Эффективное управление судовым электроприводом

Одним из важных направлений совершенствования электротехнической части кораблей, судов и плавучих сооружений является создание принципиально нового электрооборудования с применением современной силовой электроники и новых микропроцессорных систем управления.

Снижение затратной составляющей морского флота и повышение его экономической эффективности, по мнению ведущих специалистов отрасли, должны быть достигнуты, наряду с другими факторами, за счет разработки и внедрения судовых механизмов с управляемым электроприводом, а также за счет замены судового оборудования, поставляемого по импорту, перспективными российскими разработками.

Внимание российских судовладельцев, судостроителей и поставщиков судовой электроаппаратуры заслуживает новая разработка "Веспер", одного из ведущих производителей силовой преобразовательной техники.

О частотном преобразователе серии EI-M

Речь идет о частотных преобразователях морского исполнения серии EI-M, предназначенных для управления асинхронными электродвигателями в судовых электромеханизмах.

В чем же изюминка частотных преобразователей EI-M? Ведь известно, что частотные преобразователи на судах использовались и ранее. Да, частотные преобразователи применялись для управления судовым электроприводом, но до последнего времени это были преобразователи непосредственного типа (преобразователи с непосредственной связью).

Силовая часть преобразователей с непосредственной связью представляет собой управляемый выпрямитель и выполнена на незапираемых тиристорах. Система управления поочередно отпирает группы тиристоров и подключает статорные обмотки двигателя к питающей сети. Таким образом, выходное напряжение преобразователя формируется из "вырезанных" участков синусоид входного напряжения.

Опыт эксплуатации преобразователей такого типа на отечественных судах и судах зарубежной постройки показал ряд существенных недостатков. К серьезному недостатку следует отнести влияние на качество электроэнергии судовой сети. "Резаная" синусоида на выходе преобразователя является источником высших гармоник, которые вызывают дополнительные потери в электрическом двигателе, перегрев электрической машины, снижение момента, очень сильные помехи в судовой питающей сети. Применение компенсирующих устройств приводит к повышению стоимости, массы, габаритов, понижению КПД системы в целом. Данные преобразователи имеют низкий коэффициент мощности, который сильно зависит от нагрузки и резко уменьшается при регулировании выходного напряжения вниз от номинального. Кроме того, выходная частота преобразователей непосредственного типа изменяется в пределах 25-30% от номинальной частоты, что ограничивает их применение в судовых механизмах с широким диапазоном регулирования скорости вращения.

Частотные преобразователи серии EI-M относятся к типу преобразователей нового поколения. Они выполнены на современных полупроводниковых элементах — IGBT транзисторах. Такой тип частотных преобразователей в последнее десятилетие очень широко и успешно используется в регулируемом электроприводе во всех отраслях промышленности. Практически первыми в России в 2002 году эти частотные преобразователи сертифицированы Морским Регистром Судоходства и Речным Регистром, а компания "Веспер" получила свидетельство о признании изготовителя.

Применение IGBT транзисторов позволяет повысить несущую частоту ШИМ до 15-16 кГц и выше. Обмотки электродвигателя на такой высокой частоте вследствие их высокой индуктивности работают как фильтр. Поэтому в них протекают практически синусоидальные токи. Биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT отличают от тиристоров полная управляемость, простая неэнергоемкая система управления, высокая рабочая частота Благодаря этому преобразователи частоты на IGBT позволяют расширить диапазон управления скорости вращения двигателя.

Применение IGBT с более высокой частотой переключения в совокупности с синусоидальной широтно-импульсной модуляцией снижает уровень высших гармоник, характерных для тиристорных преобразователей. Как следствие, меньшие добавочные потери в обмотках и магнитопроводе электродвигателя, уменьшение нагрева электрической машины, снижение пульсаций момента и исключение "шагания" ротора в области малых частот. Снижаются потери в трансформаторах, конденсаторных батареях, увеличивается срок их службы, а также срок службы изоляции проводов. Уменьшается количество ложных срабатываний устройств защиты, и снижаются погрешности измерений индукционных датчиков.

Преобразователи на транзисторах IGBT по сравнению с тиристорными преобразователями при одинаковой выходной мощности отличаются меньшими габаритами, массой, повышенной надежностью, что весьма важно для судового оборудования. Они позволяют реализовать более полную защиту от бросков тока и от перенапряжения, что существенно снижает вероятность отказов и повреждений электропривода.

Об опыте и эффективности использования

Первый опыт практического использования частотного преобразователя серии EI-M связан с судном-сборщиком льяльных и сточных вод "Брянск". На его борту впервые в России было установлено принципиально новое отечественное подруливающее устройство. Новизна заключается в использовании винта фиксированного шага с приводом от частотно-регулируемого электропривода. Частотно-регулируемый электропривод состоит из асинхронного двигателя и частотного преобразователя мощностью 45 кВт.

Как показал почти двухлетний опыт эксплуатации, преобразователь частоты в составе частотно-регулируемого электропривода подруливающего устройства позволяет плавно регулировать скорость вращения и тягу винта от нуля до максимального значения, обеспечивая реверс, плавный пуск и останов электропривода винта. Плавное регулирование тяги винта и реверс дают возможность судоводителю управлять операциями по маневрированию судна быстрее и точнее. Кроме того, при плавном регулировании скорости вращения винта пропорционально скорости снижается потребление электроэнергии от судовой электросети. Плавный пуск и останов электропривода устраняют пиковые нагрузки на судовую электросеть и просадки напряжения в ней, а также ударные нагрузки на механическую часть подруливающего устройства.

Электрическая дистанционная система управления на основе частотно-регулируемого привода проще, надежнее и требует меньших ухода и затрат в эксплуатации нежели гидравлическая система в традиционных подруливающих устройствах. Всего за год с небольшим на суда различного класса было поставлено несколько десятков частотных преобразователей морского исполнения для подруливающих устройств такого типа. Единичная мощность частотных преобразователей в них составляет от 22 кВт до 315 кВт.

Суммируя результаты практической эксплуатации, следует подчеркнуть, что применение подруливающих устройств с винтом фиксированного шага и частотно-регулируемым электроприводом обеспечивает:

• улучшение маневренности судна при швартовке, тралении, буксировке, проходе узкостей и т.п.;
• уменьшение времени разгрузки, погрузки, снижение количества столкновений и навалов судна;
• повышение точности динамического позиционирования при меньших энергетических затратах;
• повышение безопасности мореплавания.

Особую группу судовых электроприводов для оснащения частотными преобразователями образуют механизмы, осуществляющие транспортировку жидкостей и газов. Это питательные, топливные, грузовые, конденсатные и другие насосы, а также вентиляторы, воздуходувки, компрессоры. В них наиболее ярко проявляются возможности и преимущества частотного регулирования скорости вращения приводных электродвигателей.