устройство для электроснабжения подводного аппарата с судна- носителя

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОДВОДНОГО АППАРАТА С СУДНА-НОСИТЕЛЯ, содержащее установленный на судне-носителе прямой индуктивно-емкостный преобразователь, вход которого соединен с судовой электрической сетью, линию связи, питающий конец которой соединен с выходом прямого индуктивно-емкостного преобразователя, и установленные на подводном аппарате потребители неизменного тока, обратные индуктивно-емкостные преобразователи и потребители неизменного напряжения, подключенные к выходам обратных индуктивно-емкостных преобразователей, входы которых, а также потребители неизменного тока включены последовательно и образуют цепь нагрузки, соединенную своими концами с приемным концом линии связи, причем индуктивно-емкостные преобразователи выполнены по Т-образной схеме с реактором, обе обмотки которого, включенные последовательно, размещены на общем сердечнике и соединяют один из входных зажимов с одним из выходных зажимов индуктивно-емкостного преобразователя, два других зажима которого закорочены и через батарею конденсаторов соединены с общим зажимом обмоток реактора, отличающееся тем, что в него введены установленные на подводном аппарате выпрямитель и гребные электродвигатели постоянного тока, якорные цепи которых, включенные последовательно, подключены к выходу выпрямителя, вход которого включен в цепь нагрузки, а индуктивно-емкостные преобразователи выполнены по несимметричной схеме, причем сопротивление входной обмотки реактора прямого индуктивно-емкостного преобразователя, подключенной к судовой электрической сети, равно сопротивлению батареи конденсаторов этого индуктивно-емкостного преобразователя, сопротивление выходных обмоток обратных индуктивно-емкостных преобразователей, подключенных к потребителям неизменного напряжения, равны сопротивлениям батарей конденсаторов соответствующих преобразователей, при этом у каждого реактора число витков обмотки, подключенной к зажимам преобразователя с большим напряжением, больше, чем у другой, подключенной к зажимам с меньшим напряжением.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что у обратного индуктивно-емкостного преобразователя отношение числа витков входной обмотки реактора, включенной в цепь нагрузки, к числу витков выходной обмотки реактора, подключенной к потребителям неизменного напряжения, равно отношению номинального выходного тока преобразователя к номинальному току цепи нагрузки.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что у прямого индуктивно-емкостного преобразователя отношение числа витков выходной обмотки реактора, подключенной к линии связи, к числу витков входной обмотки реактора, подключенной к судовой электрической сети, равно отношению номинального напряжения линии связи к номинальному напряжению судовой электрической сети.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам передачи электроэнергии для электроснабжения подводных аппаратов (ПА) по информационной линии связи, в качестве которой используется кабель или кабель-трос.

Известно устройство для электроснабжения ПА 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 ПА понижающий трансформатор, вход которого подключен к другому концу линии связи, а выход к входу вторичных источников питания, обеспечивающих электроэнергией потребители ПА.

Недостатком этого устройства является то, что мощность установленного на ПА понижающего трансформатора должна быть достаточной для питания всех потребителей электроэнергии, вследствие чего понижающей трансформатор имеет большую массу и габариты. Другой его недостаток заключается в низкой стабильности напряжения на выходе понижающего трансформатора при изменении в широких пределах мощности, потребляемой ПА, вследствие падения напряжения на сопротивлении линии связи, что приводит к необходимости значительного схемного усложнения и увеличения габаритов стабилизаторов напряжения вторичных источников.

Наиболее близким по технической сущности к изобpетению является устройство электроснабжения, выполненное на основе системы неизменного тока и содержащее прямой индуктивно-емкостный преобразователь (ИЕП), вход которого соединен с электрической сетью, линию связи, питающий конец которой соединен с выходом прямого ИЕП, первую и вторую части потребителей неизменного тока, трансформаторы тока с подключенными к их вторичным обмоткам потребителями второй части потребителей неизменного тока, обратные ИЕП и потребители неизменного напряжения, подключенные к выходам обратных ИЕП, входы которых а также первая часть потребителей неизменного тока и первичные обмотки трансформаторов тока включены последовательно и образуют цепь нагрузки, соединенную своими концами с приемным концом линии связи.

При использовании этого устройства для электроснабжения ПА прямой ИЕП установлен на судне и входом соединен с судовой электрической сетью, a обратные ИЕП, трансформаторы тока и потребители установлены на ПА.

Выходной ток прямого ИЕП определяется входным напряжением и практически не зависит от сопротивления цепи, подключенной к его входу. Выходное напряжение обратных ИЕП определяется их входным током и практически не зависит от сопротивления их нагрузки. Поэтому в установившихся режимах работы устройства при стабильном напряжении судовой сети стабильны ток линии связи и потребителей неизменного тока, а также напряжение потребителей неизменного напряжения.

Питание части потребителей непосредственно током линии связи позволяет уменьшить массу и габариты обратных ИЕП.

Напряжение линии связи до десяти и более раз превосходит напряжение как судовой сети, так и потребителей неизменного напряжения. При этом снижается ток линии связи, чем достигается уменьшение сечения ее проводников и ее массы.

Отношение полюсных (входного и выходного) напряжений ИЕП равно К. При большой величине К, что имеет место в рассматриваемом случае, суммарная установленная мощность элементов Г-образного ИЕП примерно в К, а Т-образного с взаимно индуктивной связью между обмотками реактора в К/2 раз больше, чем у трансформатора, мощность которого равна Р, где Р выходная мощность ИЕП. В резком увеличении суммарной установленной мощности, и следовательно, массы ИЕП при возрастании К и проявляется недостаток этого устройства.

Известно решение, направленное на уменьшение указанного недостатка. Оно заключается во включении последовательно с ИЕП трансформатора, коэффициент трансформации которого равен К. Суммарная установленная мощность Т-образного ИЕП и трансформатора при этом в 2,2 раза больше, чем у трансформатора мощностью Р. Такое решение не является оптимальным, так как оно приводит к увеличению числа элементов устройства, а при относительно небольших значениях К и к увеличению его массы.

Второй недостаток этого устройства заключается в том, что оно не обеспечивает электроснабжение гребных электродвигателей постоянного тока, используемых для движения и маневрирования ПА. Именно такие двигатели применяются чаще всего для электродвижения ПА, так как они позволяют плавно и в широких пределах регулировать упор движителей. Мощность гребных электродвигателей обычно превосходит мощностью остальных отдельных потребителей электроэнергии, установленных на ПА.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является снижение массы и габаритов элементов устройства.

Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в значительном снижении напряжения на элементах ИЕП, а именно на конденсаторе и той обмотке, по которой протекает больший ток, а также в получении напряжения постоянного тока для электроснабжения гребных электродвигателей постоянного тока.

Поставленная задача достигается тем, что в устройство для электроснабжения ПА с судна-носителя, содержащее установленный на судне-носителе прямой ИЕП, вход которого соединен с судовой электрической сетью, линию связи, питающий конец которой соединен с выходом прямого ИЕП, и установленные на ПА потребители неизменного тока, обратные ИЕП и потребители неизменного напряжения, подключенные к выходам обратных ИЕП, входы которых, а также потребителей неизменного тока включены последовательно и образуют цепь нагрузки, соединенную своими концами с приемным концом линии связи, причем ИЕП выполнены по Т-образной схеме с реактором, обе обмотки которого, включенные последовательно, размещены на общем сердечнике и соединяют один из входных с одним из выходных зажимов ИЕП, два других зажима которого закорочены и через батарею конденсаторов соединены с общим зажимом обмоток реактора, введены установленные на ПА выпрямитель и гребные электрические двигатели постоянного тока, якорные цепи которых, включенные последовательно, подключены к выходу выпрямителя, вход которого включен в цепь нагрузки, а ИЕП выполнены по несимметричной Т-образной схеме, причем сопротивление входной обмотки реактора прямого ИЕП, подключенной к судовой электрической сети, равно сопротивлению батареи конденсаторов этого ИЕП, а сопротивления выходных обмоток реакторов обратных ИЕП, к которым подключены потребители неизменного напряжения, равны сопротивлениям батарей конденсаторов этих ИЕП, при этом у каждого реактора число витков той обмотки, которая подключена к зажимам ИЕП с большим напряжением, больше, чем у другой, подключенной к зажимам с меньшим напряжением.

Поставленная задача достигается также тем, что у обратного ИЕП отношение числа витков входной обмотки реактора, включенной в цепь нагрузки, к числу витков выходной обмотки реактора, подключенной к потребителям неизменного напряжения, равно отношению номинального выходного тока ИЕП к номинальному току цепи нагрузки.

Поставленная задача достигается также тем, что у прямого ИЕП отношение числа витков выходной обмотки реактора, подключенной к линии связи, к числу витков входной обмотки реактора, подключенной к судовой электрической сети, равно отношению номинального напряжения линии связи к номинальному напряжению судовой электрической сети.

Сопоставительный анализ признаков заявляемого решения и признаков аналога и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию "новизна".

Признаки отличительной части формулы решают следующие функциональные задачи. ИЕП выполнены по несимметричной Т-образной схеме, что позволяет изменить номинальные значения токов и напряжений элементов ИЕП и, следовательно, их массу и габаритные размеры. Сопротивление входной обмотки реактора прямого ИЕП, подключенной к судовой сети, равно сопротивлению батареи конденсаторов этого ИЕП, а сопротивления выходных обмоток обратных ИЕП, подключенных к потребителям неизменного напряжения, равны сопротивлениям батарей конденсаторов соответствующих ИЕП, что делают возможным при несимметричном исполнении ИЕП сохранить функции прямого и обратного преобразователей, т.е. стабилизировать ток или напряжение нагрузки. У каждого реактора число витков обмотки, подключенной к зажимам ИЕП с большим напряжением, больше, чем у другой, подключенной к зажимам ИЕП с меньшим напряжением, что позволяет по сравнению с симметричным исполнением значительно снизить напряжение конденсаторов и той обмотки, по которой проходит больший ток. Это влечет за собой уменьшение установленной мощности и массы как конденсаторов, так и реактора ИЕП. Введение установленных на ПА гребных электродвигателей постоянного тока позволяет исключить необходимость включения в якорные цепи электродвигателей громоздкой пускорегулировочной аппаратуры, а управление скоростью электродвигателей производить по цепям обмоток возбуждения с помощью маломощных и малогабаритных регулируемых источников. Якорные цепи двигателей, включенные последовательно, подключены к выходу выпрямителя, что способствует ограничению тока, возникающего при переводе одного из двигателей в тормозной режим, что позволяет осуществить более интенсивное торможение. Введение установленного на ПА выпрямителя, вход которого включен в цепь нагрузки, позволяет получить напряжение постоянного тока для питания гребных электродвигателей постоянного тока. У обратного ИЕП отношение числа витков входной обмотки реактора, включенной в цепь нагрузки, к числу витков выходной обмотки реактора, подключенной к потребителям неизменного напряжения, равно отношению номинального выходного тока ИЕП к номинальному току цепи нагрузки, что позволяет достигнуть минимум суммы установленных мощностей элементов обратного ИЕП. Упрямого ИЕП отношение числа витков выходной обмотки реактора подключенной к линии связи, к числу витков входной обмотки реактора, подключенной к судовой электрической сети, равно отношению номинального напряжения линии связи к номинальному напряжению судовой электрической сети, что позволяет достигнуть минимум суммы установленных мощностей элементов прямого ИЕП.

На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема устройства; на фиг. 2 показаны векторные диаграммы токов и напряжений прямого ИЕП при симметричном (а) и несимметричном (б) исполнении; на фиг. 3 векторные диаграммы токов и напряжений обратного ИЕП при симметричном (а) и несимметричном (б) исполнении.

Устройство для электроснабжения ПА с судна-носителя 1 содержит установленный на судне-носителе прямой ИЕП 2, вход которого соединен с судовой электрической сетью 3, линию 4 связи с ПА 5, питающий конец которой соединен с выходом прямого ИЕП 2, установленные на ПА 5 потребители 6 и 7 неизменного тока, трансформаторы 8 тока, обратные ИЕП 9 и потребители 10 неизменного напряжения, подключенные к выходам ИЕП 9. Входы ИЕП 9, потребители 6 и первичные обмотки трансформаторов 8 тока, к вторичным обмоткам которых подключены потребители 7 неизменного тока, включены последовательно и образуют цепь 11 нагрузки, соединенную концами с приемным концом линии 4 связи. Устройство также содержит выпрямитель 12, гребные электродвигатели 13, якорные цепи которых, включенные последовательно, подключены к выходу выпрямителя 12, вход которого включен в цепь 11 нагрузки. Независимые обмотки возбуждения двигателей 13 получают питание от маломощных регулируемых источников 14, которые входят в число потребителей 10. Прямой ИЕП 2 состоит из реактора с входной 15 и выходной 16 обмотками и батареи конденсаторов 17. Обратный ИЕП 9 содержит реактор с входной 18 и выходной 19 обмотками и батарею конденсаторов 20.

Устройство работает следующим образом.

При подаче напряжения судовой сети 3 по окончании переходного процесса в линии 4 связи установится ток I_л, который определяется напряжением сети U_n и параметрами прямого ИЕП 2 и практически не зависит от сопротивления нагрузки этого ИЕП, т.е. от его выходного напряжения, равного напряжению U_л, подводимому к линии связи. При стабильном напряжении сети ток линии 4 связи, токи потребителей 7 и напряжения U_n2 потребителей 10 также стабильны. Напряжения U_n2 определяются параметрами обратных ИЕП 9 и их входным током, равным току I_л. Они практически не зависят от токов I_m потребителей 10. Но от этих токов зависят входные напряжения U_вх обратных ИЕП.

Векторные диаграммы, приведенные на фиг. 2 и 3, построены при следующих вполне оправданных допущениях: потери энергии в реакторах и конденсаторах ИЕП отсутствуют, резонансные частоты ИЕП равны частоте сети. Кроме того, принято, что коэффициент связи между обмотками каждого реактора равен единице, нагрузка ИЕП активная, отношение Кn числа витков обмотки 16 реактора прямого ИЕП 2 к числу витков его обмотки 15 равно U_n/U_n, a отношение К_о числа витков обмотки 18 обратного ИЕП 9 к числу витков его обмотки 19 равно I_n2/I_л. Все диаграммы построены при K_n=5 и K_o=5. Напряжение обмоток 15 и 16 прямого, а также 18 и 19 обратного ИЕП обозначены, соответственно U₁₅, U₁₆, U₁₈, U₁₉. Токи и напряжения батареи конденсаторов прямого ИЕП обозначены I_сп и U_cп, а обратного ИЕП I_co и U_co.

Сравнивая между собой векторные диаграммы как прямого, так и обратного ИЕП при симметричном и несимметричном исполнениях, можно увидеть, что переход к несимметричному исполнению приводит к значительному снижению напряжений U₁₅ и U₁₆, а также напряжений батарей конденсаторов U_сп и U_co при относительно небольшом увеличении токов I_вх, I_сп и напряжений U₁₆ и U₁₉. В результате обеспечивается снижение установленной мощности реакторов и конденсаторов ИЕП. Так, для рассматриваемых примеров, которым соответствуют фиг. 2 и 3, несимметричное исполнение прямого ИЕП обеспечивает уменьшение установленной мощности реактора, конденсаторов и суммарной в 1,6 раза, а у обратного ИЕП при его несимметричном исполнении установленная мощность реактора снижается в 1,3 раза, конденсаторов в 3 раза, а суммарная в 1,8 раза.

Суммарная установленная мощность несимметричного ИЕП оказывается меньше, чем в случае применения взамен несимметричного ИЕП трансформатора с коэффициентом трансформации К (К_п или К_о) и симметричного ИЕП при любом значении К.

Суммарная установленная мощность S несимметричного ИЕП, выполненного в соответствии с указанными рекомендациям, лежит в пределах от 1,15 и 2 установленной мощности трансформатора (суммы номинальных мощностей его обеих обмоток), имеющего мощность Р_п=U_п2 ^.I_п2 или P_o=U_п I_п т.е. S всегда меньше аналогичного показателя упомянутого сочетания трансформатора и симметричного ИЕП, равного 2,2 Р_о, или 2,2 Р_п. Так, для примеров, которым соответствуют диаграммы, приведенные на фиг. 2 и 3, суммарная установленная мощность прямого ИЕП при его несимметричном исполнении равна 1,8 от установленной мощности трансформатора с мощностью Р_п, а обратного ИЕП 1,6 от установленной мощности трансформатора с мощностью Р_о.

Выпрямленный ток, протекающий по якорям двигателей 13, зависит от суммарной ЭДС и параметров двигателей, но его изменения при стабильном токе линии связи относительно невелики. Момент двигателей, их скорость и упор движителей регулируются изменением токов возбуждения путем изменения по величине и полярности напряжений источников 14.