Фото: Малое гидрографическое судно «Вайгач»

Судовые системы электродвижения (СЭД) находят все более широкое применение на современном флоте, включая ледоколы, суда ледового плавания, паромы, научно-исследовательские и гидрографические.

Андрей Григорьев, профессор кафедры ГУМРФ им. адм. С.О. Макарова, к.т.н., генеральный директор АО «НПЦ «Электродвижение судов»

Основные достоинства

Среди основных достоинств СЭД следует выделить:

– высокие регулировочные характеристики;

– отсутствие ограничений по количеству реверсов и минимальной частоте вращения гребного электродвигателя (ГЭД);

– высокий КПД при работе на долевых нагрузках и, как следствие, снижение эксплуатационных расходов;

– высокую перегрузочную способность ГЭД по моменту;

– возможность более рационального размещения оборудования на судне и др.

Первыми на судах стали использоваться СЭД постоянного тока, в которых в качестве генератора и ГЭД применялись электрические машины постоянного тока.

Достоинством СЭД постоянного тока являлась возможность регулирования частоты вращения ГЭД без использования полупроводниковых преобразователей, а также простота реверсирования гребного винта. Регулировка частоты вращения ГЭД осуществлялась за счет изменения напряжения, подводимого к якорной обмотке и обмотке возбуждения. Для питания общесудовых приемников применялась вспомогательная судовая электростанция (СЭС) переменного тока.

СЭД постоянного тока применялась на транспортных судах ледового класса проекта 550 типа «Амгуэма» и морских буксирах – спасателях проекта 745 МБ.

До появления полупроводниковых преобразователей (ПП), наряду с СЭД постоянного тока, находили применение СЭД переменного тока, в которых электроэнергию вырабатывал синхронный генератор, а в качестве ГЭД использовалась электрическая машина переменного тока. Частота вращения ГЭД переменного тока регулировалась путем изменения частоты тока, вырабатываемого СГ за счет изменения частоты вращения главных дизель-генераторов. Реверс гребного винта осуществлялся за счет изменения порядка следования фаз путем переключения в силовой цепи питания ГЭД. Для питания общесудовых преемников электроэнергии так же применялась вспомогательная СЭС переменного тока.

По мере развития полупроводниковой техники появились СЭД двойного рода тока на базе неуправляемых выпрямителей (НВ). В качестве элементной базы в НВ используются полупроводниковые диоды. В СЭД двойного рода тока главные дизель-генераторы вырабатывают электроэнергию переменного тока, а ГЭД постоянного тока получают питание от силовых НВ. Для изменения частоты вращения ГЭД меняется напряжение СГ и, как следствие, напряжение, подводимое к якорной обмотке ГЭД. Реверс ГЭД осуществляется за счет реверса тока в обмотке возбуждения.

СЭД двойного рода тока с НВ применялась 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. Достоинством данного схемотехнического решения является применение генераторов переменного тока и надежных НВ, выполненных на диодах. К недостаткам следует отнести наличие двух электростанций: главной и вспомогательной.

ЕЭЭС и СЭД с прямой передачей момента на винт

Создание первых единых электроэнергетических систем (ЕЭЭС) было реализовано путем применения навешенных генераторов (генераторов отбора мощности). В таких электроэнергетических системах главные дизели одновременно приводят в движение главные генераторы постоянного тока и вспомогательные генераторы переменного тока. ЕЭЭС с СЭД данного типа нашли применение на морских буксирах – спасателях пр. 1454.

По мере развития полупроводниковой техники появилась возможность создания управляемых выпрямителей (УВ) на базе однооперационных тиристоров, что позволило в середине 70-х годов XX века создать ЕЭЭС с СЭД двойного рода тока. В данных ЕЭЭС главные дизель-генераторы Г вырабатывают электроэнергию как для питания ГЭД, так и для питания общесудовых приемников электроэнергии. За счет применения УВ частота электрического тока на шинах главного распределительного щита (ГРЩ) остается постоянной. Частота вращения ГЭД регулируется за счет изменения напряжения, подводимого к якорной обмотке, и тока возбуждения.

Проблемой применения УВ является снижение качества электроэнергии в судовой сети. Одним из вариантов решения данной проблемы является применение электромашинных преобразователей (ЭМП), которые состоят из асинхронного двигателя и синхронного генератора. К шинам щита электродвижения (ЩЭД) подключаются ГЭД, а питание общесудовых приемников электроэнергии осуществляется от ГРЩ, который получает питание от синхронных генераторов ЭМП. Данная ЕЭЭС с СЭД двойного рода тока реализована на дизель-электрических ледоколах «Капитан Измайлов» и «Капитан Косолапов», построенных в 1976 и 1978 годах.

Применение силовых трехобмоточных трансформаторов с двумя вторичными обмотками, сдвинутыми в пространстве для питания двух управляемых выпрямителей СЭД, позволяет повысить качество электроэнергии на шинах ГРЩ и отказаться от применения ЭМП. В качестве УВ в данных СЭД применяют двенадцатипульсные выпрямители с двумя мостовыми группами, получающими питание от трехобмоточного трансформатора. Для повышения качества электроэнергии в составе СЭД могут применяться фильтрокомпенсирующие устройства.

На атомных мелкосидящих ледоколах пр. 10580 «Таймыр» и «Вайгач» применяется СЭД переменного тока с прямой передачей вращающего момента на винт. В качестве ГЭД используются синхронные электродвигатели с электромагнитным возбуждением, в качестве ПП – непосредственный полупроводниковый преобразователь частоты. Ледоколы были построены на судоверфи в Хельсинки, атомная энергетическая установка смонтирована на Балтийском судостроительном заводе. Атомные ледоколы «Таймыр» и «Вайгач» введены в эксплуатацию в 1989 и 1990 годах соответственно. Суммарная мощность трехвальной СЭД данных атомных ледоколов составляет 36 МВт. Частота вращения малооборотных ГЭД не превышает 400 об/мин, что позволило использовать в качестве ПП – преобразователи частоты непосредственного типа, выполненных на базе однооперационных тиристоров.

Во всех СЭД с прямой передачей вращающего момента на винт существует проблема торможения ГЭД. При торможении ГЭД переводится в генераторный режим. Поскольку мощность СЭД значительно превосходит мощность общесудовых приемников электроэнергии, рекуперативное торможение в судовую сеть реализовывать не всегда возможно и нецелесообразно. На мелкосидящих атомных ледоколах предусмотрено последовательное рекуперативное торможение трех ГЭУ, при котором сначала тормозятся бортовые, а затем центральный ГЭД.

В составе трехвальной 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. На атомных ледоколах пр. 22220 для торможения ГЭД применяются тормозные сопротивления, которые подключены в звено постоянного тока ПП.

На современном морском буксире «Виктор Конецкий» впервые в отечественном судостроении применена ЕЭЭС и СЭД переменного тока с прямой передачей вращающего момента на гребной винт. В качестве ГЭД используется вентильно-индукторная электрическая машина.

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») – индукторный электродвигатель. Для питания индукторного ГЭД применяется 24-фазный преобразователь частоты, который формирует прямоугольные однополярные импульсы напряжения, подаваемые к якорной обмотке двигателя. Для торможения ГЭД используются тормозные сопротивления, которые подключены к звену постоянного тока ПП.

ЕЭЭС и СЭД с винторулевыми колонками

В 2008 году в состав гидрографической службы Военно-морского флота вошло малое гидрографическое судно «Вайгач». На судне впервые была применена единая электроэнергетическая установка с СЭД переменного тока и механическими винто-рулевыми колонками. В качестве ГЭД использовалась асинхронная электрическая машина.

В качестве полупроводниковых преобразователей на «Вайгаче» применяется преобразователь со звеном постоянного тока на базе неуправляемого выпрямителя и автономного инвертора напряжения. Мощность – ГЭД 550 кВт.

По аналогичной схеме ЕЭЭС с СЭД в течение последних десяти лет были построены и введены в эксплуатацию ледоколы пр. 21900 и 21900М (серия «Москва»). На данных ледоколах применяется высоковольтная ЕЭЭС и низковольтная ГЭУ переменного тока с двумя механическими ВРК. В состав ГЭУ входят два асинхронных ГЭД, которые работают «в тандеме» на механическую ВРК. Мощность СЭД судов проекта 21900 составляет 18 МВт, 21900М – 19 МВт.

Недостатком применения механических ВРК является ограничение перегрузки по моменту, связанное с наличием зубчатых пар в механической передаче. Мощность современных механических ВРК достигает 8 МВт и более. Для повышения КПД СЭД и увеличения единичной мощности ГЭУ широкое применение находят электрические ВРК, в которых ГЭД располагается внутри гондолы. В электрических ВРК, в отличие от механических, применяются малооборотные ГЭД, которые напрямую связаны с гребным винтом. В качестве ГЭД в электрических ВРК применяются асинхронные и синхронные электрические машины, в том числе с электромагнитным возбуждением и возбуждением на постоянных магнитах.

В 2020 году на Адмиралтейских верфях завершилось строительство крупнейшего в мире дизель-электрического ледокола пр. 22600 «Виктор Черномырдин» с высоковольтными ЕЭЭС и СЭД переменного тока. Суммарная мощность СЭД составляет 25 МВт. В состав СЭД входят три гребных электропривода. По бортам установлены две электрические ВРК типа Azipod мощностью по 7,5 МВт каждый. Центральный гребной электропривод выполнен с прямой передачей вращающего момента на винт. В качестве ГЭД используется синхронный электродвигатель с электромагнитным возбуждением мощностью 10 МВт.

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 пассажирское судно «Княгиня Ольга», который сдан в эксплуатацию в 2017 г. В качестве движителей здесь используются две двухвинтовые механические ВРК. В качестве ГЭД применяются асинхронные электрические машины. В составе гребного электропривода используется ПП на базе активного выпрямителя, который напрямую без согласующего трансформатора подключен к главному распределительному щиту.

В последние годы появились новые типы электрических машин и полупроводниковых преобразователей, внедряются генераторные агрегаты переменной частоты вращения, статические источники электроэнергии, повышается уровень автоматизации и интеграции систем управления судном, что еще более расширяет область применения судовых систем электродвижения.

Морской флот №4 (2023)