Устройство для электроснабжения подводного объекта с борта судна-носителя
DEVICE FOR ELECTRIC POWER SUPPLY OF UNDERWATER FACILITY FROM SHIPBOARD CARRIER

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для электроснабжения подводных объектов по линии связи, в качестве которой, в частности, используется кабель или кабель-трос.
Известно устройство электроснабжения подводного объекта с судна-носителя (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).
Устройство содержит 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. Для уменьшения массы трансформаторов и реакторов передача электроэнергии осуществляется на повышенной частоте - 400 Гц.
Устройство имеет недостатки.
Во-первых, передача на переменном токе уступает передаче на постоянном токе по своей пропускной способности. Этот недостаток усугубляется использованием повышенной частоты. При частоте 400 Гц у коаксиальных кабелей длиной несколько сотен метров емкостной ток кабеля может превосходить длительно допустимый ток такого кабеля. Кроме этого применение реакторов и трансформаторов приводит к увеличению массы и габаритов устройства.
Во-вторых, снижение нагрузки на приемном конце кабеля приводит к увеличению входного тока и напряжений концов линий связи. Устройство работоспособно при небольших колебаниях потребляемой мощности, причем режим холостого хода на приемном конце линии связи является аварийным.
Известно устройство для электроснабжения потребителей электроэнергии подводного объекта с борта судна-носителя (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), принятое в качестве прототипа.
Известное устройство для содержит установленные на судне-носителе повышающий трансформатор, первичная обмотка которого подключена к судовой электрической сети, 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, а также 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.
Недостатком устройства является то, что при изменении электрической нагрузки потребителей подводного объекта изменяется напряжение на приемном конце линии связи за счет изменения падения напряжения на сопротивлении этой линии. Кроме этого, вторичные источники питания на подводном объекте, как правило, являются стабилизаторами напряжения, т.е. даже при неизменной нагрузке на выходе такого источника его входной ток увеличивается при снижении входного напряжения. Это вызывает еще большее падение напряжения на линии связи и, соответственно, снижение напряжения на приемном конце этой линии, что может вызвать нарушение нормальной работы вторичных источников питания из-за выхода напряжения на приемном конце линии связи из рабочего диапазона этих источников.
Попытка уменьшить сопротивление линии связи приводит к увеличению ее сечения и, соответственно, к увеличению ее гидродинамического сопротивления. Подводный объект, при этом, для сохранения заданной маневренности должен потреблять увеличенную мощность, что приводит к повышенному падению напряжения на линии связи.
При определенном соотношении между длиной линии связи, ее электрическим сопротивлением, а также требуемым значением напряжения на приемном конце линии связи и заданном диапазоне изменении нагрузки устройство может оказаться неработоспособным за счет выхода входного напряжения за допустимые пределы для вторичных источников питания. При этом, для прочих постоянных условий существует определенная длина линии связи, превышать которую недопустимо.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение функциональности использования подводного объекта за счет сохранения рабочих параметров устройства электроснабжения при увеличенной длине линии связи.
Поставленная задача достигается тем, что в устройство для электроснабжения подводного объекта с борта судна-носителя, содержащее управляемый выпрямитель, вход которого подключен к судовой электрической сети, линию связи с подводным объектом, питающий конец которой подключен к выходным зажимам управляемого выпрямителя, а приемный конец соединен с шинами постоянного тока на подводном объекте, к которым подключены входы вторичных источников питания потребителей подводного объекта, дополнительно введены размещенные на судне-носителе вычислительное устройство, измерительный преобразователь тока линии связи, измерительный преобразователь вытравленной длины линии связи, а также измерительные преобразователи температуры линии связи на борту судна-носителя и температуры линии связи в воде, при этом измерительный преобразователь тока включен в разрыв питающего провода линии связи, а его выход соединен с первым входом вычислительного устройства, информация с выхода измерительного преобразователя длины линии связи поступает на второй вход вычислительного устройства, а информация с выходов измерительных преобразователей температуры линии связи на борту судна-носителя и температуры линии связи в воде поступает на третий и на четвертый входы вычислительного устройства соответственно, при этом выход вычислительного устройства соединен с управляющим входом управляемого выпрямителя.
Выполнение поставленной задачи «расширение функциональности использования подводного объекта за счет сохранения рабочих параметров устройства электроснабжения при увеличенной длине линии связи» обеспечивается следующими отличительными признаками предлагаемого решения.
Признаки: «… в устройство для электроснабжения подводного объекта с борта судна-носителя введены размещенные на судне-носителе вычислительное устройство, измерительный преобразователь тока линии связи, включенный в разрыв питающего провода линии связи, при этом его выход соединен с первым входом вычислительного устройства, а выход вычислительного устройства соединен с управляющим входом управляемого выпрямителя …» - позволяет компенсировать падение напряжения на сопротивлении линии связи и регулировать выходное напряжение управляемого выпрямителя таким образом, чтобы при изменении тока нагрузки на подводном объекте напряжение на приемном конце линии связи сохранялось неизменным.
Признаки: «… в устройство… введены размещенные на судне носителе… измерительный преобразователь вытравленной длины линии связи, а также измерительные преобразователи температуры линии связи на борту судна-носителя и температуры линии связи в воде, … при этом информация с выхода измерительного преобразователя вытравленной длины линии связи поступает на второй вход вычислительного устройства, а информация с выходов измерительных преобразователей температуры линии связи на борту судна-носителя и температуры линии связи в воде поступает на третий и на четвертый входы вычислительного устройства соответственно… - позволяет повысить точность поддержания неизменным напряжения на приемном конце линии связи при изменении сопротивления токоведущих жил линии связи при отклонении температуры от исходного настроечного значения, введенному как параметр в вычислительное устройство.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в следующем. Отличительные признаки предлагаемого решения обеспечивают поддержание напряжения на приемном конце линии связи неизменным за счет соответствующего регулирования напряжения на питающем конце этой линии, которое компенсирует падение напряжения на сопротивлении токоведущих жил линии связи при изменении тока нагрузки потребителей подводного объекта. Повышению точности поддержания неизменным значения напряжения на приемном конце линии связи способствует коррекция сигнала управления на управляющем входе управляемого усилителя в зависимости от изменения сопротивления токоведущих жил, вызванного изменением температуры этих жил с учетом соотношения между частью линии связи, находящейся в воде и оставшейся длиной линии связи на воздухе.
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 приведена функциональная схема устройства для электроснабжения подводного объекта с борта судна-носителя, на фиг. 2 - результаты схемотехнического моделирования устройства.
Устройство содержит установленные на судне-носителе 1 управляемый выпрямитель 2, вход которого подключен к судовой электрической сети 3, линию связи 4 с подводным объектом 5, питающий конец которой подключен к выходным зажимам 6 управляемого выпрямителя, а приемный конец соединен с шинами постоянного тока 7 на подводном объекте 5, к которым подключены входы вторичных источников питания 8 потребителей подводного объекта 1, дополнительно введены размещенные на судне-носителе вычислительное устройство 9, измерительный преобразователь 10 тока линии связи, измерительный преобразователь 11 длины вытравленной части линии связи, а также измерительные преобразователи 12 и 13 температуры линии связи на борту судна-носителя и температуры вытравленной части линии связи в воде соответственно, при этом измерительный преобразователь 10 тока включен в разрыв питающего провода линии связи 4, а его выход соединен с первым входом вычислительного устройства 9, информация с выхода измерительного преобразователя 11 вытравленной части длины линии связи поступает на второй вход вычислительного устройства 9, а информация с выходов измерительных преобразователей 12 и 13 температуры линии связи на борту судна-носителя и температуры вытравленной части линии связи в воде поступает на третий и на четвертый входы вычислительного устройства 9 соответственно, при этом выход вычислительного устройства 9 соединен с управляющим входом управляемого выпрямителя 2.
Устройство для электроснабжения подводного объекта с борта судна-носителя работает следующим образом. Перед началом работы в вычислительное устройство должны быть введены такие параметры как температура части линии связи, расположенной на борту судна-носителя на лебедке и температура вытравленной части линии связи, которая будет находиться в воде при погружении подводного объекта на заданную глубину. С достаточной степенью точности можно считать, что температура части линии связи на лебедке равна температуре окружающего воздуха, а температура вытравленной части линии связи в воде может быть принята равной средней температуре воды в диапазоне от поверхности до рабочей глубины погружения подводного объекта.
Алгоритм регулирования выходного напряжения управляемого выпрямителя, осуществляемый вычислительным устройством, выполняется по выражению
1
2
20
B
Б
B
B
U=U+2I⋅ρ⋅[(L-L)⋅(l+α⋅(Т-20))+L⋅(l+α⋅(T-20))], (1)
1
где U - выходное напряжение управляемого выпрямителя;
2
U - номинальное входное напряжение вторичных источников питания на подводном объекте;
I - ток в линии связи;
20
ρ - удельное сопротивление единицы длины токоведущей жилы линии связи для температуры 20°С;
L - полная длина линии связи;
α - тепловой коэффициент сопротивления для материала токоведущей жилы линии связи;
B
L - вытравленная часть линии связи, погруженная в воду;
Б
Т - температура токоведущей жилы линии связи, находящейся на барабане
лебедки;
В
Т - температура токоведущей жилы линии связи, погруженной в воду.
1
2
В режиме холостого хода потребителей подводного объекта ток линии связи практически равен нулю и, в соответствии с выражением (1), напряжение на передающем и на приемном концах линии связи равны U=U. При возникновении нагрузки потребителей на подводном объекте за счет появления тока в линии связи выходной сигнал измерительного преобразователя 10 воздействует на первый вход вычислительного устройства, в котором корректируется управление для управляемого выпрямителя 2 согласно выражению (1). При этом выходной сигнал выпрямителя 2 увеличивается так, чтобы напряжение на приемном конце линии связи оставалось неизменным. За счет раздельного учета температуры участков токопроводящей жилы, находящихся на воздухе и в воде с помощью измерительных преобразователей 12 и 13 соответственно осуществляется более точный расчет в вычислительном устройстве 9 сигнала управления выпрямителем 2. Это свойство заявляемого устройства является особенно полезным при работе в высоких широтах или в тропиках, где разница указанных температур может достигать больших значений.
1
2
3
4
0
1
4
На фиг. 2 приведены результаты схемотехнического моделирования устройства для электроснабжения подводного объекта. На диаграмме фиг. 2 а показана нагрузочная диаграмма I(t) изменения тока в линии связи, где в момент времени t происходит наброс нагрузки от нуля до 50% от номинальной. Это соответствует току в линии около 4 А. В момент времени t нагрузка увеличивается до 100%. Далее, в момент времени t происходит сброс половины нагрузки и в момент t - нагрузка снимается практически полностью. В интервале времени t - t а также при t>t нагрузка имитирует потери холостого хода в преобразователях напряжения на подводном объекте.
1
2
В координатах U(t) на фиг. 2 б приведены соответствующие указанной нагрузочной диаграмме графики изменения напряжения U(t) на питающем конце линии связи и U(t) - на приемном конце этой линии. Результаты моделирования свидетельствуют о качественной компенсации падения напряжения в линии, т.е. на приемном конце линии связи напряжение поддерживается практически неизменным при 100% изменения нагрузки на подводном объекте. Достаточно точная модель процесса позволяет показать некоторые провалы и забросы напряжения на приемном конце линии в динамическом режиме, что соответствует действительности при указанной нагрузочной диаграмме, где ток изменяется скачком. При ограничении интенсивности изменения нагрузки нарастание и спадание тока эти динамические ошибки будут отсутствовать.
Таким образом, устройство обеспечивает поддержание неизменного значения напряжения на входах вторичных источников питания на подводном объекте на номинальном уровне при изменении нагрузки в заданных пределах, что позволяет работать с подводным объектом при увеличенных длинах линии связи с расширением функциональности использования подводного объекта.