СУДОВЫЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

8.2.1. ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Электроэнергетические системы (ЭЭС) современных гражданских судов и военных кораблей являются сложными комплексными системами, в которых нашли применение новейшие достижения практически во всех областях науки и техники [8.14–8.22].

Важнейшими задачами в развитии ЭЭС являются: структурное построение ЭЭС в целом; расположение и количество электростанций и источников электроэнергии; структурные связи в ЭЭС; единичная мощность генераторов и нагрузки; параметры тока и напряжения.

Период 1869 –1917 гг. Практическое внедрение электричества на кораблях началось с установки мощных направленных источников света с дуговыми лампами (прожекторов) в 1869 г. на пароходе «Ильмень», а затем на броненосном фрегате «Петропавловск».

В качестве источников питания были применены поршневые машины с генераторами постоянного тока напряжением 30–50 В, мощностью от 1 до 3 кВт, которые обеспечивали долговременное и надежное электроснабжение прожекторов.

Более широкое применение электричества на кораблях произошло в результате внедрения ламп накаливания, которые становятся основными источниками света. В опытном порядке электрическое освещение с лампами накаливания в 1882 г. монтируется на находящихся в строю кораблях: винтовом корвете «Скобелев» и броненосном фрегате «Адмирал Лазарев». В том же году построенный за рубежом крейсер «Ярославль» («Память Меркурия») оборудуется более значительной сетью электрического освещения со 114 лампами накаливания.

Большое значение для развития ЭЭС имела разработка (впервые) проекта электрооборудования в процессе проектирования броненосного крейсера «Адмирал Нахимов», вступившего в строй в 1887 г. Проект был выполнен под руководством талантливого русского электротехника Е.П. Тверитинова. Проектом предусматривалось полное электрическое освещение всех корабельных помещений. Источниками электроснабжения служили четыре генератора постоянного тока мощностью по 9,1 кВт со смешанным возбуждением напряжением 65 В и две аккумуляторные батареи для аварийного питания. Схемой распределения были предусмотрены три кольцевые магистрали – центральная и две по бортам.

В 1890 г. вступил в строй броненосный крейсер «Память Азова», первый корабль отечественной постройки, на котором применили систему распределения электроэнергии по типу системы, примененной на броненосном крейсере «Адмирал Корнилов», построенного во Франции по заказу Морского ведомства. Проект выполнялся французской фирмой «Соттер и Лимонье», в нем предусматривалось питание от главных распределительных щитов (ГРЩ) с помощью многопозиционных переключателей пяти кольцевых магистралей освещения: боевой, постоянной, ходовой, вечерней и наружной. На этом корабле впервые установлены автоматические выключатели обратного тока для предотвращения перехода генератора в двигательный режим при зарядке аккумуляторов.

В 1887–1892 гг. проводятся интенсивные работы по созданию, изготовлению и испытанию электроприводов вентиляторов, поворота башен орудий, подачи снарядов, рулевого устройства на русских крейсерах и броненосцах.

Значительный рост потребления электроэнергии в связи с внедрением электроприводов механизмов и устройств обусловил необходимость установления основных принципов распределения электроэнергии:

расположение генераторов постоянного тока в носовой и кормовой частях корабля;

отделение сети питания электродвигателей от сети палубного освещения;

обеспечение питания важных электромеханизмов от магистралей двух бортов;

применение электрического привода для рулевого устройства;

выделение автономных магистралей для механизмов артиллерийских установок;

разделение кольцевых магистралей в боевом режиме на четверти;

обеспечение параллельной работы генераторов при расположении их в одном помещении;

создание общего резерва мощности (с целью повышения живучести), составляющего 20–50% от мощности боевого режима.

Так, на кораблях, построенных перед русско‑японской войной (1904–1905 гг.), наиболее типичной являлась ЭЭС броненосцев типа «Бородино», на которых были установлены четыре генератора мощностью по 157,5 кВт и два генератора по 67,5 кВт постоянного тока со смешанным возбуждением напряжением 105 В, с приводом от паровых машин. Генераторы мощностью по 157,5 кВт расположены в электростанциях попарно в носовой и кормовой частях корабля и в каждой электростанции могут работать параллельно. Общая силовая кольцевая магистраль, образованная соединением электростанций двумя бортовыми перемычками, в боевом режиме разделяется на четверти с помощью магистральных выключателей. Генераторы мощностью по 67,5 кВт, размещенные в средней части корабля вместе с осветительной кольцевой магистралью образуют вспомогательную установку, используемую в повседневных условиях. Силовая и осветительная системы взаимозаменяемые. Резерв мощности 50%.

В войне с Японией выявились недостаточная живучесть кораблей в целом и их оборудования и систем, что заставило внести в проекты кораблей ряд изменений, направленных на обеспечение большей их живучести. Повышение живучести ЭЭС предусматривалось в основном за счет изменения структурных связей” и размещения электрооборудования.

Характерным примером является линкор «Император Павел I». Количество, мощность (765 кВт), тип и привод генераторов приняты, как на броненосцах типа «Бородино», построенных до войны с Японией, но для существенного повышения живучести размещение оборудования и схема распределения изменены: ГРЩ носовой и кормовой электростанций вынесены из помещений генераторов; кольцевая силовая магистраль соединяет между собой только ГРЩ, генераторные щиты не охватываются ею; главные силовые распределительные щиты разукрупнены на ряд отсечных бортовых щитов, охватываемых кольцевой магистралью; в местах ответвлений от осветительной магистрали установлены распределительные коробки; один из вспомогательных генераторов мощностью 67,5 кВт перенесен с жилой палубы на нижнюю и приобрел функции резервного; в боевом режиме осветительная магистраль наравне с силовой получает питание от основных генераторов; магистральные кабели в свинцовой оболочке проложены в специальных коридорах на нижней броневой палубе.

Внедрение электротехники на кораблях, рост количества и мощности потребителей электрической энергии, накопление опыта, выработка практикой принципов построения схем распределения электроэнергии и расположения электрооборудования обусловили появление на кораблях организованных ЭЭС, влияющих на их боевые качества.

Для создания ЭЭС последующих кораблей в 1908 г. были разработаны и изданы специальные «Правила по электротехнике для кораблей флота».

Корабли того периода, создаваемые по новым проектам с учетом изданных Правил, характеризуются дальнейшим насыщением электрооборудованием, электрифицированными механизмами и ростом мощности источников электроэнергии. Увеличение мощности ЭЭС, длины и разветвленности сетей привело к необходимости повышения напряжения до 225 В.

Для привода основных генераторов вместо паровых поршневых машин используются паровые турбины, что позволило существенно улучшить технико‑экономические показатели генераторных агрегатов. Также впервые в мире на кораблях отечественного флота начинают использовать дизельные двигатели в качестве приводных двигателей генераторов, а на менее крупных – керосиновые двигатели. В качестве приводных двигателей механизмов стали применять трехфазные асинхронные электродвигатели, отличающиеся надежностью и простотой обслуживания.

Первыми из серии новых кораблей начали строить линкоры типа «Севастополь». В проекте, разработанном Бюро Балтийского завода, предусматривалось применение постоянного тока напряжением 225 В. Положительные результаты испытаний на минном заградителе «Амур» электродвигателей переменного тока послужили основанием для пересмотра проекта ЭЭС линкора «Севастополь» и принятия решения о частичном применении переменного тока для привода вентиляторов и бытовых потребителей. Источники электроэнергии таких кораблей – четыре турбогенератора (ТГ) постоянного тока мощностью по 320 кВт; два дизель‑генератора (ДГ) мощностью по 320 кВт; три ДГ мощностью по 120 кВт.

Турбогенераторы становятся основными источниками электроэнергии, ДГ мощностью по 320 кВт – резервными, ДГ мощностью по 120 кВт предназначаются для собственных нужд. Таким образом, общая установленная мощность генераторов составляет 2280 кВт при потреблении в боевом режиме 1494 кВт.

При проектировании ЭЭС линкора «Севастополь» был предусмотрен ряд новых дополнительных мер по улучшению живучести системы, в частности: увеличено количество рассредоточенных энергетических центров за счет образования четырех дополнительных бортовых электростанций; повышен коэффициент резервирования генераторной мощности до 100%; для резервных генераторов предусмотрено использование дизелей, работа которых не зависит от состояния основной энергетической (паровой) системы; введены поперечные перемычки между противоположными бортами ГРЩ; предусмотрена двойная система шин на ГРЩ; для силовых потребителей применена фидерная система питания; частично использован переменный ток.

Принципы, составляющие основу построения ЭЭС на линкорах типа «Севастополь», находят дальнейшее развитие при разработке линейных крейсеров типа «Измаил». К 1913 г. общая мощность установленных на линкоре генераторов составила 2560 кВт. Резерв мощности 100%.

Поиски путей повышения живучести ЭЭС нашли свое отражение в полном переходе к фидерной системе распределения электроэнергии в силовой сети и надежном укрытии в цитадели всех энергетических центров корабля.

Почти за полвека к 1917 г. корабельные ЭЭС прошли основной путь развития и из систем с ограниченным использованием электроэнергии для нужд освещения развились в мощные высокоорганизованные ЭЭС, обеспечивающие питание разнообразных потребителей электроэнергии и обладающие большой живучестью и надежностью, обеспечивая боеспособность кораблей.

Период 1918 –1945 гг. Из первой мировой и гражданской войн Россия вышла, израсходовав все боевые и материальные ресурсы, потеряв большую часть кораблей и вспомогательных судов, лишившись части военно‑морских баз. Флот практически прекратил свое существование, а его остатки требовали капитального ремонта и больших восстановительных работ. Различные иностранные компании, выполнявшие электротехнические проектные и монтажные работы на судах, после революции прекратили свою работу в России.

Организованный в 1922 г. Электротехнический военно‑морской отдел, позднее преобразованный в Электромортрест возглавил все проектные и монтажные работы, связанные с ремонтом и модернизацией электрооборудования и систем кораблей и судов. В последующие годы создаются специальные электромонтажные предприятия, занимающиеся электромонтажными работами на кораблях в качестве контрагентов у судостроительных заводов. На крупнейших судостроительных заводах Петрограда (Балтийском и Адмиралтейском) были организованы конструкторские бюро с электротехническими отделами.

С 1922 года на заводе «Электросила» начались работы по ремонту электрооборудования кораблей и изготовлению отдельных видов электрооборудования и аппаратуры по старым чертежам.

В 1925 г. были организованы Центральное конструкторское бюро (ЦКБ) судостроения №1 и Конструкторское бюро морского судостроения с электротехническими отделами. Они вели проекты модернизации старых кораблей и выполняли первые проекты электрооборудования новых надводных кораблей (НК), подводных лодок (ПЛ) и судов. В Ленинградском электротехническом институте им. В.И. Ульянова (Ленина) в 1930 г. создается кафедра по электрооборудованию судов. В 1936 г. организовано ЦКБ‑52 для разработки электрооборудования кораблей.

В 30‑е годы проектирование кораблей сопровождалось передачей соответствующих работ из заводских КБ в ЦКБ, специализированные по классам кораблей.

Планомерное развитие отечественного кораблестроения началось с 1926 г., и до конца Великой Отечественной войны все усилия были направлены на создание и поддержание военного потенциала страны, строительство кораблей и судов. Постройка судов гражданского назначения в этот период (за исключением первой пятилетки) практически не велась, так же как и в дореволюционный период.

Впервые в СССР были созданы «Правила электрооборудования кораблей ВМФ» (1925 г.) и «Правила Регистра СССР по электрооборудованию гражданских судов» (1927 г.).

Развитие ЭЭС в этот период сопровождается ростом мощности генераторов, применением нового создаваемого электрооборудования в морском исполнении, автоматизацией части судовых электроприводов, дальнейшим совершенствованием структур ЭЭС и повышением их живучести и надежности.

Разработка проектов кораблей всех типов и их постройка в предвоенный период производились с ЭЭС постоянного тока напряжением источников 115 и 230 В. Например, на легком крейсере «Киров», построенном в 1935 г., было установлено четыре ТГ и два ДГ мощностью 165 кВт каждый, напряжением постоянного тока 230 В; на крейсерской подводной лодке типа «К» XIV серии (1939–1944 гг.) установлены гребные электродвигатели (ГЭД) постоянного тока на напряжение 220 В мощностью по 1200 л.с.

Рост мощности ЭЭС привел к более сложному их построению и вступил в противоречие с требованиями эксплуатации. Магистральная и магистрально‑фидерная системы распределения перестали удовлетворять требованиям селективности при отключении поврежденных участков сети и уступили место более прогрессивной фидерно‑групповой системе.

Простота и надежность электрического оборудования переменного тока в сочетании с меньшей стоимостью позволяли значительно улучшить технические и эксплуатационные качества ЭЭС и легче унифицировать судовое оборудование переменного тока с общепромышленным. Поэтому в 30‑х годах начали проводиться работы по проектированию судов с ЭЭС переменного тока. В 1935–1938 гг. ЦКБ‑17 разрабатывает проект эсминца с ЭЭС, оборудованного трехфазными генераторами.

Так, на эсминце «Страшный» устанавливаются два ТГ трехфазного тока мощностью по 120 кВ∙А и два ДГ мощностью по 60 кВ∙А напряжением 230 В, частотой 50 Гц, частотой вращения 1500 об/мин, работающие раздельно. ГРЩ имели две системы шин, на которые подавалось напряжение от своего или другого генератора. ТГ и их ГРЩ располагались побортно в машинных отделениях, а ДГ – в выгородках на верхней палубе. Была предусмотрена максимальная и нулевая защита автоматическими выключателями, а также селективная защита. Система распределения электроэнергии была принята магистрально‑фидерная. По фидерам питались мощные и ответственные потребители, подключение которых к магистрали могло вызвать недопустимое падение напряжения в сети. Для питания потребителей постоянным током был предусмотрен преобразователь мощностью 12 кВт с выходным напряжением 115 В постоянного тока.

Швартовные и ходовые испытания электрооборудования корабля по расширенной программе прошли успешно и подтвердили надежность и простоту обслуживания ЭЭС. Начавшаяся Великая Отечественная война не позволила закончить государственные испытания. На корабле был поднят военно‑морской флаг, и он вышел на боевые операции.

В 1944 г. вновь были развернуты работы по созданию серии судового электрооборудования на переменном токе, а также механизмов и устройств с электроприводом переменного тока.

По результатам боевой эксплуатации эсминца «Страшный» в июне 1944 г. было принято решение проектировать электроэнергетические системы кораблей легких сил ВМФ (эсминцы, сторожевики и тральщики) на переменном токе напряжением 220 В и частотой 50 Гц.

Так было положено начало внедрению на отечественных военных кораблях переменного тока, без применения которого невозможно было создать в будущем ЭЭС большой мощности и их комплексную автоматизацию.

Период с 1946 г. по настоящее время. После окончания Великой Отечественной войны предстояло восстановление промышленности страны, в том числе судостроительной. В ноябре 1945 г. был утвержден план военного судостроения на 1946–1955 гг., предусматривавший достройку части кораблей, заложенных до войны, по откорректированным с учетом военного опыта проектам, а также продолжение строительства малых кораблей и катеров улучшенной модификации. В дальнейшем планировалась постройка кораблей по новым проектам: сначала с использованием освоенного промышленностью оборудования, а затем уже принципиально нового.

В обеспечение реализации этой программы в 1946–1949 гг. создается несколько новых ЦКБ и НИИ, значительное развитие получает экспериментальная база ЦНИИ‑45, воссоздается ЦНИИ военного кораблестроения в системе ВМФ. В первые послевоенные годы модернизация и новое проектирование ЭЭС кораблей и подводных лодок выполнялись на освоенном электрооборудовании постоянного тока.

Примером такого подхода могут служить:

ЭЭС постоянного тока проекта эскадренного миноносца (ЦКБ‑53), состоящая из двух ТГ мощностью по 150 кВт, двух аварийных ДГ мощностью по 75 кВт и одного стояночного ДГ 25 кВт напряжением постоянного тока 230 В;

дизель‑электрические ПЛ послевоенной постройки, имеющие на валах двухъякорные ГЭД постоянного тока напряжением 175–320 В и электродвигатель экономического хода.

В 1948 г. ЦКБ‑53 был разработан технический проект первого послевоенного эскадренного миноносца с ЭЭС переменного тока, ставшего после строительства экспериментальным кораблем «Неустрашимый». Рабочие чертежи разрабатывались в 1949–1950 гг.

К 1950 г. электротехнической промышленностью было освоено основное электрооборудование переменного тока: генераторы серии МС, электродвигатели серии МАФ, MP, MAP, новые серии ГРЩ, измерительные приборы и установочные автоматы в ударостойком исполнении.

В качестве источников электроэнергии на корабле были установлены два турбогенератора мощностью по 400 кВт, два дизель‑генератора мощностью по 200 кВт и один стояночный турбогенератор мощностью 100 кВт. Все генераторы напряжением 230 В частотой 50 Гц. Турбогенераторы, дизель‑генераторы и ГРЩ были размещены в двух электростанциях. Каждый ГРЩ имел отдельные шины ТГ и ДГ, соединяемые между шинным автоматом. К шинам ДГ подключены потребители, работа которых не должна прекращаться в боевом режиме или при остановке ТГ. Второе резервное питание эти потребители получали от шин ГРЩ турбогенератора удаленной электростанции. Испытания на эсминце «Страшный» (1940 г.) выявили, что прямой пуск асинхронного электродвигателя обеспечивается (при сохранении при этом качества электроэнергии в нормированных пределах) при его мощности около 20% от мощности наименьшего генератора, работающего в режиме. Поэтому электродвигатели были применены с короткозамкнутым ротором. Вся система распределения электроэнергии трехпроводная незаземленная фидерно‑групповая с защитой от токов короткого замыкания. В отличие от кораблей предыдущих проектов впервые в отечественном кораблестроении взамен кабелей СРМ были применены кабели марок КНРП, КНРЭ и их разновидности.

С учетом важности внедрения переменного тока и определения принципов построения ЭЭС были проведены испытания исследовательского характера по расширенной программе во время швартовных и ходовых испытаний. На испытаниях были определены:

устойчивость параллельной работы генераторов;

способ синхронизации и окончательный выбор его;

селективность защиты путем проведения натурных коротких замыканий в различных точках системы;

устойчивость работы и сохранение параметров в норме при пусках мощных асинхронных электродвигателей;

работоспособность рулевого устройства и якорного шпиля в наиболее тяжелых режимах.

Большой вклад в разработку ЭЭС и проведение расширенных испытаний внесли сотрудники ЦКБ‑53 В.А. Торопов – главный конструктор по электрооборудованию; М.И. Величко – начальник электротехнического отдела; работник Электромортреста П.И. Щербинин – непосредственный исполнитель настройки ЭЭС и проведения всех видов испытаний.

В связи с ростом токов короткого замыкания при увеличении мощности ЭЭС в 1957–1958 гг. ЦКБ‑53 была разработана ЭЭС на переменном токе напряжением 380 В. В дальнейшем, как правило, ЭЭС надводных кораблей и гражданских судов создавались на напряжение 380 В. На подводных лодках ЭЭС на переменном токе начали внедрять с 1967 г.

В 50‑х годах одновременно с разработкой комплексов вооружения начались интенсивные проектные и комплексные исследовательские работы по поиску оптимальных типов ПЛ и НК с ракетным оружием и другими техническими средствами.

В связи с дальнейшим повышением роли ЭЭС в обеспечении надежности электроснабжения атомных энергетических установок (АЭУ), оружия, радиоэлектронных систем вооружения (РЭВ) и других технических средств в апреле 1965 г. на базе исследовательских и технологических подразделений ЦКБ‑55 был организован Научно‑исследовательский институт судовой электротехники и технологии (НИИСЭТ), впоследствии переименованный в Центральный научно‑исследовательский институт судовой электротехники и технологии (ЦНИИСЭТ). В рассматриваемый период директорами института были А.А. Азовцев, В.А. Косенков, П.И. Щербинин.

ЦНИИСЭТ были выполнены важнейшие работы, позволившие ему внедрить комплекс методик, стандартов и нормативно‑технической документации, обеспечивающий проектирование судостроительными конструкторскими бюро ЭЭС (методы расчета переходных процессов, динамической устойчивости, искажения кривой и несимметрии напряжения, токов короткого замыкания, структурной надежности, электрических нагрузок, защиты и др.), разработку электромонтажных чертежей по установке электрооборудования, приборов и монтажу кабелей на кораблях и судах, а также производство работ по подготовке и подключению кабелей в электрооборудовании и приборах различных отраслей промышленности. Специалисты ЦНИИСЭТ принимали участие в периоды строительства и испытаний кораблей и судов всех типов в настройке электрооборудования, проведении натурных коротких замыканий в ЭЭС, проверке селективности защиты, обеспечении электромонтажных и других работ.

С середины 60‑х годов по 1991 г. достигнут значительный прогресс в создании атомных и дизель‑электрических подводных лодок и надводных кораблей с различными видами ракетного, торпедного, зенитного и артиллерийского вооружения. Период с середины 60‑х годов до начала 80‑х явился «золотым веком» отечественного судостроения.

Следующее десятилетие, ставшее «лебединой песней» нашего судостроения – это период, когда начали вступать в строй наиболее совершенные ПЛ и НК третьего поколения, качественно превосходящие своих предшественников.

В 1955–1991 гг. коллективы проектных организаций совместно с многочисленными научно‑исследовательскими институтами, заводами, строителями, поставщиками комплектующего оборудования, службами и личным составом ВМФ внесли большой вклад в развитие ЭЭС и электрооборудования. В этот период основные проектных организаций были направлены на разработку нескольких десятков экспериментальных и серийных кораблей с ракетным и другими видами оружия, причем многие из них остались нереализованными.

Значительный научный и практический вклад в создание и развитие ЭЭС и корабельного электрооборудования при проведении проектирования, строительства и испытаний больших серий подводных лодок и надводных кораблей внесли главные конструкторы по электрооборудованию:

Г.Я. Альтшулер, B.C. Соколов – дизель‑электрические и атомные подводные лодки (ЦКБ морской техники «Рубин» – ЦКБ‑18);

В.П. Горячев, С.П. Катков – атомные подводные лодки (СПМБМ «Малахит» – СКБ‑143 и ЦКБ‑16);

П.И. Щербинин – большие противолодочные корабли, надводные крейсеры, тяжелые атомные ракетные крейсеры (Северное ПКБ – ЦКБ‑50);

Н.А. Кузнецов, А.И. Андреев – противоминные корабли, спасательные суда (Западное ПКБ – ЦКБ‑50);

В.М. Морозов – быстроходные ракетные и артиллерийские катера, десантные катера на воздушной подушке и глубокопогружных управляемых подводных крыльях (ЦМКБ «Алмаз» – ЦКБ‑5);

Б.Н. Бровкин – заместитель главного конструктора проекта, начальник электротехнического отдела (Невское ПКБ – ЦКБ‑17).

Создание первой отечественной атомной подводной лодки (АПЛ) стало крупным научно‑техническим достижением в области военного кораблестроения (1958 г.). Атомная энергетическая установка придала совершенно новые тактико‑технические свойства подводным лодкам. ЭЭС первой АПЛ была постоянного тока напряжением 175–320 В, состояла из двух генераторов с приводом от главного турбозубчатого агрегата (ГТЗА) (основные источники электроэнергии), двух ГЭД, двух резервных ДГ и двух групп аккумуляторных батарей (АБ).

Гребные электродвигатели могут использоваться в качестве генераторов при работе на гребной винт. В ЭЭС обеспечено непрерывное питание электропотребителей при переводе нагрузки с генераторов на АБ при помощи запорного вентильного устройства. Указанный принцип непрерывного питания был применен на всех последующих АПЛ.

АПЛ, вступившие в строй в 1967 г., имеют ЭЭС переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 380 В с ТГ типа ТМВ с водяным охлаждением статора и ротора генераторов, ГЭД и резервными ДГ. Зарядка АБ, а также питание от них потребителей сети частотой 50 Гц обеспечивается при помощи обратимых преобразователей переменно‑постоянного тока. Сеть распределения фидерно‑групповая. На лодках третьего поколения в большей степени применены автоматизированное управление ЭЭС и статические преобразователи.

Параллельно с созданием атомного флота судостроительная промышленность вела и ведет по настоящее время работу по созданию дизель‑электрических ПЛ.

Следует выделить подводную лодку, вступившую в строй в 1971 г. В создании ее был впервые реализован ряд новых технических решений, в том числе комплексная автоматизация управления работой всех технических средств и корабля в целом из единого командного пункта и внедрение ЭЭС с использованием переменного тока повышенной частотой 400 Гц.

На надводных кораблях ЭЭС имеют автономные генераторы переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 380 В. Причем на них предусмотрено не менее двух электростанций, располагаемых в удалении друг от друга для обеспечения живучести ЭЭС.

В каждой электростанции расположено по два или три генератора с обеспечением их параллельной работы. Электростанции НК в эксплуатационных режимах могут соединяться при помощи перемычек по типу «лесенка» или «кольцо» без обеспечения их длительной параллельной работы. Не менее одного из приводных двигателей генераторов электростанций надводных кораблей автономные и не зависят от работы паропроизводящей установки. Сочетания генераторных агрегатов в электростанциях этих кораблей: турбогенератор – газотурбогенератор, турбогенератор – два дизель‑генератора, турбогенератор – дизель‑генератор, газотурбогенератор – газотурбогенератор, дизель‑генератор – дизель‑генератор. Мощности генераторов 500, 750, 1000, 1250, 1500 и 3000 кВт. Схема распределения электроэнергии фидерно‑групповая. От проекта к проекту происходило повышение степени автоматизации и качества электрооборудования. Последние проекты имеют автоматизированные ЭЭС.

Все катера с динамическими принципами поддержания (ДПП) имеют ЭЭС переменного тока частотой 400 Гц, напряжением 220 В. Для кораблей с ДПП промышленностью были созданы электрооборудование и механизмы небольшой мощности частотой 400 Гц, такие как дизель‑генераторы ДГР‑30, турбогенераторы ГТГ‑100, электродвигатели, электронасосы, преобразователи и другое электрооборудование.

В связи с созданием кораблей с ДПП, оборудованных ЭЭС с частотой 400 Гц, и строительством подводных лодок с ЭЭС частотой 400 Гц у головных институтов (1 ЦНИИ МО РФ и ЦНИИСЭТ) сложилось убеждение о повсеместном переходе на частоту 400 Гц с обеспечением электроснабжения радиоэлектронного вооружения (РЭВ) от групповых преобразователей 50/400 Гц (централизованное питание) или от общесудовых ЭЭС на частоту тока 400 Гц.

Для обеспечения создания подобных систем в задания на новые разработки РЭВ вписывались требования по их питанию током частотой 400 Гц, что в конечном счете приводило к увеличению количества преобразователей в ЭЭС НК и ПЛ. Было начато проведение работ по созданию серийных образцов электрооборудования на частоту 400 Гц.

Попытка внедрить на больших кораблях групповое питание РЭВ показала несовместимость работы систем РЭВ и привела к переводу в период постройки питания РЭВ от индивидуальных преобразователей.

В связи с принципиальными разногласиями по применению частоты 400 Гц на НК и ПЛ Северное ПКБ и ЦКБ МТ «Рубин» в 70‑х годах выполнили детальные проектные проработки ЭЭС на напряжение 380 В и частоту 400 Гц, которые показали практическое отсутствие выигрыша в массогабаритных показателях в целом.

По результатам рассмотрения всего комплекса вопросов было принято совместное решение о прекращении работ по созданию серийных образцов электрооборудования на частоту 400 Гц и разработке вторичных источников электропитания в системах РЭВ, обеспечивающих их работу от общесудовой ЭЭС. В стандарт были включены положения о применении на кораблях всех классов ЭЭС на переменном токе напряжением 380 В частотой 50 Гц и рекомендовано применение частоты тока 400 Гц в ЭЭС кораблей с динамическими принципами поддержания.

Первый отечественный боевой надводный корабль с АЭУ, разрабатывался с середины 60‑х годов, сначала как атомный сторожевой корабль, и облик тяжелого атомного ракетного крейсера он приобрел лишь в ходе длившегося в течение 10 лет проектирования, сопровождавшегося широкими военно‑экономическими исследованиями по оптимизации его тактико‑технических характеристик. ЭЭС корабля состоит из четырех электростанций, которые в эксплуатационных режимах могут соединяться при помощи перемычек в «кольцо» без длительной их параллельной работы.

Для обеспечения параллельной работы генераторных агрегатов большой мощности в одной электростанции, превышающих допустимую мощность по условиям обеспечения коммутационной способности и динамической стойкости автоматических выключателей, предусмотрено ограничение тока короткого замыкания путем повышения сверхпереходного индуктивного сопротивления генератора (с приводом от паровой турбины) по продольной оси и установки между параллельно работающими генераторами токоограничивающего устройства.

С целью сокращения габаритов ГРЩ электростанций и числа магистральных кабелей на корабле для канализации энергии большой мощности впервые в практике судостроения были применены бортовые подстанции с размещением в них основной части распределительных секций ГРЩ.

Такое решение позволило получить дополнительный эффект: выделить электростанции и подстанции в отдельные технологические электромонтажные участки (энергокольцо), в которых электромонтажные работы могут выполняться с опережением по отношению к другим помещениям и обеспечить более раннюю подачу электроэнергии в отсеки корабля, что не может выполняться на кораблях с традиционными принципами распределения электроэнергии.

Тяжелые атомные ракетные крейсеры воплощают все новейшие достижения отечественной техники и не имеют аналогов в иностранных флотах. Автоматизированная ЭЭС этих кораблей является на сегодняшний день непревзойденной в Российском ВМФ как по принципам ее построения, так и по мощности каждой электростанции. Крейсеры вступили в строй:

«Киров» (ныне «Адмирал Ушаков») в 1980 г.;

«Фрунзе» («Адмирал Лазарев») в 1984 г.;

«Калинин» («Адмирал Нахимов») в 1988 г.;

«Юрий Андропов» («Петр Великий») в 1998 г.;

Развитие зарубежных корабельных ЭЭС [8.19, 8.20, 8.23]. В зарубежных странах с развитым судостроением ЭЭС переменного тока начали внедряться в 30‑е годы, а в послевоенный период происходил активный перевод ЭЭС на переменный ток. В соответствии со стандартами НАТО на военных кораблях стран – членов НАТО применяются ЭЭС напряжением 440 В частотой 60 Гц. На судах гражданского флота европейских стран, как правило, применяются ЭЭС напряжением 400 В частотой 50 Гц.

В послевоенный период развитие зарубежных корабельных ЭЭС (как и отечественных) сопровождалось увеличением их мощности, которое определялось в основном ростом водоизмещения кораблей, применением атомных энергетических установок, новых видов вооружения.

Так, например, на кораблях, построенных в 60–80‑е годы в США, Великобритании, Франции, Италии, ФРГ, Нидерландах, энерговооруженность (отношение установленной мощности генераторов ЭЭС к водоизмещению корабля) находится в пределах 0,58–1,42 кВт/т.

Важное значение имеют структуры ЭЭС, которые в определенной степени зависят от мощности генераторных агрегатов (ГА) и ЭЭС в целом. Максимальная единичная мощность генераторов напряжением 440 В была принята равной 2500 кВт (по условиям коммутационной способности и динамической стойкости автоматических выключателей (АВ)). При такой единичной мощности длительная параллельная работа не применяется и в каждой электростанции располагается, как правило, один ГА (в частности, на атомных кораблях).

Так, на авианосце «Enterprise» установлено 16 ТГ мощностью по 2500 кВт, расположенных в 16 бортовых помещениях в районах электрических нагрузок. Все 16 щитов электростанций могут быть соединены перемычками в «кольцо». Четыре резервных дизель‑генератора мощностью по 1000 кВт расположены в четырех электростанциях, близких к диаметрали. Всего на корабле 20 самостоятельных электростанций. Такая система расположения по живучести несколько выше принятой в соответствии с обычными требованиями, но увеличение количества электростанций сверх определенного предела повышает живучесть так незначительное, что совсем не оправдывает затрат и потерь, обусловливаемых большим количеством электростанций.

Особенностью ЭЭС иностранных надводных кораблей является наличие резервных электростанций, состоящих из ДГ и ГРЩ, соединенных с основными электростанциями перемычками.

Важнейшие потребители (например, некоторые системы вооружения, рулевое устройство) имеют тройное питание, другие ответственные потребители имеют двойное питание (например, пожарные насосы), менее ответственные – одинарное.

На большинстве надводных кораблей стран НАТО применены ЭЭС, состоящие из двух электростанций. ГРЩ разделены на три секции. Перемычки между секциями могут отделить аварийную секцию. Связь электростанций осуществляется с помощью двух перемычек с двумя АВ в каждой, расположенных в своих ГРЩ. В каждой электростанции ГА включаются на параллельную работу, если обеспечена допустимость их работы по коммутационной способности АВ.

Применены также и другие структуры ЭЭС. Так, в американской практике используются ЭЭС с тремя и пятью генераторными агрегатами. Пятый генератор одновременно выполняет функцию аварийного генератора. При нечетном числе ГА обеспечена возможность подключения резервного ГА к любому заранее выбранному генератору.

На фрегатах английских и германских ВМС исходя из необходимой надежной и простой схемы электроснабжения принят режим параллельной работы ГА.

Для повышения суммарной мощности генераторных агрегатов повышается отключающая способность АВ, а также значение сверхпереходного индуктивного сопротивления генераторов без существенного ухудшения таких параметров, как провалы напряжения и время его восстановления. Этому способствовало усовершенствование быстродействующих регуляторов напряжения. Комплексное решение вопросов ограничения токов короткого замыкания сделало допустимым включение на параллельную работу трех ГА мощностью по 2500 кВт.

На боевых кораблях высокое напряжение широкого применения не нашло (за исключением авианосцев с большой мощностью ЭЭС, таких например, как атомные авианосцы ВМС США типа «Nimitz».

Одной из причин такого положения является то, что на надводных кораблях отсутствуют электродвигатели мощностью более 150 кВт, в то же время целесообразным является применение высоковольтных электродвигателей мощностью более 300 кВт.

В гражданском судостроении, особенно в 80‑е годы при освоении ресурсов Мирового океана, при строительстве судов специального назначения, ледоколов и др. высоковольтные ЭЭС нашли широкое применение.

На боевых кораблях наряду с основными параметрами ЭЭС (напряжение 440 В переменного тока частота 60 Гц) применяли электромашины и статические преобразователи в основном частотой 60/400 Гц.

Так, начиная с 50‑х годов корабли флота США, СССР и других стран стали оснащаться вооружением нового типа, электронными системами радиолокации, управления, навигации, связи и т.п. На кораблях внедрялись системы РЭВ с питанием частотой 400 Гц от электромашинных преобразователей, которое использовалось в авиации и наземной технике вооруженных сил.

На конец 70‑х годов установленная мощность преобразователей частотой 60/400 Гц для питания систем РЭВ на кораблях ВМС США превышала 1000 кВт, а доля потребителей с частотой 400 Гц в общей нагрузке основных ЭЭС с частотой 60 Гц достигла 14%. Рост мощности систем с частотой 400 Гц привел к тому, что эффект уменьшения массогабаритных характеристик электронного оборудования на 400 Гц оказался несущественным по сравнению с массой, которую привнесли установленные на борту преобразователи частоты.

Как правило, большинство систем проектировали из условия питания их от централизованной системы частотой 400 Гц, что приводило к еще большему росту потребления электроэнергии частотой 400 Гц. Как показала практика, часть оборудования РЭВ затрудняет нормальное функционирование других потребителей, создавая при этом искажения и значительные провалы напряжения в питающей сети. Это влечет за собой установку индивидуальных преобразователей, что особенно характерно для кораблей с ракетным вооружением. В конце 70‑х годов на кораблях ВМС США общее количество преобразователей единичной мощностью от 1,25 до 300 кВт достигло 1200 единиц.

Несовместимость друг с другом оборудования РЭВ при централизованном питании потребовала детального анализа условий функционирования, режимов работы входных трактов цепей электропитания электронного оборудования.

Например, радиолокационная станция типа AN/SPG‑55B, система целеуказания типа TAS и другие несовместимы с другими потребителями и требуют установки индивидуальных преобразователей. Индивидуальное питание оборудования РЭВ привело к тому, что на отдельных кораблях число преобразователей частоты достигло 33 единиц.

Анализ стоимости показал целесообразность проектирования систем РЭВ непосредственно от основной сети частотой 60 Гц. Разработанная в 1981 г. управлением морских систем ВМС США (NAVSEA) инструкция, в частности, предусматривает, что на надводных кораблях и подводных лодках, использующих ЭЭС с частотой 60 Гц, все оборудование спецсистем должно получать питание только от незаземленной трехфазной сети напряжением 440 В и частотой тока 60 Гц.

Положения этой инструкции исходят из того, что, во‑первых, затраты на приобретение и монтаж преобразовательных устройств систем частотой от 400 Гц постоянно растут, соответственно увеличиваются эксплуатационные расходы и все больше места приходится резервировать под установку дополнительного оборудования. Во‑вторых, существующая технология позволяет создавать электронное оборудование, для которого безразлична частота переменного тока. Это оборудование допускает питание от сети переменного тока частотой 60 или 400 Гц или постоянного тока.

Предполагается, что на всех перспективных кораблях ВМС США (после 2000 г.) электрические сети частотой 400 Гц будут полностью исключены и питание корабельных систем будет осуществляться от ЭЭС частотой 60 Гц.

Этот принцип также принят департаментом кораблестроения Великобритании и руководством ВМС НАТО. В инструкции STANAD 1008 по проектированию электрооборудования для кораблей стран НАТО указано, что оборудование не должно проектироваться для питания от сети нестандартных параметров, если сеть с напряжением 440 В и частотой 60 Гц является удовлетворительной по качеству питания.

8.2.2. ГРЕБНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ (СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОДВИЖЕНИЯ)

История развития гребных электрических установок (ГЭУ) тесно связана как с развитием судов различных типов и назначений, так и с техническим развитием машиностроения, электротехники и электроники [8.15].

В зависимости от применения на судах тех или иных генераторов, ГЭД и преобразователей развитие ГЭУ шло по следующим направлениям:

ГЭУ постоянного тока;

ГЭУ переменно‑постоянного тока;

ГЭУ переменного тока;

единые электрические системы с ГЭУ переменно‑постоянного или переменного тока.

Исторической родиной ГЭУ является Россия. В 1911 г. при проектировании на Балтийском заводе линейных кораблей типа «Севастополь» был предложен вариант совместного использования ДГ и ГЭД для обеспечения экономического хода корабля.

В начале проектирования механизмов специалисты столкнулись с рядом нерешенных вопросов, основным из которых было обеспечение надежности применения электродвижения. 2 апреля 1911 г. состоялось заседание Морского технического комитета (МТК) по этому вопросу. В его работе приняли участие известные кораблестроители А.Н. Крылов и И.Г Бубнов, которые подчеркнули экономичность электродвижения. У присутствующих вызывала сомнение возможность обеспечения надежности вариантов компоновки турбины, ГЭД и гребного вала. Сомнение мог рассеять только эксперимент, поэтому принятие решения отложили до проведения опытов на учебном судне «Рында», и в дальнейшем электродвигатели применения не нашли.

В 30‑е годы проводились работы по освоению Северного морского пути, в связи с чем руководство Главсевморпути рассчитывало на пополнение ледокольного флота за счет создания проверенных типов ледоколов и новых ледоколов с дизель‑электрическими установками (ДЭУ) мощностью 6–10 МВт.

Спроектированный институтом «Судопроект» ледокол водоизмещением 12 000 т с ДЭУ мощностью 8,8 МВт был предпочтительнее парового из‑за большей дальности плавания и лучшей маневренности. В 1934 г. было принято решение о параллельной постройке паровых и дизель‑электрических ледоколов, но к строительству последних так и не приступили.

В 1938–1940 гг. по заказу СССР в Амстердаме (Нидерланды) были построены два товаро‑пассажирских турбоэлектрохода каждый с двумя ТГ и двумя ГЭД общей мощностью на валах 8,68 МВт.

Таким образом, до Великой Отечественной войны и в послевоенные годы в СССР эксплуатировалось лишь несколько турбоэлектроходов зарубежной постройки. В 1947 г. было принято решение о постройке серии мощных ледоколов для Арктики, предусматривалось также создание транспортных судов ледового плавания, которые могли бы следовать за мощными ледоколами.

В том же году организовывается специальное бюро по проектированию ледоколов и судов ледового плавания – ЦКБ‑15 (позднее ЦКБ «Айсберг»), первой работой которого стал проект ледокола с турбоэлектрической установкой на постоянном токе мощностью 22 МВт.

В процессе проектирования этого ледокола специалисты ЦКБ‑15 выполнили большой объем опытных работ и исследований, результаты которых были использованы в последующие годы при проектировании первого в мире атомного ледокола «Ленин» и атомных ледоколов второго поколения типа «Арктика» (главные конструкторы по электрооборудованию Г.А. Агафонов, Б.А. Горбунов).

Первым дизель‑электроходом отечественной постройки стал танкер «Генерал Ази‑Асланов», вступивший в эксплуатацию в 1950 г. На нем впервые применили тепловозные высокооборотные ДГ с дизелем Д50 и специально спроектированное и изготовленное электрооборудование. Дизели Д50 показали себя надежными в эксплуатации, и было решено оборудовать ими крупную серию проектировавшихся китобойных судов, отличающихся от судов транспортного флота более тяжелыми режимами эксплуатации.

Китобойное судно имело один вал с двухъякорным ГЭД постоянного тока мощностью 2x1400 кВт напряжением 920 В на каждом якоре и частотой вращения 180/200 об/мин, использовалось четыре главных ДГ типа 5Д50, каждый из которых состоял из дизеля Д50 и одноякорного генератора постоянного тока мощностью 760 кВт напряжением 460 В при частоте вращения 740 об/мин. Цепь главного тока одноконтурная с попеременно‑последовательным соединением генераторов и якорей ГЭД. Машинные возбудители генераторов и ГЭД обеспечивали постоянство мощности дизелей во всех режимах работы ГЭУ. Головное китобойное судно серии «Мирный» вступило в строй в конце 1956 г. (всего за период с 1956 по 1964 г. было построено 90 судов, которые входили в состав всех советских китобойных флотилий).

Высокая скорость (17 узлов), хорошие маневренные качества и экономичность показали их преимущества перед аналогичными судами с другими энергетическими установками при эксплуатации в Арктике и на Дальнем Востоке. При проектировании в ЦКБ «Балтсудопроект» (главные конструкторы по электрооборудованию А.В. Черников, Е.И. Трапер) рефрижераторного судна типа «Актюбинск» и сухогруза типа

«Днепрогэс» в ГЭУ этих судов были применены созданные к этому времени транспортные двигатели‑дизели типа Д100.

В состав ГЭУ этих судов входили четыре ДГ типа ЗД100, каждый из которых состоял из одноякорного генератора постоянного тока мощностью 1375 кВт напряжением 500 В; один двухъякорный ГЭД постоянного тока мощностью 2x2580 кВт напряжением на якоре 1000 В и частотой вращения 115/140 об/мин; щиты, преобразователи, посты управления.

Цепь главного тока была одноконтурная, как и на китобойном судне «Мирный», с попеременно‑последовательным соединением генераторов и ГЭД.

В 1960 г. вступил в строй головной рефрижератор типа «Сибирь» (всего было построено 60 судов), который являлся улучшенным проектом рефрижератора типа «Актюбинск» (ЦКБ‑32 и ЦКБ‑53).

При таком же составе ГЭУ, как и на судах «Актюбинск» и «Днепрогэс», рефрижераторы типа «Сибирь» имели следующие отличия: цепь главного тока обеспечивала 33 сочетания (из 35 возможных) включения генераторов и якорей ГЭД вместо семи; при потере вращающего момента одним из последовательно включенных ДГ цепь обеспечивала при мощности оставшихся генераторов ход судна и реверс ГЭД в течение 5 мин, что повышало безопасность судна при плаваниях в узких местах и при его швартовке.

50‑е годы характеризовались началом массового строительства отечественных судов с ГЭУ. Электротехническая промышленность осваивает новые типы электрических машин, щитов, аппаратуры, устройств и других элементов ГЭУ. Накапливался опыт проектирования, строительства и эксплуатации электроходов.

Решению задач восстановления отечественного флота в относительно короткие сроки способствовало создание ряда ДЭУ на основе дизелей общего применения типа Д50 и Д100 для китобойных судов, производственных рефрижераторов промыслового флота, грузопассажирских, сухогрузных, ледокольно‑транспортных судов и др. Эти ДЭУ отличались относительно малой удельной массой, большой надежностью благодаря нескольким главным агрегатам, наличием изолированного центрального поста управления (ЦПУ) в машинном отделении с дистанционным управлением ГЭУ, а также дистанционным управлением всей энергетической установкой из рулевой рубки.

В 1959 г. вступил в строй первый в мире атомный ледокол «Ленин», спроектированный ЦКБ «Айсберг» (ЦКБ‑15). В состав ГЭУ входило следующее основное оборудование: четыре главных ТГ, состоящих каждый из турбины с редуктором, от которого приводились два двухъякорных генератора постоянного тока мощностью 2x1920 кВт напряжением 2x600 В при частоте вращения 595 об/мин; на каждой турбине у одного из двух генераторов оба якоря были электрически соединены для параллельной работы и имели уравнительные обмотки и общую коробку выводов; три двухъякорных ГЭД постоянного тока; средний ГЭД мощностью 2x7200 кВт напряжением 2x1200 В при частоте вращения 150/195 об/мин; два бортовых ГЭД мощностью 2x3600 кВт напряжением 2x1200 В при частоте вращения 150/215 об/мин; возбудители, щиты, пульт управления, дистанционный пост управления и другое оборудование.

Многолетняя эксплуатация атомного ледокола «Ленин» подтвердила перспективность использования АЭУ на ледоколах. Был накоплен ценный опыт и определены пути дальнейшего развития ледокольного флота. Для растущих грузоперевозок Северным морским путем необходимо было пополнить флот ледоколами с более мощными атомными установками.

ЦКБ «Айсберг» выполнило проектирование атомных ледоколов второго поколения с АЭУ мощностью 55,2 МВт, превосходящих ледокол «Ленин» по мощности в 1,7 раза, по энерговооруженности и удельной тяге в 1,5 раза. На ледоколах нового поколения принято иное распределение мощности между гребными винтами, существенно изменены состав и компоновка энергетического оборудования.

Трехвальная ГЭУ переменно‑постоянного тока стала первой отечественной установкой, выполненной по схеме генератор переменного тока – кремниевый выпрямитель – ГЭД. Такое построение ГЭУ обеспечило создание двухтурбинной установки с уменьшенными массогабаритными характеристиками и повышенными технико‑экономическими показателями по сравнению с установками на постоянном токе. Применение генераторов переменного тока позволило создать паровую турбину с оптимальными энергетическими показателями, соединить генераторы с турбиной непосредственно, без редуктора, разместить два турбогенераторных агрегата в одном машинном отделении.

В состав ГЭУ входит следующее основное электрооборудование: два ТГ мощностью по 27 570 кВт при частоте вращения 3500 об/мин; шесть выпрямительных установок; три двухъякорных ГЭД постоянного тока мощностью по 2x8800 кВт; шесть нереверсивных тиристорных возбудителей ГЭД; три щита электродвижения, пульт электродвижения и три дистанционных поста управления.

Каждый ТГ состоит из турбины и соединенных с ней по одной оси трех синхронных генераторов мощностью по 9 МВт напряжением 780 В частотой 116,7 Гц. Генератор имеет одну обмотку возбуждения и две статорные обмотки.

Цепи главного тока всех трех ГЭД одинаковые и состоят из двух электрически не связанных между собой контуров. Носовые якоря ГЭД получают питание от правого турбогенератора, а кормовые от левого. Такое построение схемы обеспечивает работу каждой главной турбины одновременно на все три ГЭД. В случае выхода из строя одной турбины все три гребных винта будут иметь вращающий момент, что особенно важно в ледовых условиях для обеспечения сохранности лопастей винтов.

Передача электроэнергии от генераторов к ГЭД осуществлена при помощи шинопроводов. Применение шинопровода постоянного тока протяженностью 550 м осуществлено в проекте отечественного судостроения впервые.

Регулирование мощности и ограничения тока главной цепи в различных режимах производится воздействием на возбуждение генераторов и ГЭД с помощью обратных связей по току и напряжению.

Ледокол «Арктика» вступил в строй в 1974 г. и в автономном плавании достиг Северного полюса.

В 1985 и 1989 гг. закончилось строительство еще двух ледоколов по модернизированному проекту – «Россия» и «Советский Союз».

На судах зарубежной постройки ГЭУ начали развиваться с 1911 г. К концу второй мировой войны флот зарубежных стран насчитывал сотни судов с турбо‑ и дизель‑электрическими установками. В основном в этот период суда строились с ГЭУ постоянного тока, в которых генераторы и ГЭД, как правило, соединялись по схеме генератор – двигатель.

Применялось в основном попеременно‑последовательное соединение якорей генераторов и ГЭД. При нескольких ГЭД на судне в цепи главного тока использовались контуры по числу ГЭД или их якорей. На судах американской и канадской постройки традиционно применяется параллельное включение генераторов, причем при нескольких ГЭД на судне параллельно соединялись группы генераторов для каждого ГЭД. Например, трехвальная паротурбоэлектрическая ГЭУ канадского ледокола («Lous St. Laurent» 1969 г.) включает три ГЭД и три паровые турбины, каждая из которых через редуктор приводит во вращение три двухъякорных генератора (мощностью 3x2,2 МВт каждый). В схеме применено параллельное соединение каждых трех генераторов разных турбин, работающих на один ГЭД. При работе в средних и легких льдах используются два агрегата, в свободной воде – один, при этом обеспечиваются скорости судна 17 и 14,5 узла соответственно.

Особенностью ГЭУ ледокола финской постройки типа «Ермак» является применение среднеоборотных дизелей (СОД). ГЭУ состоит из девяти синхронных дизель‑генераторов мощностью по 3,4 МВт напряжением 800 В с частотой вращения 380 об/мин и трех ГЭД [3 x (2x4,5 МВт)] напряжением 1,2 кВ с частотой вращения 105/180 об/мин.

Цепь главного тока обеспечивает включение любого из трех ДГ контура среднего ГЭД в контуры бортовых ГЭД; ДГ контуров бортовых ГЭД могут быть включены только в контур среднего.

В ГЭУ переменно‑постоянного тока вместо генераторов постоянного тока применяют генераторы переменного тока в сочетании с неуправляемыми выпрямителями.

Первая установка была применена в 1965 г. на буксирах‑толкачах типа («Clermont») (США), предназначенных для транспортировки барж с ракетами в системе каналов на р. Миссисипи. ГЭУ состоит из газовой турбины, приводящей во вращение два синхронных генератора мощностью по 334 кВт напряжением 445 В частотой 60 Гц; два ГЭД (работающих через понижающие редукторы с передаточным отношением 5,15:1, каждый на свой винт) мощностью 315 кВт напряжением 600 В частотой вращения 1200 об/мин; два неуправляемых выпрямителя.

Для ГЭД постоянного тока предельное значение напряжения на якорь всеми странами принято 1200 В. По данным фирм «Siemens» (ФРГ), «Stromberg») (Финляндия) максимальная мощность электродвигателя постоянного тока при указанном напряжении равна 10–15 МВт. В связи с ограниченной мощностью ГЭД постоянного тока и ростом мощности ГЭУ дальнейшее развитие происходило путем замены ГЭД постоянного тока на ГЭД переменного тока и выпрямителей на преобразователи частоты.

В ГЭУ переменного тока при больших мощностях нашли применение наряду с дизелями паровые и газовые турбины. В большинстве случаев применяются синхронные ГЭД. Однако в процессе развития указанных ГЭУ в качестве

ГЭД применялись практически все типы электрических машин переменного тока (кроме коллекторных).

Получили большое распространение ГЭУ с использованием преобразователей частоты и (или) винта регулируемого шага (ВРШ). На всех ГЭУ большинства судов применены синхронные ГЭД. Например, на канадском судне «Canberra» ГЭУ состоит из шести ТГ переменного тока мощностью по 22 МВт, напряжение синхронных генераторов 3 кВ при частоте 60 Гц и три двухъякорных синхронных ГЭД [3 x (2х21 МВт)], 110 об/мин. Оборудование преобразователя частоты для ГЭУ этого судна, если его выстроить в один ряд, займет до 90 м.

Синхронные ГЭД могут работать во всем диапазоне нагрузок с cosφ = 1,0, что позволяет наилучшим образом использовать генераторы и преобразователи. Они также имеют значительный воздушный зазор между ротором и статором и, несмотря на необходимость установки специальных возбудителей, в большей степени отвечают жестким условиям работы судового привода.

С целью более эффективного использования оборудования ГЭУ, упрощения его обслуживания, повышения экономии топлива и увеличения грузовместимости судна развитие ГЭУ и ЭЭС пошло по пути объединения источников питания ГЭУ и общесудовых потребителей в единые ЭЭС (ЕЭЭС).

Построение ЕЭЭС выполнено при использовании преобразователей энергии различного типа:

механических (ВРШ);

электрических (преобразователи частоты и управляемые выпрямители);

комбинации механических и электрических преобразователей.

Как пример из большого числа построенных в 70‑х годах судов с ЕЭЭС и ГЭД постоянного тока можно привести паром «Deutshland», построенный в ФРГ в 1972 г. В состав ЕЭЭС судна входят девять бесщеточных синхронных ДГ мощностью по 2100 кВ∙А (часовая мощность 2400 кВ∙А); четыре силовых блока управляемых выпрямителей мощностью по 5300 кВ∙А, 1000 В переменного тока, 4400 А выпрямленного тока; два двухъякорных ГЭД постоянного тока мощностью по 2x3860 кВт (1200 В; 195/210 об/мин); два носовых асинхронных двигателя с фазным ротором подруливающих устройств мощностью по 750 кВт, 980 об/мин; два трансформатора по 2000 кВ∙А. Питание тиристорных выпрямителей осуществляется от двойной системы сборных шин, соединяемых выключателями, а двух якорей одного ГЭД – от разных секций шин. Питание шин общесудовых потребителей осуществляется от двух трансформаторов 1000/380 В.

При повреждении шин питания судовых потребителей 380 В производится автоматический запуск аварийного ДГ мощностью 570 кВ∙А, обеспечивающего питание секции ответственных потребителей.

Примером ЕЭЭС с ГЭУ переменного тока может быть канадский ледокол «Henry Larsen», построенный в 1987 г. Его ЕЭЭС состоит из трех генераторов мощностью 5 МВт (4,16 кВ, 720 об/мин) с дизельным приводом. Генераторы включены на шины ЕЭЭС, от которых через понижающие трансформаторы и преобразователь частоты получают питание два ГЭД. Мощность трансформаторов 2x4 MB∙А, выходное напряжение 1,2 кВ, мощность синхронных ГЭД 6 МВт при частоте вращения 145/180 об/мин. Система векторного регулирования ГЭД с прямым цифровым управлением отпиранием тиристоров и оптической потенциальной развязкой силовых цепей и управления выполнена на базе четырех быстродействующих 16‑разрядных микропроцессоров.

Система преобразователь частоты – синхронный ГЭД имеет механические характеристики, аналогичные характеристикам ГЭУ постоянного тока, но обладает повышенными надежностью, КПД и быстродействием.

Системы с ВРШ появились в начале 60‑х годов в ФРГ, Италии, а затем в Японии и США. ГЭД в таких установках работает при постоянной частоте вращения в одном направлении. В ГЭУ с ВРШ нашли широкое применение высокооборотные дизель‑ и газотурбогенераторы. Как правило, в ГЭУ с ВРШ при мощностях на винте более 2 МВт применяются синхронные ГЭД, позволяющие повысить КПД и коэффициент мощности системы в целом. Такими ЕЭЭС оборудованы многие рыбопромысловые суда, паромы, земснаряды, буровые суда и платформы. Недостатком системы является сложный пуск синхронных ГЭД, производимый при пониженной частоте аналогично системам с частотным управлением. В ЕЭЭС с ГЭД мощностью менее 2 МВт применялись высокооборотные асинхронные короткозамкнутые ГЭД, включаемые обычно по два на ВРШ через редукторную передачу. Пуск их производится поочередно: сначала переключением со звезды на треугольник запускается один электродвигатель ГЭД, а затем прямым включением второй. Провал напряжения при пуске ГЭД не превышает 15%. Подобными системами оборудовано большинство рыбопромысловых судов Италии, Испании, ФРГ, Японии.

Недостатком асинхронных ГЭД является значительное потребление ими реактивной мощности и малый воздушный зазор, создающий трудности при монтаже и эксплуатации в ледовых условиях, поэтому они не получили распространения на ледоколах.

Освоение природных ресурсов Мирового океана привело к созданию судов специального назначения с потребителями электроэнергии большой мощности. В 80‑е годы Финляндией, Японией, Швецией, Великобританией, США, Италией, Нидерландами, Норвегией и Францией построено большое количество полупогружных добывающих буровых установок и специальных многоцелевых платформ; добычных и крановых судов; ледоколов; судов снабжения; судов обслуживания и обеспечения подводно‑технических работ и др. Многие из этих судов и установок оборудованы электроприводами технологических механизмов и систем позиционирования судна. Наиболее характерный диапазон мощностей ЕЭЭС до 50 МВт, номинальное напряжение от 3,3 до 10,5 кВ, частота 50 или 60 Гц. Непосредственно от шин ГРЩ высокого напряжения получают питание электроприводы движения и позиционирования, а также судовые потребители большой мощности (приводы технических комплексов, пожарные насосы и др.). Для питания общесудовых потребителей низкого напряжения установлены понижающие трансформаторы и (или) электромашинные преобразователи.

За короткий срок (немногим более 100 лет) развитие ЭЭС и ГЭУ прошло путь от применения на кораблях генераторов постоянного тока мощностью 1–3 кВт до автоматизированных высоковольтных ЕЭЭС переменного тока на судах мощностью в несколько десятков мегаватт.

Перспективы дальнейшего развития ЭЭС можно прогнозировать по следующим основным направлениям:

применение высокого напряжения;

внедрение сверхпроводниковых электрических машин;

увеличение единой мощности генераторов и нагрузки;

совершенствование структур ЭЭС и электрооборудования;

применение регулируемых электроприводов различных типов;

широкое применение вычислительных комплексов автоматизированного управления ЭЭС и ГЭУ, технического диагностирования, защиты и контроля.

8.2.3. ИНФОРМАЦИОННО‑УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ

Для успешного выполнения боевых задач корабль должен знать свое местоположение в пространстве, обстановку вокруг себя и за горизонтом, иметь надежную связь с командным пунктом и надежные системы управления оружием.

Первым видом оружия на корабле явилась ствольная артиллерия, затем началось развитие минно‑торпедного оружия, а после второй мировой войны – ракетного оружия. Развитие каждого из этих видов оружия потребовало привлечения новейших достижений электротехники и электроники, радиосвязи, радиоуправления, гироскопии, гидро‑ и радиолокации.

Минно‑торпедное оружие. Применение торпедного оружия в России началось во второй половине XIX в. Создатель первой отечественной торпеды с электроприводом был И.Ф. Александровский. Но его работа не была поддержана, и для вооружения кораблей торпеды закупались в Англии.

Только после Октябрьской революции было принято решение о создании собственного морского оружия. Для руководства этими работами в составе Наркомата по военным и морским делам (1923–1926 гг.) был создан Научно‑технический комитет.

К созданию современного оружия были привлечены такие организации, как Остехбюро (в последствии ЦНИИ «Гранит»), завод «Электроприбор» (впоследствии НПО «Электроприбор»), НИИгидроприбор.

В Остехбюро талантливый изобретатель В.И. Бекаури предложил применить для точного наведения торпеды на расстоянии в несколько километров звуковые волны, электрические сигналы от которых на торпеде обрабатывались электронным блоком, воздействующим на электрорули. В дальнейшем эти принципы были применены в радиодиапазоне, в том числе для управления безэкипажными подводными лодками, торпедными катерами, а также торпедами, сбрасываемыми с самолета.

К началу второй мировой войны на вооружении ВМФ находились отечественные торпеды различных калибров морского и авиационного базирования, а также ряд радиоуправляемых торпедных катеров.

Требования к точности и вероятности попадания торпеды в корабль по опыту войны ускорили принятие специальных мер, реализуемых с помощью сложных электротехнических систем: автоматизированных систем подготовки и производства пуска торпеды, автоматического расчета траектории хода с учетом данных разведки о положении атакуемого корабля, параметров его движения.

Первая отечественная торпеда с электронным самонаведением была принята на вооружение в 1950 г. (главный конструктор Н.Н. Шамарин). Это событие явилось историческим и позволило перейти к созданию противолодочного оружия. Такая торпеда была создана в НИИгидроприбор под руководством главного конструктора В.А. Поликарпова. Торпеда могла самонаводиться на подводные лодки на глубине до 200 м. Поиск эффективных технических средств поражения подводных лодок привел к созданию нового вида противолодочного оружия – неуправляемых и управляемых противолодочных ракет.

Первым комплексом такого оружия явился комплекс РПК‑1 с неуправляемой баллистической ракетой. Он поступил на вооружение противолодочных авианесущих крейсеров «Москва» и «Ленинград». В 60‑е годы для вооружения многоцелевых подводных лодок был создан комплекс РПК‑2. В дальнейшем этот комплекс был усовершенствован для установки на надводные корабли, а э