RU2502170C1 - Device for non-contact transfer of electric energy to underwater object (versions) - Google Patents
Device for non-contact transfer of electric energy to underwater object (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2502170C1 RU2502170C1 RU2012118280/07A RU2012118280A RU2502170C1 RU 2502170 C1 RU2502170 C1 RU 2502170C1 RU 2012118280/07 A RU2012118280/07 A RU 2012118280/07A RU 2012118280 A RU2012118280 A RU 2012118280A RU 2502170 C1 RU2502170 C1 RU 2502170C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- transformer
- inverter
- rectifier
- windings
- underwater object
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
- Y02E40/30—Reactive power compensation
Landscapes
- Inverter Devices (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам с использованием полупроводниковых приборов для передачи по кабелю на подводный объект электрической энергии, которая, в частности, применяется для зарядки электрической аккумуляторной батареи, установленной на этом подводном объекте.The invention relates to electrical engineering, in particular to devices using semiconductor devices for transmitting cable energy to an underwater object of electrical energy, which, in particular, is used to charge an electric battery installed on this underwater object.
Известно устройство для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный объект, наиболее близкое по технической сущности к заявляемому устройству (прототип). Принципиальная схема и конструкция этого устройства описаны в (Патент RU №2401496, Устройство для зарядки аккумуляторной батареи подводного объекта, авторы Кувшинов Г.Е., Копылов В.В., Филоженко А.Ю., Наумов Л.А., дата приоритета 25.06.2009, опуб. 10.10.2010 Бюл. №28).A device for contactless transmission of electricity to an underwater object, the closest in technical essence to the claimed device (prototype). The schematic diagram and design of this device are described in (Patent RU No. 2401496, Device for charging a rechargeable battery of an underwater object, authors Kuvshinov G.E., Kopylov V.V., Filozhenko A.Yu., Naumov L.A., priority date 25.06 .2009, published on 10/10/2010 Bull. No. 28).
Известное устройство для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный объект состоит из опускаемого под воду блока инвертора и размещенного на подводном объекте блока выпрямителя. В блок инвертора входит однофазный автономный инвертор напряжения повышенной частоты с блоком управления этим инвертором. К входным зажимам инвертора подключены входной конденсатор и концы кабеля, соединяющего указанный инвертор с управляемым источником постоянного тока. Выходные зажимы упомянутого инвертора подключены к первичной обмотке трансформатора повышенной частоты, передающего электроэнергию переменного тока во вторичную обмотку этого трансформатора, размещенную вместе с однофазным мостовым неуправляемым выпрямителем тока и сглаживающим реактором в блоке выпрямителя. Эта вторичная обмотка подключена к входным зажимам упомянутого выпрямителя. Первый из выходных зажимов этого выпрямителя соединен с первым выходным зажимом устройства через реактор, а второй выходной зажим этого выпрямителя соединен со вторым выходным зажимом устройства непосредственно.A known device for contactless transmission of electricity to an underwater object consists of an inverter block lowered under water and a rectifier block located on the underwater object. The inverter unit includes a single-phase autonomous inverter of increased frequency voltage with a control unit for this inverter. The input capacitor and the ends of the cable connecting the specified inverter with a controlled DC source are connected to the input terminals of the inverter. The output terminals of the mentioned inverter are connected to the primary winding of a high frequency transformer that transfers alternating current electricity to the secondary winding of this transformer, which is placed together with a single-phase uncontrolled bridge rectifier and a smoothing reactor in the rectifier unit. This secondary winding is connected to the input terminals of said rectifier. The first of the output terminals of this rectifier is connected to the first output terminal of the device through the reactor, and the second output terminal of this rectifier is directly connected to the second output terminal of the device.
В прототипе блоки инвертора и выпрямителя снабжены выполненными из изоляционного материала стыковочными стенками, контактные поверхности которых, при передаче электрической энергии на подводный объект, плотно стыкуются одна к другой. Ко вторым, противоположным контактным, поверхностям этих стенок плотно прилегают, в блоке инвертора, торец первичной обмотки трансформатора повышенной частоты и, в блоке выпрямителя, торец вторичной обмотки этого трансформатора. Указанные стыковочные стенки расположены так, что обе обмотки трансформатора имеют общую ось.In the prototype, the inverter and rectifier blocks are equipped with connecting walls made of insulating material, the contact surfaces of which, when transmitting electric energy to the underwater object, are tightly joined to each other. The ends of the primary winding of the transformer of high frequency and, in the rectifier block, the end of the secondary winding of this transformer are tightly adjacent to the second, opposite contact, surfaces of these walls in the inverter block. Said connecting walls are arranged so that both transformer windings have a common axis.
Применение у прототипа повышенной, а не стандартной промышленной, частоты позволяет во много раз снизить массу и габаритные размеры трансформатора и сглаживающего реактора, что весьма важно по условиям размещения частей устройства в его подводном блоке и на подводном объекте.The use of a prototype of increased, rather than standard industrial, frequency allows many times to reduce the weight and overall dimensions of the transformer and smoothing reactor, which is very important according to the conditions of placement of the parts of the device in its underwater unit and on the underwater object.
Основные недостатки известного устройства для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный объект (прототипа) обусловлены тем, что трансформатор повышенной частоты прототипа не имеет магнитного сердечника. По этой причине коэффициент связи между обмотками (катушками) трансформатора значительно снижен, по сравнению с трансформаторами, снабженными магнитными сердечниками. Указанное обстоятельство проявляется в виде следующего первого недостатка прототипа: увеличиваются размеры обмоток, длина и масса их обмоточных проводов и потери мощности в них. Второй недостаток прототипа обусловлен тем, что из-за отсутствия магнитного сердечника, магнитные потоки, сцепленные с обмотками трансформатора, распространяются в окружающем обмотки пространстве на значительное расстояние. При этом ухудшается электромагнитная совместимость трансформатора и других элементов, входящих в состав блока инвертора, блока выпрямителя и других компонентов подводного объекта. Вызванные указанными магнитными потоками вихревые токи в металлических изделиях, например, в корпусах блоков устройства и подводного объекта, в радиаторах охлаждения силовых полупроводниковых приборов и в других элементах дополнительно нагревают эти изделия. Наличие указанных вихревых токов приводит к добавочным потерям мощности в трансформаторе, что снижает коэффициент полезного действия устройства для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный объект. Чтобы снизить проявление второго недостатка приходится исключать размещение полупроводниковых приборов и элементов, содержащих металлические детали, в непосредственной близости от обмоток трансформатора. Допустимое минимальное расстояние от катушек трансформатора до указанных предметов, выполненных из материалов с высокой проводимостью, соизмеримо с габаритными размерами этих катушек. Это ограничение приводит к увеличению объема блоков инвертора и выпрямителя и массы корпусов этих блоков. Третий недостаток прототипа заключается в том, что при малой суммарной нагрузке потребителей электроэнергии подводного объекта, когда однофазный мостовой неуправляемый выпрямитель тока работает в режиме прерывистых токов, эти потребители получают электроэнергию низкого качества: в выходном напряжении устройства имеются чрезмерные пульсации.The main disadvantages of the known device for contactless transmission of electricity to an underwater object (prototype) are due to the fact that the transformer of increased frequency of the prototype does not have a magnetic core. For this reason, the coupling coefficient between the windings (coils) of the transformer is significantly reduced compared to transformers equipped with magnetic cores. This circumstance is manifested in the form of the following first disadvantage of the prototype: the size of the windings, the length and mass of their winding wires and the power loss in them increase. The second disadvantage of the prototype is due to the fact that due to the lack of a magnetic core, magnetic fluxes coupled to the transformer windings propagate in the space surrounding the winding for a considerable distance. In this case, the electromagnetic compatibility of the transformer and other elements that make up the inverter unit, the rectifier unit and other components of the underwater object is deteriorating. The eddy currents caused by the indicated magnetic fluxes in metal products, for example, in the cases of device blocks and underwater objects, in cooling radiators of power semiconductor devices and in other elements, additionally heat these products. The presence of these eddy currents leads to additional power losses in the transformer, which reduces the efficiency of the device for contactless transmission of electricity to an underwater object. To reduce the manifestation of the second drawback, it is necessary to exclude the placement of semiconductor devices and elements containing metal parts in the immediate vicinity of the transformer windings. The permissible minimum distance from the transformer coils to these items made of materials with high conductivity is commensurate with the overall dimensions of these coils. This limitation leads to an increase in the volume of the inverter and rectifier blocks and the mass of the housings of these blocks. The third disadvantage of the prototype is that for a small total load of consumers of electric energy of an underwater object, when a single-phase bridge uncontrolled rectifier operates in intermittent currents, these consumers receive low-quality electricity: there are excessive ripples in the output voltage of the device.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является улучшение технико-экономических показателей устройства для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный объект, путем:The problem to which the invention is directed, is to improve the technical and economic indicators of a device for contactless transmission of electricity to an underwater object, by:
увеличения коэффициента связи между обмотками трансформатора повышенной частоты (снижаются размеры этих обмоток, длина и масса их обмоточных проводов и потери мощности в них);increasing the coupling coefficient between the windings of the transformer of increased frequency (the sizes of these windings, the length and weight of their winding wires and the power loss in them are reduced);
улучшения электромагнитной совместимости трансформатора повышенной частоты и других элементов устройства (снижается допустимое минимальное расстояние между катушками этого трансформатора и элементами, выполненными из материалов с высокой проводимостью, что приводит к уменьшению объема блоков инвертора и выпрямителя устройства и массы корпусов этих блоков);improving the electromagnetic compatibility of the high frequency transformer and other elements of the device (the permissible minimum distance between the coils of this transformer and the elements made of materials with high conductivity is reduced, which leads to a decrease in the volume of the inverter and rectifier blocks of the device and the mass of the cases of these blocks);
снижения пульсации выходного напряжения устройства до допустимого уровня.reduce the ripple of the output voltage of the device to an acceptable level.
Поставленная задача достигается тем, что устройство для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный объект, состоящее из опускаемого под воду блока инвертора и размещенного на подводном объекте блока выпрямителя, причем блок инвертора содержит однофазный автономный инвертор напряжения повышенной частоты с блоком управления этим инвертором и первичную обмотку трансформатора повышенной частоты, а блок выпрямителя содержит вторичную обмотку этого трансформатора, однофазный мостовой неуправляемый выпрямитель тока и сглаживающий реактор, к входным зажимам указанного инвертора подключены входной конденсатор и концы кабеля, соединяющего этот инвертор с управляемым источником напряжения постоянного тока, который находится на судне или на берегу, а выходные зажимы инвертора подключены к упомянутой первичной обмотке трансформатора повышенной частоты, вторичная обмотка которого подключена к входным зажимам указанного выпрямителя, первый из выходных зажимов которого соединен с первым выходным зажимом устройства через сглаживающий реактор, а второй выходной зажим этого выпрямителя соединен со вторым выходным зажимом устройства непосредственно, к первому и второму выходным зажимам устройства подключены потребители электроэнергии подводного объекта, блоки инвертора и выпрямителя снабжены выполненными из изоляционного материала стыковочными стенками, плоские контактные поверхности которых, при передаче электрической энергии на подводный объект, плотно прилегают одна к другой, а ко вторым, противоположным контактным, поверхностям этих стенок плотно прилегают, в блоке инвертора, торец первичной обмотки трансформатора повышенной частоты и, в блоке выпрямителя, торец вторичной обмотки этого трансформатора, кроме того, указанные стыковочные стенки расположены так, что обе обмотки трансформатора имеют общую ось, дополнительно снабжено выходным конденсатором, подключенным к выходным зажимам устройства, и двумя магнитными экранами, которые выполнены из непроводящего материала с высокой магнитной проницаемостью, по одному прилегают к тем торцам обмоток трансформатора повышенной частоты, которые противоположны стыковочным стенкам блоков инвертора и выпрямителя, причем магнитные экраны расположены соосно с этими обмотками и выполнены в виде пластин, у которых наружные размеры поверхностей, прилегающих к торцам обмоток трансформатора повышенной частоты, больше соответствующих наружных размеров поверхностей этих торцов.This object is achieved in that a device for contactless transmission of electricity to an underwater object, consisting of an inverter unit lowered under water and a rectifier unit placed on an underwater object, the inverter unit comprising a single-phase autonomous high-frequency voltage inverter with a control unit for this inverter and an increased transformer primary winding frequency, and the rectifier unit contains the secondary winding of this transformer, a single-phase bridge uncontrolled rectifier and smooth reactor, the input capacitor and the ends of the cable connecting this inverter to a controlled DC voltage source located on the ship or on the shore are connected to the input terminals of the specified inverter, and the output terminals of the inverter are connected to the primary winding of the high frequency transformer, the secondary winding of which is connected to the input terminals of the specified rectifier, the first of the output terminals of which is connected to the first output terminal of the device through a smoothing reactor, and the second output it connects this rectifier directly to the second output terminal of the device, the consumers of the electric power of the underwater object are connected to the first and second output terminals of the device, the inverter and rectifier blocks are provided with connecting walls made of insulating material, the flat contact surfaces of which, when transmitting electric energy to the underwater object, are tight adjoin one to the other, and to the second, opposite contact, surfaces of these walls fit snugly, in the inverter block, the end face is primary high winding of the transformer of high frequency and, in the rectifier unit, the end face of the secondary winding of this transformer, in addition, these docking walls are located so that both transformer windings have a common axis, is additionally equipped with an output capacitor connected to the output terminals of the device, and two magnetic screens, which are made of non-conductive material with high magnetic permeability, one adjacent to those ends of the windings of the transformer of high frequency, which are opposite to the docking wall nkam inverter and rectifier blocks, and the magnetic screens are aligned with these windings and are made in the form of plates, in which the outer dimensions of the surfaces adjacent to the ends of the transformer windings of increased frequency are larger than the corresponding outer dimensions of the surfaces of these ends.
Согласно второму варианту изобретения поставленная задача достигается тем, что устройство для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный объект дополнительно снабжено выходным конденсатором, подключенным к выходным зажимам устройства, и выполненными из непроводящего материала с высокой магнитной проницаемостью первым и вторым чашечными сердечниками, первым и вторым цилиндрическими стержнями, первичная и вторичная обмотки трансформатора повышенной частоты выполнены в виде круговых катушек, у обоих чашечных сердечников наружные диаметры одинаковы, как и толщины их цилиндрических стенок, диаметр внутренних полостей первого и второго чашечных сердечников больше наружных диаметров катушек первичной и вторичной обмоток, глубина внутренней полости первого чашечного сердечника равна длине первого цилиндрического стержня и больше высоты катушки первичной обмотки, а глубина внутренней полости второго чашечного сердечника равна длине второго цилиндрического стержня и больше высоты катушки вторичной обмотки, диаметры первого и второго цилиндрических стержней одинаковы, они меньше внутренних диаметров катушек первичной и вторичной обмоток трансформатора повышенной частоты, первичная и вторичная обмотки помешены соответственно в полости первого и второго чашечного сердечников, а первый и второй цилиндрические сердечники введены соответственно в окна катушек первичной и вторичной обмоток трансформатора повышенной частоты, при этом контактная поверхность первого чашечного сердечника и наружный торец первого цилиндрического стержня плотно прилегают ко второй поверхности стыковочной стенки блока инвертора, а контактная поверхность второго чашечного сердечника и наружный торец второго цилиндрического стержня плотно прилегают ко второй поверхности стыковочной стенки блока выпрямителя, причем оси катушки первичной обмотки, первого цилиндрического стержня и первого чашечного сердечника коаксиальны, как и оси катушки вторичной обмотки, второго цилиндрического стержня и второго чашечного сердечника.According to a second embodiment of the invention, the object is achieved in that the device for contactless transmission of electricity to the underwater object is additionally equipped with an output capacitor connected to the output terminals of the device and made of non-conductive material with high magnetic permeability by the first and second cup cores, the first and second cylindrical rods, the primary and secondary windings of the transformer of increased frequency are made in the form of circular coils, in both cup cores on the diameters are the same as the thicknesses of their cylindrical walls, the diameter of the inner cavities of the first and second cup cores is larger than the outer diameters of the coils of the primary and secondary windings, the depth of the inner cavity of the first cup core is equal to the length of the first cylindrical rod and greater than the height of the primary winding coil, and the depth of the inner cavity the second cup core is equal to the length of the second cylindrical rod and greater than the height of the secondary coil, the diameters of the first and second cylindrical rods are identical, they are smaller than the inner diameters of the coils of the primary and secondary windings of the high frequency transformer, the primary and secondary windings are placed respectively in the cavity of the first and second cup cores, and the first and second cylindrical cores are inserted into the windows of the coils of the primary and secondary windings of the high frequency transformer, respectively, at this contact surface of the first cup core and the outer end of the first cylindrical rod fit snugly against the second surface of the docking station nci of the inverter unit, and the contact surface of the second cup core and the outer end of the second cylindrical rod are tightly adjacent to the second surface of the connecting wall of the rectifier unit, and the axis of the primary coil, the first cylindrical rod and the first cup core are coaxial, as are the axis of the secondary coil, of the second cylindrical the rod and the second cup core.
Объединение двух технических решений в одну заявку связано с тем, что отдельные конструктивные элементы заявленных устройств для обеспечения бесконтактной передачи электроэнергии на подводный объект решают одну и ту же задачу, функционально практически равнозначны, но не могут быть объединены в один пункт формулы изобретения.The combination of two technical solutions in one application is due to the fact that the individual structural elements of the claimed devices for providing contactless transmission of electricity to an underwater object solve the same problem, they are functionally practically equivalent, but cannot be combined into one claim.
Отличительные признаки предлагаемого решения выполняют следующие функциональные задачи:Distinctive features of the proposed solution perform the following functional tasks:
Признаки: «…устройство для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный объект… дополнительно снабжено… двумя магнитными экранами, которые выполнены из непроводящего материала с высокой магнитной проницаемостью, по одному прилегают к тем торцам обмоток трансформатора повышенной частоты, которые противоположны стыковочным стенкам блоков инвертора и выпрямителя, расположены соосно с этими обмотками и выполнены в виде пластин, у которых наружные размеры поверхностей, прилегающих к торцам обмоток трансформатора повышенной частоты, больше соответствующих наружных размеров поверхностей этих торцов» позволяют, во-первых, практически устранить проявление магнитных полей, созданных токами обмоток трансформатора повышенной частоты, в тех частях окружающего этот трансформатор пространства, которые расположены с наружных, по отношению к этому трансформатору, сторон магнитных экранов.Signs: “... a device for contactless transmission of electricity to an underwater object ... is additionally equipped with ... two magnetic screens made of non-conductive material with high magnetic permeability, one adjacent to those ends of the high frequency transformer windings that are opposite to the connecting walls of the inverter and rectifier blocks, located coaxially with these windings and made in the form of plates, in which the outer dimensions of the surfaces adjacent to the ends of the transformer windings are increased hour currents larger than the corresponding external dimensions of the surfaces of these ends ”allow, firstly, to practically eliminate the manifestation of magnetic fields created by the currents of the windings of the transformer of high frequency in those parts of the space surrounding this transformer that are located on the outer sides of the magnetic relative to this transformer screens.
Во-вторых, магнитные экраны для трансформатора повышенной частоты играют роль ярмового сердечника без стержней. Ярма, обладающие низким магнитным сопротивлением, обеспечивают увеличение магнитных потоков, созданных токами обмоток трансформатора и сцепленных с этими обмотками. В результате, при тех же числах витков и размерах обмоток наличие магнитных экранов указанной конструкции приводит к увеличению следующих параметров трансформатора повышенной частоты: индуктивностей первичной и вторичной обмоток, взаимной индуктивности и коэффициента связи между обмотками. С другой стороны, желаемые значения индуктивности первичной обмотки и ее взаимной индуктивности с вторичной обмоткой могут быть достигнуты за счет того, что наличие магнитных экранов обеспечивает снижение чисел витков обмоток трансформатора повышенной частоты и, следовательно, длины и массы проводов, из которых изготовлены обмотки.Secondly, magnetic shields for a high-frequency transformer play the role of a yoke core without rods. Yokes with low magnetic resistance provide an increase in magnetic flux created by currents of transformer windings and coupled to these windings. As a result, with the same number of turns and sizes of the windings, the presence of magnetic shields of this design leads to an increase in the following parameters of the high-frequency transformer: inductances of the primary and secondary windings, mutual inductance and coupling coefficient between the windings. On the other hand, the desired values of the inductance of the primary winding and its mutual inductance with the secondary winding can be achieved due to the fact that the presence of magnetic screens reduces the number of turns of the transformer windings of high frequency and, therefore, the length and mass of the wires from which the windings are made.
Признаки «…устройство для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный объект… дополнительно снабжено… выполненными из непроводящего материала с высокой магнитной проницаемостью первым и вторым чашечными сердечниками, первым и вторым цилиндрическими стержнями,Signs "... a device for contactless transmission of electricity to an underwater object ... is additionally equipped with ... made of non-conductive material with high magnetic permeability of the first and second cup cores, the first and second cylindrical rods,
первичная и вторичная обмотки трансформатора повышенной частоты выполнены в виде круговых катушек, у обоих чашечных сердечников наружные диаметры одинаковы, как и толщины их цилиндрических стенок, диаметр внутренних полостей первого и второго чашечных сердечников больше наружных диаметров катушек первичной и вторичной обмоток,the primary and secondary windings of the high-frequency transformer are made in the form of circular coils, for both cup cores the outer diameters are the same as the thicknesses of their cylindrical walls, the diameter of the inner cavities of the first and second cup cores is larger than the outer diameters of the coils of the primary and secondary windings
глубина внутренней полости первого чашечного сердечника равна длине первого цилиндрического стержня и больше высоты катушки первичной обмотки, а глубина внутренней полости второго чашечного сердечника равна длине второго цилиндрического стержня и больше высоты катушки вторичной обмотки,the depth of the inner cavity of the first cup core is equal to the length of the first cylindrical rod and greater than the height of the primary coil, and the depth of the inner cavity of the second cup core is equal to the length of the second cylindrical core and greater than the height of the secondary coil,
диаметры первого и второго цилиндрических стержней одинаковы, они меньше внутренних диаметров катушек первичной и вторичной обмоток трансформатора повышенной частоты, первичная и вторичная обмотки помешены соответственно в полости первого и второго чашечного сердечников, а первый и второй цилиндрические сердечники введены соответственно в окна катушек первичной и вторичной обмоток трансформатора повышенной частоты,the diameters of the first and second cylindrical rods are the same, they are smaller than the internal diameters of the coils of the primary and secondary windings of the transformer of increased frequency, the primary and secondary windings are placed respectively in the cavity of the first and second cup cores, and the first and second cylindrical cores are inserted into the windows of the coils of the primary and secondary windings, respectively high frequency transformer,
при этом контактная поверхность первого чашечного сердечника и наружный торец первого цилиндрического стержня плотно прилегают ко второй поверхности стыковочной стенки блока инвертора, а контактная поверхность второго чашечного сердечника и наружный торец второго цилиндрического стержня плотно прилегают ко второй поверхности стыковочной стенки блока выпрямителя,the contact surface of the first cup core and the outer end of the first cylindrical rod fit snugly against the second surface of the connecting wall of the inverter unit, and the contact surface of the second cup core and the outer end of the second cylindrical rod fit snugly against the second surface of the connecting wall of the rectifier block,
причем оси катушки первичной обмотки, первого цилиндрического стержня и первого чашечного сердечника коаксиальны, как и оси катушки вторичной обмотки, второго цилиндрического стержня и второго чашечного сердечника»moreover, the axes of the primary coil, the first cylindrical rod and the first cup core are coaxial, as are the axes of the secondary coil, the second cylindrical rod and second cup core ”
обеспечивают наличие у трансформатора повышенной частоты броневого магнитного сердечника с немагнитными зазорами и с центральным стержнем, также имеющим немагнитный зазор. Такая конструкция магнитопровода трансформатора приводит к дальнейшему снижению указанных выше параметров трансформатора повышенной частоты: чисел витков его обмоток, длины и массы проводов, из которых они изготовлены, - по сравнению с трансформатором, снабженным плоскими магнитными экранами.ensure that the transformer has an increased frequency of an armored magnetic core with non-magnetic gaps and with a central rod also having a non-magnetic gap. This design of the transformer magnetic circuit leads to a further decrease in the above parameters of the transformer of increased frequency: the number of turns of its windings, the length and mass of the wires from which they are made, compared with a transformer equipped with flat magnetic screens.
Кроме того, при наличии у трансформатора повышенной частоты броневого сердечника, магнитный поток, который создан токами его обмоток и проходит через стыковочные стенки, быстро уменьшается по мере удаления от трансформатора, в соответствии с эффектом выпучивания магнитного потока в воздушном зазоре. По сравнению с трансформатором, снабженным плоскими магнитными экранами, значительно сокращается расстояние от оси обмоток трансформатора до тех участков контактных стенок, для которых напряженность магнитного поля, созданного токами обмоток трансформатора, практически равна нулю.In addition, if the transformer has an increased frequency of the armored core, the magnetic flux, which is created by the currents of its windings and passes through the connecting walls, decreases rapidly as it moves away from the transformer, in accordance with the effect of the magnetic flux bulging in the air gap. Compared with a transformer equipped with flat magnetic screens, the distance from the axis of the transformer windings to those sections of the contact walls for which the magnetic field generated by the currents of the transformer windings is practically zero is significantly reduced.
Признак «…устройство для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный объект… дополнительно снабжено выходным конденсатором, подключенным к выходным зажимам устройства, …» обеспечивает сглаживание выходного напряжения устройства. Указанный выходной конденсатор и сглаживающий реактор образуют фильтр нижних частот.The sign "... a device for contactless transmission of electricity to an underwater object ... is additionally equipped with an output capacitor connected to the output terminals of the device, ..." ensures smoothing of the output voltage of the device. The specified output capacitor and a smoothing reactor form a low-pass filter.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в следующем. Отличительные признаки двух вариантов предлагаемого решения обеспечивают снижение размеров обмоток трансформатора повышенной частоты, длины и массы их обмоточных проводов и потерь мощности в них, а также повышение качества электроэнергии, получаемой от устройства потребителями электроэнергии подводного объекта. Эти признаки дают возможность размещать полупроводниковые приборы и металлические изделия и конструкции блоков инвертора и выпрямителя в непосредственной близости к трансформатору повышенной частоты, сократить площадь тех окон в металлических корпусах этих блоков, в которые вставлены выполненные из изоляционного материала стыковочные стенки указанных блоков, уменьшить их размеры и массу.The technical result that is achieved when solving the problem is expressed in the following. Distinctive features of the two options of the proposed solution provide a reduction in the size of transformer windings of increased frequency, length and mass of their winding wires and power losses in them, as well as improving the quality of electricity received from the device by consumers of electricity underwater object. These features make it possible to place semiconductor devices and metal products and constructions of inverter and rectifier blocks in close proximity to the high-frequency transformer, reduce the area of those windows in the metal cases of these blocks into which the connecting walls of these blocks are made of insulating material, reduce their size and mass.
На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявленных изобретений имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков изобретений стало возможным решение поставленной задачи. Следовательно, заявленные изобретения являются новыми, обладают изобретательским уровнем и пригодны для использования.Based on the foregoing, it can be concluded that the set of essential features of the claimed inventions has a causal relationship with the achieved technical result, i.e. thanks to this combination of essential features of the inventions, it became possible to solve the problem. Therefore, the claimed inventions are new, have an inventive step and are suitable for use.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена принципиальная схема устройства для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный объект; на фиг.2 - схема расположения обмоток трансформатора повышенной частоты с двумя плоскими магнитными экранами и немагнитным зазором между обмотками (вариант 1); на фиг.3 - схема расположения обмоток трансформатора повышенной частоты, снабженного броневым магнитным сердечником, который имеет немагнитные зазоры и выполнен из двух чашечных сердечников и двух центральных цилиндрических стержней (вариант 2).The invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows a schematic diagram of a device for contactless transmission of electricity to an underwater object; figure 2 - arrangement of the windings of a transformer of increased frequency with two flat magnetic screens and a non-magnetic gap between the windings (option 1); figure 3 - arrangement of the windings of a transformer of increased frequency, equipped with an armored magnetic core, which has non-magnetic gaps and is made of two cup cores and two central cylindrical rods (option 2).
Схема микропроцессора, который входит в состав блока управления однофазным автономным инвертором напряжения повышенной частоты и подает команды на замыкание и размыкание электронных ключей этого инвертора, не показана. Не приведены также связанные с входами микропроцессора измерительные преобразователи выходного тока однофазного мостового неуправляемого выпрямителя тока и выходного напряжения устройства и цепи, по которым на электронные ключи инвертора подаются сигналы от микропроцессора. Кроме того, не показаны блок управления управляемым источником постоянного тока и связанные своими выходами с этим блоком измерительные преобразователи тока кабеля и входного напряжения однофазного автономного инвертора напряжения повышенной частоты.The microprocessor circuit, which is part of the control unit of a single-phase autonomous voltage inverter of high frequency and sends commands to close and open the electronic keys of this inverter, is not shown. The transducers of the output current of a single-phase bridge uncontrolled rectifier current and the output voltage of the device and circuit connected to the microprocessor inputs are also not shown, through which signals from the microprocessor are supplied to the electronic keys of the inverter. In addition, the control unit of the controlled direct current source and the measuring current converters of the cable and the input voltage of a single-phase autonomous high frequency voltage inverter are not shown with their outputs connected to this block.
Устройство для бесконтактной передачи электроэнергии от источника 1 напряжения постоянного тока, который находится на судне или на берегу, к потребителям 2 электроэнергии подводного объекта 3 состоит из блока 4 инвертора, соединенного с источником 1 кабелем 5, и расположенного на подводном объекте 3 блока 6 выпрямителя. В блоке 4 размещен однофазный автономный инвертор 7 напряжения повышенной частоты с блоком 8 управления этим инвертором. Входные зажимы 9 инвертора 7, к которым подключен входной конденсатор 10, через кабель 5 соединены с выходными зажимами 11 управляемого источника 1 напряжения. Выходные зажимы инвертора 7 подключены к зажимам 12 первичной обмотки 13 трансформатора 14 повышенной частоты. Первичная обмотка 13 трансформатора 14 снабжена магнитным экраном 15, выполняющим вместе с магнитным экраном 16 вторичной обмотки 17 трансформатора 14 функцию имеющего немагнитные зазоры магнитодиэлектрического сердечника (магнитопровода) этого трансформатора. Вторичная обмотка 17 трансформатора 14, а также однофазный мостовой неуправляемый выпрямитель 18, сглаживающий реактор 19 и выходной конденсатор 20 размещены в блоке 6. Снабженные магнитными экранами 15 и 16 обмотки 13 и 17 образуют трансформатор 14 повышенной частоты, когда оси обмоток совпадают, а торцы обмоток находятся на малом расстоянии друг от друга, как показано на фиг.2 и 3. Магнитные экраны 15 и 16 обеспечивают увеличение взаимной индуктивности М между обмотками 13 и 17. Выходные зажимы 21 вторичной обмотки 17 подключены к входным зажимам выпрямителя 18. Один из выходных зажимов 22 выпрямителя 18 подключен к первому из выходных зажимов 23 устройства через сглаживающий реактор 19. Другой же из выходных зажимов 22 выпрямителя 18 подключен ко второму из выходных зажимов 23 непосредственно. С выходными зажимами 23 устройства соединены потребители 2 подводного объекта 3.A device for contactless transmission of electric power from a DC voltage source 1, which is located on a ship or ashore, to consumers 2 of electric power of an underwater object 3 consists of an inverter unit 4 connected to the source 1 by cable 5 and located on the underwater object 3 of the
На фиг.2 дан разрез трансформатора 14 повышенной частоты, снабженного плоскими магнитными экранами, плоскостью, в которой лежит осевая линия, общая для обмоток 13 и 17 этого трансформатора. Блок 4 инвертора и блок 6 инвертора имеют выполненные из изоляционного материала стыковочные стенки 24 и 25, которые вмонтированы в окна корпусов 26 и 27 блоков 4 и 6. Первые из поверхностей стенок 24 и 25 (плоские контактные поверхности) в режиме передачи электрической энергии на подводный объект плотно прилегают одна к другой. Ко вторым, противоположным первым, поверхностям этих стенок плотно прилегают, в блоке 4, первый торец первичной обмотки 13 трансформатора 14 повышенной частоты и, в блоке 6, первый торец вторичной обмотки 17 трансформатора 14. Вторые торцы обмоток 13 и 17 прилегают, соответственно, к плоским магнитным экранам 15 и 16, которые выполнены из непроводящего материала с высокой магнитной проницаемостью. При этом наружные размеры поверхностей магнитных экранов 15 и 16, прилегающих к торцам обмоток трансформатора повышенной частоты, больше соответствующих наружных размеров поверхностей этих торцов. Магнитные экраны 15 и 16 выполняют функцию ярем трансформатора 14, не имеющего стержней магнитопровода.Figure 2 shows a section of a
На фиг.3 (согласно второму варианту) дан разрез трансформатора 14 повышенной частоты, снабженного броневым сердечником с центральным стержнем, плоскостью, в которой лежит осевая линия, общая для обмоток 13 и 17 этого трансформатора. Магнитные экраны выполнены из двух чашечных сердечников 28 и 29, изготовленных из непроводящего материала с высокой магнитной проницаемостью. Чашечные сердечники 28 и 29 вместе образуют броневой сердечник с немагнитным зазором, длина которого равна сумме толщин контактных стенок 24 и 25. В состав магнитного сердечника трансформатора 14 входит центральный стержень, который составлен из первого 30 и второго 31 коаксиальных цилиндрических стержней, изготовленных из непроводящего материала с высокой магнитной проницаемостью. Этот стержень также имеет немагнитный зазор, длина которого равна сумме толщин контактных стенок 24 и 25. Обмотки 13 и 17 трансформатора 14 повышенной частоты выполнены в виде круговых катушек, у обоих чашечных сердечников 28 и 29 наружные диаметры одинаковы, как и толщины их цилиндрических стенок, диаметр внутренних полостей чашечных сердечников 28 и 29 больше наружных диаметров катушек обмоток 13 и 17. Глубина внутренней полости чашечного сердечника 28 равна длине цилиндрического стержня 30 и больше высоты катушки обмотки 13, а глубина внутренней полости чашечного сердечника 29 равна длине цилиндрического стержня 31 и больше высоты катушки обмотки 17. Диаметры цилиндрических стержней 30 и 31 одинаковы, они меньше внутренних диаметров катушек обмоток 13 и 17 трансформатора 14 повышенной частоты. Обмотки 13 и 17 помешены соответственно в полости чашечных сердечников 28 и 29, а цилиндрические сердечники 30 и 31 введены соответственно в окна катушек обмоток 13 и 17 трансформатора 14 повышенной частоты. При этом контактная поверхность чашечного сердечника 28 и наружный торец цилиндрического стержня 30 плотно прилегают ко второй поверхности стыковочной стенки 24 блока 4 инвертора, а контактная поверхность чашечного сердечника 29 и наружный торец цилиндрического стержня 31 плотно прилегают ко второй поверхности стыковочной стенки 25 блока 6 выпрямителя. Причем оси катушки обмотки 13, цилиндрического стержня 30 и чашечного сердечника 28 коаксиальны, как и оси катушки обмотки 17, цилиндрического стержня 31 и чашечного сердечника 29.In Fig. 3 (according to the second embodiment), a section is given of a
Устройство для бесконтактной передачи электроэнергии от источника 1 напряжения постоянного тока, который находится на судне или на берегу, к потребителям 2 электроэнергии подводного объекта 3 работает следующим образом.A device for contactless transmission of electricity from a source of DC voltage 1, which is located on a ship or on shore, to consumers 2 of electric power of an underwater object 3 works as follows.
На первом, предварительном, этапе работы устройства, когда кабель 5 еще не соединен с управляемым источником 1 напряжения постоянного тока, производится стыковка контактных поверхностей стенок 24 и 25 блоков 4 и 6. С помощью специальных приспособлений эти блоки занимают положение, соответствующее фиг.2: указанные контактные поверхности плотно прижаты одна к другой, а обмотки 13 и 17 трансформатора 14 имеют общую ось. При этом, в первом варианте предлагаемого устройства, обмотки 13 и 17 вместе с плоскими магнитными экранами 15 и 16 образуют трансформатор 17 повышенной частоты с ярмовым сердечником без стержней. Во втором варианте предлагаемого устройства, обмотки 13 и 17 вместе с чашечными сердечниками 28 и 29 и цилиндрическими стержнями 30 и 31 образуют трансформатор 17 повышенной частоты с броневым сердечником и центральным стержнем с немагнитными зазорами.At the first, preliminary, stage of operation of the device, when the cable 5 is not yet connected to the controlled DC voltage source 1, the contact surfaces of the
Ярма (магнитные экраны 15 и 16) обладают низким магнитным сопротивлением. Поэтому желаемые значения индуктивности первичной обмотки 13 и ее взаимной индуктивности М с вторичной обмоткой 17 достигаются при меньших, по сравнению с прототипом, числах витков обмоток трансформатора 14 повышенной частоты и меньших значениях длины и массы проводов, из которых изготовлены его обмотки.Yarma (
На первом этапе потребители 2 отключены от выходных зажимов 23 устройства. Управляющие импульсы не подаются на электронные ключи инвертора 7, поэтому они во время первого этапа постоянно находятся в разомкнутом состоянии. Напряжения входного конденсатора 10 и выходного конденсатора 20 равны нулю.At the first stage, consumers 2 are disconnected from the output terminals 23 of the device. The control pulses are not supplied to the electronic keys of the inverter 7, so they are constantly in the open state during the first stage. The voltages of the input capacitor 10 and the output capacitor 20 are zero.
На втором этапе устройство через кабель 5 подключается к источнику 1 напряжения постоянного тока, и производится заряд входного конденсатора 10 до напряжения источника 1. На этом этапе блок 8 управления автономным инвертором 7 не подает управляющие сигналы на электронные ключи (транзисторы) этого инвертора, и указанные ключи остаются в выключенном состоянии. Вход автономного инвертора зашунтирован входным конденсатором 10, имеющим достаточно большую емкость, а выходные зажимы этого конденсатора соединяют с электродами полупроводниковых приборов инвертора 7 короткими проводниками, имеющими как можно меньшие значение индуктивности, чтобы придать реальным источникам (электромашинный генератор, выпрямитель или аккумуляторная батарея) свойства идеального источника напряжения. При этом снижаются пульсации входного и выходного напряжений автономного инвертора и исключаются опасные перенапряжения на электродах полупроводниковых приборов инвертора: работающих в ключевом режиме транзисторов и шунтирующих их диодов. Подключение кабеля 5 напрямую к источнику 1 напряжения при незаряженном состоянии входного конденсатора 10 и номинальном значении напряжения источника 1 равносильно короткому замыканию этого источника через кабель 5 и диоды инвертора 7. Такой ток короткого замыкания, при малом значении сопротивления кабеля 10, может повредить указанные диоды и этот кабель. У рассматриваемого устройства подключение кабеля 5 к источнику 1 производится при нулевом напряжении этого источника, которое затем, по мере заряда входного конденсатора 10, плавно повышается до номинального значения входного напряжения инвертора 7. В течение этого процесса ток кабеля 5 не превосходит допустимого уровня. Если, например, в качестве управляемого источника напряжения постоянного тока используется управляемый выпрямитель напряжения, подключенный к судовой или береговой сети переменного тока, то процесс заряда конденсатора 10 происходит в две стадии. На первой стадии, когда источник 1 работает как неуправляемый выпрямитель, сумма зарядных токов выходного конденсатора источника 1 (на фиг.1 не показан) и входного конденсатора 10 ограничивается путем подключения входов управляемого выпрямителя напряжения к сети переменного тока через токоограничивающие элементы (например, резисторы или реакторы). На второй стадии процесса заряда конденсатора 10 выходное напряжение управляемого источника напряжения 1 превосходит амплитудное напряжение линейного напряжения указанной сети переменного тока, что достигается путем периодического включения и отключения электронных ключей источника 1. Продолжительность включенного состояния этих ключей зависит от значения тока кабеля 5. Она изменяется так, чтобы ток заряда конденсатора 10 на второй стадии оставался равным допустимому значению этого тока. Напряжение Uи входного конденсатора 10 контролируется измерительным преобразователем этого напряжения (на фиг.1 он не показан). Вторая стадия и вместе с ней второй этап заканчиваются, когда напряжение входного конденсатора 10 достигнет номинального значения Uи,н входного напряжения инвертора 7. При этом все электронные ключи управляемого выпрямителя напряжения 1 станут находиться в разомкнутом состоянии. К этому времени входной конденсатор 10, имеющий емкость С накопит энергию С (Uи,н)2/2.At the second stage, the device through the cable 5 is connected to the DC voltage source 1, and the input capacitor 10 is charged to the voltage of the source 1. At this stage, the control unit 8 of the autonomous inverter 7 does not supply control signals to the electronic keys (transistors) of this inverter, and the indicated keys remain off. The input of the autonomous inverter is shunted by an input capacitor 10 having a sufficiently large capacity, and the output terminals of this capacitor are connected to the electrodes of the inverter 7 semiconductor devices with short conductors having the lowest inductance value to give real sources (an electric machine generator, a rectifier, or a battery) the properties of an ideal voltage source. At the same time, the ripple of the input and output voltages of the autonomous inverter is reduced and dangerous overvoltages on the electrodes of the inverter semiconductor devices are excluded: transistors operating in the key mode and diodes bypassing them. Connecting cable 5 directly to the voltage source 1 with the uncharged state of the input capacitor 10 and the nominal value of the voltage of source 1 is equivalent to a short circuit of this source through cable 5 and inverter diodes 7. Such a short circuit current, with a small value of cable resistance 10, can damage these diodes and this cable. In the considered device, the cable 5 is connected to the source 1 at a zero voltage of this source, which then, as the input capacitor 10 is charged, gradually increases to the nominal value of the input voltage of the inverter 7. During this process, the current of the cable 5 does not exceed the permissible level. If, for example, a controlled voltage rectifier connected to a ship or a coastal AC network is used as a controlled DC voltage source, the process of charging the capacitor 10 occurs in two stages. In the first stage, when the source 1 operates as an uncontrolled rectifier, the sum of the charging currents of the output capacitor of the source 1 (not shown in FIG. 1) and the input capacitor 10 is limited by connecting the inputs of the controlled voltage rectifier to the AC network through current-limiting elements (for example, resistors or reactors). At the second stage of the process of charging the capacitor 10, the output voltage of the controlled voltage source 1 exceeds the amplitude voltage of the line voltage of the indicated AC network, which is achieved by periodically turning on and off the electronic keys of source 1. The duration of the on state of these keys depends on the value of the current of cable 5. It changes so so that the charge current of the capacitor 10 in the second stage remains equal to the permissible value of this current. The voltage U and the input capacitor 10 is controlled by a measuring transducer of this voltage (it is not shown in Fig. 1). The second stage and together with it the second stage ends when the voltage of the input capacitor 10 reaches the nominal value U and, n of the input voltage of the inverter 7. In this case, all electronic keys of the controlled voltage rectifier 1 will become in the open state. By this time, the input capacitor 10 having a capacitance C C accumulate energy (U and H) 2/2.
На третьем этапе начинает работу однофазный автономный инвертор 7 напряжения, выполненный по схеме мостового преобразователя с четырьмя электронными ключами (транзисторами), каждый из которых зашунтирован своим обратным диодом. Ключи работают под управлением блока 8 попарно с частотой fи коммутации, которая составляет от нескольких килогерц до нескольких десятков килогерц. Пары ключей изменяют свое состояние поочередно через половину периода T=1/(2fи). Выходное напряжение инвертора 7 представляет собой последовательность знакопеременных прямоугольных импульсов. Продолжительность включенного состояния ключей за время одного периода составляет tи. Коэффициент регулирования прямоугольных импульсов (γ=tи/T) изменяется по заложенной в блок 8 программе в зависимости от сигналов, получаемых от измерительных преобразователей выходного тока однофазного мостового неуправляемого выпрямителя 18 (тока сглаживающего реактора 19 и выходного напряжения устройства (напряжения выходного конденсатора 20).At the third stage, a single-phase autonomous voltage inverter 7 starts operating according to the bridge converter circuit with four electronic switches (transistors), each of which is shunted by its own reverse diode. The keys operate under control of unit 8 in pairs with a frequency f and switching, which ranges from several kilohertz to several tens of kilohertz. Key pairs change their state alternately after half the period T = 1 / (2f and ). The output voltage of the inverter 7 is a sequence of alternating rectangular pulses. The duration of the on state of the keys during one period is t and . The regulation coefficient of rectangular pulses (γ = t and / T) varies according to the program laid down in block 8, depending on the signals received from the measuring transducers of the output current of a single-phase uncontrolled bridge rectifier 18 (current of the smoothing reactor 19 and the output voltage of the device (voltage of the output capacitor 20) .
Передача сигналов от указанных измерительных преобразователей к входам блока 8 осуществляется, как в прототипе. Выходы этих преобразователей соединены с входом передатчика, находящегося в блоке 6 выпрямителя. Этот передатчик вместе с приемником, находящимся в блоке 4 инвертора, образуют канал беспроводной связи. Информация от передатчика к приемнику передается с помощью какого-либо поля, например, электромагнитного, в том числе в диапазонах радиоволн и оптическом. Выход приемника соединен входом блока 8 управления инвертором 7.The transmission of signals from these measuring transducers to the inputs of block 8 is carried out, as in the prototype. The outputs of these converters are connected to the input of the transmitter located in
С момента начала работы электронных ключей по первичной обмотке 13 трансформатора 14, через входные зажимы инвертора 7, его ключи и шунтирующие диоды начинают проходить токи. Среднее значение входного тока инвертора 7 минимально в режиме холостого хода трансформатора 14. Интеграл за период 2 T от произведения входного тока на напряжение входного конденсатора равен энергии, которая за это время теряется в полупроводниковых элементах инвертора 7 и в первичной обмотке 13 трансформатора 14. При подключении к выпрямителю 18 вторичной обмотки 17 трансформатора 14 через эту обмотку, диоды выпрямителя 18 и реактор 19 также проходят токи, которые создают дополнительные потери в этих элементах и отдают с выхода выпрямителя мощность, равную произведению средних значений его выходного напряжения и тока реактора. В результате возрастают токи первичной обмотки 13, суммарные потери мощности, среднее значение входного тока инвертора и энергия, которая потребляется входом выпрямителя от входных зажимов 9 инвертора 7 за период 2 T. Если бы при этом не изменялся режим работы управляемого источника 1, то эта энергия была бы получена от входного конденсатора 10 за счет снижения его напряжения (разряда этого конденсатора). Благодаря наличию у управляемого источника 1 обратной связи по напряжению входного конденсатора 10 электронные ключи этого источника вновь начнут периодически включаться и отключаться, при этом возрастет его выходное напряжение и появится ток кабеля, идущий на заряд входного конденсатора 10. В результате и при нагрузке инвертора 7 на первичную обмотку 13 трансформатора 14, что сопровождается прохождением тока по реактору 19, входное напряжение инвертора 7 остается практически неизменным и равным его номинальному значению.From the moment the electronic keys work on the primary winding 13 of the
Магнитное поле, созданное токами обмоток трансформатора 14, проходит сквозь и вокруг этих обмоток. Со стороны торцов обмоток пространство, заполненное этим магнитным полем, ограничено магнитными экранами (ярмами) 15 и 16 трансформатора 14. Поэтому, в отличие от прототипа, полупроводниковые приборы и металлические детали могут располагаться в непосредственной близости от трансформатора 14, сразу за этими экранами. Однако в плоскости контактной поверхности, к которой прилегают контактные стенки 24 и 25 блоков 4 и 6, магнитная индукция этого магнитного поля медленно спадает по мере удаления от наружных поверхностей обмоток 13 и 17 трансформатора 14. Если экраны 15 и 16 отсутствуют, то при удалении в радиальном направлении на расстояние, равное толщине обмоток в этом направлении, перпендикулярная к контактной поверхности составляющая указанной магнитной индукции, в плоскости этой поверхности, снижается всего в 4-7 раз. Более интенсивное снижение этой индукции достигается при выполнении условия: наружные размеры поверхностей магнитных экранов 15 и 16, прилегающих к торцам обмоток 13 и 17 трансформатора 14 повышенной частоты, больше соответствующих наружных размеров поверхностей этих торцов. При передаче электроэнергии от инвертора 7 выпрямителю 18 имеют место дополнительные потери энергии, вызванные действием вихревых токов в корпусах 26 и 27 блоков 4 и 6. Для существенного снижения этих потерь размеры окон, в которые вставляются контактные стенки 24 и 25 блоков 4 и 6, должны заметно превышать наружные размеры магнитных экранов 15 и 16.The magnetic field created by the currents of the windings of the
Индуктивность сглаживающего реактора 19 соответствует выполнению условия: проходящий по реактору 19 минимальный выходной ток выпрямителя, равный, на этапе питания потребителей 2 от устройства, минимальному току Iвых,min нагрузки этих потребителей был бы не меньше максимального значения выходного тока выпрямителя в прерывистом режиме его работы. Емкость выходного конденсатора 20 должна иметь значение, не меньшее того, при котором амплитуды пульсаций выходного напряжения устройства равны допустимому максимальному уровню. В соответствии с указанной программой блока 8 заряд выходного конденсатора 20 производится при постоянном, максимально допустимом, значении Ip,max тока реактора 19. В течение этого процесса коэффициент регулирования прямоугольных импульсов γ возрастает по мере увеличения напряжения Uвых выходного конденсатора 20. Номинальному значению Uвых,н этого напряжения соответствует коэффициент регулирования γmax, практически равный единице. Третий этап заканчивается, когда выходное напряжение устройства станет равным Uвых,н. С этого момента времени электронные ключи инвертора 7 перестают замыкаться, а коэффициент регулирования прямоугольных импульсов γ становится равным нулю. Устройство готово к подключению нагрузки.The inductance of the smoothing reactor 19 corresponds to the condition: the minimum output current of the rectifier passing through the reactor 19, equal, at the stage of supplying consumers 2 from the device, to the minimum current I output, min load of these consumers would be no less than the maximum value of the output current of the rectifier in intermittent operation . The capacity of the output capacitor 20 should have a value not less than that at which the amplitude of the ripple of the output voltage of the device is equal to the permissible maximum level. In accordance with this program unit 8, the charge output capacitor 20 is made at a constant, maximum, value I p, max current reactor 19. During this process, the rectangular pulse control factor γ increases as the voltage U O of the output capacitor 20. The rated value U o, n of this voltage corresponds to the regulation coefficient γ max , almost equal to unity. The third stage ends when the output voltage of the device becomes equal to U o, n . From this moment in time, the electronic keys of the inverter 7 cease to be closed, and the regulation coefficient of rectangular pulses γ becomes equal to zero. The device is ready to connect the load.
Если момент подключения нагрузки задерживается, то выходной конденсатор 20 постепенно снижает свое напряжение за счет тока, проходящего по сопротивлениям изоляции самого конденсатора 20 и других, соединенных с ним, элементов, а также токов, потребляемых измерительным преобразователем выходного напряжения устройства и передатчиком канала беспроводной связи. Сигнал о снижении напряжения конденсатора 20 попадает через передатчик и приемник канала беспроводной связи в блок 8 управления инвертором 7. Блок 8 снова станет посылать управляющие импульсы на электронные ключи инвертора 7. Процесс стабилизации выходного напряжения устройства выполняется по заложенной в блок 8 программе, которая действует аналогично пропорционально-интегральному регулятору напряжения. В результате выходное напряжение устройства будет поддерживаться практически неизменным и равным своему номинальному значению Uвых,н.If the load connection moment is delayed, the output capacitor 20 gradually reduces its voltage due to the current passing through the insulation resistances of the capacitor 20 itself and other elements connected to it, as well as the currents consumed by the device’s output voltage transmitter and the wireless channel transmitter. The signal about the decrease in the voltage of the capacitor 20 passes through the transmitter and receiver of the wireless channel to the inverter 7 control unit 7. Block 8 will again send control pulses to the electronic keys of the inverter 7. The process of stabilizing the output voltage of the device is carried out according to the program laid down in block 8, which acts similarly proportional-integral voltage regulator. As a result, the output voltage of the device will be maintained almost constant and equal to its nominal value U o, n .
Четвертый этап начинается с включения нагрузки 2, присоединенной к выходным зажимам 23 устройства. Процесс питания нагрузки 2 отличается от рассмотренного выше процесса разряда конденсатора 20 на сопротивления изоляции и сопротивления цепей, подающих это напряжение к измерительному преобразователю выходного напряжения устройства и к передатчику канала беспроводной связи, только количественно. Номинальному току Iвых,н нагрузки 2 соответствует коэффициент регулирования γ, который примерно равен отношению Iвых,н к максимально допустимому значению Ip,max тока реактора 19. При малых значениях тока нагрузки 2, которым соответствует близкий к нулю коэффициент регулирования γ, подводимое к выпрямителю 18 выходное напряжение вторичной обмотки 17 трансформатора 14 имеет вид узких прямоугольных импульсов. Амплитуда этих импульсов, из-за необходимости компенсации потери напряжения в обмотках 13 и 17 и реакторе 19 при максимальном токе Ip,max реактора 19, заметно больше номинального значения Uвых,н выходного напряжения устройства - до 10 и более процентов. Максимальное значение установившегося тока нагрузки 2 равно максимально допустимому значению Ip,max тока реактора, то есть тому же значению тока, при котором происходил заряд выходного конденсатора 20. Таким образом, внешняя характеристика устройства состоит из двух прямолинейных участков. На первом из них выходное напряжение равно номинальному значению Uвых,н, а ток нагрузки изменяется от нуля до Ip,max. На втором участке ток нагрузки остается неизменным, равным Ip,max, а выходное напряжение изменяется от Uвых,н до нуля (при глухом коротком замыкании выходных зажимов 23 устройства).The fourth stage begins with the inclusion of the load 2 connected to the output terminals 23 of the device. The power supply process of the load 2 differs from the above-described process of discharging the capacitor 20 by the insulation resistance and the resistance of the circuits supplying this voltage to the measuring device of the output voltage of the device and to the transmitter of the wireless communication channel, only quantitatively. The rated current I o, n of load 2 corresponds to the regulation coefficient γ, which is approximately equal to the ratio of I o, n to the maximum permissible value of I p, max current of the reactor 19. For small values of load current 2, which corresponds to a close to zero regulation coefficient γ supplied to the rectifier 18, the output voltage of the secondary winding 17 of the
Работа устройства для бесконтактной передачи электроэнергии от управляемого источника 1 напряжения постоянного тока к потребителям электроэнергии 2 подводного объекта 3 для конструкции трансформатора 14 повышенной частоты, показанной на фиг.3, проходит в той же, описанной выше для его конструкции по фиг.2, последовательности из четырех этапов. Отличаются только количественные показатели, характеризующие конструкцию трансформатора и потери энергии в нем. Сердечник трансформатора по фиг.3 имеет броневую конструкцию с центральным стержнем. Большая часть пути магнитного потока трансформатора 14, сцепленного с его обмотками 13 и 17, проходит по элементам магнитопровода, выполненным из материала с высокой магнитной проницаемостью. Имеются лишь два немагнитных зазора: между двумя половинами 28 и 29 чашечных сердечников и двумя частями 30 и 31 центрального стержня. Таким образом, магнитное сопротивление указанного пути магнитного потока трансформатора 14 с броневым сердечником (фиг.3) много меньше, чем трансформатора с ярмовым сердечником (фиг.2). Это приводит к уменьшению тока холостого хода и увеличению коэффициента связи между обмотками 13 и 17 трансформатора 14 с броневым сердечником (фиг.3), по сравнению с трансформатором, снабженным ярмовым сердечником (фиг.2). Толщина немагнитного зазора между половинами чашечных сердечников 28 и 29 невелика (порядка 10-15 мм), поэтому выпучивание магнитного потока в немагнитном зазоре за пределы наружной границы броневого сердечника распространятся на малое расстояние, порядка толщины зазора. В результате, трансформатор 14, конструкция которого показана на фиг.3, имеет ряд преимуществ по сравнению с трансформатором, имеющим конструкцию по фиг.2. У трансформатора с броневым сердечником и центральным стержнем (фиг.3) снижены следующие показатели: размеры окон корпусов 26 и 27 блоков 4 и 6, габаритные размеры и размеры поперечных сечений обмоток 13 и 17, а также масса этих обмоток и потери мощности в них.The operation of the device for contactless transmission of electricity from a controlled source of DC voltage 1 to consumers 2 of the underwater object 3 for the design of the
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012118280/07A RU2502170C1 (en) | 2012-05-03 | 2012-05-03 | Device for non-contact transfer of electric energy to underwater object (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012118280/07A RU2502170C1 (en) | 2012-05-03 | 2012-05-03 | Device for non-contact transfer of electric energy to underwater object (versions) |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2012118280A RU2012118280A (en) | 2013-11-10 |
| RU2502170C1 true RU2502170C1 (en) | 2013-12-20 |
Family
ID=49516685
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012118280/07A RU2502170C1 (en) | 2012-05-03 | 2012-05-03 | Device for non-contact transfer of electric energy to underwater object (versions) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2502170C1 (en) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2564199C1 (en) * | 2014-06-10 | 2015-09-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН) | Device for contactless transmission of electric power to underwater object |
| RU2565664C1 (en) * | 2014-07-15 | 2015-10-20 | Самсунг Электроникс Ко., Лтд. | Control method for systems of wireless power transmission |
| RU2610145C2 (en) * | 2015-07-06 | 2017-02-08 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственный центр "Судовые электротехнические системы" (ООО "НПЦ "СЭС") | Contactless electric power transmission device |
| RU2648231C1 (en) * | 2017-04-26 | 2018-03-23 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН) | Device for contactless transmission of electric power to underwater vehicle |
| RU2667147C1 (en) * | 2014-11-28 | 2018-09-17 | Тойота Дзидося Кабусики Кайся | Electric power receiving device and electric power transmission device |
| RU2668552C1 (en) * | 2017-11-02 | 2018-10-02 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственный центр "Судовые электротехнические системы" (ООО "НПЦ "СЭС") | Device and method for reducing losses with non-contact transmission of electric energy |
| RU2684403C2 (en) * | 2014-06-19 | 2019-04-09 | Конинклейке Филипс Н.В. | Wireless inductive power transfer |
| RU2744064C1 (en) * | 2020-08-06 | 2021-03-02 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН) | Device for contactless transmission of electricity and information signals to an underwater vehicle |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2294165A (en) * | 1994-10-11 | 1996-04-17 | Lumonics Ltd | Power supply for providing a dc supply from a multiphase ac source |
| RU2058644C1 (en) * | 1994-01-12 | 1996-04-20 | Дальневосточный государственный технический университет | Surface-ship-to-submerged-apparatus power supply unit |
| RU2340064C1 (en) * | 2007-03-29 | 2008-11-27 | Российская Академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ РОССЕЛЬХОЗАКАДЕМИИ) | Method and device for electrical energy transmission (versions) |
| RU2399140C1 (en) * | 2008-12-22 | 2010-09-10 | Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (статус государственного учреждения) (ИПМТ ДВО РАН) | Device for power supply of underground object from board of carrier vessel |
| RU2401496C1 (en) * | 2009-06-25 | 2010-10-10 | Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (статус государственного учреждения) (ИПМТ ДВО РАН) | Device for charging accumulator battery of underwater facility |
-
2012
- 2012-05-03 RU RU2012118280/07A patent/RU2502170C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2058644C1 (en) * | 1994-01-12 | 1996-04-20 | Дальневосточный государственный технический университет | Surface-ship-to-submerged-apparatus power supply unit |
| GB2294165A (en) * | 1994-10-11 | 1996-04-17 | Lumonics Ltd | Power supply for providing a dc supply from a multiphase ac source |
| RU2340064C1 (en) * | 2007-03-29 | 2008-11-27 | Российская Академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ РОССЕЛЬХОЗАКАДЕМИИ) | Method and device for electrical energy transmission (versions) |
| RU2399140C1 (en) * | 2008-12-22 | 2010-09-10 | Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (статус государственного учреждения) (ИПМТ ДВО РАН) | Device for power supply of underground object from board of carrier vessel |
| RU2401496C1 (en) * | 2009-06-25 | 2010-10-10 | Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (статус государственного учреждения) (ИПМТ ДВО РАН) | Device for charging accumulator battery of underwater facility |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2564199C1 (en) * | 2014-06-10 | 2015-09-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН) | Device for contactless transmission of electric power to underwater object |
| RU2684403C2 (en) * | 2014-06-19 | 2019-04-09 | Конинклейке Филипс Н.В. | Wireless inductive power transfer |
| RU2565664C1 (en) * | 2014-07-15 | 2015-10-20 | Самсунг Электроникс Ко., Лтд. | Control method for systems of wireless power transmission |
| RU2667147C1 (en) * | 2014-11-28 | 2018-09-17 | Тойота Дзидося Кабусики Кайся | Electric power receiving device and electric power transmission device |
| RU2610145C2 (en) * | 2015-07-06 | 2017-02-08 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственный центр "Судовые электротехнические системы" (ООО "НПЦ "СЭС") | Contactless electric power transmission device |
| RU2648231C1 (en) * | 2017-04-26 | 2018-03-23 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН) | Device for contactless transmission of electric power to underwater vehicle |
| RU2668552C1 (en) * | 2017-11-02 | 2018-10-02 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственный центр "Судовые электротехнические системы" (ООО "НПЦ "СЭС") | Device and method for reducing losses with non-contact transmission of electric energy |
| RU2744064C1 (en) * | 2020-08-06 | 2021-03-02 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН) | Device for contactless transmission of electricity and information signals to an underwater vehicle |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2012118280A (en) | 2013-11-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2502170C1 (en) | Device for non-contact transfer of electric energy to underwater object (versions) | |
| Tran et al. | Design of a high-efficiency wireless power transfer system with intermediate coils for the on-board chargers of electric vehicles | |
| Aditya et al. | A review of optimal conditions for achieving maximum power output and maximum efficiency for a series–series resonant inductive link | |
| KR101851995B1 (en) | Resonant converter for wireless charger and method for implementing thereof | |
| Lee et al. | A design methodology for multi-kW, large air-gap, MHz frequency, wireless power transfer systems | |
| RU2401496C1 (en) | Device for charging accumulator battery of underwater facility | |
| CN107112912A (en) | Method and apparatus for inherent PFC | |
| TWI565187B (en) | Llc charger and controlling method thereof, and tx-rx transformer | |
| Abdolkhani et al. | Fundamentals of inductively coupled wireless power transfer systems | |
| US20170093223A1 (en) | Non-contact power feeding apparatus | |
| CN108808875A (en) | A method of being suitable for constant current, constant pressure wireless charging system and the wireless charging of battery behavior | |
| Rituraj et al. | Analysis and comparison of series-series and series-parallel topology of contactless power transfer systems | |
| Lovison et al. | Secondary-side-only simultaneous power and efficiency control for two converters in wireless power transfer system | |
| Kiruthiga et al. | Wireless charging for low power applications using Qi standard | |
| Bendib et al. | Solar Panel and Wireless Power Transmission System as a Smart Grid for Electric Vehicles | |
| Aming et al. | Analysis of bifurcation phenomena based on optimized transformer in loosely coupled inductive power transfer system | |
| RU2543507C1 (en) | Device for charging accumulator battery of underwater facility | |
| Tanzania et al. | Design of WPT coils to minimize AC resistance and capacitor stress applied to SS-topology | |
| Qin et al. | A high frequency wireless power transfer system for electric vehicle charging using multi-layer nonuniform self-resonant coil at MHz | |
| Castelli-Dezza et al. | Power pad design and optimization for contactless electric vehicle battery charging system | |
| Shijo et al. | Optimization of thickness and shape of core block in resonator for 7 kW-class wireless power transfer system for PHEV/EV charging | |
| Zheng et al. | Design considerations of LLC resonant converter for contactless laptop charger | |
| Shin et al. | Optimal current control of a wireless power transfer system for high power efficiency | |
| RU2564199C1 (en) | Device for contactless transmission of electric power to underwater object | |
| RU2572822C1 (en) | Method for remote wire power supply of facilities |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190504 |