УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА ПОДВОДНЫЙ ОБЪЕКТ (ВАРИАНТЫ)
DEVICE FOR NON-CONTACT TRANSFER OF ELECTRIC ENERGY TO UNDERWATER OBJECT (VERSIONS)

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам с использованием полупроводниковых приборов для передачи по кабелю на подводный объект электрической энергии, которая, в частности, применяется для зарядки электрической аккумуляторной батареи, установленной на этом подводном объекте.
Известно устройство для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный объект, наиболее близкое по технической сущности к заявляемому устройству (прототип). Принципиальная схема и конструкция этого устройства описаны в (Патент RU №2401496, Устройство для зарядки аккумуляторной батареи подводного объекта, авторы Кувшинов Г.Е., Копылов В.В., Филоженко А.Ю., Наумов Л.А., дата приоритета 25.06.2009, опуб. 10.10.2010 Бюл. №28).
Известное устройство для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный объект состоит из опускаемого под воду блока инвертора и размещенного на подводном объекте блока выпрямителя. В блок инвертора входит однофазный автономный инвертор напряжения повышенной частоты с блоком управления этим инвертором. К входным зажимам инвертора подключены входной конденсатор и концы кабеля, соединяющего указанный инвертор с управляемым источником постоянного тока. Выходные зажимы упомянутого инвертора подключены к первичной обмотке трансформатора повышенной частоты, передающего электроэнергию переменного тока во вторичную обмотку этого трансформатора, размещенную вместе с однофазным мостовым неуправляемым выпрямителем тока и сглаживающим реактором в блоке выпрямителя. Эта вторичная обмотка подключена к входным зажимам упомянутого выпрямителя. Первый из выходных зажимов этого выпрямителя соединен с первым выходным зажимом устройства через реактор, а второй выходной зажим этого выпрямителя соединен со вторым выходным зажимом устройства непосредственно.
В прототипе блоки инвертора и выпрямителя снабжены выполненными из изоляционного материала стыковочными стенками, контактные поверхности которых, при передаче электрической энергии на подводный объект, плотно стыкуются одна к другой. Ко вторым, противоположным контактным, поверхностям этих стенок плотно прилегают, в блоке инвертора, торец первичной обмотки трансформатора повышенной частоты и, в блоке выпрямителя, торец вторичной обмотки этого трансформатора. Указанные стыковочные стенки расположены так, что обе обмотки трансформатора имеют общую ось.
Применение у прототипа повышенной, а не стандартной промышленной, частоты позволяет во много раз снизить массу и габаритные размеры трансформатора и сглаживающего реактора, что весьма важно по условиям размещения частей устройства в его подводном блоке и на подводном объекте.
Основные недостатки известного устройства для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный объект (прототипа) обусловлены тем, что трансформатор повышенной частоты прототипа не имеет магнитного сердечника. По этой причине коэффициент связи между обмотками (катушками) трансформатора значительно снижен, по сравнению с трансформаторами, снабженными магнитными сердечниками. Указанное обстоятельство проявляется в виде следующего первого недостатка прототипа: увеличиваются размеры обмоток, длина и масса их обмоточных проводов и потери мощности в них. Второй недостаток прототипа обусловлен тем, что из-за отсутствия магнитного сердечника, магнитные потоки, сцепленные с обмотками трансформатора, распространяются в окружающем обмотки пространстве на значительное расстояние. При этом ухудшается электромагнитная совместимость трансформатора и других элементов, входящих в состав блока инвертора, блока выпрямителя и других компонентов подводного объекта. Вызванные указанными магнитными потоками вихревые токи в металлических изделиях, например, в корпусах блоков устройства и подводного объекта, в радиаторах охлаждения силовых полупроводниковых приборов и в других элементах дополнительно нагревают эти изделия. Наличие указанных вихревых токов приводит к добавочным потерям мощности в трансформаторе, что снижает коэффициент полезного действия устройства для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный объект. Чтобы снизить проявление второго недостатка приходится исключать размещение полупроводниковых приборов и элементов, содержащих металлические детали, в непосредственной близости от обмоток трансформатора. Допустимое минимальное расстояние от катушек трансформатора до указанных предметов, выполненных из материалов с высокой проводимостью, соизмеримо с габаритными размерами этих катушек. Это ограничение приводит к увеличению объема блоков инвертора и выпрямителя и массы корпусов этих блоков. Третий недостаток прототипа заключается в том, что при малой суммарной нагрузке потребителей электроэнергии подводного объекта, когда однофазный мостовой неуправляемый выпрямитель тока работает в режиме прерывистых токов, эти потребители получают электроэнергию низкого качества: в выходном напряжении устройства имеются чрезмерные пульсации.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является улучшение технико-экономических показателей устройства для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный объект, путем:
увеличения коэффициента связи между обмотками трансформатора повышенной частоты (снижаются размеры этих обмоток, длина и масса их обмоточных проводов и потери мощности в них);
улучшения электромагнитной совместимости трансформатора повышенной частоты и других элементов устройства (снижается допустимое минимальное расстояние между катушками этого трансформатора и элементами, выполненными из материалов с высокой проводимостью, что приводит к уменьшению объема блоков инвертора и выпрямителя устройства и массы корпусов этих блоков);
снижения пульсации выходного напряжения устройства до допустимого уровня.
Поставленная задача достигается тем, что устройство для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный объект, состоящее из опускаемого под воду блока инвертора и размещенного на подводном объекте блока выпрямителя, причем блок инвертора содержит однофазный автономный инвертор напряжения повышенной частоты с блоком управления этим инвертором и первичную обмотку трансформатора повышенной частоты, а блок выпрямителя содержит вторичную обмотку этого трансформатора, однофазный мостовой неуправляемый выпрямитель тока и сглаживающий реактор, к входным зажимам указанного инвертора подключены входной конденсатор и концы кабеля, соединяющего этот инвертор с управляемым источником напряжения постоянного тока, который находится на судне или на берегу, а выходные зажимы инвертора подключены к упомянутой первичной обмотке трансформатора повышенной частоты, вторичная обмотка которого подключена к входным зажимам указанного выпрямителя, первый из выходных зажимов которого соединен с первым выходным зажимом устройства через сглаживающий реактор, а второй выходной зажим этого выпрямителя соединен со вторым выходным зажимом устройства непосредственно, к первому и второму выходным зажимам устройства подключены потребители электроэнергии подводного объекта, блоки инвертора и выпрямителя снабжены выполненными из изоляционного материала стыковочными стенками, плоские контактные поверхности которых, при передаче электрической энергии на подводный объект, плотно прилегают одна к другой, а ко вторым, противоположным контактным, поверхностям этих стенок плотно прилегают, в блоке инвертора, торец первичной обмотки трансформатора повышенной частоты и, в блоке выпрямителя, торец вторичной обмотки этого трансформатора, кроме того, указанные стыковочные стенки расположены так, что обе обмотки трансформатора имеют общую ось, дополнительно снабжено выходным конденсатором, подключенным к выходным зажимам устройства, и двумя магнитными экранами, которые выполнены из непроводящего материала с высокой магнитной проницаемостью, по одному прилегают к тем торцам обмоток трансформатора повышенной частоты, которые противоположны стыковочным стенкам блоков инвертора и выпрямителя, причем магнитные экраны расположены соосно с этими обмотками и выполнены в виде пластин, у которых наружные размеры поверхностей, прилегающих к торцам обмоток трансформатора повышенной частоты, больше соответствующих наружных размеров поверхностей этих торцов.
Согласно второму варианту изобретения поставленная задача достигается тем, что устройство для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный объект дополнительно снабжено выходным конденсатором, подключенным к выходным зажимам устройства, и выполненными из непроводящего материала с высокой магнитной проницаемостью первым и вторым чашечными сердечниками, первым и вторым цилиндрическими стержнями, первичная и вторичная обмотки трансформатора повышенной частоты выполнены в виде круговых катушек, у обоих чашечных сердечников наружные диаметры одинаковы, как и толщины их цилиндрических стенок, диаметр внутренних полостей первого и второго чашечных сердечников больше наружных диаметров катушек первичной и вторичной обмоток, глубина внутренней полости первого чашечного сердечника равна длине первого цилиндрического стержня и больше высоты катушки первичной обмотки, а глубина внутренней полости второго чашечного сердечника равна длине второго цилиндрического стержня и больше высоты катушки вторичной обмотки, диаметры первого и второго цилиндрических стержней одинаковы, они меньше внутренних диаметров катушек первичной и вторичной обмоток трансформатора повышенной частоты, первичная и вторичная обмотки помешены соответственно в полости первого и второго чашечного сердечников, а первый и второй цилиндрические сердечники введены соответственно в окна катушек первичной и вторичной обмоток трансформатора повышенной частоты, при этом контактная поверхность первого чашечного сердечника и наружный торец первого цилиндрического стержня плотно прилегают ко второй поверхности стыковочной стенки блока инвертора, а контактная поверхность второго чашечного сердечника и наружный торец второго цилиндрического стержня плотно прилегают ко второй поверхности стыковочной стенки блока выпрямителя, причем оси катушки первичной обмотки, первого цилиндрического стержня и первого чашечного сердечника коаксиальны, как и оси катушки вторичной обмотки, второго цилиндрического стержня и второго чашечного сердечника.
Объединение двух технических решений в одну заявку связано с тем, что отдельные конструктивные элементы заявленных устройств для обеспечения бесконтактной передачи электроэнергии на подводный объект решают одну и ту же задачу, функционально практически равнозначны, но не могут быть объединены в один пункт формулы изобретения.
Отличительные признаки предлагаемого решения выполняют следующие функциональные задачи:
Признаки: «…устройство для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный объект… дополнительно снабжено… двумя магнитными экранами, которые выполнены из непроводящего материала с высокой магнитной проницаемостью, по одному прилегают к тем торцам обмоток трансформатора повышенной частоты, которые противоположны стыковочным стенкам блоков инвертора и выпрямителя, расположены соосно с этими обмотками и выполнены в виде пластин, у которых наружные размеры поверхностей, прилегающих к торцам обмоток трансформатора повышенной частоты, больше соответствующих наружных размеров поверхностей этих торцов» позволяют, во-первых, практически устранить проявление магнитных полей, созданных токами обмоток трансформатора повышенной частоты, в тех частях окружающего этот трансформатор пространства, которые расположены с наружных, по отношению к этому трансформатору, сторон магнитных экранов.
Во-вторых, магнитные экраны для трансформатора повышенной частоты играют роль ярмового сердечника без стержней. Ярма, обладающие низким магнитным сопротивлением, обеспечивают увеличение магнитных потоков, созданных токами обмоток трансформатора и сцепленных с этими обмотками. В результате, при тех же числах витков и размерах обмоток наличие магнитных экранов указанной конструкции приводит к увеличению следующих параметров трансформатора повышенной частоты: индуктивностей первичной и вторичной обмоток, взаимной индуктивности и коэффициента связи между обмотками. С другой стороны, желаемые значения индуктивности первичной обмотки и ее взаимной индуктивности с вторичной обмоткой могут быть достигнуты за счет того, что наличие магнитных экранов обеспечивает снижение чисел витков обмоток трансформатора повышенной частоты и, следовательно, длины и массы проводов, из которых изготовлены обмотки.
Признаки «…устройство для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный объект… дополнительно снабжено… выполненными из непроводящего материала с высокой магнитной проницаемостью первым и вторым чашечными сердечниками, первым и вторым цилиндрическими стержнями,
первичная и вторичная обмотки трансформатора повышенной частоты выполнены в виде круговых катушек, у обоих чашечных сердечников наружные диаметры одинаковы, как и толщины их цилиндрических стенок, диаметр внутренних полостей первого и второго чашечных сердечников больше наружных диаметров катушек первичной и вторичной обмоток,
глубина внутренней полости первого чашечного сердечника равна длине первого цилиндрического стержня и больше высоты катушки первичной обмотки, а глубина внутренней полости второго чашечного сердечника равна длине второго цилиндрического стержня и больше высоты катушки вторичной обмотки,
диаметры первого и второго цилиндрических стержней одинаковы, они меньше внутренних диаметров катушек первичной и вторичной обмоток трансформатора повышенной частоты, первичная и вторичная обмотки помешены соответственно в полости первого и второго чашечного сердечников, а первый и второй цилиндрические сердечники введены соответственно в окна катушек первичной и вторичной обмоток трансформатора повышенной частоты,
при этом контактная поверхность первого чашечного сердечника и наружный торец первого цилиндрического стержня плотно прилегают ко второй поверхности стыковочной стенки блока инвертора, а контактная поверхность второго чашечного сердечника и наружный торец второго цилиндрического стержня плотно прилегают ко второй поверхности стыковочной стенки блока выпрямителя,
причем оси катушки первичной обмотки, первого цилиндрического стержня и первого чашечного сердечника коаксиальны, как и оси катушки вторичной обмотки, второго цилиндрического стержня и второго чашечного сердечника»
обеспечивают наличие у трансформатора повышенной частоты броневого магнитного сердечника с немагнитными зазорами и с центральным стержнем, также имеющим немагнитный зазор. Такая конструкция магнитопровода трансформатора приводит к дальнейшему снижению указанных выше параметров трансформатора повышенной частоты: чисел витков его обмоток, длины и массы проводов, из которых они изготовлены, - по сравнению с трансформатором, снабженным плоскими магнитными экранами.
Кроме того, при наличии у трансформатора повышенной частоты броневого сердечника, магнитный поток, который создан токами его обмоток и проходит через стыковочные стенки, быстро уменьшается по мере удаления от трансформатора, в соответствии с эффектом выпучивания магнитного потока в воздушном зазоре. По сравнению с трансформатором, снабженным плоскими магнитными экранами, значительно сокращается расстояние от оси обмоток трансформатора до тех участков контактных стенок, для которых напряженность магнитного поля, созданного токами обмоток трансформатора, практически равна нулю.
Признак «…устройство для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный объект… дополнительно снабжено выходным конденсатором, подключенным к выходным зажимам устройства, …» обеспечивает сглаживание выходного напряжения устройства. Указанный выходной конденсатор и сглаживающий реактор образуют фильтр нижних частот.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в следующем. Отличительные признаки двух вариантов предлагаемого решения обеспечивают снижение размеров обмоток трансформатора повышенной частоты, длины и массы их обмоточных проводов и потерь мощности в них, а также повышение качества электроэнергии, получаемой от устройства потребителями электроэнергии подводного объекта. Эти признаки дают возможность размещать полупроводниковые приборы и металлические изделия и конструкции блоков инвертора и выпрямителя в непосредственной близости к трансформатору повышенной частоты, сократить площадь тех окон в металлических корпусах этих блоков, в которые вставлены выполненные из изоляционного материала стыковочные стенки указанных блоков, уменьшить их размеры и массу.
На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявленных изобретений имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков изобретений стало возможным решение поставленной задачи. Следовательно, заявленные изобретения являются новыми, обладают изобретательским уровнем и пригодны для использования.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена принципиальная схема устройства для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный объект; на фиг.2 - схема расположения обмоток трансформатора повышенной частоты с двумя плоскими магнитными экранами и немагнитным зазором между обмотками (вариант 1); на фиг.3 - схема расположения обмоток трансформатора повышенной частоты, снабженного броневым магнитным сердечником, который имеет немагнитные зазоры и выполнен из двух чашечных сердечников и двух центральных цилиндрических стержней (вариант 2).
Схема микропроцессора, который входит в состав блока управления однофазным автономным инвертором напряжения повышенной частоты и подает команды на замыкание и размыкание электронных ключей этого инвертора, не показана. Не приведены также связанные с входами микропроцессора измерительные преобразователи выходного тока однофазного мостового неуправляемого выпрямителя тока и выходного напряжения устройства и цепи, по которым на электронные ключи инвертора подаются сигналы от микропроцессора. Кроме того, не показаны блок управления управляемым источником постоянного тока и связанные своими выходами с этим блоком измерительные преобразователи тока кабеля и входного напряжения однофазного автономного инвертора напряжения повышенной частоты.
Устройство для бесконтактной передачи электроэнергии от источника 1 напряжения постоянного тока, который находится на судне или на берегу, к потребителям 2 электроэнергии подводного объекта 3 состоит из блока 4 инвертора, соединенного с источником 1 кабелем 5, и расположенного на подводном объекте 3 блока 6 выпрямителя. В блоке 4 размещен однофазный автономный инвертор 7 напряжения повышенной частоты с блоком 8 управления этим инвертором. Входные зажимы 9 инвертора 7, к которым подключен входной конденсатор 10, через кабель 5 соединены с выходными зажимами 11 управляемого источника 1 напряжения. Выходные зажимы инвертора 7 подключены к зажимам 12 первичной обмотки 13 трансформатора 14 повышенной частоты. Первичная обмотка 13 трансформатора 14 снабжена магнитным экраном 15, выполняющим вместе с магнитным экраном 16 вторичной обмотки 17 трансформатора 14 функцию имеющего немагнитные зазоры магнитодиэлектрического сердечника (магнитопровода) этого трансформатора. Вторичная обмотка 17 трансформатора 14, а также однофазный мостовой неуправляемый выпрямитель 18, сглаживающий реактор 19 и выходной конденсатор 20 размещены в блоке 6. Снабженные магнитными экранами 15 и 16 обмотки 13 и 17 образуют трансформатор 14 повышенной частоты, когда оси обмоток совпадают, а торцы обмоток находятся на малом расстоянии друг от друга, как показано на фиг.2 и 3. Магнитные экраны 15 и 16 обеспечивают увеличение взаимной индуктивности М между обмотками 13 и 17. Выходные зажимы 21 вторичной обмотки 17 подключены к входным зажимам выпрямителя 18. Один из выходных зажимов 22 выпрямителя 18 подключен к первому из выходных зажимов 23 устройства через сглаживающий реактор 19. Другой же из выходных зажимов 22 выпрямителя 18 подключен ко второму из выходных зажимов 23 непосредственно. С выходными зажимами 23 устройства соединены потребители 2 подводного объекта 3.
На фиг.2 дан разрез трансформатора 14 повышенной частоты, снабженного плоскими магнитными экранами, плоскостью, в которой лежит осевая линия, общая для обмоток 13 и 17 этого трансформатора. Блок 4 инвертора и блок 6 инвертора имеют выполненные из изоляционного материала стыковочные стенки 24 и 25, которые вмонтированы в окна корпусов 26 и 27 блоков 4 и 6. Первые из поверхностей стенок 24 и 25 (плоские контактные поверхности) в режиме передачи электрической энергии на подводный объект плотно прилегают одна к другой. Ко вторым, противоположным первым, поверхностям этих стенок плотно прилегают, в блоке 4, первый торец первичной обмотки 13 трансформатора 14 повышенной частоты и, в блоке 6, первый торец вторичной обмотки 17 трансформатора 14. Вторые торцы обмоток 13 и 17 прилегают, соответственно, к плоским магнитным экранам 15 и 16, которые выполнены из непроводящего материала с высокой магнитной проницаемостью. При этом наружные размеры поверхностей магнитных экранов 15 и 16, прилегающих к торцам обмоток трансформатора повышенной частоты, больше соответствующих наружных размеров поверхностей этих торцов. Магнитные экраны 15 и 16 выполняют функцию ярем трансформатора 14, не имеющего стержней магнитопровода.
На фиг.3 (согласно второму варианту) дан разрез трансформатора 14 повышенной частоты, снабженного броневым сердечником с центральным стержнем, плоскостью, в которой лежит осевая линия, общая для обмоток 13 и 17 этого трансформатора. Магнитные экраны выполнены из двух чашечных сердечников 28 и 29, изготовленных из непроводящего материала с высокой магнитной проницаемостью. Чашечные сердечники 28 и 29 вместе образуют броневой сердечник с немагнитным зазором, длина которого равна сумме толщин контактных стенок 24 и 25. В состав магнитного сердечника трансформатора 14 входит центральный стержень, который составлен из первого 30 и второго 31 коаксиальных цилиндрических стержней, изготовленных из непроводящего материала с высокой магнитной проницаемостью. Этот стержень также имеет немагнитный зазор, длина которого равна сумме толщин контактных стенок 24 и 25. Обмотки 13 и 17 трансформатора 14 повышенной частоты выполнены в виде круговых катушек, у обоих чашечных сердечников 28 и 29 наружные диаметры одинаковы, как и толщины их цилиндрических стенок, диаметр внутренних полостей чашечных сердечников 28 и 29 больше наружных диаметров катушек обмоток 13 и 17. Глубина внутренней полости чашечного сердечника 28 равна длине цилиндрического стержня 30 и больше высоты катушки обмотки 13, а глубина внутренней полости чашечного сердечника 29 равна длине цилиндрического стержня 31 и больше высоты катушки обмотки 17. Диаметры цилиндрических стержней 30 и 31 одинаковы, они меньше внутренних диаметров катушек обмоток 13 и 17 трансформатора 14 повышенной частоты. Обмотки 13 и 17 помешены соответственно в полости чашечных сердечников 28 и 29, а цилиндрические сердечники 30 и 31 введены соответственно в окна катушек обмоток 13 и 17 трансформатора 14 повышенной частоты. При этом контактная поверхность чашечного сердечника 28 и наружный торец цилиндрического стержня 30 плотно прилегают ко второй поверхности стыковочной стенки 24 блока 4 инвертора, а контактная поверхность чашечного сердечника 29 и наружный торец цилиндрического стержня 31 плотно прилегают ко второй поверхности стыковочной стенки 25 блока 6 выпрямителя. Причем оси катушки обмотки 13, цилиндрического стержня 30 и чашечного сердечника 28 коаксиальны, как и оси катушки обмотки 17, цилиндрического стержня 31 и чашечного сердечника 29.
Устройство для бесконтактной передачи электроэнергии от источника 1 напряжения постоянного тока, который находится на судне или на берегу, к потребителям 2 электроэнергии подводного объекта 3 работает следующим образом.
На первом, предварительном, этапе работы устройства, когда кабель 5 еще не соединен с управляемым источником 1 напряжения постоянного тока, производится стыковка контактных поверхностей стенок 24 и 25 блоков 4 и 6. С помощью специальных приспособлений эти блоки занимают положение, соответствующее фиг.2: указанные контактные поверхности плотно прижаты одна к другой, а обмотки 13 и 17 трансформатора 14 имеют общую ось. При этом, в первом варианте предлагаемого устройства, обмотки 13 и 17 вместе с плоскими магнитными экранами 15 и 16 образуют трансформатор 17 повышенной частоты с ярмовым сердечником без стержней. Во втором варианте предлагаемого устройства, обмотки 13 и 17 вместе с чашечными сердечниками 28 и 29 и цилиндрическими стержнями 30 и 31 образуют трансформатор 17 повышенной частоты с броневым сердечником и центральным стержнем с немагнитными зазорами.
Ярма (магнитные экраны 15 и 16) обладают низким магнитным сопротивлением. Поэтому желаемые значения индуктивности первичной обмотки 13 и ее взаимной индуктивности М с вторичной обмоткой 17 достигаются при меньших, по сравнению с прототипом, числах витков обмоток трансформатора 14 повышенной частоты и меньших значениях длины и массы проводов, из которых изготовлены его обмотки.
На первом этапе потребители 2 отключены от выходных зажимов 23 устройства. Управляющие импульсы не подаются на электронные ключи инвертора 7, поэтому они во время первого этапа постоянно находятся в разомкнутом состоянии. Напряжения входного конденсатора 10 и выходного конденсатора 20 равны нулю.
и
и,н
и,н
2
На втором этапе устройство через кабель 5 подключается к источнику 1 напряжения постоянного тока, и производится заряд входного конденсатора 10 до напряжения источника 1. На этом этапе блок 8 управления автономным инвертором 7 не подает управляющие сигналы на электронные ключи (транзисторы) этого инвертора, и указанные ключи остаются в выключенном состоянии. Вход автономного инвертора зашунтирован входным конденсатором 10, имеющим достаточно большую емкость, а выходные зажимы этого конденсатора соединяют с электродами полупроводниковых приборов инвертора 7 короткими проводниками, имеющими как можно меньшие значение индуктивности, чтобы придать реальным источникам (электромашинный генератор, выпрямитель или аккумуляторная батарея) свойства идеального источника напряжения. При этом снижаются пульсации входного и выходного напряжений автономного инвертора и исключаются опасные перенапряжения на электродах полупроводниковых приборов инвертора: работающих в ключевом режиме транзисторов и шунтирующих их диодов. Подключение кабеля 5 напрямую к источнику 1 напряжения при незаряженном состоянии входного конденсатора 10 и номинальном значении напряжения источника 1 равносильно короткому замыканию этого источника через кабель 5 и диоды инвертора 7. Такой ток короткого замыкания, при малом значении сопротивления кабеля 10, может повредить указанные диоды и этот кабель. У рассматриваемого устройства подключение кабеля 5 к источнику 1 производится при нулевом напряжении этого источника, которое затем, по мере заряда входного конденсатора 10, плавно повышается до номинального значения входного напряжения инвертора 7. В течение этого процесса ток кабеля 5 не превосходит допустимого уровня. Если, например, в качестве управляемого источника напряжения постоянного тока используется управляемый выпрямитель напряжения, подключенный к судовой или береговой сети переменного тока, то процесс заряда конденсатора 10 происходит в две стадии. На первой стадии, когда источник 1 работает как неуправляемый выпрямитель, сумма зарядных токов выходного конденсатора источника 1 (на фиг.1 не показан) и входного конденсатора 10 ограничивается путем подключения входов управляемого выпрямителя напряжения к сети переменного тока через токоограничивающие элементы (например, резисторы или реакторы). На второй стадии процесса заряда конденсатора 10 выходное напряжение управляемого источника напряжения 1 превосходит амплитудное напряжение линейного напряжения указанной сети переменного тока, что достигается путем периодического включения и отключения электронных ключей источника 1. Продолжительность включенного состояния этих ключей зависит от значения тока кабеля 5. Она изменяется так, чтобы ток заряда конденсатора 10 на второй стадии оставался равным допустимому значению этого тока. Напряжение U входного конденсатора 10 контролируется измерительным преобразователем этого напряжения (на фиг.1 он не показан). Вторая стадия и вместе с ней второй этап заканчиваются, когда напряжение входного конденсатора 10 достигнет номинального значения U входного напряжения инвертора 7. При этом все электронные ключи управляемого выпрямителя напряжения 1 станут находиться в разомкнутом состоянии. К этому времени входной конденсатор 10, имеющий емкость С накопит энергию С (U)/2.
и
и
и
и
На третьем этапе начинает работу однофазный автономный инвертор 7 напряжения, выполненный по схеме мостового преобразователя с четырьмя электронными ключами (транзисторами), каждый из которых зашунтирован своим обратным диодом. Ключи работают под управлением блока 8 попарно с частотой f коммутации, которая составляет от нескольких килогерц до нескольких десятков килогерц. Пары ключей изменяют свое состояние поочередно через половину периода T=1/(2f). Выходное напряжение инвертора 7 представляет собой последовательность знакопеременных прямоугольных импульсов. Продолжительность включенного состояния ключей за время одного периода составляет t. Коэффициент регулирования прямоугольных импульсов (γ=t/T) изменяется по заложенной в блок 8 программе в зависимости от сигналов, получаемых от измерительных преобразователей выходного тока однофазного мостового неуправляемого выпрямителя 18 (тока сглаживающего реактора 19 и выходного напряжения устройства (напряжения выходного конденсатора 20).
Передача сигналов от указанных измерительных преобразователей к входам блока 8 осуществляется, как в прототипе. Выходы этих преобразователей соединены с входом передатчика, находящегося в блоке 6 выпрямителя. Этот передатчик вместе с приемником, находящимся в блоке 4 инвертора, образуют канал беспроводной связи. Информация от передатчика к приемнику передается с помощью какого-либо поля, например, электромагнитного, в том числе в диапазонах радиоволн и оптическом. Выход приемника соединен входом блока 8 управления инвертором 7.
С момента начала работы электронных ключей по первичной обмотке 13 трансформатора 14, через входные зажимы инвертора 7, его ключи и шунтирующие диоды начинают проходить токи. Среднее значение входного тока инвертора 7 минимально в режиме холостого хода трансформатора 14. Интеграл за период 2 T от произведения входного тока на напряжение входного конденсатора равен энергии, которая за это время теряется в полупроводниковых элементах инвертора 7 и в первичной обмотке 13 трансформатора 14. При подключении к выпрямителю 18 вторичной обмотки 17 трансформатора 14 через эту обмотку, диоды выпрямителя 18 и реактор 19 также проходят токи, которые создают дополнительные потери в этих элементах и отдают с выхода выпрямителя мощность, равную произведению средних значений его выходного напряжения и тока реактора. В результате возрастают токи первичной обмотки 13, суммарные потери мощности, среднее значение входного тока инвертора и энергия, которая потребляется входом выпрямителя от входных зажимов 9 инвертора 7 за период 2 T. Если бы при этом не изменялся режим работы управляемого источника 1, то эта энергия была бы получена от входного конденсатора 10 за счет снижения его напряжения (разряда этого конденсатора). Благодаря наличию у управляемого источника 1 обратной связи по напряжению входного конденсатора 10 электронные ключи этого источника вновь начнут периодически включаться и отключаться, при этом возрастет его выходное напряжение и появится ток кабеля, идущий на заряд входного конденсатора 10. В результате и при нагрузке инвертора 7 на первичную обмотку 13 трансформатора 14, что сопровождается прохождением тока по реактору 19, входное напряжение инвертора 7 остается практически неизменным и равным его номинальному значению.
Магнитное поле, созданное токами обмоток трансформатора 14, проходит сквозь и вокруг этих обмоток. Со стороны торцов обмоток пространство, заполненное этим магнитным полем, ограничено магнитными экранами (ярмами) 15 и 16 трансформатора 14. Поэтому, в отличие от прототипа, полупроводниковые приборы и металлические детали могут располагаться в непосредственной близости от трансформатора 14, сразу за этими экранами. Однако в плоскости контактной поверхности, к которой прилегают контактные стенки 24 и 25 блоков 4 и 6, магнитная индукция этого магнитного поля медленно спадает по мере удаления от наружных поверхностей обмоток 13 и 17 трансформатора 14. Если экраны 15 и 16 отсутствуют, то при удалении в радиальном направлении на расстояние, равное толщине обмоток в этом направлении, перпендикулярная к контактной поверхности составляющая указанной магнитной индукции, в плоскости этой поверхности, снижается всего в 4-7 раз. Более интенсивное снижение этой индукции достигается при выполнении условия: наружные размеры поверхностей магнитных экранов 15 и 16, прилегающих к торцам обмоток 13 и 17 трансформатора 14 повышенной частоты, больше соответствующих наружных размеров поверхностей этих торцов. При передаче электроэнергии от инвертора 7 выпрямителю 18 имеют место дополнительные потери энергии, вызванные действием вихревых токов в корпусах 26 и 27 блоков 4 и 6. Для существенного снижения этих потерь размеры окон, в которые вставляются контактные стенки 24 и 25 блоков 4 и 6, должны заметно превышать наружные размеры магнитных экранов 15 и 16.
вых,min
p,max
вых
вых,н
max
вых,н
Индуктивность сглаживающего реактора 19 соответствует выполнению условия: проходящий по реактору 19 минимальный выходной ток выпрямителя, равный, на этапе питания потребителей 2 от устройства, минимальному току I нагрузки этих потребителей был бы не меньше максимального значения выходного тока выпрямителя в прерывистом режиме его работы. Емкость выходного конденсатора 20 должна иметь значение, не меньшее того, при котором амплитуды пульсаций выходного напряжения устройства равны допустимому максимальному уровню. В соответствии с указанной программой блока 8 заряд выходного конденсатора 20 производится при постоянном, максимально допустимом, значении I тока реактора 19. В течение этого процесса коэффициент регулирования прямоугольных импульсов γ возрастает по мере увеличения напряжения U выходного конденсатора 20. Номинальному значению U этого напряжения соответствует коэффициент регулирования γ, практически равный единице. Третий этап заканчивается, когда выходное напряжение устройства станет равным U. С этого момента времени электронные ключи инвертора 7 перестают замыкаться, а коэффициент регулирования прямоугольных импульсов γ становится равным нулю. Устройство готово к подключению нагрузки.
вых,н
Если момент подключения нагрузки задерживается, то выходной конденсатор 20 постепенно снижает свое напряжение за счет тока, проходящего по сопротивлениям изоляции самого конденсатора 20 и других, соединенных с ним, элементов, а также токов, потребляемых измерительным преобразователем выходного напряжения устройства и передатчиком канала беспроводной связи. Сигнал о снижении напряжения конденсатора 20 попадает через передатчик и приемник канала беспроводной связи в блок 8 управления инвертором 7. Блок 8 снова станет посылать управляющие импульсы на электронные ключи инвертора 7. Процесс стабилизации выходного напряжения устройства выполняется по заложенной в блок 8 программе, которая действует аналогично пропорционально-интегральному регулятору напряжения. В результате выходное напряжение устройства будет поддерживаться практически неизменным и равным своему номинальному значению U.
вых,н
вых,н
p,max
p,max
вых,н
p,max
вых,н
p,max
p,max
вых,н
Четвертый этап начинается с включения нагрузки 2, присоединенной к выходным зажимам 23 устройства. Процесс питания нагрузки 2 отличается от рассмотренного выше процесса разряда конденсатора 20 на сопротивления изоляции и сопротивления цепей, подающих это напряжение к измерительному преобразователю выходного напряжения устройства и к передатчику канала беспроводной связи, только количественно. Номинальному току I нагрузки 2 соответствует коэффициент регулирования γ, который примерно равен отношению I к максимально допустимому значению I тока реактора 19. При малых значениях тока нагрузки 2, которым соответствует близкий к нулю коэффициент регулирования γ, подводимое к выпрямителю 18 выходное напряжение вторичной обмотки 17 трансформатора 14 имеет вид узких прямоугольных импульсов. Амплитуда этих импульсов, из-за необходимости компенсации потери напряжения в обмотках 13 и 17 и реакторе 19 при максимальном токе I реактора 19, заметно больше номинального значения U выходного напряжения устройства - до 10 и более процентов. Максимальное значение установившегося тока нагрузки 2 равно максимально допустимому значению I тока реактора, то есть тому же значению тока, при котором происходил заряд выходного конденсатора 20. Таким образом, внешняя характеристика устройства состоит из двух прямолинейных участков. На первом из них выходное напряжение равно номинальному значению U, а ток нагрузки изменяется от нуля до I. На втором участке ток нагрузки остается неизменным, равным I, а выходное напряжение изменяется от U до нуля (при глухом коротком замыкании выходных зажимов 23 устройства).
Работа устройства для бесконтактной передачи электроэнергии от управляемого источника 1 напряжения постоянного тока к потребителям электроэнергии 2 подводного объекта 3 для конструкции трансформатора 14 повышенной частоты, показанной на фиг.3, проходит в той же, описанной выше для его конструкции по фиг.2, последовательности из четырех этапов. Отличаются только количественные показатели, характеризующие конструкцию трансформатора и потери энергии в нем. Сердечник трансформатора по фиг.3 имеет броневую конструкцию с центральным стержнем. Большая часть пути магнитного потока трансформатора 14, сцепленного с его обмотками 13 и 17, проходит по элементам магнитопровода, выполненным из материала с высокой магнитной проницаемостью. Имеются лишь два немагнитных зазора: между двумя половинами 28 и 29 чашечных сердечников и двумя частями 30 и 31 центрального стержня. Таким образом, магнитное сопротивление указанного пути магнитного потока трансформатора 14 с броневым сердечником (фиг.3) много меньше, чем трансформатора с ярмовым сердечником (фиг.2). Это приводит к уменьшению тока холостого хода и увеличению коэффициента связи между обмотками 13 и 17 трансформатора 14 с броневым сердечником (фиг.3), по сравнению с трансформатором, снабженным ярмовым сердечником (фиг.2). Толщина немагнитного зазора между половинами чашечных сердечников 28 и 29 невелика (порядка 10-15 мм), поэтому выпучивание магнитного потока в немагнитном зазоре за пределы наружной границы броневого сердечника распространятся на малое расстояние, порядка толщины зазора. В результате, трансформатор 14, конструкция которого показана на фиг.3, имеет ряд преимуществ по сравнению с трансформатором, имеющим конструкцию по фиг.2. У трансформатора с броневым сердечником и центральным стержнем (фиг.3) снижены следующие показатели: размеры окон корпусов 26 и 27 блоков 4 и 6, габаритные размеры и размеры поперечных сечений обмоток 13 и 17, а также масса этих обмоток и потери мощности в них.