УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАРЯДКИ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ ПОДВОДНОГО ОБЪЕКТА
DEVICE FOR CHARGING ACCUMULATOR BATTERY OF UNDERWATER FACILITY

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам с использованием полупроводниковых приборов для зарядки от судовой электроэнергетической системы переменного тока электрической аккумуляторной батареи, преимущественно установленной на подводном объекте.
Известны устройства для зарядки аккумуляторной батареи от судовой сети переменного тока. Характерная модификация таких устройств, рассматриваемая в качестве аналога, содержит первый и второй мостовые выпрямители, сглаживающий реактор, конденсатор, однофазный трансформатор повышенной частоты и измерительные преобразователи зарядного тока и выходного напряжения устройства [Анисимов Я.Ф., Васильев Е.П. Электромагнитная совместимость полупроводниковых преобразователей и судовых электроустановок. - Л.: Судостроение, 1990. - 264 с., аналог, стр.53]. Измерительный преобразователь зарядного тока включен между одним из выходных зажимов второго выпрямителя и одним из выходных зажимов устройства, второй выходной зажим второго выпрямителя через сглаживающий реактор подключен ко второму выходному зажиму устройства. Преобразователь выходного напряжения подключен параллельно обоим выходным зажимам устройства, к которым подключается заряжаемая аккумуляторная батарея. Входы первого мостового выпрямителя соединены с судовой электрической сетью, а к его выходу подключены зажимы конденсатора и входные силовые зажимы однофазного автономного инвертора напряжения повышенной частоты, к выходным зажимам которого подключена первичная обмотка трансформатора повышенной частоты. Вторичная обмотка этого трансформатора подключена к входным зажимам второго мостового выпрямителя. В устройстве выходы измерительных преобразователей зарядного тока и выходного напряжения подключены к управляющим входам блока управления автономным инвертором. Регулирование зарядного тока производится с помощью широтного регулирования прямоугольных импульсов, из которых составлено выходное напряжения инвертора и, следовательно, выходное напряжения второго мостового выпрямителя.
Недостатки этого устройства следующие. Подключение устройства к питающей судовой сети сопровождается броском зарядного тока конденсатора, включенного на выходе первого мостового выпрямителя. Это явление приводит к провалам напряжения в сети, а также перегружает диоды указанного выпрямителя, что может вывести их из строя. Кроме этого, применение такого устройства для зарядки аккумуляторных батарей подводного объекта связано с необходимостью подъема последнего из воды и выполнению определенной последовательности операций для коммутаций цепей заряда.
Известно также устройство для зарядки аккумуляторной батареи подводного объекта от судовой сети переменного тока, наиболее близкое по технической сущности к заявляемому устройству (прототип) [Устройство для зарядки аккумуляторной батареи подводного объекта. Патент РФ 2401496. Авт. Кувшинов Г.Е., Копылов В.В., Наумов Л.А., Филоженко А.Ю., Усольцев В.К. Опубл. 10.10.2010].
Известное устройство для зарядки аккумуляторной батареи подводного объекта от расположенной на судне судовой сети переменного тока состоит из трех конструктивных блоков. В первый конструктивный блок, расположенный на судне, помещен управляемый выпрямитель напряжения, входные клеммы которого соединены с судовой электрической сетью, а выходные - с входными клеммами однофазного автономного инвертора напряжения повышенной частоты, к которым подключен также конденсатор. Управляющий вход инвертора соединен с выходом блока управления инвертором, а выходные зажимы инвертора подключены к зажимам первичной обмотки трансформатора повышенной частоты. Перечисленные узлы, т.е. однофазный автономный инвертор, блок управления инвертором, конденсатор и первичная обмотка трансформатора повышенной частоты размещены во втором конструктивном блоке, который имеет герметичный корпус и может быть опущен на глубину, на которой находится подводный объект, содержащий третий конструктивный блок. В третьем конструктивном блоке находятся вторичная обмотка трансформатора повышенной частоты, второй выпрямитель, сглаживающий реактор, блок управления зарядным током, а также измерительные преобразователи зарядного тока и выходного напряжения, выходы которых соединены с входами блока управления зарядным током. Выходные зажимы вторичной обмотки трансформатора повышенной частоты подключены к входным зажимам второго выпрямителя. Входные зажимы измерительного преобразователя зарядного тока включены между первым выходным зажимом второго выпрямителя и первым из выходных зажимов устройства. Второй выходной зажим второго выпрямителя подключен ко второму выходному зажиму устройства через сглаживающий реактор. К выходным зажимам устройства подключена аккумуляторная батарея, а также входные клеммы измерительного преобразователя выходного напряжения. При совмещении стыковочных поверхностей первичной и вторичной обмоток трансформатора повышенной частоты происходит передача электрической энергии за счет магнитной связи между этими обмотками. Эффективность передачи энергии будет тем больше, чем меньше расстояние между стыковочными поверхностями и чем точнее совпадают оси обмоток.
Регулирование зарядного тока обеспечивается каналом беспроводной обратной связи. Этот канал образован передатчиком, расположенным в третьем конструктивном блоке, и приемником, который размещен во втором конструктивном блоке. Вход передатчика соединен с выходом блока управления зарядным током, а выход приемника подключен на вход блока управления автономным инвертором. Информация от передатчика к приемнику передается с помощью какого-либо поля -  электромагнитного или ультразвукового.
Известное устройство имеет следующие недостатки. Для заряда аккумуляторной батареи подводного объекта, расположенного на глубине, должна выполняться дистанционная стыковка второго и третьего конструктивных блоков, необходимая для осуществления процесса заряда, при этом возможно неточное совмещение стыковочных поверхностей первичной и вторичной обмоток трансформатора повышенной частоты. При поддержании неизменного значения тока зарядки аккумуляторной батареи увеличение расстояния между обмотками трансформатора или смещение осей обмоток друг относительно друга приведет к увеличению намагничивающего тока первичной обмотки и соответственно к увеличению выходного тока автономного инвертора. Это приведет к повышенной токовой нагрузке на силовые ключи инвертора и на провод первичной обмотки трансформатора соответственно к увеличенному нагреву этих элементов, что снизит надежность работы устройства и может вызвать выход его из строя.
Второй недостаток устройства связан с использованием беспроводного канала обратной связи для обеспечения регулирования зарядного тока аккумуляторной батареи. Антенные элементы приемника и передатчика приводятся в согласованное положение с минимальным расстоянием между ними только в процессе зарядки батареи. Остальное время функционирования подводного объекта происходит при разобщении второго и третьего конструктивных блоков. Нахождение их под водой обычно сопровождается осаждением на них морских организмов. При переходе к очередному процессу зарядки батареи инородные вещества, находящиеся на пути передачи информации между передатчиком и приемником, могут нарушить качество связи, что приведет к сбоям в регулировании зарядного тока. Это обстоятельство также снижает надежность работы устройства.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение надежности работы устройства для зарядки аккумуляторной батареи подводного объекта от судовой сети переменного тока.
Поставленная задача достигается тем, что в устройство для зарядки аккумуляторной батареи подводного объекта, содержащее первый управляемый и второй неуправляемый выпрямители, сглаживающий реактор, конденсатор, однофазный автономный инвертор повышенной частоты с блоком управления этим инвертором, отдельно выполненные первичную и вторичную обмотки трансформатора повышенной частоты, блок управления зарядным током, измерительные преобразователи зарядного тока и выходного напряжения устройства, выходы которых подключены на входы блока управления зарядным током, причем первый входной зажим измерительного преобразователя зарядного тока подключен к первому из двух выходных зажимов устройства, к которым подключены заряжаемая аккумуляторная батарея и входные зажимы измерительного преобразователя выходного напряжения устройства, второй выходной зажим устройства подсоединен к клемме сглаживающего реактора, входы первого выпрямителя соединены с судовой электрической сетью, а выходные зажимы этого выпрямителя соединены с зажимами конденсатора и входными силовыми зажимами автономного инвертора напряжения повышенной частоты, к выходным зажимам которого подключена первичная обмотка трансформатора повышенной частоты, а вторичная обмотка этого трансформатора подключена к входным зажимам второго выпрямителя, причем элементы устройства размещены в трех конструктивных блоках, где в первом конструктивном блоке, устанавливаемом на судне, находится управляемый выпрямитель напряжения, во втором конструктивном блоке, выполненным с возможностью погружения под воду, помещены конденсатор, однофазный автономный инвертор напряжения повышенной частоты с блоком управления инвертором и первичная обмотка трансформатора повышенной частоты, в третьем конструктивном блоке, устанавливаемом на подводном объекте, расположены вторичная обмотка трансформатора повышенной частоты, второй выпрямитель, сглаживающий реактор, измерительные преобразователи зарядного тока и выходного напряжения устройства, а также блок управления зарядным током, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены регулятор тока заряда, управляющий вход которого соединен с выходом блока управления зарядным током, второй конденсатор, подключенный к входным зажимам регулятора тока заряда, первый и второй измерительные преобразователи температуры, входы которых связаны с тепловыделяющими элементами автономного инвертора и проводом первичной обмотки трансформатора повышенной частоты соответственно, а выходы измерительных преобразователей температуры соединены с входами блока управления автономным инвертором, выход второго выпрямителя соединен с входными зажимами регулятора тока заряда, первый выходной зажим регулятора тока заряда подключен ко второму входному зажиму измерительного преобразователя зарядного тока, а второй выходной зажим регулятора тока заряда подсоединен ко второй клемме сглаживающего реактора, причем первый и второй измерительные преобразователи температуры размещены во втором конструктивном блоке, а регулятор тока заряда и второй конденсатор размещены в третьем конструктивном блоке.
Выполнение функциональной задачи - «повышение надежности устройства для зарядки аккумуляторной батареи подводного объекта от судовой сети переменного тока» обеспечивается следующими отличительными признаками предлагаемого решения.
Первый признак - «…в устройство для зарядки аккумуляторной батареи подводного объекта…введены регулятор тока заряда, второй конденсатор, подключенный к его входным зажимам, …выход второго выпрямителя соединен с входными зажимами регулятора тока заряда, управляющий вход которого соединен с выходом блока управления зарядным током, первый выходной зажим регулятора тока заряда подключен ко второму входному зажиму измерительного преобразователя зарядного тока, а второй выходной зажим регулятора тока заряда подсоединен ко второй клемме сглаживающего реактора …. в третий конструктивный блок, устанавливаемый на подводном объекте, помещены … регулятор тока заряда и второй конденсатор» - обеспечивает выполнение процесс регулирования зарядного тока с заданным качеством, поскольку обратные связи по току зарядки и по выходному напряжению устройства используются в виде непосредственных электрических связей, воздействующих через блок управления зарядным током на регулятор тока заряда, что исключает нарушения достоверности передачи информации о значениях этих сигналов.
Второй признак - «…в устройство для зарядки аккумуляторной батареи подводного объекта … введены … первый и второй измерительные преобразователи температуры, входы которых связаны с тепловыделяющими элементами автономного инвертора и проводом первичной обмотки трансформатора повышенной частоты соответственно, а выходы измерительных преобразователей соединены с входами блока управления автономным инвертором …, причем первый и второй измерительные преобразователи температуры размещены во втором конструктивном блоке, выполненном с возможностью погружения под воду» - обеспечивает ограничение температуры нагрева силовых ключей автономного инвертора и провода, первичной обмотки трансформатора повышенной частоты допустимым значением за счет уменьшения скважности выходных импульсов автономного инвертора и, следовательно, уменьшения тока в его выходной цепи, что приводит к повышению надежности работы устройства.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в следующем. Отличительные признаки предлагаемого решения обеспечивают надежную работу устройства в процессе зарядки аккумуляторной батареи подводного объекта с ограничением тепловых нагрузок критичных элементов устройства допустимыми значениями. Кроме того, отличительные признаки увеличивают достоверность передачи информации на входы блока управления зарядным током о фактических значениях регулируемых величин, что повышает качество и надежность регулирования.
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.
ЗАР
ЗАР
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 приведена функциональная схема устройства для зарядки аккумуляторной батареи подводного объекта; на фиг.2 приведены внешние характеристики U (I) канала бесконтактной передачи электроэнергии.
Устройство для зарядки аккумуляторной батареи 1 подводного объекта 2 от расположенной на судне 3 судовой сети 4 переменного тока состоит из первого 5, второго 6 и третьего 7 конструктивных блоков и кабеля 8, соединяющего блоки 5 и 6. Первый конструктивный блок 5 расположен на судне 3. Второй конструктивный блок 6 помещен в герметичный корпус и может быть опущен на глубину, на которой находится подводный объект 2, содержащий третий конструктивный блок 7. В первом конструктивном блоке 5. размещен управляемый выпрямитель 9 напряжения, входные зажимы 10 которого соединены с судовой электрической сетью 4, а выходные зажимы 11 выпрямителя 9 подключены к входным зажимам 12 однофазного автономного инвертора 13 напряжения повышенной частоты. Инвертор 13 вместе с конденсатором 14, подключенным к зажимам 12, размещен во втором конструктивном блоке 6. Выходные зажимы инвертора 13 подключены к зажимам 15 первичной обмотки 16 трансформатора повышенной частоты. Первичная обмотка 16 трансформатора повышенной частоты находится во втором конструктивном блоке 6, а вторичная обмотка 17 трансформатора повышенной частоты - в третьем конструктивном блоке 7. Когда контактирующие поверхности первичной 16 и вторичной 17 обмоток трансформатора повышенной частоты находятся на малом расстоянии друг от друга, а расстояние между осями этих обмоток также достаточно мало, через трансформатор выполняется передача электрической энергии за счет электромагнитной связи между обмотками. При этом эффективность передачи будет тем больше, чем точнее позиционируются обмотки между собой. Выходные зажимы 18 вторичной обмотки 17 через выпрямитель 19 и второй конденсатор 20 подключены к входу регулятора 21 зарядного тока, который вместе со сглаживающим реактором 22, измерительными преобразователями 23 зарядного тока и 24 выходного напряжения устройства и блоком 25 управления зарядным током помещен в третий конструктивный блок 7. Входные зажимы измерительного преобразователя 23 зарядного тока включены между первым выходным зажимом 26 регулятора 21 зарядного тока и первым 27 из выходных зажимов устройства. Второй выходной зажим 28 регулятора 21 зарядного тока подключен ко второму выходному зажиму 29 устройства через сглаживающий реактор 22. Между выходными зажимами 27 и 29 устройства подключена аккумуляторная батарея 1, расположенная на подводном объекте 2. Выходы измерительных преобразователей 23 зарядного тока и 24 выходного напряжения устройства подключены к входам блока 25 управления зарядным током, выход которого соединен с управляющим входом регулятора 21 зарядного тока. Входы первого 30 и второго 31 измерительных преобразователей температуры связаны с тепловыделяющими элементами автономного инвертора 13 и первичной обмотки 16 трансформатора повышенной частоты соответственно, а их выходы подключены на первый и второй входы блока 32 управления автономным инвертором. Выход блока 32 соединен с управляющим входом автономного инвертора 13.
Устройство для зарядки аккумуляторной батареи подводного объекта работает следующим образом.
Перед началом процесса зарядки контактирующие поверхности первичной 16 и вторичной 17 обмоток трансформатора повышенной частоты должны быть приведены в соприкосновение по возможности с минимальным зазором и минимальным смещением осей обмоток друг относительно друга. При подключении управляемого выпрямителя 9 к судовой сети 4 переменного тока, например, с помощью находящегося в распределительном щите этой сети автоматического выключателя максимальная скорость изменения среднего значения выпрямленного напряжения на выходе управляемого выпрямителя 9 ограничена, заданное ограничение указанной скорости обеспечивается алгоритмом работы входящего в его состав устройства управления. Заряд конденсатора 14 при этом выполняется с ограничением зарядного тока на допустимом уровне. Напряжение на конденсаторе 14 является напряжением питания автономного инвертора 13. Автономный инвертор 13 работает в автогенераторном режиме, параметры которого определяются блоком управления 32. Переменное напряжение с выхода автономного инвертора 13 через зажимы 15 поступает на первичную обмотку 16 трансформатора повышенной частоты, что приводит к возникновению процесса передачи электрической энергии в третий конструктивный блок 7. Скважность импульсов управления автономным инвертором 13 с выхода блока 32 близка к единице (из полного интервала управления 180 электрических градусов исключается некоторая малая величина «мертвого времени»), при этом эффективность передачи энергии равна максимально возможной для конкретного взаимного расположения первичной и вторичной обмоток трансформатора повышенной частоты. Напряжение вторичной обмотки 17 трансформатора повышенной частоты через зажимы 18 и далее через выпрямитель 19 и второй конденсатор 20 поступает на вход регулятора 21 зарядного тока. Выбранное соотношение между витками первичной 16 и вторичной 17 обмоток должно обеспечивать определенную амплитуду напряжения на вторичной обмотке 17 и соответственно практически такую же величину максимального напряжения на выходе регулятора 21 зарядного тока, которое необходимо иметь для полного заряда аккумуляторной батареи 1.
Регулятор 21 зарядного тока выполняет необходимое регулирование за счет широтно-импульсной модуляции напряжения на своем выходе (зажимы 26, 28) с использованием сигналов обратных связей по току заряда аккумуляторной батареи (сигнал с выхода измерительного преобразователя 23) и по выходному напряжению устройства (сигнал с выхода измерительного преобразователя 24). Реактор 22 сглаживает пульсации тока заряда аккумуляторной батареи до допустимого уровня.
Алгоритм работы блока 25 управления зарядным током обеспечивает заряд аккумуляторной батареи 1 в соответствии с требованиями, предъявляемыми к этому процессу применительно к конкретному типу батареи. Например, для заряда литий-ионных аккумуляторных батарей заряд должен выполняться в два этапа. Первый этап - поддержание постоянства зарядного тока. Когда напряжение батареи, увеличивающееся по мере заряда, достигает заданного номинального значения, процесс заряда переходит на второй этап. На этом этапе регулятор 21 тока заряда поддерживает неизменным заданное номинальное значение напряжения аккумуляторной батареи при уменьшающемся зарядном токе с последующим отключением процесса заряда при падении тока заряда до определенного минимального значения (например, 15% от номинального тока).
Указанный процесс обеспечивается работой взаимосвязанных компонентов третьего конструктивного блока 7, представляющих собой локальную замкнутую систему автоматического регулирования с обратными связями по току заряда и по выходному напряжению устройства.
ЗАР
ЗАР
ЗАР
ЗАР
1
2
1
ЗАР
3AP.1
НОМ
ЗАР.0
НОМ
ЗАР
НОМ
Выходной ток автономного инвертора 13 и, следовательно, ток первичной обмотки 16 трансформатора повышенной частоты можно представить геометрической суммой двух составляющих - реактивной и активной. Активная составляющая тока определяется активными потерями в трансформаторе и током нагрузки вторичной обмотки 17, который является также активным. Реактивная составляющая выходного тока инвертора представляет собой ток намагничивания трансформатора и определяется коэффициентом магнитной связи между обмотками 16 и 17, который, в свою очередь, определяет эффективность передачи энергии через трансформатор. При прочих равных условиях, ток намагничивания будет тем больше, чем меньше коэффициент магнитной связи. Уменьшение последнего будет происходить при неточном совмещении контактирующих поверхностей первичной 16 и вторичной 17 обмоток трансформатора. Сопутствующее этому фактору увеличение тока намагничивания трансформатора приведет к повышенному нагреву силовых элементов автономного инвертора 13, что снижает его надежность. Увеличение температуры провода первичной обмотки 16 может также вызвать нарушение изоляции и выход трансформатора из строя. Кроме этого, повышению тепловых нагрузок на инвертор и на трансформатор может также способствовать ухудшение условий их охлаждения, например повышение температуры забортной воды в месте расположения второго конструктивного блока 6, в состав которого входят эти устройства. Измерение температуры силовых коммутирующих элементов инвертора 13 и провода обмотки 16 выполняют измерительные преобразователи температуры 30 и 31, входы которых связаны с тепловыделяющими элементами автономного инвертора 13 и первичной обмотки 16 трансформатора повышенной частоты соответственно, а их выходы подключены на первый и второй входы блока 32 управления автономным инвертором. Алгоритм работы блока 32 обеспечивает изменение скважности γ импульсов управления автономным инвертором 13 таким образом, чтобы уменьшить ток инвертора и ограничить нагрев указанных тепловыделяющих элементов на допустимом уровне. При этом под скважностью γ здесь понимается отношение длительности импульса к периоду повторения. Поскольку при таком регулировании амплитуда импульсов на выходе вторичной обмотки 17 остается постоянной, а изменяется только их длительность, то при холостом ходе (при нулевом зарядном токе I) выпрямленное выпрямителем 19 и сглаженное вторым конденсатором 20 среднее значение напряжения U будет практически также неизменным. Иначе внешние характеристики U(I) канала бесконтактной передачи электроэнергии будут иметь вид, как показано на фиг.2, где кривая 1 соответствует максимальной скважности γ импульсов на выходе регулятора 21, а кривая 2 - уменьшенной скважности γ<γ. Среднее значение напряжения U является входным для коммутирующего элемента регулятора 21, выполняющего функцию импульсного регулирования тока заряда аккумуляторной батареи. Увеличение наклона внешних характеристик (фиг.2, кривая 2) при уменьшении скважности импульсов на выходе регулятора 21 может привести к уменьшению зарядного тока по отношению к номинальному значению I=I, что увеличит время заряда. Но поскольку запас ΔU=U-U входного напряжения U регулятора 21 по отношению к номинальному U напряжению аккумуляторной батареи сохраняется, то и сохраняется возможность полного ее заряда при ограничении тепловых нагрузок на силовые элементы допустимым уровнем.