система распределения энергии и приведения в движение судна

Формула изобретения

1. Система распределения энергии и приведения в движение судна, которая содержит:

первую систему приведения в движение, которая содержит гребной электродвигатель, имеющий сверхпроводящие обмотки и силовой преобразователь;

первую силовую систему выработки электроэнергии для снабжения энергией первой системы приведения в движение, которая содержит генератор, имеющий сверхпроводящие обмотки и силовой преобразователь;

первую систему выработки электроэнергии, которая содержит по меньшей мере один источник питания для снабжения энергией первой служебной системы распределения энергии, которая содержит:

по меньшей мере одну шину распределения постоянного тока, имеющую напряжение распределения и ток распределения, и по меньшей мере один распределительный щит.

2. Система по п.1, в котором гребной электродвигатель первой системы приведения в движение выполнен регулируемым в соответствии с характеристикой сброса нагрузки и стабилизации.

3. Система по п.1 или по 2, в которой силовой преобразователь первой силовой системы выработки электроэнергии выполнен регулируемым в соответствии с характеристикой фолдбэк источника питания и стабилизации.

4. Система по п.1, в которой силовой преобразователь первой силовой системы выработки электроэнергии соединен с силовым преобразователем первой системы приведения в движение.

5. Система по п.1, в которой силовой преобразователь первой силовой системы выработки электроэнергии соединен по меньшей мере с одним распределительным щитом первой служебной системы распределения.

6. Система по п.1, в которой силовой преобразователь первой системы приведения в движение соединен по меньшей мере с одним распределительным щитом первой служебной системы распределения.

7. Система по п.1, которая дополнительно содержит зональную подсистему распределения энергии, которая содержит:

зональный блок питания для снабжения энергией по меньшей мере одной электрической нагрузки, и

зональный накопитель энергии, соединенный по меньшей мере с одним распределительным щитом первой служебной системы распределения, для снабжения энергией зонального блока питания.

8. Система по п.7, в которой зональный накопитель энергии зональной подсистемы распределения энергии соединен по меньшей мере с одним распределительным щитом первой служебной системы распределения при помощи силового преобразователя.

9. Система по п.8, в которой силовой преобразователь представляет собой преобразователь постоянного тока с широтно-импульсной модуляцией.

10. Система по п.9, в которой преобразователь постоянного тока представляет собой повышающий инвертор, когда энергия поступает из первой служебной системы распределения в зональный накопитель энергии зональной подсистемы распределения энергии, или понижающий инвертор, когда энергия поступает из зонального накопителя энергии зональной подсистемы распределения энергии в первую служебную систему распределения.

11. Система по одному из пп.7-10, в которой по меньшей мере один источник питания первой системы выработки электроэнергии соединен по меньшей мере с одним распределительным щитом первой служебной системы распределения при помощи силового преобразователя.

12. Система по п.11, в которой силовой преобразователь представляет собой преобразователь постоянного тока с широтно-импульсной модуляцией.

13. Система по п.11, в которой по меньшей мере один распределительный щит первой служебной системы распределения содержит защитное коммутационное оборудование с контактами, причем силовой преобразователь, соединяющий по меньшей мере один источник питания первой система выработки электроэнергии по меньшей мере с одним распределительным щитом первой служебной системы распределения, регулируют в соответствии с характеристикой фолдбэк источника питания и стабилизации, при этом по меньшей мере одну электрическую нагрузку регулируют в соответствии с характеристикой сброса нагрузки и стабилизации;

причем контакты защитного коммутационного оборудования размыкаются только тогда, когда напряжение распределения и ток распределения снижаются до приемлемых уровней за счет взаимодействия характеристики фолдбэк источника питания и стабилизации с (а) отказом, который вызвал подключение слишком низкого импеданса к напряжению распределения, или с (b) блокировкой команды взаимного расцепления, которую автоматически генерируют в системе распределения энергии и приведения в движение, или с (с) блокировкой команды взаимного расцепления, которую генерируют вручную в системе распределения энергии и приведения в движение, и с (а) блокировкой команды взаимного расцепления, которую генерируют дистанционно;

причем контакты защитного коммутационного оборудования замыкаются только тогда, когда полярность напряжения между контактами будет такой, что любые переходные или пусковые токи будут ограничены (а) за счет характеристики фолдбэк источника питания и стабилизации, и последовательности включения источника питания, или (b) за счет характеристики сброса нагрузки и стабилизации.

14. Система по п.1, в которой напряжение распределения стабилизируют за счет линейной функции неустановившейся нагрузки характеристики фолдбэк источника питания и стабилизации, и за счет ограничения скорости изменения функции тока нагрузки характеристики сброса нагрузки и стабилизации.

15. Система по п.13 или 14, в которой первая система выработки электроэнергии содержит множество соединенных параллельно источников питания для снабжения энергией первой служебной системы распределения, причем ток установившегося состояния, общий для множества источников питания, согласовывают за счет функции спада установившегося состояния характеристики фолдбэк источника питания и стабилизации каждого источника питания, при этом переходный ток, общий для множества источников питания, согласовывают за счет линейной функции неустановившейся нагрузки характеристики фолдбэк источника питания и стабилизации.

16. Система по п.1, в которой выходное напряжение и выходной ток по меньшей мере одного источника питания первой системы выработки электроэнергии регулируют так, что:

электрический ток является однонаправленным;

выходное напряжение установившегося состояния является суммой уставки напряжения ненагруженной шины и компонента спада установившегося состояния, который пропорционален току нагрузки, так что выходное напряжение установившегося состояния соответствует нагрузочной линии установившегося состояния;

вариации переходного тока нагрузки относительно точки приложения нагрузки установившегося состояния побуждают выходное напряжение следовать по линии переходной нагрузки, градиент которой меньше, чем градиент нагрузочной линии установившегося состояния;

ток установившегося состояния ограничен на специфическом уровне;

если ток нагрузки кратковременно превышает предельное значение тока установившегося состояния и приближается к специфическому предельному значению переходного тока, но не превышает его, то выходное напряжение будет кратковременно снижено относительно нагрузочной линии установившегося состояния, и будет восстановлено до нагрузочной линии установившегося состояния, когда ток установившегося состояния снижается ниже предельного значения тока установившегося состояния;

если ток нагрузки продолжает превышать предельное значение тока установившегося состояния, или превышать специфическое предельное значение переходного тока, то применяют фолдбэк, так что выходное напряжение и выходной ток снижаются главным образом до нуля в соответствии с регенеративным процессом, причем выходное напряжение и выходной ток будут оставаться главным образом на нулевом уровне до тех пор, пока полное сопротивление нагрузки не превысит специфический уровень; и

если полное сопротивление нагрузки возрастает выше специфического уровня, тогда напряжение нагрузки первоначально частично восстанавливается, а затем линейно возрастает до рабочей точки.

17. Система по п.16, в которой напряжение нагрузки возрастает до желательной рабочей точки с переменной крутизной, которая задана так, чтобы снизить до минимума результирующие переходные напряжения в морской системе распределения энергии и приведения в движение.

18. Система по п.7, которая дополнительно содержит вторую систему выработки электроэнергии, которая содержит по меньшей мере один источник питания для снабжения энергией второй служебной системы распределения, которая содержит:

по меньшей мере одну шину распределения постоянного тока, имеющую напряжение распределения и ток распределения, и по меньшей мере один распределительный щит, который содержит защитное коммутационное оборудование с контактами;

причем зональный накопитель энергии зональной системы распределения энергии соединен по меньшей мере с одним распределительным щитом второй служебной системы распределения.

19. Система по п.18, которая дополнительно содержит:

вторую систему приведения в движение, которая содержит гребной электродвигатель и силовой преобразователь; и

вторую силовую систему выработки электроэнергии для снабжения энергией второй системы приведения судна в движение, причем вторая силовая система выработки электроэнергии содержит генератор и силовой преобразователь.

20. Система по п.19, в которой силовой преобразователь второй силовой системы выработки электроэнергии соединен с силовым преобразователем второй системы приведения в движение.

21. Система по п.19 или 20, в которой силовой преобразователь второй силовой системы выработки электроэнергии соединен по меньшей мере с одним распределительным щитом второй служебной системы распределения.

22. Система по п.19, в которой силовой преобразователь второй системы приведения в движение соединен по меньшей мере с одним распределительным щитом второй служебной системы распределения.

23. Система по п.19, в которой силовой преобразователь первой силовой системы выработки электроэнергии соединен с силовым преобразователем второй системы приведения в движение.

24. Система по п.19, в которой силовой преобразователь второй силовой системы выработки электроэнергии соединен с силовым преобразователем первой системы приведения в движение.

25. Система по п.19, в которой первая система приведения в движение имеет три входа, причем каждый вход является выбираемым, при этом первый вход соединен с первой силовой системой выработки электроэнергии, второй вход соединен со второй силовой системой выработки электроэнергии, а третий вход соединен по меньшей мере с одним распределительным щитом первой служебной системы распределения энергии.

26. Система по п.25, в которой вторая система приведения в движение имеет три входа, причем каждый вход является выбираемым, при этом первый вход соединен с первой силовой системой выработки электроэнергии, второй вход соединен со второй силовой системой выработки электроэнергии, а третий вход соединен по меньшей мере с одним распределительным щитом второй служебной системы распределения энергии.

27. Система по п.25 или 26, в которой первая силовая система выработки электроэнергии имеет первый и второй выходы, причем каждый выход является выбираемым, при этом первый выход соединен с первым входом первой системы приведения в движение, а второй выход соединен с первым входом второй системы приведения в движение.

28. Система по п.27, в которой первая силовая система выработки электроэнергии имеет третий выход, который является выбираемым и соединен по меньшей мере с одним распределительным щитом первой служебной системы распределения.

29. Система по п.25, в которой вторая силовая система выработки электроэнергии имеет первый и второй выходы, причем каждый выход является выбираемым, при этом первый вход соединен со вторым входом первой системы приведения в движение, а второй выход соединен со вторым входом второй системы приведения в движение.

30. Система по п.29, в которой вторая силовая система выработки электроэнергии имеет третий выход, который является выбираемым и соединен по меньшей мере с одним распределительным щитом второй служебной системы распределения.

31. Система по п.1, в которой энергию подают на первую служебную систему распределения через по меньшей мере один распределительный щит с использованием одной или нескольких следующих систем:

первая система выработки электроэнергии;

зональный накопитель энергии зональной подсистемы распределения энергии;

система приведения в движение, работающая в режиме рекуперации;

силовая система выработки электроэнергии; и

дистанционная система электроснабжения.

32. Система по п.1, в которой по меньшей мере один источник питания первой системы выработки электроэнергии представляет собой один или несколько компонентов, выбранных из группы, в которую входят:

дизельный генератор;

газотурбинный генератор;

генератор с паровой турбиной;

генератор комбинированного цикла с газовой и паровой турбиной;

дизельный генератор с замкнутым циклом (без воздушной вентиляции);

батарея;

топливный элемент;

проточный электролизер;

генератор с маховиком;

суперконденсатор и накопитель энергии со сверхпроводящими магнитами.

33. Система по п.1, в которой гребной электродвигатель первой системы приведения в движение имеет высокотемпературные сверхпроводящие обмотки.

34. Система по п.1, в которой силовая электроника для силового преобразователя первой системы приведения в движение объединена с гребным электродвигателем.

35. Система по п.1, в которой гребной электродвигатель первой системы приведения в движение имеет схему электронного коммутатора с использованием статической силовой электроники.

36. Система по п.1, в которой гребной электродвигатель первой системы приведения в движение установлен внутри корпуса морского судна.

37. Система по п.1, в которой гребной электродвигатель первой системы приведения в движение установлен в обтекателе морского судна.

38. Система по п.1, в которой гребной электродвигатель первой системы приведения в движение установлен по оси снаружи от корпуса морского судна.

39. Система по п.1, в которой гребной электродвигатель имеет ротор и статор, причем ротор расположен по оси внутри статора или снаружи от него.

40. Система по п.1, в которой по меньшей мере одна шина распределения постоянного тока выполнена с использованием сверхпроводящих кабелей или шины.

41. Система по п.1, в которой генератор первой силовой системы выработки электроэнергии имеет высокотемпературные сверхпроводящие обмотки.

42. Система по п.1, в которой силовая электроника для силового преобразователя первой силовой системы выработки электроэнергии объединена с генератором.

43. Система по п.1, в которой генератор первой силовой системы выработки электроэнергии имеет схему электронного коммутатора с использованием статической силовой электроники.

Описание изобретения к патенту

Область применения изобретения

Настоящее изобретение в общем имеет отношение к морской (судовой) системе распределения энергии и приведения судна в движение, а в частности, к системе, которая позволяет получить максимальную удельную мощность, максимальные кпд и стабильность и облегчает дальнейшую технологическую модернизацию за счет модульного построения и использования стандартных интерфейсов.

Предпосылки к созданию изобретения

В обычных морских системах распределения энергии и приведения в движения, в которых используют полную электрическую тягу (FEP), изменение амплитуды тока повреждения во времени используют для того, чтобы защитное коммутационное оборудование могло прерывать токи перегрузки, в частности, в некоторых участках цепи, однако при минимальном практическом разрыве во всех других участках цепи. Говорят, что в таких FEP системах используют "принцип электростанции", целью которого является адаптация объема электроэнергии, имеющейся в сети в любой данный момент времени, к полной нагрузке, приложенной в этот момент времени. Это позволяет достичь максимального кпд использования топлива. Конфигурация таких FEP систем обычно автоматизирована в некоторой степени при помощи системы управления режимом электропитания, которая позволяет производить сброс нагрузки и запускать генераторы приоритетным образом. Переменный ток распределяют в FEP системах при среднем напряжении (MV), чтобы сохранять совместимость с наземными системами.

Пример обычной FEP системы показан на фиг.1. Группы турбин Т и дизельных двигателей D используют для снабжения энергией индивидуальных генераторов G, которые снабжают энергией переменного тока FEP систему через систему сборных шин среднего напряжения (MV) переменного тока, которая снабжена защитным коммутационным оборудованием. Защитное коммутационное оборудование, которое содержит автоматические выключатели и объединенные с ними органы управления, показано на фиг.1 символом х. Силовые преобразователи PC используют для согласования системы MV сборных шин переменного тока с гребным электродвигателем РМ, который приводит в движение гребной винт. Фильтры F также соединены с системой MV сборных шин переменного тока. Система MV сборных шин переменного тока разделена на первую MV шину переменного тока и вторую MV шину переменного тока, которые взаимосвязаны при помощи защитного коммутационного оборудования. Первая шина низкого напряжения (LV шина) переменного тока соединена с первой MV шиной переменного тока через первый трансформатор. Вторая LV шина переменного тока соединена со второй MV шиной переменного тока через второй трансформатор. Первая и вторая LV шины переменного тока взаимосвязаны при помощи защитного коммутационного оборудования. Группы неуточненных больших и малых нагрузок могут быть подключены соответственно к первой и второй LV шинам переменного тока. Из рассмотрения фиг.1 можно понять, что малые (второстепенные) нагрузки подключены к первой и второй LV шинам переменного тока через первою и вторую неосновные LV шины переменного тока.

Шесть уровней дискриминации амплитуда-время FEP системы показаны справа на фиг.1. Защитное коммутационное оборудование показано символом х на каждом уровне дискриминации. Например, на уровне 6 дискриминации, защитное коммутационное оборудование расположено между MV шиной переменного тока и каждым из генераторов G. На уровне 5 дискриминации, защитное коммутационное оборудование расположено между MV шиной переменного тока и каждым из фильтров F и между MV шиной переменного тока и каждым из силовых преобразователей PC. Защитное коммутационное оборудование расположено также между MV шиной переменного тока и каждым из трансформаторов, которые используют для подключения первой и второй MV шин переменного тока соответственно к первой и второй LV шинам переменного тока. На уровне 4 дискриминации, защитное коммутационное оборудование расположено между каждым из трансформаторов и соответствующими LV шинами переменного тока. На уровне 3 дискриминации, защитное коммутационное оборудование расположено между первой и второй LV шинами переменного тока и каждой из больших нагрузок и между каждым из соответствующих фидеров и неосновными LV шинами переменного тока. На уровне 2 дискриминации, дополнительное защитное коммутационное оборудование расположено между первой и второй LV шинами переменного тока и соответствующими частями неосновных LV шин переменного тока. На уровне 1 дискриминации, защитное коммутационное оборудование расположено между неосновными LV шинами переменного тока и каждой из второстепенных нагрузок.

Короткое замыкание на любом специфическом уровне дискриминации FEP системы должно размыкать соответствующее защитное коммутационное оборудование на этом уровне, но не должно размыкать любое другое защитное коммутационное оборудование. Защитные уровни тока повреждения полностью определяются импедансом источника питания и защитное коммутационное оборудование может прерывать ток повреждения (то есть ток, протекающий в FEP системе во время повреждения) только после прохода пика тока повреждения. Таким образом, ток повреждения обычно прерывают только в момент инверсии (изменения направления) тока сети или вскоре после этого.

Обычная FEP система, показанная на фиг.1, имеет указанные далее технические недостатки.

На амплитуду тока повреждения влияет число и тип генераторов G, которые подключены к сети в специфической точке общей связи; чем меньше импеданс объединенных генераторов, тем больше ток повреждения. Имеются большие вариации в прогнозируемом токе повреждения, поэтому необходимо непрерывно регулировать уставки защитного оборудования, чтобы гарантировать обнаружение повреждения.

Амплитуда тока повреждения увеличивается, когда снижается напряжение распределения (то есть напряжение на различных шинах переменного тока в FEP системе). Когда полная установленная мощность повышается и/или напряжение распределения снижается, результирующий ток повреждения может превышать возможности имеющегося защитного коммутационного оборудования. В MV системах распределения энергии могут быть использованы нагрузочные понижающие трансформаторы и специализированные системы изоляции, чтобы можно было использовать достаточно высокое напряжение распределения для того, чтобы преодолеть ограничения защитного коммутационного оборудования.

Характеристики генераторов G могут изменяться в широких пределах, в том, что касается временной зависимости и пиковых амплитуд компонентов постоянного и переменного тока, для содействия распределению нагрузки (автоматические регуляторы напряжения (AVR) предназначены для содействия распределению нагрузки). Более того, эти характеристики сильно зависят от типа первичных двигателей (например, это может быть дизельный двигатель D или турбина Т), которые подключены к генератору, причем их результирующие сопряженные управляемые и регулируемые выходные сигналы могут подвергаться существенным рассогласованиям. Когда группа генераторов G соединена с точкой общей связи, тогда эти рассогласования часто становятся проблематичными, особенно во время переключения пассивных цепей, таких как фильтры и трансформаторы, и во время переходных режимов при изменении нагрузки.

FEP систему часто разделяют на множество точек общей связи, которые часто называют секциями. Все секции могут быть соединены вместе в параллель, чтобы получить односекционную схему расположения (например, для работы одного двигателя), или могут быть разделены для создания избыточности и постепенного снижения мощности после аварии оборудования. Синхронизация и перераспределение нагрузки между индивидуальными секциями затруднены, особенно когда они имеют различные степени гармонического загрязнения и когда присутствуют упомянутые здесь выше рассогласования. Мощность приведения в движение обычно отбирают от секций в тяговой (силовой) системе распределения (PDS), а другие нагрузки могут получать питание от секций в служебной системе распределения судна (SSDS), которая обычно получает энергию от PDS. Защитная дискриминация и качество электропитания обычно связаны с общей иерархией, которая идет вниз от самого большого генератора G до самой незначительной электрической нагрузки. Должны быть предусмотрены средства развязки относительно (достаточно) чувствительной SSDS системы от потенциально вредного влияния относительно нечувствительного силового и тягового оборудования (оборудования приведения в движение) в PDS системе. Критические электрические нагрузки могут потребовать использования собственных локальных источников питания с высокой степенью интеграции, имеющих выделенные силовые преобразователи и накопители энергии, чтобы обеспечивать требуемую степень развязки от PDS. Эти локальные источники питания часто называют зональными блоками питания (ZPSU), а их накопители энергии часто называют зональными накопителями энергии (ZES).

Так как FEP система представляет собой систему переменного тока, множество параметров могут влиять на ее конструктивное исполнение. Эти параметры включают в себя, среди прочего, напряжение, частоту, фазовый угол, коэффициент мощности, точку в цикле событий переключения (разъединения), дисбаланс фаз, а также целые и нецелые гармонические искажения. Так как эта система является сложной системой переменного тока, приходится признать, что очень трудно демпфировать неизбежные резонансные режимы между паразитными и намеренными импедансами, которые влияют на такую систему распределения энергии. Выбор частоты распределения переменного тока (то есть частота переменного тока в различных шинах переменного тока в FEP системе) существенно влияет на топологию генератора и в конечном счете задает пределы частоты вращения вала первичного двигателя. Во многих случаях это может отрицательно влиять на размер и параметры генератора и первичного двигателя.

Несмотря на то, что большинство обычных FEP систем представляют собой системы распределения переменного тока при среднем напряжении (MVAC системы), также известны системы распределения постоянного тока при низком напряжении (LVDC системы). Несмотря на то, что эти LVDC системы получают постоянный ток от MVAC систем через устройства силовой электроники с ограниченным током, в них используют автоматические выключатели постоянного тока (DCCB), чтобы прерывать значительные токи повреждения.

Например, в SSDS системе можно использовать выпрямители, содержащие трансформаторы с управлением по фазе, чтобы получать LVDC напряжение распределения от обычной MVAC системы распределения. Параллельные дублирующие фидеры распределяют LVDC напряжение распределения через распределительные щиты, которые содержат рассчитанные на определенный ток повреждения автоматические выключатели постоянного тока (DCCB). Каждый зональный блок питания (ZPSU) получает энергию от дублирующей пары этих распределительных щитов через промежуточную регулирующую силовую электронику и обратные диоды.

В другой SSDS системе можно использовать изолированные трансформатором инверторы обратной работы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) (часто называемые преобразователями связи MV/LV), чтобы получать LVDC напряжение распределения от обычной MVAC системы распределения. Напряжение LVDC распределяют с использованием замкнутой электрической сети, чтобы обеспечить избыточность, а затем направляют через автоматические выключатели (DCCB) с заданным током повреждения в блоки ZPSU и другие электрические нагрузки.

В отличие от обычной системы распределения переменного тока, система распределения постоянного тока не имеет переходов тока через ноль. Поэтому автоматические выключатели DCCB должны прерывать ток повреждения электромеханически, с разрывом контактов, за счет чего возникает напряжение дуги между контактами. Напряжение дуги противодействует напряжению системы, которое является суммой напряжений источников питания, заставляющих протекать ток повреждения и индуктивно генерировать напряжение, которое противодействует любому снижению тока повреждения. Это позволяют за счет напряжения дуги снижать ток повреждения и в конечном счете полностью прерывать его. Когда ток повреждения приближается к завершению перед прерыванием, напряжение дуги испытывает усиление переходного процесса, который акцентирует компоненты, которые поступают в SSDS и создают электромагнитные помехи (EMI). Этот акцентирующий компонент усиливается за счет суммирования переходного напряжения дуги в DCCB и рекуперации SSDS напряжения распределения, возникающего за счет прерывания тока повреждения, который протекает в источнике питания. Известно использование разрядников для защиты от перенапряжений и демпфирующих устройств в таких системах распределения энергии, позволяющих снижать переходные напряжения дуги и EMI.

Известно также использование гибридных выключателей DCCB, в которых используют последовательно включенную комбинацию силовых ключевых электронных устройств и электрических контактов с электромагнитным управлением, так что силовые ключевые электронные устройства быстро выключаются, а разрядник для защиты от перенапряжений и демпфирующее устройство снижают результирующее переходное напряжение, причем электрические контакты размыкаются после прерывания тока повреждения.

В линейном регуляторе источников питания постоянного тока используют технику, называемую "фолдбэк" (обратная подача, обратная свертка), чтобы ограничивать рассеиваемую мощность в регуляторе источников питания во время короткого замыкания нагрузки. Система фолдбэк типично содержит регулятор ограничения выходного тока, источник опорного сигнала которого зависит от выходного напряжения. Если полное сопротивление (импеданс) нагрузки падает ниже специфического порога, то первоначальным действием регулятора ограничения тока является снижение выходного напряжения, за которым следует регенеративное действие, которое служит для ограничения выходного тока и напряжения на соответствующих низких уровнях и для ограничения рассеиваемой мощности в регуляторе источников питания.

Сущность изобретения

В соответствии с настоящим изобретением предлагается система распределения энергии и приведения в движение судна, которая содержит

первую систему приведения в движение, которая содержит гребной электродвигатель, имеющий сверхпроводящие обмотки и силовой преобразователь;

первую силовую систему выработки электроэнергии, предназначенную для снабжения энергией первой системы приведения в движение, причем первая силовая система выработки электроэнергии содержит генератор, имеющий сверхпроводящие обмотки и силовой преобразователь;

первую систему выработки электроэнергии, которая содержит по меньшей мере один источник питания, предназначенный для снабжения энергией первой служебной системы распределения, содержащей по меньшей мере одну шину распределения постоянного тока, имеющую напряжение распределения и ток распределения, и по меньшей мере один распределительный щит.

В общих чертах, система распределения энергии содержит по меньшей мере один источник питания, выходной ток которого выпрямляют или который сам создает постоянный ток. Выходной ток преимущественно ограничивают при помощи быстродействующих средств (например, таких как силовой преобразователь), в соответствии с характеристикой фолдбэк источника питания и стабилизации, что первоначально создает максимальный прогнозируемый ток повреждения, который намного больше, чем в обычном случае с ограниченным импедансом, а затем вызывает коммутацию выходного тока за счет согласованного действия. Характеристики фолдбэк источника питания и стабилизации также облегчают распределение тока между соединенными параллельно источниками питания за счет введения компонента спада установившегося состояния. Более того, характеристики фолдбэк источника питания и стабилизации также облегчают стабилизацию напряжения распределения за счет введения соответствующей переходной характеристики, которая наложена на компонент спада установившегося состояния.

Когда недопустимо низкий импеданс возникает в морской системе распределения энергии и приведения в движение, действие по меньшей мере одного источника питания в конечном счете приводит к прерыванию тока повреждения в соответствии со способом фолдбэк. В ходе процесса прерывания тока повреждения датчики, объединенные с защитным коммутационным оборудованием в распределительном щите и связанные с трактом протекания тока повреждения, и объединенный с ними электронный процессор обнаруживают повреждение и принимают решение о размыкании (контактов) защитного коммутационного оборудования. После прерывания тока повреждения электронный процессор это обнаруживает и подает команду на размыкание защитного коммутационного оборудования (возможно, коммутационного оборудования типа оффлоуд (то есть ненагруженного коммутационного оборудования)).

Несколько электрических нагрузок могут быть подключены к морской системе распределения энергии и приведения в движение, причем все они электронно регулируются при помощи быстродействующих средств (например, таких как силовой преобразователь), в соответствии со специфической характеристикой сброса нагрузки и стабилизации, что позволяет снижать ток нагрузки согласовано с указанной здесь выше коммутацией выходного тока по меньшей мере одного источника питания. Когда защитное коммутационное оборудование разомкнуто, эффект снятия (удаления) тока нагрузки приводит к тому, что выходное напряжение по меньшей мере одного источника питания восстанавливается в соответствии со способом фолдбэк. Восстановление этого выходного напряжения инициирует подключение вновь электрических нагрузок в соответствии со способом сброса нагрузки. Характеристика сброса нагрузки и стабилизации также создает специфическую переходную характеристику тока нагрузки относительно напряжения питания, которая накладывается на режим установившегося состояния электрических нагрузок.

Описанный здесь выше способ также можно инициировать при других видах отказа, которые обнаружены при помощи других датчиков и электронного процессора, или за счет специфических команд электронного процессора, при помощи способа взаимного расцепления. Все аспекты такого способа преимущественно программируют при помощи подходящих средств. Морская система распределения энергии и приведения в движение не требует для своей работы последовательной связи между по меньшей мере одним источником питания, защитным коммутационным оборудованием и электрическими нагрузками, так как распределенная логика и эффективные средства связи предусмотрены в самой системе распределения энергии. Все компоненты морской системы распределения энергии и приведения в движение могут работать автоматически и автономно. Однако, если предусмотрена последовательная связь, тогда морская систем распределения энергии и приведения в движение может работать с более высоким уровнем распределенной логики и с повышенной степенью автоматизации. Локальные ручные средства управления могут быть предусмотрены во всех узлах системы.

Энергия преимущественно распределяется через морскую систему распределения энергии и приведения в движение и, в частности, поступает к одной или нескольким зональным подсистемам распределения энергии, которые содержат зональные накопители энергии. Более конкретно, каждая зональная подсистема распределения энергии содержит зональный блок питания, предназначенный для снабжения энергией по меньшей мере одной электрической нагрузки, и зональный накопитель энергии, подключенный по меньшей мере к одному распределительному щиту первой служебной системы распределения, для снабжения энергией зонального блока питания. Эти зональные накопители энергии сами по себе могут выдерживать реверсивный поток мощности. Зональные накопители энергии могут быть заряжены от первой служебной системы распределения, чтобы непрерывно подавать энергию на электрические нагрузки, подключенные к зональному блоку питания, несмотря на перерывы в подаче напряжения распределения. Однако зональные накопители энергии также могут подавать энергию назад на первую систему распределения энергии, чтобы содействовать стабилизации напряжения распределения.

Силовые преобразователи преимущественно используют для того, чтобы адаптировать выходы всех источников питания к соответствующему напряжению распределения постоянного тока и чтобы обеспечивать ограничение тока повреждения. Это позволяет обеспечивать большую свободу проектирования и оптимизировать оборудование для выработки электроэнергии. Все электрические нагрузки также преимущественно адаптированы при помощи силовых преобразователей, которые активно содействуют стабилизации напряжения распределения и ограничивают токи повреждения и переходные процессы переключения. Морская система распределения энергии и приведения в движение, а в частности защитное коммутационное оборудование, нуждается только в оптимизации ее непрерывно работающих нагрузок, так как токи повреждения и переходные процессы переключения ограничены при помощи активных средств.

Морская система распределения энергии и приведения в движение преимущественно имеет перестраиваемую топологию с высокой степенью избыточности, чтобы обеспечивать постепенное снижение мощности (амортизацию отказов). Это особенно важно, если морскую систему распределения энергии и приведения в движение используют на судах и подлодках ВМФ, где она должна продолжать снабжать энергией критические системы, даже если ее компоненты повреждены. Стабильность морской системы распределения энергии и приведения в движение означает, что может быть обеспечено снабжение энергией высоких импульсных (пульсирующих) нагрузок (таких как, например, пусковые установки реактивных снарядов с высокой кинетической энергией и беспилотных летательных аппаратов). Пропорцию мощности, отбираемой любой электрической нагрузкой, можно непрерывно регулировать, чтобы оптимизировать кпд и облегчить переходы без выбросов (напряжения) между единственной секцией и конфигурацией с множеством секций. Напряжение распределения может быть ниже, чем в обычных системах распределения энергии, по отношению к полной установленной выработке электроэнергии, за счет чего снижаются требования к изоляции и максимально повышается удельная мощность.

Работа морской системы распределения энергии и приведения в движение является по существу автономной, но может иметь ручные реверсивные режимы. Все критические составные части (узлы) системы преимущественно имеют развитые логико-информационные возможности и являются автономными. Развитые логико-информационные возможности могут быть подытожены следующим образом.

Когда включают источник питания (например, такой как генератор), связанный с ним силовой преобразователь регулирует выходное напряжение и линейно повышает его до уровня несколько ниже желательного выходного напряжения. Взаимодействующее защитное коммутационное оборудование обнаруживает это состояние готовности и замыкает контакты. Источник питания защищен от противотока (backfeed), обнаруживает, что он подключен к сети и переходит в состояние со специфической выходной характеристикой.

Когда возникает серьезная перегрузка, ток повреждения ограничивается за счет характеристики фолдбэк источника питания и стабилизации. Защитное коммутационное оборудование быстро локализует и классифицирует повреждение с помощью своих датчиков. Если повреждение является длительным, характеристика фолдбэк источника питания и стабилизации заставляет выходное напряжение снижаться. Происходит сброс всех электрических нагрузок или возврат (энергии) в зональные накопители энергии. Защитное коммутационное оборудование обнаруживает при этом, что может безопасно разомкнуть поврежденный выход. После исправления дефекта подключаются все другие электрические нагрузки, сброшенные или отклоненные в зональные накопители энергии, и выходное напряжение восстанавливается и стабилизируется в соответствии с характеристикой фолдбэк источника питания и стабилизации, и сброс нагрузки прекращается.

Гребной электродвигатель первой системы приведения в движение можно регулировать в соответствии с характеристикой сброса нагрузки и стабилизации. Более конкретно, силовой преобразователь первой системы приведения в движение преимущественно имеет регулятор. Регулятор управляет гребным электродвигателем и силовым преобразователем первой системы приведения в движение так, чтобы обеспечивать необходимое движение морского судна, но при сохранении требований характеристики сброса нагрузки и стабилизации. На практике, система приведения в движение содержит гребной винт, гребной электродвигатель и силовой преобразователь, управляемый по командам оператора (например, в соответствии с сигналами запроса, которые поступают непосредственно от уровней управления морского судна), при условии, что реакции системы приведения в движение не будут нарушать устойчивость морской системы распределения энергии и приведения в движение, за исключением случаев, когда напряжение распределения является низким, таким как во время защитного фолдбэк события, или, например, когда требуемая мощность в нагрузке превышает возможности системы выработки электроэнергии. Если реакции системы приведения в движение будут нарушать устойчивость морской системы распределения энергии и приведения в движение, тогда ее нагрузку преимущественно регулируют и/или постепенно сбрасывают, чтобы стабилизировать напряжение распределения.

Силовой преобразователь первой силовой системы выработки электроэнергии можно регулировать в соответствии с характеристикой фолдбэк источника питания и стабилизации.

Силовой преобразователь первой силовой системы выработки электроэнергии преимущественно соединен с одним или двумя силовыми преобразователями первой системы приведения в движение и по меньшей мере с одним распределительным щитом первой служебной системы распределения. Силовой преобразователь первой системы приведения в движение преимущественно соединен по меньшей мере с одним распределительным щитом первой служебной системы распределения.

По меньшей мере один источник питания первой система выработки электроэнергии преимущественно соединен по меньшей мере с одним распределительным щитом первой служебной системы распределения при помощи силового преобразователя.

Зональный накопитель энергии зональной подсистемы распределения энергии также преимущественно соединен по меньшей мере с одним распределительным щитом первой служебной системы распределения энергии при помощи силового преобразователя. В том и другом случаях силовой преобразователь преимущественно представляет собой преобразователь постоянного тока с широтно-импульсной модуляцией.

Преобразователь постоянного тока между зональным накопителем энергии зональной подсистемы распределения энергии и по меньшей мере одним распределительным щитом первой служебной системы распределения энергии преимущественно работает как повышающий инвертор, когда энергия поступает из первой служебной системы распределения в зональный накопитель энергии зональной подсистемы распределения энергии, причем преобразователь постоянного тока работает как понижающий инвертор, когда энергия поступает из зонального накопителя энергии зональной подсистемы распределения энергии в первую служебную систему распределения.

По меньшей мере один распределительный щит первой служебной системы распределения преимущественно содержит защитное коммутационное оборудование с контактами. Силовой преобразователь, соединяющий по меньшей мере один источник питания первой системы выработки электроэнергии по меньшей мере с одним распределительным щитом первой служебной системы распределения, преимущественно регулируют в соответствии с характеристикой фолдбэк источника питания и стабилизации, а по меньшей мере одну электрическую нагрузку преимущественно регулируют в соответствии с характеристикой сброса нагрузки и стабилизации. Контакты защитного коммутационного оборудования будут размыкаться только тогда, когда напряжение распределения и ток распределения будут снижены до приемлемых уровней за счет взаимодействия характеристики фолдбэк источника питания и стабилизации с одним из следующих событий: (а) повреждение, которое вызывает подключение чрезмерно низкого импеданса к напряжению распределения, (b) команда отмены телеотключения, которая автоматически вырабатывается в морской системе распределения энергии и приведения в движение, (с) команда отмены телеотключения, которую подают вручную в морской системе распределения энергии и приведения в движение, и (d) команда отмены телеотключения, которая вырабатывается дистанционно. Более того, контакты защитного коммутационного оборудования будут замыкаться только тогда, когда полярность напряжения на контактах будет такой, что любые переходные или пусковые токи будут ограничены за счет одной из следующих мер: (а) характеристика фолдбэк источника питания и стабилизации и последовательность включения источника питания, и (b) характеристика сброса нагрузки и стабилизации.

Напряжение распределения преимущественно стабилизируют за счет линейной функции переходной (неустановившейся) нагрузки с использованием характеристики фолдбэк источника питания и стабилизации и за счет ограничения скорости (степени) изменения функции тока нагрузки с использованием характеристики сброса нагрузки и стабилизации.

Первая система выработки электроэнергии может иметь множество включенных параллельно источников питания для снабжения энергией первой служебной системы распределения, причем распределение тока установившегося состояния среди множества источников питания согласовывают (координируют) при помощи функции спада установившегося состояния характеристики фолдбэк источника питания и стабилизации каждого источника питания, при этом распределение тока неустановившегося состояния среди множества источников питания согласовывают при помощи линейной функции переходной нагрузки характеристики фолдбэк источника питания и стабилизации каждого источника питания.

Выходное напряжение и выходной ток по меньшей мере одного источника питания первой системы выработки электроэнергии можно регулировать так, чтобы электрический ток был однонаправленным. Выходное напряжение установившегося состояния является суммой напряжения уставки ненагруженной шины и компонента спада установившегося состояния, который пропорционален току нагрузки, так что выходное напряжение установившегося состояния находится в соответствии с нагрузочной линией установившегося состояния. Вариации переходного тока нагрузки относительно точки приложения нагрузки установившегося состояния заставляют выходное напряжение следовать по линии переходной нагрузки, градиент которой меньше градиента линии нагрузки установившегося состояния. Ток установившегося состояния ограничен на специфическом уровне. Если ток нагрузки кратковременно превышает предельный ток установившегося состояния и приближается к специфическому предельному уровню переходного тока, но не превышает его, тогда выходное напряжение будет кратковременно снижаться относительно линии нагрузки установившегося состояния и будет восстанавливаться до линии нагрузки установившегося состояния, когда ток установившегося состояния снижается ниже предельного тока установившегося состояния. Если ток нагрузки длительно превышает предельный ток установившегося состояния или превышает специфический предельный уровень переходного тока, то применяют фолдбэк, так что выходное напряжение и выходной ток снижаются по существу до нуля в соответствии с регенеративным процессом (в некоторых обстоятельствах может быть полезно снижать выходной ток до очень низкого уровня (например, около 2 А), чтобы облегчать обнаружение импеданса нагрузки), причем выходное напряжение и выходной ток остаются по существу на нуле до тех пор, пока импеданс нагрузки не будет увеличен выше специфического уровня. Если импеданс нагрузки возрастает выше специфического уровня, то тогда напряжение нагрузки сначала частично восстанавливается, а затем линейно возрастает до желательной рабочей точки.

Напряжение нагрузки может линейно возрастать до желательной рабочей точки в соответствии с изменяющейся во времени скоростью наклона, которую задают для того, чтобы снизить до минимума результирующие переходные процессы напряжения в морской системе распределения энергии и приведения в движение.

Система распределения энергии может дополнительно содержать вторую систему выработки электроэнергии, которая содержит по меньшей мере один источник питания для снабжения энергией второй служебной системы распределения. Вторая служебная система распределения преимущественно содержит по меньшей мере одну шину распределения постоянного тока, имеющую напряжение распределения и ток распределения, и по меньшей мере один распределительный щит, который содержит защитное коммутационное оборудование с контактами. Зональный накопитель энергии зональной системы распределения энергии может быть соединен по меньшей мере с одним распределительным щитом второй служебной системы распределения. За счет этого зональный накопитель энергии может получать питание от первой служебной системы распределения и/или от второй служебной системы распределения.

Морская система распределения энергии и приведения в движение может дополнительно содержать вторую систему приведения в движение, которая содержит гребной электродвигатель и силовой преобразователь. Вторая силовая система выработки электроэнергии для снабжения энергией второй систем приведения в движение преимущественно содержит генератор и силовой преобразователь.

Как первая, так и вторая система приведения в движение может содержать гребной винт, который приводится в движение за счет соответствующего гребного электродвигателя. Альтернативно, гребные электродвигатели первой и второй систем приведения в движение могут быть использованы для приведения в движение общего гребного винта (так называемый блок приведения в движение тандемом). Гребные электродвигатели, которые образуют блок приведения в движение тандемом, могут быть объединены друг с другом или разделены друг от друга, но имеют общую систему вала гребного винта. Следует иметь в виду, что одно морское судно может иметь любое число блоков приведения в движение различной конфигурации в зависимости от требований приведения в движение. Могут быть использованы обычные гребные винты любого подходящего типа, например с множеством лопаток, или водометный движетель насосного типа в направляющей насадке.

Как первая, так и вторая силовая система выработки электроэнергии может иметь первичный двигатель (например, такой как турбина), который приводит в движение соответствующий генератор.

Гребные электродвигатели первой и второй систем приведения в движение преимущественно имеют высокотемпературные сверхпроводящие (HTS) обмотки. Более конкретно обмотки подмагничивания и/или обмотки якоря могут быть сделаны из проводов, лент или проволоки, изготовленных из любого подходящего HTS материала (то есть материала, который типично сохраняет сверхпроводящие свойства (имеет нулевое сопротивление и допускает очень высокую плотность тока) при температуре ориентировочно выше 25 K).

Обмотки подмагничивания типично расположены на роторе, а обмотки якоря типично расположены на статоре гребных электродвигателей, однако возможна и обратная схема расположения. Ротор и/или статор каждого гребного электродвигателя также может быть изготовлен из объемного HTS материала, поэтому следует иметь в виду, что использованный здесь термин "обмотки" включает в себя этот объемный HTS материал, который не имеет форму обычной обмотки. Например, объемный HTS материал может быть частью сверхпроводящей магнитной системы, как это описано в патентной заявке Великобритании n.2431519, в которой слой магнитного материала, переключаемый между двумя магнитными состояниями (например, диамагнитным и ферромагнитным) с использованием теплового устройства, служит для периодического изменения (flux pump) магнитное поля, чтобы намагничивать или размагничивать объемный HTS материал. В том случае, когда только один компонент из пары ротор - статор имеет сверхпроводящие обмотки, другой компонент может иметь, например, обычные медные обмотки или постоянные магниты.

При нормальной работе предусмотрено, что HTS обмотки будут иметь температуру между 30 K и 77 K, так как это исключает необходимость использования жидкого гелия в качестве охладителя, и потому, что допустимая плотность тока в HTS проводнике зависит от температуры (допустимая плотность тока возрастает при понижении температуры). Таким образом, расчетная рабочая температура HTS обмоток выбрана за счет компромисса между желательной плотностью тока и практическими ограничениями параметров соответствующей криогенной холодильной установки. Использование HTS обмоток позволяет гребным электродвигателям работать с исключительно высоким касательным напряжением воздушного зазора по сравнению с обычными электродвигателями. Принципиальным выигрышами являются существенно повышенные удельная мощность и кпд.

Гребные электродвигатели могут иметь привод от одного или двух силовых преобразователей первой и второй систем приведения в движение.

Силовая электроника для силовых преобразователей первой и второй систем приведения в движение преимущественно полностью встроена в гребные электродвигатели. Силовые преобразователи преимущественно проектируют так, чтобы обеспечивать максимальный кпд соответствующего гребного электродвигателя и содействовать повышению стабильности системы распределения энергии. Гребные электродвигатели первой и второй систем приведения в движение могут также иметь схему электронного коммутатора с использованием статической силовой электроники.

Гребные электродвигатели первой и второй систем приведения в движение нормально имеют ротор и статор, причем ротор может быть расположен по оси со статором, внутри него или снаружи от него.

По меньшей мере одна шина распределения постоянного тока может быть выполнена с использованием сверхпроводящих компонентов (кабелей или шины). Такие сверхпроводящие компоненты могут быть изготовлены из проводов, лент или проволоки, в свою очередь изготовленных из подходящего HTS материала.

Генераторы первой и второй силовых систем выработки электроэнергии преимущественно имеют HTS обмотки. Более конкретно обмотки подмагничивания и/или обмотки якоря могут быть сделаны из проводов, лент или проволоки, изготовленных из любого подходящего HTS материала. Обмотки подмагничивания типично расположены на роторе, а обмотки якоря типично расположены на статоре генераторов, однако возможна и обратная схема расположения. Ротор и/или статор каждого генератора также может быть изготовлен из объемного HTS материала. В том случае, когда только один компонент из пары ротор - статор имеет сверхпроводящие обмотки, другой компонент может иметь, например, обычные медные обмотки или постоянные магниты.

Использование HTS обмоток позволяет генераторам работать с исключительно высоким касательным напряжением воздушного зазора по сравнению с обычными генераторами. Принципиальными выигрышами являются существенно повышенные удельная мощность и кпд.

Силовая электроника для силовых преобразователей первой и второй силовых систем выработки электроэнергии преимущественно полностью встроена в генераторы. Генераторы первой и второй силовых систем выработки электроэнергии также могут иметь схему электронного коммутатора с использованием статической силовой электроники. Одной из проблем генераторов, которые используют HTS обмотки, является их относительно высокий прогнозируемый (предполагаемый) ток повреждения. Эту проблему можно решить за счет использования силового преобразователя, который ограничивает ток повреждения в системе распределения энергии, но при поддержании высокого качества электропитания и при содействии стабильности системы распределения энергии.

Легко понять, что генераторы и гребные электродвигатели, использующие HTS обмотки, являются очень компактными, имеют малый вес и обладают высочайшим полным электрическим кпд, а в комбинации с не имеющей пазов обмоткой якоря позволяют получать низкие уровни шума и вибраций. Это делает их особенно подходящими для использования на морских судах. Генераторы, гребные электродвигатели и объединенные с ними силовые преобразователи преимущественно позволяют содействовать стабильности распределения энергии и повышению коэффициента готовности системы распределения энергии за счет процесса программируемого управления режимом электропитания и за счет амортизации отказов.

Силовой преобразователь второй силовой системы выработки электроэнергии преимущественно соединен с одним или двумя силовыми преобразователями второй системы приведения в движение и по меньшей мере с одним распределительным щитом второй служебной системы распределения. Силовой преобразователь второй системы приведения в движение преимущественно соединен по меньшей мере с одним распределительным щитом второй служебной системы распределения.

Силовой преобразователь первой силовой системы выработки электроэнергии преимущественно соединен с силовым преобразователем второй системы приведения в движение. Силовой преобразователь второй силовой системы выработки электроэнергии преимущественно соединен с силовым преобразователем первой системы приведения в движение.

Первая система приведения в движение преимущественно имеет три входа подачи энергии (энергоснабжения), причем каждый вход может быть выбран (например, при помощи системы соединяемых вручную связей или другого подходящего средства изоляции). Первый вход подачи энергии может быть соединен с первой силовой системой выработки электроэнергии, второй вход подачи энергии может быть соединен со второй силовой системой выработки электроэнергии, а третий вход подачи энергии может быть соединен по меньшей мере с одним распределительным щитом первой служебной системы распределения. Таким образом, первая система приведения в движение может получать энергию от первой силовой системы выработки электроэнергии через первый вход подачи энергии и/или от второй силовой системы выработки электроэнергии через второй вход подачи энергии. Энергия также может поступать на первую систему приведения в движение от первой служебной системы распределения через третий вход подачи энергии. Если первая система приведения в движение работает в рекуперативном режиме, тогда она может быть использована для подачи энергии на первую служебную систему распределения.

Вторая система приведения в движение преимущественно имеет три входа подачи энергии, причем каждый вход может быть выбран (например, при помощи системы соединяемых вручную связей или другого подходящего средства изоляции). Первый вход подачи энергии может быть соединен с первой силовой системой выработки электроэнергии, второй вход подачи энергии может быть соединен со второй силовой системой выработки электроэнергии, а третий вход подачи энергии может быть соединен по меньшей мере с одним распределительным щитом второй служебной системы распределения энергии. Таким образом, вторая система приведения в движение может получать энергию от первой силовой система выработки электроэнергии через первый вход подачи энергии и/или от второй силовой система выработки электроэнергии через второй вход подачи энергии. Энергия также может поступать на вторую систему приведения в движение от второй служебной системы распределения через третий вход подачи энергии. Если вторая система приведения в движение работает в рекуперативном режиме, тогда она может быть использована для подачи энергии на вторую служебную систему распределения.

Если распределительные щиты первой и второй служебных систем распределения взаимосвязаны или имеют поперечные связи, тогда дополнительное резервирование может быть обеспечено между двумя сторонами системы распределения энергии.

Первая силовая система выработки электроэнергии преимущественно имеет первый и второй выходы подачи энергии (энергоснабжения), каждый из которых может быть выбран (например, при помощи системы соединяемых вручную связей или другого подходящего средства изоляции). Первый выход подачи энергии может быть соединен с первым входом подачи энергии первой системы приведения в движение, а второй выход подачи энергии может быть соединен с первым входом подачи энергии второй системы приведения в движение. Таким образом, первая силовая система выработки электроэнергии может подавать энергию на первую систему приведения в движение через первый выход подачи энергии и/или на вторую систему приведения в движение через второй выход подачи энергии. Если первая силовая система выработки электроэнергии имеет третий выход подачи энергии, который может быть выбран и соединен по меньшей мере с одним распределительным щитом первой служебной системы распределения, тогда энергия также может быть подана на первую служебную систему распределения.

Вторая силовая система выработки электроэнергии преимущественно имеет первый и второй выходы подачи энергии, каждый из которых может быть выбран (например, при помощи системы соединяемых вручную связей или другого подходящего средства изоляции). Первый выход подачи энергии может быть соединен со вторым входом подачи энергии первой системы приведения в движение, а второй выход подачи энергии может быть соединен со вторым входом подачи энергии второй системы приведения в движение. Таким образом, вторая силовая система выработки электроэнергии может подавать энергию на первую систему приведения в движение через первый выход подачи энергии и/или на вторую систему приведения в движение через второй выход подачи энергии. Если вторая силовая система выработки электроэнергии имеет третий выход подачи энергии, который может быть выбран и соединен по меньшей мере с одним распределительным щитом второй служебной системы распределения, тогда энергия также может быть подана на вторую служебную систему распределения.

Морская система распределения энергии и приведения в движение может быть выполнена так, что энергия может быть подана на первую служебную систему распределения по меньшей мере через один распределительный щит при помощи одной или нескольких следующих систем: первая система выработки электроэнергии, зональный накопитель энергии зональной подсистемы распределения энергии, система приведения в движение, работающая в рекуперативном режиме, силовая система выработки электроэнергии и дистанционная система электропитания, такая как, например, наземная система электропитания. Это обеспечивает значительную кратность резерва.

По меньшей мере один источник питания первой система выработки электроэнергии преимущественно представляет собой один или несколько компонентов, выбранных из группы, в которую входят дизельный генератор, газотурбинный генератор, генератор с паровой турбиной, генератор с комбинированной газовой и паровой турбиной, дизельный генератор с замкнутым циклом (без воздушной вентиляции), батарея, топливный элемент, проточный электролизер, генератор с маховиком, суперконденсатор (то есть конденсатор с очень высокой емкостью и плотностью энергии) и сверхпроводящий магнитный накопитель энергии. Этот список не следует считать ограничительным, причем легко можно понять, что могут быть использованы и другие подходящие источники питания. В том случае, когда по меньшей мере один источник питания первой система выработки электроэнергии представляет собой генератор, тогда он при необходимости может иметь HTS обмотки. Силовая электроника любого взаимодействующего силового преобразователя также может быть полностью встроена в этот генератор.

По меньшей мере одно коммутационное оборудование может иметь шины распределения, а также входные и выходные шины. По меньшей мере один ненагруженный сдвоенный столбовой выключатель с электромеханическим управлением преимущественно соединен с шинами распределения. По меньшей мере одно коммутационное оборудование преимущественно контролируется при помощи электронной системы управления, которая содержит электронный процессор, датчики тока во всех шинах распределения, входящих и выходящих шинах, а также датчики напряжения на всех шинах распределения, входящих и выходящих шинах, входы взаимного расцепления, выходы взаимного расцепления и приводы для ключевых исполнительных механизмов. Электронная система управления также может иметь местный интерфейс оператора и дистанционный интерфейс управления.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показана блок-схема обычной морской системы распределения энергии и приведения в движение, в которой используют полную электрическую тягу (FEP).

На фиг.2 показана блок-схема морской системы распределения энергии и приведения в движение в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.3 показан график зависимости выходного напряжения от выходного тока источника питания, образующего часть морской системы распределения энергии и приведения в движение, показанной на фиг.2.

На фиг.4 показан график зависимости тока нагрузки от напряжения питания для электрической нагрузки, образующей часть морской системы распределения энергии и приведения в движение, показанной на фиг.2.

На фиг.5 показана блок-схема защитного коммутационного оборудования, образующего часть морской системы распределения энергии и приведения в движение, показанной на фиг.2.

На фиг.6 показан график зависимости выходного напряжения от выходного тока источника питания, образующего часть морской системы распределения энергии и приведения в движение, показанной на фиг.2, где можно видеть эффект неполного сброса нагрузки.

Далее будет описана базовая топология морской системы распределения энергии и приведения в движение в соответствии с настоящим изобретением со ссылкой на фиг.2. Следует иметь в виду, что все входы, выходы, клеммы и межсоединения, показанные на фиг.2, относятся к элементам постоянного тока с двумя полюсами.

Первая силовая система выработки электроэнергии (PPGS) содержит турбину 1, которая приводит в движение (вращает) генератор 2 для подачи энергии на выходной преобразователь 3. Аналогично, вторая PPGS содержит турбину 10, которая приводит в движение генератор 11 для подачи энергии на выходной преобразователь 12. Первая система приведения в движение (PDS) содержит гребной винт 6, который приводится в движение при помощи гребного электродвигателя 5, поток мощности которого регулируется при помощи преобразователя 4 приведения в движение. Аналогично, вторая PDS содержит гребной винт 9, который приводится в движение при помощи гребного электродвигателя 8, поток мощности которого регулируется при помощи преобразователя 7 приведения в движение. Каждый из выходных преобразователей 3 и 12 имеет три набора выходных клемм, а каждый из преобразователей 4 и 7 приведения в движение имеет три набора входных клемм, причем все клеммы связаны друг с другом так, как это будут описано далее более подробно.

В генераторах 2 и 11 используют высокотемпературные сверхпроводящие (HTS) роторные обмотки, причем выходные преобразователи 3 и 12 полностью встроены в электрические машины. Другими словами, генераторы 2 и 11 снабжены встроенной силовой электроникой. Генераторы с HTS роторными обмотками имеют очень низкое реактивное сопротивление и обычно могут создавать трудности при их подключении к обычной системе распределения энергии переменного тока. Эти трудности включают в себя высокий прогнозируемый ток короткого замыкания, высокие прогнозируемые вращающие моменты короткого замыкания и высокий уровень искажений напряжения распределения, причем все это существенно сдерживает использование таких генераторов. Однако встроенная силовая электроника создает эффективную развязку генераторов 2 и 11 от остальной морской системы распределения энергии и приведения в движение, устраняет указанные выше трудности и дает разработчику генератора большую свободу проектирования. Возбуждение генераторов 2 и 11 может быть оптимизировано с точки зрения рабочего кпд и надежности, принимая во внимание безопасную работу криогенных систем.

В генераторах 2 и 11 можно использовать "активный" статор со схемой электронного коммутатора за счет использования статической силовой электроники, что дает разработчику большую гибкость для улучшения характеристик. Силовая электроника является модульной и полностью встроена в электрическую машину, так что системы охлаждения, вспомогательные системы, конструкции и оболочки используются совместно, чтобы обеспечивать высокую плотность мощности.

Выходные преобразователь 3 и 12 регулируют в соответствии с характеристикой фолдбэк источника питания и стабилизации, как это описано далее более подробно. Низкое реактивное сопротивление генераторов 2 и 11 в случае повреждения и большое количество энергии, которое хранится в HTS роторных обмотках, означают, что маловероятно достаточно быстрое снижение выходного напряжения генераторов, чтобы защищать силовую электронику взаимодействующих выходных преобразователей 3 и 12 в случае серьезного повреждения. Это означает, что почти все серьезные повреждения будут приводить к неустраняемому повреждению взаимодействующих выходных преобразователей, если не принять дополнительных защитных мер. Поэтому каждый выходной преобразователь 3 и 13 может иметь несколько соединенных параллельно каналов, каждый из которых защищен, например, при помощи быстродействующего плавкого предохранителя. Другими словами, выходные преобразователи 3 и 12 могут быть выполнены так, чтобы обеспечивать амортизацию отказов после повреждений.

Турбинами 1 и 10 могут быть паровые или газовые турбины, работающие, например, в простом или объединенном цикле. Газовые турбины могут иметь одну или множество катушек (корпусов), работающих в простом цикле, цикле внутреннего охлаждения и/или в цикле рекуперации. Следует иметь в виду, что дизельные двигатели и пневмодвигатели также могут быть использованы вместо турбин в зависимости от специфических обстоятельств.

В гребных электродвигателях 5 и 8 используют HTS роторные обмотки, причем преобразователи 4 и 7 приведения в движение полностью встроены в электрические машины. Другими словами, гребные электродвигатели 5 и 8 снабжены встроенной силовой электроникой. Гребные электродвигатели 5 и 8 могут быть расположены внутри корпуса морского судна (в этом случае гребной электродвигатель вращает гребной винт через вал, имеющий уплотнение), в обтекателе (гондоле), который подвешен к корпусу морского судна, чтобы обеспечивать как приведение в движение, так и управление рулем, или по оси снаружи от корпуса подводной лодки. В гребных электродвигателях 5 и 8 роторы могут быть расположены по оси статоров, внутри них или снаружи от них. Возбуждение гребных электродвигателей 5 и 8 может быть оптимизировано в том, что касается рабочего кпд и надежности, принимая во внимание безопасную работу криогенных систем.

В гребных электродвигателях 5 и 8 можно использовать "активный" статор со схемой электронного коммутатора за счет использования статической силовой электроники, что дает разработчику большую гибкость для улучшения характеристик. Силовая электроника является модульной и полностью встроена в электрическую машину, так что системы охлаждения, вспомогательные системы, конструкции и оболочки используются совместно, чтобы обеспечивать высокую плотность мощности.

Гребные электродвигатели 5 и 8 регулируют в соответствии с характеристикой сброса нагрузки и стабилизации, как это описано далее более подробно.

Первая судовая служебная система выработки электроэнергии (SSPGS) содержит дизельный двигатель 13, который вращает генератор 14, чтобы снабжать энергией выходной преобразователь 15. Аналогично, вторая SSPGS содержит дизельный двигатель 17, который вращает генератор 18, чтобы снабжать энергией выходной преобразователь 19. Предусмотрено множество зональных подсистем распределения энергии, каждая из которых содержит зональный блок питания (ZPSU) 23, который подает энергию на обычную систему распределения низкого напряжения (LV) и отбирает энергию от зонального накопителя энергии (ZES) 22, который соединен с первым преобразователем 21 постоянного тока и вторым преобразователем 24 постоянного тока. На фиг.2 показаны три зональных подсистемы распределения энергии, однако на практике их число может быть меньше или больше.

Генераторы 14 и 18 могут быть выполнены с использованием альфа-, бета- и гамма- типов бесшумных полюсных синхронных электрических машин, поставляемых фирмой Converteam of Boughton Road, Rugby, Warwickshire, CV21 1BU, Великобритания. Следует иметь в виду, что генераторы 14 и 18 также могут быть выполнены с использованием электрических машин, имеющих HTS роторные обмотки и/или HTS статорные обмотки, в зависимости от конкретных требований морской системы распределения энергии и приведения в движение.

Выходные преобразователи 15 и 19 могут быть выполнены с использованием преобразователей типов VDM25000, MV7000 и MV3000 фирмы Converteam, в которых используют широтно-импульсную модуляцию (ШИМ). Следует иметь в виду, что выходные преобразователи 15 и 19 также могут быть выполнены при полном встраивании в генераторы 14 и 18.

Преобразователи 21 и 24 постоянного тока и ZPSU 23 могут быть выполнены с использованием модулей типа дельта фирмы Converteam.

Первая судовая служебная система распределения (SSDS) содержит шины 25, 27 и 29 распределения постоянного тока (которые при необходимости могут быть выполнены с использованием HTS кабелей или шин), связывающие распределительные щиты 16, 26 и 28, как это описано далее более подробно. Аналогично, вторая SSDS содержит шины 30, 32 и 34 распределения постоянного тока (которые при необходимости могут быть выполнены с использованием HTS кабелей или шин), связывающие распределительные щиты 20, 31 и 33. На фиг.2 показано, что как первая, так и вторая SSDS содержит три распределительных щита, число которых соответствует числу использованных зональных подсистем распределения энергии, однако на практике их число может быть меньше или больше. Береговой источник питания 39 соединен с преобразователем 38.

Различные компоненты морской системы распределения энергии и приведения в движение взаимосвязаны следующим образом.

Первый вход преобразователя 4 приведения в движение соединен с первым выходом выходного преобразователя 3 при помощи межсоединения 41.

Второй вход преобразователя 4 приведения в движение соединен с первым выходом выходного преобразователя 12 при помощи межсоединения 43.

Третий вход преобразователя 4 приведения в движение соединен с первым выходом распределительного щита 16 при помощи межсоединения 42.

Первый вход преобразователя 7 приведения в движение соединен со вторым выходом выходного преобразователя 3 при помощи межсоединения 46.

Второй вход преобразователя 7 приведения в движение соединен со вторым выходом выходного преобразователя 12 при помощи межсоединения 44.

Третий вход преобразователя 7 приведения в движение соединен с первым выходом распределительного щита 20 при помощи межсоединения 45.

Выход выходного преобразователя 15 соединен с первым входом распределительного щита 16.

Выход выходного преобразователя 19 соединен с первым входом распределительного щита 20.

Третий выход выходного преобразователя 3 соединен со вторым входом распределительного щита 16 при помощи межсоединения 47.

Третий выход выходного преобразователя 12 соединен со вторым входом распределительного щита 20 при помощи межсоединения 48.

Зажимы питания (входные зажимы) преобразователя 21 постоянного тока соединены со вторым выходом распределительного щита 16.

Зажимы питания преобразователя 24 постоянного тока соединены со вторым выходом распределительного щита 20.

Зажимы поперечной связи распределительного щита 16 соединены с зажимами поперечной связи распределительного щита 20 при помощи поперечной связи 35.

Зажимы поперечной связи распределительного щита 26 соединены с зажимами поперечной связи распределительного щита 31 при помощи поперечной связи 36 и с выходными клеммами преобразователя 38 при помощи связи 37.

Аналогично, распределительные щиты 26, 28, 31 и 33 соединены с дополнительными зональными подсистемами распределения энергии.

Аналогично, распределительные щиты 28 и 33 соединены при помощи поперечной связи 40.

Следует иметь в виду, что термины "вход" и "выход" относятся к нормальному направлению потока мощности, однако в некоторых обстоятельствах могут быть случаи, когда поток распространяется из входа на выход. Например, поток мощности нормально протекает через межсоединение 42 от первого выхода распределительного щита 16 на третий вход преобразователя 4 приведения в движение. Однако, если гребные электродвигатели 5 работают в рекуперативном режиме, тогда поток мощности может протекать через межсоединение 42 от третьего входа преобразователя 4 приведения в движение на первый выход распределительного щита 16.

Далее со ссылкой на фиг.3 будет описан процесс, при помощи которого прерывают ток короткого замыкания или ток низкого сопротивления. Предположим, что повреждение произошло в преобразователе 21 постоянного тока. Переменный (изменяющийся) ток нагрузки протекает до возникновения повреждения, и предпринимают защитное действие источника питания, содержащего дизельный двигатель 13, генератор 14 и выходной преобразователь 15, чтобы прервать ток повреждения. Однако следует иметь в виду, что дальнейшее описание в равной мере применимо к повреждениям, которые могут происходить в любом месте в морской системе распределения энергии и приведения в движение и в любом источнике питания, который снабжает энергией морскую систему распределения энергии и приведения в движение.

На фиг.3 показан график зависимости выходного напряжения от переменного выходного тока для источника питания, который содержит дизельный двигатель 13, генератор 14 и выходной преобразователь 15. Дизельный двигатель 13 имеет управление при помощи обычного регулятора и может работать с любой желательной скоростью вращения вала. Генератор 14 имеет управление при помощи обычного автоматического регулятора напряжения (AVR), причем выходное напряжение генератора может иметь любой подходящий уровень. Выходной преобразователь 15 регулируется при помощи регулятора (не показан) в соответствии с характеристикой фолдбэк и стабилизации, показанной на фиг.3. Эта характеристика главным образом не зависит от воздействий обычного регулятора и регулятора AVR. Для регулирования выходного преобразователя 15 может быть использован регулятор любого обычного типа, однако предпочтительным является программируемый цифровой регулятор.

Напряжение уставки ("уставка") ненагруженной шины подают на регулятор выходного преобразователя 15, причем все другие области характеристики фолдбэк и стабилизации являются производными от этого. При нормальной работе, когда ток нагрузки в преобразователе 21 постоянного тока постепенно нарастает, выходной ток в выходном преобразователе 15 также постепенно нарастает и выходное напряжение выходного преобразователя 15 снижается в соответствии с линией нагрузки установившегося состояния, которая имеет спад относительно уставки. Спад установившегося состояния может быть пропорционален выходному току или может соответствовать любой другой подходящей характеристике. За счет действия быстродействующего регулятора переходные изменения в токе нагрузки и в эквивалентном выходном токе будут смещать выходное напряжение от линии нагрузки установившегося состояния. Если средние значения установившегося состояния выходного тока и напряжения находятся в точке приложения нагрузки установившегося состояния, показанного на фиг.3, и происходят переходные возмущения выходного тока относительно точки приложения нагрузки установившегося состояния, то выходное напряжение будет изменяться по переходной линии нагрузки относительно примерной точки приложения нагрузки установившегося состояния. Переходная линия нагрузки показана на фиг.3 пунктирными стрелками, идущими в обе стороны от точки приложения нагрузки установившегося состояния, и может быть смещена от линии нагрузки установившегося состояния на величину, которая может быть пропорциональна переходным возмущениям выходного тока, или может соответствовать любой другой подходящей характеристике.

Выходной ток подвергается быстрому воздействию предельного значения переходного тока, так что выходное напряжение снижается для того, чтобы мгновенный уровень выходного тока не мог превысить предельное значение переходного тока. Ток нагрузки также подвергается воздействию предельного значения тока установившегося состояния, так что выходное напряжение снижается для того, чтобы средний уровень выходного тока установившегося состояния не мог превысить предельное значение тока установившегося состояния. Если сопротивление нагрузки падает ниже градиента характеристики фолдбэк установившегося состояния, тогда прикладывают фолдбэк. Это означает, что предельное значение переходного выходного тока снижается до уровня, который зависит от выходного напряжения, причем эта зависимость такова, что вызывает регенеративное снижение выходного тока и выходного напряжения. Регенеративное действие сходится в точке, в которой выходной ток и выходное напряжение снижаются ориентировочно до нуля. На практике, если повреждение возникло в тот момент, когда выходной ток установившегося состояния приближается к предельному значению тока установившегося состояния, то выходной ток будет быстро возрастать до тех пор, пока действие ограничения переходного тока не приведет к резкому спаду (обвалу) выходного напряжения. Затем применяют фолдбэк и говорят, что состояние повреждения прервано (ликвидировано), когда выходной ток и выходное напряжение приближаются к нулю. Практическая характеристика фолдбэк такова, что этот минимальный уровень предельного переходного тока представляет собой небольшой не равный нулю уровень по причинам, которые будут объяснены непосредственно ниже.

В той точке, в которой ток повреждения практически прерван, небольшой не равный нулю уровень выходного тока будет протекать в нагрузку, которая представляет собой преобразователь 21 постоянного тока, через защитное коммутационное оборудование в распределительном щите 16. Если контакты этого коммутационного оборудования разомкнуты, то оно способно прерывать этот небольшой не равный нулю уровень тока, так что напряжение распределения будет возрастать, при условии отсутствия другой нагрузки.

В том случае, когда отсутствует другая нагрузка, известно, что состояние повреждения может быть деблокировано, когда напряжение распределения возрастает. Так как сопротивление нагрузки возрастает выше градиента характеристики фолдбэк установившегося состояния, когда напряжение распределения возрастает, то регенеративное действие фолдбэк снимается и напряжение распределения возвращается к уроню, заданному при помощи уставки.

В том случае, когда дополнительная нагрузка подключена параллельно преобразователю 21 постоянного тока, фолдбэк будет снят, если сопротивление этой нагрузки меньше, чем градиент характеристики фолдбэк установившегося состояния. Когда множество нагрузок включены в параллель, и они должны быть возвращены в рабочее состояние после прерывания состояния повреждения и установки системы в исходное состояние, то необходимо произвести сброс этих нагрузок, когда напряжение распределения снижается ниже нормальных рабочих уровней, для того, чтобы позволить снять фолдбэк.

Преимущества от использования характеристики фолдбэк и стабилизации в соответствии с настоящим изобретением заключаются в том, что защитное коммутационное оборудование будет работать в условиях близкого к нулю тока и близкого к нулю напряжения, что позволяет избежать необходимости использования обычного коммутационного оборудования, в котором используют сложное устройство дугогашения, чтобы противодействовать протеканию постоянного тока. Характеристика фолдбэк и стабилизации также облегчает параллельное соединение множества источников питания различных типов, так как соответствующие выходные характеристики источника питания можно контролировать при помощи функций быстродействующего регулятора и силовой электроники. За счет этого могут быть развязаны характеристики естественного импеданса и отклика генераторов различных типов.

Взаимодействующая характеристика сброса нагрузки и стабилизации теперь будет описана более подробно со ссылкой на фиг.4. В этом описании будет рассмотрена такое же повреждение, что и рассмотренное со ссылкой на фиг.3, которое случилась в преобразователе 21 постоянного тока, причем дополнительная нагрузка представляет собой блок приведения (судна) в движение, который содержит гребной винт 6, гребной электродвигатель 5 и преобразователь 4 приведения в движение. Это означает, что преобразователь 21 постоянного тока и дополнительная нагрузка включены в параллель. Переменный ток нагрузки протекает до момента возникновения повреждения, причем считают, что защитное действие источника питания, который содержит дизельный двигатель 13, генератор 14 и выходной преобразователь 15, прерывает состояние повреждения.

Ранее возникновения повреждения в преобразователе 21 постоянного тока, выходной ток выходного преобразователя 15 является суммой токов нагрузки, отбираемых за счет преобразователя 21 постоянного тока и блока приведения в движение. Нагрузка блока приведения в движение регулируется при помощи регулятора, который управляет преобразователем 4 приведения в движение. Нагрузка блока приведения в движение может регулироваться для того, чтобы обеспечивать постоянную мощность приведения в движение, или для того, чтобы соответствовать любым другим рабочим параметрам, однако случай постоянной мощности использован далее для объяснения характеристики сброса нагрузки и стабилизации. Если преобразователь 4 приведения в движение отбирает постоянную мощность приведения в движение, тогда его ток нагрузки будет ориентировочно обратно пропорционален напряжению питания (снижение напряжения питания связано с увеличением тока, чтобы поддерживать постоянную мощность.) Известно, что преобразователи приведения в движение имеют функцию ограничения входного тока, которая не позволяет превышать номинальный предельный ток, когда нагрузка преобразователя приведения в движение имеет номинальную мощность и питающее напряжение снижается ниже заданного минимума. На фиг.4 показаны три кривые питающего напряжения и тока нагрузки при постоянной мощности. Самая верхняя кривая постоянной мощности соответствует кривой "постоянной номинальной мощности" и пересекается с линиями номинального предельного тока и минимального напряжения для номинальной нагрузки. Если питающее напряжение снижается ниже этой точки пересечения, тогда ток нагрузки сначала поддерживается постоянным при предельном уровне номинального тока и мощность нагрузки приведения в движение снижается пропорционально питающему напряжению Если питающее напряжение снижается ниже порога сброса нагрузки, тогда применяют сброс нагрузки, при этом ток нагрузки будет снижаться от предельного номинального тока и регулироваться в соответствии с первым питающим напряжением в зависимости от предельного тока. Это означает, что мощность нагрузки приведения в движение снижается с более высокой скоростью, а не пропорционально питающему напряжению. Сброс нагрузки применяют до тех пор, пока питающее напряжение не будет снижено до специфического абсолютно минимального напряжения на нагрузке, когда считают, что произошло резкое снижение напряжения распределения в результате повреждения, и происходит размыкание под низким напряжением.

Когда происходит размыкание под низким напряжением, блок приведения в движение переходит в управляемое состояние, в котором его входной ток отключается при помощи преобразователя 4 приведения в движение, при этом блок приведения в движение остается в управляемом состоянии и может быть вновь быстро включен, когда устраняются условия отказа. Блок приведения в движение остается в этом управляемом состоянии до тех пор, пока питающее напряжение не возрастает до специфического уровня, при котором функцию сброса нагрузки отменяют и позволяют току нагрузки возрастать в соответствии со вторым питающим напряжением, которое зависит от предельного тока, пока не будет восстановлена нормальная работа (без ограничения тока).

Описанная здесь выше характеристика сброса нагрузки является полезной, так как она позволяет блоку приведения в движение или любой другой нагрузке отбирать энергию от источника питания, создавая благоприятным образом питающее напряжение в заданных пределах. Кривая "постоянной пониженной мощности" показывает, что питающий ток не будет иметь ограничений до тех пор, пока питающее напряжение не понизится до той точки, в которой кривая тока нагрузки пересекается с линиями предельного номинального тока и порога сброса нагрузки. Кривая "постоянной пониженной мощности при допустимом низком питающем напряжении" показывает, что питающий ток не будет иметь ограничений, когда блок приведения в движение работает при относительно низкой выходной мощности и при питающем напряжении существенно ниже диапазона "напряжений для номинальной нагрузки". Возможность работы блока приведения в движение со средним напряжением, составляющим, например, 5 кВ, от SSDS источника питания с номинальным питающим напряжением, составляющим, например, 750 В, обеспечиваемая в соответствии с настоящим изобретением, является несомненным техническим прогрессом по сравнению с обычными морскими системами распределения энергии и приведения в движение. Более того, возможность сброса нагрузки ниже "абсолютно минимального напряжения на нагрузке" в соответствии с настоящим изобретением является предпочтительной, так как она позволяет снимать фолдбэк источника питания, подавая команду на защитное коммутационное оборудование для размыкания контактов, чтобы ликвидировать состояние повреждения.

Другим аспектом характеристики сброс нагрузки и стабилизации является регулирование нагрузки, чтобы снизить до минимума скорость изменения тока нагрузки, которая может возникать в ответ на изменение питающего напряжения в переходном режиме или в ответ на другие возмущения в системе приведения в движение. В этом случае, если нагрузка работает в точке "приложения нагрузки примерного установившегося состояния" (при питающем напряжении между минимальным и номинальным уровнями) и происходят флуктуации питающего напряжения, то ток нагрузки будет отклоняться от кривой постоянной мощности и будет следовать по "линии переходной нагрузки относительно точки приложения нагрузки примерного установившегося состояния". Специалисты легко поймут, что минимальное динамическое сопротивление нагрузки, которое может быть приложено к источнику питания, имеющему специфическое динамическое сопротивление источника, без создания нестабильности, является функцией динамического сопротивления источника (то есть, если динамическое сопротивление нагрузки слишком низкое, то напряжение распределения невозможно стабилизировать). Характеристика сброса нагрузки и стабилизации в соответствии с настоящим изобретением позволяет обеспечивать достаточно высокое динамическое сопротивление нагрузки по отношению к динамическому сопротивлению источника, чтобы обеспечивать стабильность напряжения распределения. Следует иметь в виду, что термины "динамическое сопротивление источника" и "динамическое сопротивление нагрузки" не означают, что действительное физическое сопротивление и соответствующая рассеиваемая мощность должны быть использованы для стабилизации напряжения распределения. Наоборот, эти термины относятся к классическим функциям управления, которые имитируют влияния и передаточные функции эквивалентных пассивных компонентов. Характеристика сброса нагрузки и стабилизации также облегчает параллельное подключение нескольких нагрузок к точке общего соединения и совместного использования нагрузки, которое будет эффективным в широком диапазоне питающих напряжений. Когда группы нагрузок и источников питания соединяют в параллель, полное динамическое сопротивление нагрузки, приложенное к группе источников питания, будет параллельной комбинацией характеристик нагрузок, которые могут быть запрограммированы так, чтобы обеспечивать стабильную работу при максимальном расчетном динамическом сопротивлении источника. Когда параллельно включенные источники питания добавляют к распределительной сети, динамическое сопротивление источника падает и границы стабильности расширяются.

В топологии распределения энергии, показанной на фиг.2, преобразователи 21 и 24 постоянного тока могут работать часть времени как нагрузки, а остальное время как источники питания. При зарядке ZES 22 и/или подаче энергии на ZPSU 23 регуляторы преобразователей 21 и 24 постоянного тока должны соответствовать указанной выше характеристике сброса нагрузки и стабилизации. Когда ZES 22 подает энергию на SSDS через преобразователи 21 и 24 постоянного тока, регуляторы преобразователей 21 и 24 постоянного тока должны соответствовать указанной выше характеристике фолдбэк и стабилизации. Требуется плавный двунаправленный переход между этими характеристиками. Блоки приведения в движение также могут обеспечивать двунаправленный поток мощности.

Когда источник питания не требуется или когда допускается получение питания от другого источника питания, следует использовать область исключения обратной подачи (anti-backfeed region) характеристики фолдбэк и стабилизации, показанную на фиг.3. За счет этого предварительно существующее питающее напряжение может быть подключено к выходу источника питания и его выходное напряжение может быть линейно повышено, пока не будет деблокирована область исключения обратной подачи указанной характеристики и источник питания не начнет выдавать мощность. Преимущество функции исключения обратной подачи заключается в том, что контакты коммутационного оборудования для SSDS могут быть замкнуты на выход источника питания без пускового тока, причем источник питания не должен иметь сложное устройство синхронизации, что обычно требуется в системах распределения переменного тока.

Далее со ссылкой на фиг.5 будет описана работа защитного коммутационного оборудования в распределительных щитах 16, 26, 28, 30, 31 и 33. Следует иметь в виду, что на фиг.5 показан полный формат с двумя полюсами, а не формат с одной линией, показанный на фиг.1, по причинам, которые обсуждаются далее более подробно. Функциональные возможности распределительных щитов 16, 26, 28, 30, 31 и 33 находятся в соответствии с родовым процессом и эти родовые функциональные возможности будут описаны без точных ссылок на конкретную схему какого-либо специфического распределительного щита. Следует иметь в виду, что конкретная схема какого-либо специфического распределительного щита отличается от родового распределительного щита, показанного на фиг.5, только числом переключаемых входов и выходов. Следует иметь в виду, что распределительный щит может иметь любое подходящее число входов и выходов.

Показанный на фиг.5 родовой распределительный щит содержит множество клемм. Половина клемм (а именно, клеммы 101, 105, 108, 110 и 112) соединены с положительным (+) полюсом системы постоянного тока. Другая половина клемм (а именно, клеммы 102, 106, 107, 109 и 111) соединены с отрицательным (-) полюсом системы постоянного тока.

Предусмотрены также две шины распределения. Первая шина 103 соединена с положительным полюсом системы постоянного тока, а вторая шина 104 соединена с отрицательным полюсом системы постоянного тока. Несколько индивидуальных плавких вставок соединяют клеммы с первой и второй шинами 103 и 104. Половина плавких вставок (а именно, плавкие вставки 113, 117 и 116) соединены с положительным полюсом системы постоянного тока. Другая половина плавких вставок (а именно, плавкие вставки 114, 118 и 115) соединены с отрицательным полюсом системы постоянного тока.

Распределительный щит содержит два двухполюсных переключателя 119 и 120 с приводом от двигателя и систему управления. Система управления содержит электронный процессор 139, первую группу датчиков 129, 137, 132, 134 и 136 тока, связанных с положительным полюсом системы постоянного тока, вторую группу датчиков 130, 138, 131, 133 и 135 тока, связанных с отрицательным полюсом системы постоянного тока, первую группу датчиков 128, 121, 123 и 125 напряжения, связанных с положительным полюсом системы постоянного тока, вторую группу датчиков 127, 122, 124 и 126 напряжения, связанных с отрицательным полюсом системы постоянного тока, местный интерфейс 140 оператора, дистанционный интерфейс 143 управления и два интерфейса 141 и 142 взаимного отключения, связанные соответственно с переключателями 119 и 120.

Электронный процессор 139 может быть выполнен с использованием РЕСе микроконтроллера, поставляемого фирмой Converteam. Переключатели 119 и 120 с приводом от двигателя могут быть выполнены с использованием формованного корпуса собственного изготовления и шасси от быстродействующих автоматических выключателей постоянного тока, причем управление переключателями производится при помощи РЕСе микроконтроллера.

Плавкие вставки 113, 117, 116, 114, 118 и 115 закрепляют вручную с использованием болтов, что позволяет пользователю изолировать секции морской системы распределения энергии и приведения в движение, однако следует иметь в виду, что эти плавкие вставки по желанию могут быть заменены дополнительными двухполюсными переключателями с приводом от двигателя.

В этом описании принимают, что силовые клеммы 111 и 112 подключены к источнику питания, а силовые клеммы 109 и 110 подключены к нагрузке.

Далее будет подробно описана работа коммутационного оборудования без конкретной ссылки на систему управления.

Когда в нагрузке за счет повреждения снижается сопротивление, ток повреждения втекает через силовую клемму 112, протекает через шину 103 распределения и вытекает через силовую клемму 110 назад к силовой клемме 109, через шину распределения 104 и вытекает через силовую клемму 111. Контур замыкается двухполюсными переключателями 119 и 120. Система управления обнаруживает повреждение в нагрузке и облегчает защитную последовательность за счет размыкания двухполюсного переключателя 119 только в тот момент, когда через него протекает нулевой ток. Следует иметь в виду, что двухполюсный переключатель 120 также может быть разомкнут, когда через него протекает нулевой ток, однако это не является предпочтительным, если другие нагрузки подключены к источнику питания при помощи шин 103 и 104 распределения, так как эти нагрузки могут рассчитывать на возобновление потока мощности от источника питания после описанного здесь выше прерывания тока и устранения повреждения.

Далее будут описаны некоторые преимущества, которые могут быть получены за счет системы управления.

Электронный процессор 139 периодически производит выборку сигналов с выходов датчиков 129-138 тока и датчиков 121-128 напряжения с достаточно высокой скоростью обработки информации, позволяющей определять природу повреждения. Если произошло снижение сопротивления нагрузки, то это может быть обнаружено при помощи датчиков 136, 134, 133 и 135 тока вместе с датчиками 123 и 124 напряжения. До тех пор, пока обнаружение тока повреждения производят до момента, когда процесс фолдбэк становится регенеративным и ток повреждения прерывается, обнаружение тока повреждения достаточно для того, чтобы идентифицировать начало (возникновение) повреждения и местоположение повреждения. Как только процесс фолдбэк становится регенеративным, ток повреждения прерывается и напряжение распределения быстро снижается ориентировочно до нуля, при этом электронный процессор 139 определяет, что можно безопасно размыкать переключатель 119, и переключатель 119 размыкается. Как уже было указано здесь выше, преимущественно размыкают переключатель 119, а не переключатель 120, если электронный процессор 139 определяет, что другие нагрузки получали энергию ранее начала повреждения. Наличие таких других нагрузок обнаруживают за счет измерения тока нагрузки с использованием датчиков 129, 132, 137, 130, 131 и 138.

Совершенно очевидно, что такой электронный процессор 139 и полная матрица датчиков позволяют обнаруживать широкий диапазон повреждений других типов, которые могут вызывать асимметрию тока в положительной и отрицательной шинах системы постоянного тока. Например, известно, что короткое замыкание на землю приводит к протеканию тока только в одной шине. Аналогично, короткое замыкание на землю приводит к асимметрии напряжений. Поэтому необходимо, чтобы система управления позволяла применять характеристику фолдбэк в моменты времени, когда выходные токи источника питания не являются чрезмерными, причем это осуществляют за счет процесса взаимного отключения. Если электронный процессор 139 определяет, что необходимо разомкнуть контакты какого-либо специфического переключателя, когда через него протекает ток и когда имеется напряжение распределения, тогда электронный процессор 139 должен сначала вызвать взаимное отключение. На фиг.5, сигналы 141 и 142 взаимного отключения предназначены соответственно для такой связи с источником питания, подключенным к клеммам 112 и 111, и с нагрузкой, подключенной к клеммам 110 и 109. Если появляется сигнал взаимного отключения на выходе интерфейса 142, то источник питания, который подключен к клеммам 112 и 111, должен применить свою характеристику фолдбэк, причем процесс фолдбэк должен начинаться при приеме сигнала блокировки взаимного отключения. В другом случае, серьезное повреждение в нагрузке может гарантировано вызывать взаимное отключение. В этом случае, прием сигнала 141 взаимного отключения интерпретируется при помощи электронного процессора 139 как необходимость взаимного отключения источника питания с использованием выхода 142 взаимного отключения.

В других случаях, электронный процессор 139 может вырабатывать в ответ на другие команды последовательность взаимного отключения, которая содержит среди прочего команды местного оператора, вырабатываемые при помощи интерфейса 140 местного оператора, и внешние команды, которые поступают на интерфейс 143 дистанционного управления. Следует иметь в виду, что такой электронный процессор 139 также может быть снабжен глобальным интерфейсом взаимного отключения, который вызывает взаимное отключение всех источников питания в морской системе распределения энергии и приведения в движение. Также следует иметь в виду, что переключатели 119 и 120 также не должны иметь ложных срабатываний, причем они также должны иметь взаимное отключение и блокировку при помощи электронного процессора 139. Такие переключатели могут иметь ручной реверсивный рабочий режим, причем взаимное отключение может начинаться при помощи раннего размыкания контакта, механической блокировки и соответствующей связи с электронным процессором.

Следует иметь в виду, что большая морская система распределения энергии и приведения в движение в соответствии с настоящим изобретением (которую используют, например, на морских судах или на подводных лодках) может иметь множество распределительных щитов описанного выше типа. Морская система распределения энергии и приведения в движение может иметь большие габариты и может иметь большую емкость между положительным и отрицательным полюсами. Практические нагрузки также могут иметь емкость между положительным и отрицательным полюсами, поэтому сброс нагрузки в этом случае может быть неполным. Следует иметь в виду, что (теоретическая) характеристика фолдбэк и стабилизации, описанная со ссылкой на фиг.3, не принимает во внимание эту ситуацию. Практическая характеристика показана на фиг.6. В этой практической характеристике годограф напряжения и тока, когда снимают фолдбэк, указывает на присутствие тока, который возникает при восстановлении напряжения распределения после устранения повреждения.