УСТРОЙСТВО ПЕРЕДАЧИ МОЩНОСТИ ПОСТОЯННОГО ТОКА К ТЕЛЕУПРАВЛЯЕМОМУ НЕОБИТАЕМОМУ ПОДВОДНОМУ АППАРАТУ

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к устройствам для передачи электроэнергии с судна-носителя на борт телеуправляемого необитаемого подводного аппарата по кабель-тросу.
В последние годы происходит бурное развитие телеуправляемых необитаемых подводных аппаратов, которые позволяют проводить исследования на больших глубинах до 6000 м. Такой телеуправляемый необитаемый подводный аппарат требует использования кабель-троса длиной в 1,3÷1,5 раза большей, чем указанная глубина.
Однако задача электроснабжения подводного аппарата, ввиду ограниченной пропускной способности кабель-троса, связывающего аппарат с судном, при больших глубинах погружения является достаточно сложной. При такой длине кабель-троса, передача электрической энергии переменным током, мощностью несколько десятков киловатт, возможна только путем повышения напряжения в кабель-тросе. При традиционной схеме электропередачи переменного тока с повышающим трансформатором в начале кабель-троса и понижающим в ее конце, невозможно получить одновременно стабильность напряжения в конце кабель-троса при изменении нагрузки и максимальную пропускную способность кабель-троса. Кроме того, в данной системе имеют место потери в кабель-тросе, вызванные емкостным током в кабеле.
Передача электроэнергии на частоте 50 Гц требует использования трансформаторов, имеющих большой вес и габариты. Передача на повышенной частоте (400÷1000) Гц обеспечивает снижение веса и габаритов трансформатора, но для таких систем требуется преобразование частоты на борту обеспечивающего судна. Обычно, это можно сделать с помощью частотного преобразователя.
Передача электроэнергии по кабель-тросу на постоянном токе имеет ряд отличий от систем переменного тока: отсутствие реактивной составляющей тока кабель-троса; меньшее падение напряжения в кабель-тросе. В результате, системы постоянного тока имеют ряд достоинств, связанные с отсутствием реактивной составляющей тока кабель-троса, меньшими потерями мощности в кабеле, а также габаритами и стоимостью кабеля, однако, основными недостатками системы являются проблемы, связанные с преобразованием высокого напряжения постоянного тока в подводной части системы. Данные недостатки систем на постоянном токе требуют тщательной проработки.
Известны системы передачи мощности постоянного тока к подводным объектам и установкам. Например, система передачи мощности постоянного тока к телеуправляемому необитаемому подводному аппарату по кабель-тросу по патентной заявке США №20120210926, опубликованной 23.08.2012, содержит выпрямитель, установленный на судне-носителе, выпрямляющий переменное напряжение судовой сети, а затем это выпрямленное напряжение передается по кабелю к подводному объекту по двухжильному кабелю.
Международная заявка WO №2012038100 описывает аналогичную систему, в которой также используется выпрямитель и передача мощности постоянного тока по двухжильному кабелю.
Известна также система передачи мощности к подводной системе, по патентной заявке Великобритании №2382600. Мощность постоянного тока передается к подводным инструментам по кабелю от источника переменного тока, расположенного на морской буровой платформе или на борту судна. Система содержит трансформатор, повышающий напряжение переменного тока, выпрямитель, с которого выпрямленное напряжение передается по двухжильному кабелю.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является устройство для электроснабжения подводного аппарата с борта судна-носителя, работающее на постоянном токе по патенту на полезную модель РФ №156356. Указанное устройство для электроснабжения подводного объекта с борта судна-носителя, содержит установленный на судне-носителе выпрямитель, входные зажимы которого подключены к судовой электрической сети, а выходные зажимы связаны с двумя конверторами постоянного тока с параллельно включенными конденсаторами фильтров. Один из указанных конверторов соединен с положительным выводом выпрямителя и нулевым проводом, а второй - с отрицательным выводом выпрямителя и нулевым проводом, т.е. выпрямленное напряжение подается по трехжильному кабелю. В каждую жилу кабель-троса на выходах конверторов постоянного тока введены датчики тока, сигналы с которых преобразуются в напряжения по каждой жиле и подаются к схеме управления указанными конверторами постоянного тока. Питающий конец кабель-троса соединен с выходами конверторов, а к приемному концу подключены потребители подводного аппарата. В данном устройстве, за счет того что, по кабель-тросу передается постоянное напряжение и отсутствует реактивная составляющая тока, обеспечиваются более низкие потери мощности в кабеле по сравнению с передачей энергии на переменном токе. Также в подводном аппарате отсутствует аппаратура преобразования постоянного тока, и напряжение с выхода кабель-троса непосредственно поступает к потребителям электроэнергии, что создает возможность установки дополнительного научно-исследовательского и иного оборудования в подводном аппарате. В этом устройстве конверторы постоянного тока с датчиками тока и схемами управления конверторами 3
обеспечивают симметричную загрузку жил линии связи в виде трехжильного кабель-троса.
Недостатками устройства являются низкие массогабаритные показатели кабель-троса за счет передачи мощности постоянного тока по трехжильному кабелю, а также высокую стоимость.
В подводных аппаратах основными потребителями мощности являются двигатели, необходимое напряжение для их работы составляет порядка 600 В. Все остальные потребители, а это электронные схемы, управляющие работой эхолотов, освещением и т.п., группируются так, что им требуется 300 В, и на подводных аппаратах предусмотрены специальные преобразователи, рассчитанные на это напряжение, и далее мощность распределяется по другим устройствам.
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 заглубитель соединен с судном-носителем (См. Рекламный проспект фирмы "Schilling Robotics" на сайте httn://www.schilling.com), а также патенты №№US 6257162, US 6176831, GB 2160156, GB 2210838, патент РФ на полезную модель №46611. Гараж-заглубитель в своем составе имеет кабину для размещения подводного аппарата, лебедку с барабаном кабеля связи с системой, управляющей длиной свободного кабеля связи между гаражом-заглубителем заглубителем и подводным аппаратом. Гараж-заглубитель также позволяет установить на нем часть блоков системы 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 гараж-заглубителя с подводным аппаратом является короткий и плавучий кабель связи.
Задача полезной модели - повышение надежности работы системы за счет устранения несимметрии при переходных процессах в нагрузках.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве передачи мощности к подводному телеуправляемому необитаемому аппарату с борта судна-носителя, содержащем установленный в бортовой части выпрямитель, входные зажимы которого выполнены с возможностью подключения к судовой электрической сети, а выходные зажимы - к высокочастотному импульсному преобразователю постоянного напряжения, 4
кабель-трос, соединяющий бортовую часть с подводной частью устройства, включающей гараж-заглубитель, питающий конец кабель-троса подключен к выходным зажимам бортовой части устройства передачи мощности, а приемный конец предназначен для соединения с размещенными на подводной части группами потребителей гаража-заглубителя, а также устройство выравнивания нагрузок жил трехжильного кабеля связи, приемный конец кабель-троса обеспечивает соединение с потребителями через емкостной делитель напряжения гаража-заглубителя 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, при этом кабель связи выполнен с возможностью передачи мощности к подводному аппарату.
Симметрирующее устройство состоит из двух последовательных ключей с обратными диодами, подключенных параллельно выходным зажимам приемного конца кабеля связи, с центральной точкой, подключенной к его нулевому проводу, причем, между плюсовым и нулевым зажимами подключена первая группа потребителей, между минусовым и нулевым - вторая группа потребителей, гаража-заглубителя.
Симметрирующее устройство обеспечивает выравнивание нагрузок в подводном аппарате, при этом кабель-трос, имеющий большую длину (до 8000 м) выполняется двухжильным, а короткий кабель связи - трехжильным, но на малой длине (порядка 200 м) это меньше влияет на его плавучесть, стоимость и другие характеристики.
Далее сущность полезной модели поясняется с помощью рисунка, на котором представлена блок схема устройства электроснабжения.
1
4
Устройство передачи мощности постоянного тока к подводному телеуправляемому аппарату состоит из бортовой части 1 и подводной части 2 устройства, соединенных кабель-тросом 3. Подводная часть устройства включает гараж-заглубитель 4 и кабель связи 6, передающий мощность к подводному аппарату 5. Бортовая часть устройства 1, располагаемая на судне-носителе, запитанная от бортовой сети 7, содержит выпрямитель 8, выходные зажимы которого соединены с инвертором 9, состоящим из ключей 10-10. Выход инвертора связан трансформаторной связью 11-12 с выпрямителем 13. Конденсатор 1-4 и дроссель 15 образуют выходной LC-фильтр выпрямителя. Питающий конец кабель-троса 3, содержащего две жилы, соединен с выходным LC-фильтром преобразователя. К приемному концу кабель-троса 3 подключен емкостной делитель напряжения, состоящий из конденсаторов 16 и 17, соединение которых образует нулевую точку, куда подключается нулевой провод трехжильного кабеля связи 6. Первая и вторая 5
группы потребителей - нагрузок, расположенных на гараже заглубителе, 23 и 24, соответственно, подключены через симметрирующее устройство, состоящее из дросселя 18, включенного в нулевой провод, и двух последовательных ключей 19 и 20 с обратными диодами 21 и 22, соответственно, подключенных параллельно конденсаторам 16 и 17 делителя напряжения. Подводный аппарат соединяется с гаражом-заглубителем коротким (порядка 200-300 м) кабелем связи 6, к жилам которого подключены первая и вторая группы нагрузок 25 и 26, соответственно, подводного аппарата.
Устройство работает следующим образом: трехфазное напряжение основной бортовой сети 7 - 380 В поступает на вход выпрямителя 8. Выпрямленное напряжение 510 В с выхода выпрямителя 8 поступает на высокочастотный импульсный преобразователь, состоящий из инвертора 9 и выпрямителя 13, где напряжение повышается до необходимого уровня с целью компенсации падения напряжения на активном сопротивлении кабель-троса 3 и стабилизируется в заданном диапазоне. Далее по двухжильному кабель-тросу 3 это напряжение поступает на емкостный делитель 16 и 17, установленный в гараже-заглубителе 4, и, через симметрирующее устройство, питает соответствующие нагрузки 23 и 24 гаража-заглубителя, затем по кабелю связи 6 поступает к нагрузкам 25 и 26 подводного аппарата. Ключи 19 и 20 симметрирующего устройства управляются в функции рассогласования по напряжению потребителей с конденсаторов 16 и 17, и тока в нулевой жиле кабеля связи 6.
За счет введения симметрирующего устройства обеспечивается симметричная загрузка током жил кабеля связи 6 в зависимости от мощности потребления нагрузок 25 и 26, что дает возможность улучшения надежности работы устройства.
Основными достоинствами предложенной системы электроснабжения являются:
1. Более низкие потери мощности в кабель-тросе 3 по сравнению с передачей энергии на переменном токе и отсутствие реактивной составляющей тока кабель-троса 3.
2. Высокие массогабаритные характеристики подводной части системы электроснабжения, расположенной на подводном аппарате, за счет отсутствия энергопреобразующей аппаратуры постоянного тока, что высвобождает дополнительное пространство на борту подводного аппарата и дает возможность установки дополнительного научно-исследовательского и иного оборудования.
3. Обеспечение симметричной загрузки током жил кабеля связи 6, за счет введения симметрирующего устройства, что также дает возможность повышения надежности работы устройства.