УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОДВОДНОГО ОБЪЕКТА С БОРТА СУДНА-НОСИТЕЛЯ
DEVICE FOR POWER SUPPLY OF UNDERGROUND OBJECT FROM BOARD OF CARRIER VESSEL

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для передачи электроэнергии для электроснабжения подводных объектов по линии связи, в качестве которой, в частности, используется кабель или кабель-трос.
Известно устройство для электроснабжения подводного объекта с судна-носителя, выполненное на основе системы неизменного тока и содержащее прямой индуктивно-емкостный преобразователь, вход которого соединен с электрической сетью через повышающий трансформатор, линию связи, питающий конец которой соединен с выходом прямого индуктивно-емкостного преобразователя, находящиеся на подводном объекте потребители неизменного тока, обратные индуктивно-емкостные преобразователи и потребители неизменного напряжения, подключенные к выходам обратных индуктивно-емкостных преобразователей через понижающие трансформаторы, входы которых, а также потребители неизменного тока включены последовательно и образуют цепь нагрузки, соединенную своими концами с приемным концом линии связи [1]. Часть потребителей неизменного тока снабжена согласующими трансформаторами. В установившихся режимах работы устройства при стабильном напряжении судовой сети стабильны ток линии связи и потребителей неизменного тока, а также напряжение потребителей неизменного напряжения.
Такое устройство (первый аналог) обладает следующими недостатками. Во-первых, передаваемая по линии связи мощность ограничена максимальным действующим значением напряжения на передающем конце линии. При используемой в аналоге передаче на переменном токе указанное действующее значение напряжения должно быть меньше максимального допустимого для линии связи напряжения, по крайней мере, в  раз. Следовательно, используемая в аналоге передача на переменном токе уступает передаче на постоянном токе по своей пропускной способности. Во-вторых, ток кабеля всегда максимален - и при минимальной нагрузке и при наибольшем ее значении. Вследствие этого кабель постоянно нагревается максимальным током, что вызывает его ускоренное старение. Третий недостаток этого устройства проявляется в том, что напряжение на выходе обратного индуктивно-емкостного преобразователя может иметь отклонение до 5% от номинального из-за наличия активного сопротивления у реакторов индуктивно-емкостных преобразователей и по причине изменения частоты, так как значения сопротивлений переменному току у конденсаторов и реакторов индуктивно-емкостных преобразователей зависят от частоты. Четвертый недостаток состоит в том, что суммарная мощность элементов каждого индуктивно-емкостного преобразователя превосходит мощность соответствующего понижающего трансформатора, что приводит к увеличению массы системы неизменного тока.
Известно устройство электроснабжения подводного объекта с судна-носителя (второй аналог), содержащее установленные на судне-носителе первый неуправляемый выпрямитель тока, инвертор, повышающий трансформатор и первый реактор, а также линию связи и установленные на подводном объекте второй реактор, понижающий трансформатор и второй неуправляемый выпрямитель тока, выход которого соединен с потребителями подводного объекта. Вход первого неуправляемого выпрямителя тока соединен с электрической сетью судна-носителя, а к его выходу подключен вход инвертора. Выход инвертора подключен к первичной обмотке повышающего трансформатора. Вторичная обмотка этого трансформатора через первый реактор подключена к зажимам питающего конца линии связи, зажимы приемного конца которой через второй реактор подключены к первичной обмотке понижающего трансформатора. Вторичная обмотка этого трансформатора подключена к входу второго неуправляемого выпрямителя тока. [2].
Для уменьшения массы трансформаторов и реакторов передача электроэнергии осуществляется не на промышленной частоте 50 Гц, а на повышенной - 400 Гц. Благодаря введению в цепь электроснабжения подводного объекта второго реактора удается обеспечить максимальную пропускную способность линии по передаче электроэнергии (передавать максимум мощности) путем достижения на обоих концах линии максимально допустимых значений и тока и напряжения. Так, например, по линии, выполненной из коаксиального кабеля, у которого имеются следующие параметры: пренебрежимо малое индуктивное сопротивление, активное сопротивление равно 0,1 от базисного сопротивления, а емкостное сопротивление составляет четыре базисных сопротивления - можно передать на подводный объект мощность около 80% от базисной. При этом считается, что нагрузка, подключенная после второго реактора, - чисто активная. Кроме того, потери мощности в самой линии составят еще около 8% от базисной. (В качестве базисной мощности принято произведение максимально допустимых значений напряжения и тока кабеля, а в качестве базисного сопротивления - их частное.)
Второму аналогу присущ ряд недостатков. Во-первых, так же, как и у первого аналога, передача на переменном токе уступает передаче на постоянном токе по своей пропускной способности. Это первый недостаток, который усугубляется использованием повышенной частоты. При частоте 400 Гц у коаксиальных кабелей длиной несколько сотен метров емкостной ток кабеля, подключенного с одного конца к источнику с напряжением несколько киловольт и не имеющего подключенной с другого конца нагрузки, может превосходить длительно допустимый ток такого кабеля. Во-вторых, применение первого реактора приводит к проявлению еще двух недостатков. Второй недостаток - это увеличение суммарной мощности повышающего трансформатора и первого реактора по сравнению с вариантом, в котором первый реактор отсутствует. Для указанных выше параметров кабельной линии это увеличение составляет около 12% от расчетной мощности повышающего трансформатора при отсутствии первого реактора. И третий недостаток, который проявляется в увеличении входного тока и напряжений концов линии при снижении нагрузки (увеличении ее активного сопротивления). В наибольшей мере этот недостаток проявляется при отсутствии нагрузки, то есть в режиме холостого хода. Для указанных выше параметров кабельной линии, при которых сопротивление первого реактора составляет примерно 0,48, а второго 0,44 от базисного значения, напряжения обоих концов линии и ее входной ток возрастают примерно на 70% от своих базисных значений, если напряжение на вторичной обмотке повышающего трансформатора остается прежним. Конечно, такой режим является аварийным. Второй аналог работоспособен только при небольших колебаниях потребляемой мощности и при соблюдении требования: мгновенное отключение зажимов питающего конца линии связи, если нагрузка отключилась от приемного конца линии.
Известно также устройство для электроснабжения подводного объекта с борта судна-носителя, наиболее близкое по технической сущности к заявляемому устройству и выбранное в качестве прототипа. Структурная схема этого устройства приведена в [3].
Известное 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, а также линию связи с подводным объектом, питающий конец которой 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. Кроме того, устройство содержит установленный на подводном объекте инвертор, вход которого подключен к приемному концу линии связи, понижающий трансформатор, первичная обмотка которого подключена к выходным зажимам инвертора. К вторичной обмотке понижающего трансформатора подключены вторичные источники питания. В качестве выпрямителя используется неуправляемый выпрямитель тока.
Прототип обладает следующими преимуществами по сравнению с устройствами, в которых передача электроэнергии в линии связи осуществляется на переменном токе. Во-первых, у него отсутствует первый недостаток обоих аналогов; действующее напряжение на питающем конце линии связи постоянного тока принимается большим в  раз, чем действующее напряжение переменного тока, что приводит к увеличению передаваемой мощности при том же действующем значении тока в линии связи. Во-вторых, линия связи переменного тока рассчитывается на передачу полной мощности, которая больше активной из-за наличия реактивных токов, поэтому линия связи постоянного тока способна передавать еще большую мощность. В-третьих, в линии связи постоянного тока меньше потеря напряжения, чем в линии связи переменного тока, так как на постоянном токе нет потери напряжения на индуктивном сопротивлении линии. В-четвертых, в установившихся режимах в линии связи постоянного тока отсутствуют емкостные токи, из-за которых в линиях переменного тока приходится снижать допустимое значение тока, передаваемого в нагрузку.
Недостатком прототипа является то, что мощности установленных на подводном объекте инвертора и понижающего трансформатора должны быть достаточными для питания всех потребителей электроэнергии, вследствие чего понижающий трансформатор имеет большую массу и габариты. Для подводного объекта этот недостаток является весьма существенным. Кроме того, неуправляемый выпрямитель тока потребляет несинусоидальные токи. Высшие гармонические составляющие несинусоидальных токов создают потери мощности в элементах электроэнергетической системы судна-носителя.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является уменьшение массы и габаритов элементов устройства, улучшение формы токов, потребляемых устройством для электроснабжения подводного объекта от электрической сети судна-носителя, и повышение коэффициента мощности, потребляемой этим устройством.
Поставленная задача достигается тем, что в устройство для электроснабжения подводного объекта с борта судна-носителя, содержащее 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, а также линию связи с подводным объектом, питающий конец которой 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, введены установленные на подводном объекте импульсный преобразователь постоянного напряжения, входные зажимы которого подключены к приемным концам линии связи и гальванически развязаны от его выходных зажимов, и подключенные к этим зажимам шины постоянного тока, к которым подключены входы вторичных источников питания и часть потребителей подводного объекта, а в качестве выпрямителя используется управляемый выпрямитель напряжения.
Поставленная задача достигается также тем, что в качестве части вторичных источников питания в него введены автономные инверторы напряжения, к выходам которых подключена вторая часть потребителей электроэнергии.
Поставленная задача достигается также тем, что в качестве части вторичных источников питания в него введены вторичные импульсные преобразователи постоянного напряжения, к выходам которых подключена третья часть потребителей электроэнергии.
Отличительные признаки предлагаемого решения выполняют следующие функциональные задачи:
Признаки: «в устройство для электроснабжения подводного объекта введен установленный на подводном объекте импульсный преобразователь постоянного напряжения, входные зажимы которого подключены к приемным концам линии связи и гальванически развязаны от его выходных зажимов…» - позволяют преобразовать изменяющееся, при изменении нагрузки потребителей подводного объекта, высокое напряжение линии в стабильное напряжение постоянного тока с меньшим, чем в линии, значением. Гальваническая развязка с помощью высокочастотного трансформатора, входящего в преобразователь напряжения, повышает надежность работы устройства для электроснабжения подводного объекта. Работа указанного трансформатора на частоте, измеряемой десятками килогерц, обеспечивает многократное снижение массы этого трансформатора по сравнению с понижающим трансформатором прототипа.
Признаки: «в устройство для электроснабжения подводного объекта введены установленные на подводном объекте и подключенные к выходным зажимам импульсного преобразователя постоянного напряжения шины постоянного тока, к которым подключены входы вторичных источников питания и часть потребителей подводного объекта» - позволяют питать эту часть потребителей непосредственно от указанных шин, достигая при этом уменьшения суммарных размеров и массы вторичных источников питания. Повышенный уровень напряжения на этих шинах дает возможность уменьшить массу распределительной сети, подключенной к этим шинам и передающим электроэнергию вторичным источникам питания.
Признак: «в устройстве для электроснабжения подводного объекта в качестве выпрямителя используется управляемой выпрямитель напряжения…» - позволяют получить форму входных токов управляемого выпрямителя практически синусоидальную с равным единице коэффициентом мощности.
Признак: «в устройство для электроснабжения подводного объекта введены автономные инверторы напряжения…» - позволяет обеспечить потребителей, относящихся ко второй части потребителей, электроэнергией переменного тока с необходимыми этим потребителям значениями частоты и напряжения.
Признак: «в устройство для электроснабжения подводного объекта введены вторичные импульсные преобразователи постоянного напряжения…» - позволяет обеспечить потребителей, относящихся к третьей части потребителей, электроэнергией постоянного тока с необходимым этим потребителям значением напряжения.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в следующем - снижении массы устройства за счет использования трансформатора повышенной частоты в импульсном преобразователе постоянного напряжения и распределения электроэнергии в подводном объекте при повышенном напряжении постоянного тока. Кроме того, благодаря замене неуправляемого выпрямителя тока управляемым выпрямителем напряжения обеспечивается практически синусоидальная форма 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 чертежами, где: на фиг.1 - представлена структурная схема устройства для электроснабжения подводного объекта; на фиг.2 - представлена принципиальная схема управляемого выпрямителя напряжения; на фиг.3 - представлена принципиальная схема импульсного преобразователя постоянного напряжения с гальваническим разделением входа и выхода.
Устройство содержит установленные на судне-носителе 1 повышающий трансформатор 2, первичная обмотка которого подключена к судовой электрической сети 3 переменного тока, и управляемый выпрямитель напряжения 4, входные зажимы 5 которого подключены к вторичной обмотке повышающего трансформатора, и линию 6 связи с подводным объектом 7. Питающий конец линии 6 связи подключен к выходным зажимам 8 выпрямителя 4. Устройство содержит также установленные на подводном объекте 7 импульсный преобразователь 9 постоянного напряжения, входные зажимы 10 которого подключены к приемным концам линии связи 6 и гальванически развязаны от его выходных зажимов 11, и подключенные к зажимам 11 шины 12 постоянного тока. К шинам 12 подключены потребители 13, относящиеся к первой части потребителей подводного объекта 7, и входы автономного инвертора 14 напряжения и вторичного импульсного преобразователя 15 постоянного напряжения. Вторая часть потребителей 16, которые потребляют переменный ток, подключена к выходу автономного инвертора 14 напряжения. К выходу преобразователя 15 подключена третья часть потребителей 17, которые потребляют постоянный ток с низким значением напряжения.
Схема управляемого выпрямителя напряжения 4, который известен также под названиями: активный выпрямитель или четырехквадрантный преобразователь, показана на фиг.2. Каждое вентильное плечо выпрямителя 4 представляет собой встречно-параллельное соединение электронного ключа 18 с односторонней проводимостью и диода 19, проводящего ток в обратном, по отношению к электронному ключу, направлению. В качестве указанных ключей преимущественно используют IGBT или MOSFET транзисторы. К выходным зажимам 8 такого выпрямителя подключен выходной конденсатор 20, являющийся обязательным элементом управляемого выпрямителя напряжения. Катод диода каждого вентильного плеча анодной группы соединен с анодом диода вентильного плеча одной из катодных групп и с одним из входных зажимов 5 выпрямителя 4. Эти зажимы через повышающий трансформатор 2 подключены к электрической сети 3 переменного тока. Выходные зажимы 8 подключены к линии 6 связи постоянного тока (см. фиг.1).
Импульсный преобразователь 9 постоянного напряжения с гальванически разделенными входными зажимами 10 и выходными зажимами 11 состоит из автономного импульсного инвертора напряжения 21, подключенного к его выходным зажимам высокочастотного понижающего трансформатора 22 и выпрямителя 23, подключенного к выходным зажимам высокочастотного понижающего трансформатора (см. фиг.3). В качестве одного из вариантов инвертора 21 на фиг.3 представлен четырехквадрантный преобразователь, собранный по мостовой схеме. Каждое вентильное плечо инвертора 21 представляет собой встречно-параллельное соединение электронного ключа 24 с односторонней проводимостью и диода 25, проводящего ток в обратном, по отношению к электронному ключу, направлению. К входным зажимам 10 инвертора подключен конденсатор 26, являющийся обязательным элементом этого инвертора. Одним из вариантов выпрямителя 23 на фиг.3 может служить мостовая схема неуправляемого выпрямителя тока 23, каждое вентильное плечо которого содержит диод 27. К выходным зажимам 11 неуправляемого выпрямителя подключен конденсатор 28, сглаживающий пульсации напряжения.
В состав автономного инвертора 14 напряжения и вторичного импульсного преобразователя 15 постоянного напряжения так же, как и в состав управляемого выпрямителя напряжения 4 и импульсного преобразователя 9 постоянного напряжения, входят электронные ключи и диоды.
Устройство для электроснабжения подводного объекта, структурная схема которого показана на фиг.1, работает следующим образом.
На исходном этапе работы трансформатор 2 отключен от судовой электрической сети 3, напряжения конденсаторов 20, 26 и 28 равны нулю (см. фиг.1, 2). Электронные ключи 18 управляемого выпрямителя напряжения 4 и 24 импульсного преобразователя 9 постоянного напряжения, а также электронные ключи автономного инвертора 14 напряжения и вторичного импульсного преобразователя 15 постоянного напряжения находятся в разомкнутом состоянии. Все потребители первой, второй и третьей части электропитание не получают.
После подключения повышающего трансформатора 2 к судовой электрической сети 3 начинается этап неуправляемого заряда конденсаторов 20 и 26. При этом на входных зажимах 5 управляемого выпрямителя 4 появляется повышенное, по отношению к напряжению судовой сети 3, напряжение переменного тока. Выходной конденсатор 20 управляемого выпрямителя 4 напряжения сначала заряжается в неуправляемом режиме через диоды 19. В начальный момент этого заряда, когда напряжение выходного конденсатора 20 равно нулю происходит короткое замыкание входных зажимов 5 через диоды 19. Ток заряда конденсатора 20 ограничивается сопротивлением короткого замыкания повышающего трансформатора 2. В результате заряда выходного конденсатора 20 управляемого выпрямителя 4 на зажимах 8 увеличивается напряжение. В линии 6 связи протекает ток, который заряжает входной конденсатор 26 импульсного преобразователя 9 постоянного напряжения. По мере заряда конденсаторов 20 и 26 их напряжения возрастают, а ток повышающего трансформатора 2 снижается. Неуправляемый режим заряда конденсаторов 20 и 26 заканчивается, когда ток вторичной обмотки трансформатора 2 станет равным нулю. При этом напряжения конденсаторов 20 и 26 станут больше амплитудного значения линейного напряжения судовой сети 3 в K раз. Здесь К - коэффициент трансформации повышающего трансформатора 2. Этот коэффициент равен отношению числа витков вторичной обмотки трансформатора 2 к числу витков его первичной обмотки.
1
2
3
1
Следующий этап - это управляемый режим заряда конденсаторов 20 и 26, при котором происходит периодическое включение и отключение электронных ключей 18 управляемого выпрямителя 4 с частотой, которая во много раз превосходит частоту напряжения электрической сети 3. Алгоритм, по которому микропроцессорное устройство управляет моментами включения и отключения ключей 18, таков, что при этом обеспечивается близкая к синусоиде форма входного тока выпрямителя, а коэффициент мощности первой гармоники этого тока практически равен единице. Во время включенного состояния электронных ключей 18 происходит короткое замыкание цепи, в которой мгновенное значение ЭДС вторичной обмотки трансформатора 2 и напряжение конденсатора 20 действуют согласно. При этом происходит разряд конденсатора 20 и незначительное снижение его напряжения с начального значения u до u в последний момент включенного состояния ключей. Для ограничения скорости нарастания тока короткого замыкания в этой цепи должны содержаться индуктивные элементы. Функцию этих элементов выполняет индуктивная составляющая сопротивления короткого замыкания повышающего трансформатора 2. Когда электронные ключи 18 переходят в выключенное состояние, то под действием индуктивностей во входной цепи выпрямителя 4 через диоды 19 проходит ток, заряжающий конденсатор 20 до напряжения u, которое больше напряжения u. Среднее за период коммутации ключей напряжение конденсатора 20 больше амплитуды линейного напряжения на зажимах 5 и постепенно нарастает с каждым очередным периодом коммутации.
Повышающий трансформатор не пропускает токи высших гармоник, созданные коммутацией электронных ключей 18, в цепи электрической сети 3 переменного тока. Тем самым улучшается электромагнитная совместимость импульсного управляемого выпрямителя 4 с другими судовыми электроустановками. Действующие значения входного тока управляемого выпрямителя 4 в управляемом режиме заряда выходного конденсатора 20 и тока, заряжающего через линию 6 связи входной конденсатор 26, равно номинальным значениям этих токов. В управляемом режиме конденсаторы 20 и 26 заряжаются до допустимого значения напряжения линии 6 связи. После чего входные токи управляемого выпрямителя 4, ток конденсатора 20, ток линии 6 связи и ток конденсатора 26 становятся практически равными нулю.
Когда напряжение входного конденсатора 26 достигло заданного значения, начинают работать электронные ключи 24 автономного инвертора 21 напряжения импульсного преобразователя 9 постоянного напряжения. Вследствие работы электронных ключей 24 через входные зажимы 10 проходит ток, под действием этого тока конденсатор 26 начинает разряжаться и поэтому возникает ток в линии 6 связи, который разряжает конденсатор 20. Микропроцессорная система автоматического управления выпрямителем 4 измеряет напряжение конденсатора 20, входные токи управляемого выпрямителя 4 и его выходной ток, и управляет включением и выключением шести электронных ключей 18 так, чтобы выполнялись следующие условия:
напряжение конденсатора 20 неизменно, его отличие от заданного значения не выходит за допустимые пределы;
первые гармоники входных токов образуют симметричную трехфазную систему, синфазную с фазными напряжениями судовой электрической сети 3 переменного тока;
вх
р
действующее значение I входного тока управляемого выпрямителя связано со средним значением I выходного тока выпрямителя следующим соотношением:
Электронные ключи 24 автономного инвертора 21 напряжения формируют двухполярное прямоугольное напряжение частотой от 5 до нескольких десятков кГц на входе высокочастотного понижающего трансформатора 22. Использование повышенной частоты позволяет значительно уменьшить массу и габариты этого трансформатора, так как масса трансформатора, при прочих равных условиях, обратно пропорциональна частоте. Применение повышенной частоты также позволяет снизить емкость входного конденсатора 26 и выходного конденсатора 28 импульсного преобразователя 9 постоянного напряжения.
Дальнейший, рабочий, этап работы устройства начинается, когда напряжение конденсатора 28 и на шинах 12 постоянного тока достигнет номинального значения. При этом к шинам 12 подключаются и начинают выполнять свои функции потребители 13, возникает коммутация электронных ключей автономного инвертора 14 напряжения и вторичного импульсного преобразователя 15 постоянного напряжения. При работе этих ключей формируется синусоидальное напряжение с необходимой амплитудой и частотой на выходе автономного инвертора 14, а также необходимое постоянное напряжение на выходе вторичного импульсного преобразователя 15 постоянного напряжения. Подключенные к выходам этих преобразователей потребители 16 и 17 начинают потреблять токи и выполнять свои функции.
При изменении нагрузки, создаваемой потребителями 13, 16 и 17, изменяется и ток, протекающий по линии 6 связи. Из-за активного сопротивления линии 6 связи и при неизменном напряжении на входе линии 6 связи из-за изменения указанного тока будет изменяться напряжение на выходе линии 6 связи. Для стабилизации напряжения на шинах 12 подводного объекта 7 с помощью микропроцессорной системы автоматического управления импульсным преобразователем 9 постоянного напряжения регулируется длительность импульсов двухполярного прямоугольного напряжения на выходе автономного инвертора 21 напряжения так, чтобы напряжение на шинах 12 сохраняло заданное, номинальное для потребителей 13, значение.
Источники информации
1. Патент 2027277 RU. Устройство для электроснабжения подводного аппарата с судна-носителя / Коршунов В.Н., Кувшинов Г.Е., Урываев К.П. - БИ, 1995. - №2.
2. Патент на полезную модель 46611 РФ. Система электроснабжения телеуправляемого подводного аппарата с судна-носителя / Мишин В.Н., Бубнов О.В., Рулевский В.М., Дементьев Ю.Н. Бюл. №19, 2005.
3. Ястребов B.C. Электроэнергетические установки подводных аппаратов / B.C.Ястребов, А.А.Горлов, В.В.Симинский. - Л.: Судостроение, 1986, с.98-99, рис.4.9. а (прототип).