Электроэнергетические системы подводных аппаратов

 

Содержание:

Вступление.

1. Описание современных систем электроснабжения привязных подводных аппаратов.
2. Схема моделирования системы электроснабжения привязных подводных аппаратов.
3. Расчет параметров кабель-троса.
4. Расчет фильтров в составе схемы системы электроснабжения привязных подводных аппаратов.
5. Вывод.
6. Список используемой литературы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вступление

Система энергообеспечения автономного необитаемого подводного аппарата (АНПА) должна решать две основные задачи: первая – это передача энергии с судна-носителя (или с донного причального устройства – ДПУ) на подводный аппарат и вторая – необходимое преобразование переданной энергии с целью заряда аккумуляторных батарей аппарата.

В приводится анализ трех основных способов передачи электрической энергии под водой: контактный – с помощью проводных электрических линий с электросоединителями, бесконтактный (индукционный) и генераторный. При генераторном способе энергия передается путем подключения вала электродвигателя, находящегося, например, на ДПУ к валу электродвигателя АНПА, который работает в этом режиме как генератор и заряжает аккумуляторную батарею.

Контактный способ передачи энергии требует точного позиционирования при выполнении электрического соединения, необходимость изоляции соединителя от морской воды усложняет его конструкцию и снижает надежность. При использовании метода непосредственного электрического соединения через один изолированный электрод (отрицательный полюс) и второй неизолированный (положительный полюс) возникает коррозия положительного электрода, который необходимо защищать протектором.

Бесконтактный способ передачи энергии требует применения дополнительных электрических преобразователей, однако при этом отсутствует физический электрический контакт и соприкасающиеся поверхности индукторов инвариантны к неточному соединению и обрастанию.

Предпочтение имеет бесконтактный способ передачи энергии на аппарат. При этом функциональную схему системы бесконтактной передачи энергии на АНПА можно представить, как показано на рис. 1.

Рис. 1. Функциональная схема системы энергообеспечения АНПА с бесконтактной передачей энергии

В общем случае в состав системы должны входить источник электроэнергии, автономный инвертор, высокочастотный трансформатор (ВчТ) с выполненными раздельно первичной (ВчТ1) и вторичной (ВчТ2) частями, выпрямитель, фильтр, зарядное устройство и нагрузка (аккумуляторные батареи).

Источник электроэнергии входит в состав корабельного обеспечения и состоит из трансформатора и выпрямителя. Автономный инвертор из входного напряжения постоянного тока создает выходное напряжение переменного тока, имеющее прямоугольную форму и являющееся

первичным напряжением ВчТ.  
1. Описание современных систем электроснабжения привязных подводных аппаратов

 

Система электроснабжения подводного телеуправляемого аппарата относится к электротехнике, в частности, к устройствам для передачи электроэнергии для электроснабжения подводных аппаратов с судна-носителя по кабелю или кабель-тросу. Задача полезной модели обеспечение стабилизации напряжения в подводной части системы электроснабжения, за счет обеспечения обратной связи по оптоволоконному каналу кабель-троса по выходному напряжению и динамической составляющей тока линии связи. Поставленная задача решается тем, что в систему электроснабжения телеуправляемого подводного аппарата, содержащую в бортовой части выпрямитель с фильтром и автономный инвертор, соединенный с выходным трансформатором, вторичная обмотка которого соединена с передающим концом кабель-троса, а также систему автоматического управления указанным автономным инвертором, а в подводной части - трансформатор, первичная обмотка которого связана с приемным концом кабель-троса, а вторичная - с выпрямителем подводной части системы, выход которого через фильтр связан с потребителями подводной части системы, в подводную часть системы введены гибкая обратная связь по динамической составляющей тока нагрузки и отрицательная обратная связь по выходному напряжению подводной части системы, обеспечиваемые с помощью известной схемы пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора, или пропорционально-интегрального регулятора, или пропорционально-дифференциального, или пропорционального регулятора, выход которого соединен с АЦП и передатчиком оптоволоконного канала кабель-троса, связанного с контроллером, введенным в бортовую часть системы, и управляющим автономным инвертором в соответствии с сигналами указанного регулятора. При этом контроллер бортовой части системы может содержать цифроаналоговый преобразователь и ШИМ-контроллер, либо содержит цифровой ШИМ-контроллер, разработанный на основе принципа цифрового управления трехфазным автономным инвертором с помощью векторной ШИМ. Таким образом, производится изменение напряжения на верхнем конце кабель-троса в зависимости от изменений нагрузки, падения напряжения в кабеле и т.п. При этом передача сигнала регулятора по оптоволоконному каналу и использование контроллера цифрового управления инвертором бортовой части обеспечивают быстрое, практически без задержек реагирование бортовой части системы на изменения нагрузки подводного аппарата.

Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к устройствам для передачи электроэнергии для электроснабжения подводных аппаратов с судна-носителя по кабелю или кабель-тросу.

Использование кабеля в таких системах затрудняет перемещение подвижных подводных объектов. Для уменьшения этого недостатка кабель должен быть как можно меньшего диаметра. Однако это часто входит в противоречие с величиной передаваемой мощности, величина которой зачастую требует достаточно большого диаметра кабеля. Из-за значительного сопротивления кабеля передача электроэнергии мощностью в несколько киловатт возможна только путем повышения напряжения в кабеле. Кроме того, проблемой при передаче мощности к подводному объекту является обеспечение стабильности напряжения потребителей этой мощности, установленных на подводном объекте.

Известно устройство для электроснабжения подводного аппарата с судна-носителя, содержащее установленный на судне-носителе повышающий трансформатор, первичная обмотка которого подключена к судовой электрической сети, а вторичная - к линии связи, установленный на подводном аппарате понижающий трансформатор, вход которого подключен к приемному концу линии связи, а выход - к входу вторичных источников питания, обеспечивающих электроэнергией потребители подводного аппарата (Системы и элементы глубоководной техники и подводных исследований. /Под. ред. B.C.Ястребова. Л.: Судостроение, 1981, с.158). При электроснабжении высоким напряжением переменного тока на борту судна устанавливается повышающий трансформатор. Недостатком указанной системы электроснабжения является то, что мощность установленного на подводном аппарате понижающего трансформатора должна быть достаточной для питания всех потребителей электроэнергии, вследствие чего понижающий трансформатор имеет большую массу и габариты

Известна система электроснабжения подводного аппарата, в которой для уменьшения массы и габаритов трансформаторов бортовой и подводной частей системы, передача электроэнергии осуществляется не на промышленной частоте 50 Гц, а на повышенной - 400 Гц и выше (Полезная модель РФ 46611) При этом масса трансформаторов может быть снижена в 4,7 раза. В указанной системе электроснабжения на борту судна-носителя установлены выпрямитель, через фильтр связанный с преобразователем dc-ac в виде инвертора напряжения с блоком управления. В этом устройстве управление инвертором происходит опосредованно, в зависимости от величины тока потребления, и не обеспечивает точной стабилизации напряжения потребителей подводной части системы, на которое влияют активно-реактивные параметры кабель-троса, вносимые большой длиной кабеля, а также динамический характер нагрузки, установленной в подводной части. Для компенсации влияния параметров кабеля и стабилизации напряжения на нагрузке, необходимо устройство для широкодиапазонного регулирования напряжения на верхнем или нижнем конце кабель-троса. В этом случае необходим информационный канал обратной связи по кабель-тросу.

 

Задача полезной модели обеспечение стабилизации напряжения в подводной части системы электроснабжения, за счет обеспечения обратной связи по оптоволоконному каналу кабель-троса по выходному напряжению линии связи.

Поставленная задача решается тем, что в систему электроснабжения телеуправляемого подводного аппарата, содержащую в бортовой части выпрямитель с фильтром и автономный инвертор, соединенный с выходным трансформатором, вторичная обмотка которого соединена с передающим концом кабель-троса, а также систему автоматического управления указанным автономным инвертором, а в подводной части - трансформатор, первичная обмотка которого связана с приемным концом кабель-троса, а вторичная - с выпрямителем подводной части системы, выход которого через фильтр связан с потребителями подводной части системы, в подводную часть системы введены гибкая обратная связь по динамической составляющей тока нагрузки и отрицательная обратная связь по выходному напряжению подводной части системы, обеспечиваемые с помощью известной схемы пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора, или пропорционально-интегрального регулятора, или пропорционально-дифференциального, или пропорционального регулятора, выход которого соединен с АЦП и передатчиком оптоволоконного канала кабель-троса, связанного с контроллером, введенным в бортовую часть системы, и управляющим автономным инвертором в соответствии с сигналами указанного регулятора.

При этом контроллер бортовой части системы может содержать цифроаналоговый преобразователь и ШИМ-контроллер, либо содержит цифровой ШИМ-контроллер, разработанный на основе принципа цифрового управления трехфазным автономным инвертором с помощью векторной ШИМ.

 

Далее сущность полезной модели поясняется с помощью рисунков, на которых представлено: на Фиг.1 - блок схема предлагаемой системы электроснабжения подводного аппарата.

Система содержит бортовую часть 1 и подводную часть 2, соединенные линией передачи в виде кабель-троса 3, имеющем в своем составе оптоволоконную линию. Бортовая часть системы содержит выводы бортовой сети 4, соединенные с фильтром 5, выпрямителем 6, который через фильтр 7 связан с автономным инвертором 8, работой которого управляет контроллер 9. Выходы инвертора соединены с первичной обмоткой трансформатора бортовой части 10. Вторичные обмотки трансформатора 10 соединяются с верхним концом кабель-троса 3. Нижний конец кабель-троса 3, соединяющего бортовую 1 и подводную 2 части системы, связан с первичными обмотками трансформатора 11 подводной части системы, вторичные обмотки которого соединены с выпрямителем 12 подводной части, выходы которого через фильтр 13 обеспечивают питание потребителей электроэнергии подводного аппарата (Uпотр.). В подводную часть системы введен датчик тока 14 (последовательно с конденсатором 15 фильтра 13), и делитель напряжения, составленный сопротивлениями 16 и 17 (показанные в нижней части рисунка). Выход датчика тока 14 связан с регулятором 18, в качестве которого используются известные схемы пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора, или пропорционально-интегрального регулятора, или пропорционально-дифференциального, или пропорционального регулятора. Выход делителя напряжения также связан регулятором 18, в котором обеспечивается гибкая обратная связь по току конденсатора 15 фильтра 13 или по динамической составляющей тока нагрузки подводной части, и отрицательная обратная связь по напряжению. С выхода регулятора 18 сигналы поступают на контроллер подводной части 19, в состав которого входит аналого-цифровой преобразователь 20 и передатчик 21. Оцифрованный сигнал регулятора 18 передается передатчиком 20 по оптоволоконному каналу кабель-троса 3, который на рисунке схематически обозначен линией 22, на контроллер бортовой части 9. Передача по оптоволоконному каналу увеличивает быстродействие системы, а соответственно и быстрое реагирование системы на изменение сигнала обратной связи. Структура контроллера бортовой части 9 может включать в себя цифроаналоговый преобразователь и ШИМ - регулятор, либо контроллер для цифрового управления трехфазным автономным инвертором с помощью пространственно-векторной ШИМ. Структура такого контроллера подробно описана в описании к полезной модели РФ 117747.

 

Использование такого устройства цифрового управления инвертором позволяет реализовать данное устройство в одной программируемой цифровой микросхеме с увеличением быстродействия, увеличением надежности и снижением габаритов. При этом достигается адекватное и быстрое реагирование замкнутой системы на возмущающее воздействие, т.е., на изменение нагрузки подводной части.

 

Устройство работает следующим образом:

 

Бортовая сеть 4 обеспечивает трехфазное напряжение 380 В с частотой 50 гц. Указанное напряжение бортовой сети поступает на фильтр радиопомех 5, обеспечивающий помехоподавление по каждой фазе питающего напряжения, и с выхода фильтра 5 подается на выпрямитель 6. Выпрямленное трехфазное напряжение с выпрямителя 6 сглаживается выходным фильтром 7. Сглаженное напряжение с выходного фильтра 7 поступает на вход управляемого трехфазного инвертора 8, управление которым осуществляется контроллером 9. Таким образом, на первичные обмотки трансформатора 10 поступает трехфазное напряжение повышенной частоты. Это напряжение с учетом падения напряжения на внутреннем сопротивлении кабель-троса, поступает на трансформатор подводной части 11. Вторичные обмотки трансформатора 11 соединены с выпрямителем подводной части 12, напряжение с которого поступает на фильтр 13 и далее используется для питания потребителей, установленных на подводном объекте. Для устранения влияния параметров кабель-троса, нестабильности напряжения при изменениях нагрузки, а также помех, в систему электроснабжения введена гибкая обратная связь по току конденсатора 15, т.е. по динамической составляющей тока нагрузки, и отрицательная обратная связь по напряжению. Сигналы с датчика тока 14 и делителя напряжения, образованного сопротивлениями 16 и 17 поступают на регулятор 18, обеспечивающий стабилизацию напряжения потребителей подводной части системы. Сигнал от регулятора 18 поступает на контроллер 19, где оцифровывается в АЦП 20 и, с помощью передатчика 21, передается в бортовую часть по оптоволоконному каналу 22 кабель-троса 3. Передача по оптоволоконному каналу обеспечивает низкое затухание при передаче сигнала, отсутствие помех в передаваемом сигнале, и не вызывает помех в соседних линиях, обеспечивает высокое качество передаваемого сигнала с большой скоростью, не вызывая задержек в срабатывании устройств, к которым передается сигнал. Оцифрованный сигнал регулятора 18 поступает на контроллер 9, управляющий инвертором 8 бортовой части системы. Таким образом, производится изменение напряжения на верхнем конце кабель-троса в зависимости от изменений нагрузки, падения напряжения в кабеле и т.п. При этом передача сигнала регулятора 18 по оптоволоконному каналу и использование контроллера цифрового управления инвертором бортовой части обеспечивают быстродействие реагирования бортовой части системы на возмущения нагрузки подводного аппарата.