Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор современного состояния систем электропитания телеуправляемых подводных аппаратов 12
1.1. Варианты выполнения систем электропитания телеуправляемых подводных аппаратов 12
1.2. Анализ параметров систем электропитания телеуправляемых подводных аппаратов 22
1.3. Основные требования, предъявляемые к системам электропитания телеуправляемых подводных аппаратов 26
Выводы 36
ГЛАВА 2. Системы электропитания телеуправляемых подводных аппаратов переменного тока 37
2.1. Особенности построения автономных инверторов судовой части систем электропитания телеуправляемых подводных аппаратов .... 37
2.1.1. Выбор автономного инвертора для системы электропитания телеуправляемого подводного аппарата 37
2.1.2. Структуры автономных инверторов со ступенчатой модуляцией и ШИМ выходного напряжения 42
2.2. Методика расчета оптимального напряжения переменного тока и обоснование выбора частоты при передаче энергии по кабель-тросу 49
2.3. Обоснование требований к параметрам кабель-троса и анализ его конструктивных особенностей 56
Выводы 70
ГЛАВА 3. Методика теплового расчета погружных трансформаторов систем электропитания телеуправляемых подводных аппаратов 71
3.1. Классификация трансформаторов 75
3.2. Конструктивные особенности погружного трансформатора и их влияние на тепловой режим 78
3.3. Методы расчёта теплового режима трансформаторов малой мощности 81
3.4. Основные этапы расчёта теплового режима погружного трансформатора , 87
3.4.1. Принятые допущения 87
3.4.2. Анализ полной эквивалентной тепловой схемы погружного трансформатора 89
3.5. Расчет среднеповерхностной температуры корпуса герметичного
бака погружного трансформатора 94
3.5.1. Расчет среднеповерхностной температуры корпуса бака при охлаждении естественной конвекцией в воздушной среде 94
3.5.2. Расчет среднеповерхностной температуры корпуса бака при охлаждении естественной конвекцией в морской воде 98
3.6. Расчет средних температур наружных поверхностей однофазных трансформаторов 107
3.6.1. Расчет среднеповерхностной температуры тепловой модели 107
3.6.2. Уточненный расчет средних температур наружных поверхностей однофазных трансформаторов , 116
3.7. Расчет максимальных температур обмоток трансформаторов и магнитопровода 126
3.8. Методика теплового расчета погружного трансформатора 131
3.9. Экспериментальная проверка методики теплового расчета погружного трансформатора 136
3.9.1. Описание экспериментальной установки для исследования тепловых режимов погружного трансформатора 136
3.9.2. Обработка экспериментальных данных 139
Выводы 144
ГЛАВА 4. Схемотехническое моделирование и экспериментальное исследование системы электропитания телеуправляемого подводного аппарата 145
4.1. Схемотехническое моделирование системы электропитания телеуправляемого подводного аппарата 145
4.1.1. Методы моделирования 145
4.1.2. Схемотехническое моделирование системы электропитания телеуправляемого подводного аппарата в пакете «MatLab 7.0 -Simulink» 149
4.2. Экспериментальное исследование макетного образца СЭП-30 ТПА 156
4.2.1. Описание макетного образца системы электропитания телеуправляемого подводного аппарата СЭП-30 ТПА 157
4.2.2. Переходные характеристики макетного образца СЭП-30 ТПА... 172
Выводы 176
Заключение 177
Список литературы 179
Приложение 1 188
Приложение 2 189
Приложение 3 191
Приложение 4
Приложение 5 193
- Варианты выполнения систем электропитания телеуправляемых подводных аппаратов
- Особенности построения автономных инверторов судовой части систем электропитания телеуправляемых подводных аппаратов
- Классификация трансформаторов
- Схемотехническое моделирование системы электропитания телеуправляемого подводного аппарата
Введение к работе
Актуальность темы.
Необходимость оценки и вовлечения в промышленный потенциал минеральных ресурсов Мирового океана поставила задачу создания и эксплуатации подводных технических средств, обеспечивающих проведение геологических исследований на морском дне в пределах больших площадей с высокой качественной достоверностью. В наибольшей степени решению этой задачи на этапе региональных, поисковых и поиско-вооценочных работ отвечают телеуправляемые подводные аппараты (ТПА), оснащенные различной научно-исследовательской аппаратурой.
Использование научно-исследовательской, фотографической и телевизионной аппаратуры на больших глубинах требует применения мощных осветительных приборов и устройств со значительным энергопотреблением, работающих как в длительном, так и в импульсном режимах. Суммарная мощность токоприемников телеуправляемых подводных аппаратов достигает нескольких киловатт, поэтому вопросы энергоснабжения ТПА приобретают весьма важное значение при проектировании подводных аппаратов.
Выбор систем электропитания (СЭП) ТПА определяется рядом требований, среди которых главную роль играют величина передаваемой мощности, время непрерывной работы без поднятия аппарата на борт обеспечивающего судна и объем информации, которой обмениваются между собой аппарат и обеспечивающее судно [70].
Для ТПА, как отмечалось выше, важнейшее значение имеет система электропитания, а именно преобразование и передача энергии по кабель-тросу. Причем следует отметить, что рост объемов поставленных и выполняемых задач с помощью ТПА на предельных глубинах ведет к увеличению требуемой полезной мощности СЭП, которую необходимо передавать и преобразовывать.
Выбор требуемых мощностей СЭП ТПА существенно влияет на массогабаритные характеристики не только основных устройств, входящих в состав СЭП ТПА, но и самого ТПА, кабель-троса и заглубителя.
Решению общих и специальных вопросов СЭП на базе статических преобразователей посвящены работы Т.А. Глазеыко, В,Е. Тонкаля, B.C. Моина, В.А. Лабунцова, Э.М. Ромаша, А.В. Кобзева, В.П. Обрусни-ка, Г.С. Мыцыка, Б.П. Соустина, Р.Т. Шрейнера, А.Г. Гарганеева и др.
Широкий круг вопросов общего теоретического и практического характера в проблеме создания СЭП для специальных потребителей вышеуказанными авторами и коллективами решены.
Однако вопросы разработки, углубленного теоретического и практического исследования высокоэнергетических СЭП ТПА при работе на предельных глубинах с учетом параметров кабель-троса, рекомендаций по выбору и построению согласующих погружных трансформаторов ТПА, статического преобразователя и других устройств, во многом пока изучены недостаточно, что затрудняет проектирование и создание высокоэффективных СЭП ТПА.
Исходя из вышеизложенного следует отметить, что на сегодняшний день разработка и создание эффективных и высоконадежных глубоководных ТПА в значительной степени зависит от усовершенствования систем электропитания, а именно оптимизации сопряжения информационного и энергетического каналов передачи энергии по единому кабель-тросу и обеспечение стабильного напряжения на потребляющих нагрузках при высоких массогабаритных показателях. Поэтому теоретические исследования таких систем и вопросы их проектирования чрезвычайно актуальны и имеют практическую ценность.
Цель работы и задачи исследования.
Целью настоящей работы является решение комплекса научных и технических проблем, связанных с разработкой нового поколения систем электропитания электротехнического комплекса телеуправляемого подводного аппарата, обеспечивающих достаточную мощность генерируемой электроэнергии и имеющих высокие массогабаритные характеристики.
Достижение указанной цели потребовало решение следующих задач:
Проведение анализа современного состояния СЭП ТПА.
Обоснование границ применения вариантов СЭП ТПА.
Обоснование выбора напряжения и частоты переменного тока в кабель-тросе.
Обоснование требований к параметрам кабель-троса и анализ его конструктивных особенностей.
Анализ тепловых режимов погружных трансформаторов подводной части СЭП ТПА.
Разработка схемотехнических моделей СЭП ТПА для исследования динамических характеристик.
Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись теоретические и экспериментальные методы исследований. В качестве основных методик теоретического исследования применялись: классические методы расчета электрических и магнитных цепей, методы теории автоматического регулирования, методы математического моделирования. Исследования проводились с применением программы Simu-link пакета MatLab 7.0. Отдельные теоретические результаты подтверждены экспериментальными исследованиями, выполняемыми на реальных макетных образцах в лабораторных и производственных условиях с использованием специально разработанных стендов и методик.
Достоверность научных результатов, изложенных в работе, определяется строгим обоснованием расчетных методик и принимаемых допущений, корректным применением современных методов научных исследований, а также подтверждается экспериментальными исследованиями, полученными на макетном образце. Все разделы диссертационной работы логически взаимосвязаны, а выводы и рекомендации органически вытекают из материалов теоретических и экспериментальных исследований.
Научная новизна диссертационной работы заключается в теоретических и практических исследованиях, сущность которых состоит в следующем:
Разработана и предложена структура СЭП ТПА со звеном повышенной частоты и способом передачи энергии по кабель-тросу на переменном токе, обеспечивающая непрерывное энергоснабжение токоприемников ТПА при наименьших массогабаритных показателях.
Разработана методика расчета напряжения переменного тока кабель-троса, позволяющая обоснованно подойти к выбору величины напряжения в кабель-тросе и определить токовую нагрузку коаксиальной пары при заданной передаваемой мощности с учетом собственной емкости кабель-троса.
Предложена новая конструкция герметичного с масляной заливкой трехфазного погружного трансформатора СЭП ТПА, обеспечивающая нормальный тепловой режим работы во всем диапазоне нагрузок в различных средах охлаждения.
Разработана методика теплового расчета погружных трансформаторов СЭП ТПА, позволяющая за счет введения экспериментально определенного эмпирического коэффициента для заданной конструкции значительно увеличить точность полученных расчетных результатов.
Практическая ценность работы.
Разработанная схема СЭП ТПА обеспечивает передачу энергии большой мощности свыше 30 кВт на глубину до 6000 м морского дна, а также стабилизацию напряжения на потребляющих нагрузках при высоких массогабаритных показателях.
Созданный макетный образец СЭП-30 ТПА позволяет получить требуемые выходные характеристики в электротехническом комплексе СЭП ТПА и исследовать электромагнитные процессы, протекающие в системе, при различных режимах работы.
Предложенная методика расчета тепловых режимов погружного трансформатора СЭП ТПА позволяет обоснованно подойти к выбору конструкции трансформатора для обеспечения нормального теплового режима в процессе эксплуатации.
Основные защищаемые положения.
Принципы построения и структура СЭП ТПА, обеспечивающая непрерывное энергоснабжение токоприемников ТПА с улучшенными массогабаритными показателями.
Методика расчета напряжения переменного тока при передаче энергии по кабель-тросу, позволяющая обоснованно подойти к выбору величины напряжения в кабель-тросе и определить токовую нагрузку коаксиальной пары при заданной передаваемой мощности с учетом собственной емкости кабель-троса.
Методика теплового расчета предлагаемой конструкции погружного трансформатора СЭП ТПА для различных режимов работы и в различных средах охлаждения с целью обеспечения нормального теплового режима.
Комплекс теоретических и экспериментальных исследований.
Реализация результатов диссертации работы.
Результаты диссертационной работы использованы при выполнении ряда научно-исследовательских тем, а также в проектно-конструкторской деятельности ФГНУ НИИ Автоматики и электромеханики при ТУСУРе при разработке в виде технических предложений по выполнению конструктивных схем системы электропитания телеуправляемого подводного аппарата СЭП-30 ТПА. Методика расчета напряжения кабель-троса с существенной собственной емкостью и методика теплового расчета тороидального трехфазного трансформатора с масляной заливкой в герметичном баке при охлаждении в воздушной среде, либо в воде внедрена в учебном процессе Северской государственной технологической академии при изучении курсов «Преобразовательная техника в электроприводе» и «Электрические машины и трансформаторы», а также в учебном процессе Томского политехнического университета при подготовке студентов направления 14.06.00 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии.».
Подтверждением реализации результатов диссертационной работы является наличие трех актов о внедрении.
Апробация работы.
Основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрения на Международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «СТТ», Томск, 2004-2006 гг.; VIII Всероссийской научной конференции с международным участием «Решетневские чтения», Красноярск, 2004 г.; Международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления», Томск, 2004 г.; научных семинарах кафедры электропривода и электрооборудования ЭЛТИ ТПУ.
Публикации.
По результатам выполненных исследований и теме диссертационной работы опубликовано 10 научных работ, в том числе 2 в центральных изданиях, сделано 5 докладов, зарегистрирован 1 патент на полезную модель.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 178 страницах машинописного текста; содержит 71 рисунок, 15 таблиц, список использованных источников включающих 107 наименований и приложения.
Варианты выполнения систем электропитания телеуправляемых подводных аппаратов
Возросший объем геологоразведочных работ в глубоководных районах Мирового океана вызвал необходимость совершенствования глубоководных технических средств, к которым относятся телеуправляемые подводные аппараты (ТПА), оснащенные различной научно-исследовательской аппаратурой [70, 103, 104].
Учитывая экстремальные внешние условия и повышенные требования к весовой отдаче по полезной нагрузке и электропотреблению, сложности создания глубоководных ТПА аналогичны в некоторой степени сложностям при создании космической техники.
По сравнению с обитаемыми подводными аппаратами ТПА имеют следующие преимущества [104, 105]:
- простота конструкции;
- малые размеры и масса;
- высокая производительность и практически неограниченная автономность при передаче энергии по кабель-тросу;
- легкость замены модулей исследовательской аппаратуры;
- возможность получения информации в реальном масштабе времени и т.д.
ТПА используются для поиска в небольших заранее определенных районах затонувших объектов (судов, подводных лодок и т. п.), для выполнения некоторых аварийно-спасательных работ, подъема предметов со дна, а также в исследовательских целях на глубинах до 6000 м. Применение ТПА в исследовательских целях особенно актуально в связи с тем, что оно дает возможность решения ряда важных в научном отношении задач, когда традиционные методы исследования с надводных судов не приносят желаемого результата. К таким задачам в первую очередь относятся:
изучение малых форм рельефа дна океана;
поиск и сбор геологических образцов в районах дна океана, отличающегося сложным рельефом;
непрерывное и управляемое картографирование дыа океана;
контролируемое взятие проб донных осадков и отбуривание кернов;
математическое моделирование геопроцессов и геобъектов, формирование соответствующих баз данных.
Эффективность выполнения различных геологических исследований на морском дне ТПА определяется в значительной мере их энергетическим обеспечением. Современные СЭП ТПА отличаются от СЭП других автономных объектов, например, самолетов и кораблей, меньшим уровнем мощности нагрузочного оборудования, высокой степенью использования установленной мощности источников энергии, сложностью активного управления режимами работы источников энергии.
Выбор СЭП ТПА определяется рядом требований, среди которых главную роль играют величина передаваемой мощности, время непрерывной работы без поднятия аппарата на борт обеспечивающего судна и объем информации, которой обмениваются между собой аппарат и обеспечивающее судно [70].
Особенности построения автономных инверторов судовой части систем электропитания телеуправляемых подводных аппаратов
Автономный инвертор (АИ) - это устройства, преобразующие постоянный ток в переменный с постоянной или регулируемой частотой и работающие на автономную нагрузку.
Основные области применения АИ в СЭП ТПА:
1. Питание потребителей переменного тока в устройствах, где передача энергии по кабель тросу осуществляется на постоянном токе, а также где единственным источником энергии является аккумуляторная батарея.
2. В судовой части СЭП, когда необходимо обеспечить передачу энергии по кабель тросу на переменном токе повышенной частотві и обеспечить стабилизацию потребителей нагрузки.
Требования, предъявляемые с АИ СЭП ТПА.
К АИ, работающим в СЭП ТПА, предъявляются следующие требования [27, 41, 76, 78]:
1. Обеспечение максимального к.п.д.;
2. Минимальная установленная мощность отдельных узлов и элементов;
3. Возможность широкого регулирования ввіходного напряжения;
4. Обеспечение стабильности выходного напряжения при изменении величины и характера нагрузки на токоприемниках ТПА;
5. Обеспечение синусоидальной или близкой к синусоидальной формы кривой выходного напряжения;
6. Отсутствие срывов инвертирования при перегрузках;
7. Возможность работы на холостом ходу;
8. Обеспечение максимальной надежности и устойчивости.
Исходя из выше изложенных требований, предъявляемых к схемам АИ СЭП, необходимо отметить что, они зависят от конкретного назначения инвертора. Вследствие чего оптимальный вариант схемы АИ необходимо выбирать, учитывая режим работы питающегося от него нагрузок.
Подробная классификация автономных инверторов предложена и рассмотрена в [41,49, 53].
Различные принципы построения АИ позволяют создавать преобразователи постоянного напряжения в переменное с самыми разнообразными характеристиками. Ниже рассматриваются автономные инверторы, которые получили широкое распространение на практике и в наибольшей степени удовлетворяют требованиям, предъявляемым к ним со стороны ответственных потребителей.
Классификация трансформаторов
Одним из важнейших звеньев СЭП ТПА при передаче энергии на переменном токе по кабель-тросу является согласующий трехфазный трансформатор (погружной трансформатор ПТр), который устанавливается непосредственно на борту ТПА. Для максимального снижения массы и габаритов БЧ СЭП, ПТр размещают в герметичном баке с трансформаторным маслом, что обеспечивает эффективное охлаждение при относительно малой поверхности охлаждения. Подключение ПТр осуществляется через герморазъемы.
ПТр обеспечивает преобразование переменного тока одного напряжения с выхода кабель-троса в переменный ток другого напряжения, а также гальваническую развязку электрических цепей.
ПТр может быть выполнен из трех одинаковых однофазных трансформаторов либо со связанной магнитной системой, главным образом, стержневой.
Однофазные трансформаторы, из которых составляют трехфазный трансформатор в зависимости от магнитопровода и расположения обмоток на нем подразделяют на стержневые, броневые и тороидальные [11].
Броневой магнитопровод обладает рядом конструктивных достоинств - один комплект обмоток вместо двух при стержневом магнитопро-воде, более высокий коэффициент заполнения окна магнитопровода обмоточным проводом, частичная защита обмотки от механических повреждений. А основными достоинствами стержневого трансформатора являются большая поверхность охлаждения обмотки, малая индуктивность рассеяния вследствие половинного числа витков на каждом стержне и меньшей толщины намотки, меньший расход обмоточного провода, так как уменьшение толщины намотки вызывает уменьшение средней длины витка обмотки.
Достоинством трансформатора с тороидальным магнитопроводом является малая индуктивность внешнего потока рассеяния и нечувствительность к внешним магнитным полям при условии равномерного распределения обмоток по окружности тороида. Однако изготовление таких трансформаторов сложно и дорого.
Детальное сравнение характеристик трансформаторов тороидальной и броневой конструкции проведено в [11]. При сравнении учитывались оптимальная геометрия магнитопровода, оптимальные соотношения потерь мощности.
Таким образом, оптимально сконструированные трансформаторы тороидального типа имеют следующие показатели по сравнению со стержневыми трансформаторами на разъемных магнитопроводах:
1. Масса стального магнитопровода меньше.
2. Масса медной обмотки больше.
3. Длина средней магнитной линии меньше.
4. Длина среднего витка больше.
5. Площадь охлаждения катушки больше.
6. Условия охлаждения магнитопровода хуже.
7. Коэффициент заполнения магнитопровода сталью больше.
8. Коэффициент заполнения окна медью меньше.
9. Потери в меди больше.
10. Потери в стали меньше.
11. Масса активных материалов при одинаковых превышениях температуры обмоток больше ориентировочно на КН-15 %.
12. Габаритный объем одинаковый.
13. Индуктивность рассеяния меньше. Результаты сравнения дают незначительный выигрыш в массе и объеме трансформаторов стержневой конструкции благодаря лучшим условиям охлаждения магнитопровода при расчете на допустимое превышение температуры обмоток. Однако предложенная конструкция бака трехфазного ПТртпд на базе трех тороидальных трансформаторов (Приложение 1) по сравнению со стержневой конструкцией ПТртпд (Приложение 2) позволяет обеспечить наиболее лучшие условия охлаждения трансформатора, а следовательно и массогабаритные характеристики, за счет введения в конструкцию бака внутренней цилиндрической трубы и обеспечения минимальных зазоров между поверхностями однофазных тороидальных трансформаторов и стенками бака. Введение внутренней цилиндрической трубы также позволяет значительно уменьшить объем залитого масла и одновременно она служит каркасом, на который крепятся три однофазных тороидальных трансформатора, что также ведет к уменьшению массы и габаритов ПТртпА.
Схемотехническое моделирование системы электропитания телеуправляемого подводного аппарата
В настоящее время для исследования и анализа электромагнитных процессов протекающих в СЭП построенных на базе статических преобразователей широко применяются методы математического и схемотехнического моделирования.
Математическое моделирование является способом исследования рассматриваемого объекта или характеристик изучаемого явления, основанным на использовании математического описания реальных физических процессов.
Основой современных систем автоматизированного проектирования технических объектов, в том числе и СЭП ТПА, служат математические модели. При разработке и проектировании СЭП ТПА, представляющих собой сочетание различных функциональных звеньев, возникает необходимость в решении ряда сложных расчетных вопросов [20, 30].
Аналитические методы исследования систем требуют проведения весьма трудоемких расчетов. При наличии в системах нелинейных элементов, переменных параметров и других усложняющих расчеты факторов возможности аналитических методов ограничены.
Таким образом, в настоящее время математическое моделирование статических преобразователей проводят тремя способами:
1. Математическое моделирование статического преобразователя с использованием передаточных функций типовых звеньев.
Математическая модель СЭП представляется в виде структурной схемы с передаточными функциями звеньев и общей передаточной функцией замкнутой (разомкнутой) системы. Для этого определяют допущения, при которых буду проведены исследования, определяют тип звеньев, водящих в состав структурной схемы.
Затем по знаменателю передаточной функции, являющейся характеристическим уравнением замкнутой передаточной функции, осуществляют построение траектории корней характеристического уравнения, на комплексной плоскости при изменении одного из параметров системы. После чего проводят количественную и качественную оценку влияния параметров системы на ее устойчивость, качество регулирования и осуществляют синтез корректирующих звеньев [24, 96].
2. Математическое моделирование статического преобразователя с использованием частотных характеристик.
Проектирование, анализ и синтез систем с помощью частотных характеристик осуществляют при наличии передаточной функции замкнутой (разомкнутой) системы. Для формирования частотных характеристик необходимо от передаточной функции системы перейти к ее частотной передаточной функции. Для этого заменяютр яауш и выделяют в числителе и знаменателе действительные и мнимые части.
