Электроэнергетическая система на примере неатомной подводной лодки

Электроэнергетическая система (ЭЭС) предназначена для генерирования и распределения электроэнергии заданных параметров и в необходимом количестве для работы установленных на подводной лодке комплексов вооружения, технических средств и электрооборудования на всех режимах эксплуатации.

В качестве примера приведена электроэнергетическая система неатомной ПЛ, так как параметры ее источников электроэнергии определяют основные тактико-технические данные корабля (рис. 10.27) [90].

В состав ЭЭС входят:

— источники питания;

— силовая сеть постоянного или переменного тока с распределительными устройствами и потребителями;

— система дистанционного управления и контроля.

Для обеспечения высокой живучести ЭЭС выполняется в виде двух подсистем: правого и левого бортов. В состав ЭЭС ПЛ разного назначения могут входить различные источники электроэнергии — дизель-генераторы, турбогенераторы, электрохимические генераторы, но на всех подводных лодках без исключения устанавливается аккумуляторная батарея, с помощью которой решаются различные задачи.

В зависимости от типа и назначения ПЛ, аккумуляторная бата-рея (АБ) может состоять из различного числа групп. Количество аккумуляторов в группе зависит от типа аккумулятора, точнее, от его напряжения, и составляет для свинцово-кислотных 120... 126, а для серебряно-цинковых 154 элемента.

На АПЛ аккумуляторная батарея служит в качестве аварийного источника энергии, с помощью которого производится пуск и расхолаживание реактора и снабжение электроэнергией минимального количества потребителей во время его остановки.

На неатомных ПЛ аккумуляторная установка служит основным источником энергии и обеспечивает питание потребителей на всех режимах подводного хода. Таким образом, аккумуляторная батарея определяет длительность движения неатомной подводной лодки в подводном положении. Кроме этого, аккумуляторная батарея определяет и минимально необходимое время нахождения подводной лодки в надводном положении или в режиме РДП при ее зарядке. Это связано с тем, что для аккумуляторных батарей, в зависимости от конструктивных особенностей и рекомендованных режимов заряда, требуется разное время зарядки.

Для неатомных ПЛ энергоемкость аккумуляторной батареи и мощность дизель-генераторов выбирается исходя из заданных в ТТЗ режимов эксплуатации подводной лодки. В том числе, учитывают:

— дальность плавания в подводном положении;

— дальность плавания в режиме РДП;

— время заряда аккумуляторной батареи;

— коэффициент скрытности подводной лодки, как в режиме переходов, так и боевого патрулирования;

— теоретическая дальность плавания.

Дальность плавания зависит от скорости движения дизель-электрической подводной лодки. Чем больше скорость движения ПЛ, тем меньше дальность плавания. Это связано не только с увеличением нагрузки на аккумуляторную батарею от общекорабельных механизмов, систем и устройств, но и с увеличением мощности на ход (мощность, необходимая для движения ПЛ, находится в кубической зависимости от скорости движения). Таким образом, при проектировании необходимо определить скорость хода в подводном положении, называемую экономической или оптимальной, обеспечивающую наибольшую дальность подводного плавания. При этом дальность подводного плавания характеризует только энергоемкость аккумуляторной батареи и эффективность работы общекорабельных потребителей электроэнергии, а дальность в режиме РДП — запасы топлива на подводной лодке. При неверно принятых значениях указанных дальностей плавания можно получить неэффективную при реальной эксплуатации подводную лодку.

В связи с изложенным выше, в практике западных флотов используют коэффициент скрытности, который является одним из определяющих параметров при проектировании энергетики подводных лодок. Этот показатель характеризует:

— экономичность работы общекорабельных потребителей;

— энергоемкость аккумуляторной батареи;

— эффективность проведения заряда аккумуляторной батареи;

— эффективность работы дизель-генератора.

С точки зрения энерговооруженности указанные выше параметры не полностью характеризуют подводную лодку. Поэтому был предложен новый показатель, характеризующий энерговооруженность, эффективность работы корабельных потребителей, запасы топлива, ходовые характеристики подводной лодки — теоретическая дальность плавания (рис. 10.28).

Теоретическая дальность плавания — это величина, численно равная расстоянию, которое может пройти подводная лодка в автономном режиме в подводном положении, периодически проводя необходимый заряд аккумуляторной батареи до полного расхода топлива. Она определяется следующей зависимостью:

Для ориентировочного определения энергоемкости аккумуляторной батареи и ее массогабаритных характеристик необходимо знать возможное значение удельной массы аккумуляторов при длительных режимах разряда.

Максимальное теоретическое значение энергоемкости 161 Вт-ч/кг — это значение, которое не может быть достигнуто на практике даже приблизительно. Причина заключается в том, что должны быть учтены некоторые непроизводительные затраты масс и объемов АБ [37].

Теоретическое максимальное значение удельной массы аккумулятора снижается за счет необходимости растворения серной кислоты, которая находится в аккумуляторе в форме водного раствора — электролита. Растворитель, то есть вода, представляет собой неактивную, но необходимую составляющую, которая увеличивает массу и габариты аккумулятора.

Активные массы, находящиеся в аккумуляторе, не могут быть использованы при протекании реакции полностью. Это связано с химическими процессами распада и переосаждения активной массы, происходящими в аккумуляторе, в результате чего часть активных масс может покрыться сульфатом, изолируя свинец.

Снижение удельных показателей аккумуляторов происходит также из-за необходимости учитывать пассивные компоненты аккумулятора, к которым относятся:

— решетки, мосты и терминалы как электронные проводники;

— контейнеры, крышки и резиновые мешки;

— сепараторы, трубки и другие компоненты аккумуляторов;

— дополнительные объемы для отстоя, сбора газов и размещения обслуживающих систем

На рис. 10.29 показано распределение масс и объемов составляющих свинцово-кислотного аккумулятора (рис. 10.30) [124].

В результате процент получаемой энергии от теоретической снижается для различных режимов разряда аккумулятора .

В технической документации на аккумуляторы нормируются кратковременные и длительные разрядные режимы.

Заряд аккумуляторной батареи на неатомных ПЛ осуществляется с помощью дизель-генераторов. Как правило, для аккумуляторов предусмотрены следующие виды заряда:

— нормальный четырехступенчатый заряд с постоянством напряжения на четвертой ступени;

— ускоренный двухступенчатый режим заряда.

Время проведения заряда зависит от длительности разрядного режима и составляет от 8,0 до 16 часов.

В настоящее время для установки на подводных лодках применяются два принципиально отличающихся по типу исполнения положительной пластины аккумулятора:

1) аккумуляторы с так называемой намазной положительной пластиной;

2) аккумуляторы с трубчатой положительной пластиной с панцирным электродом (рис. 10.31).

Активным материалом в обоих типах положительных пластин служит окись свинца. Намазная положительная пластина аккумулятора имеет более высокую энергоемкость, по сравнению с панцирной, при ее высоте до 800 мм. Кроме того, намазные пластины проще в производстве и, следовательно, стоимость всего аккумулятора ниже, чем у аккумулятора с панцирным электродом.

Производство трубчатых электродов более сложно, чем намазных пластин. При высоте пластины более 800...900 мм панцирный электрод имеет более предпочтительные характеристики по сравнению с намазной пластиной, а выше 1200 мм — преимущество становится однозначным.

Таким образом, основные отличия между аккумуляторами с намазным и панцирным электродами заключаются в следующем:

— энергоемкость аккумуляторов с намазной пластиной несколько выше, чем у аккумуляторов с панцирным электродом, особенно это заметно на кратковременных режимах разряда;

— срок службы и наработка у аккумуляторов с панцирным электродом значительно больше, чем у аккумулятора с намазным электродом.

Исходя из приоритетов, определяемых тактико-техническим заданием, требований по стоимости и конструктивных размеров аккумуляторных ям используется та или иная конструкция аккумулятора [81].

В аккумуляторах с электродами любого типа используют намазную отрицательную пластину, в решетке которой для повышения эффективности применяют электротехническую медь, что приводит к снижению внутреннего сопротивления аккумулятора и дает значительное улучшение электрических характеристик благодаря повышенной проводимости меди.

В некоторых типах аккумуляторов используется двухэтажная конструкция пластин (рис. 10.32).

Такой аккумулятор представляет собой два блока электродов, соединенных параллельно и находящихся один над другим в одном баке. Высота пластин уменьшена приблизительно до половины. Благодаря этому усовершенствованию, кроме улучшения электрических характеристик происходит уменьшение веса аккумулятора, которое может составить около 3% от веса всей аккумуляторной батареи.

Одна из систем, обслуживающих аккумулятор, — система механического перемешивания электролита. Наличие этой системы обусловлено необходимостью обеспечения эффективной циркуляции электролита от дна аккумулятора к верхней его части. В настоящее время используют два типа систем перемешивания электролита:

1) в аккумуляторах старой конструкции две трубки со свободным прохождением пузырьков воздуха между пластинами (рис. 10.33).

2) для аккумуляторов нового поколения — беспузырьковая система перемешивания электролита — система «аэролифт» (рис. 10.34) [141].

Система «аэролифт» состоит из двух концентрических труб. Воздух проходит через внутреннюю трубу, которая заканчивается приблизительно на половине высоты аккумулятора. Внешняя труба начинается около дна аккумулятора и выходит над поверхностью электролита. Она открыта с обоих концов. Движение пузырьков воздуха из маленькой трубки в большую затягивает электролит в трубку большего диаметра. Таким образом, электролит поднимается вверх по трубке и через специальные отверстия в ней снова подается в аккумулятор. Это создает очень эффективную циркуляцию электролита как во время заряда, так и во время разряда.

Отличительная особенность системы «аэролифт» заключается в отсутствии поднятия пузырьками воздуха шлама со дна аккумулятора, что способствует увеличению его срока службы. Кроме того, система «аэролифт» не вымывает активные массы из пластин аккумуляторов.

Для поддержания оптимального температурного режима аккумулятора применяется система водяного охлаждения, в которой циркулирует дистиллированная вода. Если среднегодовая температура электролита превышает оптимальное значение, срок службы аккумулятора снижается.

Как было изложено выше, существуют два варианта построения системы охлаждения:

1) для аккумуляторов разработки 1980-х гг. охлаждение аккумулятора производится с помощью специального петлевого холодильника, расположенного в верхней части аккумулятора (рис. 10.35)

2) для аккумуляторов нового поколения охлаждение аккумулятора осуществляется путем подачи охлаждающей жидкости непосредственно в борн аккумулятора (рис. 10.36) [141].

По первому варианту вода от внешней системы пропускается через холодильник петлевого типа, установленный в верхней части аккумулятора. Во втором варианте охлаждающая вода пропускается через каналы в борнах аккумулятора и, проходя через проходные каналы в положительных и отрицательных мостах, возвращается в систему водяного охлаждения.

Дизель-генераторы на неатомных ПЛ служат основными источниками электроэнергии в режимах движения ПЛ в надводном положении и под РДП.

На российских неатомных подводных лодках до третьего поколения включительно устанавливались электрогенераторы постоянного тока с аппаратурой управления и защиты, конструктивно оформленной в отдельном щите; в настоящее время используются генераторы переменного тока.

Дизель-генераторы должны обеспечивать следующие режимы эксплуатации подводной лодки:

— заряд аккумуляторной батареи как в надводном положении ПЛ, так и в режиме РДП за заданное время, с учетом работы компрессоров воздуха высокого давления и движения корабля с заданной скоростью;

— движение ПЛ в надводном положении и в режиме РДП с максимально возможной скоростью;

— обеспечивать достижение требуемой дальности плавания в режиме РДП.

Необходимая мощность дизель-генератора определяется по результатам выполнения расчета электрических нагрузок от общекорабельных систем и устройств, гребного электродвигателя, с учетом проведения заряда аккумуляторной батареи.

В состав генераторной установки входят:

— электрогенератор постоянного или переменного тока;

— щит управления генератором;

— воздухоохладитель с фильтром.

Частоту вращения выбирают по приводному двигателю.

Номинальный ток электрогенератора определяется при напряжении в диапазоне 190...280 В. Коэффициент полезного действия зависит от режима работы и должен составлять не менее 92%.

Дизель-генератор — один из основных элементов электроэнергетической системы. Его подключение к другим элементам электроэнергетической системы должно обеспечивать необходимые уровни надежности и живучести.

Генераторы должны обеспечивать возможность работы в следующих режимах:

— режим основного источника;

— работа одного генератора в буфер с аккумуляторной батареей;

— работа генератора в буфер с аккумуляторной батареей совместно с другим аналогичным генератором;

— заряд аккумуляторной батареи при одиночной работе и параллельно с береговым источником или генератором противоположного борта.

Вентиляция генераторов на неатомных ПЛ осуществляется по разомкнутому циклу электровентилятором, установленным в отсеке отдельно от генератора и соединенным с ним воздуховодом. Поток воздуха разделяется в генераторе на два потока, один из которых проходит под пакетом якоря и через радиальные каналы выбрасывается в межполюсные окна, где соединяется со вторым потоком, проходящим между полюсами. Нагретый воздух по патрубку попадает в воздухоохладитель, где он охлаждается, фильтруется от щеточной пыли и выбрасывается в помещение.

В состав генератора входит щит управления, который предназначен для осуществления оперативного и автоматического управления, защиты и контроля генератора. Конструктивно щит представляет собой сварной каркас, в который может быть встроена следующая основная аппаратура управления и контроля генератора: автоматический и установочные выключатели, перемычки силовой цепи, переключатели и реле, световая сигнализация и аппаратура защиты и сигнализации.

Охлаждение электрооборудования щита может осуществляться двумя способами:

1) воздушное естественное охлаждение: охлаждающий воздух поступает снизу щита, подогретый воздух выходит из щита через вытяжной колпак;

2) водяное принудительное охлаждение: водой охлаждаются автоматические выключатели; отдельные участки шин с водяным охлаждением соединяются резиновыми рукавами.

Электрическая схема щита обычно включает в себя следующие виды защиты:

— защиты от токов короткого замыкания и от аварийного снижения напряжения;

— защита максимального напряжения;

— защита от обратного тока;

— защита от неисправности системы охлаждения щита.

В щите предусмотрены два вида световой сигнализации: оперативная и аварийная. Оперативная предназначена для получения визуальной информации о режиме работы установки и выполняется с помощью индикаторных ламп. Аварийная сигнализация обеспечивает информацией о причинах автоматического отключения генераторной установки.

Для исключения аварийных ситуаций, возникающих при ошибочных действия экипажа, в схеме щита предусматриваются блокировки, которые определяют единственно возможную последовательность операций управления установкой.

Для проведения режима заряда аккумуляторной батареи рядом со щитом устанавливаются амперметры «заряда-разряда» каждой группы аккумуляторной батареи.

Для снабжения электроэнергией и учета требований к характеристикам тока конкретных потребителей на подводных лодках устанавливаются электромашинные и статические преобразователи.

Электромашинные преобразователи постоянного тока напряжением 175...320 В в однофазный переменный ток частотой 50 и 400 Гц предназначены для питания потребителей систем радиоэлектронного вооружения, систем автоматического управления, приборов газового контроля, датчиков, сигнализаторов, контрольно-измерительных приборов, а также для подачи электроэнергии на штепсельные розетки. Для обеспечения необходимой живучести электроэнергетической системы объекта для каждой из сетей устанавливается по два преобразователя — по одному преобразователю на каждый борт.

Преобразователи выполняются в виброударостойком исполнении, обеспечивают надежную и устойчивую работу в условиях неатомной ПЛ, в том числе, при длительных и периодических кренах и дифферентах. В состав преобразователей входят электромашинный агрегат, пусковая аппаратура, регулятор напряжения, регулятор частоты. 

Электромашинный агрегат преобразователя состоит из двигателя постоянного тока и генератора переменного однофазного тока, выполненных в одном корпусе. На корпусе установлена коробка выводов для подсоединения внутренних и внешних кабельных отводов. Ввод кабелей в коробку осуществляется через сальники. На корпусе преобразователя имеются также люки со съемными крышками для обслуживания коллектора.

Пусковая аппаратура включает в себя пускатель и автоматический переключатель сетей (АПС), выполненные в виде отдельных блоков. АПС обеспечивает подачу питания на вход преобразователя от каждого из двух бортов электроэнергетической системы. При исчезновении напряжения в основной сети переключатель обеспечивает перевод преобразователя на питание от резервной сети. Обратное переключение происходит при восстановлении напряжения в основной сети.

Регулятор напряжения, выполненный в виде отдельного блока, обеспечивает стабилизацию выходного напряжения. Схема регулятора напряжения состоит из измерительного органа и широтно-импульсного регулятора. Измерительный орган предназначен для измерения отклонения выходного напряжения синхронного генератора от заданного уровня, а регулятор обеспечивает стабилизацию напряжения генератора на заданном уровне.

Регулятор частоты служит для управления частотой выходного напряжения генератора и состоит из измерительного органа и усилителя с задатчиком. Измерительный орган предназначен для измерения отклонения частоты выходного напряжения генератора от заданного значения. Усилитель совместно с задатчиком обеспечивают принудительное удержание частоты вращения в заданных пределах.

Статический преобразователь предназначен для преобразования постоянного тока напряжением 175...320 В в однофазное переменное напряжение 230 В, 50 Гц, и наоборот (рис. 10.37).

Функционально преобразователь состоит из нескольких блоков. Питание преобразователя осуществляется по двум фидерам. Переключение питания с основного фидера на резервный происходит автоматически. При этом преобразователь подключается к источнику с наибольшим напряжением.

Преобразователь собирается в унифицированном корпусе навесной конструкции брызгозащищенного исполнения. Корпус состоит из кассет, которые крепятся к массивному охладителю из алюминиевого сплава. Необходимые электрические соединения между кассетами выполняются в нижней части корпуса, сзади. Подвод и разводка кабелей производится снизу, где располагается клеммная коробка. На лицевых панелях кассет находятся органы управления и индикации. Охлаждение преобразователя воздушное.