RU2602078C1

RU2602078C1 - Device for underwater object storage battery charging

Info

Publication number: RU2602078C1
Application number: RU2015146625/07A
Authority: RU
Inventors: Владимир Александрович Герасимов; Алексей Юрьевич Филоженко
Priority date: 2015-10-28
Filing date: 2015-10-28
Publication date: 2016-11-10

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to electrical engineering. Device for storage battery charging is arranged in three structural units. In first unit, installed aboard ship, is first controlled voltage rectifier. In second unit, made with possibility of immersion under water, arranged capacitor, single-phase self-contained voltage inverter with control unit, as well as separately made transformer primary winding. In third unit, to be installed on underwater object, are arranged separately made transformer secondary winding, second rectifier, smoothing reactor, as well as device output voltage measuring converter. Device additionally includes second capacitor, connected in series to transformer secondary winding, third capacitor, connected to second rectifier output terminals, first and second temperature measuring converters, which inputs are connected with autonomous inverter heat-generating components and wire of transformer primary winding, respectively, and outputs are connected to autonomous inverter control unit inputs, switch, connecting one of second rectifier outputs and one of device two output terminals, whereto charging storage battery is connected.

EFFECT: such device design allows to improve reliability and quality of underwater facility storage battery charging process from ship AC network.

1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам с использованием полупроводниковых приборов для зарядки от судовой электроэнергетической системы переменного тока электрической аккумуляторной батареи, преимущественно установленной на подводном объекте.The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to devices using semiconductor devices for charging from a ship electric power system an alternating current electric battery, mainly installed on an underwater object.

Известно устройство для зарядки аккумуляторной батареи от судовой сети переменного тока, содержащее первый и второй мостовые выпрямители, однофазный автономный инвертор напряжения повышенной частоты, сглаживающий реактор, конденсатор, однофазный трансформатор повышенной частоты и измерительные преобразователи зарядного тока и выходного напряжения устройства [Анисимов Я.Ф., Васильев Е.П. Электромагнитная совместимость полупроводниковых преобразователей и судовых электроустановок. - Л.: Судостроение, 1990. - 264 с., аналог, стр. 53]. Измерительный преобразователь зарядного тока включен между одним из выходных зажимов второго выпрямителя и одним из выходных зажимов устройства, второй выходной зажим второго выпрямителя через сглаживающий реактор подключен ко второму выходному зажиму устройства. Измерительный преобразователь выходного напряжения подключен параллельно обоим выходным зажимам устройства, к которым подключается заряжаемая аккумуляторная батарея. Входы первого мостового выпрямителя соединены с судовой электрической сетью, а к его выходу подключены зажимы конденсатора и входные силовые зажимы однофазного автономного инвертора напряжения повышенной частоты, к выходным зажимам которого подключена первичная обмотка трансформатора повышенной частоты. Вторичная обмотка этого трансформатора подключена к входным зажимам второго мостового выпрямителя. В устройстве выходы измерительных преобразователей зарядного тока и выходного напряжения подключены к управляющим входам блока управления автономным инвертором. Регулирование зарядного тока производится с помощью широтного регулирования прямоугольных импульсов, из которых составлено выходное напряжения инвертора и, следовательно, выходное напряжения второго мостового выпрямителя.A device for charging a rechargeable battery from a marine alternating current supply network comprising first and second bridge rectifiers, a single-phase autonomous high-frequency voltage inverter, a smoothing reactor, a capacitor, a high-frequency single-phase transformer and measuring transducers of the charging current and output voltage of the device [Anisimov Y. F. , Vasiliev E.P. Electromagnetic compatibility of semiconductor converters and marine electrical installations. - L .: Shipbuilding, 1990. - 264 p., Analogue, p. 53]. A charge current measuring transducer is connected between one of the output terminals of the second rectifier and one of the output terminals of the device, the second output terminal of the second rectifier is connected to the second output terminal of the device through a smoothing reactor. The output voltage measuring transducer is connected in parallel to both output terminals of the device to which a rechargeable battery is connected. The inputs of the first bridge rectifier are connected to the ship's electrical network, and the capacitor clamps and the input power terminals of a single-phase autonomous high-frequency voltage inverter are connected to its output, the primary winding of the high-frequency transformer is connected to its output terminals. The secondary winding of this transformer is connected to the input terminals of the second bridge rectifier. In the device, the outputs of the measuring transducers of the charging current and output voltage are connected to the control inputs of the control unit of the autonomous inverter. The charging current is regulated by the latitudinal regulation of rectangular pulses, of which the output voltage of the inverter and, therefore, the output voltage of the second bridge rectifier are composed.

Недостатки этого устройства следующие. Подключение устройства к питающей судовой сети сопровождается броском зарядного тока конденсатора, включенного на выходе первого мостового выпрямителя. Это явление приводит к провалам напряжения в сети, а также перегружает диоды указанного выпрямителя, что может вывести их из строя. Кроме этого, применение такого устройства для зарядки аккумуляторных батарей подводного объекта связано с необходимостью подъема последнего из воды и выполнению определенной последовательности операций для коммутаций цепей заряда.The disadvantages of this device are as follows. Connecting the device to the supply network of the ship is accompanied by a surge in the charging current of the capacitor included in the output of the first bridge rectifier. This phenomenon leads to voltage dips in the network, and also overloads the diodes of the specified rectifier, which can disable them. In addition, the use of such a device for charging rechargeable batteries of an underwater object is associated with the need to lift the latter out of the water and perform a certain sequence of operations for switching charge circuits.

Известно также устройство для зарядки аккумуляторной батареи подводного объекта от судовой сети переменного тока, наиболее близкое по технической сущности к заявляемому устройству (прототип) [Устройство для зарядки аккумуляторной батареи подводного объекта. Патент РФ 2401496. Авт. Кувшинов Г.Е., Копылов В.В., Наумов Л.А., Филоженко А.Ю., Усольцев В.К. Опубл. 10.10.2010].Also known is a device for charging a rechargeable battery of an underwater object from a marine alternating current network, the closest in technical essence to the claimed device (prototype) [Device for charging a rechargeable battery of an underwater object. RF patent 2401496. Auth. Kuvshinov G.E., Kopylov V.V., Naumov L.A., Filozhenko A.Yu., Usoltsev V.K. Publ. 10/10/2010].

Известное устройство состоит из трех конструктивных блоков. В первый конструктивный блок, расположенный на судне, помещен управляемый выпрямитель напряжения, входные клеммы которого соединены с судовой электрической сетью, а выходные - с входными клеммами однофазного автономного инвертора напряжения повышенной частоты, к которым подключен также конденсатор. Управляющий вход инвертора соединен с выходом блока управления инвертором, а выходные зажимы инвертора подключены к зажимам первичной обмотки трансформатора повышенной частоты. Перечисленные узлы, т.е. однофазный автономный инвертор, блок управления инвертором, конденсатор и первичная обмотка трансформатора повышенной частоты размещены во втором конструктивном блоке, который имеет герметичный корпус и может быть опущен на глубину, на которой находится подводный объект, содержащий третий конструктивный блок. В третьем конструктивном блоке находятся вторичная обмотка трансформатора повышенной частоты, второй выпрямитель, сглаживающий реактор, блок управления зарядным током, а также измерительные преобразователи зарядного тока и выходного напряжения, выходы которых соединены с входами блока управления зарядным током. Выходные зажимы вторичной обмотки трансформатора повышенной частоты подключены к входным зажимам второго выпрямителя. Входные зажимы измерительного преобразователя зарядного тока включены между первым выходным зажимом второго выпрямителя и первым из выходных зажимов устройства. Второй выходной зажим второго выпрямителя подключен ко второму выходному зажиму устройства через сглаживающий реактор. К выходным зажимам устройства подключена аккумуляторная батарея, а также входные клеммы измерительного преобразователя выходного напряжения. При совмещении стыковочных поверхностей первичной и вторичной обмоток трансформатора повышенной частоты происходит передача электрической энергии за счет магнитной связи между этими обмотками. Эффективность передачи энергии будет тем больше, чем меньше расстояние между стыковочными поверхностями и чем точнее совпадают оси обмоток.The known device consists of three structural blocks. The first structural unit located on the vessel contains a controlled voltage rectifier, the input terminals of which are connected to the ship's electrical network, and the output terminals to the input terminals of a single-phase autonomous high-frequency voltage inverter, which is also connected to a capacitor. The control input of the inverter is connected to the output of the inverter control unit, and the output terminals of the inverter are connected to the terminals of the primary winding of the high frequency transformer. The listed nodes, i.e. a single-phase autonomous inverter, an inverter control unit, a capacitor and a primary winding of a high-frequency transformer are located in the second structural unit, which has a sealed enclosure and can be lowered to the depth at which the underwater object containing the third structural unit is located. In the third structural block are the secondary winding of the transformer of increased frequency, a second rectifier, a smoothing reactor, a charging current control unit, as well as measuring transformers of the charging current and output voltage, the outputs of which are connected to the inputs of the charging current control unit. The output terminals of the secondary winding of the high frequency transformer are connected to the input terminals of the second rectifier. The input terminals of the charge current transducer are connected between the first output terminal of the second rectifier and the first of the output terminals of the device. The second output terminal of the second rectifier is connected to the second output terminal of the device through a smoothing reactor. A battery is connected to the output terminals of the device, as well as the input terminals of the output voltage measuring transducer. When combining the connecting surfaces of the primary and secondary windings of a high frequency transformer, electric energy is transferred due to magnetic coupling between these windings. The energy transfer efficiency will be greater, the smaller the distance between the connecting surfaces and the more precisely the axis of the windings match.

Регулирование зарядного тока обеспечивается каналом беспроводной обратной связи. Этот канал образован передатчиком, расположенным в третьем конструктивном блоке, и приемником, который размещен во втором конструктивном блоке. Вход передатчика соединен с выходом блока управления зарядным током, а выход приемника подключен на вход блока управления автономным инвертором. Информация от передатчика к приемнику передается с помощью какого-либо поля: электромагнитного или ультразвукового.Charging current control is provided by a wireless feedback channel. This channel is formed by a transmitter located in the third structural unit, and a receiver, which is located in the second structural unit. The input of the transmitter is connected to the output of the charging current control unit, and the output of the receiver is connected to the input of the control unit of an autonomous inverter. Information is transmitted from the transmitter to the receiver using any field: electromagnetic or ultrasonic.

Известное устройство имеет следующие недостатки. Для заряда аккумуляторной батареи подводного объекта, расположенного на глубине, должна выполняться дистанционная стыковка второго и третьего конструктивных блоков, необходимая для осуществления процесса заряда, при этом возможно неточное совмещение стыковочных поверхностей первичной и вторичной обмоток трансформатора повышенной частоты. При поддержании неизменного значения тока зарядки аккумуляторной батареи увеличение расстояния между обмотками трансформатора или смещение осей обмоток относительно друг друга приведет к увеличению намагничивающего тока первичной обмотки и, соответственно, к увеличению выходного тока автономного инвертора. Это приведет к повышенной токовой нагрузке на силовые ключи инвертора и на провод первичной обмотки трансформатора, и, соответственно, к увеличенному нагреву этих элементов, что снизит надежность работы устройства и может вызвать выход его из строя. Кроме этого, выполнение трансформатора повышенной частоты с разделенными обмотками приводит к пониженному значению коэффициента магнитной связи между обмотками, следствием чего является увеличенный ток намагничивания и повышенный нагрев силовых ключей инвертора и провода первичной обмотки трансформатора, что снижает надежность устройства.The known device has the following disadvantages. To charge a rechargeable battery of an underwater object located at a depth, remote docking of the second and third structural units must be performed, which is necessary for the charging process, and it is possible that the mating surfaces of the primary and secondary windings of the transformer of increased frequency are inaccurate. While maintaining a constant value of the charging current of the battery, increasing the distance between the transformer windings or shifting the axes of the windings relative to each other will increase the magnetizing current of the primary winding and, accordingly, increase the output current of the autonomous inverter. This will lead to an increased current load on the power switches of the inverter and on the wire of the primary winding of the transformer, and, accordingly, to increased heating of these elements, which will reduce the reliability of the device and may cause its failure. In addition, the implementation of an increased frequency transformer with separated windings leads to a lower value of the magnetic coupling coefficient between the windings, which results in an increased magnetization current and increased heating of the inverter power switches and the transformer primary winding wire, which reduces the reliability of the device.

Второй недостаток устройства связан с использованием беспроводного канала обратной связи для обеспечения регулирования зарядного тока аккумуляторной батареи. Антенные элементы приемника и передатчика приводятся в согласованное положение с минимальным расстоянием между ними только в процессе зарядки батареи. Остальное время функционирования подводного объекта происходит при разобщении второго и третьего конструктивных блоков. Нахождение их под водой обычно сопровождается осаждением на них морских организмов. При переходе к очередному процессу зарядки батареи инородные вещества, находящиеся на пути передачи информации между передатчиком и приемником, могут нарушить качество связи, что приведет к сбоям в регулировании зарядного тока. Это обстоятельство также снижает надежность работы устройства.The second disadvantage of the device is the use of a wireless feedback channel to provide regulation of the charging current of the battery. The antenna elements of the receiver and transmitter are brought into a coordinated position with a minimum distance between them only during battery charging. The rest of the time the underwater object operates when the second and third structural units are disconnected. Finding them under water is usually accompanied by the deposition of marine organisms on them. During the transition to the next process of charging the battery, foreign substances located on the information transfer path between the transmitter and the receiver may interfere with the quality of communication, which will lead to interruptions in the regulation of the charging current. This fact also reduces the reliability of the device.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение надежности работы устройства для зарядки аккумуляторной батареи подводного объекта от судовой сети переменного тока.The problem to which the invention is directed, is to increase the reliability of the device for charging the battery of an underwater object from a marine alternating current network.

Поставленная задача достигается тем, что в устройство для зарядки аккумуляторной батареи подводного объекта, содержащее первый управляемый и второй неуправляемый выпрямители, сглаживающий реактор, конденсатор, однофазный автономный инвертор повышенной частоты с блоком управления этим инвертором, отдельно выполненные первичную и вторичную обмотки трансформатора повышенной частоты и измерительный преобразователь выходного напряжения, при этом входы первого выпрямителя соединены с судовой электрической сетью, выходные зажимы этого выпрямителя соединены с зажимами конденсатора и входными силовыми зажимами автономного инвертора напряжения повышенной частоты, к выходным зажимам которого подключена первичная обмотка трансформатора повышенной частоты, первый вывод вторичной обмотки этого трансформатора подключен к первому входному зажиму второго выпрямителя, первый выходной зажим этого выпрямителя соединен с первым зажимом измерительного преобразователя выходного напряжения и с первой из двух выходных клемм устройства, второй выходной зажим второго выпрямителя через сглаживающий реактор соединен со второй клеммой измерительного преобразователя выходного напряжения, причем элементы устройства размещены в трех конструктивных блоках, где в первом конструктивном блоке, устанавливаемом на судне, находится управляемый выпрямитель напряжения, во втором конструктивном блоке, выполненном с возможностью погружения под воду, помещены конденсатор, однофазный автономный инвертор напряжения повышенной частоты с блоком управления инвертором и первичная обмотка трансформатора повышенной частоты, в третьем конструктивном блоке, устанавливаемом на подводном объекте, расположены вторичная обмотка трансформатора повышенной частоты, второй выпрямитель, сглаживающий реактор и измерительный преобразователь выходного напряжения устройства, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены второй конденсатор, подключенный между вторым выводом вторичной обмотки трансформатора повышенной частоты и вторым входным зажимом второго выпрямителя, третий конденсатор, подключенный к выходным зажимам второго выпрямителя, первый и второй измерительные преобразователи температуры, входы которых связаны с тепловыделяющими элементами автономного инвертора и проводом первичной обмотки трансформатора повышенной частоты соответственно, а выходы измерительных преобразователей температуры соединены с входами блока управления автономным инвертором, ключ, соединяющий вторую клемму измерительного преобразователя выходного напряжения и второй выходной вывод устройства, заряжаемая аккумуляторная батарея подключена между первым и вторым выходными выводами устройства, выход измерительного преобразователя выходного напряжения соединен с управляющим входом ключа, причем первый и второй измерительные преобразователи температуры размещены во втором конструктивном блоке, а второй и третий конденсаторы, а также ключ размещены в третьем конструктивном блоке.The task is achieved in that in the device for charging the battery of an underwater object, containing the first controlled and second uncontrolled rectifiers, a smoothing reactor, a capacitor, a single-phase autonomous inverter of high frequency with a control unit for this inverter, separately made primary and secondary windings of a transformer of high frequency and measuring an output voltage converter, wherein the inputs of the first rectifier are connected to the ship's electrical network, the output terminals of this the rectifier is connected to the clamps of the capacitor and the input power terminals of the autonomous inverter of the increased frequency voltage, to the output terminals of which the primary winding of the high-frequency transformer is connected, the first output of the secondary winding of this transformer is connected to the first input terminal of the second rectifier, the first output terminal of this rectifier is connected to the first measuring terminal output voltage converter and with the first of two output terminals of the device, the second output terminal of the second rectifier I am connected through a smoothing reactor to the second terminal of the output voltage measuring transducer, and the elements of the device are located in three structural units, where in the first structural unit installed on the vessel there is a controlled voltage rectifier, in the second structural unit made with the possibility of immersion under water, capacitor, single-phase autonomous high-frequency voltage inverter with an inverter control unit and primary winding of a high-frequency transformer, in t A second structural unit mounted on an underwater object contains a secondary winding of a high frequency transformer, a second rectifier, a smoothing reactor and a device output voltage measuring transducer, characterized in that a second capacitor is additionally inserted into the device, connected between the second terminal of the secondary winding of the high frequency transformer and the second the input terminal of the second rectifier, the third capacitor connected to the output terminals of the second rectifier, the first and second the temperature measuring transducers, the inputs of which are connected to the fuel elements of the autonomous inverter and the primary winding wire of the high frequency transformer, respectively, and the outputs of the temperature transducers are connected to the inputs of the control unit of the autonomous inverter, the key connecting the second terminal of the output voltage measuring transducer and the second output terminal of the device, a rechargeable battery is connected between the first and second output terminals of the device, you od transducer output voltage is connected to the control input of the switch, wherein the first and second temperature transmitters are located in a second building block, and the second and third capacitors and the key are arranged in the third constructive unit.

Выполнение функциональной задачи «повышение надежности устройства для зарядки аккумуляторной батареи подводного объекта от судовой сети переменного тока» обеспечивается следующими отличительными признаками предлагаемого решения.The functional task "improving the reliability of the device for charging the battery of the underwater object from the ship's AC network" is provided by the following distinctive features of the proposed solution.

Первый признак - «…в устройство для зарядки аккумуляторной батареи подводного объекта… введены второй конденсатор, подключенный между вторым выводом вторичной обмотки трансформатора повышенной частоты и вторым входным зажимом второго выпрямителя, третий конденсатор, подключенный к выходным зажимам второго выпрямителя, … ключ, соединяющий вторую клемму измерительного преобразователя напряжения и второй выходной вывод устройства, … выход измерительного преобразователя выходного напряжения соединен с управляющим входом ключа, а второй и третий конденсаторы, а также ключ размещены в третьем конструктивном блоке» - обеспечивает поддержание тока зарядки аккумуляторной батареи в требуемом диапазоне за счет проявления резонансных явлений в цепи из последовательно включенных вторичной обмотки трансформатора повышенной частоты и второго конденсатора без использования обратной связи по току зарядки, а обратная связь по выходному напряжению устройства используется в виде непосредственной электрической связи, воздействующей на ключ, которым выполняется отключение батареи от зарядного устройства при достижении напряжения на ее клеммах заданного значения, что исключает использование недостоверной информации о значениях этих сигналов.The first sign is "... in the device for charging the battery of the underwater object ... a second capacitor is connected, connected between the second terminal of the secondary winding of the high frequency transformer and the second input terminal of the second rectifier, the third capacitor is connected to the output terminals of the second rectifier, ... a key connecting the second terminal a voltage measuring transducer and a second output terminal of the device, ... the output of the output voltage measuring transducer is connected to the control input of the switch, and w the second and third capacitors, as well as the key, are located in the third structural unit ”- ensures that the battery charging current is maintained in the required range due to the manifestation of resonant phenomena in the circuit from the secondary winding of the high frequency transformer and the second capacitor connected in series without using feedback on the charging current, and the feedback on the output voltage of the device is used in the form of direct electrical communication acting on the key, which disconnects tarei from the charger when the voltage at its terminals a predetermined value, which eliminates the use of unreliable information about the values of these signals.

Кроме этого, происходит деформация как внешней характеристики U_ЗАР.(I_ЗАР.), так и характеристики I₁(I_ЗАР.), где U_ЗАР., I_ЗАР., I₁ - напряжение на выходе второго выпрямителя, ток зарядки батареи и ток первичной обмотки трансформатора повышенной частоты (выходной ток инвертора) соответственно. В результате при одном и том же напряжении U_ЗАР. увеличивается ток зарядки I_ЗАР. при одновременном снижении выходного тока инвертора I₁. В конечном итоге уменьшаются тепловые нагрузки на силовые ключи инвертора и провод первичной обмотки трансформатора повышенной частоты, что повышает надежность работы устройства при уменьшении времени зарядки аккумуляторной батареи, т.е. повышается качество процесса зарядки.In addition, deformation occurs as an external characteristic of U _ZAR. (I _ZAR. ), And the characteristics of I ₁ (I _ZAR. ), Where U _ZAR. , I _ZAR. , I ₁ is the voltage at the output of the second rectifier, the battery charging current and the primary current of the transformer of increased frequency (inverter output current), respectively. As a result, at the same voltage U _ZAR. charging current I _ZAR increases. while reducing the output current of the inverter I ₁ . Ultimately, the thermal loads on the inverter power switches and the primary winding wire of the high frequency transformer are reduced, which increases the reliability of the device while reducing the battery charging time, i.e. improves the quality of the charging process.

Второй признак - «… в устройство для зарядки аккумуляторной батареи подводного объекта … введены … первый и второй измерительные преобразователи температуры, входы которых связаны с тепловыделяющими элементами автономного инвертора и проводом первичной обмотки трансформатора повышенной частоты соответственно, а выходы измерительных преобразователей температуры соединены с входами блока управления автономным инвертором, … причем первый и второй измерительные преобразователи температуры размещены во втором конструктивном блоке, выполненном с возможностью погружения под воду» - обеспечивает ограничение температуры нагрева силовых ключей автономного инвертора и провода первичной обмотки трансформатора повышенной частоты допустимым значением за счет уменьшения коэффициента заполнения выходных импульсов автономного инвертора и, следовательно, уменьшения тока в его выходной цепи, что приводит к повышению надежности работы устройства.The second sign is "... in the device for charging the battery of the underwater object ... introduced ... the first and second temperature measuring transducers, the inputs of which are connected to the fuel elements of the autonomous inverter and the primary winding wire of the high frequency transformer, respectively, and the outputs of the temperature measuring transducers are connected to the inputs of the control unit autonomous inverter, ... and the first and second temperature measuring transducers are located in the second structural unit, made with the possibility of immersion under water ”- provides a limitation of the heating temperature of the power switches of the autonomous inverter and the primary winding of the transformer of increased frequency by an acceptable value by reducing the fill factor of the output pulses of the autonomous inverter and, therefore, reducing the current in its output circuit, which leads to increased reliability device operation.

Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в следующем. Отличительные признаки предлагаемого решения обеспечивают надежную работу устройства в процессе зарядки аккумуляторной батареи подводного объекта с ограничением тепловых нагрузок критичных элементов устройства допустимыми значениями при уменьшении времени зарядки. Кроме того, отличительные признаки исключают использование недостоверной информации о значениях регулируемых величин, что повышает качество и надежность процесса зарядки аккумуляторной батареи подводного объекта.The technical result that is achieved when solving the problem is expressed in the following. Distinctive features of the proposed solution ensure reliable operation of the device in the process of charging the battery of an underwater object with limiting the thermal loads of critical elements of the device to acceptable values while reducing the charging time. In addition, the distinctive features exclude the use of false information about the values of adjustable values, which improves the quality and reliability of the charging process of the battery of the underwater object.

На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков изобретения стало возможным решение поставленной задачи. Следовательно, заявленное изобретение является новым, обладает изобретательским уровнем и пригодно для использования.Based on the foregoing, we can conclude that the set of essential features of the claimed invention has a causal relationship with the achieved technical result, i.e. due to this combination of essential features of the invention, it became possible to solve the problem. Therefore, the claimed invention is new, has an inventive step and is suitable for use.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 приведена функциональная схема устройства для зарядки аккумуляторной батареи подводного объекта; на фиг. 2 приведены внешние характеристики U_ЗАР.(I_ЗАР.) канала бесконтактной передачи электроэнергии, на фиг. 3 приведены зависимости I₁(I_ЗАР.) выходного тока автономного инвертора от тока зарядки, на фиг. 4 показаны внешние характеристики U_ЗАР.(I_ЗАР.) при изменении коэффициента заполнения D управляющих импульсов автономного инвертора.The invention is illustrated in the drawing, where in FIG. 1 is a functional diagram of a device for charging a battery of an underwater object; in FIG. 2 shows the external characteristics of U _ZAR. (I _ZAR. ) Non-contact power transmission channel, in FIG. 3 shows the dependences I ₁ (I _ZAR. ) Of the output current of the autonomous inverter on the charging current, in FIG. 4 illustrates the external characteristics of U _Zar. (I _ZAR. ) When changing the duty ratio D of the control pulses of an autonomous inverter.

Устройство для зарядки аккумуляторной батареи 1 подводного объекта 2 от расположенной на судне 3 судовой сети 4 переменного тока состоит из первого 5, второго 6 и третьего 7 конструктивных блоков и кабеля 8, соединяющего блоки 5 и 6. Первый конструктивный блок 5 расположен на судне 3. Второй конструктивный блок 6 помещен в герметичный корпус и может быть опущен на глубину, на которой находится подводный объект 2, содержащий третий конструктивный блок 7. В первый конструктивный блок 5 помещен управляемый выпрямитель 9 напряжения, входные зажимы 10 которого соединены с судовой электрической сетью 4, а выходные зажимы 11 выпрямителя 9 посредством кабеля 8 подключены к входным зажимам 12 однофазного автономного инвертора 13 напряжения повышенной частоты. Инвертор 13 вместе с конденсатором 14, подключенным к зажимам 12, размещены во втором конструктивном блоке 6. Выходные зажимы инвертора 13 подключены к зажимам 15 первичной обмотки 16 трансформатора повышенной частоты. Первичная обмотка 16 трансформатора повышенной частоты находится во втором конструктивном блоке 6, а вторичная обмотка 17 трансформатора повышенной частоты - в третьем конструктивном блоке 7. Когда контактирующие поверхности первичной 16 и вторичной 17 обмоток трансформатора повышенной частоты находятся на малом расстоянии друг от друга, а расстояние между осями этих обмоток также достаточно мало, через трансформатор выполняется передача электрической энергии за счет электромагнитной связи между обмотками. При этом эффективность передачи будет тем больше, чем точнее обмотки позиционируются между собой.The device for charging the battery 1 of the underwater object 2 from the AC network 4 located on the vessel 3 consists of a first 5, a second 6 and a third 7 structural units and a cable 8 connecting the units 5 and 6. The first structural unit 5 is located on the vessel 3. The second structural unit 6 is placed in a sealed enclosure and can be lowered to the depth at which there is an underwater object 2 containing the third structural unit 7. In the first structural unit 5 is placed a controlled voltage rectifier 9, input terminals 10 k orogo connected to an onboard network 4, and the output terminals 11 of the rectifier 9 by a cable 8 connected to the input terminals 12 of the inverter 13 of the single-phase auxiliary high frequency voltage. The inverter 13 together with the capacitor 14 connected to the terminals 12 are placed in the second structural unit 6. The output terminals of the inverter 13 are connected to the terminals 15 of the primary winding 16 of the high frequency transformer. The primary winding 16 of the high frequency transformer is located in the second structural unit 6, and the secondary winding 17 of the high frequency transformer is in the third structural unit 7. When the contacting surfaces of the primary 16 and secondary 17 of the high frequency transformer windings are at a small distance from each other, and the distance between the axes of these windings are also quite small; electrical energy is transmitted through the transformer due to electromagnetic coupling between the windings. In this case, the transmission efficiency will be the greater, the more accurately the windings are positioned among themselves.

Выходной зажим 18 вторичной обмотки трансформатора повышенной частоты через конденсатор 19 соединен с первым входом выпрямителя 21, а выходной зажим 20 вторичной обмотки этого трансформатора соединен со вторым входом выпрямителя 21. Выходная клемма 22 выпрямителя 21 через сглаживающий реактор 23 соединена с входной клеммой 24 ключа 25, выходная клемма 26 которого является одной из двух выходных клемм устройства. Вторая выходная клемма 27 выпрямителя 21 является второй выходной клеммой устройства. К выводам 22 и 27 выпрямителя 21 подсоединен конденсатор 28, а между клеммами 24 и 27 подсоединен измерительный преобразователь 29 выходного напряжения, выход которого связан с управляющим входом ключа 25. К выходным клеммам 26 и 27 устройства подключена заряжаемая аккумуляторная батарея 1, расположенная на подводном объекте 2, при этом выпрямитель 21, сглаживающий реактор 23, ключ 25, измерительный преобразователь 29 выходного напряжения, а также конденсаторы 19 и 28 помещены в третий конструктивный блок 7.The output terminal 18 of the secondary winding of the transformer of high frequency through a capacitor 19 is connected to the first input of the rectifier 21, and the output terminal 20 of the secondary winding of this transformer is connected to the second input of the rectifier 21. The output terminal 22 of the rectifier 21 through the smoothing reactor 23 is connected to the input terminal 24 of the key 25, the output terminal 26 of which is one of the two output terminals of the device. The second output terminal 27 of the rectifier 21 is the second output terminal of the device. A capacitor 28 is connected to the terminals 22 and 27 of the rectifier 21, and an output voltage measuring transducer 29 is connected between the terminals 24 and 27, the output of which is connected to the control input of the key 25. A rechargeable battery 1 located on the underwater object is connected to the output terminals 26 and 27 of the device 2, the rectifier 21, the smoothing reactor 23, the key 25, the measuring transducer 29 of the output voltage, as well as the capacitors 19 and 28 are placed in the third structural unit 7.

Входы первого 30 и второго 31 измерительных преобразователей температуры, размещенных во втором конструктивном блоке 6, связаны с тепловыделяющими элементами автономного инвертора 13 и первичной обмотки 16 трансформатора повышенной частоты соответственно, а их выходы подключены на первый и второй входы блока 32 управления автономным инвертором. Выход блока 32, который также помещен во второй конструктивный блок 6, соединен с управляющим входом автономного инвертора 13.The inputs of the first 30 and second 31 temperature measuring transducers located in the second structural unit 6 are connected to the fuel elements of the autonomous inverter 13 and the primary winding 16 of the high frequency transformer, respectively, and their outputs are connected to the first and second inputs of the autonomous inverter control unit 32. The output of block 32, which is also placed in the second structural block 6, is connected to the control input of the autonomous inverter 13.

Устройство для зарядки аккумуляторной батареи подводного объекта работает следующим образом.A device for charging the battery of an underwater object operates as follows.

Перед началом процесса зарядки контактирующие поверхности первичной 16 и вторичной 17 обмоток трансформатора повышенной частоты должны быть приведены в соприкосновение по возможности с минимальным зазором и минимальным смещением осей обмоток относительно друг друга. При подключении управляемого выпрямителя 9 к судовой сети 4 переменного тока, например, с помощью находящегося в распределительном щите этой сети автоматического выключателя максимальная скорость изменения среднего значения выпрямленного напряжения на выходе управляемого выпрямителя 9 ограничена, заданное ограничение указанной скорости обеспечивается алгоритмом работы входящего в его состав устройства управления. Заряд конденсатора 14 при этом выполняется с ограничением зарядного тока на допустимом уровне. Напряжение на конденсаторе 14 является напряжением питания автономного инвертора 13. Автономный инвертор 13 работает в автогенераторном режиме, параметры которого определяются блоком управления 32. Переменное напряжение с выхода автономного инвертора 13 через зажимы 15 поступает на первичную обмотку 16 трансформатора повышенной частоты, что приводит к возникновению процесса передачи электрической энергии в третий конструктивный блок 7. Коэффициент заполнения импульсов управления автономным инвертором 13 с выхода блока 32 близок к единице (из полного интервала управления 180 электрических градусов исключается некоторая малая величина «мертвого времени»), при этом эффективность передачи энергии равна максимально возможной для конкретного взаимного расположения первичной и вторичной обмоток трансформатора повышенной частоты.Before starting the charging process, the contacting surfaces of the primary 16 and secondary 17 windings of the high frequency transformer should be brought into contact with the minimum clearance and minimum offset of the axes of the windings relative to each other. When connecting a controlled rectifier 9 to the ship’s AC network 4, for example, using a circuit breaker located in the distribution panel of this network, the maximum rate of change of the average value of the rectified voltage at the output of the controlled rectifier 9 is limited, a specified speed limit is provided by the operation algorithm of the device included in it management. The charge of the capacitor 14 is performed with the limitation of the charging current to an acceptable level. The voltage on the capacitor 14 is the supply voltage of the autonomous inverter 13. The autonomous inverter 13 operates in the self-generating mode, the parameters of which are determined by the control unit 32. The alternating voltage from the output of the autonomous inverter 13 through the terminals 15 is supplied to the primary winding 16 of the high frequency transformer, which leads to the occurrence of a process transmitting electric energy to the third structural unit 7. The fill factor of the control pulses of the autonomous inverter 13 from the output of the block 32 is close to unity (and full 180 electrical degrees control interval eliminated some small value of the "dead time"), the energy transfer efficiency is the maximum possible for the particular mutual arrangement of the primary and secondary windings of high frequency transformer.

Индуктивность вторичной обмотки 17 трансформатора и емкость последовательно подключенного конденсатора 19 образуют резонансную цепь, которая определяет характеристики канала бесконтактной передачи электроэнергии. Полученная резонансная цепь характеризуется частотами резонанса токов ω_1P на входе трансформатора и резонанса напряжений ω_2P на выходе трансформатора при коротком замыкании на его вторичной сторонеThe inductance of the secondary winding 17 of the transformer and the capacitance of the series-connected capacitor 19 form a resonant circuit, which determines the characteristics of the contactless transmission channel of electricity. The resulting resonant circuit is characterized by the frequencies of the resonance of the currents ω _1P at the input of the transformer and the resonance of the voltage ω _2P at the output of the transformer with a short circuit on its secondary side

,

где L₂ - собственная индуктивность вторичной обмотки 17 трансформатора, С - емкость последовательного конденсатора 19, k - коэффициент взаимной индукции между обмотками 16 и 17 трансформатора.where L ₂ is the intrinsic inductance of the secondary winding 17 of the transformer, C is the capacitance of the series capacitor 19, k is the mutual induction coefficient between the windings 16 and 17 of the transformer.

Выбирая частоту коммутации автономного инвертора в определенных пределах, но меньше частоты ω_2P резонанса напряжений на выходе трансформатора, можно получить характеристики U_ЗАР.(I_ЗАР.) канала бесконтактной передачи электроэнергии, как показано на фиг. 2, где приведены результаты измерений в натурном эксперименте на макете устройства. На фиг. 2 кривая 1 показывает связь между напряжением U_ЗАР. на выходе второго выпрямителя 21 и током I_ЗАР. нагрузки для заявляемого устройства. Для сравнения на фиг. 2 приведена внешняя характеристика 1, снятая для тех же условий эксперимента, но при исключении из схемы конденсатора 19, т.е. для устройства-прототипа.Choosing the switching frequency of the autonomous inverter within certain limits, but less than the frequency ω _{2P of the} voltage resonance at the transformer output, it is possible to obtain the characteristics of U _ZAR. (I _ZAR. ) Non-contact power transmission channel, as shown in FIG. 2, which shows the results of measurements in a full-scale experiment on a device layout. In FIG. 2, curve 1 shows the relationship between voltage U _ZAR. at the output of the second rectifier 21 and current I _ZAR. load for the claimed device. For comparison, in FIG. 2 shows the external characteristic 1, taken for the same experimental conditions, but with the exception of the capacitor 19 from the circuit, i.e. for the prototype device.

Условия эксперимента следующие:The experimental conditions are as follows:

- индуктивность первичной обмотки L₁=54,16 мкГн;- inductance of the primary winding L ₁ = 54.16 μH;

- индуктивность первичной обмотки L₁=50,25 мкГн;- primary winding inductance L ₁ = 50.25 μH;

- взаимная индуктивность М=25,9 мкГн;- mutual inductance M = 25.9 μH;

- емкость конденсатора С=2 мкФ,- capacitor C = 2 μF,

- напряжение питания инвертора U₁=50 В,- inverter supply voltage U ₁ = 50 V,

- частота коммутации инвертора

- inverter switching frequency

На фиг. 3 приведены характеристики, показывающие зависимость выходного тока инвертора I₁ от тока нагрузки I_ЗАР для указанных условий эксперимента, при этом кривая 1 относится к заявляемому устройству, а кривая 2 соответствует устройству-прототипу.In FIG. 3 shows characteristics showing the dependence of the output current of the inverter I ₁ on the load current I _ZAR for the indicated experimental conditions, while curve 1 refers to the inventive device, and curve 2 corresponds to the prototype device.

Если задаться определенным значением напряжения заряжаемой аккумуляторной батареи, то по графикам, приведенным на фиг. 2 можно определить значения токов зарядки I_ЗАР.1 и I_ЗАР.2, для которых по графикам I₁(I_ЗAP.), приведенным на фиг. 3, можно найти соответствующие значения выходного тока I_1.1 инвертора для заявляемого устройства и выходного тока инвертора I_1.2 для устройства-прототипа.If you set a certain voltage value of the rechargeable battery, then according to the graphs shown in FIG. 2, it is possible to determine the values of the charging currents I _ZAR.1 and I _ZAR.2 , for which from the graphs I ₁ (I _ZAP. ) _Shown in FIG. 3, you can find the corresponding values of the output current I _{1.1 of the} inverter for the inventive device and the output current of the inverter I _1.2 for the prototype device.

Так, например, если принять напряжение заряжаемой аккумуляторной батареи U_AБ=10 В, то из фиг. 2 следует I_ЗAP.1=11,3 A, I_ЗAP.2=4 А. При этом из фиг. 3 следует, что соответствующие значения выходного тока инвертора I_1.1=5,3 А, I_1.2=10,2 А. Таким образом, эксперимент наглядно показывает преимущества заявляемого устройства: указанные деформации характеристик устройства-прототипа приводят к увеличению тока зарядки и, соответственно, уменьшению времени зарядки аккумуляторной батареи при меньшем значении выходного тока инвертора, чему сопутствует уменьшение нагрева силовых ключей инвертора и провода первичной обмотки трансформатора при одновременном повышении эффективности работы устройства.So, for example, if we take the voltage of the rechargeable battery U _AB = 10 V, then from FIG. 2 follows I _ZAP.1 = 11.3 A, I _ZAP.2 = 4 A. Moreover, from FIG. 3 shows that the corresponding values of the inverter output current I _1.1 = 5,3 A, I _1.2 = 10,2 A. Thus, the experiment clearly shows the advantages of the inventive apparatus: said apparatus-prototype strain characteristics lead to an increase of the charging current and, respectively, reducing the battery charging time with a lower value of the inverter output current, which is accompanied by a decrease in the heating of the inverter power switches and the transformer primary winding wire while increasing the efficiency of the device Twa.

Выходной ток автономного инвертора 13 и, следовательно, ток первичной обмотки 16 трансформатора повышенной частоты можно представить геометрической суммой двух составляющих - реактивной и активной. Активная составляющая тока определяется активными потерями в трансформаторе и током нагрузки вторичной обмотки 17, который является также активным. Реактивная составляющая выходного тока инвертора, в определенной мере компенсируемая емкостью конденсатора 19, представляет собой ток намагничивания трансформатора и определяется коэффициентом магнитной связи между обмотками 16 и 17, который, в свою очередь, определяет эффективность передачи энергии через трансформатор. При прочих равных условиях ток намагничивания будет тем больше, чем меньше коэффициент магнитной связи. Уменьшение последнего будет происходить при неточном совмещении контактирующих поверхностей первичной 16 и вторичной 17 обмоток трансформатора. Сопутствующее этому фактору увеличение тока намагничивания трансформатора может привести к повышенному нагреву силовых элементов автономного инвертора 13, что снижает его надежность. Увеличение температуры провода первичной обмотки 16 может также вызвать нарушение изоляции и выход трансформатора из строя. Кроме этого, к повышению тепловых нагрузок на инвертор и на трансформатор может также приводить ухудшение условий их охлаждения, например повышение температуры забортной воды в месте расположения второго конструктивного блока 6, в состав которого входят эти устройства. Измерение температуры силовых коммутирующих элементов инвертора 13 и провода обмотки 16 выполняют измерительные преобразователи температуры 30 и 31, входы которых связаны с тепловыделяющими элементами автономного инвертора 13 и первичной обмотки 16 трансформатора повышенной частоты соответственно, а их выходы подключены на первый и второй входы блока 32 управления автономным инвертором. Алгоритм работы блока 32 обеспечивает изменение коэффициента заполнения D импульсов управления автономным инвертором 13 таким образом, чтобы уменьшить ток инвертора и ограничить нагрев указанных тепловыделяющих элементов на допустимом уровне. При этом под коэффициентом заполнения D здесь понимается отношение длительности импульса управления к периоду повторения. Поскольку при таком регулировании амплитуда импульсов на выходе вторичной обмотки 17 остается постоянной, а изменяется только их длительность, то при холостом ходе (при нулевом зарядном токе I_ЗАР) выпрямленное выпрямителем 21 и сглаженное третьим конденсатором 28 среднее значение напряжения U_ЗАР.0 будет практически также неизменным. Иначе, внешние характеристики U_ЗАР(I_ЗАР) канала бесконтактной передачи электроэнергии будут иметь вид, как показано на фиг. 4, где кривая 1 соответствует максимальному коэффициенту заполнения D₁ импульсов на выходе блока 32 управления автономным инвертором 13, а кривая 2 - уменьшенному коэффициенту заполнения D₂<D₁. Значение тока зарядки определяется пересечением линии U_АБ, соответствующей напряжению заряжаемой аккумуляторной батареи, с внешней характеристикой U_ЗАР.(I_ЗАР.) канала передачи электроэнергии, т.е. уменьшение коэффициента заполнения импульсов на выходе инвертора приведет к уменьшению зарядного тока по отношению к номинальному значению I_ЗАР.1=I_НОМ, что увеличит время заряда. Но поскольку превышение напряжения ΔU=U_ЗАР.0-U_АБ сохраняется, то, соответственно, сохраняется возможность полного заряда аккумуляторной батареи при ограничении тепловых нагрузок на силовые элементы допустимым уровнем и сглаженной формой тока зарядки за счет влияния индуктивности 23.The output current of the autonomous inverter 13 and, therefore, the current of the primary winding 16 of the high frequency transformer can be represented by the geometric sum of two components - reactive and active. The active component of the current is determined by the active losses in the transformer and the load current of the secondary winding 17, which is also active. The reactive component of the inverter output current, to some extent compensated by the capacitance of the capacitor 19, is the magnetization current of the transformer and is determined by the magnetic coupling coefficient between the windings 16 and 17, which, in turn, determines the efficiency of energy transfer through the transformer. Other things being equal, the magnetization current will be the greater, the lower the magnetic coupling coefficient. The reduction of the latter will occur when the contact surfaces of the primary 16 and secondary 17 of the transformer windings are inaccurate. Associated with this factor, an increase in the magnetization current of the transformer can lead to increased heating of the power elements of the autonomous inverter 13, which reduces its reliability. An increase in the temperature of the primary wire 16 may also cause insulation failure and transformer failure. In addition, the increase in thermal loads on the inverter and the transformer can also lead to a deterioration in the conditions of their cooling, for example, an increase in the temperature of sea water at the location of the second structural unit 6, which includes these devices. The temperature measurement of the power switching elements of the inverter 13 and the wires of the winding 16 is performed by temperature measuring transducers 30 and 31, the inputs of which are connected to the fuel elements of the autonomous inverter 13 and the primary winding 16 of the high frequency transformer, respectively, and their outputs are connected to the first and second inputs of the autonomous control unit 32 inverter. The operation algorithm of block 32 provides a change in the duty cycle D of the control pulses of the autonomous inverter 13 in such a way as to reduce the inverter current and limit the heating of these fuel elements to an acceptable level. Moreover, the duty cycle D here refers to the ratio of the duration of the control pulse to the repetition period. Since with this regulation, the amplitude of the pulses at the output of the secondary winding 17 remains constant, and only their duration changes, then at idle (at zero charging current I _ZAR ), the average voltage U _ZAR.0 rectified by rectifier 21 and smoothed by the third capacitor 28 will be almost the same unchanged. Otherwise, the external characteristics of U _ZAR (I _ZAR ) of the contactless electric power transmission channel will have the form, as shown in FIG. 4, where curve 1 corresponds to the maximum duty cycle D _{1 of the} pulses at the output of the control unit 32 of the autonomous inverter 13, and curve 2 to the reduced duty cycle D ₂ <D ₁ . The value of the charging current is determined by the intersection of the line U _AB corresponding to the voltage of the rechargeable battery with an external characteristic U _ZAR. (I _ZAR. ) Power transmission channel, i.e. a decrease in the duty cycle of the pulses at the inverter output will lead to a decrease in the charging current with respect to the nominal value I _ZAR.1 = I _NOM , which will increase the charge time. However, since the excess voltage ΔU = U -U _AB _ZAR.0 conserved, respectively, it may be possible to complete the battery charge while limiting thermal stress on the power elements and the smoothed allowable level of charging current form due to the influence of inductance 23.

По мере заряда напряжение аккумуляторной батареи увеличивается и при достижении заданного значения осуществляется ее отключение посредством размыкания ключа 25 за счет воздействия сигнала управления с выхода измерительного преобразователя выходного напряжения 29.As the charge increases, the voltage of the battery increases and when the set value is reached, it is turned off by opening the key 25 due to the influence of the control signal from the output of the output voltage transducer 29.

Claims

A device for charging a rechargeable battery of an underwater object, containing the first controlled and second uncontrolled rectifiers, a smoothing reactor, a capacitor, a single-phase autonomous inverter of increased frequency with a control unit for this inverter, separately made primary and secondary windings of a transformer of increased frequency and a measuring converter of the output voltage, while the inputs are the first rectifier is connected to the marine electrical network, the output terminals of this rectifier are connected to the condensation terminals ora and the input power clamps of an autonomous high-frequency voltage inverter, to the output terminals of which the primary winding of the high-frequency transformer is connected, the first output of the secondary winding of this transformer is connected to the first input terminal of the second rectifier, the first output terminal of this rectifier is connected to the first terminal of the voltage measuring transducer and the first of the two output terminals of the device, the second output terminal of the second rectifier is connected to the second terminal through a smoothing reactor an output voltage measuring transducer, wherein the elements of the device are located in three structural units, where a controlled voltage rectifier is located in the first structural unit installed on the vessel, and a capacitor is placed in the second structural unit, which is capable of immersion under water, increased voltage single-phase inverter frequency with the inverter control unit and the primary winding of the transformer of increased frequency, in the third structural unit, mounted on the base one object, the secondary winding of the high-frequency transformer, a second rectifier, a smoothing reactor and a measuring transducer of the output voltage of the device, characterized in that a second capacitor is additionally inserted into the device, connected between the second terminal of the secondary winding of the high-frequency transformer and the second input terminal of the second rectifier, the third a capacitor connected to the output terminals of the second rectifier, the first and second temperature measuring transducers, inputs which are connected with the fuel elements of the autonomous inverter and the primary winding wire of the high-frequency transformer, respectively, and the outputs of the temperature measuring transducers are connected to the inputs of the control unit of the autonomous inverter, a key connecting the second terminal of the voltage measuring transducer and the second output terminal of the device, while a rechargeable battery is connected between the first and second output terminals of the device, the output of the output transducer voltage the second is connected to the control input of the key, the first and second temperature measuring transducers are located in the second structural unit, and the second and third capacitors, as well as the key are located in the third structural unit.