CN111865127A - 一种水下遥控机器人用水面供电电源及水下遥控机器人 - Google Patents

Abstract

一种水下遥控机器人用水面供电电源，其包括：逆变电路，其与船舶直流供电电源连接，逆变电路包括多个并联的逆变支路，各个逆变支路用于将船舶直流供电电源所提供的直流电转换为相应的交流电；升压变压器，其与逆变电路连接，用于将逆变电路传输来的交流电进行升压转换，并将升压后的交流电传输至与之连接的水下遥控机器人，以为水下遥控机器人提供电能。本电源采用多支路并联的结构形式，其可以实现系统的自由冗余。当某一支路出故障时，该电源仍然可以将故障支路与输入输出断开，这样也就可以不影响设备整体的运行，只是降低的整个系统的容量，但是依旧能够提供足够的动力采取回收措施。

Description

一种水下遥控机器人用水面供电电源及水下遥控机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体地说，涉及一种水下遥控机器人用水面供电电源及水下遥控机器人。

背景技术

经过半个多世纪的发展，遥控机器人(Remote Operated Vehicle，简称为ROV)已经形成一个新的产业。全世界ROV的型号在270种以上，超过400家厂商提供各种ROV整机、零部件以及ROV服务。小型ROV的质量仅几千克，大型的超过20t，其作业深度可达10000m以上。

液压驱动型的ROV系统组成一般包括：液压动力推进器、遥控电子通讯装置、黑白或彩色摄像头、摄像俯仰云台、用户外围传感器接口、实时在线显示单元、导航定位装置、自动舵手导航单元以及辅助照明灯等单元部件。ROV的功能多种多样，不同类型的ROV用于执行不同的任务，现已被广泛应用于海岸警卫、海事、海关、核电、水电、海洋石油、渔业、海上救助、管线探测和海洋科学研究等各个领域。

液压驱动型的ROV需要一套地面供电电源装置，其基本组成为：升压变压器、控制系统、检测系统、辅助开关等。如图1所示，该地面供电电源装置的工作原理就是将AC380V交流船电通过升压变压器变为AC3000V，再输送到ROV系统中的高压电机驱动液压泵，为ROV提供动力。

相较于传统的液压驱动型ROV，电动ROV有较多的优势。例如，在满足同等工作要求的条件下，电动ROV系统重量、尺寸较小，对ROV布放和回收系统和功耗要求也较小，有效减少船舶甲板空间要求，适用性更广泛；电动ROV系统能够更快的集成组装与拆卸，便于移动和运输；电动ROV系统水下运载更加灵活，容易实现精确操控；电动ROV系统运行过程中噪音小，有效提高测量数据的精度和可靠性；电动ROV系统更加可靠，配备人员数量少，维护成本低；电动ROV系统更加保护环境，最小程度减小油污泄漏；电动ROV系统更少的资金和运作成本。

因此，电动ROV将是下一代ROV技术的发展方向，与其配套的水面供电设备也将拥有无限的前景。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种水下遥控机器人用水面供电电源，所述电源包括：

逆变电路，其与船舶直流供电电源连接，所述逆变电路包括多个并联的逆变支路，各个逆变支路用于将船舶直流供电电源所提供的直流电转换为相应的交流电；

升压变压器，其与所述逆变电路连接，用于将所述逆变电路传输来的交流电进行升压转换，并将升压后的交流电传输至与之连接的水下遥控机器人，以为所述水下遥控机器人提供电能。

根据本发明的一个实施例，所述逆变支路包括：

支路直流接触器，其用于与所述船舶直流供电电源连接；

逆变模块，其与所述支路直流接触器连接，用于将所述支路直流接触器传输来的直流电转换为交流电；

滤波组件，其与所述逆变模块连接，用于对所述逆变模块所传输来的交流电进行滤波，以抑制杂波。

根据本发明的一个实施例，所述逆变模块包括：

第一电容和第二电容，其中，所述第一电容的第一端形成所述逆变模块的输入端正极，所述第一电容的第二端与所述第二电容的第一端连接，所述第二电容的第二端形成所述逆变模块的输入端负极；

多个结构相同的逆变拓扑电路，所述逆变拓扑电路包括三个输入端口和一个输出端口，其中，第一输入端口和第二输入端口分别与所述逆变模块的输入端正极和输入端负极连接，第三输入端口与所述第一电容的第二端连接。

根据本发明的一个实施例，所述逆变拓扑电路包括至少四个IGBT单元，其中，第一IGBT单元的集电极形成该逆变拓扑电路的第一输入端口，第一IGBT单元的发射极与第二IGBT单元的集电极连接，第二IGBT单元的发射极形成该逆变拓扑电路的第二输入端口，第三IGBT单元的集电极形成该逆变拓扑电路的第三输入端口，所述第三IGBT单元的发射极与第四IGBT单元的发射极连接，所述第四IGBT单元的集电极与所述第一IGBT单元的发射极连接并形成该逆变拓扑电路的输出端口。

根据本发明的一个实施例，所述逆变模块还包括：

二极管，其负极与所述第一电容的第一端连接，正极形成所述逆变模块的输入端正极。

根据本发明的一个实施例，所述逆变支路还包括：

直流保护组件，其串联在所述支路直流接触器与所述逆变模块之间，用于对所述逆变模块进行保护。

根据本发明的一个实施例，所述直流保护组件包括：

浪涌吸收电路，其与所述支路直流接触器连接，用于对所述支路直流接触器传输来的直流电中的浪涌电压进行抑制；

预充电电路，其与所述浪涌吸收电路连接。

根据本发明的一个实施例，所述电源还包括：

控制电路，其与所述逆变电路连接，用于控制所述逆变电路的运行状态。

根据本发明的一个实施例，所述逆变支路还包括：

绝缘监测组件，其与所述控制电路连接，用于监测所在逆变支路中各个部件的绝缘电阻值，以由所述控制电路根据所述绝缘电阻值进行绝缘保护；和/或，

接地监测组件，其与所述控制电路连接，用于监测所在逆变支路中各个部件的接地状态，以由所述控制电路根据所述接地状态进行接地保护。

本发明还提供了一种水下遥控机器人，所述水下遥控机器人包括如上任一项所述的水面供电电源。

本发明所提供的水下遥控机器人用水面供电电源采用多支路并联的结构形式，其可以实现系统的自由冗余。当某一支路出故障时，该电源仍然可以将故障支路与输入输出断开，这样也就可以不影响设备整体的运行，只是降低的整个系统的容量，但是依旧能够提供足够的动力采取回收措施，从而保证设备的安全，挽回不必要的经济损失，这对于水下设备是个至关重要的能力。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是现有的水面供电系统的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的水下遥控机器人用水面供电电源的结构示意图；

图3是根据本发明一个实施例的逆变支路的部分结构示意图；

图4是根据本发明一个实施例的逆变模块和滤波组件的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。

为了满足水下遥控机器人的用电需求，本发明针对性地提供了一种水下机器人用水面供电电源以及应用了该电源的水下遥控机器人，该水面供电电源采用了多重化逆变器提供交流电，再通过升压变压器提升电压，可以有效减小线路损耗。

图2示出了本实施例所提供的水下机器人用水面供电电源的结构示意图。

如图2所示，本实施例所提供的水下机器人用水面供电电源202与船舶直流供电电源201连接，其用于将船舶直流供电电源201所提供的直流电转换为相应的交流电并传输至与之连接的水下遥控机器人203，以为水下遥控开关机器人203的运行提供电能。

具体地，本实施例中，该水面供电电源设置在船舶内，其优选地包括：输入直流接触器301、逆变电路302以及升压变压器303。其中，输入直流接触器301连接在船舶直流供电电源201与逆变电路302之间，其用于根据实际需要切断或导通船舶直流供电电源201与逆变电路302之间的电连接。例如，当船舶直流供电电源201存在故障时，输入直流接触器301也就会受控断开船舶直流供电电源201与逆变电路302之间的电连接。

逆变电路302通过输入直流接触器301与船舶直流供电电源201连接，其优选地包括多个并联的逆变支路，各个逆变支路能够将输入直流接触器301所传输来的、船舶直流供电电源201所提供的直流电转换为相应的交流电。

如图2所示，本实施例中，逆变电路302包含了2个并联的逆变支路，这两个逆变支路的直流输入端均与输入直流接触器301连接，输出端均与升压变压器303连接。

当然，在本发明的其他实施例中，逆变电路302所包含的逆变支路的数量还可以根据实际需要配置为其他合理值(例如3个以上)，本发明并不对逆变电路302所包含的逆变直流的具体数量进行限定。

本实施例中，升压变压器303与逆变电路302连接，其能够将逆变电路302所传输来的交流电进行升压转换，并将升压后的交流电传输至与之连接的水下遥控机器人203，以为水下遥控机器人203提供电能。

通过提升水面供电电源所输出的电压，该电源能够有效地降低传输电路，从而有效降低长距离传输的线路损耗。

本实施例中，逆变电路302优选地会将船舶直流供电电源201所传输来的直流电转换为中频低压交流电。例如，船舶直流供电电源201可以提供DC350V～DC650V的直流电，该直流电经过逆变支路的转换可以得到400Hz～1000Hz的中频电压200V左右的交流电，通过多个逆变支路输出后并联也就可以得到低压大电流(200V/1000A)的交流电。升压变压器303可以将上述低压大电流交流电转换为诸如3600V或是4160V的高压交流电，并将该高压交流电传输至水下遥控机器人，从而为水下遥控机器人提供动力。

当然，在本发明的其他实施例中，逆变电路302以及升压变压器303的具体工作参数可以根据实际需要进行配置，上述参数并不构成对逆变电路302以及升压变压器303实际参数的限定。

本实施例中，由于各个逆变支路的结构相同(即302-1-1至302-1-7所形成的第一逆变支路与302-2-1至302-2-7所形成的第二逆变支路的电路结构相同)，因此为了更加清楚、简便地阐述本实施例中逆变电路的工作原理以及工作过程，以下以第一逆变支路为例来作进一步的说明。

如图2所示，本实施例中，第一逆变支路优选地包括：支路直流接触器302-1-1、直流保护组件302-1-2、逆变模块302-1-3、滤波组件302-1-4以及支路断路器302-1-5。

支路直流接触器302-1-1的第一端用于通过输入直流接触器301与船舶直流供电电源201连接，第二端与直流保护组件302-1-2连接，其用于根据实际需要断开或导通输入直流接触器301与直流保护组件302-1-2之间的电连接。例如，支路直流接触器302-1-1可以在系统故障(例如自身所处逆变支路发生故障)时快速切断与船舶直流供电电源201之间的电气连接。

直流保护组件302-1-2串联在支路直流接触器302-1-1与逆变模块302-1-3之间，其用于对逆变模块302-1-3进行保护。具体地，如图3所示，本实施例中，直流保护组件302-1-2优选地包括浪涌吸收电路和预充电电路。

其中，浪涌吸收电路支路直流接触器302-1-1连接，其能够对支路直流接触器302-1-1传输来的直流电中的浪涌电压进行抑制(例如吸收直流侧的尖峰电压等)，从而实现对主电路的保护。预充电电路与浪涌吸收电路连接，其能够通过电阻限制充电电流，并在充电完成是通过旁路开关闭合来将该电阻旁路，从而避免在充电过程中过大的充电电流对系统造成危害。

当然，在本发明的其他实施例中，直流保护组件302-1-2还可以采用其他合理的电路或器件来实现，本发明不限于此。

再次如图2所示，本实施例中，逆变模块302-1-3与直流保护组件302-1-2，其能够将直流保护组件302-1-2所传输来的直流电转换为相应的交流电。而滤波组件滤波组件302-1-4则与逆变模块302-1-3连接，其能够对逆变模块302-1-3所传输来的交流电进行滤波，以抑制杂波。

具体地，如图4所示，本实施例中，逆变模块302-1-3优选地包括二极管D1、第一电容C1、第二电容C2和多个逆变拓扑电路。其中，二极管D1作为选配电路，其负极与第一电容C1的第一端连接，正极形成逆变模块302-1-3的输入端正极来与直流保护组件302-1-2的输出端正极连接。

二极管D1能够有效防止功率倒送而导致直流配电网电压泵升，有助于保证系统的安全运行。同时，二极管D1还能够在系统中的其他设备出现短路故障时起到隔离作用。

当然，在本发明的其他实施例中，上述二极管D1还可以采用其他能够起到相同作用的器件或是电路来实现，本发明并不对此进行限定。

如图4所示，本实施例中，第一电容C1的第一端与二极管D1的负极连接，第二电容C1的第二端与第二电容C2的第一端连接，第二电容C2的第二端形成逆变模块302-1-3的输入端负极。

本实施例中，逆变模块302-1-3包含有多个结构相同的逆变拓扑电路，这些逆变拓扑电路均包含三个输入端口和一个输出端口。其中，第一输入端口通过二极管D1与逆变模块302-1-3的输入端正极连接，第二输入端口与逆变模块302-1-3的输入端负极连接，第三输入端口与第一电容C1的第二端连接。同时，这些逆变拓扑电路的输入端口共连。

具体地，以其中一个逆变拓扑电路为例，该逆变拓扑电路包括至少四个IGBT单元。其中，第一IGBT单元T1的集电极形成该逆变拓扑电路的第一输入端口，第一IGBT单元T1的发射极与第二IGBT单元T2的集电极连接，第二IGBT单元T2的发射极形成该逆变拓扑电路的第二输入端口，第三IGBT单元T3的集电极形成该逆变拓扑电路的第三输入端口，第三IGBT单元T3的发射极与第四IGBT单元T4的发射极连接，第四IGBT单元T4的集电极与第一IGBT单元T1的发射极连接并形成该逆变拓扑电路的输出端口。

与传统的两电平相比，本实施例中逆变模块所采用的电路结构能够有效改善输出波形质量。同时，本实施例所提供的逆变模块中器件的开关频率更高，这样也就可以得到所需要的中频交流电(例如400Hz～1000Hz)，其配套的滤波器tji和重量也可以得到大幅降低。

本实施例中，该逆变模块能够在实现三相输出电压的完全解耦，这样也就可以应对不平衡负载情况。与二极管箝位式三电平拓扑相比，本实施例所提供的逆变模块在器件使用上少了两个箝位二极管。同时，从电路原理上，该逆变模块的输出正电平或负电平时电流经过的开关管个数减少了一半，相应的导通损耗也有所下降。

如图4所示，本实施例中中，滤波组件302-1-4优选地采用电感(包括第一电感L1、第二电感L2和第三电感L3)以及滤波电容(包括第三电容C3、第四电容C4以及第五电容C5)所形成的LC滤波电容来实现。

当然，在本发明的其他实施例中，上述逆变模块滤波组件302-1-3和/或滤波组件302-1-4的结构还可以采用其他合理的电路结构来实现，本发明并不对此进行限定。

支路断路器302-1-5连接在滤波组件302-1-4与升压变压器303之间，其能够根据实际需要将滤波组件302-1-4与升压变压器303之间的电连接导通或断开。例如，支路断路器302-1-5能够在水下遥控机器人故障或是逆变模块故障时快速切断相干支路的电气连接。

本实施例中，如图2所示，可选地，该逆变支路还可以包含绝缘监测组件302-1-6和接地监测组件302-1-7。其中，绝缘监测组件302-1-6监测所在逆变支路中各个部件的绝缘电阻值，而接地监测组件302-1-7则用于监测所在逆变支路中各个部件的接地状态。

本实施例中，可选地，该水面供电电源202还可以包括控制电路304。控制电路304与逆变电路302连接，其能够控制逆变电路302的运行状态。例如，控制电路304能够根据实际需要控制逆变电路302中各个接触器、断路器和/或IGBT单元的工作状态。另外，控制电路304还可以与绝缘监测组件302-1-6和接地监测组件302-1-7连接，其能够根据绝缘监测组件302-1-6所传输来的绝缘电阻值进行绝缘保护，还可以根据接地监测组件302-1-7所传输来的接地状态进行接地保护。

需要指出的是，在本发明的其他实施例中，根据实际需要，上述输入直流电路器和/或支路断路器还可以根据实际需要进行选配，本发明并不对此进行限定。

传统的用于水下遥控机器人的水面供电系统只有一条主电路，当故障时，水下设备将处于断电状态，这样也就无法正常工作、运动，像水下遥控机器人这类设备有可能不能够安全收回而在海洋中丢失，这将造成巨额的经济损失。

而本发明所提供的水下遥控机器人用水面供电电源采用多支路并联的结构形式，其可以实现系统的自由冗余。当某一支路出故障时，该电源仍然可以将故障支路与输入输出断开，这样也就可以不影响设备整体的运行，只是降低的整个系统的容量，但是依旧能够提供足够的动力采取回收措施，从而保证设备的安全，挽回不必要的经济损失，这对于水下设备是个至关重要的能力。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构或处理步骤，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。

Claims (10)

1.一种水下遥控机器人用水面供电电源，其特征在于，所述电源包括：

逆变电路，其与船舶直流供电电源连接，所述逆变电路包括多个并联的逆变支路，各个逆变支路用于将船舶直流供电电源所提供的直流电转换为相应的交流电；

升压变压器，其与所述逆变电路连接，用于将所述逆变电路传输来的交流电进行升压转换，并将升压后的交流电传输至与之连接的水下遥控机器人，以为所述水下遥控机器人提供电能。

2.如权利要求1所述的电源，其特征在于，所述逆变支路包括：

支路直流接触器，其用于与所述船舶直流供电电源连接；

逆变模块，其与所述支路直流接触器连接，用于将所述支路直流接触器传输来的直流电转换为交流电；

滤波组件，其与所述逆变模块连接，用于对所述逆变模块所传输来的交流电进行滤波，以抑制杂波。

3.如权利要求2所述的电源，其特征在于，所述逆变模块包括：

第一电容和第二电容，其中，所述第一电容的第一端形成所述逆变模块的输入端正极，所述第一电容的第二端与所述第二电容的第一端连接，所述第二电容的第二端形成所述逆变模块的输入端负极；

多个结构相同的逆变拓扑电路，所述逆变拓扑电路包括三个输入端口和一个输出端口，其中，第一输入端口和第二输入端口分别与所述逆变模块的输入端正极和输入端负极连接，第三输入端口与所述第一电容的第二端连接。

4.如权利要求3所述的电源，其特征在于，所述逆变拓扑电路包括至少四个IGBT单元，其中，第一IGBT单元的集电极形成该逆变拓扑电路的第一输入端口，第一IGBT单元的发射极与第二IGBT单元的集电极连接，第二IGBT单元的发射极形成该逆变拓扑电路的第二输入端口，第三IGBT单元的集电极形成该逆变拓扑电路的第三输入端口，所述第三IGBT单元的发射极与第四IGBT单元的发射极连接，所述第四IGBT单元的集电极与所述第一IGBT单元的发射极连接并形成该逆变拓扑电路的输出端口。

5.如权利要求3或4所述的电源，其特征在于，所述逆变模块还包括：

二极管，其负极与所述第一电容的第一端连接，正极形成所述逆变模块的输入端正极。

6.如权利要求2～5中任一项所述的电源，其特征在于，所述逆变支路还包括：

直流保护组件，其串联在所述支路直流接触器与所述逆变模块之间，用于对所述逆变模块进行保护。

7.如权利要求6所述的电源，其特征在于，所述直流保护组件包括：

浪涌吸收电路，其与所述支路直流接触器连接，用于对所述支路直流接触器传输来的直流电中的浪涌电压进行抑制；

预充电电路，其与所述浪涌吸收电路连接。

8.如权利要求2～7中任一项所述的电源，其特征在于，所述电源还包括：

控制电路，其与所述逆变电路连接，用于控制所述逆变电路的运行状态。

9.如权利要求8所述的电源，其特征在于，所述逆变支路还包括：

绝缘监测组件，其与所述控制电路连接，用于监测所在逆变支路中各个部件的绝缘电阻值，以由所述控制电路根据所述绝缘电阻值进行绝缘保护；和/或，

接地监测组件，其与所述控制电路连接，用于监测所在逆变支路中各个部件的接地状态，以由所述控制电路根据所述接地状态进行接地保护。

10.一种水下遥控机器人，其特征在于，所述水下遥控机器人包括如权利要求1～9中任一项所述的水面供电电源。

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