение статора двигателя, пока не будет достигнута необходимая скорость. Регулирование скорости двигателя 19, его остановка или реверс также производятся путем плавного изменения частоты и напряжения автономного инвертора 13 как прямой, так и обратной последовательности, что снижает потери мощности в обмотках двигателя. Главное преимущество предлагаемого решения, по сравнению с прототипом, заключается в том, что вместо двигателей постоянного тока в этом случае применяются более надежные, более легкие и менее дорогие асинхронные и синхронные двигатели.The second category includes consumers 19, operating for a long time at a frequency different from the frequency of a ship power station. These mainly include electric drives that require smooth speed control. And in this case, the synchronous or asynchronous motor is started with a gradual increase in the frequency and voltage of the motor stator until the required speed is reached. The speed control of the motor 19, its stop or reverse is also carried out by smoothly changing the frequency and voltage of the autonomous inverter 13, both direct and reverse sequence, which reduces power loss in the motor windings. The main advantage of the proposed solution, in comparison with the prototype, is that instead of DC motors in this case, more reliable, lighter and less expensive asynchronous and synchronous motors are used.
Потребители 20 переменного тока являются маломощными потребителями, которые предназначены для работы с номинальными для них значениями напряжения и частоты. Причем эта частота, как правило, больше частоты судовой электростанции (например, 200 Гц для электроинструментов или 400 Гц для электронавигационного оборудования). Каждая группа потребителей 20 с одинаковыми значениями номинальной частоты и напряжения подключается к отдельному автономному инвертору 13 через выходной фильтр 21 нижних частот. При этом из напряжения на выходе автономного инвертора 21 удаляются высшие гармоники, кратные частоте коммутации электронных ключей, выходное напряжение фильтра 21 является практически синусоидальным. Наличие фильтра 21 позволяет снизить потери мощности у потребителей 20 и улучшить электромагнитную совместимость потребителей 20 с другими судовыми электроустановками.Consumers 20 of alternating current are low-power consumers, which are designed to work with their nominal values of voltage and frequency. Moreover, this frequency, as a rule, is greater than the frequency of a ship power station (for example, 200 Hz for power tools or 400 Hz for electronic navigation equipment). Each group of consumers 20 with the same values of the nominal frequency and voltage is connected to a separate autonomous inverter 13 through the output filter 21 of the low frequencies. In this case, higher harmonics that are multiples of the switching frequency of the electronic keys are removed from the voltage at the output of the autonomous inverter 21, the output voltage of the filter 21 is almost sinusoidal. The presence of a filter 21 allows to reduce power losses among consumers 20 and to improve the electromagnetic compatibility of consumers 20 with other marine electrical installations.
Импульсные преобразователи 16 постоянного напряжения отличаются большим разнообразием: они могут понижать или повышать напряжение, с непосредственной связью цепей источника и нагрузки и с разделительным высокочастотным трансформатором, с одним, двумя или четырьмя электронными ключами. На фиг.3 приведена принципиальная схема наиболее простого и наиболее пригодного для применения на судах понижающего импульсного преобразователя 31 постоянного напряжения, состоящего из одного диода 33 и одного электронного ключа 31, который включается и выключается с постоянной частотой, которая в десятки и сотни раз больше частоты судовой электростанции. К входным зажимам 34 и 35 импульсного преобразователя 31 подключен конденсатор 36, играющий роль входного емкостного фильтра 18 этого преобразователя. Необходимость наличия такого фильтра показана выше, на примере входной цепи автономного инвертора 13 напряжения. Как и у этого инвертора, входные зажимы 34 и 35 импульсного преобразователя 31 должны подключаться к выходным зажимам пускового устройства 17. Токи заряда конденсатора 36, возникающие при подключении входных зажимов пускового устройства 17 к сборным шинам 12 постоянного тока, ограничиваются, например, пусковыми резисторами. Когда конденсатор 36 зарядится до напряжения на общих шинах 12, пусковое устройство 17 выводит пусковой резистор из цепи питания импульсного преобразователя 16 и подключает его входные зажимы 34 и 35 непосредственно к фидеру, соединяющему этот преобразователь с общими шинами 12 постоянного тока.Pulse converters 16 DC voltage are very diverse: they can lower or increase the voltage, with direct connection of the source and load circuits and with a high-frequency isolation transformer, with one, two or four electronic keys. Figure 3 shows a schematic diagram of the simplest and most suitable for use on ships a step-down
В установившихся режимах работы коэффициент регулирования γ импульсного преобразователя имеет постоянное значение. При этом выходное напряжение на зажимах 37 и 38 имеет вид последовательности одинаковых прямоугольников с одинаковыми промежутками между ними. Такое напряжение имеет постоянную составляющую γUП, где UП - напряжение на общих шинах 12 постоянного тока (при пренебрежении небольшим падением напряжения в фидере, соединяющем преобразователь с этими шинами) и напряжения гармоник, кратных частоте коммутации электронного ключа 32. Наибольшая из этих гармоник, первая, имеет наибольшее значение при γ=0,5.In steady-state operating modes, the regulation coefficient γ of the pulse converter has a constant value. In this case, the output voltage at the
Некоторые потребители постоянного тока 22, входные цепи которых имеют индуктивность, достаточную для того, чтобы обеспечить заданное минимальное значение отношения пульсаций выходного тока преобразователя к его среднему значению при γ=0,5, подключаются непосредственно к выходным зажимам 37 и 38. Такими потребителями, например, являются обмотки возбуждения синхронных машин. Регулирование выходного тока импульсного преобразователя 16 постоянного напряжения производится путем изменения коэффициента γ.Some DC consumers 22, whose input circuits have an inductance sufficient to provide a specified minimum value of the ratio of the ripple of the output current of the converter to its average value at γ = 0.5, are connected directly to the
Другие потребители 23 постоянного тока не допускают пульсаций подводимого к ним напряжения. К таким потребителям относятся, например, некоторые аккумуляторные батареи, которые заряжаются от импульсных преобразователей 16 постоянного напряжения. В этом случае к выходу преобразователя подключается выходной фильтр 39 нижних частот. Такой фильтр состоит из реактора 40 и конденсатора 41 фильтра. Реактор ослабляет высокочастотные переменные токи, вызванные пульсациями выходного напряжения преобразователя 31, а конденсатор представляет для них ничтожное сопротивление. В результате всегда возможно достичь подавления пульсаций выходного тока импульсного преобразователя 16 постоянного напряжения до заданного уровня.Other DC consumers 23 do not allow ripple of the voltage supplied to them. Such consumers include, for example, some rechargeable batteries that are charged from pulse converters 16 DC voltage. In this case, an
Некоторые из потребителей 23 допускают пульсации приложенного к ним напряжения, но индуктивность их входных цепей недостаточна для обеспечения требуемого уровня пульсаций входного тока. К таким потребителям, например, относятся плазмотроны. В этом случае можно не подключать конденсатор 41 фильтра 39, и он становится индуктивным фильтром.Some of the consumers 23 allow ripple of the voltage applied to them, but the inductance of their input circuits is insufficient to provide the required level of ripple of the input current. Such consumers, for example, include plasmatrons. In this case, the
Источники информацииInformation sources
1. Martin Braun, Achim Hollung. Forschungs- und Erprobungs-Schiff (FES) von Thyssen Nordseewerke. Forum ThyssenKrupp, 2/2001, pp.68-73.1. Martin Braun, Achim Hollung. Forschungs- und Erprobungs-Schiff (FES) von Thyssen Nordseewerke. Forum ThyssenKrupp, 2/2001, pp. 68-73.
2. Анисимов Я.Ф., Васильев Е.П. Электромагнитная совместимость полупроводниковых преобразователей и судовых электроустановок. - Л.: Судостроение. 1990. - 264 с.2. Anisimov Ya. F., Vasiliev EP Electromagnetic compatibility of semiconductor converters and marine electrical installations. - L .: Shipbuilding. 1990 .-- 264 p.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008100930/09A RU2375804C2 (en) | 2008-01-09 | 2008-01-09 | Ship electric power system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008100930/09A RU2375804C2 (en) | 2008-01-09 | 2008-01-09 | Ship electric power system |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2008100930A RU2008100930A (en) | 2009-07-20 |
| RU2375804C2 true RU2375804C2 (en) | 2009-12-10 |
Family
ID=41046730
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008100930/09A RU2375804C2 (en) | 2008-01-09 | 2008-01-09 | Ship electric power system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2375804C2 (en) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2460191C2 (en) * | 2010-07-29 | 2012-08-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственный центр "Судовые электротехнические системы" (ООО "НПЦ "СЭС") | Electric power distribution method of common basic ship electric power system, and system used for its implementation |
| RU2498926C1 (en) * | 2012-04-06 | 2013-11-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственный центр "Судовые электротехнические системы" (ООО "НПЦ "СЭС") | High tonnage ship electric plant |
| RU2503580C1 (en) * | 2012-06-08 | 2014-01-10 | Закрытое акционерное общество "РЭП Холдинг" | Ship electric power generator |
| RU2510781C2 (en) * | 2012-07-17 | 2014-04-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр (ФГУП "Крыловский государственный научный центр") | Marine ac high-frequency electrical system with electric propulsion system and matrix frequency converters |
| RU2560924C1 (en) * | 2011-07-14 | 2015-08-20 | Сименс АГ | Control method for direct ac converter, electronic control device to this end, direct ac converter and computer programme |
| RU2566499C2 (en) * | 2010-09-16 | 2015-10-27 | Абб Текнолоджи Аг | Correction of magnetic flux shifting for rotating electrical machine |
| RU2594355C2 (en) * | 2011-03-11 | 2016-08-20 | Шнейдер Электрик Эндюстри Сас | Method of electric energy conversion installation configuring and device that implements said method |
| RU2661902C1 (en) * | 2017-10-04 | 2018-07-23 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" | Ship variable voltage ac electric power system with two different frequencies turbo generators |
| RU2779137C2 (en) * | 2021-02-04 | 2022-09-01 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия имени Адмирала флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" | Shutdown protection device for solving problem of electrical safety on ships |
-
2008
- 2008-01-09 RU RU2008100930/09A patent/RU2375804C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| АНИСИМОВ Я.Ф. и др. Электромагнитная совместимость полупроводниковых преобразователей и судовых электроустановок. - Ленинград: Судостроение, 1990, с.264. * |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2460191C2 (en) * | 2010-07-29 | 2012-08-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственный центр "Судовые электротехнические системы" (ООО "НПЦ "СЭС") | Electric power distribution method of common basic ship electric power system, and system used for its implementation |
| RU2566499C2 (en) * | 2010-09-16 | 2015-10-27 | Абб Текнолоджи Аг | Correction of magnetic flux shifting for rotating electrical machine |
| RU2594355C2 (en) * | 2011-03-11 | 2016-08-20 | Шнейдер Электрик Эндюстри Сас | Method of electric energy conversion installation configuring and device that implements said method |
| RU2560924C1 (en) * | 2011-07-14 | 2015-08-20 | Сименс АГ | Control method for direct ac converter, electronic control device to this end, direct ac converter and computer programme |
| US9343989B2 (en) | 2011-07-14 | 2016-05-17 | Siemens Aktiengesellschaft | Method for controlling a cycloconverter, electronic control device therefor, cycloconverter, and computer program |
| RU2498926C1 (en) * | 2012-04-06 | 2013-11-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственный центр "Судовые электротехнические системы" (ООО "НПЦ "СЭС") | High tonnage ship electric plant |
| RU2503580C1 (en) * | 2012-06-08 | 2014-01-10 | Закрытое акционерное общество "РЭП Холдинг" | Ship electric power generator |
| RU2510781C2 (en) * | 2012-07-17 | 2014-04-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр (ФГУП "Крыловский государственный научный центр") | Marine ac high-frequency electrical system with electric propulsion system and matrix frequency converters |
| RU2661902C1 (en) * | 2017-10-04 | 2018-07-23 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" | Ship variable voltage ac electric power system with two different frequencies turbo generators |
| RU2779137C2 (en) * | 2021-02-04 | 2022-09-01 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия имени Адмирала флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" | Shutdown protection device for solving problem of electrical safety on ships |
| RU214913U1 (en) * | 2022-04-12 | 2022-11-21 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия имени Адмирала флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" | SAFETY DEVICE FOR SHIP ELECTRIC NETWORK |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2008100930A (en) | 2009-07-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2375804C2 (en) | Ship electric power system | |
| US9837824B2 (en) | Connection system for power generation system with DC output | |
| US8553432B2 (en) | Power transmission method and power transmission apparatus | |
| US9800161B2 (en) | Power converters | |
| EP3026803A1 (en) | Start-up of HVDC converters | |
| EP2579416A1 (en) | Converting device of electrical energy | |
| US20160146192A1 (en) | Wind turbine power conversion system | |
| EP2479882A2 (en) | Apparatus for transferring electric power between an AC network and a multiphase electric machine | |
| EP2779403A1 (en) | Power conversion system and method | |
| Fukuda et al. | An auxiliary-supply-assisted harmonic reduction scheme for 12-pulse diode rectifiers | |
| RU159416U1 (en) | HIGH POWER HIGH POWER FREQUENCY CONVERTER | |
| CN113809953A (en) | Variable frequency control system and method of fracturing unit and fracturing unit | |
| Dobrucký et al. | Power Electronic Two-phase Orthogonal System with HF Input and | |
| US9673741B2 (en) | System for supplying electrical power to a load and corresponding power supply method | |
| RU2411629C1 (en) | Multi-level transistor converter of frequency for control of ac electric motor | |
| CN105939135A (en) | MMC alternating-current excitation device for variable-speed pumped storage power generation system | |
| CN216599460U (en) | Frequency conversion control system of fracturing unit and fracturing unit | |
| US11309803B2 (en) | Power converter for trasmitting power between networks | |
| EP3229251B1 (en) | Direct-current interruption device | |
| RU2372706C1 (en) | Device for connection of controlled voltage rectifier to source of ac voltage | |
| RU2661936C1 (en) | Electric station in-house needs consumers power supply system | |
| Farrer | Significant source harmonic reduction achieved using direct parallel connection of two 6-pulse converters | |
| Zhou et al. | Dual voltage DC generator for compact light-weight ship electrical systems | |
| RU2713488C1 (en) | Propellant electrical installation | |
| US20220021215A1 (en) | Power transmission method and system |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20120706 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140110 |