История электротехники - Коллектив авторов

Особенностью ЭЭС иностранных надводных кораблей является наличие резервных электростанций, состоящих из ДГ и ГРЩ, соединенных с основными электростанциями перемычками.

Важнейшие потребители (например, некоторые системы вооружения, рулевое устройство) имеют тройное питание, другие ответственные потребители имеют двойное питание (например, пожарные насосы), менее ответственные — одинарное.

На большинстве надводных кораблей стран НАТО применены ЭЭС, состоящие из двух электростанций. ГРЩ разделены на три секции. Перемычки между секциями могут отделить аварийную секцию. Связь электростанций осуществляется с помощью двух перемычек с двумя АВ в каждой, расположенных в своих ГРЩ. В каждой электростанции ГА включаются на параллельную работу, если обеспечена допустимость их работы по коммутационной способности АВ.

Применены также и другие структуры ЭЭС. Так, в американской практике используются ЭЭС с тремя и пятью генераторными агрегатами. Пятый генератор одновременно выполняет функцию аварийного генератора. При нечетном числе ГА обеспечена возможность подключения резервного ГА к любому заранее выбранному генератору.

На фрегатах английских и германских ВМС исходя из необходимой надежной и простой схемы электроснабжения принят режим параллельной работы ГА.

Для повышения суммарной мощности генераторных агрегатов повышается отключающая способность АВ, а также значение сверхпереходного индуктивного сопротивления генераторов без существенного ухудшения таких параметров, как провалы напряжения и время его восстановления. Этому способствовало усовершенствование быстродействующих регуляторов напряжения. Комплексное решение вопросов ограничения токов короткого замыкания сделало допустимым включение на параллельную работу трех ГА мощностью по 2500 кВт.

На боевых кораблях высокое напряжение широкого применения не нашло (за исключением авианосцев с большой мощностью ЭЭС, таких например, как атомные авианосцы ВМС США типа «Nimitz».

Одной из причин такого положения является то, что на надводных кораблях отсутствуют электродвигатели мощностью более 150 кВт, в то же время целесообразным является применение высоковольтных электродвигателей мощностью более 300 кВт.

В гражданском судостроении, особенно в 80-е годы при освоении ресурсов Мирового океана, при строительстве судов специального назначения, ледоколов и др. высоковольтные ЭЭС нашли широкое применение.

На боевых кораблях наряду с основными параметрами ЭЭС (напряжение 440 В переменного тока частота 60 Гц) применяли электромашины и статические преобразователи в основном частотой 60/400 Гц.

Так, начиная с 50-х годов корабли флота США, СССР и других стран стали оснащаться вооружением нового типа, электронными системами радиолокации, управления, навигации, связи и т.п. На кораблях внедрялись системы РЭВ с питанием частотой 400 Гц от электромашинных преобразователей, которое использовалось в авиации и наземной технике вооруженных сил.

На конец 70-х годов установленная мощность преобразователей частотой 60/400 Гц для питания систем РЭВ на кораблях ВМС США превышала 1000 кВт, а доля потребителей с частотой 400 Гц в общей нагрузке основных ЭЭС с частотой 60 Гц достигла 14%. Рост мощности систем с частотой 400 Гц привел к тому, что эффект уменьшения массогабаритных характеристик электронного оборудования на 400 Гц оказался несущественным по сравнению с массой, которую привнесли установленные на борту преобразователи частоты.

Как правило, большинство систем проектировали из условия питания их от централизованной системы частотой 400 Гц, что приводило к еще большему росту потребления электроэнергии частотой 400 Гц. Как показала практика, часть оборудования РЭВ затрудняет нормальное функционирование других потребителей, создавая при этом искажения и значительные провалы напряжения в питающей сети. Это влечет за собой установку индивидуальных преобразователей, что особенно характерно для кораблей с ракетным вооружением. В конце 70-х годов на кораблях ВМС США общее количество преобразователей единичной мощностью от 1,25 до 300 кВт достигло 1200 единиц.

Несовместимость друг с другом оборудования РЭВ при централизованном питании потребовала детального анализа условий функционирования, режимов работы входных трактов цепей электропитания электронного оборудования.

Например, радиолокационная станция типа AN/SPG-55B, система целеуказания типа TAS и другие несовместимы с другими потребителями и требуют установки индивидуальных преобразователей. Индивидуальное питание оборудования РЭВ привело к тому, что на отдельных кораблях число преобразователей частоты достигло 33 единиц.

Анализ стоимости показал целесообразность проектирования систем РЭВ непосредственно от основной сети частотой 60 Гц. Разработанная в 1981 г. управлением морских систем ВМС США (NAVSEA) инструкция, в частности, предусматривает, что на надводных кораблях и подводных лодках, использующих ЭЭС с частотой 60 Гц, все оборудование спецсистем должно получать питание только от незаземленной трехфазной сети напряжением 440 В и частотой тока 60 Гц.

Положения этой инструкции исходят из того, что, во-первых, затраты на приобретение и монтаж преобразовательных устройств систем частотой от 400 Гц постоянно растут, соответственно увеличиваются эксплуатационные расходы и все больше места приходится резервировать под установку дополнительного оборудования. Во-вторых, существующая технология позволяет создавать электронное оборудование, для которого безразлична частота переменного тока. Это оборудование допускает питание от сети переменного тока частотой 60 или 400 Гц или постоянного тока.

Предполагается, что на всех перспективных кораблях ВМС США (после 2000 г.) электрические сети частотой 400 Гц будут полностью исключены и питание корабельных систем будет осуществляться от ЭЭС частотой 60 Гц.

Этот принцип также принят департаментом кораблестроения Великобритании и руководством ВМС НАТО. В инструкции STANAD 1008 по проектированию электрооборудования для кораблей стран НАТО указано, что оборудование не должно проектироваться для питания от сети нестандартных параметров, если сеть с напряжением 440 В и частотой 60 Гц является удовлетворительной по качеству питания. 

8.2.2. ГРЕБНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ (СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОДВИЖЕНИЯ)

История развития гребных электрических установок (ГЭУ) тесно связана как с развитием судов различных типов и назначений, так и с техническим развитием машиностроения, электротехники и электроники [8.15].

В зависимости от применения на судах тех или иных генераторов, ГЭД и преобразователей развитие ГЭУ шло по следующим направлениям:

ГЭУ постоянного тока;

ГЭУ переменно-постоянного тока;

ГЭУ переменного тока;

единые электрические системы с ГЭУ переменно-постоянного или переменного тока.

Исторической родиной ГЭУ является Россия. В 1911 г. при проектировании на Балтийском заводе линейных кораблей типа «Севастополь» был предложен вариант совместного использования ДГ и ГЭД для обеспечения экономического хода корабля.

В начале проектирования механизмов специалисты столкнулись с рядом нерешенных вопросов, основным из которых было обеспечение надежности применения электродвижения. 2 апреля 1911 г. состоялось заседание Морского технического комитета (МТК) по этому вопросу. В его работе приняли участие известные кораблестроители А.Н. Крылов и И.Г Бубнов, которые подчеркнули экономичность электродвижения. У присутствующих вызывала сомнение возможность обеспечения надежности вариантов компоновки турбины, ГЭД и гребного вала. Сомнение мог рассеять только эксперимент, поэтому принятие решения отложили до проведения опытов на учебном судне «Рында», и в дальнейшем электродвигатели применения не нашли.

В 30-е годы проводились работы по освоению Северного морского пути, в связи с чем руководство Главсевморпути рассчитывало на пополнение ледокольного флота за счет создания проверенных типов ледоколов и новых ледоколов с дизель-электрическими установками (ДЭУ) мощностью 6–10 МВт.

Спроектированный институтом «Судопроект» ледокол водоизмещением 12 000 т с ДЭУ мощностью 8,8 МВт был предпочтительнее парового из-за большей дальности плавания и лучшей маневренности. В 1934 г. было принято решение о параллельной постройке паровых и дизель-электрических ледоколов, но к строительству последних так и не приступили.

В 1938–1940 гг. по заказу СССР в Амстердаме (Нидерланды) были построены два товаро-пассажирских турбоэлектрохода каждый с двумя ТГ и двумя ГЭД общей мощностью на валах 8,68 МВт.

Таким образом, до Великой Отечественной войны и в послевоенные годы в СССР эксплуатировалось лишь несколько турбоэлектроходов зарубежной постройки. В 1947 г. было принято решение о постройке серии мощных ледоколов для Арктики, предусматривалось также создание транспортных судов ледового плавания, которые могли бы следовать за мощными ледоколами.