RU2399140C1

RU2399140C1 - Device for power supply of underground object from board of carrier vessel

Info

Publication number: RU2399140C1
Application number: RU2008150826/09A
Authority: RU
Inventors: Виталий Викторович Копылов (RU); Виталий Викторович Копылов; Геннадий Евграфович Кувшинов (RU); Геннадий Евграфович Кувшинов; Леонид Анатольевич Наумов (RU); Леонид Анатольевич Наумов; Алексей Юрьевич Филоженко (RU); Алексей Юрьевич Филоженко
Priority date: 2008-12-22
Filing date: 2008-12-22
Publication date: 2010-09-10
Also published as: RU2008150826A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: device for power supply of underground object from board of carrier vessel comprises the main elements: the following components installed on carrier vessel - step-up transformer, controlled voltage rectifier, communication line; the following components installed on underground object - pulse converter of DC voltage, DC buses, loads, autonomous voltage inverter, secondary pulse DC voltage converter, second part of loads, which consume AC, third part of loads, which consume DC with low voltage value.

EFFECT: reduced mass of device and provision of practically sinusoid shape of currents consumed by device from electric grid.

3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для передачи электроэнергии для электроснабжения подводных объектов по линии связи, в качестве которой, в частности, используется кабель или кабель-трос.The invention relates to electrical engineering, in particular to devices for transmitting electricity for power supply of underwater objects via a communication line, in which, in particular, a cable or cable is used.

Известно устройство для электроснабжения подводного объекта с судна-носителя, выполненное на основе системы неизменного тока и содержащее прямой индуктивно-емкостный преобразователь, вход которого соединен с электрической сетью через повышающий трансформатор, линию связи, питающий конец которой соединен с выходом прямого индуктивно-емкостного преобразователя, находящиеся на подводном объекте потребители неизменного тока, обратные индуктивно-емкостные преобразователи и потребители неизменного напряжения, подключенные к выходам обратных индуктивно-емкостных преобразователей через понижающие трансформаторы, входы которых, а также потребители неизменного тока включены последовательно и образуют цепь нагрузки, соединенную своими концами с приемным концом линии связи [1]. Часть потребителей неизменного тока снабжена согласующими трансформаторами. В установившихся режимах работы устройства при стабильном напряжении судовой сети стабильны ток линии связи и потребителей неизменного тока, а также напряжение потребителей неизменного напряжения.A device is known for powering an underwater object from a carrier vessel, made on the basis of a constant current system and containing a direct inductive-capacitive converter, the input of which is connected to the electric network through a step-up transformer, a communication line, the supply end of which is connected to the output of the direct inductive-capacitive converter, consumers of constant current located on the underwater object, reverse inductive-capacitive converters and consumers of constant voltage connected to the outputs of ratnyh inductive-capacitive transducers via step-down transformers, which inputs, as well as constant current consumers are connected in series and form a load circuit connected at its ends to the receiving end of link [1]. Some consumers of constant current are equipped with matching transformers. In the steady-state operating modes of the device with a stable voltage of the ship network, the current of the communication line and consumers of constant current is stable, as well as the voltage of consumers of constant voltage.

Такое устройство (первый аналог) обладает следующими недостатками. Во-первых, передаваемая по линии связи мощность ограничена максимальным действующим значением напряжения на передающем конце линии. При используемой в аналоге передаче на переменном токе указанное действующее значение напряжения должно быть меньше максимального допустимого для линии связи напряжения, по крайней мере, в

раз. Следовательно, используемая в аналоге передача на переменном токе уступает передаче на постоянном токе по своей пропускной способности. Во-вторых, ток кабеля всегда максимален - и при минимальной нагрузке и при наибольшем ее значении. Вследствие этого кабель постоянно нагревается максимальным током, что вызывает его ускоренное старение. Третий недостаток этого устройства проявляется в том, что напряжение на выходе обратного индуктивно-емкостного преобразователя может иметь отклонение до 5% от номинального из-за наличия активного сопротивления у реакторов индуктивно-емкостных преобразователей и по причине изменения частоты, так как значения сопротивлений переменному току у конденсаторов и реакторов индуктивно-емкостных преобразователей зависят от частоты. Четвертый недостаток состоит в том, что суммарная мощность элементов каждого индуктивно-емкостного преобразователя превосходит мощность соответствующего понижающего трансформатора, что приводит к увеличению массы системы неизменного тока.Such a device (first analogue) has the following disadvantages. Firstly, the power transmitted over the communication line is limited by the maximum effective voltage value at the transmitting end of the line. When used in an analog transmission with alternating current, the indicated effective voltage value must be less than the maximum voltage allowed for the communication line, at least

time. Consequently, the alternating current transmission used in the analogue is inferior to the direct current transmission in its carrying capacity. Secondly, the cable current is always maximum - both at minimum load and at its highest value. As a result, the cable is constantly heated by maximum current, which causes its accelerated aging. The third disadvantage of this device is that the voltage at the output of the inductive capacitive converter can deviate up to 5% from the nominal due to the presence of active resistance in the reactors of inductive capacitive converters and due to a change in frequency, since the values of the resistance to alternating current capacitors and reactors of inductive-capacitive converters depend on the frequency. The fourth disadvantage is that the total power of the elements of each inductive-capacitive converter exceeds the power of the corresponding step-down transformer, which leads to an increase in the mass of the constant current system.

Известно устройство электроснабжения подводного объекта с судна-носителя (второй аналог), содержащее установленные на судне-носителе первый неуправляемый выпрямитель тока, инвертор, повышающий трансформатор и первый реактор, а также линию связи и установленные на подводном объекте второй реактор, понижающий трансформатор и второй неуправляемый выпрямитель тока, выход которого соединен с потребителями подводного объекта. Вход первого неуправляемого выпрямителя тока соединен с электрической сетью судна-носителя, а к его выходу подключен вход инвертора. Выход инвертора подключен к первичной обмотке повышающего трансформатора. Вторичная обмотка этого трансформатора через первый реактор подключена к зажимам питающего конца линии связи, зажимы приемного конца которой через второй реактор подключены к первичной обмотке понижающего трансформатора. Вторичная обмотка этого трансформатора подключена к входу второго неуправляемого выпрямителя тока. [2].A device is known for supplying electric power to an underwater object from a carrier vessel (second analogue), comprising a first uncontrolled rectifier, an inverter increasing a transformer and a first reactor installed on a carrier vessel, as well as a communication line and a second reactor lowering a transformer and a second uncontrollable installed on an underwater object current rectifier, the output of which is connected to consumers of the underwater object. The input of the first uncontrolled rectifier is connected to the electrical network of the carrier vessel, and the inverter input is connected to its output. The inverter output is connected to the primary winding of a step-up transformer. The secondary winding of this transformer through the first reactor is connected to the terminals of the supply end of the communication line, the terminals of the receiving end of which through the second reactor are connected to the primary winding of the step-down transformer. The secondary winding of this transformer is connected to the input of a second uncontrolled rectifier. [2].

Для уменьшения массы трансформаторов и реакторов передача электроэнергии осуществляется не на промышленной частоте 50 Гц, а на повышенной - 400 Гц. Благодаря введению в цепь электроснабжения подводного объекта второго реактора удается обеспечить максимальную пропускную способность линии по передаче электроэнергии (передавать максимум мощности) путем достижения на обоих концах линии максимально допустимых значений и тока и напряжения. Так, например, по линии, выполненной из коаксиального кабеля, у которого имеются следующие параметры: пренебрежимо малое индуктивное сопротивление, активное сопротивление равно 0,1 от базисного сопротивления, а емкостное сопротивление составляет четыре базисных сопротивления - можно передать на подводный объект мощность около 80% от базисной. При этом считается, что нагрузка, подключенная после второго реактора, - чисто активная. Кроме того, потери мощности в самой линии составят еще около 8% от базисной. (В качестве базисной мощности принято произведение максимально допустимых значений напряжения и тока кабеля, а в качестве базисного сопротивления - их частное.)To reduce the mass of transformers and reactors, electricity is not transferred at an industrial frequency of 50 Hz, but at an increased frequency of 400 Hz. Thanks to the introduction of the second reactor into the power supply circuit of the underwater object, it is possible to ensure the maximum transmission capacity of the electric power transmission line (transmit maximum power) by achieving the maximum allowable values of current and voltage at both ends of the line. So, for example, along a line made of a coaxial cable, which has the following parameters: negligible inductive resistance, active resistance is 0.1 of the base resistance, and capacitive resistance is four basic resistances - you can transfer about 80% power to the underwater object from the base. It is believed that the load connected after the second reactor is purely active. In addition, power losses in the line itself will amount to about 8% of the baseline. (The product of the maximum allowable voltage and current of the cable is taken as the base power, and their quotient as the base resistance.)

Второму аналогу присущ ряд недостатков. Во-первых, так же, как и у первого аналога, передача на переменном токе уступает передаче на постоянном токе по своей пропускной способности. Это первый недостаток, который усугубляется использованием повышенной частоты. При частоте 400 Гц у коаксиальных кабелей длиной несколько сотен метров емкостной ток кабеля, подключенного с одного конца к источнику с напряжением несколько киловольт и не имеющего подключенной с другого конца нагрузки, может превосходить длительно допустимый ток такого кабеля. Во-вторых, применение первого реактора приводит к проявлению еще двух недостатков. Второй недостаток - это увеличение суммарной мощности повышающего трансформатора и первого реактора по сравнению с вариантом, в котором первый реактор отсутствует. Для указанных выше параметров кабельной линии это увеличение составляет около 12% от расчетной мощности повышающего трансформатора при отсутствии первого реактора. И третий недостаток, который проявляется в увеличении входного тока и напряжений концов линии при снижении нагрузки (увеличении ее активного сопротивления). В наибольшей мере этот недостаток проявляется при отсутствии нагрузки, то есть в режиме холостого хода. Для указанных выше параметров кабельной линии, при которых сопротивление первого реактора составляет примерно 0,48, а второго 0,44 от базисного значения, напряжения обоих концов линии и ее входной ток возрастают примерно на 70% от своих базисных значений, если напряжение на вторичной обмотке повышающего трансформатора остается прежним. Конечно, такой режим является аварийным. Второй аналог работоспособен только при небольших колебаниях потребляемой мощности и при соблюдении требования: мгновенное отключение зажимов питающего конца линии связи, если нагрузка отключилась от приемного конца линии.The second analogue has a number of disadvantages. Firstly, just like the first analogue, AC transmission is inferior to DC transmission in its carrying capacity. This is the first drawback that is compounded by the use of increased frequency. At a frequency of 400 Hz for coaxial cables several hundred meters long, the capacitive current of a cable connected at one end to a source with a voltage of several kilovolts and not having a load connected at the other end can exceed the long-term allowable current of such a cable. Secondly, the use of the first reactor leads to the manifestation of two more disadvantages. The second drawback is the increase in the total power of the step-up transformer and the first reactor compared to the option in which the first reactor is absent. For the above parameters of the cable line, this increase is about 12% of the rated power of the step-up transformer in the absence of the first reactor. And the third drawback, which manifests itself in an increase in the input current and voltage of the ends of the line with a decrease in load (increase in its active resistance). To the greatest extent, this drawback is manifested in the absence of load, that is, in idle mode. For the above parameters of the cable line, at which the resistance of the first reactor is about 0.48 and the second 0.44 of the base value, the voltage of both ends of the line and its input current increase by about 70% of their base values, if the voltage on the secondary winding step-up transformer remains the same. Of course, this mode is emergency. The second analogue is functional only with small fluctuations in power consumption and subject to the requirements: instantaneous disconnection of the terminals of the supply end of the communication line if the load is disconnected from the receiving end of the line.

Известно также устройство для электроснабжения подводного объекта с борта судна-носителя, наиболее близкое по технической сущности к заявляемому устройству и выбранное в качестве прототипа. Структурная схема этого устройства приведена в [3].There is also known a device for power supply of an underwater object from the side of the carrier ship, the closest in technical essence to the claimed device and selected as a prototype. The block diagram of this device is given in [3].

Известное устройство для электроснабжения подводного объекта с борта судна-носителя содержит установленные на судне-носителе повышающий трансформатор, первичная обмотка которого подключена к судовой электрической сети, и выпрямитель, входные зажимы которого подключены к вторичной обмотке повышающего трансформатора, а также линию связи с подводным объектом, питающий конец которой подключен к выходным зажимам выпрямителя, а приемный конец соединен с размещенными на подводном объекте вторичными источниками питания, к выходам которых подключены потребители электроэнергии подводного объекта. Кроме того, устройство содержит установленный на подводном объекте инвертор, вход которого подключен к приемному концу линии связи, понижающий трансформатор, первичная обмотка которого подключена к выходным зажимам инвертора. К вторичной обмотке понижающего трансформатора подключены вторичные источники питания. В качестве выпрямителя используется неуправляемый выпрямитель тока.The known device for powering an underwater object from the carrier vessel comprises a step-up transformer installed on the carrier ship, the primary winding of which is connected to the ship's electrical network, and a rectifier, the input terminals of which are connected to the secondary winding of the step-up transformer, as well as a communication line with the underwater object, the supply end of which is connected to the output terminals of the rectifier, and the receiving end is connected to secondary power sources located on the underwater object, to the outputs of which Connect the electrical consumers of the underwater object. In addition, the device includes an inverter mounted on an underwater object, the input of which is connected to the receiving end of the communication line, a step-down transformer, the primary winding of which is connected to the output terminals of the inverter. Secondary power supplies are connected to the secondary winding of the step-down transformer. An uncontrolled current rectifier is used as a rectifier.

Прототип обладает следующими преимуществами по сравнению с устройствами, в которых передача электроэнергии в линии связи осуществляется на переменном токе. Во-первых, у него отсутствует первый недостаток обоих аналогов; действующее напряжение на питающем конце линии связи постоянного тока принимается большим в

раз, чем действующее напряжение переменного тока, что приводит к увеличению передаваемой мощности при том же действующем значении тока в линии связи. Во-вторых, линия связи переменного тока рассчитывается на передачу полной мощности, которая больше активной из-за наличия реактивных токов, поэтому линия связи постоянного тока способна передавать еще большую мощность. В-третьих, в линии связи постоянного тока меньше потеря напряжения, чем в линии связи переменного тока, так как на постоянном токе нет потери напряжения на индуктивном сопротивлении линии. В-четвертых, в установившихся режимах в линии связи постоянного тока отсутствуют емкостные токи, из-за которых в линиях переменного тока приходится снижать допустимое значение тока, передаваемого в нагрузку.The prototype has the following advantages compared to devices in which the transmission of electricity in the communication line is carried out on alternating current. Firstly, he does not have the first drawback of both analogues; the effective voltage at the supply end of the DC link is taken large in

times than the effective AC voltage, which leads to an increase in the transmitted power at the same current value of the current in the communication line. Secondly, the AC communication line is designed to transmit full power, which is more active due to the presence of reactive currents, so the DC link is able to transmit even more power. Thirdly, there is less voltage loss in the direct current communication line than in the alternating current communication line, since there is no voltage loss in the direct current of the inductive reactance of the line. Fourthly, in steady-state modes, there are no capacitive currents in the DC communication line, because of which it is necessary to reduce the permissible value of the current transmitted to the load in the AC lines.

Недостатком прототипа является то, что мощности установленных на подводном объекте инвертора и понижающего трансформатора должны быть достаточными для питания всех потребителей электроэнергии, вследствие чего понижающий трансформатор имеет большую массу и габариты. Для подводного объекта этот недостаток является весьма существенным. Кроме того, неуправляемый выпрямитель тока потребляет несинусоидальные токи. Высшие гармонические составляющие несинусоидальных токов создают потери мощности в элементах электроэнергетической системы судна-носителя.The disadvantage of the prototype is that the power installed on the underwater object of the inverter and step-down transformer must be sufficient to power all consumers of electricity, as a result of which the step-down transformer has a large mass and dimensions. For an underwater object, this drawback is very significant. In addition, an uncontrolled rectifier draws non-sinusoidal currents. Higher harmonic components of non-sinusoidal currents create power losses in the elements of the power system of the carrier vessel.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является уменьшение массы и габаритов элементов устройства, улучшение формы токов, потребляемых устройством для электроснабжения подводного объекта от электрической сети судна-носителя, и повышение коэффициента мощности, потребляемой этим устройством.The problem to which the invention is directed is to reduce the mass and dimensions of the elements of the device, improve the shape of the currents consumed by the device for powering the underwater object from the electrical network of the carrier vessel, and increase the power factor consumed by this device.

Поставленная задача достигается тем, что в устройство для электроснабжения подводного объекта с борта судна-носителя, содержащее установленные на судне-носителе повышающий трансформатор, первичная обмотка которого подключена к судовой электрической сети, и выпрямитель, входные зажимы которого подключены к вторичной обмотке повышающего трансформатора, а также линию связи с подводным объектом, питающий конец которой подключен к выходным зажимам выпрямителя, а приемный конец соединен с размещенными на подводном объекте вторичными источниками питания, к выходам которых подключены потребители электроэнергии подводного объекта, введены установленные на подводном объекте импульсный преобразователь постоянного напряжения, входные зажимы которого подключены к приемным концам линии связи и гальванически развязаны от его выходных зажимов, и подключенные к этим зажимам шины постоянного тока, к которым подключены входы вторичных источников питания и часть потребителей подводного объекта, а в качестве выпрямителя используется управляемый выпрямитель напряжения.This object is achieved by the fact that in the device for power supply of the underwater object from the side of the carrier vessel, containing a step-up transformer installed on the carrier ship, the primary winding of which is connected to the ship's electrical network, and a rectifier, the input terminals of which are connected to the secondary winding of the step-up transformer, and also a communication line with the underwater object, the supply end of which is connected to the output terminals of the rectifier, and the receiving end is connected to the secondary sources located on the underwater object power supplies, to the outputs of which the consumers of electric power of the underwater object are connected, a pulsed DC-voltage converter installed on the underwater object, the input terminals of which are connected to the receiving ends of the communication line and galvanically isolated from its output terminals, and the DC buses connected to these terminals, to which the inputs of secondary power sources and some consumers of the underwater object are connected, and a controlled voltage rectifier is used as a rectifier.

Поставленная задача достигается также тем, что в качестве части вторичных источников питания в него введены автономные инверторы напряжения, к выходам которых подключена вторая часть потребителей электроэнергии.The task is also achieved by the fact that as part of the secondary power sources, autonomous voltage inverters have been introduced into it, the outputs of which are connected to the second part of the electricity consumers.

Поставленная задача достигается также тем, что в качестве части вторичных источников питания в него введены вторичные импульсные преобразователи постоянного напряжения, к выходам которых подключена третья часть потребителей электроэнергии.The task is also achieved by the fact that as part of the secondary power sources, secondary pulsed DC-DC converters are introduced into it, the outputs of which are connected to a third of the consumers of electricity.

Отличительные признаки предлагаемого решения выполняют следующие функциональные задачи:Distinctive features of the proposed solution perform the following functional tasks:

Признаки: «в устройство для электроснабжения подводного объекта введен установленный на подводном объекте импульсный преобразователь постоянного напряжения, входные зажимы которого подключены к приемным концам линии связи и гальванически развязаны от его выходных зажимов…» - позволяют преобразовать изменяющееся, при изменении нагрузки потребителей подводного объекта, высокое напряжение линии в стабильное напряжение постоянного тока с меньшим, чем в линии, значением. Гальваническая развязка с помощью высокочастотного трансформатора, входящего в преобразователь напряжения, повышает надежность работы устройства для электроснабжения подводного объекта. Работа указанного трансформатора на частоте, измеряемой десятками килогерц, обеспечивает многократное снижение массы этого трансформатора по сравнению с понижающим трансформатором прототипа.Attributes: “a pulsed DC / DC converter installed on the underwater object has been introduced into the device for power supply of the underwater object, the input terminals of which are connected to the receiving ends of the communication line and are galvanically isolated from its output terminals ...” - allow you to convert high, changing, when the load of consumers of the underwater object, high line voltage into a stable DC voltage with a lower value than in the line. Galvanic isolation using a high-frequency transformer included in the voltage converter increases the reliability of the device for power supply of an underwater object. The operation of the specified transformer at a frequency measured by tens of kilohertz provides a multiple reduction in the mass of this transformer in comparison with the step-down transformer of the prototype.

Признаки: «в устройство для электроснабжения подводного объекта введены установленные на подводном объекте и подключенные к выходным зажимам импульсного преобразователя постоянного напряжения шины постоянного тока, к которым подключены входы вторичных источников питания и часть потребителей подводного объекта» - позволяют питать эту часть потребителей непосредственно от указанных шин, достигая при этом уменьшения суммарных размеров и массы вторичных источников питания. Повышенный уровень напряжения на этих шинах дает возможность уменьшить массу распределительной сети, подключенной к этим шинам и передающим электроэнергию вторичным источникам питания.Signs: “the busbars installed on the underwater object and connected to the output terminals of the pulsed DC voltage converter of the DC bus, to which the inputs of the secondary power sources and part of the consumers of the underwater object are connected to the device for power supply to the underwater object,” allow this part of the consumers to be fed directly from the indicated buses while achieving a decrease in the total size and mass of secondary power sources. The increased voltage level on these buses makes it possible to reduce the mass of the distribution network connected to these buses and transmitting electricity to secondary power sources.

Признак: «в устройстве для электроснабжения подводного объекта в качестве выпрямителя используется управляемой выпрямитель напряжения…» - позволяют получить форму входных токов управляемого выпрямителя практически синусоидальную с равным единице коэффициентом мощности.Sign: “in the device for power supply of the underwater object, a controlled voltage rectifier is used as a rectifier ...” - they allow us to obtain the shape of the input currents of a controlled rectifier almost sinusoidal with an equal power factor.

Признак: «в устройство для электроснабжения подводного объекта введены автономные инверторы напряжения…» - позволяет обеспечить потребителей, относящихся ко второй части потребителей, электроэнергией переменного тока с необходимыми этим потребителям значениями частоты и напряжения.The sign: “autonomous voltage inverters have been introduced into the device for power supply of the underwater object ...” - it allows providing consumers, related to the second part of consumers, with alternating current electricity with the frequency and voltage values necessary for these consumers.

Признак: «в устройство для электроснабжения подводного объекта введены вторичные импульсные преобразователи постоянного напряжения…» - позволяет обеспечить потребителей, относящихся к третьей части потребителей, электроэнергией постоянного тока с необходимым этим потребителям значением напряжения.The sign: “secondary pulsed DC-DC converters have been introduced into the device for power supply of the underwater object ...” - it allows providing consumers related to the third part of consumers with direct current electricity with the voltage value necessary for these consumers.

Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в следующем - снижении массы устройства за счет использования трансформатора повышенной частоты в импульсном преобразователе постоянного напряжения и распределения электроэнергии в подводном объекте при повышенном напряжении постоянного тока. Кроме того, благодаря замене неуправляемого выпрямителя тока управляемым выпрямителем напряжения обеспечивается практически синусоидальная форма токов, потребляемых устройством от судовой электрической сети, и высокий уровень электромагнитной совместимости устройства с судовой электроэнергетической системой.The technical result that is achieved when solving the problem is expressed in the following - reducing the mass of the device due to the use of an increased frequency transformer in a pulsed DC voltage converter and electric power distribution in an underwater object with an increased DC voltage. In addition, by replacing an uncontrolled current rectifier with a controlled voltage rectifier, an almost sinusoidal shape of the currents consumed by the device from the ship’s electric network and a high level of electromagnetic compatibility of the device with the ship’s electric power system are ensured.

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.Based on the foregoing, we can conclude that the set of essential features of the claimed invention has a causal relationship with the achieved technical result, i.e. thanks to this combination of essential features of the invention, it became possible to solve the problem. Therefore, the claimed invention is new, has an inventive step and is suitable for use.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где: на фиг.1 - представлена структурная схема устройства для электроснабжения подводного объекта; на фиг.2 - представлена принципиальная схема управляемого выпрямителя напряжения; на фиг.3 - представлена принципиальная схема импульсного преобразователя постоянного напряжения с гальваническим разделением входа и выхода.The invention is illustrated by drawings, where: in Fig.1 - presents a structural diagram of a device for power supply of an underwater object; figure 2 - presents a schematic diagram of a controlled voltage rectifier; figure 3 - presents a schematic diagram of a pulsed DC-DC Converter with galvanic separation of input and output.

Устройство содержит установленные на судне-носителе 1 повышающий трансформатор 2, первичная обмотка которого подключена к судовой электрической сети 3 переменного тока, и управляемый выпрямитель напряжения 4, входные зажимы 5 которого подключены к вторичной обмотке повышающего трансформатора, и линию 6 связи с подводным объектом 7. Питающий конец линии 6 связи подключен к выходным зажимам 8 выпрямителя 4. Устройство содержит также установленные на подводном объекте 7 импульсный преобразователь 9 постоянного напряжения, входные зажимы 10 которого подключены к приемным концам линии связи 6 и гальванически развязаны от его выходных зажимов 11, и подключенные к зажимам 11 шины 12 постоянного тока. К шинам 12 подключены потребители 13, относящиеся к первой части потребителей подводного объекта 7, и входы автономного инвертора 14 напряжения и вторичного импульсного преобразователя 15 постоянного напряжения. Вторая часть потребителей 16, которые потребляют переменный ток, подключена к выходу автономного инвертора 14 напряжения. К выходу преобразователя 15 подключена третья часть потребителей 17, которые потребляют постоянный ток с низким значением напряжения.The device comprises a step-up transformer 2 installed on the carrier vessel 1, the primary winding of which is connected to the ship's electrical AC network 3, and a controlled voltage rectifier 4, the input terminals 5 of which are connected to the secondary winding of the step-up transformer, and a communication line 6 with the underwater object 7. The supply end of the communication line 6 is connected to the output terminals 8 of the rectifier 4. The device also contains a pulsed DC-converter 9 installed on the underwater object 7, input terminals 10 cat cerned connected to the receiving ends of the link 6 and electrically isolated from its output terminals 11 and 11 connected to the terminals of the DC bus 12. The buses 12 are connected consumers 13, related to the first part of the consumers of the underwater object 7, and the inputs of the autonomous voltage inverter 14 and the secondary pulse Converter 15 DC voltage. The second part of the consumers 16, which consume alternating current, is connected to the output of the autonomous voltage inverter 14. The output of the Converter 15 is connected to the third part of the consumers 17, which consume direct current with a low voltage value.

Схема управляемого выпрямителя напряжения 4, который известен также под названиями: активный выпрямитель или четырехквадрантный преобразователь, показана на фиг.2. Каждое вентильное плечо выпрямителя 4 представляет собой встречно-параллельное соединение электронного ключа 18 с односторонней проводимостью и диода 19, проводящего ток в обратном, по отношению к электронному ключу, направлению. В качестве указанных ключей преимущественно используют IGBT или MOSFET транзисторы. К выходным зажимам 8 такого выпрямителя подключен выходной конденсатор 20, являющийся обязательным элементом управляемого выпрямителя напряжения. Катод диода каждого вентильного плеча анодной группы соединен с анодом диода вентильного плеча одной из катодных групп и с одним из входных зажимов 5 выпрямителя 4. Эти зажимы через повышающий трансформатор 2 подключены к электрической сети 3 переменного тока. Выходные зажимы 8 подключены к линии 6 связи постоянного тока (см. фиг.1).The circuit of a controlled voltage rectifier 4, which is also known as: an active rectifier or a four-quadrant converter, is shown in figure 2. Each valve arm of the rectifier 4 is a counter-parallel connection of an electronic switch 18 with one-sided conductivity and a diode 19, conducting current in the opposite direction with respect to the electronic switch. As these keys, mainly IGBT or MOSFET transistors are used. An output capacitor 20 is connected to the output terminals 8 of such a rectifier, which is an obligatory element of a controlled voltage rectifier. The cathode of the diode of each valve arm of the anode group is connected to the anode of the valve of the valve arm of one of the cathode groups and with one of the input terminals 5 of the rectifier 4. These terminals are connected via an up-step transformer 2 to an alternating current electric network 3. The output terminals 8 are connected to the DC link 6 (see figure 1).

Импульсный преобразователь 9 постоянного напряжения с гальванически разделенными входными зажимами 10 и выходными зажимами 11 состоит из автономного импульсного инвертора напряжения 21, подключенного к его выходным зажимам высокочастотного понижающего трансформатора 22 и выпрямителя 23, подключенного к выходным зажимам высокочастотного понижающего трансформатора (см. фиг.3). В качестве одного из вариантов инвертора 21 на фиг.3 представлен четырехквадрантный преобразователь, собранный по мостовой схеме. Каждое вентильное плечо инвертора 21 представляет собой встречно-параллельное соединение электронного ключа 24 с односторонней проводимостью и диода 25, проводящего ток в обратном, по отношению к электронному ключу, направлению. К входным зажимам 10 инвертора подключен конденсатор 26, являющийся обязательным элементом этого инвертора. Одним из вариантов выпрямителя 23 на фиг.3 может служить мостовая схема неуправляемого выпрямителя тока 23, каждое вентильное плечо которого содержит диод 27. К выходным зажимам 11 неуправляемого выпрямителя подключен конденсатор 28, сглаживающий пульсации напряжения.The pulse DC-converter 9 with galvanically separated input terminals 10 and output terminals 11 consists of a self-contained pulse voltage inverter 21 connected to its output terminals of a high-frequency step-down transformer 22 and a rectifier 23 connected to the output terminals of a high-frequency step-down transformer (see Fig. 3) . As one of the options for the inverter 21 in figure 3 presents a four-quadrant Converter, assembled according to the bridge circuit. Each valve arm of the inverter 21 is a counter-parallel connection of an electronic key 24 with one-sided conductivity and a diode 25, conducting current in the opposite direction with respect to the electronic key. A capacitor 26 is connected to the input terminals 10 of the inverter, which is an indispensable element of this inverter. One of the options for the rectifier 23 in FIG. 3 can be a bridge circuit of an uncontrolled rectifier 23, each valve arm of which contains a diode 27. A capacitor 28 smoothing the voltage ripples is connected to the output terminals 11 of the uncontrolled rectifier.

В состав автономного инвертора 14 напряжения и вторичного импульсного преобразователя 15 постоянного напряжения так же, как и в состав управляемого выпрямителя напряжения 4 и импульсного преобразователя 9 постоянного напряжения, входят электронные ключи и диоды.The composition of the autonomous voltage inverter 14 and the secondary pulse converter 15 of the direct voltage, as well as the structure of the controlled voltage rectifier 4 and the pulse converter 9 of the direct voltage, include electronic switches and diodes.

Устройство для электроснабжения подводного объекта, структурная схема которого показана на фиг.1, работает следующим образом.A device for power supply of an underwater object, the structural diagram of which is shown in figure 1, operates as follows.

На исходном этапе работы трансформатор 2 отключен от судовой электрической сети 3, напряжения конденсаторов 20, 26 и 28 равны нулю (см. фиг.1, 2). Электронные ключи 18 управляемого выпрямителя напряжения 4 и 24 импульсного преобразователя 9 постоянного напряжения, а также электронные ключи автономного инвертора 14 напряжения и вторичного импульсного преобразователя 15 постоянного напряжения находятся в разомкнутом состоянии. Все потребители первой, второй и третьей части электропитание не получают.At the initial stage of operation, the transformer 2 is disconnected from the ship's electrical network 3, the voltages of the capacitors 20, 26 and 28 are zero (see figure 1, 2). The electronic keys 18 of the controlled voltage rectifier 4 and 24 of the pulse converter 9 of the DC voltage, as well as the electronic keys of the autonomous voltage inverter 14 and the secondary pulse converter 15 of the DC voltage are in the open state. All consumers of the first, second and third parts do not receive power.

После подключения повышающего трансформатора 2 к судовой электрической сети 3 начинается этап неуправляемого заряда конденсаторов 20 и 26. При этом на входных зажимах 5 управляемого выпрямителя 4 появляется повышенное, по отношению к напряжению судовой сети 3, напряжение переменного тока. Выходной конденсатор 20 управляемого выпрямителя 4 напряжения сначала заряжается в неуправляемом режиме через диоды 19. В начальный момент этого заряда, когда напряжение выходного конденсатора 20 равно нулю происходит короткое замыкание входных зажимов 5 через диоды 19. Ток заряда конденсатора 20 ограничивается сопротивлением короткого замыкания повышающего трансформатора 2. В результате заряда выходного конденсатора 20 управляемого выпрямителя 4 на зажимах 8 увеличивается напряжение. В линии 6 связи протекает ток, который заряжает входной конденсатор 26 импульсного преобразователя 9 постоянного напряжения. По мере заряда конденсаторов 20 и 26 их напряжения возрастают, а ток повышающего трансформатора 2 снижается. Неуправляемый режим заряда конденсаторов 20 и 26 заканчивается, когда ток вторичной обмотки трансформатора 2 станет равным нулю. При этом напряжения конденсаторов 20 и 26 станут больше амплитудного значения линейного напряжения судовой сети 3 в K раз. Здесь К - коэффициент трансформации повышающего трансформатора 2. Этот коэффициент равен отношению числа витков вторичной обмотки трансформатора 2 к числу витков его первичной обмотки.After connecting the step-up transformer 2 to the ship's electrical network 3, the uncontrolled charge stage of the capacitors 20 and 26 begins. At the same time, an increased AC voltage, relative to the voltage of the ship's network 3, appears on the input terminals 5 of the controlled rectifier 4. The output capacitor 20 of the controlled voltage rectifier 4 is first charged in an uncontrolled mode through the diodes 19. At the initial moment of this charge, when the voltage of the output capacitor 20 is zero, the input terminals 5 are short-circuited through the diodes 19. The charge current of the capacitor 20 is limited by the short-circuit resistance of the step-up transformer 2 . As a result of the charge of the output capacitor 20 of the controlled rectifier 4 at the terminals 8, the voltage increases. A current flows in the communication line 6, which charges the input capacitor 26 of the pulse converter 9 of the direct voltage. As the capacitors 20 and 26 charge, their voltages increase, and the current of the step-up transformer 2 decreases. Uncontrolled charge mode of the capacitors 20 and 26 ends when the secondary current of the transformer 2 becomes equal to zero. In this case, the voltages of the capacitors 20 and 26 will become K times greater than the amplitude value of the linear voltage of the ship network 3. Here K is the transformation coefficient of the step-up transformer 2. This coefficient is equal to the ratio of the number of turns of the secondary winding of the transformer 2 to the number of turns of its primary winding.

Следующий этап - это управляемый режим заряда конденсаторов 20 и 26, при котором происходит периодическое включение и отключение электронных ключей 18 управляемого выпрямителя 4 с частотой, которая во много раз превосходит частоту напряжения электрической сети 3. Алгоритм, по которому микропроцессорное устройство управляет моментами включения и отключения ключей 18, таков, что при этом обеспечивается близкая к синусоиде форма входного тока выпрямителя, а коэффициент мощности первой гармоники этого тока практически равен единице. Во время включенного состояния электронных ключей 18 происходит короткое замыкание цепи, в которой мгновенное значение ЭДС вторичной обмотки трансформатора 2 и напряжение конденсатора 20 действуют согласно. При этом происходит разряд конденсатора 20 и незначительное снижение его напряжения с начального значения u₁ до u₂ в последний момент включенного состояния ключей. Для ограничения скорости нарастания тока короткого замыкания в этой цепи должны содержаться индуктивные элементы. Функцию этих элементов выполняет индуктивная составляющая сопротивления короткого замыкания повышающего трансформатора 2. Когда электронные ключи 18 переходят в выключенное состояние, то под действием индуктивностей во входной цепи выпрямителя 4 через диоды 19 проходит ток, заряжающий конденсатор 20 до напряжения u₃, которое больше напряжения u₁. Среднее за период коммутации ключей напряжение конденсатора 20 больше амплитуды линейного напряжения на зажимах 5 и постепенно нарастает с каждым очередным периодом коммутации.The next stage is the controlled charge mode of the capacitors 20 and 26, in which the electronic switches 18 of the controlled rectifier 4 are turned on and off periodically with a frequency that is many times higher than the voltage frequency of the electric network 3. The algorithm by which the microprocessor device controls the on and off times keys 18, is such that it provides close to a sinusoidal shape of the input current of the rectifier, and the power factor of the first harmonic of this current is almost equal to unity. During the on state of the electronic keys 18, a short circuit occurs in which the instantaneous EMF value of the secondary winding of the transformer 2 and the voltage of the capacitor 20 act accordingly. When this occurs, the discharge of the capacitor 20 and a slight decrease in its voltage from the initial value u ₁ to u ₂ at the last moment of the on state of the keys. To limit the rate of rise of the short circuit current, this circuit must contain inductive elements. The function of these elements is performed by the inductive component of the short-circuit resistance of the step-up transformer 2. When the electronic switches 18 turn off, then under the influence of inductors in the input circuit of the rectifier 4, a current passes through the diodes 19, charging the capacitor 20 to a voltage u ₃ that is greater than voltage u ₁ . The average voltage of the capacitor 20 over the switching period of the keys is greater than the amplitude of the line voltage at the terminals 5 and gradually increases with each next switching period.

Повышающий трансформатор не пропускает токи высших гармоник, созданные коммутацией электронных ключей 18, в цепи электрической сети 3 переменного тока. Тем самым улучшается электромагнитная совместимость импульсного управляемого выпрямителя 4 с другими судовыми электроустановками. Действующие значения входного тока управляемого выпрямителя 4 в управляемом режиме заряда выходного конденсатора 20 и тока, заряжающего через линию 6 связи входной конденсатор 26, равно номинальным значениям этих токов. В управляемом режиме конденсаторы 20 и 26 заряжаются до допустимого значения напряжения линии 6 связи. После чего входные токи управляемого выпрямителя 4, ток конденсатора 20, ток линии 6 связи и ток конденсатора 26 становятся практически равными нулю.The step-up transformer does not pass the higher harmonics currents created by switching electronic keys 18 in the circuit of the AC electric network 3. This improves the electromagnetic compatibility of the pulsed controlled rectifier 4 with other marine electrical installations. The effective values of the input current of the controlled rectifier 4 in a controlled charge mode of the output capacitor 20 and the current charging through the communication line 6 the input capacitor 26 is equal to the nominal values of these currents. In a controlled mode, the capacitors 20 and 26 are charged to an acceptable value of the voltage of the communication line 6. After that, the input currents of the controlled rectifier 4, the current of the capacitor 20, the current of the communication line 6 and the current of the capacitor 26 become almost equal to zero.

Когда напряжение входного конденсатора 26 достигло заданного значения, начинают работать электронные ключи 24 автономного инвертора 21 напряжения импульсного преобразователя 9 постоянного напряжения. Вследствие работы электронных ключей 24 через входные зажимы 10 проходит ток, под действием этого тока конденсатор 26 начинает разряжаться и поэтому возникает ток в линии 6 связи, который разряжает конденсатор 20. Микропроцессорная система автоматического управления выпрямителем 4 измеряет напряжение конденсатора 20, входные токи управляемого выпрямителя 4 и его выходной ток, и управляет включением и выключением шести электронных ключей 18 так, чтобы выполнялись следующие условия:When the voltage of the input capacitor 26 has reached a predetermined value, the electronic switches 24 of the autonomous voltage inverter 21 of the pulse converter 9 of the DC voltage begin to work. Due to the operation of the electronic keys 24, current flows through the input terminals 10, under this current, the capacitor 26 starts to discharge and therefore a current arises in the communication line 6, which discharges the capacitor 20. The microprocessor-based automatic control system of the rectifier 4 measures the voltage of the capacitor 20, the input currents of the controlled rectifier 4 and its output current, and controls the on and off of six electronic keys 18 so that the following conditions are met:

напряжение конденсатора 20 неизменно, его отличие от заданного значения не выходит за допустимые пределы;the voltage of the capacitor 20 is unchanged, its difference from the set value does not exceed the permissible limits;

первые гармоники входных токов образуют симметричную трехфазную систему, синфазную с фазными напряжениями судовой электрической сети 3 переменного тока;the first harmonics of the input currents form a symmetric three-phase system in phase with the phase voltages of the ship's electrical network 3 AC;

действующее значение I_вх входного тока управляемого выпрямителя связано со средним значением I_р выходного тока выпрямителя следующим соотношением: _Rin effective value I of the input current controlled rectifier is connected with the mean value I _p of the output current of the rectifier by the following relation:

Электронные ключи 24 автономного инвертора 21 напряжения формируют двухполярное прямоугольное напряжение частотой от 5 до нескольких десятков кГц на входе высокочастотного понижающего трансформатора 22. Использование повышенной частоты позволяет значительно уменьшить массу и габариты этого трансформатора, так как масса трансформатора, при прочих равных условиях, обратно пропорциональна частоте. Применение повышенной частоты также позволяет снизить емкость входного конденсатора 26 и выходного конденсатора 28 импульсного преобразователя 9 постоянного напряжения.Electronic keys 24 of the autonomous voltage inverter 21 form a bipolar rectangular voltage with a frequency of 5 to several tens of kHz at the input of a high-frequency step-down transformer 22. Using a higher frequency can significantly reduce the mass and dimensions of this transformer, since the mass of the transformer, ceteris paribus, is inversely proportional to the frequency . The use of increased frequency also reduces the capacitance of the input capacitor 26 and the output capacitor 28 of the pulse converter 9 of the direct voltage.

Дальнейший, рабочий, этап работы устройства начинается, когда напряжение конденсатора 28 и на шинах 12 постоянного тока достигнет номинального значения. При этом к шинам 12 подключаются и начинают выполнять свои функции потребители 13, возникает коммутация электронных ключей автономного инвертора 14 напряжения и вторичного импульсного преобразователя 15 постоянного напряжения. При работе этих ключей формируется синусоидальное напряжение с необходимой амплитудой и частотой на выходе автономного инвертора 14, а также необходимое постоянное напряжение на выходе вторичного импульсного преобразователя 15 постоянного напряжения. Подключенные к выходам этих преобразователей потребители 16 и 17 начинают потреблять токи и выполнять свои функции.A further, working, operation phase of the device begins when the voltage of the capacitor 28 and on the DC bus 12 reaches the nominal value. At the same time, consumers 13 are connected to the buses 12 and begin to perform their functions, there is a switching of electronic keys of the autonomous voltage inverter 14 and the secondary pulsed DC-DC converter 15. During the operation of these keys, a sinusoidal voltage is generated with the required amplitude and frequency at the output of the autonomous inverter 14, as well as the necessary constant voltage at the output of the secondary pulse converter 15 of the constant voltage. Consumers 16 and 17 connected to the outputs of these converters begin to consume currents and perform their functions.

При изменении нагрузки, создаваемой потребителями 13, 16 и 17, изменяется и ток, протекающий по линии 6 связи. Из-за активного сопротивления линии 6 связи и при неизменном напряжении на входе линии 6 связи из-за изменения указанного тока будет изменяться напряжение на выходе линии 6 связи. Для стабилизации напряжения на шинах 12 подводного объекта 7 с помощью микропроцессорной системы автоматического управления импульсным преобразователем 9 постоянного напряжения регулируется длительность импульсов двухполярного прямоугольного напряжения на выходе автономного инвертора 21 напряжения так, чтобы напряжение на шинах 12 сохраняло заданное, номинальное для потребителей 13, значение.When changing the load created by consumers 13, 16 and 17, the current flowing through the communication line 6 also changes. Due to the active resistance of the communication line 6 and at a constant voltage at the input of the communication line 6, due to a change in the indicated current, the voltage at the output of the communication line 6 will change. To stabilize the voltage on the tires 12 of the underwater object 7 using the microprocessor-based automatic control system for the pulse converter 9, the pulse width of the bipolar rectangular voltage at the output of the autonomous voltage inverter 21 is regulated so that the voltage on the tires 12 retains the specified value for consumers 13.

Источники информацииInformation sources

1. Патент 2027277 RU. Устройство для электроснабжения подводного аппарата с судна-носителя / Коршунов В.Н., Кувшинов Г.Е., Урываев К.П. - БИ, 1995. - №2.1. Patent 2027277 RU. Device for power supply of an underwater vehicle from a carrier ship / Korshunov V.N., Kuvshinov G.E., Uryvaev K.P. - BI, 1995. - No. 2.

2. Патент на полезную модель 46611 РФ. Система электроснабжения телеуправляемого подводного аппарата с судна-носителя / Мишин В.Н., Бубнов О.В., Рулевский В.М., Дементьев Ю.Н. Бюл. №19, 2005.2. Patent for utility model 46611 of the Russian Federation. Power supply system for a remote-controlled underwater vehicle from a carrier ship / Mishin V.N., Bubnov O.V., Rulevsky V.M., Dementyev Yu.N. Bull. No. 19, 2005.

3. Ястребов B.C. Электроэнергетические установки подводных аппаратов / B.C.Ястребов, А.А.Горлов, В.В.Симинский. - Л.: Судостроение, 1986, с.98-99, рис.4.9. а (прототип).3. Hawks B.C. Power installations of underwater vehicles / B.C. Yastrebov, A.A. Gorlov, V.V. Siminsky. - L .: Shipbuilding, 1986, p. 98-99, Fig. 4.9. a (prototype).

Claims

1. A device for powering an underwater object from the side of the carrier vessel, comprising a step-up transformer installed on the carrier ship, the primary winding of which is connected to the ship's electrical network, and a rectifier, the input terminals of which are connected to the secondary winding of the step-up transformer, as well as a communication line with the underwater an object whose supply end is connected to the output terminals of the rectifier, and the receiving end is connected to secondary power sources located on the underwater object, to the outputs of which I connect the consumers of electric energy of an underwater object are characterized, characterized in that a pulsed DC-DC converter installed on the underwater object is inserted into the device, the input terminals of which are connected to the receiving ends of the communication line and are galvanically isolated from its output terminals, and DC buses connected to these terminals the inputs of secondary power sources and some consumers of the underwater object are connected, and a controlled voltage rectifier is used as a rectifier.

2. The device according to claim 1, characterized in that, as part of the secondary power sources, autonomous voltage inverters are introduced into it, the outputs of which are connected to the second part of the electricity consumers.

3. The device according to claim 1, characterized in that as part of the secondary power sources, secondary pulsed DC-DC converters are introduced into it, the outputs of which are connected to the third part of the electric power consumers.