автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Система электроснабжения подводного буксируемого объекта

Введение

1. Системы электроснабжения подводных буксируемых объектов

1.1. Разновидности систем электроснабжения подводных буксируемых объектов (ПВО)

1.2. Характеристики структурных элементов электроэнергетического комплекса (ЭЭК) ПБО

1.3. Условия работы электрооборудования ЭЭК ПБО

1.4. Номинальные параметры и качество электрической энергии ЭЭК ПБО

1.5. Описание и сравнительный анализ систем электроснабжения ПБО

1.6. Выводы по главе

2. Электроснабжение подводных буксируемых объектов с применением индуктивно-емкостных преобразователей

2.1. Передача электроэнергии по коаксиальной линии. Влияние длины линии и частоты источника

2.2. Система электроснабжения с неизменным током кабель-троса

2.3. Выбор индуктивно-емкостных преобразователей входящих в систему электроснабжения подводного объекта

2.4. Анализ установившегося режима работы ИБП 1, нагруженного на линейное сопротивление

2.5. Выбор параметров ИБП 2, преобразующих ток кабель-троса в напряжение потребителей подводного объекта

2.6. Выбор параметров ИБП 1, преобразующего напряжение сети в ток кабель-троса

2.7. Применение несимметричных индуктивно емкостных преобразователей в системе электроснабжения ПВО

2.8. Выводы по главе

3. Влияние выпрямителя на форму тока кабель-троса

3.1. Выбор метода определения формы тока кабедь-троса

3.2. Математическая модель электропривода по системе однофазный ИБП - выпрямитель - двигатель постоянного тока

3.3. Результаты исследования математической модели электропривода

3.4. Выбор разновидности ИБП, обеспечивающей допустимое искажение формы тока кабель-троса

3.5. Выводы по главе

4. Анализ напряжения на входе выпрямителя, питающего якорную цепь электродвигателей

4.1. Работа однофазного мостового выпрямителя, питающего якоря электродвигателей от источника синусоидального тока

4.2. Источники помех в системе телемеханики

4.3. Гармонический анализ напряжения на нижнем конце кабель-троса

4.4. Подавление токов помех в кабель-тросе

4.5. Выводы по главе

5. Экспериментальное исследование макета системы электроснабжения

5.1. Назначение макета системы электроснабжения ПВО, задачи экспериментального исследования

5.2. Состав макета, конструктивные осбенности, характеристики и параметры его элементов

5.3. Исследование системы электроснабжения без электропривода

5.4. Экспериментальное исследование режимов работы электропривода по системе ИЕП - выпрямитель - двигатель

5.5. Анализ результатов экспериментального исследования макета электропривода

5.6. Снижение пульсаций тока якоря в системе

ИЕП - выпрямитель - двигатель

5.7. Выводы по главе 5 150 6. Защита системы электроснабжения с индукктивно-емкостными преобразователями

6.1. Особенности защиты электрических цепей с индуктивно-емкостными преобразователями

6.2. Защита конденсаторов индуктивно-емкостных преобразователей от перенапряжений

6.3. Защита системы электроснабжения от перехода в аварийный режим при ее подключении к сети

6.4. Выводы по главе 6 161 Заключение 163 Список литературы 165 Приложения

Активное применение подводных буксируемых объектов (ПБО) для решения исследовательских и прикладных задач на больших глубинах началось еще в 60-е годы XX века. Передача электроэнергии на ПБО с борта судна-носителя по кабель-тросу является самым распространенным способом. Однако задача электроснабжения ПБО, ввиду ограниченной пропускной способности кабель-троса,связывающего объект с судном, при больших глубинах погружения является достаточно сложной.

У глубоководных ПБО, буксируемых на глубине 6000м и более, длина кабель- троса должна быть не менее 10000м. При такой длине кабель-троса передача электрической энергии с мощностью несколько киловатт возможна только путем повышения напряжения в линии передачи. Напряжение, подводимое к существующим коаксиальным кабель-тросам, не должно превышать 3000В переменного тока. При традиционной схеме электропередачи переменного тока с повышающим трансформатором в начале линии передачи и понижающим в ее конце, невозможно получить одновременно стабильность напряжения в конце линии при изменении нагрузки и максимальную пропускную способность линии.

Для решения этих задач необходимы устройства широкодиапазонного регулирования напряжения на верхнем или нижнем конце кабель-троса. В первом случае необходим информационный канал обратной связи по кабель-тросу, второй связан с увеличением массы и габаритов системы на ПБО.

Наиболее приемлемым вариантом системы электроснабжения является включение с двух сторон кабельной линии вместо или помимо трансформаторов преобразователей, обладающих свойствами гиратора. Подобная система разработана в ДВГТУ на основе индуктивно-емкостных преобразователей (ИБП). ИЕП судна-носителя (прямой) преобразует стабильное напряжение судовой сети в неизменный ток кабель-троса, допустимый по сечению его центральной жилы. ИБП ПВО (обратный) преобразует неизменный ток в стабильное напряжение бортовой сети. С целью уменьшения массы и габаритов элементов системы в цепь неизменного тока последовательно через выпрямитель включены якоря гребных электродвигателей постоянного тока.

Целью работы является исследование и анализ режимов работы такой системы для оптимизации ее массогабаритных и качественных показателей, а также разработка методик расчета ее элементов.

Поставленная цель достигается решением следующих научно-технических задач:

1. Исследовать возможность использования повышенной частоты тока в линии передачи (кабель-тросе).

2. Определить вариант системы электропередачи с наибольшей пропускной способностью при заданных ограничениях.

3. Сформулировать требования к ИБП судна-носителя и ПБО и провести анализ их режимов работы в системе электроснабжения.

4. Определить влияние выпрямителя в цепи тока кабель-троса на форму этого тока.

5.Провести анализ напряжения на входе выпрямителя в цепи тока кабель-троса. Определить уровень помех информационному каналу и разработать меры по их подавлению.

6. Проанализировать возможные аварийные ситуации в системе и разработать устройства защиты от них.

При решении поставленных задач использованы основные положения теоретической электротехники, теории электроники, электропривода, методы численного анализа и математической обработки результатов, а также натурные эксперименты. Расчетные данные получены путем математического моделирования на ПК.

Основные результаты диссертации:

1. Проведена классификация систем электроснабжения ПБО на основе анализа структур электроэнергетических комплексов объектов и режимов работы электропотребителей. Обоснован выбор номинальных параметров электроэнергии, дано описание и сравнительный анализ применяемых и перспективных систем электроснабжения.

2. Дана оценка возможности использования коаксиального кабель-троса в качестве линии электропередачи и определены ограничения по частоте передаваемого тока, обусловленные распределенными параметрами кабель-троса.

3. Рассмотрены варианты систем электроснабжения по условию максимальной передаваемой мощности и обосновано применение системы с неизменным током кабель-троса. В качестве источника неизменного тока (источник питания на судне-носителе) и преобразователя неизменного тока в неизменное напряжение (на борту ПБО) предложено использование статических индуктивно-емкостных преобразователей (ИЕП).

4. Проведен анализ режимов работы ИЕП в системе электроснабжения, предложена методика выбора параметров преобразователей.

5.Выполнен анализ влияния выпрямителя в цепи неизменного тока на форму тока в линии передачи. По результатам математического моделирования определены качественные параметры передаваемой электроэнергии.

6. Для оценки уровня помех системе передачи информации проведен анализ формы и гармонического состава напряжения на входе выпрямителя и

164 их зависимость от режимов работы электродвигателей ПБО. Предложена методика определения уровня помех и расчета фильтра для их подавления.

7. Для оценки эквивалентности математического моделирования и расширенного анализа режимов работы системы электроснабжения исследован ее натурный макет. Результаты экспериментальных исследований согласуются с теоретическими и подтверждают результаты математического моделирования.

8. Для безопасной эксплуатации системы электроснабжения в морских условиях предложены системы ее защиты при подключении к судовой сети и случайном обрыве линии электропередачи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований разработаны теоретические основы и предложены инженерные методы проектирования оптимальной по массогабаритным и качественным показателям системы электроснабжения глубоководного ПБО.

1. Милн П. Подводные инженерные исследования.-Л.: Судостроение, 1984.-344с.

2. Агеев М.Д., Касаткин Б.А., Киселев Л.В., Молоков Ю.Г., Никифоров В.В., Рылов Н.И. Автоматические подводные аппараты. Л.: Судостроение, 1981-224с.

3. Необитаемые подводные аппараты / Под ред. Сытина А.В., М.: Воениздат, 1975.-159с.

4. Ястребов B.C. Телеуправляемые подводные аппараты (с манипуляторами). Л.: Судостроение, 1973.-200с.

5. Океанологические телеуправляеемые аппараты и роботы/ Под ред. Ястребова B.C., Л.: Судостроение, 1976.-176с.

6. Системы и элементы глубоководной техники подводных исследований / Под ред. Ястребова B.C. Л.: Судостроение, 1981.-300с.

7. Егоров В.И. Подводные буксируемые системы. Л.: Судостроение, 1981.-304с.

8. Подводные аппараты с программным управлением и их системы / Под ред. Агеева М.Д. Владивосток: ДВНЦ АН СССР, 1977.-168с.

9. Лобанов В.А. Справочник по технике освоения шельфа. -Л.: Судостроение, 1983 .-288с.

10. Ю.Лукошков А.В. Техника исследования морского дна. -Л.: Судостроение, 1984.-264с.

11. Симинский В.В., Гордов А.А. Анализ характеристик энергосиловых установок подводных аппаратов и роботов. В кн.: Элементная база подводных аппаратов и роботов.-М.: Наука, 1980.С.122-127.

12. Кванталиани Н.Е. Источники энергии подводных аппаратов. Судостроение, 1980, № 11.С.12-15.

13. Ляревин М.В. Новые химические источники тока.-М.: Энергия, 1978.

14. Диомидов М.Н., Дмитриев А.Н. Подводные аппараты.-JI.: Судостроение, 1966.-362с.

15. Степцов Н.А., Груздев М.А. Средства подводного освещения.-JL: Судостроение, 1972.

16. Хауис Г. Подводная техника.-Л: Судостроение, 1979.-286с.

17. Правила классификации и постройки морских судов Т.2 / Российский Морской Регистр судоходства.-СПб.: 1999.

18. Скурский Л.М. Требования зарубежных классификационных обществ к глубоководной технике. Судостроениеие за рубежом, 1976, № 1.-С.48-61.

19. Сандлер А.С., Гусяцкий Ю.М, Тиристорные инверторы с широтно-импульсной модуляцией для управления асинхронными двигателями.-М.: Энергия, 1968.-120с.

20. Михайлов А.В. Автоматизированные электроэнергетические системы судов.-Л.: Судостроение, 1977.-315с.

21. Коршунов В.Н. Система электроснабжения ПБО с передачей электроэнергии на постоянном токе // Науч.-техн. конф."Вологдинские чтения". Электротехника / Матер, конф. -Владивосток: ДВГТУ, 1998. С.44-46.

22. Кувшинов Г.Е., Коршунов В.Н. Влияние параметров кабеля на выбор способа передачи электроэнергии на подводный объект // Сб. материалов XXXIII науч-техн. конф. Электроавтоматика / Матер, конф. -Владивосток: ДВГТУ, 1993. С.61-62.

23. Кувшинов Г.Е., Коршунов В.Н. Влияние параметров кабеля на выбор способа передачи электроэнергии на подводный объект // Сб. материалов XXXVII межвузовской науч-техн. конф / Матер, конф. -Владивосток:: ТОВВМУ, 1994. С.111-113.

24. Коршунов В.Н. Влияние распределенной емкости кабель-троса на передачу электроэнергии промышленной и повышенной частоты // Науч.-техн. конф. "Вологдинские чтения". Электротехника / Матер, конф. -Владивосток. ДВГТУ, 2001. С. 50-52.

25. Бессонов JI.A. Линейные электрические цепи.-М.:Высшая школа,1968. -256с.

26. Электротехнический справочник. В 3-х т.Т. 1 Общие вопросы. Электротехнические материалы. М.: Энергоатомиздат, 1985.

27. Двайт Г.Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы.М.: Наука, 1973. -228с.

28. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. -М. Наука, 1970.-720с.

29. Кувшинов Г.Е., Коршунов В.Н., Морозов Б.А. Электрооборудование подводного аппарата // Всесоюзная школа по техническим средствам и методам освоения океана / Тез. докл. Т. 1 -М.: Институт океанологии АН СССР, 1991. СЛ.

30. Кувшинов Г.Е., Коршунов В.Н., Ханнанов A.M. Система электроснабжения подводного буксируемог объекта с судна-носителя // Наука и технология в России №2, -М.: 1997. С.26.

31. Мэзон С., Циммерман Г. Электрические цепи, сигналы и системы. —М.: Изд-во иностранной литературы, 1963.-620с.

32. Кувшинов Г.Е., Хаблак Н.Т. Топологические методы анализа электрических цепей -Владивосток: ДВГПИ, 1975. С22-29.

33. Милях А.Н., Шидловский А.К. Принцип взаимности и обратимости явлений в электротехнике. -Киев: Наукова думка, 1967.С.316.

34. Иванчук Б.Н., Липман Р.А., Рувинский Б.Я. Тиристорные и магнитные стабилизаторы напряжения. -М.: Энергия, 1968. -112с.

35. Анисимов Я.Ф. Особенности применения полупроводниковых преобразователей в судовых электроустановках. -Л.: Судостроение, 1973.-232с.

36. Милях А.Н., Волков И.В. Системы неизменного тока на основ индуктивно-емкостных преобразователей. -Киев: Наукова думка, 1974. -216с.

37. Ключев В.И. Теория электропривода. -М.: Энергоиздат, 1985.-.560с.

38. Чиженко И.М., Руденко B.C., Сенько В.И. Основы преобразовательнойтехники. -М.: Высшая школа, 1974. -430с.

39. Милях А.Н., Кубышин В.Е., Волков И.Р. Индуктивно-емкостные преобразователи источников напряжения в источники тока. -Киев: Наукова думка, 1964. -304с.

40. Волков И.В., Смолянский И.И. Асимметричные режимы работы индуктивно-емкостных преобразователей. -Киев: Наукова думка, 1976. -176с.

41. А.С. 1152477 СССР, МКИ Н02 3/02. Устройство для электроснабжения подводного аппарата с борта судна-носителя (его варианты)/ С.А. Владимиров, Г.Е. Кувшинов, К.П. Урываев, В.Г. Шахтер. 1984.

42. Системы стабилизированного тока: Сб. ИЭ АН УССР. -Киев: Наукова думка, 1976. -176с.

43. А.С. 202304 СССР, МКИ Н02Р 9/38. Устройство фазового компаундирования/Г.Е.Кувшинов//БИ. 1967. №19.

44. А.С. 311361 СССР, МКИ Н02Р 9/38. Устройство для фазового компаундирования /Г.Е.Кувшинов, А.В.Морозов // БИ. 1971. №24.

45. А.С. 438086 СССР, МКИ Н02Р 9-38. Устройство для фазового компаундирования синхронного генератора с самовозбуждением /Г.Е.Кувшинов, А.В.Морозов // БИ. 1974. №28.

46. Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей. Справочная книга. -Л.: Энергия, 1970. -415с.

47. Карасев В.В., Кубарев Л.П., Лейтес Л.В. Обобщенный аналитический метод оптимизации и оценки параметров реакторов. -Электротехника. 1977. №4. С.1-8.

48. Электрические конденсаторы. Конденсаторные установки. Справочник под общей ред. Г.С. Кучеренко. -М.: Энергоатомиздат, 1987. -125с.

49. Ермуратский В.В., Ермуратский П.В. Конденсаторы переменного тока в тиристорных преобразователях. М.: Энергия, 1979. -224с.

50. Ануфриев Ю.А., Гусев В.Н., Смирнов В.Ф. Эксплуатационные характеристики и надежность электрических конденсаторов. -М.: Энергия, 1976. -225с.

51. Гулевич А.И., Киреев А.П. Производство силовых конденсаторов. -М.: Высшая школа, 1975. -439с.

52. Кувшинов Г.Е., Коршунов В.Н. Модернизация системы электроснабжения буксируемого подводного аппарата // Сб. материалов XXXIV науч-техн. конф. Электроавтоматика: / Матер, конф. -Владивосток: ДВГТУ, 1994. С.47.

53. Патент РФ RU 2058644 С1 6 H02J 3/02. Устройство для электроснабжения подводного аппарата с судна-носителя / Кувшинов Г.Е., Коршунов В.Н., Урываев К.П. Опубл. в Б.И. №11, 1996.

54. Электротехнический справочник. В 3-х т. Т. 2. Электротехнические изделия и устройства. -М.: Энергоатомиздат, 1986.-712с.

55. Теория автоматического управления. В 2-х ч. Ч. II. Теория нелинейных и специальных систем автоматического управления/ Под ред. А.А.Воронова. -М.: Высшая школа, 1986. -504с.

56. Такеути Т. Теория и применение вентильных цепей для регулирования двигателей. -Л.: Энергия, 1973. -248с.

57. Нейман Л.Р.,Демирчян К.С. Теоретические основы электротехники. В 2-х т. Т. 2. -М.-Л.: Энергия, 1966. -407с.65.3аездный A.M. Гармонический синтез в радиотехнике и электросвязи. -Л.: Энергия, 1971. -528с.

58. Нерретер В. Расчет электрических цепей на персональной ЭВМ. -М.: Энергоатомиздат, 1991 .-221с.

59. Демидович Б.И., Марон И.А.,Шувалова Э.З. Численные методы анализа. -М.: Наука, 1967. -386с.

60. Дьяконов В.П. Справочник по алгоритмам и программам на языке бейсик для персональных ЭВМ. М.: Наука, 1989. -240с.

61. Герасимова Г.Н.,Кувшинов Г.Е., Наумов Л.А., Усольцев В.К. Топологические методы анализа в электротехнике и автоматике. -Владивосток: Дальнаука, 2001. -232с.

62. Справочник по программированию на языке бейсик для профессиональных ЭВМ / Ю.Ф. Вашкевич, Д.А. Безмен, В.А. Костеневич и др.-М.: Машиностроение, 1992.-272с.

63. Радер Д., Милсап К. Бейсик для персонального компьютера фирмы IBM.-М.: Радио и связь, 1991.-411с.

64. Гринчишин Я.Т., Ефимов В.И., Ломакович А.Н. Алгоритмы и программы на бейсике.-М.: Просвещение, 1988.-160с.

65. Пул Л. Работа на персональном компьютере.-М.: Мир, 1986.-382с.

66. Фигурнов В.Э. IBM PC для пользователя.-М: Финансы и статистика, 1993.-350с.

67. ГОСТ 13109-98 Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения -Минск: Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 1998. С. 10.

68. Толстов Ю.Г., Теврюков В.А. Теория электрических цепей. -М.: Высшая школа. 1971. -296с.

69. Хьюз В. Нелинейные электрические цепи. -М.: Энергия, 1967. -336с.

70. Филиппов Е. Нелинейная электротехника. -М.: Энергия, 1968. -504с.

71. Справочник судового электротехника. Т.2. Судовое электрооборудование /Под ред. Г.И.Китаенко. Л.: Судостроение, 1976. -776с.

72. Березниковский С.Ф. Автоматическое регулирование и управление электрическими машинами. -Л.: Судостроение, 1964. -420с.

73. Кувшинов Г.Е. Системы прямого компаундирования судовых синхронных генераторов. Дис. на соиск учен. степ. канд. техн.наук Л.: ЛЭТИ, 1965.

74. Морозов А.В. Синтез автоматических регуляторов возбуждения судовых синхронных генераторов переменной частоты. Дис. на соиск. учен. степ, канд. техн. наук. -Владивосток: ДВПИ, 1970.

75. Гуменюк В.М. Автоматическое регулирование сдвоенного синхронного генератора в единой судовой электроэнергетической установке. Дис. на соиск. учен.степ. канд. техн. наук. -Владивосток: ДВПИ, 1970.

76. Гуменюк В.М., Кувшинов Г.Е. Дифференциатор переменного тока с индуктивным запоминающим устройством. Сб. науч. тр. №73. -Владивосток: ДВПИ, 1971.

77. Патент РФ RU 2027277 С1 6 H02J 3/02, Н02М 5/40. Устройство для электроснабжения подводного аппарата с судна-носителя. / Кувшинов Г.Е., Коршунов В.Н., Морозов Б.А., Урываев К.П. Опубл. в Б.И. №2, 1995.

78. Патент РФ RU 2044380 С1 6 Н02Н 9/04, 7/12 Устройство для защиты от аварийного повышения напряжения источника стабилизированного переменного тока. / Кувшинов Г.Е., Коршунов В.Н., Морозов Б.А. Опубл. в Б.И. №26, 1995.

79. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промышленных предприятий. -М.: Энергоатомиздат, 1994. -272с.

80. Гельман М.М. Аналого-цифровые преобразователи для информационно-измерительных систем.-М.: Изд-во стандартов, 1989.-320с.

81. Диагностические измерительные системы. Виртуальные приборы на базе IBM PC. Многоканальный мониторинг // Описание продукции Центра АЦП.-М.: Центр АЦП, 1997.-106с.

82. Гутников B.C. Применение операционных усилителей в измерительной технике.-JI.: Энергия, 1975.-120с.

83. Электротехнический справочник. В 3-х т. Т3,кн.2. Использование электрической энергии. -М.-.Энергоатомиздат. 1988.

84. Кутасин Б.П., Норневский Б.И. Общая теория электропривода и пускорегулирующая аппаратура. -М.: Транспорт. 1966.

85. Дьяконов В.П. Справочник по MathCAD PLUS 6.0 PRO.-M.: Пресс, 1997.--336с.

86. Дьяконов В.П. Система MathCAD. Справочник.-М.: Радио и связь, 1993.-128с.

87. Кувшинов Г.Е., Коршунов В.Н., Морозов Б.А. Защита конденсаторов индуктивно-емкостных преобразователей от перенапряжений // Сб. материалов XXXI науч-техн. конф. Электротехника и электроника / Матер, конф. -Владивосток: ДВПИ, 1992. С.56.

88. Глух Е.М., Зеленов В.Е. Защита полупроводниковых преобразователей. -М.: Энергия, 1970.-96с.

89. Беркович Е.И., Боровой А.И. и др. Полупроводниковые выпрямители. / Под ред. Ф.И. Ковалева и Г.П. Мостковой. -М.: Энергия, 1967-115с.