В ГЭУ переменно-постоянного тока в качестве источников электроэнергии используются синхронные генераторы, а в качестве гребных двигателей — электродвигатели постоянного тока, которые получают питание через полупроводниковый выпрямитель. Отсюда и название электропривода — электропривод системы СГ-ПВ-Д. При создании мощной выпрямительной установки обычно возникает проблема, вызванная тем, что номинальные напряжения и токи отдельных вентилей значительно меньше напряжений и токов всей выпрямительной установки. Так, номинальный выпрямленный ток каждой из шести выпрямительных: установок атомохода «Арктика» равен 9000 А, в то время как номинальный ток одного вентиля — всего 200 А.
Проблему можно решить двумя путями. Ранее отмечалось, что силовые выпрямители обычно собирают по трехфазной мостовой схеме. Один из путей заключается в том, что в каждое плечо трехфазного выпрямительного моста включают несколько параллельно соединенных вентилей (рис. 181, а), если номинальный ток одного вентиля недостаточен, или несколько последовательно соединенных вентилей (рис. 181, б), если номинальное напряжение одного вентиля недостаточно.
При параллельном соединении вентили необходимо тщательно подбирать по характеристикам. Если, например, прямые сопротивления вентилей отличаются, то в проводящий полупериод ток: распределится между ними неравномерно, что вызовет перегрузку отдельных вентилей. При последовательном соединении различие в характеристиках вентилей приведет прежде всего к неравномерному распределению обратного напряжения между ними в непроводящий полупериод, что может вызвать пробой отдельных вентилей. Для выравнивания обратных напряжений на вентилях включают цепочку шунтирующих резисторов
Второй путь создания мощных выпрямительных установок заключается в объединении нескольких выпрямительных схем.
Рис. 181. Параллельное и последовательное соединения диодов в схемах мощных выпрямителей
Рис. 182. Параллельное и последовательное соединения схем выпрямления
Для получения большего значения выпрямительного тока выпрямительные схемы соединяют параллельно (рис. 182, а) через уравнительный реактор Lр, а для получения большего значения выпрямленного напряжения — последовательно (рис. 182, б). Однако такое включение целесообразно лишь в том случае, если каждый выпрямительный мост получает питание от отдельного источника, что обычно и бывает в ГЭУ. В береговых установках для этих целей используют трансформатор с несколькими вторичными трехфазными обмотками, каждая из которых работает на свой выпрямительный мост.
Объединение нескольких выпрямительных схем позволяет решить еще одну очень важную проблему. Выпрямленный ток, как известно, имеет определенную пульсацию, зависящую от схемы выпрямления. Пульсирующий ток ухудшает условия коммутации на коллекторе ГЭД, что усугубляется еще и большой мощностью машины.
Наиболее эффективный путь уменьшения пульсации выпрямленного тока — это применение двухобмоточных синхронных генераторов (рис. 183).
В одних и тех же пазах статора генератора укладывают две отдельные трехфазные обмотки, сдвинутые в пространстве по расточке статора на 30 град. Каждую обмотку подключают к своему трехфазному мостовому выпрямителю. Со стороны постоянного тока выпрямители могут соединяться параллельно или последовательно (иа рис. 183 они соединены последовательно).
Выпрямленный ток по своей пульсации будет соответствовать двенадцатифазному выпрямлению.
Здесь можно отметить, что двухобмоточные генераторы при работе на выпрямитель по другим показателям также превосходят обычные трехфазные генераторы.
Рис. 183. Схема ГЭУ переменнопостоянного тока с двухобмоточным генератором
При использовании многообмоточного трансформатора тот же эффект (сдвиг фазных напряжений на 30 град) достигается, если одну вторичную трехфазную обмотку соединить в звезду, а другую — в треугольник.
ГЭУ переменно-постоянного тока позволяют в определенной степени объединить положительные качества гребных установок постоянного и переменного тока.
Как и в ГЭУ постоянного тока, частота вращения ГЭД регулируется плавно и в большом диапазоне путем, изменения напряжения. Следовательно, первичные двигатели могут работать с постоянной частотой вращения. При изменении момента сопротивления гребного винта автоматическое регулирование напряжения и возбуждения гребных двигателей позволяет обеспечить постоянство мощности ГЭУ на чистой воде, при буксировке, во льдах и т.д.
Как и в ГЭУ переменного тока, синхронные генераторы могут концентрировать в одном агрегате практически неограниченную мощность при частоте вращения до 3000 об/мин. Переход на повышенную частоту тока (200—400 Гц) позволяет повысить возможную частоту вращения генераторных агрегатов соответственно до 12—24 тыс. об/мин, что особенно важно при использовании в ГЭУ турбогенераторных агрегатов.
Синхронные генераторы, как отмечалось ранее, превосходят генераторы постоянного тока по надежности и экономичности, а к.п.д. выпрямительной установки практически не бывает ниже 99%.
Другие важные особенности ГЭУ переменно-постоянного тока определяются типом выпрямительной установки. Дело в том, что существуют ГЭУ с неуправляемыми (НВ) и управляемыми (УВ) выпрямителями в цепи главного тока.
Примером установок с неуправляемыми выпрямителями может служить ГЭУ атомных ледоколов «Арктика» и «Сибирь», ледоколов типа «Капитан Сорокин».
Для регулирования частоты вращения гребных электродвигателей в ГЭУ по системе СГ-НВ-Д изменяется ток возбуждения синхронных генераторов, что приводит к изменению напряжения генераторов, а следовательно, и выпрямленного напряжения, подводимого к якорям ГЭД. Дополнительное регулирование осуществляется изменением тока возбуждения ГЭД. Как уже отмечалось, обмотки возбуждения главных генераторов и ГЭД на современных электроходах получают питание от судовой сети переменного тока через свои управляемые тиристорные выпрямители. Таким образом, все управление ГЭУ сводится к изменению углов открывания тиристоров управляемых выпрямителей возбуждения СГ и ГЭД.
В отличие от ГЭУ постоянного тока, в данном случае изменение направления тока в обмотках возбуждения генераторов не приведет к изменению полярности напряжения на зажимах гребных электродвигателей. Следовательно, встает вопрос о способе реверсирования ГЭД. Разрывать для этой цели цепь главного тока, как это делается в установках малой и средней мощности, крайне нежелательно. Проще изменять направление тока в обмотках возбуждения гребных электродвигателей при одновременном снижении напряжения генераторов.
Неуправляемая выпрямительная установка в цепи главного тока не позволяет переводить ГЭД в режим рекуперативного торможения. Поэтому для быстрой остановки гребного винта с последующим его реверсом двигатель переводится в режим динамического торможения или торможения противовключением. Чтобы при этом не разрывать цепь главного тока, в режиме динамического торможения якорь ГЭД остается замкнутым на соединительные провода и НВ (с которого снято напряжение генераторов), как на резистор внешнего сопротивления. Режим противовключения осуществляется при ослабленном возбуждении генераторов и ГЭД.
Примером установок с управляемыми выпрямителями может быть ГЭУ ледоколов-буксиров типа «Капитан Измайлов».
Применение управляемого выпрямителя в главной цепи расширяет возможности всей энергетической установки судна. Во-первых, УВ позволяет переводить гребной двигатель в режим торможения с рекуперацией энергии в питающую сеть, что важно прежде всего с экономической точки зрения. Управляемый выпрямитель, как известно, в этом случае переводится в режим инвертора (α>90°), ведомого сетью. Во-вторых, УВ позволяет регулировать выпрямленное напряжение в самых широких пределах, а следовательно, в отличие от ГЭУ с НВ, здесь нет необходимости изменять напряжение главных генераторов (ГГ). Но поскольку ГГ работают всегда с постоянными напряжением и частотой тока, то устраняются главные препятствия отбору мощности для вспомогательных нужд судна.
Обычно в ГЭУ (это отмечалось ранее) применяют более высокие напряжения, чем во вспомогательной ЭЭУ. Поэтому для отбора мощности можно воспользоваться понижающими трансформаторами. Однако такое простое решение не всегда оказывается приемлемым. Дело в том, что работа мощной выпрямительной установки вызывает значительные искажения формы кривой напряжения на стороне переменного тока. Напряжение Становится несинусоидальным, что отрицательно сказывается на работе других потребителей, получающих питание от того же источника, что и выпрямительная установка. У асинхронных двигателей, например, увеличиваются потери энергии и их нагрев, плохо работают электронные устройства автоматики и радиотехники. Поэтому отбор мощности от шин электродвижения иногда осуществляется через электромашинные преобразователи, состоящие из приводного асинхронного двигателя и синхронного генератора. На рис. 184 для примера приведена принципиальная схема в однолинейном исполнении единой электроэнергетической установки (ЕЭЭУ) судна.
Четыре главных синхронных генератора (ГГ1—ГГ4) работают параллельно на шины электродвижения ШЭД, от которых получают питание два гребных электродвигателя постоянного тока через свои управляемые выпрямители УВ1 и УВ2 и сглаживающие реакторы Lр1 и λр1. Электроприводы некоторых насосов с эпизодическим включением и других механизмов (например, буксирных лебедок или подруливающих устройств) получают питание непосредственно от ШЭД. Все остальные потребители подключены к шинам вспомогательной электростанции ШВЭ, на которые подается питание от ШЭД через три (один резервный) электромашинных преобразователя. На стоянке судна работает вспомогательный дизель- генератор (Д—ВГ) или питание подается с берега.
Рис. 184. Схема ГЭУ с единой электроэнергетической установкой
