Введение к работе
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 меньше его амплитудного значения, поэтому на постоянном токе можно увеличить передаваемую по кабелю мощность в 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 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 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 реальной 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 на 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 «Вологдинские чтения» ДВГТУ (2004-2009) и семинарах ИПМТ ДВО РАН (2008-2010).
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.
