Устройство для электроснабжения подводного аппарата с судна-носителя с компенсацией реактивной мощности в кабель-тросе

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, причем одно из них находится под водой.

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, од 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 со 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, и 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.

Полезная модель 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, к которым относятся силовые установки, приемопередающие системы, манипуляторы, навигационные системы, системы связи и т.п., от бортового источника питания на судне-носителе. 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, причем одно из них находится под водой.

Полезная модель может быть также использована в высоковольтных электрических сетях для компенсации потерь мощности, вызванных дополнительной нагрузкой жил кабеля и систем электроснабжения емкостным током, а также для снижения массы и габаритов электрооборудования за счет отказа от отдельных компенсирующих устройств.

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, а также низкая стабильность напряжения на выходе при изменении в широких пределах мощности, потребляемой аппаратом, вследствие падения напряжения на сопротивлении линии связи, что приводит к необходимости значительного схемного усложнения и увеличения габаритов стабилизаторов напряжения вторичных источников. Кроме того, в этом устройстве имеют место потери в линии связи, вызванные емкостным током в кабеле.

Известны традиционные средства компенсации и регулирования реактивной мощности в электрических сетях - синхронные компенсаторы (СК) и статические тиристорные компенсаторы (СТК). Первые являются вращающимися электрическими машинами, требующими закрытых помещений и постоянного квалифицированного обслуживания. В СТК отсутствуют подвижные элементы, однако они так же, как и СК, нуждаются в охлаждении, закрытом помещении, обслуживании, поскольку средством регулирования в них являются высоковольтные тиристорные ключи на полную мощность. Очевидно, что использование таких систем в устройствах для электропитания подводных аппаратов невозможно из-за габаритов, а также из-за дополнительных потерь и неэффективности.

Известна установка для передачи электрической мощности (заявка США 2006096953), которая имеет кабель с внутренним электрическим проводником, с изолирующим слоем из твердого материала, окружающего проводник, и с внешним экранирующим заземленным слоем, и в которую дополнительно введен один или более компенсирующих индукторов. Согласно изобретению, установка содержит индукторы, установленные на концах линии, т.е. в бортовой и подводной частях системы электроснабжения. Недостатком такого решения для систем электроснабжения подводных аппаратов является увеличение веса и габаритов системы электроснабжения за счет введения индукторов. При введении компенсирующих индукторов, габариты и масса суммарных объемов и масс согласующих трансформаторов и компенсирующих индукторов возрастают практически в два раза, что для подводного аппарата недопустимо из-за ограниченного пространства.

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, вход которого связан с судовой электрической сетью, повышающий трансформатор, первичная обмотка которого соединена с выходом преобразователя частоты, линию связи в виде кабеля или кабель-троса, приемный конец которой соединен со вторичной обмоткой судового трансформатора, а передающий конец - с первичной обмоткой трансформатора подводной части системы электроснабжения, установленные на подводном аппарате потребители тока, соединенные своими концами с вторичной обмоткой трансформатора подводной части, и компенсирующие индуктивности, установленные на концах линии, в качестве компенсирующих дросселей используются трансформаторы бортовой и подводной частей системы электроснабжения, для чего сердечники 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 бортовой части системы, Q_µ2TV - реактивная мощность трансформатора подводной части системы, Q_ЛЭП, - реактивная мощность в кабель-тросе, обусловленная емкостным током.

Такое совмещение компенсирующих индуктивностей и трансформаторов позволяет почти в два раза снизить суммарные массогабаритные характеристики устройства по сравнению с использованием отдельных индукторов, добавленных к системе, в которой трансформаторы являются необходимыми элементами, несмотря на то, что приходится несколько увеличить сечение провода обмоток.

В современных системах подводного оборудования с телеуправляемыми подводными аппаратами, используются в качестве составной части подводного оборудования заглубители (гаражи), в которых подводный аппарат размещается при его доставке на глубину, и с которым подводный аппарат соединяется относительно коротким и легким плавучим кабелем. При этом повышается маневренность подводного аппарата, поскольку он не связан с длинным и тяжелым кабель-тросом, посредством которого заглубитель соединен с судном-носителем.

Заглубитель позволяет установить на нем часть блоков системы электроснабжения и управления, при этом освобождается дополнительное полезное пространство подводного аппарата и снижается его вес. В такой системе, часть реактивной мощности, компенсируемая индуктивностью подводной части системы, можно распределить между трансформаторами заглубителя и подводного аппарата. Поскольку в такой системе, мощность трансформатора, установленного на подводном аппарате, существенно превышает мощность трансформатора заглубителя, то целесообразно магнитные сердечники трансформаторов заглубителя и подводного аппарата выполнять из магнитомягких аморфных сплавов, магнитные проницаемости µ₃ и µ₄ которых, соответственно, выбраны из условия распределения компенсирующей индуктивности подводной части системы между трансформаторами заглубителя и подводного аппарата пропорционально их мощностям.

В том случае, когда к подводному аппарату предъявляются жесткие требования по габаритам и массе, целесообразно всю компенсирующую индуктивность подводной части системы сосредоточить в трансформаторе заглубителя. Для этого магнитные проницаемости µ₃ и µ₄ сердечников трансформаторов соответственно заглубителя и подводного аппарата, выполненных из аморфных магнитомягких сплавов, выбраны из условия обеспечения компенсирующей индуктивности подводной части системы только трансформатором заглубителя.

На чертежах представлены функциональные схемы устройств для электроснабжения подводного аппарата с судна-носителя с компенсацией реактивной мощности для однозвенного выполнения (фиг.1), и для двузвенного выполнения (с заглубителем) (фиг.2). На фиг.3 показано распределение реактивной мощности при работе линии связи - кабеля или кабель-троса.

Устройство на фиг.1 содержит установленный на судне-носителе преобразователь частоты 2, соединенный с судовой электрической сетью 1 и повышающий частоту судовой сети 50 Гц до частот (500-1000)Гц, повышающий трансформатор 4, первичная обмотка которого соединена с выходом преобразователя 2, линию связи 5 с подводным аппаратом. Линия связи 5 может быть кабелем или кабель-тросом, один конец которого соединен со вторичной обмоткой трансформатора 4, а второй - с первичной обмоткой трансформатора 7 подводной части системы электропитания, установленный на подводном аппарате выпрямитель 8, связанный со вторичной обмоткой трансформатора 7 и потребители тока 9 подключенные к выходу выпрямителя 8. Трансформаторы 4 и 7 имеют сердечники 3 и 6, соответственно. Сердечники трансформаторов 3 и 6 выполнены из аморфных магнитомягких сплавов, магнитные проницаемости µ₁ и µ₂ которых, соответственно, выбираются из условия обеспечения трансформаторами 4 и 7 компенсирующей реактивной мощности линии связи, обусловленной емкостным током в кабеле:

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. Принцип действия устройства основан на том, что для уменьшения массы и габаритов системы электропитания подводной части, а также с целью максимального упрощения, электрическую энергию передают повышенным напряжением на повышенной частоте. Увеличение напряжения и частоты тока в кабель-тросе ведет к возрастанию емкостного тока кабеля, дополнительно нагружающего силовые жилы, что ведет к дополнительным потерям, и может уменьшить полезную нагрузку телеуправляемого необитаемого подводного комплекса, поскольку по техническим условиям допустимая величина тока в кабеле ограничена, но только в тех случаях, когда плотность тока в жилах кабеля близка к предельно допустимой. С другой стороны, увеличение напряжения ведет к уменьшению составляющей тока, зависящей от нагрузок подводной части, состоящей из подводного модуля, или гаража-заглубителя и подводного модуля. Поэтому существует некое оптимальное соотношение, связывающее величины напряжения и частоты, при которых потери в кабеле минимальны.

При суммарной мощности нагрузок гаража-заглубителя и подводного модуля до 50 кВт и сечении жил кабеля не менее 6,0 мм² , увеличение частоты ограничивает в большей степени не перегрузка кабеля по току, а возрастание реактивной мощности, «потребляемой» емкостью кабеля, что ведет к увеличению потерь в кабеле и, следовательно, к увеличению мощности бортовой части системы электроснабжения, кроме того, увеличивается мощность компенсации, «нейтрализующая» реактивную мощность кабеля.

Компенсация реактивной мощности кабеля позволяет «разгрузить» по реактивной мощности преобразователь (автономный 3-х фазный инвертор), преобразующий выпрямленное напряжение корабельной сети в 3-х фазное напряжение переменного тока повышенной частоты, т.е. не увеличивать полную мощность преобразователя.

Распределение реактивной мощности при работе линии связи - кабель-троса 5, выделяемой в кабеле, показано на фиг.3. Пунктиром показано распределение этой мощности, если компенсирующий дроссель установлен только на одном из концов линии, т.е. только на судовой части системы электроснабжения.

На частотах напряжения в кабель-тросе до 1 кГц влияние емкости кабеля сказывается на реактивной мощности, выделяемой в кабеле 5, обусловленной емкостным током, следующим образом:

, где U - напряжение, Хс - эквивалентное реактивное (емкостное)сопротивление кабеля.

В предшествующих устройствах для компенсации реактивной мощности использовались дроссели с соответствующими индуктивностями, установленные на двух концах кабель-троса. Сущность данной полезной модели - совместить функции компенсирующих индуктивностей и повышающих трансформаторов. Для того чтобы получить необходимую для компенсации величину индуктивности, трансформаторы изготовлены на сердечниках из аморфного магнитомягкого материала с необходимой задаваемой величиной магнитных проницаемостей (µ).

Индуктивность намагничивания трансформатора может быть определена из выражения:

где w - число витков обмотки трансформатора;

µ₀ - магнитная постоянная;

µ - относительная магнитная проницаемость сердечника трансформатора;

l - средняя длина магнитной силовой линии.

Выбором магнитных проницаемостей сердечников трансформаторов судовой и подводной частей, используя приведенные выражения, можно достичь выполнения условия равенства Q_µ1TVQ_µ2TV0,5Q_ЛЭП, и скомпенсировать реактивную мощность, обусловленную емкостным током кабель-троса без дополнительных дросселей, снизив при этом вес и габариты подводной части системы электроснабжения, несмотря на необходимость несколько увеличить сечение провода обмоток.

На фиг.2 показана функциональная схема электроснабжения телеуправляемого подводного аппарата с использованием заглубителя. Устройство на фиг.2 содержит установленный на судне-носителе преобразователь частоты 2, соединенный с судовой электрической сетью 1 и повышающий частоту судовой сети 50 Гц до частот (500-1000)Гц, повышающий трансформатор 4, первичная обмотка которого соединена с выходом преобразователя 2, линию связи 5 с заглубителем. Линия связи 5 может быть кабелем или кабель-тросом, один конец которого соединен со вторичной обмоткой трансформатора 4, а второй - с первичной обмоткой трансформатора 7 подводной части системы электроснабжения заглубителя. Выпрямитель 8, установленный на заглубителе, вход которого подключен к вторичной обмотке трансформатора 7, а к выходу подключены потребители тока 9. С помощью плавучего кабеля 10, часть системы электроснабжения, установленная на заглубителе, связана с системой электроснабжения подводного аппарата. Установленный на подводном аппарате выпрямитель 13, связанный с вторичной обмоткой трансформатора 12 и потребители тока 14, подключенные к выходу выпрямителя 13. Трансформаторы 4, 7 и 12 имеют сердечники 3, 6 и 11, соответственно. Путем подбора магнитных проницаемостей µ₃ и µ₄ сердечников 6 и 11, часть реактивной мощности, компенсируемая индуктивностью подводной части системы электроснабжения, можно распределить между трансформаторами заглубителя и подводного аппарата пропорционально их мощностям. Например, при мощности трансформатора 7 заглубителя, равной 5 кВ, и мощности трансформатора 11 подводного аппарата, равной 40 кВ, подбором магнитных проницаемостей сердечников 6 и 11 добиваются, того, чтобы часть реактивной мощности, компенсируемая подводной частью, компенсировалась трансформатором заглубителя на 1/8, и трансформатором подводного аппарата - на 7/8 от этой части.

В том случае, когда к подводному аппарату предъявляются жесткие требования по габаритам и массе, целесообразно всю компенсирующую индуктивность подводной части системы электроснабжения сосредоточить в трансформаторе 7 заглубителя. Для этого магнитные проницаемости µ₃ и µ ₄ сердечников 6 и 11 трансформаторов 7 и 12

выполненных из аморфных магнитомягких сплавов, подбираются из условия обеспечения компенсирующей индуктивности подводной части системы только трансформатором 7 заглубителя.

Применение указанного технического решения обеспечивает оптимизацию массогабаритных и стоимостных показателей систем электропитания глубоководных телеуправляемых необитаемых подводных комплексов нового поколения большой энерговооруженности. Уменьшение габаритов и массы, по сравнению с применением отдельных компенсирующих дросселей, составляет примерно 1,5-2 раза.

1. Устройство для электроснабжения подводного аппарата с судна-носителя, содержащее установленный на судне-носителе преобразователь частоты, повышающий трансформатор, первичная обмотка которого соединена с выходом преобразователя частоты, вход которого связан с судовой электрической сетью, линию связи в виде кабель-троса или кабеля, приемный конец которой соединен со вторичной обмоткой судового трансформатора, а передающий конец - с первичной обмоткой трансформатора подводной части системы электроснабжения, установленный на подводном аппарате выпрямитель, вход которого соединен с вторичной обмоткой трансформатора подводной части, а выход с потребителями тока, и компенсирующие индуктивности, установленные на концах линии связи, отличающееся тем, что в качестве компенсирующих индуктивностей используются трансформаторы бортовой и подводной частей системы электроснабжения, для чего сердечники трансформаторов изготовлены из аморфных магнитомягких сплавов, магнитные проницаемости которых µ₁ и µ₂ соответственно выбраны из условия

Q_µ1TVQ_µ2TV0,5Q_к,

где Q_µ1TV - реактивная мощность трансформатора бортовой части системы, Q_µ2TV - реактивная мощность трансформатора подводной части системы, Q_к - реактивная мощность в кабель-тросе, обусловленная емкостным током.

2. Устройство для электроснабжения телеуправляемого подводного аппарата с судна-носителя по п.1, отличающееся тем, что подводная часть включает заглубитель, а магнитные проницаемости µ₃ и µ₄ сердечников трансформаторов соответственно заглубителя и подводного аппарата, выполненных из аморфных магнитомягких сплавов, выбраны из условия распределения компенсирующей индуктивности подводной части системы электроснабжения между трансформатором заглубителя и трансформатором подводного аппарата пропорционально их мощностям.

3. Устройство для электроснабжения телеуправляемого подводного аппарата с судна-носителя по п.1, отличающееся тем, что подводная часть включает заглубитель, а магнитные проницаемости µ₃ и µ₄ сердечников трансформаторов соответственно заглубителя и подводного аппарата, выполненных из аморфных магнитомягких сплавов, выбраны из условия обеспечения компенсирующей индуктивности подводной части системы электроснабжения только трансформатором заглубителя.