Судовые электроприводы в настоящем и будущем

 
 
 
 
 
Б. В. Никифоров 
 
 
 
 
СУДОВЫЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ 
В НАСТОЯЩЕМ И БУДУЩЕМ 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
 

УДК 629.5 
ББК 39.46 
Н62 
 
 
Рецензенты: 
 
д. т. н., проф. (Санкт-Петербургский государственный морской технический 
университет) Сеньков Алексей Петрович; 
 
к. т. н., доц., зам. начальника НТЦ ЗАО «Электротяга» (г. Санкт-Петербург)  
Горовой Александр Федорович 
 
 
 
 
 
 
 
Никифоров, Б. В. 
Н62  
Судовые электроприводы в настоящем и будущем : учебное пособие / 
Б. В. Никифоров. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 296 с. : 
ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1759-4 
 
Рассмотрены в доступном изложении судовые традиционные электрические машины постоянного тока, асинхронные и синхронные электроприводы, генераторы. 
Приведена сравнительная оценка надежности современных электроприводов. Анализируются энергетические системы с акцентом на системы электродвижения для надводных кораблей, судов и подводных лодок. Рассмотрены и систематизированы подходы 
к построению систем электродвижения различных типов, а также полностью электрических кораблей. Отдельно выделен материал по технической эксплуатации электрических машин, применяемых на судах, и их конструктивному исполнению. Дана оценка 
мирового опыта применения современного электропривода на судах с электродвижением и полностью электрических. 
Для студентов и курсантов высших технических учебных заведений, обучающихся 
по специальности 26.05.07 «Эксплуатация судового оборудования и средств автоматики», а также для научных и инженерно-технических работников, занимающихся проектированием и расчетами корабельных двигательных комплексов. 
УДК 629.5 
ББК 39.46 
 
 
ISBN 978-5-9729-1759-4 
” Никифоров Б. В., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
 
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 6 
 
 
ГЛАВА 1. ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА 
........... 9 
 
 
ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ........................ 19 
2.1. Современный электропривод как составная часть судовой ЭЭС ............. 19 
2.2. Основные понятия и описание электропривода ......................................... 20 
2.2.1. Классификация электроприводов 
.......................................................... 22 
2.2.2. Конструкция обобщенной электрической машины  
и основные характеристики ............................................................................. 24 
2.2.2.1. Электромеханический преобразователь ........................................ 26 
2.2.2.2. Электрические преобразователи .................................................... 29 
2.2.2.3. Информационные устройства 
......................................................... 31 
2.3. Уравнение движения электропривода ......................................................... 31 
2.4. Задачи выбора электродвигателя 
.................................................................. 37 
2.5. Двигатель постоянного тока ......................................................................... 46 
2.5.1. Особенности пуска ДПТ с независимым возбуждением .................... 51 
2.5.2. Тормозные режимы 
................................................................................. 52 
2.5.3. Регулирование ДПТ ................................................................................ 54 
2.5.4. Потери мощности в двигателе постоянного тока ................................ 57 
2.6. Управляемый трехфазный асинхронный двигатель 
................................... 58 
2.6.1. Тормозные режимы АД .......................................................................... 61 
2.6.2. Регулирование скорости АД .................................................................. 64 
2.6.3. Пуск асинхронного двигателя ............................................................... 76 
2.7. Линейный асинхронный двигатель .............................................................. 83 
2.8. Двигатели на магнитном подвесе ................................................................. 84 
2.9. Синхронный трехфазный частотно управляемый двигатель .................... 85 
2.9.1. Пуск синхронного двигателя ................................................................. 86 
2.10. Специальные синхронные двигатели 
......................................................... 92 
2.10.1. Гистерезисный двигатель ..................................................................... 92 
2.10.2. Двигатель с постоянными магнитами 
................................................. 93 
2.10.3. Шаговый двигатель 
............................................................................... 93 
2.11. Синхронный генератор ................................................................................ 96 
2.11.1. Способы возбуждения синхронных машин ....................................... 98 
2.11.2. Схема замещения и уравнение электрического состояния 
синхронного генератора ................................................................................. 100 
2.12. Защита электрических машин 
................................................................... 102 
2.12.1. Защита судовых электродвигателей 
.................................................. 103 
2.12.2. Защита генераторных арегатов 
.......................................................... 106 
2.12.3. Расчет токов КЗ для электрических машин 
...................................... 107 
2.13. О подходах к оценке надежности ................................................................... 
108 
 
 
 
3 

ГЛАВА 3. ВЕНТИЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ  
С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ 
.................................................................... 112 
3.1. Конструкция ВДПМ, перспективы современного развития ................... 112 
3.2. Управление вентильными синхронными двигателями  
с постоянными магнитами 
.................................................................................. 118 
3.3. Создание отечественного ВДПМ большой мощности 
............................. 120 
3.4. Мировой опыт по ВДПМ в судостроении ................................................. 125 
3.4.1. ВДПМ в составе винторулевых колонок (ВРК) 
................................. 129 
3.5. Варианты структур ЭЭС с электродвижением  
на перспективных машинах ............................................................................... 131 
 
 
ГЛАВА 4. ВЕНТИЛЬНЫЙ ИНДУКТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ............................ 137 
4.1. Конструкция ВИД, перспективы современного развития ....................... 137 
4.2. Инвертор напряжения для ВИД 
.................................................................. 140 
4.3. Блок управления 
................................................................................................ 
143 
4.4. Анализ современных методов исследования индукторных двигателей 146 
4.4.1. Уравнения линеаризованного ИД и алгоритмы управления  
трех- и четырехфазных двигателей ............................................................... 151 
4.4.2. Математическая модель ВИД, численный алгоритм ее реализации 
157 
4.5. Виброшумовые проблемы 
........................................................................... 163  
4.6. Примеры практической реализации ВИД морского применения 
........... 167  
4.6.1. Математическая модель электронасосного агрегата  
как единой управляемой электрогидромеханической системы ................. 167 
4.6.2. Разработка гребного ВИД для СЭД большой мощности 
.................. 179 
4.6.3. Вентильно-индукторный привод ВИП-1000-1100 в системе 
электродвижения ............................................................................................. 188  
4.6.4. Проектирование ВИП – 600 кВт для компрессора 
............................ 191 
4.6.5. Процессы тепло- и массообмена в ВИД-750 и ВИД-1250 
................ 197  
4.6.6. Новые предложения ВИД для подводных аппаратов ....................... 200 
4.7. Надежность и отличительные особенности ВИД ..................................... 205 
4.8. Генераторный режим на примере индукторной машины 
........................ 207 
4.9. Послесловие к главе 
..................................................................................... 214 
 
ГЛАВА 5. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ НА СОВРЕМЕННЫХ СУДАХ 
.... 216  
5.1. ГЭУ ледокола с электродвижением «Таймыр» 
......................................... 216 
5.2. Система электродвижения ледокола «Арктика» ...................................... 218  
5.3. Дизель-электрические ледоколы ................................................................ 229  
5.3.1. Ледокол «Илья Муромец» 
.................................................................... 229 
5.3.2. Ледокол проекта 22600 ......................................................................... 230 
5.4. Системы электродвижения с ВРК .............................................................. 233 
5.5. Надежность электрических машин в судовых ЭЭС 
....................................... 
238 
5.6. Атомный ледокол «Лидер» ......................................................................... 243 
 
 
 
 
4 

ГЛАВА 6. ПОЛНОСТЬЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МОРСКИЕ АВТОНОМНЫЕ 
ОБЪЕКТЫ ................................................................................................................ 246 
6.1. Специальные и вспомогательные электроприводы 
.................................. 247 
6.2. Энерговооруженность и линейные ЭД ...................................................... 250 
6.3. Высокотемпературная сверхпроводимость 
............................................... 255 
6.4. Международный парк электрических судов ............................................. 260 
 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................................................................... 266 
 
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ ................................................................................. 268 
 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 
.................................................................... 270 
 
ПРИЛОЖЕНИЯ ....................................................................................................... 274  
 
 
 
5 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Электропривод, управляемо электромеханически преобразующий энергию, 
применяется практически во всех областях человеческой деятельности, где 
необходимы движение и механическая работа, потребляя почти 80 % всей вырабатываемой электроэнергии (рис. В.1). Если информатика – мозг современных технологий, то электропривод – их мышцы, средство практического решения бесчисленного множества задач, связанных с направленным воздействием 
на материю в интересах человека.   
 
 
Рис. В.1.  Объем потребляемой электроэнергии:  
1 – народным хозяйством, 2 – электроприводом в целом,  
3 – асинхронным электродвигателем
                                       
Вращающиеся электрические машины сыграли фундаментальную роль  
в развитии современного общества. Они генерируют электроэнергию и выполняют основную часть механической работы в промышленности, общественном 
и частном хозяйстве. Электрический двигатель (ЭД), несомненно, более универсален, чем двигатели внутреннего сгорания, гидравлические и пневматические двигатели или различного рода турбины.  
Широкое вытесняющее распространение ЭД определяется простым и чистым подводом энергии, относительно низкой стоимостью, высокой эффективностью и надежностью, хорошей регулируемостью и возможностью решения 
самых сложных задач. Вращающиеся электрические машины вне конкуренции 
по диапазону мощностей – от микроватт до гигаватт. 
В нашем изложении много внимания отведено созданию эффективных высоконадежных двигателей с предельными характеристиками в пусковых и рабочих режимах – это достижение тонкого баланса целой группы параметров, 
среди которых не только эффективность и стоимость, но и конструкция вентилятора и подшипников, форма пазов статора и зубцов ротора, степень нагрева, 
уровни вибраций и шума. Только правильное сочетание этих факторов предопределяет ЭД высокого качества – эффективные, надежные и долговечные  
с оптимальными массогабаритными параметрами.  
Изначально электропривод не регулировался, а впоследствии поддавался 
только ступенчатой регулировке. 
6 

Затем в течение длительного времени единственным видом широко регулируемого привода, отвечающего необходимым техническим требованиям для 
точного управления сложным движением в диапазоне управления выходной 
координаты, являлся электропривод постоянного тока. 
В настоящее время в классе регулируемого электропривода широко известен частотно-регулируемый асинхронный электропривод с современными, 
ставшими возможными в результате стремительного развития силовой электроники и микроэлектроники (мощные силовые ключи, а также процессорные 
средства, способствующие созданию уже сейчас весьма совершенного искусственного «мозга»), преобразователями частоты. Достижения в электронике 
позволили создать целую гамму новых электроприводов с различными типами 
электромеханических преобразователей – синхронными реактивными, синхронными с постоянными магнитами, индукторными и др. и электронными 
коммутаторами – аналогами традиционных коллекторов. 
Для большинства массовых применений приводов (насосы, вентиляторы, 
конвейеры, компрессоры и т.д.) требуется относительно небольшой диапазон 
регулирования скорости (до 1:10, 1:20) и относительно низкое быстродействие. 
В этом случае целесообразны классические структуры скалярного управления. 
Переход к широкодиапазонным (до 1:10 000), быстродействующим приводам 
станков, роботов и транспортных средств, требует более сложных структур 
векторного управления 
Автоматизированный электропривод развивает колоссальные мощности 
для сообщения значительной скорости, высокой маневренности и большой 
надежности огромным морским и океанским судам различного назначения.  
Доля таких приводов составляет сейчас около 10 % от общего числа и постоянно растет. На современном этапе на базе систем векторного управления 
разработан ряд приводов с прямым цифровым управлением моментом. Отличительной особенностью этих решений является предельно высокое быстродействие контуров тока, реализованных, как правило, на базе цифровых релейных 
регуляторов или регуляторов, работающих на принципах нечеткой логики (фаззи-логики). Системы прямого цифрового управления моментом ориентированы 
в первую очередь на транспорт, в том числе морской, на использование в кранах, лифтах, робототехнике. Усложнение структур управления приводами потребовало резкого увеличения производительности центрального процессора  
и перехода к специализированным процессорам с объектно-ориентированной 
системой команд, адаптированной к решению задач цифрового регулирования  
в реальном времени. Рост вычислительных возможностей встроенных систем 
управления приводами сопровождается расширением их функций. Кроме прямого цифрового управления силовым преобразователем реализуются дополнительные функции поддержки интерфейса с пользователем (через пульт оперативного управления), а также управления технологическим процессом. В состав 
системы управления входят: универсальный регулятор технологической переменной, а также генератор управляющих воздействий на базе часов реального 
времени. Так решается поддержка давления в трубопроводе на заданном, в со7 

ответствии с суточной циклограммой, уровне исключительно средствами электропривода без промежуточных контроллеров. 
Перспективные системы управления электроприводами разрабатываются  
с ориентацией на комплексную автоматизацию технологических процессов  
и согласованную работу нескольких приводов в составе промышленной сети. 
Стремление предельно удешевить привод, особенно при массовом распространении в бытовой технике (пылесосы, стиральные машины, холодильники, кондиционеры и т. д.), толкает к отказу от датчиков механических переменных  
и переходу к системам бездатчикового управления, в которых для оценки механических координат привода (положения, скорости, ускорения) предлагаются 
специальные цифровые наблюдатели. Это возможно только при высокой производительности центрального процессора, когда система дифференциальных 
уравнений, описывающих поведение привода, решается в реальном времени. 
Возросшие потенциалы микропроцессорной техники обеспечили при массовом 
производстве изделий с объемом выпуска не менее 10 000 штук в год экономическую целесообразность создания мощных, однокристальных систем управления приводами на базе DSP-микроконтроллеров. Их стоимость при ограниченных интерфейсных функциях не превышает 10–20 $. Основные затраты по системам управления приводами приходятся не на создание аппаратной части 
контроллера, а на разработку алгоритмического и программного обеспечения.  
Итак, современные корабельные электроприводы – это сложные электромеханические устройства для преобразования электрической энергии в механическую энергию судовых машин и механизмов, управляемые в автоматическом 
режиме и отвечающие жесточайшим требованиям по надежности, защите, глубине регулирования, экономичности и малошумности. Мощность судовых машин варьирует от сотен Вт до десятков тысяч кВт.  
Создание систем электроснабжения боевых кораблей и судов на мировом 
уровне требует непрерывного совершенствования и обновления с учетом последних достижений в области электрических машин, первичных источников 
энергии, аккумуляторных батарей, микропроцессорных систем регулирования  
и управления, оптимизации параметров и характеристик самих машин и механизмов. Разработка регулируемых асинхронных двигателей (АД), современных 
синхронных машин, в том числе вентильных индукторных двигателей (ВИД)  
и вентильных двигателей с постоянными магнитами (ВДПМ) с высокими технико-экономическими характеристиками (сниженными энергопотреблением, 
виброактивностью и массогабаритными показателями), является актуальной задачей. Практические решения этих задач применительно в основном к судостроению рассматриваются в этом изложении. 
Книга начинается с популярного рассмотрения классических конструк- 
ций ЭД постоянного тока, асинхронных двигателей с короткозамкнутым и фазным ротором, а также синхронных машин как наиболее востребованных  
на отечественных судах. В классе синхронных машин отдельное внимание сосредоточено на синхронном генераторе, а также новых вариантах ЭД. Именно 
эти конструкции важны для дальнейшего перехода к оценке сегодняшнего состояния и перспектив развития судового электропривода.   
8 

 
      «Кто не помнит историю, тот вынужден переживать ее вновь». 
                                                                                                       Авраам Линкольн 
        
ГЛАВА 1. ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА 
           
Первый практически пригодный электродвигатель постоянного тока  
с вращательным движением вала построил в 1834 г. Мориц Герман в Германии. 
ЭД состоял из двух групп П-образных электромагнитов. Четыре из них на неподвижной раме соединялись последовательно и питались током от батареи 
гальванических элементов. 
Четыре электромагнита на подвижном диске подключались к батарее через 
коммутатор, посредством которого направление тока во вращающихся электромагнитах изменялось 8 раз за один оборот диска. Мощность ЭД составляла 
около 15 Вт при большом (12,7 мм) воздушном зазоре между вращающимися и 
неподвижными электромагнитами. Двигатель совершал 80–120 об/мин. 
В 1837 году при Петербургской Академии наук образуется комиссия «для 
приложения электрической силы к движению судов по способу профессора 
Якоби» (Мориц Герман). В сентябре 1838 года жители Петербурга наблюдали 
необычное зрелище – “… по Неве двигался большой катер с пассажирами,  
но без гребцов, и трубы на нем не было. Гребные колеса приводились в движение электрическим двигателем”. Академик Петербургской Академии наук  
Б. С. Якоби впервые продемонстрировал электродвижение на Неве на основе 
гальванических элементов и электромагнитного двигателя постоянного тока 
мощностью ¾ л.с. 
 
    
 
а                                                                      б 
Рис. 1.1. Первый ЭД – а, электроход Якоби – б  
 
        Результаты испытания под руководством знаменитого русского мореплавателя адмирала И. Ф. Крузенштерна подтвердили полную пригодность предложенного привода.   Однако, ЭД постоянного тока не находили широкого распространения, так как питать их от батареи оказывалось слишком дорого  
и громоздко.  
9 

В 1842 году предложен также Якоби первый генератор постоянного тока. 
Замена постоянных магнитов в машинах постоянного тока на электромагниты 
способствовала дальнейшему прогрессу. 
Практически до 1880 года в качестве единственного источника питания 
для ЭД выступали гальванические батареи. Выработка механической энергии 
от них обходилась в 20–30 раз дороже, чем от паровой машины. Такими низкими технико-экономическими показателями объяснялась неконкурентоспособность в то время ЭД по сравнению с паровой машиной. 
Только после усовершенствования генератора Граммом в 1870 году последовала подлинная революция в электроэнергетике.  
В середине 70-х годов на кораблях вводятся простейшие генераторы, в качестве первичных двигателей которых выступают паровые машины, и уже на броненосце «Петр Великий» устанавливаются три генератора по 6 кВт. В 1886 году 
крейсеры «Адмирал Ушаков», «Лейтенант Ильин» и др. оснащаются электровентиляторами. 
В 1884 году выдающийся русский инженер Степан Карлович Джевецкий 
впервые снабдил свою подводную лодку ЭД, придающим при питании от аккумулятора лодке движение в течение 10 часов со скоростью 7 км/ч. 
Михаил Осипович Доливо-Добровольский открыл потрясающее качество 
трехфазной системы: сумма трех токов в такой цепи в любой момент времени 
равна нулю. Он доказал, что при передаче тока в трехфазной системе на три 
провода тратится меньше меди, чем в однофазной и двухфазной системах.  
В 1888 году он построил первый трехфазный генератор мощностью около 3 кВт. 
Разработке двигателя сопутствовала большая удача – изобретение ротора 
асинхронного двигателя (АД) с беличьей клеткой. Доливо-Добровольский соорудил ротор в виде стального цилиндра, а в проделанные аксиально отверстия 
заложил медные стержни, соединенные между собой на лобовых частях цилиндра, получив, таким образом, ротор двигателя, который одновременно обладал 
малыми электрическим и магнитным сопротивлением. 1889 год стал годом создания первого АД мощностью около 100 Вт. Электродвигатель с якорем диаметром около 75 мм и длиной также приблизительно 75 мм (рис. 1.2, а), без каких-либо особых присоединений к сети, мгновенно запустился на полное число 
оборотов и совершенно бесшумно.  
Но не все воспринимали тогда эту работу как успешную.  
Изобретение, например, осталось незамеченным для семьи Сименс. 
Эдисону, посетившему Берлин в сентябре 1889 года, предложили осмотреть новый ЭД переменного тока, а он буквально замахал руками: «Нет, нет, 
переменный ток – это вздор, не имеющий будущего. Я не только не хочу видеть 
двигатель переменного тока, но и знать о нем».         
В сжатые сроки проводились многочисленные удачные и неудачные эксперименты по совершенствованию нового асинхронного двигателя различных 
конструкций. Именно тогда рождается АД с фазным ротором (с контактными 
кольцами), который применяется и по сей день в условиях тяжелых пусков, 
например в дробилках и мельницах. 
10