Судовые системы электродвижения: история и современное состояние

В последние годы значительно расширилась область применения СЭД и единых электроэнергетических систем (ЕЭЭС), появились новые типы электрических машин и полупроводниковых преобразователей, внедряются вентильные генераторные агрегаты и статические источники электроэнергии, повышается уровень автоматизации и интеграции систем управления. 

Широкое распространение судовых систем электродвижения связано с их достоинствами, среди которых следует выделить: хорошие регулировочные характеристики; отсутствие ограничения по количеству реверсов и минимальной частоте вращения, что повышает маневренность судна; высокий КПД при работе на долевых нагрузках и, как следствие, снижение эксплуатационных расходов; высокие перегрузочные способности по моменту на гребном винте, что позволяет судну работать в ледовых условиях; возможность более рационального размещения оборудования на судне и др.

Прямая передача вращающего момента от гребного электродвигателя (ГЭД) на гребной винт использовалась практически на всех судах с системой электродвижения до появления винторулевых колонок (ВРК). В настоящее время в эксплуатации находятся суда с системой электродвижения, построенные более четырех десятилетий назад.

Первыми на судах нашли применение системы электродвижения постоянного тока. Достоинством данных систем является возможность регулирования частоты вращения гребного электродвигателя без использования полупроводниковых преобразователей и простота реверсирования. Регулировка частоты вращения ГЭД осуществлялась за счет изменения напряжения, подводимого к якорной обмотке и (или) обмотке возбуждения. Для питания общесудовых приемников применяется вспомогательная судовая электростанция (СЭС).

Система электродвижения постоянного тока в настоящее время применяется на транспортных судах ледового класса проекта 550 типа "Амгуэма". Всего было построено 15 судов данного проекта. В 2015 г. завершилась модернизация большого грузопассажирского морского транспорта ледового класса данной серии "Яуза".

Системы электродвижения постоянного тока со вспомогательной СЭС переменного тока применялась на морских буксирах спасателях проекта 745. До появления полупроводниковый преобразователей (ПП), наряду с системами электродвижения постоянного тока, находили применение СЭД переменного тока, в которых электроэнергию вырабатывал синхронный генератор, в качестве гребного электродвигателя использовалась электрическая машина переменного тока. В случае применения винта фиксированного шага (ВФШ) частота вращения двигателя регулировалась путем изменения частоты тока, вырабатываемого СГ за счет изменения частоты вращения главных дизель-генераторов (ДГ). 

Недостатком данных ГЭУ являлось ограничение по минимальной частоте вращения гребного электродвигателя. Реверс гребного винта осуществлялся за счет изменения порядка следования фаз путем переключения в силовой цепи питания ГЭД. При использовании в качестве движителя винта регулируемого шага скорость и реверс судна осуществляются за счет изменения угла наклона лопастей винта, при этом частота вращения двигателя остается постоянной или меняется в небольшом диапазоне. Для питания общесудовых преемников электроэнергии применяется вспомогательная СЭС переменного тока. 

Материал по теме:
Олег Савченко: "Задача была не заработать, а восстановить технологии"

По мере развития полупроводниковый техники появились системы электродвижения двойного рода тока на базе неуправляемых выпрямителей (НВ). В качестве элементной базы в них используются полупроводниковые диоды. В данных системах главные дизель-генераторы вырабатывают электроэнергию переменного тока и подключены к щиту электродвижения (ЩЭД). ГЭД постоянного тока получают питание от силовых неуправляемых выпрямителей. Для изменения частоты вращения двигателя регулируется напряжение СГ и, как следствие, меняется напряжение на входе НВ, что приводит к изменению напряжения, подводимого к якорной обмотке двигателя. 

В данных системах электродвижения возможно применение трансформаторов для подключения выпрямителей к щиту электродвижения для согласования значений напряжения генераторов и якорной обмотки ГЭД, а также с целью обеспечения гальванической развязки электрической сети. Реверс двигателя осуществляется за счет реверса тока в обмотке возбуждения. Для питания общесудовых приемников электроэнергии используются вспомогательная система электродвижения с ДГ переменного тока. 

СЭД двойного рода тока с неуправляемыми выпрямителями применяется на атомных ледоколах пр. 10520 и 10521 типа "Арктика". Последний ледокол данной серии "50 лет Победы" введен в эксплуатацию в 2007 году. В качестве источников электроэнергии на атомных ледоколах применяются паротурбогенераторы. 

Опыт эксплуатации ледоколов данной серии показал высокую надежность и хорошие регулировочные свойства СЭД двойного рода тока с неуправляемыми выпрямителями. Достоинством данного схемотехнического решения является применение ГА переменного тока и надежных НВ, выполненных на диодах. К недостаткам относится то, что изменение в широком диапазоне параметров электроэнергии на шинах щита электродвижения исключает возможность создания ЕЭЭС. Необходимо отметить, что наличие двух электростанций: главной и вспомогательной, является рациональным решением для ледоколов с атомной энергоустановкой.

При отсутствии управляемых ПП создание ЕЭЭС было реализовано путем применения навешенных генераторов (генераторов отбора мощности). В таких установках главные ДГ при работе с постоянной частотой вращения одновременно приводят в движение главные и вспомогательные генераторы. В качестве главных использовались генераторы постоянного тока, в качестве вспомогательных – синхронные генераторы переменного тока. В общесудовой сети поддерживается постоянство параметров электроэнергии переменного тока. В СЭД при воздействии на систему возбуждения ГГ происходит изменение напряжения, подводимого к ГЭД, и, соответственно, частоты вращения. 

Достоинством ЕЭЭС с навешенными генераторами является лучшие массогабаритные показатели за счет уменьшения количества приводных двигателей. ЕЭЭС с СЭД данного типа по настоящее время находят применение на судах разного назначения, в том числе на морских буксирах-спасателях проекта 1454. В 1990 г. один из буксиров-спасателей с СЭД данного типа "Яна" был передан зарубежному судовладельцу. 

По мере развития полупроводниковой техники появилась возможность создания ЕЭЭС, в которых главные ГА вырабатывают электроэнергию как для нужд СЭД, так и для питания общесудовых приемников. Реализация ЕЭЭС стало возможной благодаря появлению управляемых выпрямителей (УВ) на базе однооперационных тиристоров. Создание УВ позволило в середине 1970 гг. создать ЕЭЭС с системами электродвижения двойного рода тока. 

В ЕЭЭС главные ДГ вырабатывают электроэнергию как для питания ГЭД, так и для питания общесудовых приемников электроэнергии. За счет применения УВ частота электрического тока на шинах ГРЩ остается постоянной. Частота вращения ГЭД регулируется за счет изменения напряжения, подводимого к якорной обмотке и тока возбуждения двигателя с помощью УВ. 

Одной из проблем применения УВ является снижение качества электроэнергии на шинах ГРЩ, связанное с появлением гармонических составляющих напряжения. Одним из вариантов решения данной проблемы является применение электромашинных преобразователей. К шинам щита электродвижения подключаются ГЭД, а питание общесудовых приемников электроэнергии осуществляется от ГРЩ, который получает питание от синхронных генераторов электромашинного преобразователя.

ЭМП состоят из двух электрических машин: асинхронного двигателя и синхронного генератора. Одна ЭМ работает в двигательном режиме, другая – в генераторном. Поскольку электрическая связь между питаемой и питающей сетью отсутствует, на выходе ЭМП качество электроэнергии соответствует Правилам РС. Данное схемотехническое решение имеет приемлемые массогабаритные показатели в связи с тем, что мощность общесудовых приемников электроэнергии значительно меньше мощности СЭД. Недостатком данных ЕЭЭС является низкое качество электроэнергии в судовой сети на шинах щита электродвижения, что связано с отрицательным влиянием УВ и, как следствие, необходимостью применять вращающиеся электромашинные преобразователи.

Данная ЕЭЭС с СЭД реализована на дизель-электрических ледоколах типа "Капитан Измайлов". Ледокол "Капитан Измайлов" был построен в 1976 г. в Финляндии на по заказу СССР. Всего построено три ледокола данной серии. Ледокол "Капитан Косолапов" после глубокой модернизации введен в эксплуатацию в 2017 г. В процессе модернизации были полностью заменены управляемые выпрямители для питания якорной обмотки и реверсивные выпрямители обмотки возбуждения гребного электродвигателя, внедрена микропроцессорная система управления ГЭУ, заменены все четыре ГДГ, модернизирована система АПС и реализована система ИСУ ТС. Работу по модернизации ГЭУ ледокола выполнило АО "НПЦ "Электродвижение судов".

Применение силовых трехобмоточных трансформаторов для питания управляемых выпрямителей СЭД позволяет повысить качество электроэнергии на шинах щита электродвижения и ГРЩ и отказаться от применения электромашинных преобразователей. 

Регулирование частоты вращения гребного электродвигателя осуществляется с помощью УВ, что позволяет поддерживать постоянство напряжения и частоты в судовой сети и создает предпосылки для реализации ЕЭЭС. В качестве выпрямителя, как правило, применяют двенадцатипульсный выпрямитель с двумя мостовыми группами, получающими питание от трехобмоточного трансформатора. 

В ЕЭЭС данного типа вместо силовых трансформаторов СЭД могут применяться фильтрокомпенсирующие устройства, которые позволяют повысить качество электроэнергии и уменьшить коэффициент мощности в судовой сети. 

На атомных мелкосидящих ледоколах пр. 10580 "Таймыр" и "Вайгач" применяется СЭД переменного тока с прямой передачей вращающего момента на винт. Ледоколы построены на судоверфи в Хельсинки по заказу Советского Союза. Атомные установки были смонтированы на Балтийском заводе. Атомные ледоколы "Таймыр" и "Вайгач" введены в эксплуатацию, соответственно, в 1989 и 1990 гг.

В качестве гребного электродвигателя в мелкосидящих атомных ледоколах применяются синхронные электрические машины с электромагнитным возбуждением. Суммарная мощность СЭД ледоколов составляет 36 МВт. Частота вращения малооборотных ГЭД не превышает 400 об/мин, что позволяет использовать их в качестве преобразователей циклоконвертеры (преобразователи непосредственного типа) на базе однооперационных тиристоров. Качество электроэнергии в судовой сети при использовании непосредственных преобразователей частоты значительно снижается, что подтверждает опыт эксплуатации атомных ледоколов "Вайгач" и "Таймыр". 

В составе СЭД атомного ледокола пр. 22220 "Арктика" входят асинхронные ГЭД, в качестве ПП применяются преобразователи со звеном постоянного тока на базе неуправляемых выпрямителей и автономных инверторов. Суммарная мощность СЭД составляет 60 МВт.

Во всех СЭД с прямой передачей вращающего момента на винт существует проблема торможения ГЭД. При торможении ГЭД переводится в генераторный режим. Для обеспечения тормозного момента на валу необходимо нагружать ГЭД, работающий в режиме генератора, электрическим током. Поскольку мощность СЭД значительно превосходит мощность общесудовых приемников электроэнергии, рекуперативное торможение в судовую сеть реализовывать не всегда нецелесообразно. В связи с этим на мелкосидящих атомных ледоколах предусмотрено последовательное торможение ГЭУ. При торможении ГЭД переводится в генераторный режим работы. 

Электроэнергия, вырабатываемая гребным электродвигателем, поступает через ПП в судовую сеть, ГГ при этом разгружаются и могут перейти в двигательный режим работы. Поскольку мощность двигателя значительно превышает мощность общесудовых электропотребителей, появляется избыток электрической мощности, который приводит к повышению частоты в сети и может служить причиной отключения или отказов ПД. В связи с этим на мелкосидящих атомных ледоколах "Вайгач" и "Таймыр" реализовано двухступенчатое торможение СЭД: сначала тормозятся бортовые ГЭУ, затем центральный, который при торможении бортовых гребных электродвигателей продолжает работать в двигательном режиме. На атомных ледоколах пр. 22220 для торможения ГЭД применяются тормозные сопротивления, которые подключаются в звено постоянного тока ПП.

На морском буксире пр. 550 МБ "Виктор Конецкий" впервые в отечественном судостроении применена ЕЭЭС и система электродвижения переменного тока с прямой передачей вращающего момента на гребной винт. В качестве гребного электродвигателя (ГЭД) используется вентильно-индукторная электрическая машина. Следует отметить, что на первых морских буксирах серии 745 использовалась СЭД постоянного тока со вспомогательной электростанцией переменного тока.

Интересным с технической точки зрения является тот факт, что на одном буксире (МБ-12) в качестве ГЭД использован малооборотный шестифазный асинхронный электродвигатель, а на втором – "Виктор Конецкий" (введен в эксплуатацию в 2013 г.) – индукторный электродвигатель. Для питания индукторного гребного электродвигателя применяется 24-фазный преобразователь частоты, который формирует прямоугольные однополярные импульсы напряжения, подаваемые к якорной обмотке. Для торможения ГЭД используются тормозные сопротивления, установленные в звене постоянного тока ПП. 

В 2008 г. в состав гидрографической службы Военно-морского флота вошло малое гидрографическое судно "Вайгач". На нем впервые была применена единая электроэнергетическая установка с СЭД переменного тока и винторулевыми колонками. Разработку и поставку оборудования системы электродвижения осуществил ФГУП "ЦНИИ СЭТ", главный конструктор системы – Григорьев А.В. В качестве гребного электродвигателя использовалась асинхронная электрическая машина, в качестве движителя – механическая винторулевая колонка.

В дальнейшем по аналогичной схеме были построены суда других проектов вспомогательного флота. Во всех судах был реализован принцип единой электроэнергетической системы. В качестве ГЭД применялись асинхронные двигатели, работающие на механические ВРК, в качестве полупроводниковых преобразователей – преобразователи со звеном постоянного тока на базе неуправляемых выпрямителей и автономных инверторов напряжения. 

Недостатком применения механических ВРК является ограничение перегрузки по моменту, связанное с наличием зубчатых пар в механической передачи. По аналогичной схеме ЕЭЭС с СЭД в течение последних десяти лет были построены и введены в эксплуатацию ледоколы пр. 21900 ("Москва", "Санкт-Петербург") и серии 21900М ("Мурманск" и "Владивосток"). На ледоколах пр. 21900, которые были построены на Балтийском и Выборгском судостроительных заводе, применяется высоковольтная ЕЭЭС и низковольтная ГЭУ переменного тока с двумя механическими ВРК. В ГЭУ два асинхронных ГЭД работают "в тандеме" на одну механическую колонку. Мощность ГЭУ судов проекта 21900 составляет 18 МВт, 21900М – 19 МВт. 

Мощность современных механических колонок достигает 8 МВт и более. Для повышения КПД СЭД и увеличения единичной мощности ГЭУ широкое применение находят электрические винторулевые колонки, в которых двигатель располагается внутри гондолы. В электрических колонках, в отличие от механических, применяются малооборотные гребные электродвигатели, которые валопроводом напрямую связаны с гребным винтом. В качестве ГЭД в современных электрических колонках применяются асинхронные и синхронные электрические машины, в том числе с электромагнитным возбуждением и возбуждением на постоянных магнитах. 

На "Адмиралтейских верфях" в 2020 г. завершилось строительство крупнейшего в мире дизель-электрического ледокола пр. 22600 "Виктор Черномырдин" с высоковольтными ЕЭЭС и СЭД переменного тока, суммарной мощностью 25 МВт. Первый этап строительства ледокола был выполнен на Балтийском судостроительном заводе. Уникальность данной системы электродвижения состоит в одновременном применении двух электрических бортовых колонок типа Azipod, по 7,5 МВт каждая, и центральной линии гребного вала с синхронным ГЭД мощностью 10 МВт. Основным недостатком электрических ВРК являются сложность конструкции и высокие массогабаритные характеристики данных колонок, что связано с применением малооборотных ГЭД. 

В качестве ПП на современных судах могут использоваться преобразователи со звеном постоянного тока на базе активных выпрямителей. Преобразователи данного типа не требуют применения согласующих трансформаторов и, благодаря широтно-импульсному регулированию, вносят незначительные искажения в питающую сеть.

Первым речным судном с СЭД переменного тока является круизного судна "Княгиня Ольга", которое вошло в эксплуатацию в 2017 г. В составе СЭД данного судна впервые применен ПП на базе активного выпрямителя, который напрямую без согласующего трансформатора подключен к главному распределительному щиту.

А.В. Григорьев, к.т.н., профессор ФГБОУ ВО "ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова", генеральный директор АО "НПЦ "Электродвижение судов"

Статьи по теме:

Крыловский центр: "Невозможно быть экспертом, не решая фундаментальные, поисковые и прикладные задачи"
Как "традиции" мешают развитию электродвижения на флоте?