Система электроснабжения привязных необитаемых подводных объектов

Филоженко, Алексей Юрьевич

автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Система электроснабжения привязных необитаемых подводных объектов

кандидата технических наук: Филоженко, Алексей Юрьевич
город: Владивосток
год: 2010
специальность ВАК РФ: 05.09.03

Диссертация по электротехнике на тему «Система электроснабжения привязных необитаемых подводных объектов»

Автореферат диссертации по теме "Система электроснабжения привязных необитаемых подводных объектов"

На правах рукописи

ФИЛОЖЕНКО АЛЕКСЕЙ ЮРЬЕВИЧ

СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРИВЯЗНЫХ НЕОБИТАЕМЫХ ПОДВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 3 ЛРН 7010

Владивосток 2010

004618190

Работа выполнена в Институте проблем морских технологий ДВО РАН

Научный руководитель -

заслуженный энергетик РФ, доктор технических наук, профессор Г. Е. Кувшинов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент Н.В. Силин

кандидат технических наук, профессор Н.П. Сологуб

Ведущая организация:

Дальневосточный федеральный университет

Защита состоится «29» декабря 2010 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета К 212.055.03 при Дальневосточном государственном техническом университете по адресу: 690600, Владивосток, Аксаковский переулок, 3, ауд. Б-107.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Дальневосточного государственного технического университета.

Автореферат разослан ноября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент ^^ Ю.М. Горбенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Для исследования и освоения Мирового океана все более широкое применение получают привязные необитаемые подводные объекты (ПНПО). Класс ПНПО включает привязные и буксируемые подводные аппараты, а также донные станции. Среди существенных преимуществ привязных объектов перед автономными в качестве основных можно назвать следующие: непрерывное электроснабжение, возможность передачи сигналов телемеханики по токопроводящем жилам или оптоволокну кабеля (кабель-троса).

Помимо преимуществ, ПНПО имеют и недостаток - кабель затрудняет перемещение подвижных подводных объектов. Для уменьшения этого недостатка кабель изготавливают как можно меньшего диаметра, что приводит к увеличению его электрического сопротивления. Поэтому передача электроэнергии при большой длине кабеля возможна только путем повышения напряжения в линии передачи. Кроме того, из-за значительного электрического сопротивления кабеля, напряжение на его нижнем конце при холостом ходе может значительно, до двух раз, превосходить напряжение при полной нагрузке.

Электроснабжение ПНПО на переменном токе по кабелю длиной несколько километров имеет ряд недостатков. Эти недостатки обусловлены распределенными параметрами кабеля и особенно сильно проявляются при повышенной частоте напряжения в кабеле. Во-первых, в кабеле возникает потеря напряжения на его индуктивном сопротивлении. Во-вторых, кабель рассчитывается на передачу полной мощности, а не активной, что приводит к увеличению его диаметра. В-третьих, наличие реактивной составляющей входного тока связано с увеличением тока, потребляемого кабелем от судовой электроэнергетической системы. В-четвертых, так как кабель обладает значительной распределенной ёмкостью, по сравнению с воздушной линией электропередачи, то входной ток может превосходить номинальный ток кабеля даже при отсутствии нагрузки у ПНПО.

Существенное снижение массы и габаритов системы электроснабжения (СЭС) ПНПО может быть достигнуто путем перевода электрооборудования объекта на повышенные частоты, но электроснабжение ПНПО эффективнее осуществлять на постоянном токе. Действующее напряжение переменного тока в \[2 меньше его амплитудного значения, поэтому на постоянном токе можно увеличить передаваемую по кабелю мощность в Г2 раз. Системы электроснабжения ПНПО на постоянном токе должны подводить к потребителям электроэнергии ПНПО стабильное напряжение, причём, для обеспечения высокой надежности, на более низком, чем в кабеле, уровне.

При анализе режимов работы СЭС необходимо учитывать распределенные параметры кабеля, так как они оказывают существенное влияние на характер переходных процессов. В частности, при переходных процессах в СЭС возникают перенапряжения, величина которых значительно зависит от распределенной индуктивности кабеля и от конструктивных особенностей СЭС.

Целью диссертационной работы является разработка такой системы передачи электроэнергии на ПНПО по кабелю на постоянном токе, которая обеспечивает увеличение передаваемой мощности; уменьшение массы и габаритов СЭС ПНПО; ограничение токов и перенапряжений в СЭС в безопасных пределах.

Достижение поставленной цели требует решения следующих научно-технических задач:

1. Анализ известных систем и устройств электроснабжения ПНПО.

2. Разработка СЭС ПНПО. Обоснование выбора параметров указанной системы и таких режимов работы преобразователей электроэнергии, входящих в её состав, которые исключают недопустимый уровень токов и перенапряжений.

3. Создание компьютерной модели системы электроснабжения привязного подводного объекта для анализа её режимов работы с учётом распределённых параметров кабеля.

4. Экспериментальная проверка достоверности основных положений диссертационной работы и справедливости предлагаемой методики для выбора параметров СЭС ПНПО.

Объектом исследований является система электроснабжения привязного подводного объекта. Предметом исследований - повышение качества электроснабжения привязного подводного объекта при использовании передачи электроэнергии на постоянном токе.

Методы исследования. При решении поставленных задач использованы положения теоретической электротехники, теорий электроники, электрических машин, автоматического управления, методы численного анализа и математической обработки результатов, аппроксимации и синтеза аналитических функций, методы цифровой обработки сигналов, а также натурные эксперименты. Расчетные данные получены путем математического моделирования на персональном компьютере с применением программ Maple 12 и Simulink пакета MATLAB 7.4.

Достоверность научных результатов, изложенных в работе, подтверждается строгим обоснованием расчетных методик и принимаемых допущений, корректным применением современных методов научных исследований, а также подтверждается экспериментальными исследованиями, полученными на макетных образцах.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Предложена и разработана структура СЭС ПНПО с передачей электроэнергии по кабелю на постоянном токе, обеспечивающая увеличение передаваемой мощности при меньших массогабаритных показателях. Повышение надёжности и безопасности электротехнического комплекса ПНПО достигается путём применения преобразователя постоянного напряжения (ППН), реализующего гальваническую развязку этого комплекса и СЭС.

2. Разработана методика получения дробно-рациональных аппроксимаций передаточных функций кабеля. Эти передаточные функции обеспечивают рас-

чёт переходных процессов напряжения и тока в кабеле при более точном, чем в ранее известных методах расчёта, отражении влияния распределённых параметров кабеля.

3. Разработана методика выбора параметров СЭС, предназначенной для передачи требуемой ПНПО мощности при заданной длине кабеля.

4. Предложены и разработаны устройства для подключения управляемого выпрямителя напряжения (УВН) и автономного инвертора напряжения (АИН). Эти устройства ограничивают токи заряда конденсаторов высокой ёмкости, входящих в УВН и АИН, обеспечивают ускоренную зарядку выходного конденсатора УВН до заданного напряжения, превышающего амплитудное значение напряжения сети переменного тока.

Практическая ценность.

1. Разработанная схема СЭС ПНПО, у которой за счёт использования трансформатора повышенной частоты в ППН значительно снижается масса СЭС, а также обеспечивается стабильное напряжение потребителей ПНПО. Благодаря замене неуправляемого выпрямителя тока на УВН обеспечивается практически синусоидальная форма токов, потребляемых устройством от судовой электрической сети, максимальное значение коэффициента мощности и высокий уровень электромагнитной совместимости СЭС с судовой электроэнергетической системой.

2. Разработанное устройство для подключения УВН к источнику напряжения переменного тока в десятки раз уменьшает потери мощности и энергии при предварительном заряде выходного конденсатора УВН и значительно снижает время предварительного заряда указанного конденсатора.

3. Предложенная методика такой дробно-рациональной аппроксимации передаточных функций линии электропередачи, которая лучше учитывает распределённые параметры линии в передаточной проводимости и в функции распространения колебаний, чем описание линии в виде цепной схемы, может найти широкое применение при расчёте переходных процессов в длинных линиях. Использование предлагаемых дробно-рациональных аппроксимаций позволит исключить те составляющие тока и напряжения линии, которые присущи цепной схеме, но отсутствуют в реадьной линии.

4. Проведенные исследования являлись частью научно-исследовательских работ ИПМТ: «Исследование и разработка принципов создания многофункциональных и специализированных автономных необитаемых подводных аппаратов на основе прогрессивных технологий и роботизированных систем». Номер гос. регистрации 01 2009 55364.

Результаты диссертации использованы в ИПМТ ДВО РАН при разработке системы электроснабжения привязного подводного аппарата.

Положения, выносимые па защиту.

1. Принципы построения и структура СЭС ПНПО с ППН с гальванической развязкой и передачей электроэнергии по кабелю на постоянном токе.

2. Методика выбора параметров СЭС ПНПО, основанная на результатах математического и компьютерного моделирования этой системы с учётом распределённых параметров кабеля.

3. Результаты экспериментальных исследований макета СЭС ПНПО с передачей энергии по кабелю на переменном токе при использовании индуктивно-ёмкостных преобразователей источника напряжения в источник тока и источника тока в источник напряжения.

4. Устройства для подключения УВН к источнику напряжения переменного тока и АИН к источнику напряжения постоянного тока, а также методики выбора параметров этих устройств. Результаты экспериментальных исследований макета такого устройства для подключения УВН к источнику напряжения переменного тока, в состав которого входит индуктивно-ёмкостный фильтр, ограничивающий ток заряда выходного конденсатора УВН и повышающий входное напряжение УВН.

Публикации по теме диссертации. По теме диссертационной работы опубликованы 22 печатные работы, в том числе две работы опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК, одна - в материалах международной конференций, получены четыре патента РФ на изобретение.

Апробация результатов научных исследований. Основные результаты работы доложены и обсуждены на одной международной и двух всероссийских научно-технических конференциях: «Технические проблемы освоения Мирового океана» (Владивосток, 2007, 2009); «Проблемы транспорта Дальнего Востока» (Владивосток, 2009); а также в научно-технических конференциях «Воло-гдинские чтения» ДВГТУ (2004-2009) и семинарах ИПМТ ДВО РАН (20082010).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка, включающего 102 наименования и пять приложений. Работа изложена на 109 страницах, содержит 51 рисунок и одну таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель работы и способы ее достижения, определены задачи исследований, обеспечивающие достижение поставленной цели.

В первой главе произведен обзор существующих на сегодняшний день разновидностей СЭС и выявлены их достоинства и недостатки применительно к рассматриваемой задаче.

Из-за значительного сопротивления кабеля передача электроэнергии мощностью несколько киловатт возможна только путем повышения напряжения в кабеле. Повышенное напряжение в СЭС ПНПО (рис. 1) позволяет снизить потери в кабеле, которые пропорциональны квадрату тока. Помимо отмеченного преимущества передача энергии на высоком напряжении обеспечивает более

стабильное напряжение у потребителя при изменении нагрузки, а уменьшение тока позволяет выбрать более тонкий и легкий кабель.

а)

б)

Судно-носитель ЭС

Кабель

а

Подводный объект Т2

ВИП

—л —п л

ЭС■

Судно-носитель

Л Выпрямитель

Кабель

Фильтр

Подводный объект

Инвертор 7*2 □

ВИП

—л —п .—п

Рис. 1. СЭС ПНПО: а) переменного тока; б) постоянного тока

При электроснабжении высоким напряжением переменного тока (рис. 1, а) на борту судна устанавливается повышающий трансформатор (Т1), а на ПНПО - понижающий трансформатор (Т2) питающий вторичный источник питания (ВИП). С выхода этого блока снимаются все напряжения, необходимые потребителям электроэнергии (П) ПНПО. Недостатком указанной системы электропередачи является то, что мощность установленного на ПНПО понижающего трансформатора должна быть достаточной для питания всех потребителей электроэнергии, вследствие чего понижающий трансформатор имеет большую массу и габариты. В СЭС ПНПО постоянного тока (рис. 1, 6) к входным зажимам повышающего трансформатора подключен выпрямитель, а к его выходным зажимам - фильтр. На ПНПО к входным зажимам понижающего трансформатора подключается инвертор. Так как напряжение кабеля ограничивается максимальным значением, которое у постоянного тока в у/2 больше действующего напряжения переменного тока, то на постоянном токе можно увеличить передаваемую мощность на 41 %. Так как, кабель в СЭС на переменном токе рассчитывается на передачу полной мощности, которая больше активной из-за наличия реактивных токов, то по кабелю на постоянном токе можно передать ещё большую мощность. В СЭС постоянного тока нет потери напряжения на индуктивном сопротивлении кабеля. Кроме того, в установившихся режимах на постоянном токе в кабеле отсутствуют емкостные токи, из-за которых при переменном токе приходится снижать допустимое значение тока, передаваемого в нагрузку. Недостатком СЭС постоянного тока 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. Недостаток неуправляемого выпрямителя тока заключается в потреблении им несинусоидальных токов. Высшие гармонические составляющие таких токов создают потери мощности в элементах электроэнергетической системы судна-носителя.

У глубоководных ПНПО, даже с повышенным напряжением в кабеле, снижение напряжения на шинах ПНПО при полной нагрузке может превышать допустимое значение. Для решения этой проблемы на кафедре электрооборудования судов ДВГТУ была разработана СЭС неизменного тока с индуктивно-ёмкостными преобразователями (ИЕП). Схема одного из разработанных в ДВГТУ вариантов СЭС ПНПО показана на рис. 2.

Подводный объект

В СЭС неизменного тока к повышающему трансформатору (Т1) подключен преобразователь источника напряжения в источник тока (прямой ИЕП). Прямой ИЕП питает верхний конец кабеля. К нижнему концу кабеля подключены последовательно выпрямитель тока (ВТ), питающий якорную цепь электродвигателей М, потребители неизменного тока (ПНТ) и преобразователь источника тока в источник напряжения (обратный ИЕП). К обратному ИЕП подключен понижающий трансформатор (Т2) с нагрузкой в виде ВИП, от которого питаются потребители неизменного напряжения (П). У этой СЭС ток кабеля и напряжение потребителей неизменного напряжения практически не зависят от передаваемой мощности.

Помимо указанных преимуществ, СЭС ПНПО неизменного тока обладает и следующими недостатками. Во-первых, как и у СЭС на рис. 1, а кабель в СЭС неизменного тока недоиспользован по мощности, так как передача электроэнергии осуществляется на переменном токе. Во-вторых, ток кабеля всегда максимален - и при минимальной нагрузке, и при наибольшем её значении. Вследствие этого кабель постоянно нагревается максимальным током, что вызывает его ускоренное старение. Третий недостаток состоит в том, что суммарная расчётная мощность элементов каждого индуктивно-емкостного преобразователя превосходит расчётную мощность соответствующего понижающего трансформатора, что приводит к увеличению массы системы неизменного тока. Наибольший недостаток этой СЭС обусловлен низкой скоростью протекания переходных процессов в ИЕП при подключении СЭС к электрической сети и резком изменении нагрузки на шинах ПНПО. При этом возникают недопустимые отклонения напряжения в кабеле и на шинах ПНПО. Поэтому при эксплуа-

тации СЭС неизменного тока приходилось использовать тиристорныс преобразователи для плавного изменения напряжения при подключении СЭС.

Стабилизировать напряжение на шинах ПНПО можно с помощью полупроводниковых преобразователей. Кроме высокой надёжности современная полупроводниковая техника обладает высокими массогабаритными показателями. Например, удельная мощность у маломощных (сотни ватт) преобразователей составляет 3 кВт/кг, а у мощных (сотни киловатт) достигает 20 кВт/кг. Сейчас появляются тенденции к уменьшению массы СЭС ПНПО за счет увели-Судно-носитель чения частоты напряжения

СЭС. На рис. 3 представлена СЭС ПНПО, у которой для уменьшения массы трансформаторов (Т1, Т2) и реакторов (Р) передача электроэнергии осуществляется не на промышленной частоте 50 Гц, а на повышенной - 400 Гц. Как известно, масса трансформатора, при прочих равных условиях, обратно пропорциональна частоте в степени 0,75. Поэтому масса трансформатора может быть снижена в Рис. 3. СЭС ПНПО повышенной частоты 4 7 раза

СЭС ПНПО повышенной частоты присущ ряд недостатков. Во-первых, как и у всех СЭС на переменном токе, передача в СЭС ПНПО повышенной частоты уступает передаче на постоянном токе по своей пропускной способности. Этот недостаток усугубляется использованием повышенной частоты. При частоте 400 Гц у кабелей длиной несколько сотен метров емкостной ток кабеля, подключённого с одного конца к источнику с напряжением несколько киловольт, может превосходить длительно допустимый ток такого кабеля. Из-за возрастания емкостного тока уменьшается активная составляющая входного тока кабеля, что снижает передаваемую мощность. Кроме того, наличие емкостной составляющей входного тока связано с увеличением тока, потребляемого кабелем от судовой электроэнергетической системы. Для устранения этого недостатка необходимо вводить дополнительный реактор (Р), что приводит к увеличению массы и габаритов СЭС.

Во второй главе предложена методика дробно-рациональной аппроксимации передаточных функций линии электропередачи, которая лучше учитывает распределённые параметры линии в передаточной проводимости и в функции распространения колебаний, чем описание линии в виде цепной схемы.

Для обоснованного выбора параметров СЭС ПНПО выполнено моделирование переходных процессов в этой системы с учетом распределённых параметров кабеля. Кабели длиной несколько километров проявляют свойства

длинной линии, а их передаточные функции в операторном виде по напряжению и по току И7,^) определяются выражениями:

ВД = 777Т=-\-• (1)

2Н

ВД = 7ГГ-1-■ (2)

^я

где у = - операторное выражение коэффициента распро-

странения кабеля;

2В = - волновое сопротивление кабеля в операторном виде;

Zя - сопротивление нагрузки ПНПО.

В литературе нахождение переходных характеристик в длинномерных объектах рассматривается редко. Это связано с тем, что передаточные функции (1) и (2) даже в простейшем случае, при согласованной нагрузке, имеют повышенную сложность: представляют экспоненту с иррациональным аргументом. Переходные характеристики для традиционно применяемой цепной схемы замещения объектов с распределенными параметрами имеют значительное отличие от реальных физических процессов в длинной линии. Если пренебречь потерями, цепная схема замещения является фильтром нижних частот, тогда как кабель представляет собой звено чистого запаздывания. Поэтому независимо от числа звеньев переходные процессы в схеме замещения начинаются раньше, чем приходит фронт волны, а их максимальное отличие от реальных остаётся неизменным.

Для получения переходных характеристик выражения (1) и (2), без их преобразования в дробно-рациональные функции, непригодны, так как современные программы компьютерной математики не могут выполнять обратное преобразование Лапласа для такого вида трансцендентных передаточных функций. В аппроксимирующих выражениях возможно также применение функций чистого запаздывания, поэтому из передаточных функций можно выделить чистое запаздывание, что облегчает нахождение аппроксимаций. Полученные функции имеют горизонтальную асимптоту - предел в бесконечности:

/

Нт

^—>00

= 2ехр(-г/2)--2»(ео) , (3)

14 1 гин + гво'

чехр(-™)

где т = ¡41~Са - время прохождения сигнала от начала до конца кабеля:

Zв(l - —— волновое сопротивление кабеля без потерь; V с,

2Н (со) - значение сопротивления нагрузки при я ->• со. Откорректированные передаточные функции имеют вид

10

ад-

ехр(-г$)

-2ехр(-т/2) ■

(4)

Для полученных функций находились Паде аппроксимации с полиномами Чебышева. Аппроксимации передаточных функций находятся по формуле

И^О) + 2ехр(-г/2)-

ехр(-г^),

(5)

где (¡) - аппроксимация откорректированной передаточной функции. Максимальные погрешности полученных аппроксимаций передаточных функций, как в операторном виде, так и на частотном диапазоне составляют менее 1 %. Пример аппроксимированной передаточной функции по напряжению с ёмкостной нагрузкой на конце кабеля 5 мкФ 0,0605(^+6,93-104л + 1,57-109)

От + 1669) • (я2 + 9 ■ 10\ + 2,82 ■ 109)

(л2 + 4,45-104,? + 2,18-109) / 1П.5 Ч'

с+-;-:-г^-ехр -7,35-10 .У

(.$ +3,52-10 $ + 1,79-10 ) п '

(б)

Из передаточной функции (6) найдена переходная характеристика напряжения на выходе кабеля при подключении входного напряжения 4242 В (рис. 4, а), также найдены переходные характеристики входного (штриховая линия) и выходного (сплошная линия) тока кабеля (рис. 4, б).

и 2; В ' " ; /, А I

„- «40200- А I

2500 I

1500 1000 200 0 / / и

...........-/ / .4

1- ...................

0,00023 О.ОССЗО 0.00073 0.СЮ100 0.СС123 0,00130 0,00173 /, с

О)

0,00023 О.ООПЗО 0.СЮ073 0,00100 0.00123 0,00130 0,00173 г с 0)

Рис. 4. Переходные процессы напряжения (а) и тока (б) в кабеле

Для моделирования процессов в линии, при любой нагрузке, в том числе и нелинейной, была разработана топологическая схема замещения коаксиального кабеля в виде направленного графа (рис. 5). На рис. 5 через Еи обозначено напряжение, подаваемое на вход кабеля; 2И - сопротивление источника; 2В и Ув -волновые сопротивление и проводимость кабеля; Ун - проводимость нагрузки; 1\ и 1г - токи на входе и выходе кабеля; и СЛ - напряжения на его входе и выходе. Так как нагрузка в разработанной модели вынесена в отдельную ветвь, то для её реализации достаточно аппроксимировать передаточную функцию с согласованной нагрузкой и волновое сопротивление. Для моделирования пере-

Ей

о1 ~Z" ! М „ i 1

У /1 1 1 >•-^- У у -Ъ у--—-0

Рис. 5. Топологическая схема замещения кабеля в виде направленного графа

ходных процессов в коаксиальном кабеле, топологическая схема замещения была реализована в виде структурной схемы в пакте БтиПпк системы компьютерной математики МАТЬАВ.

В третьей главе исследовались переходные процессы в СЭС неизменного тока. В пакете

Simulink компьютерной программы MATLAB была построена модель СЭС неизменного тока, которая передавала на ПНПО 15 кВт по коаксиальному кабель-тросу КГП-1-200 с первичными параметрами: R0 = 10,3 Ом/км, ¿о = 0,27 мГн/км, Со = 0,2 мкФ/км; длиной I = 10 км и при допустимых действующих значениях напряжения и тока кабель-троса: 3000 В и 10 А. Кабель-трос моделировался блоком PI Section Line (П-образными четырехполюсниками) из библиотеки Simulink; количество секций четырехполюсников принято 15, так как большее количество секций практически не увеличивает точность моделирования.

В качестве прямого и обратного ИЕП модели СЭС неизменного тока, использовались Т-образные ИЕП с коэффициентами связи между обмотками реактора Кс = 0,96. Параметры реакторов и конденсаторов прямого и обратного ИЕП выбраны так, чтобы в установившемся режиме напряжение на выходе прямого ИЕП не превосходило 3000 В, а на выходе обратного ИЕП было 1500 В. В момент включения нагрузка на выходе обратного ИЕП отсутствует, при t = 0,4 с подключается активная нагрузка с номинальным значением мощности 15 кВт, затем при t = 0,7 с нагрузка отключается.

На рис. 6 показаны графики действующих значений токов и напряжений.

и, в

--------- Л М/и J*.-----

— -------------

Рис. 6. Переходные процессы в СЭС ПНПО: штриховые линии - а) напряжение, б) ток на входе кабель-троса; сплошные линии - а) напряжение, б) ток на выходе обратного ИЕП

При подключении полной нагрузки напряжение на выходе обратного ИЕП, в установившемся режиме, снижается на 1,7 %, но в момент подключения нагрузки напряжение падает на 26 %, а при отключении - вырастает на 38 %.

Для повышения степени достоверности полученных результатов было найдено их экспериментальное подтверждение путем исследования макета СЭС ПНПО (рис. 7).

Прямой ИЕП Обратный ИЕП

Рис. 7. Схема макета СЭС ПНПО неизменного тока

Макет СЭС ПНПО подключается к источнику стабильного напряжения переменного тока частотой 50 Гц 11с с действующим значением 230 В. Ключ К подключает, а затем отключает нагрузку Параметры прямого и обратного ИЕП выбраны такими, чтобы действующее значение выходного тока 1К прямого ИЕП было равно 3 А, а напряжение на нагрузке 1}н было равно 100 В (в установившихся режимах). Кабель-трос моделируется сопротивлением Як = 27.3 Ом, а сопротивление нагрузки -Ян~32 Ом.

В результате проведенного эксперимента на макете СЭС ПНПО получены переходные процессы выходного напряжения прямого ИЕП ¡7] и напряжения на нагрузке ин (рис. 8, а), токов в кабель-тросе 1К и нагрузке 1Н (рис. 8, б). При этом подключение макета к источнику имело место при угле 65 градусов, затем, спустя 0,324 с, замкнулся ключ К, а затем, через 0,332 с после его включения, произошло размыкание этого ключа.

ь

ж

0.4 0,5

а)

о)

Рис. 8. Переходные процессы в макете СЭС ПНПО: штриховые линии - а) напряжение, б) ток на выходе прямого ИЕП; сплошные линии - а) напряжение, б) ток на выходе обратного ИЕП

г и..................

р. ¡{г* .1 1 -Ац

а: 1

к

1

0.6 0.7 С

Было выполнено имитационное моделирование этого макета в программе MATLAB. При этом, для учета распределённых параметров, кабель-трос моделировался 15-ю секциями PI Section Line, длиной 2,65 км (активное сопротивление кабеля - 27,3 Ом). Полученные переходные процессы в имитационной модели практически совпадают с экспериментальными (рис. 8). В установившемся режиме при подключенной нагрузке отличие напряжения на выходе прямого ИЕП составляет 4,5 В, а отличие напряжения на нагрузке - 0,76 В. Максимальное отличие составляет 12,2В (для напряжения на выходе прямого ИЕП).

Из-за низкой скорости протекания переходных процессов в СЭС с ИЕП при резком изменении нагрузки, на шинах ПНПО возникают недопустимые отклонения напряжения. Применение ИЕП возможно только при плавном изменении нагрузки и плавном изменении напряжения при подключении СЭС ПНПО.

Получены зависимости активной мощности (Р2) на выходе кабель-троса КГП 1-200 длиной 10 км от частоты входного напряжения (рис. 9). При входном напряжении 3000 В (сплошная линия) и частоте более 273 Гц входной ток превосходит максимальный ток кабеля, равный 10 А, даже при отсутствии нагрузки. Для характеристики с входным напряжением 2000 В (штриховая линия) максимальная частота при входном токе 10 А составляет 426 Гц. Это значит, что, для ограничения тока с увеличением частоты, необходимо снижать входное напряжение. Достигаемой при этом максимальной мощности на выходе кабель-троса (Р2шах) соответствует характеристика, показанная на рис. 8 пунктирной линией. Очевидно, что в СЭС ПНПО повышенной частоты (рис. 3) кабель-трос недоиспользован по напряжению.

Четвёртая глава посвящена описанию разработанного устройства для электроснабжения подводного объекта с борта судна-носителя с малой массой и габаритами электрооборудования ПНПО; улучшенной формой токов, потребляемых устройством для электроснабжения подводного объекта от электрической сети судна-носителя; повышенным коэффициентом мощности, потребляемой этим устройством, а также с увеличенной пропускной способностью кабе-

г

Щ Z ■ f,y= з = 2 кВ кв\ Pi т»т #

Ч . ^ * ' •

-

Рис. 9. Зависимости передаваемой мощности от частоты: пунктирная линия - максимальная мощность, сплошная линия - мощность при С/[ = 3 кВ, штриховая линия - мощность при ¡7] = 2 кВ

ля в 42 (рис. 10). В предлагаемой СЭС ПНПО на борту судна устанавливается УВН, подключенный к судовой сети через устройство для подключения (УП), импульсный повышающий преобразователь постоянного напряжения (ППН1) с гальванической развязкой и конденсаторы Си С2. На ПНПО высокое напряжение кабеля снижается до требуемого уровня напряжения потребителей с помощью импульсного понижающего преобразователя постоянного напряжения (ППН2).

Судно-носитель Кабель Подводный объект

\ УРН ППН1 i ! i ; ППН2

j 0-- УП - ¥ X _Lc,i i т ü ! ¡-LS ÜT X -U T ВИП —m —n I

Рис. 10. Устройство для электроснабжения ПНПО

Схема однофазного варианта УВН, который известен также под названиями: активный выпрямитель или четырёхквадрантный преобразователь, показана на рис. 11. УВН потребляет практически синусоидальные токи из судовой сети с заданным фазовым сдвигом первой гармоники этого тока (обычно нулевым). Каждое вентильное плечо выпрямителя представляет собой встречно-параллельное соединение электронного ключа VT с односторонней проводимостью и диода VD, проводящего ток в обратном, по отношению к электронному ключу, направлении. В качестве указанных ключей используют IGBT или MOSFET транзисторы. К выходным зажимам выпрямителя подключён выходной конденсатор С,, являющийся обязательным элементом УВН.

Импульсный преобразователь постоянного напряжения с гальванической развязкой состоит из автономного импульсного инвертора напряжения, соединённого с его выходными зажимами высокочастотного понижающего трансформатора и выпрямителя, подключенного к выходным зажимам высокочастотного понижающего трансформатора.

Так как трансформаторы ППН работают на частоте порядка 20 кГц, то его масса снижается до 80 по сравнению с массой трансформатора, рассчитанного для частоты 50 Гц (рис. 1) и до 16 раз - для 400 Гц (рис. 3). Применение повышенной частоты также позволяет снизить емкость конденсаторов С\ - С4. Кроме того, благодаря замене неуправляемого выпрямителя тока на УВН обеспечивается практически синусоидальная форма токов, потребляемых устройством от судовой электрической сети, и высокий уровень электромагнитной совместимости устройства с судовой электроэнергетической системой.

При изменении нагрузки, создаваемой потребителями, изменяется ток, протекающий по кабелю. Из-за активного сопротивления кабеля и при неизменном напряжении на его входе из-за изменения указанного тока будет изменяться напряжение на нижнем конце кабеля. Для стабилизации напряжения на шинах ПНПО, с помощью микропроцессорной системы автоматического управления ППН2, регулируется длительность импульсов двухполярного пря-

моугольного напряжения на выходе автономного инвертора напряжения так, чтобы напряжение на конденсаторе Сц сохраняло заданное значение.

Конденсатор С1 может иметь достаточно большую ёмкость, поэтому при подключении входных зажимов УВН к источнику переменного тока возникает короткое замыкание цепи (конденсатор С] заряжается в неуправляемом режиме). Для ограничения входного тока УВН в неуправляемом режиме разработано устройство для подключения УВН (рис. 11), которое защищает диоды, электронные ключи и конденсаторы УВН от разрушения под действием сверхтоков.

УВН

Устройство для подключения

¿1 ¿2 и

ь /^с & сЦ

)УТ\-Л) /

3

4

туо

4=С,

ия

Рис. 11. Однофазный вариант устройства для подключения УВН

По сравнению с токоограничивающими резисторами предлагаемое устройство имеет следующие преимущества:

1) в десятки раз снижены потери мощности и энергии при предварительном заряде Сь

2) уменьшено время предварительного заряда Сь

3) после окончания предварительного заряда С] его напряжение больше амплитуды напряжения источника, что защищает УВН от возможных «забросов» напряжения источника;

4) значительное снижение пульсации напряжения на зажимах источника напряжения в рабочем режиме УВН.

Внешняя характеристика устройства для подключения определяется выражением

и..

(7)

в котором использованы обозначения действующих значений первых гармоник напряжений: входного ивх УВН и источника V-и входных токов УВН:

текущего 1В

и начального 1Ю. Ток

1Ю является наибольшим входным током

УВН. Коэффициент к определяется выражением

Хг

к = -

Хс -А^ —

(8)

где Хс - сопротивление конденсатора С, X, и Хг - сопротивления реакторов Ь\ и Ь2 при частоте источника. Сопротивление конденсатора С намного

16

больше суммарного сопротивления реакторов L\ и 12. Поэтому коэффициент к больше единицы.

График внешней характеристики (7) - это выпуклая кривая, а в том случае, когда вместо реакторов используются пусковые резисторы, она представляет собой отрезок прямой линии. Поэтому для всех относительных, значений входного напряжения UBX, кроме нуля, входной ток 1ВХ УВН с предложенным устройством больше, чем с резисторами. Следовательно, устройство для подключения обеспечивает предварительный заряд конденсатора Ci за гораздо меньшее время по сравнению с резисторами. Это подтверждается экспериментальными исследованиями макета устройства для подключения УВН. На рис. 12 показаны осциллограммы напряжений на входе УВН во время неуправляемого заряда конденсатора С\ при подключении УВН к источнику напряжения через резистор и макет устройства для подключения.

Ubx, В

250200150100500-50-Sí, С -100-150-200-250-300-350-

Рис. 12. Осциллограммы напряжений на выходе резистора (R - серые линии) и макета устройства для подключения (УП - черные линии)

Когда действующее входное напряжение УВН достигнет значения kU, его

выходное напряжение станет равным номинальному значению \flkU, которое равно амплитуде входного напряжения. При этом выключатель К\ отключается, а Кг замыкается. Затем напряжение на входных зажимах УВН формируется электронными ключами. Их продолжительность изменяется так, чтобы в указанном напряжении не содержались высшие гармоники, близкие к первой, имеющей частоту источника напряжения. Относительно небольшая индуктивность индуктивного элемента L¡ обеспечивает весьма большое значение индуктивного сопротивления для токов, генерируемых высшими гармониками входного напряжения УВН. В то же время относительно небольшая ёмкость конденсатора С обеспечивает весьма малое значение ёмкостного сопротивления для токов указанных высших гармоник. Поэтому пульсации напряжения на этом конденсаторе крайне малы, это напряжение имеет практически синусоидальную форму. Высокое, для высших гармоник, сопротивление второго реактора Ьг дополнительно подавляет высшие гармоники входного тока УВН, делает их ничтожно малыми. Тем самым обеспечивается электромагнитная совмес-

тимость УВН с другими потребителями, подключёнными к судовому или береговому источнику напряжения переменного тока.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Предложена и разработана структура СЭС ПНПО с передачей энергии по кабелю на постоянном токе, которая обеспечивает увеличение передаваемой мощности при меньших массогабаритных показателях. Повышение надёжности и безопасности электротехнического комплекса ПНПО достигается путём применения ППН, реализующего гальваническую развязку этого комплекса и СЭС.

2. Разработана методика получения дробно-рациональных аппроксимаций передаточных функций кабеля. Эти передаточные функции обеспечивают расчёт переходных процессов напряжения и тока в кабеле при более точном, чем в ранее известных методах расчёта, отражении влияния распределённых параметров кабеля.

3. Разработана методика выбора параметров СЭС, предназначенной для передачи требуемой ПНПО мощности при заданной длине кабеля.

4. Предложены и разработаны устройства для подключения УВН и АИН. Эти устройства ограничивают токи заряда конденсаторов высокой ёмкости, входящих в УВН и АИН, обеспечивают ускоренную зарядку выходного конденсатора УВН до заданного напряжения, превышающего амплитудное значение напряжения сети переменного тока.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Работы, опубликованные в изданиях, определенных ВАК РФ

1. Зотов В.И., Копылов В.В., Кувшинов Г.Е., Наумов JI.A., Филоженко А.Ю. Многокритериальная оптимизация параметров системы электроснабжения подводного объекта // Энергосбережение и водоподготовка. - 2010. № 1. -С. 45-47.

2. Зотов В.И., Копылов В.В., Кувшинов Т.Е., Наумов Л.А., Филоженко А.Ю. Концептуальное проектирование высокочастотного трансформатора для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный объект // Приводная техника. -2010. № 1. - С. 30-32.

Свидетельства о патентах и изобретениях

1. Патент RU 2372706 , Н02М 7/219. Устройство для подключения управляемого выпрямителя напряжения к источнику напряжения переменного тока / Копылов В.В., Коршунов A.B., Кувшинов Г.Е., Наумов Л.А., Филоженко А.Ю. БИ, 2009 №31.

2. Патент RU 2377709, Н02М 7/219. Устройство для подключения автономного инвертора напряжения к источнику напряжения постоянного тока / Копылов В.В., Кувшинов Г.Ю., Наумов Л.А., Филоженко А.Ю., Чуев Г.И., Ше-ин А.Н. БИ, 2009 № 36.

3. Патент RU 2399140, H02J 3/18. Устройство для электроснабжения подводного аппарата с судна-носителя / Копылов В.В., Кувшинов Г.Е., Наумов Л.А., Филоженко А.Ю. БИ, 2010 № 25.

4. Патент RU 2401496, H02J 7/10. Устройство для зарядки аккумуляторной батареи подводного объекта / Копылов В.В., Кувшинов Г.Е., Наумов ДА., Фи-ложенко А.Ю. БИ, 2010 № 28.

Прочие публикации

1. Кувшинов Г.Е., Радченко Д.В., Филоженко А.Ю. Определение передаточных функций цепных схем с помощью рациональных функций // Радиоэлектроника, информатика, электротехника. Часть II: Сб. матер, научной конф. Во-логдинские чтения. - Владивосток: ДВГТУ, 2004. - С. 19-21.

2. Герасимова Г.Н., Кац М.А., Филоженко А.Ю. Об особенностях частотных характеристик цепных моделей длинных линий // Радиоэлектроника, информатика, электротехника: Сб. матер, научной конф. Вологдинские чтения. -Владивосток: ДВГТУ, 2005. - С. 7-9.

3. Кувшинов Г.Е., Филоженко А.Ю. Аппроксимация передаточной функции распространения колебаний в электрической линии // Радиоэлектроника, информатика, электротехника: Сб. матер, научной конф. Вологдинские чтения. - Владивосток: ДВГТУ, 2006. - С. 94-95.

4. Филоженко А.Ю. Моделирование переходных процессов в коаксиальном кабеле с использованием программ компьютерной математики // Молодежь и научно-технический прогресс: Сб. тезисов докладов регион, науч.-технич. конф. В 2 ч. Ч. 1,-Владивосток, 2007.-С. 192.

5. Кувшинов Г.Е;, Наумов ДА., Филоженко А.Ю., Чупина К.В. Бесконтактная передача электроэнергии на морской подвижный объект // Научно-техническая конференция: Матер, конф. Технические проблемы освоения мирового океана. - Владивосток: Дальнаука, 2007. - С. 141-146.

6. Кувшинов.Г.Е., Наумов Л.А., Филоженко А.Ю., Чупина К.В. Моделирование системы передачи электроэнергии постоянного тока на подводный объект // Научно-техническая конференция: Матер, конф. Технические проблемы освоения мирового океана. - Владивосток: Дальнаука, 2007. - С. 147-150.

7. Кувшинов Г.Е., Филоженко А.Ю. Моделирование процессов в преобразователе первого рода с учетом распределенных параметров питающего кабеля // Радиоэлектроника, информатика, электротехника: Сб. матер, научной конф. Вологдинские чтения. - Владивосток: ДВГТУ, 2007. - С. 75-78.

8. Герасимова Г.Н., Кац М.А., Филоженко А.Ю. Моделирование согласованной нагрузки длинной линии // Радиоэлектроника, информатика, электротехника: Сб. матер, научной конф. Вологдинские чтения. - Владивосток: ДВГТУ, 2007. - С. 45-48.

9. Копылов В.В., Кувшинов А.Н., Филоженко А.Ю., Шеин А.Н. Устройство для подключения управляемого выпрямителя напряжения // Радиоэлектроника, информатика, электротехника: Сб. матер, научной конф. Вологдинские чтения. - Владивосток: ДВГТУ, 2008. - С. 156-160.

Ю.Пимочкин А.Н., Филоженко А.Ю. Стабилизация тока с помощью индуктивно-емкостных преобразователей // Молодежь и научно-технический прогресс: Сб. тезисов докладов регион, науч.-технич. конф. В 2 ч. Ч. 1. - Владивосток, 2009. - С. 296.

П.Филоженко А.Ю. Переходные процессы в системе электроснабжения привязного подводного объекта с индуктивно-емкостными преобразователями // Молодежь и научно-технический прогресс: Сб. тезисов докладов регион, науч.-технич. конф. В 2 ч. Ч. 1. - Владивосток, 2009. - С. 313.

12.Кувшинов Г.Е., Филоженко А.Ю., Чупина К.В. Электроснабжение привязного подводного аппарата с судна-носителя // Исследования по вопросам повышения эффективности судостроения и судоремонта: сб. науч. тр. Вып. 47. -Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2009. - С. 164-166.

13.Копылов В.В., Кувшинов Г.Е., Наумов Л.А., Филоженко А.Ю. Выбор системы электроснабжения подводного объекта и параметров высокочастотного трансформатора, обеспечивающего бесконтактную передачу электроэнергии на подводный объект // Научно-техническая конференция: Матер, конф. Технические проблемы освоения мирового океана. - Владивосток: Дальнаука, 2009. -С. 95-100.

14.Копылов В.В., Кувшинов Г.Е., Наумов Л.А., Филоженко А.Ю., Ханна-нов A.M. Выбор системы электроснабжения подводного объекта при повышенной потере напряжения в линии передачи // Международная научно-практическая конференция: Матер, конф. Проблемы транспорта Дальнего Востока- Владивосток: ДВО Российской Академии Транспорта, 2009. - С. 17-18.

15.Филоженко А.Ю. Применение повышенной частоты в линии передачи электроэнергии на подводный объект // Радиоэлектроника, информатика, электротехника: Сб. матер, юбилейной научной конф. «Вологдинские чтения». -Владивосток: ДВГТУ, 2009. - С. 138-139.

16.Копылов В.В., Кувшинов Г.Е., Филоженко А.Ю., Чуев Г.И., Шеин А.Н. Устройство для подключения автономного инвертора напряжения // Радиоэлектроника, информатика, электротехника: Сб. матер, юбилейной научной конф. «Вологдинские чтения». -Владивосток: ДВГТУ, 2009. -С. 117-) 19.

Филоженко Алексей Юрьевич

СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРИВЯЗНЫХ НЕОБИТАЕМЫХ ПОДВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 19.11.2010 Формат 60x84/16 Усл. печ. л. 1,16 Уч.-изд. л. 1,08 Тираж 100 Заказ 548 Типография ДВГТУ, 690990, г. Владивосток, ул. Пушкинская, 10

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Филоженко, Алексей Юрьевич

СОКРАЩЕНИЯ ЧАСТО ИСПОЛЬЗУЕМЫХ НАЗВАНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРИВЯЗНЫХ НЕОБИТАЕМЫХ ПОДВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ.

1.1. Разновидности привязных необитаемых подводных объектов.

1.2. Особенности электроснабжения ПНПО.

1.3. Разновидности систем электроснабжения ПНПО.

1.4. Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2. ПЕРЕДАТОЧНЫЕ ФУНКЦИИ И ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КАБЕЛЯ С УЧЁТОМ ЕГО РАСПРЕДЕЛЁННЫХ ПАРАМЕТРОВ.

2.1. Математическая модель коаксиального кабеля.

2.2. Система базисных единиц и нормирование передаточных функций кабеля.

2.3. Расчёт переходных процессов в коаксиальном кабеле, основанный на использовании частотных характеристик кабеля.

2.4 Цепная схема замещения кабеля.

2.5 Метод аппроксимации передаточных функций.

2.6 Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ РАСПРЕДЕЛЁННЫХ ПАРАМЕТРОВ КАБЕЛЯ НА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ ПНПО.

3.1. Переходные процессы в СЭС ПНПО неизменного тока.

3.2. Особенности электроснабжения ПНПО на повышенной частоте.

3.3. Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. СЭС ПНПО НА ПОСТОЯННОМ ТОКЕ С ППН.

4.1. Описание СЭС на постоянном токе с ППН.

4.2. Описание устройства для подключения УВН.

4.3. Экспериментальное исследование макета устройства для подключения УВН.

4.4. Выводы по главе 4.

Введение 2010 год, диссертация по электротехнике, Филоженко, Алексей Юрьевич

Актуальность темы. Для исследования и освоения Мирового океана все более широкое применение получают привязные необитаемые подводные объекты (ПНПО). Среди существенных преимуществ привязных объектов перед автономными в качестве основных можно назвать следующие: непрерывное электроснабжение, возможность передачи сигналов телемеханики по токопро-водящем жилам или оптоволокну кабеля (кабель-троса).

Помимо преимуществ, ПНПО имеют и недостаток — кабель затрудняет перемещение подвижных подводных объектов. Для уменьшения этого недостатка кабель изготавливают как можно меньшего диаметра, что приводит к увеличению его электрического сопротивления. Поэтому передача электроэнергии возможна только путем повышения напряжения в линии передачи. Кроме того, из-за значительного электрического сопротивления кабеля, напряжение на его нижнем конце при холостом ходе может значительно, до двух раз, превосходить напряжение при полной нагрузке.

Электроснабжение ПНПО на переменном токе по кабелю длиной в несколько километров имеет ряд недостатков. Эти недостатки обусловлены распределенными параметрами кабеля и особенно сильно проявляются при повышенной частоте напряжения в кабеле. Во-первых, в кабеле возникает потеря напряжения на его индуктивном сопротивлении. Во-вторых, кабель рассчитывается на передачу полной мощности, а не активной что приводит к увеличению его диаметра. В-третьих, наличие реактивной составляющей входного тока связано с увеличением тока, потребляемого кабелем от судовой электроэнергетической системы. В-четвертых, так как кабель обладает значительной распределенной ёмкостью, по сравнению с воздушной линией электропередачи, то входной ток может превосходить номинальный ток кабеля при отсутствии нагрузки у ПНПО.

Существенное снижение массы и габаритов системы электроснабжения (СЭС) ПНПО может быть достигнуто путем перевода электрооборудования объекта на повышенные частоты, но электроснабжение ПНПО эффективнее осуществлять на постоянном токе. Наряду с вышеуказанными недостатками электроснабжения на переменном токе, действующее напряжение переменного тока в -\/2 меньше его амплитудного значения, поэтому на постоянном токе можно увеличить передаваемую по кабелю мощность в раз. Для того, чтобы напряжение на шинах подводного объекта оставалось стабильным при изменении тока кабеля, эти шины целесообразно подключить к концу кабеля через импульсный преобразователь постоянного напряжения (ППН). Высокую надёжность СЭС ПНПО можно обеспечить применением ППН с гальванической развязкой.