sb102058

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

А. В. ГРИГОРЬЕВ С. М. МАЛЫШЕВ А. Ю. ВАСИЛЬЕВ

КОМПЛЕКСНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ СУДОВОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЕЙ

Учебное пособие

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2024

1

УДК 629.12.066:004 ББК 39 455

Г44

Григорьев А. В., Малышев С. М., Васильев А. Ю.

Г44 Комплексные системы управления судовой электростанцией: учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2024. 50 с.

ISBN 978-5-7629-3295-0

Содержит общие сведения о современных судовых электростанциях (СЭС), локальных, интегрированных и комплексных системах управления. Рассматривается состав, назначение, принцип действия, классификация СЭС

икомплексных систем управления. Представлены функциональные схемы СЭС и систем управления.

Рассмотрены локальные системы управления генераторными агрегатами, включая системы регулирования напряжения, частоты, синхронизации, распределения активной и реактивной мощности при параллельной работе генераторных агрегатов.

Предназначено для подготовки бакалавров по направлению 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» по профилю «Электрооборудование

иавтоматика судов». Может быть полезно инженерно-техническим специалистам в области разработки и проектирования судовых электростанций и комплексных систем управления.

УДК 629.12.066:004 ББК 39 455

Рецензенты: кафедра электротехники и электрооборудования объектов водного транспорта ВГУВТ (д-р техн. наук, проф. О. С. Хватов); канд. техн. наук, проф. Н. А. Алексеев (ГУМРФ им. адм. С. О. Макарова).

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

2

ПП– полупроводниковый преобразователь

3

ВВЕДЕНИЕ

Предметом дисциплины «Комплексные системы управления судовой электростанцией» является изучение назначения, принципа действия, состава и основ проектирования систем управления судовой электростанцией.

Судовые электростанции применяют для производства электрической энергии необходимого количества и качества. Широкое применение на отечественных судах различного назначения находят автономные вспомогательные и главные судовые электростанции, а так же электростанции с отбором мощности от главной энергетической установки. В состав последних входят валогенераторы, приводимые в движение от главного двигателя.

Всостав судовой электростанции входит различное по назначению электрооборудование, включая генераторные агрегаты, полупроводниковые преобразователи, трансформаторы, электрощитовое оборудование. В качестве генераторных агрегатов находят применение дизель-генераторы, газо- и паротурбогенераторы, валогенераторы. Данное оборудование управляется локальными системами управления.

При прохождении дисциплины изучается состав, назначение, классификация и принцип действия судовых электростанций, в том числе с распределением электроэнергии в судовой сети на переменном и постоянном токе, с отбором мощности от главной энергетической установки. Подробно рассматриваются локальные системы управления генераторных агрегатов, включая системы автоматического регулирования напряжения и частоты, а так же интегрированные системы управления судовой электростанцией и электроэнергетической системой.

Впоследнее десятилетие в судостроении активно внедряются единые электроэнергетические системы, предназначенные для питания общесудовых электроприемников и гребных электрических установок. При прохождении дисциплины изучаются комплексные системы управления единых электроэнергетических систем с гребными электрическими установками.

4

1. НАЗНАЧЕНИЕ И СТРУКТУРА СУДОВЫХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК И СИСТЕМ

1.1. Назначение, состав и классификация электроэнергетических установок и систем

Судовая электроэнергетическая установка (СЭЭУ) представляет собой сложный технический комплекс, состоящий из различных видов электрооборудования, обеспечивающий процессы генерирования, распределения и преобразование электроэнергии в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую, химическую).

В состав судовой электроэнергетической установки входят:

–судовая электроэнергетическая система (СЭЭС);

–общесудовые преобразователи электроэнергии;

–гребная электрическая установка (ГЭУ).

СЭЭУ обладает всеми свойствами системы, однако здесь и далее авторы используют общепринятую терминологию в отношении судовых электротехнических комплексов, систем и установок.

Структура СЭЭУ приведена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Структура СЭЭУ

Назначением СЭЭС является производство, преобразование и распределение электроэнергии по судну. В состав СЭЭС входит одна или несколько судовых электростанций (СЭС) и судовая система распределения электро-

5

энергии. СЭС называют технический комплекс, состоящий из источников электроэнергии, главного распределительного щита (ГРЩ) и преобразователей электроэнергии (силовых трансформаторов). Основным назначением СЭС является производство электроэнергии необходимого количества и качества во всех режимах эксплуатации судна. При наличие генератора, приводимого в движение от главного двигателя (валогенератор), в составе СЭС выделяют валогенераторную установку (ВГУ). Судовые электростанции подразделяют на основные, аварийные и специальные. Основные СЭС обеспечивают электроэнергией судовые общесудовые приемники электроэнергии во всех эксплуатационных режимах работы судна, включая аварийный (пожар, пробоина). Аварийная СЭС обеспечивает питанием только особо важные приемники в случае отказа основной СЭС. Специальные СЭС могут использоваться на судах для питания технологических комплексов (рыбоперерабатывающий завод, буровая установка и т. п.). К специальным относят СЭС, используемые в составе гребных электрических установок. В данной СЭС источники электроэнергии подключаются к щиту электродвижения (ЩЭД).

Если СЭС одновременно обеспечивает электропитанием ГЭД и общесудовые электроприемники, то СЭЭС, в состав которой входит электростанция, называют единой. Соответственно ЭЭУ, в состав которой входит единая СЭЭС и ГЭУ, также принято называть единой.

Системы распределения электроэнергии состоят:

–из электрораспределительных устройств;

–из электрической сети, обеспечивающей передачу электроэнергии от источников к приемникам;

–из преобразователей электроэнергии.

В большинстве случаев движение судна обеспечивают тепловые главные двигатели (дизели, турбины), которые входят в состав главной энергетической установки (ГлЭУ). Главной энергетической установкой судна называют комплекс технических средств, предназначенных для непосредственного преобразования химической или атомной энергии топлива в механическую с целью обеспечения движения судна. На многих судах различного назначения для обеспечения движения судна используется гребная электрическая установка (ГЭУ), которая также входит в состав СЭЭУ. В ГЭУ гребной винт приводит в движение гребной электродвигатель (ГЭД), преобразующий электрическую энергию в механическую. В состав ГЭУ может входить

6

специальная СЭС или ГЭД получает электроэнергию от единой электростанции.

СЭЭС по типу взаимосвязи с главной энергетической установкой судна можно разделить на следующие:

–автономные СЭЭС, не имеющие непосредственной связи с ГлЭУ;

–СЭЭС с отбором мощности от ГлЭУ;

–единые СЭЭС.

Классификация СЭЭС по типу связи с главной энергетической установкой судна представлена на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Классификация СЭЭС по типу связи с ГлЭУ

В автономных СЭЭС электроэнергию для питания общесудовых электроприемников вырабатывают автономные источники электроэнергии, как правило, турбоили дизель-генераторы. В состав СЭЭС с отбором мощности от ГлЭУ помимо автономных источников электроэнергии входят генераторные установки, использующие для производства электроэнергии мощность ГД. К таким установкам относят валогенераторные установки (ВГУ) и утилизационные установки. В ВГУ электроэнергию вырабатывают валогенераторы (ВГ), приводимые в движение непосредственно от главного двигателя (ГД). В утилизационных установках применяются утилизационные пароили газотурбогенераторы. Для получения пара в утилизационных котлах используется тепло выхлопных газов ГД. Утилизационные газотурбогенераторы приводятся в движение под действием давления выхлопных газов ГД. В отличие от ВГУ, утилизационные турбогенераторы находят ограниченное применение на современных судах. Это связано, прежде всего, с ограниченной мощностью утилизационной установки. ВГУ производят непосредственный отбор мощности от ГлЭУ, утилизационные установки – косвенный отбор.

7

В единых СЭЭС производимая электроэнергия одновременно поступает на общесудовые нужды и используется для обеспечения движения судна.

1.2. Единые электроэнергетические установки и системы

Едиными электроэнергетическими установками (ЕЭЭУ) называют установки, в состав которых одновременно входит гребная электрическая установка и единая электроэнергетическая система. На первых судах с ГЭУ использовали две электростанции: одна для питания ГЭД, другая – для питания общесудовых приемников. При этом, как правило, генераторы разных электростанций вырабатывали электроэнергию с различными параметрами. Кроме того, регулировка частоты вращения ГЭД осуществлялась за счет изменения величины напряжения или частоты тока главных генераторов, в то время как вспомогательные генераторные агрегаты вырабатывали электроэнергию с постоянными параметрами. На рис. 1.3 в качестве примера представлена упрощенная схема СЭЭС с ГЭУ постоянного тока. СЭЭС из двух дизельгенераторов переменного тока и главного распределительного щита (ГРЩ).

В состав ГЭУ входит главный дизель-генератор и гребной электродвигатель постоянного тока. В качестве главного генератора применена электрическая машина постоянного тока. ГЭД приводит в движение винт фиксированного шага. Частота вращения ГЭД регулируется за счет изменения напряжения якорной обмотки или тока возбуждения.

Рис. 1.3. СЭЭУ с ГЭУ постоянного тока: 1 – главный ДГ; 2 – вспомогательные ДГ; 3 – ГЭД; 4 – гребной винт; 5 – ГРЩ

8

По мере развития полупроводниковой техники появилась возможность создания единых ЭЭУ (ЕЭЭУ), в которых одни и те же генераторные агрегаты вырабатывают электроэнергию для нужд ГЭУ и питания общесудовых потребителей.

Достоинствами ЕЭЭУ являются:

–оптимизация режимов эксплуатации приводных двигателей (дизелей) и, как следствие, снижение расхода горюче-смазочных материалов и повышение КПД;

–повышение надежности и безопасность эксплуатации всей установки в целом;

–снижение стоимости оборудования установки;

–возможность планирования технического обслуживания и ремонта генераторных агрегатов путем поочередного вывода их из эксплуатации.

Регулирование частоты вращения ГЭД осуществляется с помощью полупроводниковых преобразователей электроэнергии – выпрямителей (при использовании в качестве ГЭД машины постоянного тока) или полупроводникового преобразователя частоты при использовании в качестве ГЭД машины переменного тока.

На рис. 1.4 приведена упрощенная схема ЕЭЭУ с ГЭУ переменного тока

ипонижающим трансформатором.

Рис. 1.4. ЕЭЭС с ГЭУ переменного тока и понижающим трансформатором: 1 – щит электродвижения; 2 – главные ДГ; 3 – ГЭД; 4 – гребной винт;

5 – полупроводниковый преобразователь; 6 – понижающий трансформатор; 7 – ГРЩ

9

Мощность ГЭД, как правило, значительно превосходит мощность судовых электропотребителей. Для повышения массогабаритных показателей ЕЭЭУ, т. е. снижения массы и габаритов оборудования, генераторы и оборудование ГЭУ часто выполняют высоковольтными.

При торможении судна ГЭД переводится в генераторный режим работы. Электроэнергия, вырабатываемая ГЭД, поступает через преобразователь в судовую сеть, и ДГ разгружаются. Поскольку мощность ГЭД значительно превосходит мощность общесудовых электропотребителей, появляется избыток электрической мощности, который приводит к повышению частоты в сети, что может служить причиной отказов приводных двигателей.

В последние годы в ГЭУ широкое применение получили винторулевые колонки (ВРК).

ЕЭЭС с ГЭУ переменного тока на базе ВРК с силовыми трансформаторами приведена на рис. 1.5.

Рис. 1.5. ЕЭЭУ с ГЭУ переменного тока на базе ВРК и повышающими трансформаторами: 1 – ГРЩ; 2 – ДГ; 3 – ГЭД; 4 – ВРК; 5 – полупроводниковый преобразователь;

6 – повышающий трансформатор

В ЕЭЭУ с ВРК реверс ГЭД не требуется, так как реверсирование судна осуществляется путем разворота колонок, что благоприятно сказывается на режиме эксплуатации приводных двигателей ДГ.

1.3. Структурная схема судовой электростанции

Большинство судовых технических средств работает с использованием электроэнергии благодаря удобству ее передачи, высокой экономичности

10