ПОВЫШЕНИЕ НАДЁЖНОСТИ И ЖИВУЧЕСТИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОДВИЖЕНИЯ ЛЕДОКОЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С САМОВОЗБУЖДЕНИЕМ

Беднягин Леонард Витальевич

 ведущий инженер, ФГУП «Крыловский государственный научный центр» филиал ЦНИИ «Судовой электротехники и технологии»,

РФ, г. Санкт-Петербург

IMPROVING THE RELIABILITY AND SURVIVABILITY OF ICEBREAKER ELECTRIC PROPULSION SYSTEMS USING A SELF-EXCITED SWITCHED RELUCTANCE MOTOR ELECTRIC DRIVE

Leonard Bednyagin

  Leading Engineer of Federal State Unitary Enterprise KGNTs branch of Central Research Institute of SET,

Russia, St. Petersburg

АННОТАЦИЯ

Объект и цель научной работы. В работе представлен анализ различных типов электромеханических преобразователей большой установленной мощности для использования в электроприводе гребных электрических установок ледоколов.

Материалы и методы. Проведен системный анализ существующих типов электрических машин и электроприводов на их основе для использования в качестве привода гребных винтов.

Основные результаты. В рамках работы представлена модульная система электропривода на большие мощности на основе ВИП, что позволяет улучшить надёжность и живучесть системы.

Заключение.  Проектирование надёжного и простого электропривода большой мощности для ледоколов заключается в модульности системы путём деления(дробления) как преобразователя так и самого электродвигателя, этими качествами обладает привод на основе вентильно-индукторного двигателя. Представлен подход к созданию модульности электродвигателя индукторного и преобразователя частоты. Такой подход позволяет осуществить независимую работу отдельно взятых модулей и тем самым повышает надёжность в эксплуатации. Результаты могут быть использованы на ледоколах большой мощности при построении единой электроэнергетической системы где в качестве движителя будет применён вентильно-индукторный привод с самовозбуждением для создания надёжной, простой, отказоустойчивой системы на доступных полупроводниковых элементах.

ABSTRACT

The object and purpose of scientific work. The paper presents an analysis of various types of electromechanical converters of large installed power for use in the electric drive of electric propulsion systems of icebreakers.

Materials and methods. A systematic analysis of existing types of electrical machines and electric drives based on them for use as a propeller drive has been carried out.

Main results. As part of the work, a modular high-power electric drive system based on VIP is presented, which improves the reliability and survivability of the system.

Conclusion. The design of a reliable and simple high-power electric drive for icebreakers lies in the modularity of the system by dividing (crushing) both the converter and the electric motor itself, a drive based on a valve-reluctance motor has these qualities. An approach to creating modularity of an inductor electric motor and a frequency converter is presented. This approach allows for independent operation of individual modules and thereby increases reliability in operation. The results can be used on high-capacity icebreakers when building a unified electric power system where a valve-reluctance drive with self-excitation will be used as a propulsion device to create a reliable, simple, fault-tolerant system based on available semiconductor elements.

Ключевые слова: вентильно-индукторный привод с самовозбуждением, ледокол, модульность, отказоустойчивость.

Keywords: switched reluctance drive with self-excitation, icebreaker, modularity, fault tolerance.

The author declares that there are no possible conflicts of interest.

Ведение

Introduction

При проектировании гребной электроустановки судов ледоколов встаёт ряд проблем для обеспечения надёжности, ремонтопригодности, живучести, улучшения массо - габаритных показателей электропривода и его энергетической эффективности, цены, простоты изготовления и доступность используемых материалов при изготовлении, модульность(взаимозаменяемость) системы. Обеспечение функционирования в сверх тяжёлых режимах работы винта таких как заклинивание фрезерование и частого реверса при максимальном моменте. Самостоятельное значение приобретает задача обеспечения возможности регулирования помимо частоты вращения, мощности на валу.  Перечень перечисленных проблем и показателей приводит к необходимости рассмотрения применения альтернативных вариантов системы электродвижения от применяемых  на основе двигателей постоянного тока. Один из альтернативных вариантов является применение вентильно-индукторного электродвигателя с самовозбуждением и электропривода на его основе.

История применения электроприводов на ледоколах большой мощности.

Первый мощный ледокол [1] “Ленин”  1959 года постройки имеет три валолинии с тремя гребными двухякорными электродвигателями постоянного тока мощностью среднего  7800 кВт и двух бортовых 7200 кВт. Ледокол “Ленин” послужил основой для последующих ледоколов [1]“Арктика” (проект 10520) 1974г., “Сибирь” (проект 10520) 1977г.,” Россия” (проект 10521) 1983г., “Советский Союз” (проект 10521) 1986г., “Ямал” (проект 10521) 1989г., “50 лет победы” (проект 10521) 1993г.

Все ледоколы проекта [1] 10520 и 10521 имели однотипный ГЭП в которую входили 3 двух якорных ГЭД постоянного тока типа 2МПС17600-130 ОМ3 мощностью 2х8,8 МВт при напряжении 1000В и частоте вращения 130 об/мин. Для питания обмоток возбуждения ГЭД установлены 6 реверсивных статических возбудителей ВАКСР-150-330, собранных по трехфазной мостовой схеме на тиристорах. Ледоколы “Таймыр” (в ведён в эксплуатацию 1988г.)  и “Вайгач”(в ведён в эксплуатацию 1990г.) проекта 10580 имеют по три гребных асинхронных двигателя производства Strömberg мощностью 12000 кВт каждый и 180 об/мин, управление такими двигателями осуществляется при помощи циклоконвертеров. В 2013 году началось строительство нового типа ледоколов проекта 22220 (ЛК-60)  с названиями “Арктика”, “Сибирь”, “Урал” предназначенные для смены ледоколов проекта 10520, 10521. Проект 22220 имеет три валолинии суммарной мощностью 60МВт.  В состав электропривода на одну валолинию входит два асинхронных электродвигателя изготовленных в едином корпусе типа ГЭД 2х10000-3-165 ОМ5 весом 290 тон и номинальными оборотами 165 об/мин. с номинальным напряжением 3000В и двумя преобразователями частоты типа ПЧ-16000-02-3000-16-ОМ4  на основе силовых транзисторов.

Предпосылки к применению ВИП на ледоколах.

В современных гребных установках двигатели переменного тока вытеснили коллекторные машины постоянного тока. В то же время среди двигателей переменного тока нет типа ЭМ, который бы во всем диапазоне мощностей и частот вращения, характерных для судовых ГЭУ, превосходил бы остальные виды машин. На ледоколах проекта [6] 22220 применяются привод на основе асинхронной машины с короткозамкнутым ротором. Асинхронный двигатель применяемый в приводе имеет ряд преимуществ, таких как простота конструкции, надёжность в эксплуатации, низкая себестоимость, высокий срок службы, хорошо переносит кратковременные перегрузки, имеет очень высокий показатель КПД, не имеет скользящего контакта, широкий диапазон частот вращения. Имеются и недостатки пусковой момент очень мал по сравнению с другими машинами, тяжёлый ротор и более сложный, малый воздушный зазор, низкая ремонтопригодность, схема питания от преобразователя частоты не исключает токи короткого замыкания. На большие мощности встаёт вопрос интенсивного охлаждения ротора и отдельная проблема провисания ротора из-за большого веса. Преобразователь частоты на такие мощности имеет также ряд недостатков, которые включают в себя сложную конструкцию из-за отсутствия подходящей элементной базы полупроводниковых приборов с высоким напряжением, током, подходящей частотой коммутации, сложность обслуживания и взаимозаменяемости в условиях похода, менее надёжен. Произошедший инцидент на швартовых испытаниях ледокола “Арктика”   4 февраля 2020 года, показал, что  при выгорании обмоток статора сверхмощная асинхронная машина в условия корабля не ремонтно пригодна и требует демонтажа с последующей отгрузкой на завод изготовитель, что является также не простой задачей из-за большой массы двигателя и габаритов машины. 

Повышение надёжности модульности системы и экономически энергетических показателей за счёт применения вентильно-индукторного привода с самовозбуждением.

Одним из относительно новых типов электрических машин является вентильно-индукторный двигатель (ВИД). ВИД представляет собой работающий в режиме постоянного вращения шаговый двигатель. По этой причине его относят к классу синхронных реактивных машин. Как система регулируемого электропривода, ВИД дает возможность осуществлять управление этим процессом в соответствии с особенностями конкретной нагрузки: регулировать частоту вращения, момент, мощность и т. д. Вентильно-индукторный привод представляет собой достаточно сложную электромеханическую систему, в ее состав входят: индукторная машина (ИМ), преобразователь частоты, система управления и датчик положения ротора (ДПР). Эти элементы ВИД обеспечивают конкретные функции. Преобразователь частоты обеспечивает питание фаз ИМ однополярными импульсами напряжения прямоугольной формы; ИМ осуществляет электромеханическое преобразование энергии; система управления в соответствии с заложенным в нее алгоритмом и сигналами обратной связи, поступающими от датчика положения ротора, управляет данным процессом. Структура ВИД по своей структуре схожа с классической системой регулируемого электропривода [10] и поэтому обладает ее свойствами.

Достоинствами вентильно-индукторного привода является простота самого двигателя и преобразователя частоты, высокая надёжность за счёт возможности деления фазы на отдельные независимые ветви(полу-фазы) и при неисправности фазы или ветви двигатель продолжает работу с потерей мощности но с возрастанием пульсации момента, отсутствие сквозных токов, высокий срок службы, переносит кратковременные перегрузки, обеспечивает высокий КПД 95-98% системы. ВИД не имеет скользящего контакта, обеспечивает широкий диапазон частот вращения, ротор состоит только из электротехнической стали в виде зубцов и не имеет роторной обмотки (пассивный ротор), высокая ремонтно пригодность, низкие потери в роторе, минимальные температурные эффекты, низкий момент инерции, возможность работать в агрессивных средах, малое количество меди, высокие массогабаритные характеристики, низкая трудоёмкость, более высокий КПД преобразователя (инвертора) за счет работы на низкой частоте 30-300 Гц. Недостатки у такой системы тоже есть это датчик положения ротора, отсутствие доступного математического описания системы управления, невозможность применения векторного управления, пульсации вращающего момента которые на практике устраняются увеличенным  числом фаз и сдвигом пакетов или несимметричной коммутации фаз, малая практическая распространённость.

Поскольку привод на основе [5] ВИД легко дробится на фазы и полу фазы , а фаза или полу фаза в зависимости от конфигурации электродвигателя состоит как правило из двух катушек диаметрально расположенных на статоре в приводе большой мощности даёт преимущество для создание простого модульного преобразователя и модульного двигателя, что даёт путём дробления фазы на отдельные ветви снижения действующего тока на силовые приборы и даёт возможность не использовать сложные схемы включения параллельной работы силовых приборов (транзисторов) при этом при выходе из строя одной силовой ячейки управления одной ветви фазы, работа привода может продолжатся, при выходе статорной катушки работа привода тоже продолжается с отключением неисправной катушки. Технологически при проектировании привода на основе ВИД с самовозбуждением нужно предусмотреть замену статорной катушки без полного разбора двигателя, чтобы имелся доступ с торцевых частей ГЭД и между пакетами ГЭД, при таком подходе, ремонт можно осуществлять в случае неисправности прямо на корабле и возможно в условиях похода. К примеру можно применить конфигурацию ВИП на ледоколе проекта 22220 такого типа:

Частота вращения,об/мин.................................120-165

Число фаз...............................................3

Число пакетов...........................................4

Напряжение,В............................................3200

Число зубцов статора....................................36

Число зубцов ротора.....................................24

Число независимых ветвей...............................4

Воздушный зазор,мм......................................6

Длина пакета по воздушному зазору,мм....................900

Частота питания фазы,Гц…………………….48

Максимальное значение напряжения,В......................3200

Действующее значение напряжения,В.......................2715.29

Максимальное значение тока фазы,А.......................3329.08

Действующее значение тока фазы,А........................1853.9

Среднее значение тока фазы,А............................1380.89

Мощность номинальная кВт……………………………..20000

Результат предварительного расчёта основных параметров конфигурация ВИД приведённый выше произведён компанией АО ПКБ “ИРИС”. Два пакета двигателя желательно спроектировать в отдельном корпусе с опорными подшипниками для облегчения обслуживания и монтажа оборудования.  На рисунке 1 представлены зависимости момента от угла поворота ротора фаз и верхний график суммарный момент из которого видно, что пульсации момента не превышают допустимых значений при номинальных оборотах 120 об/мин.

Максимальный ток на ветвь в номинальном режиме составит 832,25 А, с учётом перегрузочной способности 1498,05 А, такие значения токов и напряжений более приемлемые для проектирования электропривода большой мощности.

Рисунок 1. Зависимости момента от угла поворота ротора при 120 об/мин. Dependences of torque on the angle of rotation of the rotor at 120 rpm.

Выводы

Представлен подход по увеличению надёжности и живучести привода за счёт применения ВИП путём дробления фаз на отдельные ветви чем достигается модульность системы.

Засечёт повышения количества  независимых ветвей в фазе, достигается снижение токов на управляющие фазные ячейки в ветви двигателя, что даёт возможность подобрать доступную элементную базу для преобразователя частоты и  сделать более ремонтно пригодным преобразователь частоты путём компактных модулей входящих в состав преобразователя частоты. Живучесть системы повышается за счёт возможности работы привода с уменьшенным количеством фаз или ветвей. За счёт более низкой коммутации питающих силовых полупроводниковых приборов, уменьшается тепловыделение повышается КПД системы в целом и срок службы электропривода.

Список литературы:

1. Александр Митрофанов. Крушащие льды. Ледоколы России 2018. 144 с.
2. Бычков М.Г. журнал Электротехника. – 2000. – № 3. – 15-19.
3. Бычков М.Г. Алгоритм проектирования вентильно-индукторного привода и его компьютерная реализация. Электротехника. 1997. №2. С. 11-15.
4. Б.И. Фираго, Л.Б. Павлячик. Регулируемые электроприводы переменного тока. 2006. 364с.
5. 5. В.Г. Фисенко,   А.Н. Попов Проектирование Вентильных индукторных двигателей. 2005. 55с.
6. Атомфлот, Универсальный атомный ледокол проекта 22220 URL:http://www.rosatomflot.ru/flot/universalnyy-atomnyy-ledokol-proekta-22220/
7. Морозов А.В. Координированное управление многодвигательной гребной электрической установкой. Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. СПБ., 2019. 223с.
8. Анучин А.С. Разработка цифровых систем эффективного управления комплектов тягового электрооборудования гибридных электрических транспортных средств. Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук. Москва 2018. 445с.
9. Технико-экономические характеристики судов морского флота РД 31.03.01-90. Москва 1992. 225.
10. Овчинников И. Е. Вентильные электрические двигатели и привод на их основе (малая и средняя мощность) Курс лекций Санкт-Петербург • КОРОНА-Век • 2006.