Устройство электроснабжения телеуправляемого необитаемого подводного аппарата с передачей энергии постоянного тока по кабель-тросу
POWER SUPPLY DEVICE FOR A REMOTE-CONTROLLED UNINHABITED UNDERWATER VEHICLE WITH DIRECT CURRENT ENERGY TRANSMISSION VIA AN SPC CABLE

Устройство электроснабжения телеуправляемого необитаемого подводного аппарата с передачей энергии постоянного тока по кабель-тросу относится к электротехнике, а именно к устройствам передачи энергии через кабель-трос с судна-носителя для электроснабжения подводных аппаратов.
Устройства передачи энергии постоянным током имеют ряд достоинств по сравнению с устройствами переменного тока. Достоинствами такой системы являются отсутствие реактивной составляющей тока кабель-троса, меньшие потери мощности в кабеле, габариты и стоимость кабеля, однако, основными недостатками устройства постоянного тока являются проблемы, связанные с защитой по току и преобразованием высокого напряжения постоянного тока в подводной части устройства. Данные недостатки устройств на постоянном токе требуют тщательной проработки.
Известна система передачи мощности на постоянном токе по патенту РФ №2399140. Устройство для электроснабжения подводного объекта с борта судна-носителя, содержит установленные на судне-носителе повышающий трансформатор, первичная обмотка которого подключена к судовой электрической сети, и выпрямитель, входные зажимы которого подключены к вторичной обмотке повышающего трансформатора. Питающий конец линии связи с подводным объектом подключен к выходным зажимам выпрямителя, а приемный конец соединен с размещенными на подводном объекте вторичными источниками питания, к выходам которых подключены потребители электроэнергии подводного объекта. В устройство введен импульсный преобразователь постоянного напряжения, входные зажимы которого подключены к приемным концам линии связи и гальванически развязаны от его выходных зажимов, а также, подключенные к этим зажимам шины постоянного тока, к которым подключены входы вторичных источников питания и часть потребителей подводного объекта. В качестве выпрямителя используется управляемый выпрямитель напряжения.
Недостатком данного устройства является наличие общего импульсного преобразователя в подводной части, который состоит из автономного инвертора напряжения, трансформатора, подключенного к его выходным зажимам инвертора и выпрямителя, подключенного к выходным зажимам трансформатора. Кроме того, к общей шине подключен еще один инвертор. Все это увеличивает габариты и вес подводной части устройства.
Кроме того, недостатком таких устройств является то, что все потребители снабжаются через общую шину, и во время переходных процессов, таких как пуск или отключение системы, в шине возникают скачки тока, что снижает надежность работы всего устройства в целом.
Известно также устройство для электроснабжения телеуправляемого необитаемого подводного аппарата с борта судна-носителя на постоянном токе по патенту на полезную модель РФ №158319, которое также содержит установленные в бортовой части выпрямитель, входные зажимы которого подключены к судовой электрической сети, конвертор постоянного тока, и линию связи с подводным объектом, питающий конец которой подключен к выходным зажимам бортовой части системы электроснабжения, а приемный конец соединен с размещенными на подводном объекте группами потребителей. Конвертор постоянного тока в бортовой части выполнен по схеме с нулевым проводом, на выходе его подключены два конденсатора, соединенные последовательно, и включенные параллельно выходным зажимам конвертора, при этом нулевой провод соединен со средней точкой конденсаторов. В подводной части на выходных зажимах приемного конца линии связи аналогично установлены конденсаторы. К выходным зажимам указанных конденсаторов подключены потребители через симметрирующее устройство, причем между плюсовым и нулевым зажимами подключена первая группа потребителей, между минусовым и нулевым - вторая группа потребителей, а параллельно соответствующим ключам, плюсовой и минусовой зажимы приемного конца линии связи подключены к третьей группе потребителей, состоящей из двигателей. Ключи симметрирующего устройства соединены со схемой управления и управляются в функции рассогласования по напряжению потребителей и тока в нулевом проводе, для чего напряжения обратной связи с конденсаторов подаются на соответствующие схемы управления, а в нулевой провод введен датчик тока, соединенный с указанными схемами управления. Использование трехжильного кабеля с нулевым проводом позволяет разделить подачу мощности к нагрузкам, а не питать их от общей шины.
Недостатками устройства являются наличие общего конвектора и симметрирующего устройства, что ограничивает возможности устройства электроснабжения с применением трехжильного кабель-троса.
В современных системах подводного оборудования с дистанционным управлением в качестве составной части подводного оборудования используются гаражи-заглубители, в которых подводный аппарат может размещаться при его доставке на глубину, и с которым подводный аппарат может соединяться относительно коротким и легким кабелем связи. При этом повышается маневренность подводного аппарата, поскольку он не связан с длинным и тяжелым кабель-тросом, посредством которого гараж-заглубитель соединен с судном-носителем. Гараж-заглубитель в своем составе имеет кабину для размещения подводного аппарата, лебедку с барабаном кабеля связи и системой, управляющей длиной свободного кабеля связи между гаражом-заглубителем и подводным аппаратом. Гараж-заглубитель также позволяет установить на нем часть блоков устройства электроснабжения и управления, при этом освобождается дополнительное полезное пространство подводного аппарата и снижается его вес. В таких системах линией связи бортовой системы электроснабжения с гаражом-заглубителем является кабель-трос, а линией связи гаража-заглубителя с подводным аппаратом является короткий и плавучий кабель связи.
Известно устройство передачи мощности постоянного тока к телеуправляемому необитаемому подводному аппарату по патенту РФ №163748, в котором в бортовой части установлен выпрямитель, входные зажимы которого подключены к судовой электрической сети, а выходные зажимы - к высокочастотному импульсному преобразователю постоянного напряжения. Бортовая и подводная части устройства соединены с помощью кабель-троса, питающий конец которого подключен к выходным зажимам бортовой части устройства электроснабжения, а приемный конец соединен с размещенными на подводной части группами потребителей. Подводная часть устройства включает в себя гараж-заглубитель и непосредственно подводный аппарат, соединенный с гаражом-заглубителем трехжильным кабелем связи, приемный конец кабель-троса соединен с потребителями гаража-заглубителя через емкостной делитель напряжения, установленный на гараже-заглубителе, и устройство выравнивания нагрузок жил трехжильного кабеля связи, при этом узел соединения емкостей делителя через дроссель, включенный в нулевой провод кабеля связи, соединен с устройством выравнивания нагрузок жил трехжильного кабеля связи, выполненным в виде симметрирующего устройства, также установленного на гараже-заглубителе, а к приемному концу кабеля связи подключены соответствующие потребители подводного аппарата.
Недостатками устройства являются применение двухжильного кабель-троса и симметрирующего устройства, что сужает область режимов работы системы электроснабжения. Кроме того, недостатком является то, что потребители энергии подключены к одной шине питания без формирования гальванической развязки и во время переходных процессов, таких как пуск или отключение системы, в шине возникают скачки напряжения и тока, что влияет на работоспособность потребителей и снижает надежность системы в целом.
В подводных аппаратах основными потребителями электрической энергии являются движители с рабочим напряжением питания равным 600 В. Остальные потребители обеспечиваются питанием шинами постоянного напряжения 300 В, которое при необходимости преобразовывается в напряжение необходимой величины.
Наиболее близким к заявляемому устройству по существенным признакам и достигаемому эффекту является устройство для электроснабжения подводного аппарата с борта судна-носителя по патенту РФ №156356. Устройство решает задачи улучшения массогабаритных показателей подводной части, с одновременным повышением надежности работы системы за счет балансирования напряжения на нагрузках - потребителях.
Указанное устройство содержит установленный в бортовой части выпрямитель, входные зажимы которого подключены к судовой электрической сети, а также линию связи с подводным аппаратом, питающий конец которой подключен к выходным зажимам бортовой части устройства электроснабжения, а приемный конец соединен с размещенными на подводном объекте группами потребителей, выходные зажимы выпрямителя бортовой части соединены с двумя конверторами постоянного тока с параллельными выходными конденсаторами. Один из указанных конверторов соединен с положительным выводом указанного выпрямителя и нулевым проводом, а второй - с отрицательным выводом указанного выпрямителя и нулевым проводом. В каждую жилу линии связи на выходах данных конверторов введены датчики тока, сигналы с которых преобразуются в напряжения по каждой жиле, и подаются к схеме управления указанными конверторами постоянного тока. При этом питающий конец линии связи соединен с выходами указанных конверторов постоянного тока, а к приемному концу, между нулевым и плюсовым зажимами, подключена первая группа потребителей подводного аппарата через параллельно включенный конденсатор, между нулевым и плюсовым зажимами подключена вторая группа потребителей подводной части через параллельно включенный конденсатор, а между плюсовым и минусовым зажимами подключена третья группа потребителей, состоящая из двигателей, установленных на подводном аппарате.
Недостатком указанного устройства являются снижение отказоустойчивости системы, обусловленное тем, что потребители энергии подключены непосредственно к выходным зажимам кабель-троса. Данное включение приводит к электромагнитному влиянию потребителей друг на друга, возникновению в шине питания потребителей скачков напряжений и токов при переходных процессах вследствие наличия общего входного емкостного фильтра в подводной части устройства электроснабжения; полному отключению устройства при возникновении аварийного режима в подводной части. Кроме того, при подобном подключении увеличение полезной мощности подводной части устройства приводит к возрастанию протекающего через кабель-трос тока, который увеличивает падение напряжения на кабеле, что в свою очередь ухудшает КПД кабель-троса.
Задача изобретения - повышение отказоустойчивости системы с улучшением качества переходных процессов в шинах питания потребителей.
Устройство электроснабжения телеуправляемого необитаемого подводного аппарата с передачей энергии постоянного тока по кабель-тросу, также как и прототип, содержит в бортовой части выпрямитель, входные зажимы которого через входной фильтр и блок коммутации подключены к судовой электрической сети, конверторы постоянного тока и кабель-трос, имеющий положительный, отрицательный и нулевой провода, подключенный питающим концом к выходным зажимам бортовой части устройства электроснабжения, а приемным концом к входным зажимам подводной части, в каждый из проводов которого введены датчики тока и напряжения. Для решения поставленной задачи подводная часть устройства электроснабжения состоит из первого подводного блока, установленного на гараже-заглубителе, конденсаторы входного фильтра которого, также выполненного со средней точкой, подключены к положительному, нулевому и отрицательному концам проводов кабель-троса, и к плавучему кабелю связи, а также второго и третьего подводных блоков, расположенных на подводном аппарате и подключенных к входному фильтру первого подводного блока через лебедку трехжильного плавучего кабеля связи, при этом первый подводный блок устройства электроснабжения содержит автономный инвертор, соединенный с понижающим трансформатором, вторичные обмотки которого через преобразовательные выпрямительные блоки связаны с выходными подводными фильтрами шин питания потребителей первой группы, второй и третий подводные блоки устройства электроснабжения содержат каждый соответствующий автономный инвертор, соединенный с понижающим трансформатором, вторичные обмотки которого через преобразовательные выпрямительные блоки связаны с выходными фильтрами шин питания потребителей второй и третьей групп соответственно, причем второй подводный блок потребителей подключен к емкости входного фильтра между положительным и нулевым проводами кабель-троса, а третий подводный блок - между нулевым и отрицательным проводами кабель-троса.
Далее сущность изобретения поясняется с помощью рисунка, на котором представлена блок схема устройства.
Устройство электроснабжения телеуправляемого необитаемого подводного аппарата с передачей энергии постоянного тока по кабель-тросу состоит из бортовой части 1 и подводной части 2, соединяемых кабель-тросом 3. Бортовая часть 1, располагаемая на судне-носителе, подключена к бортовой сети 4. Подводная часть 2 размещена в гараже заглубителе 5 и в подводном аппарате 6, связанными плавучим кабелем связи 7. Бортовая часть содержит блок коммутации 8, выходные зажимы которого соединены с цепью последовательно соединенных фильтра радиопомех 9, выпрямителя 10, фильтра 11. Выходные зажимы фильтра 11 соединены с двумя конверторами постоянного тока 12, 13, напряжение с которых поступает на выходной фильтр 14. Управление конверторами постоянного тока осуществляется блоком управления 15. Выходной фильтр 14 выполнен по схеме со средней точкой и связан с питающим концом кабель-троса 3. Между фильтром 14 и питающим концом кабель-троса 3 установлен блок датчиков напряжения и тока 16, связанный со схемой управления 15. Приемный конец кабель-троса 3 соединен с входным фильтром 17 гаража-заглубителя 5. Клеммы выходного фильтра 17 подключены к автономному инвертору 18, выходы которого подключены к первичным обмоткам трансформатора трансформаторного блока 19, вторичные обмотки которого подключены к выпрямителям 20 и 21. Выходные клеммы выпрямителей 20 и 21 подключены к нагрузкам 22 и 23 первой группы потребителей соответственно, через выходные фильтры 24 и 25.
Клеммы выходного фильтра 17 подсоединены также к автономным инверторам 26 и 27 второго и третьего подводных блоков потребителей, соответственно, через лебедку 28 и плавучий кабель связи 7. Выходы инверторов 26 и 27 подключены к первичным обмоткам трансформаторных блоков 28 и 29 соответственно. Вторичные обмотки трансформаторного блока 28 подключены к выпрямителям 30 и 31 второго подводного блока, а вторичные обмотки трансформаторного блока 29 подключены к выпрямителям 32 и 33 третьего подводного блока потребителей. Выходные клеммы, выпрямителей 30 и 31 подключены через выходные фильтры 34 и 35 на нагрузки 36 и 37 второй группы потребителей. Выходные клеммы выпрямителей 32 и 33 через выходные подводные фильтры 38 и 39 соответственно, подключены на нагрузки 40 и 41 третьей группы потребителей.
Система работает следующим образом. Бортовая сеть 4 обеспечивает трехфазное напряжение 380 В с частотой 50 Гц. Через блок коммутации 8, указанное напряжение бортовой сети поступает на фильтр радиопомех 9, обеспечивающий помехоподавление по каждой фазе питающего напряжения, и с выхода фильтра 9 подается на выпрямитель 10. Выпрямленное трехфазное напряжение с выпрямителя 10 сглаживается выходным фильтром 11. Сглаженное напряжение с выходного фильтра 11 поступает на входы конверторов постоянного тока 12, 13, управление которыми осуществляется блоком управления 15. Конверторы 12, 13 соединены с выходным бортовым фильтром 14, на котором формируется средняя точка. Сглаженное высоковольтное постоянное напряжение с фильтра 14, через блок датчиков обратных связей 16 поступает на входные клеммы кабель-троса 3, формируя положительную, нулевую и отрицательную силовые линии кабель-троса. Блок датчиков обратных связей 16 формирует массив данных напряжений и токов, отслеживая напряжения между «положительной-нулевой» и «нулевой-отрицательной» входными клеммами, а также токи положительного, нулевого и отрицательного проводов кабель-троса. Напряжение, поступающее с бортовой части 1, с выходных зажимов кабель-троса 3 передается на входной подводный фильтр 17 гаража-заглубителя 5 первого блока подводной части 2. Входной подводный фильтр 17 организован по схеме со средней точкой, что позволяет разделить входное напряжение подводной части 2 и сформировать, две цепи питания с дальнейшим распределением к нагрузкам по независимым каналам. Напряжение фильтра 17 распределяется между инвертором 18 первого подводного блока и инверторами 26 и 27, подключенными при помощи плавучего кабеля связи 7 лебедки 28, второго и третьего блока подводной части 2 соответственно. При этом инвертор 26 второго подводного блока подключен между положительной и нулевой клеммами передающих концов плавучего кабеля связи 7, а инвертор 27 третьего подводного блока - между нулевой и отрицательной клеммами. Выходные напряжения инверторов 18, 26 и 27 поступают на первичные обмотки трансформаторных блоков 19, 28 и 29 соответственно. Введение в подводную часть устройства трансформаторных блоков 19, 28 и 29 позволяет увеличить входное напряжение подводной части устройства с одновременным уменьшением тока, протекающего через кабель-трос, что в свою очередь увеличивает КПД кабель-троса. Блоки трансформаторов 19, 28 и 29 преобразуют входное напряжение в напряжение необходимого уровня, которое далее поступает на нагрузки 22, 23, 36, 37, 40 и 41 через последовательно соединенные выпрямители 20, 21, 30, 31, 32, 33 и выходные подводные фильтры 24, 25, 34, 35, 38, 39 соответственно. Таким образом, за счет формирования шести каналов питания в подводной части улучшается качество питания потребителей. Учитывая заранее известные сопротивления линий кабель-троса, а также обрабатывая массив данных блока датчиков обратных связей 16, блок управления 15 формирует сигналы относительной длительности открытых состояний ключей конверторов 12 и 13, производит стабилизацию выходных напряжений бортовой части 1, а также симметрирует входные напряжения подводной части 2 с учетом использования электроэнергии подводными потребителями. Также включение нагрузок 22, 23, 36, 37, 40 и 41 через инверторы 18, 26 и 27 и трансформаторные блоки 19, 28 и 29, соответственно, позволяет исключить электромагнитное влияние потребителей друг на друга, а также дополнительно обеспечить защиту от перенапряжения, путем блокировки инверторов 18, 26 и 27 в момент изменения режима работы устройства электроснабжения.
Таким образом, главным техническим результатом предложенного изобретения является увеличение отказоустойчивости благодаря возможности отключения каналов электропитания потребителей гаража-заглубителя и/или подводного аппарата при аварийном режиме, за счет блокирования управления автономного инвертора соответствующего канала питания подводной части.