Электрификация привода наземного, воздушного и водного транспорта является одной из важнейших черт современности [1, 2]. В судовом электроприводе (ЭП) также происходят существенные перемены, связанные с внедрением винто-рулевых колонок (ВРК), подруливающих и резервных устройств, разнотипных электродвигателей (ЭД), применению цифровых технологий проектирования, беспилотного электродвижения [3, 4].
Структура и основные энергетические соотношения ЭП с использованием наиболее распространенного асинхронного электродвигателя (АД) приведены на рис. 1. Там же внизу показаны составные элементы ЭП: преобразователь частоты (ПЧ), двигатель и нагрузка в виде гребного винта (ГВ). Питание ЭП осуществляется либо от сети, либо от турбогенератора (дизель-генератора), а в ряде случаев от аккумулятора (накопителя). Основные энергетические соотношения приведены внизу, где принимаются обозначения: U, f, I, φ – напряжение, частота, ток, фаза тока;
Pel, Pl – активные мощности на выходе ПЧ и нагрузки;
для двигателя М, n – соответственно момент и число оборотов;
для нагрузки F, v, j – соответственно сила (упор), линейная скорость, момент инерции винта.
В верхней части рис. 1 показаны: направление энергии при пуске, торможении (реверсе). Промежуточный режим авторотации, т. е. самовращение винта под действием набегающего потока не показан, хотя является важным режимом при маневрировании.
На рис. 2 показаны расшифровка структуры и формы выходных напряжений на выходе отдельных элементов ЭП. Форма напряжения инвертора соответствует топологии наиболее распространенного 2-уровневого преобразователя. Дроссель обычно применяется для фильтрации высших гармоник инвертора. АД является наиболее распространенным двигателем, хотя двигатели с постоянными магнитами (ПМ) получают все большее распространение для малых мощностей ЭП, так же как синхронные двигатели – для больших мощностей ЭП. На рис. 2 не показана схема чоппера, который включается между фильтром и инвертором и защищает блок постоянного тока от перегрузки при реверсе. Схемы систем управления зависят от назначения, структуры и топологии ЭП и рассмотрены ниже.