УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАРЯДКИ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ ПОДВОДНОГО ОБЪЕКТА
DEVICE FOR CHARGING ACCUMULATOR BATTERY OF UNDERWATER FACILITY

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам с использованием полупроводниковых приборов для зарядки от судовой электроэнергетической системы переменного тока электрической аккумуляторной батареи, преимущественно установленной на подводном объекте.
Известны устройства для зарядки аккумуляторной батареи, известные также под названиями: зарядные устройства или зарядные агрегаты - от судовой сети переменного тока. Наиболее характерная модификация таких устройств, рассматриваемая в качестве первого аналога, содержит питающий трансформатор, подключенный своей первичной обмоткой к сети переменного тока. Вторичная обмотка питающего трансформатора подключена к входным зажимам управляемого выпрямителя тока, обычно выполняемого по несимметричной схеме, когда в катодную группу выпрямителя включены тиристоры, а в анодную - диоды. Выходные зажимы указанного выпрямителя через сглаживающий реактор и входные зажимы измерительного преобразователя зарядного тока соединены с выходными зажимами зарядного устройства, к которым подключается заряжаемая аккумуляторная батарея. Устройство содержит также блок управления. Первый управляющий вход блока управления подключен к выходу измерительного преобразователя зарядного тока. Второй управляющий вход блока управления подключен к выходным зажимам зарядного устройства. Выходы блока управления подключены к управляющим входам тиристоров управляемого выпрямителя тока. Блок управления, используя сигналы обратных связей от измерительного преобразователя зарядного тока и о выходном напряжении, обеспечивает заданный закон изменения зарядного тока во времени [1].
Это устройство обладает следующими пятью недостатками. Во-первых, при подключении устройства к сети небольшой мощности, у которой индуктивная составляющая внутреннего сопротивления источника соизмерима с индуктивным сопротивлением короткого замыкания питающего трансформатора, в кривых линейных напряжений на входе устройства имеются провалы. Длительность указанных провалов равна интервалу коммутации - времени, в течение которого ток проводят одновременно два вентиля анодной или катодной групп выпрямителей, то есть имеет место короткое замыкание входных зажимов устройства через эти два вентиля. (На этом интервале соответствующее линейное входное напряжение выпрямителя падает до нуля.)
Во-вторых, трапецеидальная форма тока, потребляемого устройством из сети, в значительной мере отличается от синусоидальной. Такие токи ухудшают электромагнитную совместимость зарядного устройства с судовой электроэнергетической системой: искажают форму напряжения в ней, заражают ее высшими гармониками и увеличивают потери мощности в ней.
В-третьих, питающий трансформатор имеет большую массу, которая значительно превосходит массу управляемого выпрямителя тока.
Четвертый недостаток - большая масса сглаживающего реактора, которая соизмерима с массой управляемого выпрямителя тока.
Пятый недостаток этого устройства проявляется в том, что при его использовании для зарядки аккумуляторной батареи подводного объекта усложнена совокупность операций по обеспечению процесса заряда и велико время выполнения этой совокупности операций. Необходимо сначала поднять такой объект на судно, затем вскрыть на подводном объекте герметичный люк, закрывающий доступ к зажимам аккумуляторной батареи, и измерить ее напряжение. Потом в зависимости от этого напряжения, от вида электрохимической системы аккумуляторов батареи, ее номинального напряжения и номинальной емкости производится настройка параметров вольтамперной характеристики и времени полной зарядки. Затем подключают зажимы аккумуляторной батареи к выходным зажимам зарядного устройства и начинают процесс заряда аккумуляторной батареи. После завершения этого процесса нужно отсоединить аккумуляторную батарею от зарядного устройства, закрыть герметичный люк и опустить подводный объект в воду. Возможность заряжать аккумуляторную батарею подводного объекта в подводном положении последнего через контактный разъем представляется неудачным решением. Морская вода - хороший проводник, и находится она под высоким давлением, которое пропорционально глубине погружения подводного объекта. Чтобы предотвратить короткое замыкание через морскую воду контактов разъема, конструкция частей разъема и всего контактного соединения в целом должна быть сложной и тяжелой. Следует также учитывать вредное воздействие морских организмов. Своими известковыми отложениями они могут препятствовать возможности проводить соединение и разъединение контактов разъема в автоматическом режиме.
В другой модификации таких устройств, рассматриваемой в качестве второго аналога, уменьшено проявление первых двух из указанных для первого аналога недостатков. Второй аналог имеет три отличительных признака по отношению к первому аналогу. Первый из этих признаков - устройство снабжено тиристорными ключами, с помощью которых первичная обмотка питающего трансформатора подключена к сети переменного тока. В каждый тиристорный ключ входят два встречно-параллельно включенных тиристора. Эти ключи образуют регулятор переменного напряжения, с помощью которого происходит управление зарядным током. Второй отличительный признак - выпрямитель тока является неуправляемым, все его вентили - диоды. Третий отличительный признак - выходы блока управления подключены к управляющим входам тиристоров, входящих в состав тиристорных ключей [2, стр.46-53, рис.2.3, а]. Второму-аналогу присущи третий, четвертый и пятый недостатки первого аналога: большие массы питающего трансформатора и сглаживающего реактора, а также усложненная совокупность и большая продолжительность операций по обеспечению процесса заряда аккумуляторной батареи подводного объекта.
Известно также устройство для зарядки аккумуляторной батареи от судовой сети переменного тока, наиболее близкое по технической сущности к заявляемому устройству (прототип). Принципиальная схема устройства для зарядки аккумуляторной батареи от судовой сети переменного тока описана в [2, стр.53].
Известное устройство для зарядки аккумуляторной батареи от судовой сети переменного тока содержит первый и второй мостовые выпрямители, сглаживающий реактор, конденсатор, однофазный автономный инвертор напряжения повышенной частоты с блоком управления этим инвертором, трансформатор повышенной частоты и измерительные преобразователи зарядного тока и выходного напряжения устройства. Эти преобразователи включены соответственно последовательно с одним из выходных зажимов второго выпрямителя и параллельно обоим выходным зажимам этого выпрямителя. Указанные выходные зажимы второго выпрямителя соединены с выходными зажимами устройства, к которым подключается заряжаемая аккумуляторная батарея, через последовательно включенный сглаживающий реактор. Входы первого мостового выпрямителя соединены с судовой электрической сетью, а к его выходу подключены зажимы конденсатора и входные силовые зажимы однофазного автономного инвертора напряжения повышенной частоты, к выходным зажимам которого подключена первичная обмотка трансформатора повышенной частоты. Вторичная обмотка этого трансформатора подключена к входным зажимам второго мостового выпрямителя, выполненного в виде неуправляемого выпрямителя тока. В прототипе выходы измерительных преобразователей зарядного тока и выходного напряжения устройства подключены к управляющим входам блока управления автономным инвертором. Регулирование зарядного тока производится с помощью широтного регулирования прямоугольных импульсов, из которых составлено выходное напряжение инвертора и, следовательно, выходное напряжение второго мостового выпрямителя.
При работе неуправляемого выпрямителя тока на конденсатор первый из недостатков первого аналога отсутствует. Благодаря применению повышенной частоты известное устройство для зарядки аккумуляторной батареи от судовой сети переменного тока (прототип) лишено третьего и четвертого недостатков первого и второго аналогов: массы трансформатора и сглаживающего реактора у прототипа во много раз меньше, чем у аналогов. Искажение потребляемых из судовой электрической сети входных токов неуправляемого выпрямителя прототипа близко к искажению входных токов регулируемого преобразователя переменного напряжения, включенного на входе второго аналога. Следовательно, проявление второго недостатка первого аналога у прототипа снижено, но полностью не устранено. Прототипу присущ и пятый недостаток аналога: для производства зарядки аккумуляторной батареи необходимо поднять подводный объект из воды и вскрыть герметичный люк, закрывающий доступ к зажимам этой батареи.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является улучшение качественных показателей работы устройства для зарядки аккумуляторной батареи подводного объекта от судовой сети переменного тока:
проведение операции заряда аккумуляторной батареи подводного объекта бесконтактным способом, не вскрывая прочный корпус подводного объекта, и даже без его подъема на судно, при нахождении подводного объекта на глубине;
расширение ряда типов заряжаемых аккумуляторных батарей, отличающихся разновидностью электрохимической системы аккумуляторов батареи и номинальными значениями ее напряжения и емкости;
корректировка программы заряда аккумуляторной батареи в зависимости от степени ее разряда (от ее напряжения перед началом заряда):
улучшение формы токов, потребляемых устройством для зарядки аккумулятора от судовой электроэнергетической системы переменного тока и исключение тем самым тех искажений напряжения судовой сети, которые вызываются работой зарядного устройства;
снижение массы зарядного устройства.
Поставленная задача достигается тем, что в устройство для зарядки аккумуляторной батареи подводного объекта, содержащее первый и второй мостовые выпрямители, сглаживающий реактор, конденсатор, однофазный автономный инвертор напряжения повышенной частоты с блоком управления этим инвертором, трансформатор повышенной частоты и измерительные преобразователи зарядного тока и выходного напряжения устройства, причем входные зажимы измерительного преобразователя зарядного тока включены между первым выходным зажимом второго выпрямителя и первым из выходных зажимов устройства, к которым подключены заряжаемая аккумуляторная батарея и входные зажимы измерительного преобразователя выходного напряжения устройства, а второй выходной зажим второго выпрямителя подключен ко второму выходному зажиму устройства через сглаживающий реактор, входы первого мостового выпрямителя соединены с судовой электрической сетью, а выходные зажимы этого выпрямителя соединены с зажимами конденсатора и входными силовыми зажимами однофазного автономного инвертора напряжения повышенной частоты, к выходным зажимам которого подключена первичная обмотка трансформатора повышенной частоты, вторичная обмотка которого подключена к входным зажимам второго мостового выпрямителя, выполненного в виде неуправляемого выпрямителя тока, введены блок управления зарядным током, канал беспроводной обратной связи, содержащий приемник и передатчик, вход которого подключен к выходу блока управления зарядным током, а к входам этого блока подключены выходы измерительных преобразователей зарядного тока и выходного напряжения устройства, в качестве первого мостового выпрямителя использован управляемый выпрямитель напряжения, управляющий вход блока управления инвертором соединен с выходом упомянутого приемника канала беспроводной обратной связи, элементы устройства размещены в трех конструктивных блоках, при этом в первом конструктивном блоке, устанавливаемом на судне, помещен управляемый выпрямитель напряжения, во втором конструктивном блоке, выполненном с возможностью опускаться под воду и связанном с первым конструктивным блоком кабелем, который соединяет выходные зажимы первого выпрямителя с зажимами конденсатора и входными силовыми зажимами однофазного автономного инвертора напряжения повышенной частоты, помещены конденсатор, однофазный автономный инвертор напряжения повышенной частоты с блоком управления инвертором, приемник канала беспроводной обратной связи и первичная обмотка трансформатора повышенной частоты, в третьем конструктивном блоке, устанавливаемом на подводном объекте, помещены вторичная обмотка трансформатора повышенной частоты, второй выпрямитель, сглаживающий реактор, измерительные преобразователи зарядного тока и выходного напряжения устройства, блок управления зарядным током и передатчик канала беспроводной обратной связи, причем второй и третий конструктивные блоки снабжены выполненными из изоляционного материала стыковочными стенками, контактные поверхности которых, при зарядке аккумуляторной батареи, плотно стыкуются одна к другой, а ко вторым, противоположным контактным, поверхностям этих стенок плотно прилегают, во втором конструктивном блоке, торец первичной обмотки трансформатора повышенной частоты и приемник канала беспроводной обратной связи и в третьем конструктивном блоке, торец вторичной обмотки трансформатора повышенной частоты и передатчик канала беспроводной обратной связи, кроме того, указанные стыковочные стенки расположены так, что обе обмотки трансформатора имеют общую ось, а приемник и передатчик канала беспроводной обратной связи находятся напротив друг друга.
Поставленная задача достигается также тем, что числа витков вторичных обмоток трансформаторов повышенной частоты, установленных в третьих конструктивных блоках, размещенных на подводных объектах, которые снабжены аккумуляторными батареями с различными значениями их номинальных напряжений, пропорциональны этим значениям.
Отличительные признаки предлагаемого решения выполняют следующие функциональные задачи:
Признаки: «…в устройство для зарядки аккумуляторной батареи подводного объекта … введены блок управления зарядным током, канал беспроводной обратной связи, содержащий приемник и передатчик, вход которого подключен к выходу блока управления зарядным током, а к входам этого блока подключены выходы измерительных преобразователей зарядного тока и выходного напряжения устройства, … управляющий вход блока управления инвертором соединен с выходом упомянутого приемника канала беспроводной обратной связи, элементы устройства размещены в трех конструктивных блоках, при этом в первом конструктивном блоке, устанавливаемом на судне, помещен управляемый выпрямитель напряжения, во втором конструктивном блоке, выполненном с возможностью опускаться под воду и связанном с первым конструктивным блоком кабелем, который соединяет выходные зажимы первого выпрямителя с зажимами конденсатора и входными силовыми зажимами однофазного автономного инвертора напряжения повышенной частоты, помещены конденсатор, однофазный автономный инвертор напряжения повышенной частоты с блоком управления инвертором, приемник канала беспроводной обратной связи и первичная обмотка трансформатора повышенной частоты, в третьем конструктивном блоке, устанавливаемом на подводном объекте, помещены вторичная обмотка трансформатора повышенной частоты, второй выпрямитель, сглаживающий реактор, измерительные преобразователи зарядного тока и выходного напряжения устройства, блок управления зарядным током и передатчик канала беспроводной обратной связи» позволяют, во-первых, проводить заряд аккумуляторной батареи подводного объекта при нахождении его под водой бесконтактным способом, без выполнения предварительных операций, обеспечивающих непосредственный доступ к зажимам аккумулятора, во-вторых, формировать внешнюю характеристику устройства (количество ступеней заряда и значения зарядного тока на каждой ступени) с учетом разновидности электрохимической системы аккумуляторов батареи и номинальных значений ее напряжения и емкости и, в-третьих, корректировать программу заряда аккумуляторной батареи в зависимости от степени ее разряда (от ее напряжения перед началом заряда).
Признак «…в качестве первого мостового выпрямителя использован управляемый выпрямитель напряжения…» позволяет улучшить форму токов, потребляемых устройством для зарядки аккумулятора от судовой электроэнергетической системы переменного тока, и исключить тем самым те искажения напряжения судовой сети, которые вызываются работой зарядного устройства.
Признаки «…второй и третий конструктивные блоки снабжены выполненными из изоляционного материала стыковочными стенками, контактные поверхности которых, при зарядке аккумуляторной батареи, плотно стыкуются одна к другой, а ко вторым противоположным контактным поверхностям этих стенок плотно прилегают, во втором конструктивном блоке, торец первичной обмотки трансформатора повышенной частоты и приемник канала беспроводной обратной связи и в третьем конструктивном блоке торец вторичной обмотки трансформатора повышенной частоты и передатчик канала беспроводной обратной связи, кроме того, указанные стыковочные стенки расположены так, что обе обмотки трансформатора имеют общую ось, а приемник и передатчик канала беспроводной обратной связи находятся напротив друг друга», позволяют упростить операции по соединению второго и третьего конструктивных блоков в единый импульсный преобразователь постоянного тока и достигнуть максимума взаимной индуктивности между первичной и вторичной обмотками трансформатора повышенной частоты и тем самым снизить массу и габаритные размеры указанных обмоток и других силовых элементов устройства. Минимизация расстояния между передатчиком и приемником обеспечивает минимизацию масс, размеров и потребляемой мощности этих элементов канала беспроводной обратной связи.
Признак «…числа витков вторичных обмоток трансформаторов повышенной частоты, установленных в третьих конструктивных блоках, размещенных на подводных объектах, которые снабжены аккумуляторными батареями с различными значениями их номинальных напряжений, пропорциональны этим значениям» позволяет достигнуть минимальных значений расчетных мощностей, масс и габаритных размеров первого мостового выпрямителя, однофазного автономного инвертора напряжения повышенной частоты и трансформатора повышенной частоты.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в следующем. Отличительные признаки предлагаемого решения обеспечивают проведение операции заряда аккумуляторной батареи подводного объекта бесконтактным способом, не вскрывая корпус подводного объекта, и даже при нахождении подводного объекта на глубине с помощью опускаемого под воду второго конструктивного блока устройства путем приведения в плотное соприкосновение контактных поверхностей второго и третьего конструктивных блоков устройства. Размещение измерительных преобразователей зарядного тока и выходного напряжения устройства и блока управления зарядным током на подводном объекте обеспечивает, во-первых, в программе заряда, заложенной в блоке управления зарядным током, учитывать особенности электрохимической системы аккумуляторов батареи, номинальные значения ее напряжения и емкости, что дает возможность расширения номенклатуры заряжаемых аккумуляторных батарей. Во-вторых, определение степени разряда аккумуляторной батареи без вскрытия корпуса подводного объекта обеспечивает возможность корректировать программу заряда с учетом этого показателя. В-третьих, вторичная обмотка трансформатора повышенной частоты, для каждого типа аккумуляторной батареи, может выполняться со значениями числа витков и сечения обмоточного провода, наилучшими для достижения минимума массы этой обмотки. Кроме того, при этом обеспечивается минимизация массы всех силовых элементов устройства, размещенных в первом и втором конструктивных блоках. Отличительные признаки предлагаемого решения обеспечивают также практически синусоидальную форму токов, потребляемых устройством от судовой электрической сети, и высокий уровень электромагнитной совместимости устройства с судовой электроэнергетической системой.
На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков изобретения стало возможным решение поставленной задачи. Следовательно, заявленное изобретение является новым, обладает изобретательским уровнем и пригодно для использования.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где: на фиг.1 - представлена принципиальная схема устройства для зарядки аккумуляторной батареи подводного объекта; на фиг.2 - схема расположения обмоток трансформатора повышенной частоты, приемника и передатчика канала беспроводной обратной связи, на фиг.3 - принципиальная схема силовой части управляемого выпрямителя напряжения, используемого в качестве первого мостового выпрямителя устройства. Схема микропроцессора, который входит в состав управляемого выпрямителя напряжения и подает команды на замыкание и размыкание электронных ключей этого выпрямителя, на фиг.3 не показана. Не приведены также соединенные с входами микропроцессора измерительные преобразователи входных и выходных токов и напряжений выпрямителя и цепи, по которым на указанные ключи подаются сигналы от микропроцессора.
Устройство для зарядки аккумуляторной батареи 1 подводного объекта 2 от расположенной на судне 3 судовой сети 4 переменного тока состоит из первого 5, второго 6 и третьего 7 конструктивных блоков и кабеля 8, соединяющего блоки 5 и 6. Первый конструктивный блок 5 расположен на судне 3. Второй конструктивный блок 6 помещен в герметичный корпус и может быть опущен на глубину, на которой находится подводный объект 2, содержащий третий конструктивный блок 7. В первом конструктивном блоке 5 размещен управляемый выпрямитель 9 напряжения, входные зажимы 10 которого соединены с судовой электрической сетью 4, а выходные зажимы 11 выпрямителя 9 подключены к входным зажимам 12 однофазного автономного инвертора 13 напряжения повышенной частоты. Инвертор 13 вместе с конденсатором 14, подключенным к зажимам 12, размещен во втором конструктивном блоке 5. Выходные зажимы инвертора 13 подключены к зажимам 15 первичной обмотки 16 трансформатора 17 повышенной частоты. Первичная обмотка 16 трансформатора 17 находится во втором конструктивном блоке 6, а вторичная обмотка 18 трансформатора 17 - в третьем конструктивном блоке 7. Обмотки 16 и 18 образуют трансформатор 17 повышенной частоты без магнитного сердечника, когда их оси совпадают, а торцы обмоток находятся на малом расстоянии друг от друга, как показано на фиг.2. Выходные зажимы 19 вторичной обмотки 18 подключены к входным зажимам второго мостового выпрямителя 20, который вместе со сглаживающим реактором 21, измерительными преобразователями 22 зарядного тока и 23 выходного напряжения устройства и блоком 24 управления зарядным током помещен в третий конструктивный блок 7. Входные зажимы измерительного преобразователя 22 зарядного тока включены между первым выходным зажимом 25 второго выпрямителя 20 и первым 26 из выходных зажимов устройства. Второй выходной зажим 27 второго выпрямителя 20 подключен ко второму выходному зажиму 28 устройства через сглаживающий реактор 21. Между выходными зажимами 26 и 28 устройства подключена аккумуляторная батарея 1, расположенная на подводном объекте 2. Выходы измерительных преобразователей 22 зарядного тока и 23 выходного напряжения устройства подключены к входам блока 24 управления зарядным током, выход которого соединен с входом передатчика 29, находящегося в третьем конструктивном блоке 7. Передатчик 29 вместе с приемником 30, находящимся во втором конструктивном блоке 6, образует канал 31 беспроводной обратной связи. Информация от передатчика к приемнику передается с помощью какого-либо поля: электромагнитного, в том числе в диапазонах радиоволн и оптическом, или ультразвукового. Выход приемника 30 соединен с находящимся во втором конструктивном блоке 6 входом блока 32 управления инвертором 13, управляющий вход которого соединен с выходом блока 32.
На фиг.2 дан разрез трансформатора 17 повышенной частоты плоскостью, в которой лежит осевая линия, общая для обмоток 16 и 18 этого трансформатора. Конструктивные блоки 6 и 7 имеют выполненные из изоляционного материала контактные стенки 33 и 34. Первые из поверхностей этих стенок (контактные поверхности) при заряде аккумуляторной батареи плотно прилегают одна к другой. Ко вторым, противоположным первым, поверхностям этих стенок плотно прилегают, во втором конструктивном блоке 6, торец первичной обмотки 16 трансформатора 17 повышенной частоты и приемник 30 канала 31 беспроводной обратной связи и, в третьем конструктивном блоке 7, торец вторичной обмотки 18 трансформатора 17 повышенной частоты и передатчик 29 канала 31 беспроводной обратной связи. При заряде аккумуляторной батареи передатчик 29 и приемник 30 расположены напротив друг друга, при этом расстояние между ними минимально.
Управляемый выпрямитель напряжения, принципиальная схема которого показана на фиг.3, содержит мостовой неуправляемый выпрямитель тока, собранный на диодах 35, электронные ключи 36, выполненные, например, на базе IGBT-транзисторов, которые включены встречно-параллельно каждому диоду, и выходной конденсатор 37, подключенный параллельно выходным зажимам 11 выпрямителя 9. Плечи выпрямителя 9, каждое из которых состоит из двух последовательно включенных диодов, относящихся к анодной и катодной группам диодов, подключены к его входным зажимам 10 через последовательно включенные токоограничивающие элементы: основные - входные реакторы 38 управляемого выпрямителя и пусковые, например, пусковые резисторы 39. Параллельно пусковым токоограничивающим элементам 39 подключены выключатели 40.
Устройство для зарядки аккумуляторной батареи 1 подводного объекта 2 от расположенной на судне 3 судовой сети 4 переменного тока, принципиальная схема которого показана на фиг.1, работает следующим образом.
u
u
Заряд аккумуляторной батареи подводного объекта проходит в три этапа. На первом, предварительном, этапе происходит подготовка к началу работы однофазного автономного инвертора 13 напряжения повышенной частоты. При этом конструктивные блоки 6 и 7 разобщены, их контактные стенки 33 и 34 не прилегают одна к другой. Обмотки 16 и 18 расположены на большом расстоянии одна от другой, как и передатчик 29 с приемником 30, поэтому трансформатор 17 повышенной частоты и канал 31 беспроводной обратной связи не могут выполнять свои функции. Второй конструктивный блок 6 и подводный объект 2 могут находиться как на борту судна, так и под водой. Измерительный преобразователь 23 выходного напряжения устройства измеряет напряжение аккумуляторной батареи 1 и подает соответствующий сигнал в блок 24 управления зарядным током. Блок 24 формирует и передает на вход передатчика 29 сигнал, задающий, при работе устройства в режиме заряда, такой коэффициент γ регулирования прямоугольных импульсов выходного напряжения автономного инвертора 20, при котором среднее значение этого напряжения равно напряжению аккумуляторной батареи 1. (, где t -длительность импульсов,  - половина периода, a f - частота выходного напряжения инвертора 20.) Так как канал 31 беспроводной обратной связи еще не действует, то выходной сигнал передатчика 29 не поступает в приемник 30. Нулевому значению выходного сигнала приемника 30 соответствует нулевое значение входного сигнала блока 32 управления инвертором 13. При этом блок 32 задает нулевое значение ширины прямоугольных импульсов напряжения на выходе инвертора 13.
вх
вых
C
к
cc
C
вх
вых
вх
вых
вх
вх
вых
C
к
C
cc
вх
вых
До подключения к судовой сети 4 напряжения конденсаторов 37 и 14 равны нулю, а все три выключателя 40 разомкнуты. В разомкнутом состоянии находятся и все электронные ключи 36 управляемого выпрямителя напряжения 9 (см. фиг.3). При подключении входных зажимов 10 управляемого выпрямителя 9 напряжения к судовой сети 4 переменного тока, например, с помощью находящегося в распределительном щите этой сети автоматического выключателя начинается неуправляемый процесс заряда конденсаторов 37 и 14. По пусковым токоограничивающим элементам 39, входным реакторам 38, диодам 35 и конденсаторам 37 и 14 и кабелю 8 начинают проходить пусковые токи. На фиг.3 приняты следующие обозначения: I - ток входной цепи управляемого выпрямителя (показан для одной фазы), I - ток его выходной цепи, I - ток конденсатора 37, I - ток кабеля 8, U - линейное напряжение судовой сети, U - напряжение конденсатора 37. Максимальные значения токов I и Iимеют место в самом начале неуправляемого процесса, когда напряжение конденсатора 37 равно нулю, что соответствует короткому замыканию на выходных зажимах 11 выпрямителя 9. При отсутствии токоограничивающих элементов 39 эти токи оказались бы слишком большими, они бы вывели из строя входные реакторы 38 и диоды 35 или привели бы к отключению автоматического выключателя, через который зажимы 10 подключены к судовой сети 4. Высокое сопротивление токоограничивающих элементов 39 позволяет снизить начальное значение пусковых токов I и I до допустимого уровня. Через несколько периодов напряжения судовой сети, когда затухнут апериодические составляющие пусковых токов I, форма этих токов практически синусоидальная. Входной трехфазный ток I выпрямителя 9 преобразуется неуправляемым (составленным из диодов 35) выпрямителем в выходной ток I, который делится на два тока. Первый из них (I) заряжает выходной конденсатор 37 выпрямителя 9, а второй (I), проходящий по кабелю 8, заряжает конденсатор 14, включенный на входе инвертора 13. В результате напряжения конденсаторов 37 и 14 начинают возрастать. При этом входные токи превращаются в последовательность знакопеременных импульсов, разделенных промежутками с нулевым значением тока. С ростом напряжения U конденсатора 37 эти промежутки становятся все более продолжительными. В конце неуправляемого процесса заряда конденсаторов 37 и 14 напряжения на них достигают амплитудного значения напряжения U судовой сети 4. При этом входные I и выходной I токи выпрямителя 9 становятся равными нулю.
1
л
C
2
2
вхн
вх
вхн
вх
вых
вых
вхн
выхн
C
Cном
cc
Cном
вых
C
C
C
C
вых
C
Cн
u
выхн
u
Cном
Cном
C
Cном
C
Cном
выхн
C
Cном
Cном
Следующая, управляемая, стадия заряда конденсаторов 37 и 14 начинается после замыкания выключателей 40, которые тем самым исключают токоограничивающее действие пусковых элементов 39. Микропроцессор по заложенной в нем программе включает и отключает электронные ключи 36. Частота коммутации, которая определяет интервалы времени включения очередного ключа 36, в сотни и более раз превосходит частоту напряжения судовой сети 4. При замыкании каких-либо двух электронных ключей, один из которых подключен к положительному выводу выпрямителя 9, а другой к отрицательному (на фиг.3 это ключи: верхний левый и нижний правый), образуется цепь короткого замыкания. Для упрощения анализа проходящих процессов пренебрежем сравнительно небольшим влиянием сопротивлений кабеля 8, а также емкости конденсатора 14 и его напряжения. Тогда в цепь короткого замыкания, помимо указанных ключей, входят два входных реактора 38 (для рассматриваемого примера это верхний и нижний) и согласно включенные источники напряжения: конденсатора 37 и одного из линейных напряжений судовой сети (для рассматриваемого примера это напряжение между верхним и нижним зажимами 10). Ток i, проходящий через эту цепь в направлении разряда конденсатора 37, быстро нарастает. Если пренебречь внутренним сопротивлением судовой сети, активным сопротивлением входных реакторов 38 и падением напряжения в ключах 36, то производная этого тока по времени t равна , где L - индуктивность одного реактора, u - мгновенное значение напряжения судовой сети, u - мгновенное значение напряжения конденсатора 37. При размыкании ключей ток через реакторы в первый момент этого режима остается прежним и по направлению, и по своему абсолютному значению, как в последний момент перед отключением ключей 36. Этот ток i внутри мостового выпрямителя пойдет по другому пути - через диоды 35 (для рассматриваемого примера это диоды: нижний левый и верхний правый) и будет уже не разряжать, а заряжать конденсатор 37. Производная этого тока по времени пропорциональна не сумме мгновенных значений напряжений сети и конденсатора 37, а их разности. Она равна  Так как напряжение конденсатора 37 в режиме управляемого заряда не меньше амплитуды линейного напряжения судовой сети, то указанная производная отрицательна, и ток i станет уменьшаться. Интервал выключенного состояния ключей 36 больше, чем включенного их состояния. Поэтому за время периода коммутации ключей 36, равного сумме этих двух интервалов, напряжение конденсатора 37 несколько увеличится. Программа микропроцессора реализует выполнение следующих условий. Первое условие - первые гармоники входных токов выпрямителя 9 (токи входных реакторов 38) образуют трехфазную симметричную систему, действующие значения этих токов равны значениям, определяемым программой. Назовем эти значения номинальным входным током I. Входные токи I имеют номинальное значение I в течение большей части управляемой стадии заряда конденсаторов 37. Помимо первой гармоники входные токи выпрямителя 9 содержат высшие гармоники, частоты которых кратны частоте коммутации ключей выпрямителя. Индуктивность L входных реакторов 38 выбирается такой, чтобы амплитуды этих гармоник были пренебрежимо малыми по сравнению с номинальным входным током выпрямителя. Линейное напряжение на выходных зажимах реакторов 38 (напряжение u между плечами выпрямителя) имеет вид последовательности прямоугольных импульсов, повторяющихся с частотой коммутации. Размах этих импульсов равен напряжению конденсатора 37, то есть при заряженном конденсаторе 37 этот размах больше амплитуды напряжения сети 4. Если, как правило, индуктивность внутреннего сопротивления источника напряжения судовой сети много меньше индуктивности L входных реакторов 38, то создаваемое выпрямителем 9 искажение формы напряжения не создает помех для работы других потребителей электроэнергии, питающихся от сети 4. В этом случае указанные высшие гармоники напряжения будут практически полностью приложены к входным реакторам. В противном случае (при близких значениях индуктивности L входных реакторов и индуктивности внутреннего сопротивления источника напряжения) для обеспечения электромагнитной совместимости выпрямителя 9 с остальными потребителями судовой сети устройство подключения выпрямителя 9 к сети 4 должно быть дополнено индуктивно-емкостным фильтром, не пропускающим высшие гармоники от выпрямителя 9 в сеть 4. Второе условие - фазовый сдвиг φ первых гармоник входных токов выпрямителя 9 относительно соответствующих фазных напряжений сети 4 должен равняться заданному (обычно нулевому) значению. В последнем случае при одном и том же среднем значении суммарного тока I, который идет на заряд конденсатора 37 и питает кабель 8, действующие значения входных токов выпрямителя и токов диодов 35 и ключей 36 становятся минимальными. Минимизируются и потери мощности не только в элементах выпрямителя 9, но и в сети 4. Назовем действующее значение тока I, соответствующее I при нулевом значении указанного фазового сдвига φ, номинальным выходным током I выпрямителя. Третье условие - поддерживается заданное среднее значение напряжение конденсатора 37. В качестве такого значения обычно принимается напряжение, превышающее амплитуду линейного напряжения источника (судовой сети) на 15-20%. Такое повышенное значение напряжения U, которое назовем номинальным выходным напряжением U, позволяет получить следующие положительные свойства устройства. Во-первых, при этом исключается переход выпрямителя в неуправляемый режим при возможных кратковременных «забросах» напряжения U судовой сети. (Они возникают при отключении от судовой сети потребителей большой мощности.) Во-вторых, для заданной мощности устройства при увеличении U снижаются номинальное значение тока I, что позволяет выбирать диоды 36, электронные ключи 35 и кабель 8 с меньшими значениями допустимых токов. Так как емкость конденсатора 37 велика, то соблюдение третьего условия равносильно поддержанию, на интервале коммутации одного ключа 36, практически неизменным мгновенного значения напряжения u конденсатора 37. (Изменение напряжения конденсатора 37 за время включенного состояния одного ключа 36 пренебрежимо мало, и можно считать, что u=U). Выполнение третьего условия обеспечивается соответствующим видом внешней характеристики выпрямителя (зависимости выходного напряжения U выпрямителя от среднего значения его выходного тока I). Рассмотрим одну из возможных реализаций такой характеристики. Интервалу 0<U<U-Δ соответствует номинальный выходной ток I. Здесь Δ - малое по сравнению с U (несколько процентов от U) отклонение напряжения U от U. Завершающей стадии заряда конденсатора 37 соответствует второй линейный участок внешней характеристики, который определяется уравнением: . Видно, что по мере приближения U к U среднее значение I выходного тока выпрямителя стремится к нулю. Первый, предварительный, этап заряда аккумуляторной батареи подводного объекта завершается при U=U. Все ключи 36 постоянно находятся в разомкнутом состоянии. Напряжения обоих конденсаторов: 37 и 14 - равны номинальному выходному напряжению U. Пульсации в них отсутствуют. Отсутствуют входные и выходной токи выпрямителя, а также ток кабеля. Если подводный объект 2 находился под водой, а второй конструктивный блок на судне, то после окончания первого этапа, перед началом второго, их следует расположить рядом.
Второй, основной, этап заряда аккумуляторной батареи подводного объекта может проходить при нахождении подводного объекта 2 и второго конструктивного блока 6 как на борту судна, так и под водой. Этот этап начинается после стыковки контактных поверхностей стенок 33 и 34 конструктивных блоков 6 и 7. С помощью специальных приспособлений эти блоки занимают положение, соответствующее фиг.2, контактные поверхности плотно прижаты одна к другой. Обмотки 16 и 18 образуют трансформатор 17 повышенной частоты, а передатчик 29 и приемник 30 составляют канал 31 беспроводной обратной связи. По этому каналу начинает проходить сигнал, управляющий через блок 32 управления инвертором 13 коэффициентом γ регулирования знакопеременных прямоугольных импульсов напряжения на выходе инвертора 13. Это напряжение трансформируется из первичной обмотки 16 трансформатора 17 повышенной частоты во вторичную обмотку 18. Среднее значение выпрямленного с помощью выпрямителя 20 напряжения этой обмотки равно, как показано выше, напряжению аккумуляторной батареи. Равенство указанных напряжений исключает возможность появления чрезмерных, опасных для аккумуляторной батареи и выпрямителя 20 зарядных токов.
Амплитудное значение импульсов выходного напряжения выпрямителя 20, которое равно максимальному среднему значению напряжения этого выпрямителя при γ=1, должно немного превосходить напряжение полностью заряженной аккумуляторной батареи в конце ее заряда. При соблюдении такого условия обеспечивается минимизация числа витков вторичной обмотки 18 трансформатора 17 и тока его первичной обмотки 16. Выполнение этого условия достигается тем, что для каждой разновидности аккумуляторной батареи на подводном объекте устанавливается своя вторичная обмотка 16 с необходимым числом витков, которое пропорционально номинальному напряжению аккумуляторной батареи. Сечение обмоточного провода этой обмотки выбирается минимальным по условию допустимого нагрева ее в течение операции заряда аккумуляторной батареи. Выполнение обоих указанных условий обеспечивает достижение минимума массы обмоточного провода вторичной обмотки 18.
ср
cp
к
C
к
вых
выхн
C
к
к
к
Несмотря на то что среднее значение выпрямленного напряжения выпрямителя 20 равно напряжению аккумуляторной батареи 1, через нее станет проходить зарядный ток. Наличие этого тока обусловлено тем, что амплитудное напряжение выпрямителя 20 значительно превосходит среднее значение напряжения аккумуляторной батареи 1. Этот ток имеет импульсный, прерывистый, характер с амплитудой, ограниченной сглаживающим реактором 21. Наибольшая амплитуда импульсов (пульсаций) тока имеет место при γ=0,5. Индуктивность L сглаживающего реактора 21 выбирается такой, чтобы эти пульсации не превосходили заданное значение. (Обычно амплитуду пульсаций ограничивают значением 25% от номинального зарядного тока.) Появление зарядного тока фиксируется измерительным преобразователем 22 этого тока, что является свидетельством успешной стыковки конструктивных блоков 5 и 6 и сигналом к началу управляемого процесса заряда аккумуляторной батареи 1 по программе, заложенной в блок 24 управления зарядным током. В зависимости от электрохимической системы аккумуляторов батареи 1 эта программа предусматривает одну или несколько ступеней заряда со стабилизацией зарядного тока или напряжения аккумуляторной батареи 1. Стабилизацию этих величин производит блок 24 управления зарядным током. Этот блок сравнивает значения, заложенные в его программе, с соответствующими сигналами обратной связи, поступающими от измерительных преобразователей зарядного тока 22 и напряжения 23 батареи 1. В результате сравнения вырабатывается и подается через канал 31 беспроводной обратной связи в блок 32 управления инвертором сигнал, направленный на устранение разницы между заданными и измеренными значениями зарядного тока или напряжения. Этот сигнал управляет коэффициентом γ. В течение ступени заряда с неизменным значением зарядного тока напряжение аккумуляторной батареи и коэффициент γ постепенно возрастают. Напряжение аккумуляторной батареи практически не имеет пульсаций, тогда как выходное напряжение выпрямителя 20 близко по форме к последовательности прямоугольных импульсов. При этом амплитуды пульсаций этого напряжения по отношению к его среднему значению равны или даже превосходят это среднее значение. Эти пульсации практически полностью приложены к сглаживающему реактору 21. Индуктивность L сглаживающего реактора 21 снижает пульсации зарядного тока до допустимого значения. Благодаря высокой частоте указанных пульсаций (единицы - десятки килогерц) эта индуктивность и масса реактора малы, они в тысячи раз меньше, чем у первого и второго аналогов. Наличие зарядного тока приводит к разряду, снижению напряжения конденсатора 14, что, в свою очередь, вызывает появление тока I в кабеле 8 и снижение напряжения U конденсатора 37 управляемого выпрямителя 9. Микропроцессор, управляющий работой управляемого выпрямителя 9, начинает коммутировать ключи 36. Появившийся в результате этого выходной ток выпрямителя 9 ограничивает разряд конденсатора 37. Работа управляемого выпрямителя 9 происходит так же, как и на описанном выше первом этапе. В результате установится процесс, при котором средние значения токов конденсаторов 14 и 37 равны нулю, а напряжения этих конденсаторов постоянны. При этом среднее значение входного тока инвертора 13 равно току I кабеля 8 (ток кабеля практически не имеет пульсаций) и среднему значению выходного тока I управляемого выпрямителя 9. Параметры устройства для зарядки аккумуляторной батареи выбраны таким образом, что при любой ступени заряда аккумуляторной батареи любого из тех подводных объектов 2, что обслуживает рассматриваемое устройство, среднее значение входного тока инвертора 13 не превосходит номинальный выходной ток I выпрямителя 9. Поэтому напряжение конденсатора 37 определяется тем же уравнением, что и на первом этапе: . Напряжение на входе автономного инвертора меньше напряжения U на потерю напряжения в кабеле IR, где R - активное сопротивление кабеля.
Завершение ступени с неизменным зарядным током производится, когда напряжение аккумуляторной батареи, измеренное преобразователем 23 напряжения, достигнет контрольного значения, характеризующего окончание процесса заряда, или переход от этой ступени к следующей, на которой стабилизируется напряжение аккумуляторной батареи 1. Окончание процесса заряда аккумуляторной батареи или переход к следующей ступени, на которой снова стабилизируется зарядный ток, происходит, когда зарядный ток, измеренный преобразователем 22 тока, снизится до контрольного значения. После выполнения условия окончания процесса заряда блок 24 управления зарядным током посылает через канал 31 беспроводной обратной связи сигнал, под действием которого блок 32 управления инвертором 13 задает нулевое значение ширины прямоугольных импульсов напряжения на выходе инвертора 13. Аналогичный сигнал на прекращение заряда будет послан блоком 24 и в другом случае, когда условие окончания процесса заряда не выполнено, но истекло допустимое время длительности этого процесса. Контроль времени заряда осуществляется также блоком 24. Такое окончание заряда аккумуляторной батареи является свидетельством неисправного состояния этой батареи. Сигнал о таком событии посылается с подводного объекта на судно по специальному информационному каналу.
Cном
После прекращения работы инвертора начинается третий, завершающий, этап работы устройства для заряда аккумулятора, на котором подводный объект 2 и конструктивный блок 6 расстыковываются. В начале этого этапа будет проходить управляемый заряд конденсаторов 37 и 14 до номинального напряжения U. Этот процесс протекает так же, как и уже описанный заряд этих конденсаторов, имеющий место на первом этапе работы устройства. Указанный процесс не зависит от того, прилегают или нет друг к другу контактные поверхности стенок 33 и 34. В любом случае блок 32 управления инвертором 13 задает нулевое значение коэффициента γ регулирования импульсов напряжения на выходе инвертора 13.
вх
вых
Если сразу после окончания процесса заряда аккумуляторной батареи одного подводного объекта начать заряд аккумуляторной батареи другого подводного объекта, то процесс заряда новой батареи начнется со второго этапа. Если же очередная зарядка откладывается на продолжительное время, то управляемый выпрямитель 9 отключают от судовой сети. При этом выключатели 40 размыкаются. С течением времени конденсаторы 14 и 37 разряжаются через сопротивления изоляции. При этом напряжения этих конденсаторов продолжают быть равными. Новый цикл работы зарядного устройства может начаться, когда напряжения на конденсаторах еще не станут равными нулю. Это нисколько не ограничивает возможность выполнения процесса заряда конденсаторов 14 и 37 при подключении выпрямителя 9 к судовой сети через пусковые токоограничивающие элементы 39 исходные реакторы 38. При наличии остаточного напряжения на конденсаторах 14 и 37 начальные значения пусковых токов I и I будут меньше, чем при их нулевом напряжении. Уменьшится и время неуправляемого процесса заряда этих конденсаторов.
Источники информации
1. Сафронов А.И. Состояние и перспективы развития преобразователей для зарядки аккумуляторных батарей // Электротех. пром-сть. Сер.5. Силовая преобразоват. техника: Обзор. информ. - 1989. - Вып.23. - С.31-32, рис.7 (первый аналог).
2. Анисимов Я.Ф., Васильев Е.П. Электромагнитная совместимость полупроводниковых преобразователей и судовых электроустановок. - Л.: Судостроение, 1990. - 264 с. (Второй аналог - с.46-53, рис.2.3, а, прототип - с.53.)