История электротехники - Коллектив авторов

На судах зарубежной постройки ГЭУ начали развиваться с 1911 г. К концу второй мировой войны флот зарубежных стран насчитывал сотни судов с турбо- и дизель-электрическими установками. В основном в этот период суда строились с ГЭУ постоянного тока, в которых генераторы и ГЭД, как правило, соединялись по схеме генератор — двигатель.

Применялось в основном попеременно-последовательное соединение якорей генераторов и ГЭД. При нескольких ГЭД на судне в цепи главного тока использовались контуры по числу ГЭД или их якорей. На судах американской и канадской постройки традиционно применяется параллельное включение генераторов, причем при нескольких ГЭД на судне параллельно соединялись группы генераторов для каждого ГЭД. Например, трехвальная паротурбоэлектрическая ГЭУ канадского ледокола («Lous St. Laurent» 1969 г.) включает три ГЭД и три паровые турбины, каждая из которых через редуктор приводит во вращение три двухъякорных генератора (мощностью 3x2,2 МВт каждый). В схеме применено параллельное соединение каждых трех генераторов разных турбин, работающих на один ГЭД. При работе в средних и легких льдах используются два агрегата, в свободной воде — один, при этом обеспечиваются скорости судна 17 и 14,5 узла соответственно.

Особенностью ГЭУ ледокола финской постройки типа «Ермак» является применение среднеоборотных дизелей (СОД). ГЭУ состоит из девяти синхронных дизель-генераторов мощностью по 3,4 МВт напряжением 800 В с частотой вращения 380 об/мин и трех ГЭД [3 x (2x4,5 МВт)] напряжением 1,2 кВ с частотой вращения 105/180 об/мин.

Цепь главного тока обеспечивает включение любого из трех ДГ контура среднего ГЭД в контуры бортовых ГЭД; ДГ контуров бортовых ГЭД могут быть включены только в контур среднего.

В ГЭУ переменно-постоянного тока вместо генераторов постоянного тока применяют генераторы переменного тока в сочетании с неуправляемыми выпрямителями.

Первая установка была применена в 1965 г. на буксирах-толкачах типа («Clermont») (США), предназначенных для транспортировки барж с ракетами в системе каналов на р. Миссисипи. ГЭУ состоит из газовой турбины, приводящей во вращение два синхронных генератора мощностью по 334 кВт напряжением 445 В частотой 60 Гц; два ГЭД (работающих через понижающие редукторы с передаточным отношением 5,15:1, каждый на свой винт) мощностью 315 кВт напряжением 600 В частотой вращения 1200 об/мин; два неуправляемых выпрямителя.

Для ГЭД постоянного тока предельное значение напряжения на якорь всеми странами принято 1200 В. По данным фирм «Siemens» (ФРГ), «Stromberg») (Финляндия) максимальная мощность электродвигателя постоянного тока при указанном напряжении равна 10–15 МВт. В связи с ограниченной мощностью ГЭД постоянного тока и ростом мощности ГЭУ дальнейшее развитие происходило путем замены ГЭД постоянного тока на ГЭД переменного тока и выпрямителей на преобразователи частоты.

В ГЭУ переменного тока при больших мощностях нашли применение наряду с дизелями паровые и газовые турбины. В большинстве случаев применяются синхронные ГЭД. Однако в процессе развития указанных ГЭУ в качестве

ГЭД применялись практически все типы электрических машин переменного тока (кроме коллекторных).

Получили большое распространение ГЭУ с использованием преобразователей частоты и (или) винта регулируемого шага (ВРШ). На всех ГЭУ большинства судов применены синхронные ГЭД. Например, на канадском судне «Canberra» ГЭУ состоит из шести ТГ переменного тока мощностью по 22 МВт, напряжение синхронных генераторов 3 кВ при частоте 60 Гц и три двухъякорных синхронных ГЭД [3 x (2х21 МВт)], 110 об/мин. Оборудование преобразователя частоты для ГЭУ этого судна, если его выстроить в один ряд, займет до 90 м.

Синхронные ГЭД могут работать во всем диапазоне нагрузок с cosφ = 1,0, что позволяет наилучшим образом использовать генераторы и преобразователи. Они также имеют значительный воздушный зазор между ротором и статором и, несмотря на необходимость установки специальных возбудителей, в большей степени отвечают жестким условиям работы судового привода.

С целью более эффективного использования оборудования ГЭУ, упрощения его обслуживания, повышения экономии топлива и увеличения грузовместимости судна развитие ГЭУ и ЭЭС пошло по пути объединения источников питания ГЭУ и общесудовых потребителей в единые ЭЭС (ЕЭЭС).

Построение ЕЭЭС выполнено при использовании преобразователей энергии различного типа:

механических (ВРШ);

электрических (преобразователи частоты и управляемые выпрямители);

комбинации механических и электрических преобразователей.

Как пример из большого числа построенных в 70-х годах судов с ЕЭЭС и ГЭД постоянного тока можно привести паром «Deutshland», построенный в ФРГ в 1972 г. В состав ЕЭЭС судна входят девять бесщеточных синхронных ДГ мощностью по 2100 кВ∙А (часовая мощность 2400 кВ∙А); четыре силовых блока управляемых выпрямителей мощностью по 5300 кВ∙А, 1000 В переменного тока, 4400 А выпрямленного тока; два двухъякорных ГЭД постоянного тока мощностью по 2x3860 кВт (1200 В; 195/210 об/мин); два носовых асинхронных двигателя с фазным ротором подруливающих устройств мощностью по 750 кВт, 980 об/мин; два трансформатора по 2000 кВ∙А. Питание тиристорных выпрямителей осуществляется от двойной системы сборных шин, соединяемых выключателями, а двух якорей одного ГЭД — от разных секций шин. Питание шин общесудовых потребителей осуществляется от двух трансформаторов 1000/380 В.

При повреждении шин питания судовых потребителей 380 В производится автоматический запуск аварийного ДГ мощностью 570 кВ∙А, обеспечивающего питание секции ответственных потребителей.

Примером ЕЭЭС с ГЭУ переменного тока может быть канадский ледокол «Henry Larsen», построенный в 1987 г. Его ЕЭЭС состоит из трех генераторов мощностью 5 МВт (4,16 кВ, 720 об/мин) с дизельным приводом. Генераторы включены на шины ЕЭЭС, от которых через понижающие трансформаторы и преобразователь частоты получают питание два ГЭД. Мощность трансформаторов 2x4 MB∙А, выходное напряжение 1,2 кВ, мощность синхронных ГЭД 6 МВт при частоте вращения 145/180 об/мин. Система векторного регулирования ГЭД с прямым цифровым управлением отпиранием тиристоров и оптической потенциальной развязкой силовых цепей и управления выполнена на базе четырех быстродействующих 16-разрядных микропроцессоров.

Система преобразователь частоты — синхронный ГЭД имеет механические характеристики, аналогичные характеристикам ГЭУ постоянного тока, но обладает повышенными надежностью, КПД и быстродействием.

Системы с ВРШ появились в начале 60-х годов в ФРГ, Италии, а затем в Японии и США. ГЭД в таких установках работает при постоянной частоте вращения в одном направлении. В ГЭУ с ВРШ нашли широкое применение высокооборотные дизель- и газотурбогенераторы. Как правило, в ГЭУ с ВРШ при мощностях на винте более 2 МВт применяются синхронные ГЭД, позволяющие повысить КПД и коэффициент мощности системы в целом. Такими ЕЭЭС оборудованы многие рыбопромысловые суда, паромы, земснаряды, буровые суда и платформы. Недостатком системы является сложный пуск синхронных ГЭД, производимый при пониженной частоте аналогично системам с частотным управлением. В ЕЭЭС с ГЭД мощностью менее 2 МВт применялись высокооборотные асинхронные короткозамкнутые ГЭД, включаемые обычно по два на ВРШ через редукторную передачу. Пуск их производится поочередно: сначала переключением со звезды на треугольник запускается один электродвигатель ГЭД, а затем прямым включением второй. Провал напряжения при пуске ГЭД не превышает 15%. Подобными системами оборудовано большинство рыбопромысловых судов Италии, Испании, ФРГ, Японии.

Недостатком асинхронных ГЭД является значительное потребление ими реактивной мощности и малый воздушный зазор, создающий трудности при монтаже и эксплуатации в ледовых условиях, поэтому они не получили распространения на ледоколах.

Освоение природных ресурсов Мирового океана привело к созданию судов специального назначения с потребителями электроэнергии большой мощности. В 80-е годы Финляндией, Японией, Швецией, Великобританией, США, Италией, Нидерландами, Норвегией и Францией построено большое количество полупогружных добывающих буровых установок и специальных многоцелевых платформ; добычных и крановых судов; ледоколов; судов снабжения; судов обслуживания и обеспечения подводно-технических работ и др. Многие из этих судов и установок оборудованы электроприводами технологических механизмов и систем позиционирования судна. Наиболее характерный диапазон мощностей ЕЭЭС до 50 МВт, номинальное напряжение от 3,3 до 10,5 кВ, частота 50 или 60 Гц. Непосредственно от шин ГРЩ высокого напряжения получают питание электроприводы движения и позиционирования, а также судовые потребители большой мощности (приводы технических комплексов, пожарные насосы и др.). Для питания общесудовых потребителей низкого напряжения установлены понижающие трансформаторы и (или) электромашинные преобразователи.