CN112350601A - 一种rov用中压中频逆变电源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及水下机器人领域，更具体的说，涉及一种ROV用中压中频逆变电源。本发明提出的ROV用中压中频逆变电源，其特征在于，由数条独立的交流支路并联组成；每条交流支路包括直流接触器、功率模块、滤波器模块、中频升压变压器和交流接触器；直流电源经过各自变流支路的直流接触器后，通过功率模块的电能转换，将直流电转换为低压交流电，通过中频升压变压器将低压交流电转换为中压交流电，通过交流接触器后输送至水下ROV本体，为ROV本体供电。本发明提供的ROV用中压中频逆变电源，有效提高电能输出质量，降低长距离水下输电的损耗，增强故障冗余能力，减小ROV本体电机或变压器的重量和体积，有效降低成本。

Description

一种ROV用中压中频逆变电源
技术领域
本发明涉及水下机器人领域，更具体的说，涉及一种ROV用中压中频逆变电源。
背景技术
21世纪是海洋的世纪，占全球71％面积的海洋将是下一个世纪，也是未来人类赖以生存的环境，遥控水下机器人(Remote Operated Vehicle，ROV)是当今人类探索海洋环境和开发海洋资源的有力工具。
相较于传统的液压型ROV，电动ROV具有较多的优势：
系统重量和尺寸小；易于集成组转和拆卸，便于移动和运输；操控性能优，操作简单，有效提高水下工作能力，减小维护人工成本；油污泄漏风险小，更有利于环境保护和法规评估；更易于集成导航、控制、作业等智能化功能。
总之，更低的维护成本、更高的可靠性和效率、更细和便宜的脐带缆以及更小的环境污染风险等优势，使电动ROV成为下一代ROV技术的发展方向。
随着应用领域的不断扩大，ROV也向着工作深度越深、推进动力越大、作业能力越强的方向发展。
ROV(特别是工作级ROV)所需的电源基本全部由船面供电装置通过长距离脐带缆输送，为了满足深海作业需要，用于给ROV水下供电和通信的脐带缆通常会长达3000米以上，甚至最深可达10000米及以上。
目前，ROV大多采用传统的三相交流供电，并直接驱动电机，导致效率低下、容易启动过流、所需冗余的余量大等问题。
中国实用新型专利CN201620205879.8公开了一种ROV电源系统，包括地面电源和水下电源：地面电源将AC220V 50Hz或AC380V 50Hz转换成DC600V，给水下载体供电；水下电源包括一组推进系统动力电源和一组仪器电源；推进系统动力电源将600VDC输入变换成300VDC输出；仪器电源将600VDC输入变换成6路直流电压输出，分别为12VDC推进器供电电源，数字5V电源，模拟5V电源，模拟12V电源，24V电源和48V电源。该电源系统损耗较大，传输距离短。
发明内容
本发明的目的是提供ROV用中压中频逆变电源，解决现有技术的ROV用电源的电能输出质量低、可靠性低、损耗大的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种ROV用中压中频逆变电源，由数条独立的交流支路并联组成；
每条变流支路包括直流接触器、功率模块、滤波器模块、中频升压变压器和交流接触器；
直流电源经过各自变流支路的直流接触器后，通过功率模块的电能转换将直流电转换为低压交流电，随后通过中频升压变压器将低压交流电转换为中压交流电，再通过交流接触器后输送至水下ROV本体，为ROV本体供电。
在一实施例中，所述直流接触器，一端与前端直流电源连接，另一端与功率模块连接，用于接通及断开两者的电气连接。
在一实施例中，所述功率模块，一端与直流接触器连接，另一端与滤波器模块连接，实现电能由直流到交流的转换。
在一实施例中，所述功率模块，为三相T型三电平模块，由3个单相T型三电平模块组成，控制各个开关器件的通断产生脉冲电压波形。
在一实施例中，所述三相T型三电平模块，采用多重化移相载波技术，每个单相T型三电平模块采用相同的载波频率，相位依次错相180°/N，N为单相T型三电平模块的数量。
在一实施例中，所述单相T型三电平模块，包括开关管组，电容组和二极管组：
开关管组包括开关管T1、开关管T2、开关管T3和开关管T4；
二极管组包括二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4；
第一开关管T1、第四开关管T4、第一二极管D1和第四二极管D4位于T型三电平电路的竖桥上，第一开关管T1与第一二极管D1反向并联，第四开关管T4与第四二极管D4反向并联；
第二开关管T2、第三开关管T3、第二二极管D2和第三二极管D3位于T型三电平电路的横桥上，第二开关管T2与第二二极管D2反向并联，第三开关管T3与第三二极管D3反向并联。
在一实施例中，所述单相T型三电平模块，电容组包括电容C1和电容C2，串联在正直流母线和负直流母线之间，第一电容C1与第二电容C2相连的点为中点O。
在一实施例中，所述滤波器模块，为LC滤波器，一端与功率模块连接，另一端与中频升压变压器连接，对逆变所得的交流电进行滤波。
在一实施例中，所述中频升压变压器，一端与滤波器模块连接，另一端与交流接触器连接，将滤波器模块输出的低压交流电转换为中压交流电。
在一实施例中，所述交流接触器，一端与中频升压变压器连接，另一端与ROV本体连接，用于接通及断开两者的电气连接。
本发明提供的ROV用中压中频逆变电源，具体具有以下有益效果：
1)采用多个功率模块并联输出，为ROV提供可靠稳定的动力，单一支路的故障不会造成设备直接停机，系统仍能够降容使用，有效保障ROV在水下作业的安全。
2)功率模块采用T型三电平拓扑电路，并选取合适的LC滤波器，有效提高电能输出质量，降低长距离水下输电的损耗。
3)输出中频中压交流电，由于输电电压的提高从而降低了输电电流，减少线路损耗，同时，可减小ROV本体电机或变压器的重量和体积，有效降低成本。
附图说明
本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：
图1揭示了根据本发明一实施例的ROV用中压中频逆变电源的原理框图；
图2揭示了根据本发明一实施例的三相T型三电平模块拓扑图；
图3揭示了根据本发明一实施例的单相T型三电平电路拓扑图。
图中各附图标记的含义如下：
101直流接触器；
102功率模块；
103LC滤波器；
104中频升压变压器；
105交流接触器；
201直流接触器；
202功率模块；
203LC滤波器；
204中频升压变压器；
205交流接触器；
301直流接触器；
302功率模块；
303LC滤波器；
304中频升压变压器；
305交流接触器；
401直流接触器；
402功率模块；
403LC滤波器；
404中频升压变压器；
405交流接触器；
500直流电源。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释发明，并不用于限定发明。
本发明涉及一种为ROV用中压中频逆变电源，该电源通常放置在母船上，作为ROV推进系统及控制系统的前级供电装置。
母船燃料电池组输出的直流电，经过该装置逆变升压后得到三相中压中频交流电，随后再通过脐带缆传输至水下，直接驱动ROV本体电机或降压后进一步为水下变流装置供电，实现ROV的电力推进。
中压中频交流输电方式具有减小长距离传输电能损失、减小ROV水下电能变换设备体积等优点，其在ROV远程供电方面具有极大的技术前景。
图1揭示了根据本发明一实施例的ROV用中压中频逆变电源的原理框图，如图1所示，本发明提出的一种ROV用中压中频逆变电源，主电路由四条独立的交流支路并联组成。
每条交流支路包括1个直流接触器、1个功率模块、1套LC滤波器、1台中频升压变压器、1个交流接触器，由控制系统统一控制。
第一交流支路包括直流接触器101、功率模块102、LC滤波器103、中频升压变压器104和交流接触器105。
第二交流支路包括直流接触器201、功率模块202、LC滤波器203、中频升压变压器204和交流接触器205。
第三交流支路包括直流接触器301、功率模块302、LC滤波器303、中频升压变压器304和交流接触器305。
第四交流支路包括直流接触器401、功率模块402、LC滤波器403、中频升压变压器404和交流接触器405。
其各组成部分作用如下：
直流接触器，一端与前端直流电源500连接，另一端与功率模块连接，用于接通及断开两者的电气连接；
功率模块，一端与直流接触器连接，另一端与LC滤波器连接，实现电能由直流到交流的转换；
LC滤波器，一端与功率模块连接，另一端与中频升压变压器连接，对逆变所得的交流电进行滤波，改善输出的电压质量；
中频升压变压器，一端与LC滤波器连接，另一端与交流接触器连接，将LC滤波器输出的低压交流电转换为中压交流电。
在本实施例中，中压交流电的电压为4160V，前端直流电源500的电压为400V。
交流接触器，一端与中频升压变压器连接，另一端与ROV本体连接，用于接通及断开两者的电气连接。
每一路交流支路的输出端均有中频升压变压器，实现模块间电隔离，减少了模块间输出环流。
直流电源500，经过各自交流支路的直流接触器后，通过功率模块的电能转换，将直流电源转换为400Hz的低压交流电，随后通过中频升压变压器，将低压交流电转换为4160V中压交流电，通过输出的交流接触器后并联，输送至水下ROV本体，为ROV提供动力。
本发明提出的一种ROV用中压中频逆变电源，通过变频控制，有效减小了传统工频供电时电机启动电流，延长了电机寿命并减少了故障风险。
同时，由于该电源装置输出频率为400Hz，相比传统供电方式，可大大减少ROV本体电机或变压器的重量，减少了其在深海中运动的阻力，更重要的是可大幅度降低成本。
本发明提出的一种ROV用中压中频逆变电源，由多路交流支路并联后输出，且每路交流支路均配置独立的输入接触器(直流接触器)、中频升压变压器及输出接触器(交流接触器)，虽然增加了设备体积及成本，但是便于扩展，假如以后需要更大功率的电源，可在此基础上增加模块，无需再对整个系统进行重新设计。
最重要的，每条交流支路并联后输出，可有效实现故障冗余。
传统的ROV水面供电系统只有一条主电路，当设备故障时，水下的设备将处于断电不可控状态，可能导致ROV在海洋中丢失，造成较大的经济损失。
本发明提出的ROV用中压中频逆变电源，采用多交流支路并联，其目的在于系统可自由冗余，当一个交流支路出故障时，可以将故障支路与输入输出断开，不影响设备整体的运行，只是降低的整个系统的容量，保证设备的安全，这对于ROV系统至关重要。
本发明通过改变水面电源供电方式，可以实现以下效果：
a)减少脐带缆电流的有效值，从而减少圈绕在甲板上绞车上的脐带缆的过温问题，同时减少了整个脐带缆(数千米)上由于电阻的发热导致的能量损失。
b)降低脐带缆上的电压降，从而提高了水下受电端的电压。
c)减小脐带缆的导线的直径，直接减少了脐带缆的重量。
d)可轻松实现电机软起，减少了水下电机启动电流。
e)有效提高功率密度，降低水下电机及水下变流设备的体积、重量，从而减少了所需浮力模块的体积和重量，因此ROV本体的重量、体积和成本进一步减少。
f)增强故障冗余能力，提高整个ROV推进系统可靠性。
下面详细介绍本实施例中的功率模块。
图2揭示了根据本发明一实施例的三相T型三电平模块拓扑图，如图2所示的三相T型三电平模块拓扑结构，以功率模块102为例，功率模块102采用新能源领域常用的三相T型三电平模块，由3个单相T型三电平模块组成，主要执行逆变功能，用于产生符合指令要求的脉冲电压波形，通过控制各个开关器件的通断用于产生符合指令要求的PWM(Pulse widthmodulation，脉冲宽度调制)波形，滤波后得到所需的交流电。
更进一步的，三相T型三电平模块采用多重化移相载波技术，每个单相T型三电平模块采用相同的载波频率，相位依次错相180°/N(N为模块数)，从而提高装置等效开关频率，提升输出电压电能质量。
图3揭示了根据本发明一实施例的单相T型三电平电路拓扑图，如图3所示的单相T型三电平电路，包括开关管组，电容组和二极管组。
开关管组包括开关管T1、开关管T2、开关管T3和开关管T4，分别连接直流侧的正母线和负母线，连接直流侧中点和负载，构成一个双向开关。
二极管组包括二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4。
电容组包括电容C1和电容C2，串联在正直流母线和负直流母线之间，第一电容C1与第二电容C2相连的点为中点O。
第一开关管T1、第四开关管T4、第一二极管D1和第四二极管D4位于T型三电平电路的竖桥上，第一开关管T1与第一二极管D1反向并联，第四开关管T4与第四二极管D4反向并联。
第二开关管T2、第三开关管T3、第二二极管D2和第三二极管D3位于T型三电平电路的横桥上，第二开关管T2与第二二极管D2反向并联，第三开关管T3与第三二极管D3反向并联。
下面说明该单相T型三电平电路的工作方式。
以分压电容之间的O点为零电位参考点，则输出的三个电平为Udc/2、-Udc/2、0，分别对应P，N，O三种状态。在单相T型三电平电路中，规定负载电流流出桥臂的方向为正方向，总共有六种换流方式：
1)当开关管T1和T2导通，T3和T4关断时，电流方向为正，T2中没有电流流过，电流流经T1，输出为Udc/2；
2)当开关管T2和T3导通，T1和T4关断时，电流方向为正，电流流经T3和D3，输出为0；
3)当开关管T3和T4导通，T1和T2关断时，电流方向为正，电流流经D4，输出为-Udc/2；
4)当开关管T1和T2导通，T3和T4关断时，电流方向为负，电流流经D1，输出为Udc/2；
5)当开关管T2和T3导通，T1和T4关断时，电流方向为负，电流流经T2和D2，输出为0；
6)当开关管T3和T4导通，T1和T2关断时，电流方向为负，电流流经T4，输出为-Udc/2。
单相T型三电平电路的开关状态可由表1所示，其中，P状态表示桥臂输出端连到直流侧正端，O状态表示桥臂输出端连接到直流侧中性点，N状态表示桥臂输出端连到直流侧负端。
表1
开关状态 T1 T2 T3 T4 输出电平
P 通 通 断 断 U<sub>dc/</sub>2
O 断 通 通 断 0
N 断 断 通 通 -U<sub>dc/</sub>2
在其他实施例中，功率模块可选用其他拓扑结构，配置合适的滤波器，一样可以实现该功能，相对来说本实施例的T型三电平拓扑具有一定的优势。
本实施例的功率模块为三相T型三电平模块拓扑结构，与传统方案相比，具有以下优点：
1)与传统的两电平逆变相比，T型三电平拓扑输出波形质量更好，因此所需配套的滤波器体积和重量可以大幅度降低；
2)控制上三相输出电压实现完全解耦，可以应对不平衡负载情况；
3)与二极管箝位式三电平拓扑相比，T型三电平拓扑器件使用上少了两个箝位二极管，从电路原理上，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。
本发明提供的ROV用中压中频逆变电源，具体具有以下有益效果：
1)采用多个功率模块并联输出，为ROV提供可靠稳定的动力，单一支路的故障不会造成设备直接停机，系统仍能够降容使用，有效保障ROV在水下作业的安全。
2)功率模块采用T型三电平拓扑电路，并选取合适的LC滤波器，有效提高电能输出质量，降低长距离水下输电的损耗。
3)输出中频中压交流电，由于输电电压的提高从而降低了输电电流，减少线路损耗，同时，可减小ROV本体电机或变压器的重量和体积，有效降低成本。
尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。
如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。
上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (10)

1.一种ROV用中压中频逆变电源，其特征在于，由数条独立的变流支路并联组成；
每条变流支路包括直流接触器、功率模块、滤波器模块、中频升压变压器和交流接触器；
直流电源经过各自变流支路的直流接触器后，通过功率模块的电能转换，将直流电转换为低压交流电，随后通过中频升压变压器将低压交流电转换为中压交流电，再通过交流接触器后输送至水下ROV本体，为ROV本体供电。
2.根据权利要求1所述的ROV用中压中频逆变电源，其特征在于，所述直流接触器，一端与前端直流电源连接，另一端与功率模块连接，用于接通及断开两者的电气连接。
3.根据权利要求1所述的ROV用中压中频逆变电源，其特征在于，所述功率模块，一端与直流接触器连接，另一端与滤波器模块连接，实现电能由直流到交流的转换。
4.根据权利要求3所述的ROV用中压中频逆变电源，其特征在于，所述功率模块，为三相T型三电平模块，由3个单相T型三电平模块组成，控制各个开关器件的通断产生脉冲电压波形。
5.根据权利要求4所述的ROV用中压中频逆变电源，其特征在于，所述三相T型三电平模块，采用多重化移相载波技术，每个单相T型三电平模块采用相同的载波频率，相位依次错相180°/N，N为单相T型三电平模块的数量。
6.根据权利要求5所述的ROV用中压中频逆变电源，其特征在于，所述单相T型三电平模块，包括开关管组，电容组和二极管组：
开关管组包括开关管T1、开关管T2、开关管T3和开关管T4；
二极管组包括二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4；
第一开关管T1、第四开关管T4、第一二极管D1和第四二极管D4位于T型三电平电路的竖桥上，第一开关管T1与第一二极管D1反向并联，第四开关管T4与第四二极管D4反向并联；
第二开关管T2、第三开关管T3、第二二极管D2和第三二极管D3位于T型三电平电路的横桥上，第二开关管T2与第二二极管D2反向并联，第三开关管T3与第三二极管D3反向并联。
7.根据权利要求6所述的ROV用中压中频逆变电源，其特征在于，所述单相T型三电平模块，电容组包括电容C1和电容C2，串联在正直流母线和负直流母线之间，第一电容C1与第二电容C2相连的点为中点O。
8.根据权利要求1所述的ROV用中压中频逆变电源，其特征在于，所述滤波器模块，为LC滤波器，一端与功率模块连接，另一端与中频升压变压器连接，对逆变所得的交流电进行滤波。
9.根据权利要求1所述的ROV用中压中频逆变电源，其特征在于，所述中频升压变压器，一端与滤波器模块连接，另一端与交流接触器连接，将滤波器模块输出的低压交流电转换为中压交流电。
10.根据权利要求1所述的ROV用中压中频逆变电源，其特征在于，所述交流接触器，一端与中频升压变压器连接，另一端与ROV本体连接，用于接通及断开两者的电气连接。
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