Перетворювачі частоти в суднових електроенергетичних установках: порівняльний аналіз.

Abstract

Сьогодні транспортна енергетика стрімко розвивається, і це супроводжується зростанням вимог до безпеки та надійності суднового обладнання. Водночас постійно збільшується потужність головних та допоміжних двигунів. Через це особливо важливим стає підтримання енергоефективності суднових енергетичних установок протягом усього терміну експлуатації. Еволюція технологій керування гребними приводами почалася із систем на основі двигунів постійного струму (ДПС), які керувалися тиристорними перетворювачами. Ці системи хоча і забезпечували регулювання швидкості, мали суттєві недоліки, такі як високі експлуатаційні витрати, складність обслуговування, а також великі габарити та вага. Розвиток силової електроніки та мікропроцесорної техніки дав змогу перейти до більш досконалих систем змінного струму. У статті розглянуто еволюцію та сучасний стан застосування перетворювачів частоти в суднових електроенергетичних установках. Проведено детальний аналіз ключових технологій керування гребними приводами, починаючи від історично доцільних систем на базі двигунів постійного струму з тиристорними перетворювачами до сучасних приводів змінного струму. Особливу увагу приділено порівнянню різних топологій перетворювачів, таких як циклоконвертери, інвертори з джерелом струму та інвертори з джерелом напруги (ШІМ), які є основою сучасних електричних пропульсивних систем. Визначено їхні принципи роботи, переваги, недоліки та особливості застосування, зокрема в системах, що вимагають високої продуктивності та точності, як-от динамічне позиціонування або рух у льодових умовах. На основі аналізу представлено порівняльну характеристику основних типів приводів за такими критеріями, як пускові струми, динаміка, коефіцієнт потужності, гармонічні спотворення та ефективність. Результати дослідження підкреслюють перехід до приводів змінного струму як найбільш оптимального рішення для сучасного суднобудування. Таким чином, сучасні електричні пропульсивні системи з перетворювачами частоти на основі інверторів із джерелом напруги (ШІМ) стали найбільш оптимальним рішенням для суднобудування. In our time, transport energy is rapidly developing, and this is accompanied by increasing demands for the safety and reliability of marine equipment. At the same time, the power of main and auxiliary engines is constantly increasing. Because of this, maintaining the energy efficiency of ship power plants throughout their entire service life becomes particularly important. The evolution of propulsion drive control technologies began with systems based on direct current (DC) motors, which were controlled by thyristor converters. Although these systems provided speed regulation, they had significant drawbacks, such as high operating costs, maintenance complexity, as well as large dimensions and weight. The development of power electronics and microprocessor technology allowed for the transition to more advanced alternating current (AC) systems. The article examines the evolution and current state of the application of frequency converters in ship power plants. A detailed analysis of key propulsion drive control technologies is carried out, from historically appropriate systems based on DC motors with thyristor converters to modern AC drives. Special attention is paid to comparing different converter topologies, such as cycloconverters, current source inverters, and voltage source inverters (PWM), which are the basis of modern electric propulsion systems. Their operating principles, advantages, disadvantages, and features of application are determined, particularly in systems that require high performance and accuracy, such as dynamic positioning or movement in ice conditions. Based on the analysis, a comparative characteristic of the main types of drives is presented according to criteria such as starting currents, dynamics, power factor, harmonic distortion, and efficiency. The results of the study emphasize the transition to AC drives as the most optimal solution for modern shipbuilding. Thus, modern electric propulsion systems with frequency converters based on voltage source inverters (PWM) have become the most optimal solution for shipbuilding.