Система электроснабжения подводного аппарата с судна-носителя с компенсацией реактивной мощности в кабель-тросе (варианты)

Авторы патента:

Задача заявляемой полезной модели обеспечить компенсацию реактивной мощности в кабель-тросе для увеличения его передаточной способности при передаче мощности на длинные расстояния на повышенной частоте.

Система электроснабжения подводного аппарата с судна-носителя с компенсацией реактивной мощности в кабель-тросе, содержит установленный на судне-носителе преобразователь частоты, повышающий частоту питающего напряжения бортовой сети, кабель-трос, приемный конец которого связан с выходом указанного преобразователя частоты, а передающий конец - с первичной обмоткой трансформатора первой подводной части системы, установленной на гараже-заглубителе, а также вторую подводную часть системы, установленную на подводном аппарате, и устройство компенсации реактивной мощности, связанное с передающим концом кабель-троса. Устройство компенсации реактивной мощности введено в первую подводную часть системы, установленную в гараже-заглубителе, и выполнено в виде трехфазного автономного инвертора с параллельно включенным конденсатором, выходы указанного инвертора соединены с жилами кабель-троса, кроме того, первая подводная часть системы содержит также схему управления указанным инвертором, связанную с датчиками тока и напряжения, установленными в каждой жиле кабель-троса.

Во втором варианте устройства поставленная задача решается тем, что устройство компенсации реактивной мощности выполнено в виде резонансных фильтров высших гармоник, включенных в каждую жилу кабель-троса на входе указанного трансформатора первой подводной части системы.

Устройство для электроснабжения подводного аппарата с судна-носителя с компенсацией реактивной мощности в кабель-тросе относится к электротехнике, в частности, к устройствам для электроснабжения телеуправляемых подводных аппаратов и их составных частей, а именно к устройствам, обеспечивающим электропитание различных устройств подводного аппарата. В частности полезная модель относится к установкам для передачи электрической мощности через кабель высокого напряжения переменного тока между двумя распределительными устройствами, расположенными на большом расстоянии друг от друга (5-10 км), причем одно из них находится под водой.

Известно устройство для электроснабжения подводного аппарата с судна-носителя, содержащее установленный на судне-носителе повышающий трансформатор, первичная обмотка которого подключена к судовой электрической сети, а вторичная - к линии связи, установленный на подводном аппарате понижающий трансформатор, вход которого подключен к другому концу линии связи, а выход - к входу вторичных источников питания, обеспечивающих электроэнергией потребители подводного аппарата (Системы и элементы глубоководной техники и подводных исследований. / Под ред. В.С.Ястребова. Л.: Судостроение, 1981, с.158)

Недостатками этого устройства является то, что понижающий трансформатор в подводном аппарате имеет большую массу и габариты. Кроме того, низкая стабильность напряжения на выходе при изменении в широких пределах мощности, потребляемой аппаратом, вследствие падения напряжения на сопротивлении линии связи, приводит к необходимости значительного схемного усложнения и увеличения габаритов стабилизаторов напряжения вторичных источников. Также, в этом устройстве имеют место потери в линии связи, вызванные емкостным током в кабеле. Передача на повышенной частоте существенно снижает габариты трансформатора, но при этом увеличиваются потери в линии связи, вызванные возросшим реактивным сопротивлением в линии связи. Известно устройство для электроснабжения подводного аппарата с судна-носителя с компенсацией реактивной мощности в кабель-тросе по полезной модели 87581, выбранное в качестве прототипа. Полезная модель направлена на уменьшение массы и габаритов системы электроснабжения за счет устранения отдельных компенсирующих устройств, увеличение передаваемой по линии связи мощности с сохранением ограничений по габаритам и массе. Это достигается тем, что в устройстве для электроснабжения подводного аппарата с судна-носителя, содержащем установленный на судне-носителе преобразователь частоты 2, вход которого связан с судовой электрической сетью 1, повышающий трансформатор 4, первичная обмотка которого соединена с выходом преобразователя частоты 2, линию связи 5 в виде кабеля или кабель-троса, приемный конец которой соединен с вторичной обмоткой судового трансформатора 4, а передающий конец - с первичной обмоткой трансформатора 7 подводной части системы электроснабжения, вторичная обмотка которого соединена с выпрямителем 8, установленным на подводном аппарате, потребители тока 9, подключенные к выходу выпрямителя 8, и компенсирующие индуктивности, установленные на концах линии, в качестве компенсирующих индуктивностей используются трансформаторы бортовой и подводной частей системы электроснабжения, для чего сердечники 3 и 6 трансформаторов изготовлены из аморфных магнитомягких сплавов, магнитные проницаемости которых µ₁ и µ₂, соответственно, выбраны из условия Q_µ1TVQ_µ2TV0,5Q_ЛЭП, где Q_µ1TV - реактивная мощность трансформатора 4 бортовой части системы, Q_µ2TV - реактивная мощность трансформатора 7 подводной части системы, Q_ЛЭП, - реактивная мощность в кабель-тросе 5, обусловленная емкостным током.

Недостатком данного устройства является невозможность изменять компенсирующие индуктивности в зависимости от флуктуации реактивного сопротивления кабель-троса при возникающих изменениях передаваемой мощности. В системах с длинным кабель-тросом, имеющим большое реактивное сопротивление, величина флуктуации реактивного сопротивления может быть значительной даже при небольших флуктуациях мощности, и система может стать нестабильной.

Поставленная задача решается тем, что система электроснабжения подводного аппарата с судна-носителя с компенсацией реактивной мощности в кабель-тросе, так же как и прототип, содержит установленный на судне-носителе преобразователь частоты, повышающий частоту питающего напряжения бортовой сети, кабель-трос, приемный конец которого связан с выходом указанного преобразователя частоты, а передающий конец - с первичной обмоткой трансформатора первой подводной части системы, установленной на гараже-заглубителе, а также вторую подводную часть системы, установленную на подводном аппарате, и устройство компенсации реактивной мощности, связанное с передающим концом кабель-троса. В отличие от прототипа, устройство компенсации реактивной мощности введено в первую подводную часть системы, установленную в гараже-заглубителе, и выполнено в виде трехфазного автономного инвертора с параллельно включенным конденсатором, выходы указанного инвертора соединены с жилами кабель-троса, кроме того, первая подводная часть системы содержит также схему управления указанным инвертором, связанную с датчиками тока и напряжения, установленными в каждой жиле кабель-троса.

Не исключается также одновременное применение двух этих вариантов.

Далее сущность полезной модели поясняется рисунками, на которых представлено:

Фиг.1 - блок-схема первого варианта устройства, Фиг.2 - блок-схема второго варианта устройства.

На фиг.1 показана система электроснабжения телеуправляемого подводного аппарата, где 1 - бортовая часть системы, 2 - первая подводная часть системы, установленная на гараже-заглубителе, и 3 - вторая подводная часть системы, установленная на подводном аппарате. Бортовая 1 и первая 2 подводная части системы соединены посредством длинного кабель-троса 4 (длиной 5-10 км), а заглубитель 2 и подводный аппарат 3 соединены относительно коротким (100-200 м) плавучим кабелем 5. Бортовая часть 1 системы содержит бортовую сеть 6, преобразователь переменного тока 7, повышающий частоту апряжения, например, до 1000 Гц, и далее напряжение повышенной частоты поступает на первичные обмотки силового трансформатора 8. Вторичные обмотки трансформатора 8 связаны с кабель-тросом 4, передающий конец которого соединен с первичной обмоткой трансформатора 9 первой подводной части системы 2, установленной на гараже-заглубителе. Устройство компенсации реактивной мощности, выполненное в виде автономного инвертора 10 с параллельно включенным конденсатором 11, связано с передающим концом кабель-троса 4 и установлено на гараже-заглубителе. В каждую жилу кабель-троса 4 включен датчик тока (12, 13, 14), сигнал с которых поступает в блок управления 15, куда также поступает напряжение кабель-троса 4. С выхода блока управления 15 сигналы поступают на управляющие входы ключей S1-S6 инвертора 10. Напряжение с вторичных обмоток трансформатора 9 поступает на выпрямитель 19 и фильтр 20, и используется для питания лебедки и других устройств гаража-заглубителя. По плавучему кабелю 5 питающее напряжение поступает на согласующий трансформатор 16 второй подводной части системы, установленной на подводном аппарате. С вторичных обмоток трансформатора 16 напряжение поступает на выпрямитель 17 и фильтр 18 и распределяется для питания приводов и движителя подводного аппарата, а также для питания электронных устройств, установленных на подводном аппарате.

Устройство по первому варианту работает следующим образом: Измеренные мгновенные значения тока (посредством датчиков 12, 13 и 14), а также напряжений в сети поступают в блок управления 15. При уменьшении коэффициента мощности, вызванного фазовым сдвигом между входным током и питающим напряжением, а также нарушением симметрии или искажением формы входного тока, происходит изменение сигналов токов и напряжений, поступающих на вход блока управления 15. В зависимости от соотношения этих сигналов происходит управление ключами S1-S6 инвертора 10. Управление заключается в формировании фазных токов, путем изменения интервалов проводимости ключей инвертора S1-S6. Фазные токи, протекая в противофазе с реактивными составляющими тока в кабель-тросе 4, компенсируют переменные составляющие активной и реактивной мощности, и тем самым осуществляют приближение фазы тока к питающему напряжению, а также симметрирование и улучшение формы потребляемого тока. Причем такое расположение устройства компенсации реактивной мощности позволяет компенсировать ее не только в кабель-тросе 4, но и в плавучем кабеле 5.

Во втором варианте устройства в первой подводной части системы электроснабжения, установленной на гараже-заглубителе, в качестве устройства компенсации реактивной мощности используются резонансные LC-фильтры 7-ой, 11-ой, 13-ой, 17-ой и 19-ой гармоник 1721, (на рисунке показаны не все). Резонансные фильтры включены в каждую жилу кабель-троса 4 на его передающем конце, соединяющимся с трансформатором 9 первой подводной части системы 2, расположенной на гараже-заглубителе.

Каждая резонансная схема настраивается на частоту соответствующей гармоники. Точки между схемами показывают, что таких схем может быть столько, сколько необходимо. Поскольку по кабель-тросу передается напряжение на высокой частоте (примерно 1000 Гц), габариты фильтров невелики. Резонансные фильтры исполняют двойную роль: компенсируют реактивную мощность, в кабель-тросе и в плавучем кабеле, потребляемую системой, и предотвращают проникновение высших гармоник в систему.

В результате, фазовая разность на передающем и приемном концах кабель-троса сведена к минимуму даже при колебаниях мощности.

1. Система электроснабжения подводного аппарата с судна-носителя с компенсацией реактивной мощности в кабель-тросе, содержащая установленный на судне-носителе преобразователь частоты, повышающий частоту питающего напряжения бортовой сети, кабель-трос, приемный конец которого связан с выходом указанного преобразователя частоты, а передающий конец - с первичной обмоткой трансформатора первой подводной части системы, установленной на гараже-заглубителе, а также вторую подводную часть системы, установленную на подводном аппарате, и устройство компенсации реактивной мощности, связанное с передающим концом кабель-троса, отличающаяся тем, что устройство компенсации реактивной мощности выполнено в виде трехфазного автономного инвертора с параллельно включенным конденсатором и установлено в первой подводной части системы, расположенной на гараже-заглубителе, причем выходы указанного автономного инвертора соединены с жилами кабель-троса, а схема управления указанным инвертором, также установленная в первой подводной части системы, связана с датчиками тока каждой жилы кабель-троса и с датчиками напряжения кабель-троса.

2. Система электроснабжения подводного аппарата с судна-носителя с компенсацией реактивной мощности в кабель-тросе, содержащая установленный на судне-носителе преобразователь частоты, повышающий частоту питающего напряжения бортовой сети, кабель-трос, приемный конец которого связан с выходом указанного преобразователя частоты, а передающий конец - с первичной обмоткой трансформатора первой подводной части системы, установленной на гараже-заглубителе, а также вторую подводную часть системы, установленную на подводном аппарате, и устройство компенсации реактивной мощности, связанное с передающим концом кабель-троса, отличающаяся тем, что устройство компенсации реактивной мощности выполнено в виде резонансных фильтров высших гармоник, включенных в каждую жилу кабель-троса на входе указанного трансформатора первой подводной части системы, расположенной на гараже-заглубителе.