Устройство для бесконтактной передачи электроэнергии и информационных сигналов на подводный аппарат
DEVICE FOR CONTACTLESS TRANSMISSION OF ELECTRICITY AND INFORMATION SIGNALS TO AN UNDERWATER VEHICLE

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для бесконтактной передачи на подводный аппарат электрической энергии, которая, в частности, применяется для зарядки электрической аккумуляторной батареи, установленной на этом подводном аппарате, с организацией бесконтактного информационного канала.
Известно устройство для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный аппарат с совмещенным информационным каналом (Устройство для передачи энергии и сигналов к подводному аппарату. Авт. свид. СССР №1390962, В63В 21/66, 1985 (аналог)). Известное устройство электроэнергии и информационных сигналов на подводный аппарат содержит установленный на судне-носителе пульт дистанционного управления, который посредством кабель-троса, спущенного за борт, через спускоподъемное устройство судна-носителя соединен с коммутационным блоком, размещенным на подводном аппарате. На коммутационном блоке установлены автоматические электрические разъемы, выполненные в виде половин трансформатора, соединяющими коммутационный блок с подводным аппаратом. Передача энергии и обмен информацией между судном-носителем и подводным аппаратом осуществляется, когда обе половины трансформатора приведены в согласованное положение, т.е. зазор и смещение на превышают допустимого значения.
Недостатки устройства обусловлены тем, что передача электроэнергии и информационных данных осуществляется через одну и ту же пару обмоток трансформатора с разделяющимися первичной и вторичной частями. Одна часть трансформатора с первичной обмоткой связана с обеспечивающим судном-носителем, а другая часть с вторичной обмоткой размещена на подводном необитаемом аппарате. Для исключения взаимного влияния силового и информационного каналов в объединяющем их одном устройстве передаваемые сигналы должны существенно отличаться по значениям частот. Максимальная частота информационного сигнала, значение которой определяется требуемой скоростью передачи информации, существенно ограничивается за счет подавления уровня этого сигнала из-за паразитных емкостей и индуктивностей рассеяния обмоток трансформатора, что приводит к ограничению скорости передачи информации, а также снижает ее достоверность и надежность.
Известно также устройство для бесконтактной передачи электроэнергии с совмещенным информационным каналом. (Frequency select ion of an inductive contactless power transmission system for ocean observing. Jie Zhou, De-jun Li, Ying Chen. Ocean Engineering 60 (2013), 175-185 (прототип)). Устройство состоит из инвертора (Full-Bridge Inverter), силовой вход которого подключен к источнику электроэнергии (DC Power Suppier), а выход соединен с одной из двух силовых обмоток для передачи энергии (Power Transmission Coils), при этом совокупность этих двух обмоток представляет собой трансформатор, а указанная обмотка является первичной (передающей). Вторая обмотка является вторичной (приемной) и ее выводы соединены с входом выпрямителя (Rectifier), первый выход которого через регулятор напряжения (Voltage Regulator) соединен с нагрузкой (Load). Устройство содержит также две антенны (Printed WLAN Antennas), которые образуют бесконтактный информационный канал, при этом первая антенна конструктивно объединена с корпусом первичной обмоткой, а вторая антенна - с корпусом вторичной обмотки трансформатора. Первая антенна через интерфейс локальной сети (WLAN Interface) и устройства цифровой обработки сигнала (ARM SC2401 и DSP TMS 320F2812) соединена с драйвером инвертора (Bridge Driver), выход которого соединен с управляющим входом инвертора. Вторая антенна через интерфейс локальной сети (WLAN Interface) и устройства цифровой обработки сигнала (ARM SC2401 и DSP TMS 320F2812) связана с выходом измерительного преобразователя напряжения и тока (Voltage Current Samplers), вход которого соединен со вторым выходом выпрямителя.
Устройство-прототип имеет первый недостаток, который становится критическим при использовании устройства для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный аппарат, т.к. принятое исполнение не позволяет совместить контактную плоскость приемной части устройства с цилиндрическими обводами оболочки подводного аппарата (Fig. 21. Photograph of the prototype system). Выполнение силовых частей устройства на сердечниках чашечного типа с плоской контактной поверхностью влечет за собой появление дополнительного немагнитного зазора между обмотками трансформатора при условии размещения приемной части в пределах оболочки подводного аппарата. Дополнительный немагнитный зазор определяется высотой сегмента h, который сформирован обводами подводного аппарата и контактной поверхностью стыковочной стенки в плоскости сечения осей обмоток трансформатора:
где D - диаметр подводного аппарата; d - ширина (диаметр) корпуса вторичной части трансформатора.
Этот зазор вызывает снижение коэффициента магнитной связи между обмотками трансформатора, что приводит к увеличению реактивной составляющей его первичного тока, увеличивает токовую нагрузку на силовые ключи инвертора и потери мощности на них. Это снижает надежность работы ключей и требует принятия соответствующих мер для отвода тепла. Уменьшается также передаваемая мощность от первичной к вторичной обмотке и снижается значение вторичного тока трансформатора, что приводит к увеличению времени заряда аккумуляторных батарей на подводном аппарате. Указанный недостаток усугубляется тем, что принятое расположение антенны информационного канала и катушек силового канала увеличивает размеры плоской торцевой стыковочной первичной части устройства-прототипа (параметр d в формуле (1)). Это приводит к еще большему увеличению дополнительного немагнитного зазора.
Размещение вторичной части устройства так, что торцевая стыковочная стенка выступает за пределы обводов оболочки подводного аппарата, позволит избежать дополнительного зазора между обмотками трансформатора при стыковке его первичной и вторичной частей, однако наличие выступов за пределами обводов подводного аппарата увеличивает его гидродинамическое сопротивление, повышает шумность движения и усложняет причаливание аппарата к базе.
Второй недостаток устройства-прототипа связан с тем, что не контролируются параметры электрообеспечения нагрузки, а также ее состояние. Если нагрузкой является аккумуляторная батарея подводного аппарата, то указанный контроль является необходимым для создания условий надежной работы этой батареи.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение надежности работы в целом и увеличение передаваемой мощности от первичной к вторичной обмотке трансформатора устройства для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный аппарат и, соответственно, сокращение времени заряда аккумуляторных батарей подводного аппарата за счет уменьшения расстояния между обмотками трансформатора при сохранении условий обтекаемости корпуса подводного аппарата при одновременном функционировании информационного канала между первичной и вторичной частями устройства.
Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для бесконтактной передачи электроэнергии и информационных сигналов на подводный аппарат, состоящем из инвертора, первичной обмотки трансформатора, приемо-передающей первой антенны радиоканала, интерфейса локальной сети первичной стороны устройства с первым блоком цифровой обработки сигналов, информационного канала первичной стороны устройства, расположенных  на причальной станции, а также вторичной обмотки трансформатора, выпрямителя, регулятора напряжения, измерительного преобразователя напряжения и тока выпрямителя, интерфейсов локальной сети вторичной стороны устройства с соответствующим вторым блоком цифровой обработки сигналов, информационного канала вторичной стороны устройства, расположенных на подводном аппарате, при этом силовой вход инвертора подключен к источнику электроэнергии, который может находиться как в составе причальной станции, так и вне ее, выход инвертора соединен с выводами первичной обмотки трансформатора, а выводы вторичной обмотки трансформатора подсоединены к входу выпрямителя, первый выход которого через регулятор напряжения соединен с нагрузкой, а второй его выход соединен с измерительным преобразователем напряжения и тока выпрямителя, первая антенна радиоканала последовательно через интерфейс локальной сети первичной стороны устройства и первый блок цифровой обработки сигналов посредством информационного канала первичной стороны устройства связана с управляющим входом инвертора, а вторая антенна радиоканала последовательно через интерфейс локальной сети вторичной стороны устройства и второй блок цифровой обработки сигналов связана посредством информационного канала вторичной стороны устройства с измерительным преобразователем напряжения и тока выпрямителя, при этом первичная обмотка и первая антенна радиоканала размещены в первичной части трансформатора, а вторичная обмотка и вторая антенна радиоканала - во вторичной части трансформатора, дополнительно вторая антенна радиоканала последовательно через интерфейс локальной сети вторичной стороны устройства и второй блок цифровой обработки сигналов посредством информационного канала вторичной стороны устройства функционально связана с регулятором напряжения и с нагрузкой, при этом обмотки трансформатора выполнены в виде плоских дисков, а магнитопроводы первичной и вторичной частей трансформатора выполнены в виде плоских ферромагнитных экранов, по одному прилегающих к первым торцам первичной и вторичной обмоток трансформатора, а вторые торцы обмоток по одному прилегают к внутренним поверхностям стыковочных стенок корпусов первичной и вторичной частей трансформатора, каждая антенна радиоканала размещена в полости, образованной внутренним витком плоской обмотки, а также с одной стороны - магнитным экраном, а с другой стороны - внутренней поверхностью стыковочной стенки корпуса трансформатора, при этом исполнение обмоток и магнитных экранов выполнено с возможностью придания им требуемого изгиба, совпадающего с обводами оболочки подводного аппарата, причем при передаче электроэнергии и информационных сигналов обе обмотки имеют общую ось, наружные стыковочные стенки корпусов первичной и вторичной частей трансформатора прилегают друг к другу, при этом немагнитный зазор между обмотками имеет минимальное конструктивное значение, определяемое суммарной толщиной стыковочных стенок корпусов первичной и вторичной частей трансформатора, а нагрузкой устройства является аккумуляторная батарея подводного аппарата.
В заявленном устройстве для бесконтактной передачи электрической энергии и информационных сигналов на подводный аппарат общими существенными признаками для него и для его прототипа являются:
• источник электроэнергии, инвертор, выпрямитель, первичная и вторичная обмотки трансформатора, приемо-передающие первая и вторая антенны радиоканала, регулятор напряжения, измерительный преобразователь напряжения и тока выпрямителя, интерфейсы локальной сети первичной и вторичной сторон устройства с двумя блоками цифровой обработки сигналов, информационные каналы первичной стороны и вторичной стороны устройства;
• силовой вход инвертора подключен к источнику электроэнергии, его выход соединен с выводами первичной обмотки трансформатора, а выводы вторичной обмотки подсоединены к входу выпрямителя, первый выход которого через регулятор напряжения соединен с нагрузкой, а второй его выход соединен с измерительным преобразователем напряжения и тока выпрямителя;
• первая антенна радиоканала последовательно через интерфейс локальной сети первичной стороны устройства и первый блок цифровой обработки сигналов посредством информационного канала первичной стороны устройства связана с управляющим входом инвертора, а вторая антенна радиоканала последовательно через интерфейс локальной сети вторичной стороны устройства и второй блок цифровой обработки сигналов посредством информационного канала вторичной стороны устройства связана с измерительным преобразователем напряжения и тока выпрямителя.
Сопоставительный анализ существенных признаков заявленного устройства для бесконтактной передачи электроэнергии и информационных сигналов на подводный аппарат и его прототипа показывает, что первый в отличие от прототипа имеет следующие отличительные признаки:
• вторая антенна радиоканала последовательно через интерфейс локальной сети вторичной стороны устройства и второй блок цифровой обработки сигналов посредством информационного канала вторичной стороны устройства функционально связана с регулятором напряжения и с нагрузкой;
• обмотки трансформатора выполнены в виде плоских дисков, а магнитопроводы первичной и вторичной частей трансформатора выполнены в виде плоских ферромагнитных экранов, по одному прилегающих к первым торцам первичной и вторичной катушек трансформатора, а вторые торцы катушек по одному прилегают к внутренним поверхностям стыковочных стенок корпусов первичной и вторичной частей трансформатора;
• каждая антенна радиоканала размещена в полости, образованной внутренним витком плоской обмотки, а также с одной стороны - магнитным экраном, а с другой стороны - внутренней поверхностью стыковочной стенки корпуса трансформатора;
• исполнение обмоток и магнитных экранов выполнено с возможностью придания им требуемого изгиба, совпадающего с обводами оболочки подводного аппарата.
Отличительные признаки предлагаемого решения выполняют следующие функциональные задачи для достижения требуемого технического результата:
• признак: «… вторая антенна радиоканала последовательно через интерфейс локальной сети вторичной стороны устройства и блок цифровой обработки сигналов посредством информационного канала вторичной стороны устройства связана с регулятором напряжения и с нагрузкой…» - обеспечивает контроль параметров заряда и состояние аккумуляторной батареи, что может быть использовано для оптимизации режима заряда, предотвращения аварийных ситуаций и способствовать общему повышению надежности работы устройства;
• признаки: «…обмотки трансформатора выполнены в виде плоских дисков, а магнитопроводы первичной и вторичной частей трансформатора выполнены в виде плоских ферромагнитных экранов, по одному прилегающих к первым торцам первичной и вторичной обмоток трансформатора, а вторые торцы обмоток по одному прилегают к внутренним поверхностям стыковочных стенок корпусов первичной и вторичной частей трансформатора, … исполнение обмоток и магнитных экранов выполнено с возможностью придания им требуемого изгиба, совпадающего с обводами оболочки подводного аппарата» - обеспечивают минимально возможный зазор между обмотками трансформатора при стыковке подводного аппарата с причальной станцией для заряда аккумуляторной батареи. Это повышает коэффициент магнитной связи между обмотками трансформатора, что сопровождается увеличением передаваемой мощности от первичной к вторичной обмотке и, соответственно, сокращением времени заряда аккумуляторных батарей подводного аппарата при сохранении условий обтекаемости его корпуса.
• признак: «…каждая антенна радиоканала размещена в полости, образованной внутренним витком плоской обмотки, а также с одной стороны - магнитным экраном, а с другой стороны - внутренней поверхностью стыковочной стенки корпуса трансформатора» - способствует увеличению площади витка обмотки при заданном ограничении поперечного размера корпуса трансформатора, что позволяет получить максимально возможную передаваемую электрическую мощность и сократить время заряда аккумуляторных батарей подводного аппарата.
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. Указанные существенные признаки, отличающие заявленное устройство для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный аппарат от прототипа, в совокупности с признаками, общими для него и прототипа, обеспечивает достижение заявленного технического результата во всех случаях, на которые распространяется объем правовой охраны.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный аппарат с совмещенным бесконтактным информационным каналом; на фиг. 2 - чертеж трансформатора.
Устройство для бесконтактной передачи электроэнергии и информационных сигналов на подводный аппарат 1 состоит из инвертора 2, первичной части 3 трансформатора, содержащей первичную обмотку 4 и первую антенну 5 радиоканала, интерфейса 6 локальной сети первичной стороны устройства и первого блока 7 цифровой обработки сигналов, а также информационного канала 8 первичной стороны устройства, при этом перечисленные функциональные блоки размещены на причальной станции 9. Источник 10 электроэнергии может размещаться как на причальной станции 9, так и вне ее, например, на берегу или на обеспечивающем судне, при этом источник 10 подсоединен к силовым входам инвертора 2, а выход инвертора 2 соединен с выводами первичной обмотки 4 трансформатора. Первая антенна 5 радиоканала последовательно через интерфейс 6 локальной сети первичной стороны устройства и первый блок 7 цифровой обработки сигналов посредством информационного канала 8 первичной стороны устройства связана с управляющим входом инвертора 2. На подводном аппарате 1 расположены вторичная часть 11 трансформатора, содержащая вторичную обмотку 12 и вторую антенну 13 радиоканала. Кроме этого на подводном аппарате 1 расположены интерфейс 14 локальной сети вторичной стороны устройства и второй блок 15 цифровой обработки сигналов, а также информационный канал 16 вторичной стороны устройства, выпрямитель 17, измерительный преобразователь 18 напряжения и тока выпрямителя 17, регулятор 19 напряжения и аккумуляторная батарея 20. Выводы вторичной обмотки 12 подсоединены к входу выпрямителя 17, первый выход которого через регулятор напряжения 19 соединен с аккумуляторной батареей 20, а второй его выход соединен с измерительным преобразователем 18 напряжения и тока выпрямителя 17. Вторая антенна 13 радиоканала последовательно через интерфейс 14 локальной сети вторичной стороны устройства и второй блок 15 цифровой обработки сигналов посредством информационного канала 16 вторичной стороны устройства связана с измерительным преобразователем 18 напряжения и тока выпрямителя 17, с регулятором 19 напряжения и с аккумуляторной батареей 20.
На фиг. 2 показан разрез трансформатора при состыкованных первичной 3 и вторичной 11 частях, представляющих собой герметичные корпуса 21 и 22 соответственно, в каждом из которых размещены соответствующие обмотки трансформатора, ферромагнитные экраны и антенны радиоканала. Первичная 4 и вторичная 12 обмотки трансформатора выполнены плоскими, а магнитопроводы 23 первичной и 24 вторичной частей трансформатора выполнены в виде плоских ферромагнитных экранов, по одному прилегающих к первым торцам первичной 4 и вторичной 12 обмоток трансформатора, а вторые торцы обмоток по одному прилегают к внутренним поверхностям стыковочных стенок корпусов 21 первичной и 22 вторичной частей 3, 11 трансформатора. Первая антенна 5 радиоканала размещена в полости, образованной внутренним витком плоской первичной обмотки 4, а также с одной стороны - магнитным экраном 23, а с другой стороны - внутренней поверхностью стыковочной стенки корпуса 3 первичной части трансформатора, а вторая антенна 13 радиоканала размещена в полости, образованной внутренним витком плоской вторичной обмотки 12, а также с одной стороны - магнитным экраном 24, а с другой стороны - внутренней поверхностью стыковочной стенки корпуса 11 вторичной части трансформатора. Исполнение обмоток бескаркасным способом, а каждого магнитного экрана в виде набора двух или более плоских ферромагнитных стержней, позволяет придавать им требуемый изгиб и форму, практически совпадающими с обводами оболочки подводного аппарата.
Устройство для бесконтактной передачи электроэнергии и информационных сигналов на подводный аппарат работает следующим образом.
При включении источника 10 электроэнергии к силовому входу инвертора прикладывается напряжение. На его выходе появляется сигнал с ограниченными энергетическими параметрами, при которых ограничивается выходной ток инвертора 2 и, соответственно, ток первичной обмотки 4 трансформатора, пока не появится информация о стыковке подводного аппарата 1 с причальной станцией 9, что произойдет при совмещении стыковочных поверхностей первичной 3 и вторичной 11 частей трансформатора с требуемой точностью. В случае выполнения этого требования за счет функционирования связи между управляющим входом инвертора 2 и первым блоком 7 цифровой обработки сигналов через информационный канал 8 первичной стороны устройства на выходе инвертора 2 устанавливается номинальный режим передачи электроэнергии. При этом переменное напряжение вторичной обмотки 12 выпрямляется выпрямителем 17 и через регулятор 19 напряжения поступает на аккумуляторную батарею 20. Информация о значениях напряжения и тока выпрямителя 17, получаемая на выходе измерительного преобразователя 18, а также параметры режима работы регулятора 19 и информация о состоянии аккумуляторной батареи 20, посредством информационного канала 16 последовательно через второй блок 15 цифровой обработки сигналов и интерфейс 14 локальной сети вторичной стороны устройства поступает на вторую антенну 13.
За счет связи по радиоканалу полученная информация от первой антенны 5 последовательно через интерфейс 6 локальной сети первичной стороны устройства и первый блок 7 цифровой обработки сигналов через информационный канал 8 поступает на управляющий вход инвертора 2, что используется для оптимизации параметров передаваемой электроэнергии от первичной стороны на вторичную сторону, под которой понимается обеспечение специального режима коммутации силовых ключей инвертора 2, сопровождающегося минимизацией потерь мощности. Двунаправленный канал связи через информационный канал 16 между вторым блоком 15 цифровой обработки сигналов и такими функциональными блоками как измерительный преобразователь 17, регулятор напряжения 18 и аккумуляторная батарея 20 осуществляет регулирование напряжения и тока заряда аккумуляторной батареи 20, а также обеспечивает функции защиты батареи 20 и исключения ее аварийных режимов.