RU2602078C1 - Device for underwater object storage battery charging - Google Patents
Device for underwater object storage battery charging Download PDFInfo
- Publication number
- RU2602078C1 RU2602078C1 RU2015146625/07A RU2015146625A RU2602078C1 RU 2602078 C1 RU2602078 C1 RU 2602078C1 RU 2015146625/07 A RU2015146625/07 A RU 2015146625/07A RU 2015146625 A RU2015146625 A RU 2015146625A RU 2602078 C1 RU2602078 C1 RU 2602078C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- rectifier
- output
- inverter
- voltage
- transformer
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
- H02J7/02—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from ac mains by converters
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам с использованием полупроводниковых приборов для зарядки от судовой электроэнергетической системы переменного тока электрической аккумуляторной батареи, преимущественно установленной на подводном объекте.The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to devices using semiconductor devices for charging from a ship electric power system an alternating current electric battery, mainly installed on an underwater object.
Известно устройство для зарядки аккумуляторной батареи от судовой сети переменного тока, содержащее первый и второй мостовые выпрямители, однофазный автономный инвертор напряжения повышенной частоты, сглаживающий реактор, конденсатор, однофазный трансформатор повышенной частоты и измерительные преобразователи зарядного тока и выходного напряжения устройства [Анисимов Я.Ф., Васильев Е.П. Электромагнитная совместимость полупроводниковых преобразователей и судовых электроустановок. - Л.: Судостроение, 1990. - 264 с., аналог, стр. 53]. Измерительный преобразователь зарядного тока включен между одним из выходных зажимов второго выпрямителя и одним из выходных зажимов устройства, второй выходной зажим второго выпрямителя через сглаживающий реактор подключен ко второму выходному зажиму устройства. Измерительный преобразователь выходного напряжения подключен параллельно обоим выходным зажимам устройства, к которым подключается заряжаемая аккумуляторная батарея. Входы первого мостового выпрямителя соединены с судовой электрической сетью, а к его выходу подключены зажимы конденсатора и входные силовые зажимы однофазного автономного инвертора напряжения повышенной частоты, к выходным зажимам которого подключена первичная обмотка трансформатора повышенной частоты. Вторичная обмотка этого трансформатора подключена к входным зажимам второго мостового выпрямителя. В устройстве выходы измерительных преобразователей зарядного тока и выходного напряжения подключены к управляющим входам блока управления автономным инвертором. Регулирование зарядного тока производится с помощью широтного регулирования прямоугольных импульсов, из которых составлено выходное напряжения инвертора и, следовательно, выходное напряжения второго мостового выпрямителя.A device for charging a rechargeable battery from a marine alternating current supply network comprising first and second bridge rectifiers, a single-phase autonomous high-frequency voltage inverter, a smoothing reactor, a capacitor, a high-frequency single-phase transformer and measuring transducers of the charging current and output voltage of the device [Anisimov Y. F. , Vasiliev E.P. Electromagnetic compatibility of semiconductor converters and marine electrical installations. - L .: Shipbuilding, 1990. - 264 p., Analogue, p. 53]. A charge current measuring transducer is connected between one of the output terminals of the second rectifier and one of the output terminals of the device, the second output terminal of the second rectifier is connected to the second output terminal of the device through a smoothing reactor. The output voltage measuring transducer is connected in parallel to both output terminals of the device to which a rechargeable battery is connected. The inputs of the first bridge rectifier are connected to the ship's electrical network, and the capacitor clamps and the input power terminals of a single-phase autonomous high-frequency voltage inverter are connected to its output, the primary winding of the high-frequency transformer is connected to its output terminals. The secondary winding of this transformer is connected to the input terminals of the second bridge rectifier. In the device, the outputs of the measuring transducers of the charging current and output voltage are connected to the control inputs of the control unit of the autonomous inverter. The charging current is regulated by the latitudinal regulation of rectangular pulses, of which the output voltage of the inverter and, therefore, the output voltage of the second bridge rectifier are composed.
Недостатки этого устройства следующие. Подключение устройства к питающей судовой сети сопровождается броском зарядного тока конденсатора, включенного на выходе первого мостового выпрямителя. Это явление приводит к провалам напряжения в сети, а также перегружает диоды указанного выпрямителя, что может вывести их из строя. Кроме этого, применение такого устройства для зарядки аккумуляторных батарей подводного объекта связано с необходимостью подъема последнего из воды и выполнению определенной последовательности операций для коммутаций цепей заряда.The disadvantages of this device are as follows. Connecting the device to the supply network of the ship is accompanied by a surge in the charging current of the capacitor included in the output of the first bridge rectifier. This phenomenon leads to voltage dips in the network, and also overloads the diodes of the specified rectifier, which can disable them. In addition, the use of such a device for charging rechargeable batteries of an underwater object is associated with the need to lift the latter out of the water and perform a certain sequence of operations for switching charge circuits.
Известно также устройство для зарядки аккумуляторной батареи подводного объекта от судовой сети переменного тока, наиболее близкое по технической сущности к заявляемому устройству (прототип) [Устройство для зарядки аккумуляторной батареи подводного объекта. Патент РФ 2401496. Авт. Кувшинов Г.Е., Копылов В.В., Наумов Л.А., Филоженко А.Ю., Усольцев В.К. Опубл. 10.10.2010].Also known is a device for charging a rechargeable battery of an underwater object from a marine alternating current network, the closest in technical essence to the claimed device (prototype) [Device for charging a rechargeable battery of an underwater object. RF patent 2401496. Auth. Kuvshinov G.E., Kopylov V.V., Naumov L.A., Filozhenko A.Yu., Usoltsev V.K. Publ. 10/10/2010].
Известное устройство состоит из трех конструктивных блоков. В первый конструктивный блок, расположенный на судне, помещен управляемый выпрямитель напряжения, входные клеммы которого соединены с судовой электрической сетью, а выходные - с входными клеммами однофазного автономного инвертора напряжения повышенной частоты, к которым подключен также конденсатор. Управляющий вход инвертора соединен с выходом блока управления инвертором, а выходные зажимы инвертора подключены к зажимам первичной обмотки трансформатора повышенной частоты. Перечисленные узлы, т.е. однофазный автономный инвертор, блок управления инвертором, конденсатор и первичная обмотка трансформатора повышенной частоты размещены во втором конструктивном блоке, который имеет герметичный корпус и может быть опущен на глубину, на которой находится подводный объект, содержащий третий конструктивный блок. В третьем конструктивном блоке находятся вторичная обмотка трансформатора повышенной частоты, второй выпрямитель, сглаживающий реактор, блок управления зарядным током, а также измерительные преобразователи зарядного тока и выходного напряжения, выходы которых соединены с входами блока управления зарядным током. Выходные зажимы вторичной обмотки трансформатора повышенной частоты подключены к входным зажимам второго выпрямителя. Входные зажимы измерительного преобразователя зарядного тока включены между первым выходным зажимом второго выпрямителя и первым из выходных зажимов устройства. Второй выходной зажим второго выпрямителя подключен ко второму выходному зажиму устройства через сглаживающий реактор. К выходным зажимам устройства подключена аккумуляторная батарея, а также входные клеммы измерительного преобразователя выходного напряжения. При совмещении стыковочных поверхностей первичной и вторичной обмоток трансформатора повышенной частоты происходит передача электрической энергии за счет магнитной связи между этими обмотками. Эффективность передачи энергии будет тем больше, чем меньше расстояние между стыковочными поверхностями и чем точнее совпадают оси обмоток.The known device consists of three structural blocks. The first structural unit located on the vessel contains a controlled voltage rectifier, the input terminals of which are connected to the ship's electrical network, and the output terminals to the input terminals of a single-phase autonomous high-frequency voltage inverter, which is also connected to a capacitor. The control input of the inverter is connected to the output of the inverter control unit, and the output terminals of the inverter are connected to the terminals of the primary winding of the high frequency transformer. The listed nodes, i.e. a single-phase autonomous inverter, an inverter control unit, a capacitor and a primary winding of a high-frequency transformer are located in the second structural unit, which has a sealed enclosure and can be lowered to the depth at which the underwater object containing the third structural unit is located. In the third structural block are the secondary winding of the transformer of increased frequency, a second rectifier, a smoothing reactor, a charging current control unit, as well as measuring transformers of the charging current and output voltage, the outputs of which are connected to the inputs of the charging current control unit. The output terminals of the secondary winding of the high frequency transformer are connected to the input terminals of the second rectifier. The input terminals of the charge current transducer are connected between the first output terminal of the second rectifier and the first of the output terminals of the device. The second output terminal of the second rectifier is connected to the second output terminal of the device through a smoothing reactor. A battery is connected to the output terminals of the device, as well as the input terminals of the output voltage measuring transducer. When combining the connecting surfaces of the primary and secondary windings of a high frequency transformer, electric energy is transferred due to magnetic coupling between these windings. The energy transfer efficiency will be greater, the smaller the distance between the connecting surfaces and the more precisely the axis of the windings match.
Регулирование зарядного тока обеспечивается каналом беспроводной обратной связи. Этот канал образован передатчиком, расположенным в третьем конструктивном блоке, и приемником, который размещен во втором конструктивном блоке. Вход передатчика соединен с выходом блока управления зарядным током, а выход приемника подключен на вход блока управления автономным инвертором. Информация от передатчика к приемнику передается с помощью какого-либо поля: электромагнитного или ультразвукового.Charging current control is provided by a wireless feedback channel. This channel is formed by a transmitter located in the third structural unit, and a receiver, which is located in the second structural unit. The input of the transmitter is connected to the output of the charging current control unit, and the output of the receiver is connected to the input of the control unit of an autonomous inverter. Information is transmitted from the transmitter to the receiver using any field: electromagnetic or ultrasonic.
Известное устройство имеет следующие недостатки. Для заряда аккумуляторной батареи подводного объекта, расположенного на глубине, должна выполняться дистанционная стыковка второго и третьего конструктивных блоков, необходимая для осуществления процесса заряда, при этом возможно неточное совмещение стыковочных поверхностей первичной и вторичной обмоток трансформатора повышенной частоты. При поддержании неизменного значения тока зарядки аккумуляторной батареи увеличение расстояния между обмотками трансформатора или смещение осей обмоток относительно друг друга приведет к увеличению намагничивающего тока первичной обмотки и, соответственно, к увеличению выходного тока автономного инвертора. Это приведет к повышенной токовой нагрузке на силовые ключи инвертора и на провод первичной обмотки трансформатора, и, соответственно, к увеличенному нагреву этих элементов, что снизит надежность работы устройства и может вызвать выход его из строя. Кроме этого, выполнение трансформатора повышенной частоты с разделенными обмотками приводит к пониженному значению коэффициента магнитной связи между обмотками, следствием чего является увеличенный ток намагничивания и повышенный нагрев силовых ключей инвертора и провода первичной обмотки трансформатора, что снижает надежность устройства.The known device has the following disadvantages. To charge a rechargeable battery of an underwater object located at a depth, remote docking of the second and third structural units must be performed, which is necessary for the charging process, and it is possible that the mating surfaces of the primary and secondary windings of the transformer of increased frequency are inaccurate. While maintaining a constant value of the charging current of the battery, increasing the distance between the transformer windings or shifting the axes of the windings relative to each other will increase the magnetizing current of the primary winding and, accordingly, increase the output current of the autonomous inverter. This will lead to an increased current load on the power switches of the inverter and on the wire of the primary winding of the transformer, and, accordingly, to increased heating of these elements, which will reduce the reliability of the device and may cause its failure. In addition, the implementation of an increased frequency transformer with separated windings leads to a lower value of the magnetic coupling coefficient between the windings, which results in an increased magnetization current and increased heating of the inverter power switches and the transformer primary winding wire, which reduces the reliability of the device.
Второй недостаток устройства связан с использованием беспроводного канала обратной связи для обеспечения регулирования зарядного тока аккумуляторной батареи. Антенные элементы приемника и передатчика приводятся в согласованное положение с минимальным расстоянием между ними только в процессе зарядки батареи. Остальное время функционирования подводного объекта происходит при разобщении второго и третьего конструктивных блоков. Нахождение их под водой обычно сопровождается осаждением на них морских организмов. При переходе к очередному процессу зарядки батареи инородные вещества, находящиеся на пути передачи информации между передатчиком и приемником, могут нарушить качество связи, что приведет к сбоям в регулировании зарядного тока. Это обстоятельство также снижает надежность работы устройства.The second disadvantage of the device is the use of a wireless feedback channel to provide regulation of the charging current of the battery. The antenna elements of the receiver and transmitter are brought into a coordinated position with a minimum distance between them only during battery charging. The rest of the time the underwater object operates when the second and third structural units are disconnected. Finding them under water is usually accompanied by the deposition of marine organisms on them. During the transition to the next process of charging the battery, foreign substances located on the information transfer path between the transmitter and the receiver may interfere with the quality of communication, which will lead to interruptions in the regulation of the charging current. This fact also reduces the reliability of the device.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение надежности работы устройства для зарядки аккумуляторной батареи подводного объекта от судовой сети переменного тока.The problem to which the invention is directed, is to increase the reliability of the device for charging the battery of an underwater object from a marine alternating current network.
Поставленная задача достигается тем, что в устройство для зарядки аккумуляторной батареи подводного объекта, содержащее первый управляемый и второй неуправляемый выпрямители, сглаживающий реактор, конденсатор, однофазный автономный инвертор повышенной частоты с блоком управления этим инвертором, отдельно выполненные первичную и вторичную обмотки трансформатора повышенной частоты и измерительный преобразователь выходного напряжения, при этом входы первого выпрямителя соединены с судовой электрической сетью, выходные зажимы этого выпрямителя соединены с зажимами конденсатора и входными силовыми зажимами автономного инвертора напряжения повышенной частоты, к выходным зажимам которого подключена первичная обмотка трансформатора повышенной частоты, первый вывод вторичной обмотки этого трансформатора подключен к первому входному зажиму второго выпрямителя, первый выходной зажим этого выпрямителя соединен с первым зажимом измерительного преобразователя выходного напряжения и с первой из двух выходных клемм устройства, второй выходной зажим второго выпрямителя через сглаживающий реактор соединен со второй клеммой измерительного преобразователя выходного напряжения, причем элементы устройства размещены в трех конструктивных блоках, где в первом конструктивном блоке, устанавливаемом на судне, находится управляемый выпрямитель напряжения, во втором конструктивном блоке, выполненном с возможностью погружения под воду, помещены конденсатор, однофазный автономный инвертор напряжения повышенной частоты с блоком управления инвертором и первичная обмотка трансформатора повышенной частоты, в третьем конструктивном блоке, устанавливаемом на подводном объекте, расположены вторичная обмотка трансформатора повышенной частоты, второй выпрямитель, сглаживающий реактор и измерительный преобразователь выходного напряжения устройства, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены второй конденсатор, подключенный между вторым выводом вторичной обмотки трансформатора повышенной частоты и вторым входным зажимом второго выпрямителя, третий конденсатор, подключенный к выходным зажимам второго выпрямителя, первый и второй измерительные преобразователи температуры, входы которых связаны с тепловыделяющими элементами автономного инвертора и проводом первичной обмотки трансформатора повышенной частоты соответственно, а выходы измерительных преобразователей температуры соединены с входами блока управления автономным инвертором, ключ, соединяющий вторую клемму измерительного преобразователя выходного напряжения и второй выходной вывод устройства, заряжаемая аккумуляторная батарея подключена между первым и вторым выходными выводами устройства, выход измерительного преобразователя выходного напряжения соединен с управляющим входом ключа, причем первый и второй измерительные преобразователи температуры размещены во втором конструктивном блоке, а второй и третий конденсаторы, а также ключ размещены в третьем конструктивном блоке.The task is achieved in that in the device for charging the battery of an underwater object, containing the first controlled and second uncontrolled rectifiers, a smoothing reactor, a capacitor, a single-phase autonomous inverter of high frequency with a control unit for this inverter, separately made primary and secondary windings of a transformer of high frequency and measuring an output voltage converter, wherein the inputs of the first rectifier are connected to the ship's electrical network, the output terminals of this the rectifier is connected to the clamps of the capacitor and the input power terminals of the autonomous inverter of the increased frequency voltage, to the output terminals of which the primary winding of the high-frequency transformer is connected, the first output of the secondary winding of this transformer is connected to the first input terminal of the second rectifier, the first output terminal of this rectifier is connected to the first measuring terminal output voltage converter and with the first of two output terminals of the device, the second output terminal of the second rectifier I am connected through a smoothing reactor to the second terminal of the output voltage measuring transducer, and the elements of the device are located in three structural units, where in the first structural unit installed on the vessel there is a controlled voltage rectifier, in the second structural unit made with the possibility of immersion under water, capacitor, single-phase autonomous high-frequency voltage inverter with an inverter control unit and primary winding of a high-frequency transformer, in t A second structural unit mounted on an underwater object contains a secondary winding of a high frequency transformer, a second rectifier, a smoothing reactor and a device output voltage measuring transducer, characterized in that a second capacitor is additionally inserted into the device, connected between the second terminal of the secondary winding of the high frequency transformer and the second the input terminal of the second rectifier, the third capacitor connected to the output terminals of the second rectifier, the first and second the temperature measuring transducers, the inputs of which are connected to the fuel elements of the autonomous inverter and the primary winding wire of the high frequency transformer, respectively, and the outputs of the temperature transducers are connected to the inputs of the control unit of the autonomous inverter, the key connecting the second terminal of the output voltage measuring transducer and the second output terminal of the device, a rechargeable battery is connected between the first and second output terminals of the device, you od transducer output voltage is connected to the control input of the switch, wherein the first and second temperature transmitters are located in a second building block, and the second and third capacitors and the key are arranged in the third constructive unit.
Выполнение функциональной задачи «повышение надежности устройства для зарядки аккумуляторной батареи подводного объекта от судовой сети переменного тока» обеспечивается следующими отличительными признаками предлагаемого решения.The functional task "improving the reliability of the device for charging the battery of the underwater object from the ship's AC network" is provided by the following distinctive features of the proposed solution.
Первый признак - «…в устройство для зарядки аккумуляторной батареи подводного объекта… введены второй конденсатор, подключенный между вторым выводом вторичной обмотки трансформатора повышенной частоты и вторым входным зажимом второго выпрямителя, третий конденсатор, подключенный к выходным зажимам второго выпрямителя, … ключ, соединяющий вторую клемму измерительного преобразователя напряжения и второй выходной вывод устройства, … выход измерительного преобразователя выходного напряжения соединен с управляющим входом ключа, а второй и третий конденсаторы, а также ключ размещены в третьем конструктивном блоке» - обеспечивает поддержание тока зарядки аккумуляторной батареи в требуемом диапазоне за счет проявления резонансных явлений в цепи из последовательно включенных вторичной обмотки трансформатора повышенной частоты и второго конденсатора без использования обратной связи по току зарядки, а обратная связь по выходному напряжению устройства используется в виде непосредственной электрической связи, воздействующей на ключ, которым выполняется отключение батареи от зарядного устройства при достижении напряжения на ее клеммах заданного значения, что исключает использование недостоверной информации о значениях этих сигналов.The first sign is "... in the device for charging the battery of the underwater object ... a second capacitor is connected, connected between the second terminal of the secondary winding of the high frequency transformer and the second input terminal of the second rectifier, the third capacitor is connected to the output terminals of the second rectifier, ... a key connecting the second terminal a voltage measuring transducer and a second output terminal of the device, ... the output of the output voltage measuring transducer is connected to the control input of the switch, and w the second and third capacitors, as well as the key, are located in the third structural unit ”- ensures that the battery charging current is maintained in the required range due to the manifestation of resonant phenomena in the circuit from the secondary winding of the high frequency transformer and the second capacitor connected in series without using feedback on the charging current, and the feedback on the output voltage of the device is used in the form of direct electrical communication acting on the key, which disconnects tarei from the charger when the voltage at its terminals a predetermined value, which eliminates the use of unreliable information about the values of these signals.
Кроме этого, происходит деформация как внешней характеристики UЗАР.(IЗАР.), так и характеристики I1(IЗАР.), где UЗАР., IЗАР., I1 - напряжение на выходе второго выпрямителя, ток зарядки батареи и ток первичной обмотки трансформатора повышенной частоты (выходной ток инвертора) соответственно. В результате при одном и том же напряжении UЗАР. увеличивается ток зарядки IЗАР. при одновременном снижении выходного тока инвертора I1. В конечном итоге уменьшаются тепловые нагрузки на силовые ключи инвертора и провод первичной обмотки трансформатора повышенной частоты, что повышает надежность работы устройства при уменьшении времени зарядки аккумуляторной батареи, т.е. повышается качество процесса зарядки.In addition, deformation occurs as an external characteristic of U ZAR. (I ZAR. ), And the characteristics of I 1 (I ZAR. ), Where U ZAR. , I ZAR. , I 1 is the voltage at the output of the second rectifier, the battery charging current and the primary current of the transformer of increased frequency (inverter output current), respectively. As a result, at the same voltage U ZAR. charging current I ZAR increases. while reducing the output current of the inverter I 1 . Ultimately, the thermal loads on the inverter power switches and the primary winding wire of the high frequency transformer are reduced, which increases the reliability of the device while reducing the battery charging time, i.e. improves the quality of the charging process.
Второй признак - «… в устройство для зарядки аккумуляторной батареи подводного объекта … введены … первый и второй измерительные преобразователи температуры, входы которых связаны с тепловыделяющими элементами автономного инвертора и проводом первичной обмотки трансформатора повышенной частоты соответственно, а выходы измерительных преобразователей температуры соединены с входами блока управления автономным инвертором, … причем первый и второй измерительные преобразователи температуры размещены во втором конструктивном блоке, выполненном с возможностью погружения под воду» - обеспечивает ограничение температуры нагрева силовых ключей автономного инвертора и провода первичной обмотки трансформатора повышенной частоты допустимым значением за счет уменьшения коэффициента заполнения выходных импульсов автономного инвертора и, следовательно, уменьшения тока в его выходной цепи, что приводит к повышению надежности работы устройства.The second sign is "... in the device for charging the battery of the underwater object ... introduced ... the first and second temperature measuring transducers, the inputs of which are connected to the fuel elements of the autonomous inverter and the primary winding wire of the high frequency transformer, respectively, and the outputs of the temperature measuring transducers are connected to the inputs of the control unit autonomous inverter, ... and the first and second temperature measuring transducers are located in the second structural unit, made with the possibility of immersion under water ”- provides a limitation of the heating temperature of the power switches of the autonomous inverter and the primary winding of the transformer of increased frequency by an acceptable value by reducing the fill factor of the output pulses of the autonomous inverter and, therefore, reducing the current in its output circuit, which leads to increased reliability device operation.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в следующем. Отличительные признаки предлагаемого решения обеспечивают надежную работу устройства в процессе зарядки аккумуляторной батареи подводного объекта с ограничением тепловых нагрузок критичных элементов устройства допустимыми значениями при уменьшении времени зарядки. Кроме того, отличительные признаки исключают использование недостоверной информации о значениях регулируемых величин, что повышает качество и надежность процесса зарядки аккумуляторной батареи подводного объекта.The technical result that is achieved when solving the problem is expressed in the following. Distinctive features of the proposed solution ensure reliable operation of the device in the process of charging the battery of an underwater object with limiting the thermal loads of critical elements of the device to acceptable values while reducing the charging time. In addition, the distinctive features exclude the use of false information about the values of adjustable values, which improves the quality and reliability of the charging process of the battery of the underwater object.
На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков изобретения стало возможным решение поставленной задачи. Следовательно, заявленное изобретение является новым, обладает изобретательским уровнем и пригодно для использования.Based on the foregoing, we can conclude that the set of essential features of the claimed invention has a causal relationship with the achieved technical result, i.e. due to this combination of essential features of the invention, it became possible to solve the problem. Therefore, the claimed invention is new, has an inventive step and is suitable for use.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 приведена функциональная схема устройства для зарядки аккумуляторной батареи подводного объекта; на фиг. 2 приведены внешние характеристики UЗАР.(IЗАР.) канала бесконтактной передачи электроэнергии, на фиг. 3 приведены зависимости I1(IЗАР.) выходного тока автономного инвертора от тока зарядки, на фиг. 4 показаны внешние характеристики UЗАР.(IЗАР.) при изменении коэффициента заполнения D управляющих импульсов автономного инвертора.The invention is illustrated in the drawing, where in FIG. 1 is a functional diagram of a device for charging a battery of an underwater object; in FIG. 2 shows the external characteristics of U ZAR. (I ZAR. ) Non-contact power transmission channel, in FIG. 3 shows the dependences I 1 (I ZAR. ) Of the output current of the autonomous inverter on the charging current, in FIG. 4 illustrates the external characteristics of U Zar. (I ZAR. ) When changing the duty ratio D of the control pulses of an autonomous inverter.
Устройство для зарядки аккумуляторной батареи 1 подводного объекта 2 от расположенной на судне 3 судовой сети 4 переменного тока состоит из первого 5, второго 6 и третьего 7 конструктивных блоков и кабеля 8, соединяющего блоки 5 и 6. Первый конструктивный блок 5 расположен на судне 3. Второй конструктивный блок 6 помещен в герметичный корпус и может быть опущен на глубину, на которой находится подводный объект 2, содержащий третий конструктивный блок 7. В первый конструктивный блок 5 помещен управляемый выпрямитель 9 напряжения, входные зажимы 10 которого соединены с судовой электрической сетью 4, а выходные зажимы 11 выпрямителя 9 посредством кабеля 8 подключены к входным зажимам 12 однофазного автономного инвертора 13 напряжения повышенной частоты. Инвертор 13 вместе с конденсатором 14, подключенным к зажимам 12, размещены во втором конструктивном блоке 6. Выходные зажимы инвертора 13 подключены к зажимам 15 первичной обмотки 16 трансформатора повышенной частоты. Первичная обмотка 16 трансформатора повышенной частоты находится во втором конструктивном блоке 6, а вторичная обмотка 17 трансформатора повышенной частоты - в третьем конструктивном блоке 7. Когда контактирующие поверхности первичной 16 и вторичной 17 обмоток трансформатора повышенной частоты находятся на малом расстоянии друг от друга, а расстояние между осями этих обмоток также достаточно мало, через трансформатор выполняется передача электрической энергии за счет электромагнитной связи между обмотками. При этом эффективность передачи будет тем больше, чем точнее обмотки позиционируются между собой.The device for charging the
Выходной зажим 18 вторичной обмотки трансформатора повышенной частоты через конденсатор 19 соединен с первым входом выпрямителя 21, а выходной зажим 20 вторичной обмотки этого трансформатора соединен со вторым входом выпрямителя 21. Выходная клемма 22 выпрямителя 21 через сглаживающий реактор 23 соединена с входной клеммой 24 ключа 25, выходная клемма 26 которого является одной из двух выходных клемм устройства. Вторая выходная клемма 27 выпрямителя 21 является второй выходной клеммой устройства. К выводам 22 и 27 выпрямителя 21 подсоединен конденсатор 28, а между клеммами 24 и 27 подсоединен измерительный преобразователь 29 выходного напряжения, выход которого связан с управляющим входом ключа 25. К выходным клеммам 26 и 27 устройства подключена заряжаемая аккумуляторная батарея 1, расположенная на подводном объекте 2, при этом выпрямитель 21, сглаживающий реактор 23, ключ 25, измерительный преобразователь 29 выходного напряжения, а также конденсаторы 19 и 28 помещены в третий конструктивный блок 7.The
Входы первого 30 и второго 31 измерительных преобразователей температуры, размещенных во втором конструктивном блоке 6, связаны с тепловыделяющими элементами автономного инвертора 13 и первичной обмотки 16 трансформатора повышенной частоты соответственно, а их выходы подключены на первый и второй входы блока 32 управления автономным инвертором. Выход блока 32, который также помещен во второй конструктивный блок 6, соединен с управляющим входом автономного инвертора 13.The inputs of the first 30 and second 31 temperature measuring transducers located in the second
Устройство для зарядки аккумуляторной батареи подводного объекта работает следующим образом.A device for charging the battery of an underwater object operates as follows.
Перед началом процесса зарядки контактирующие поверхности первичной 16 и вторичной 17 обмоток трансформатора повышенной частоты должны быть приведены в соприкосновение по возможности с минимальным зазором и минимальным смещением осей обмоток относительно друг друга. При подключении управляемого выпрямителя 9 к судовой сети 4 переменного тока, например, с помощью находящегося в распределительном щите этой сети автоматического выключателя максимальная скорость изменения среднего значения выпрямленного напряжения на выходе управляемого выпрямителя 9 ограничена, заданное ограничение указанной скорости обеспечивается алгоритмом работы входящего в его состав устройства управления. Заряд конденсатора 14 при этом выполняется с ограничением зарядного тока на допустимом уровне. Напряжение на конденсаторе 14 является напряжением питания автономного инвертора 13. Автономный инвертор 13 работает в автогенераторном режиме, параметры которого определяются блоком управления 32. Переменное напряжение с выхода автономного инвертора 13 через зажимы 15 поступает на первичную обмотку 16 трансформатора повышенной частоты, что приводит к возникновению процесса передачи электрической энергии в третий конструктивный блок 7. Коэффициент заполнения импульсов управления автономным инвертором 13 с выхода блока 32 близок к единице (из полного интервала управления 180 электрических градусов исключается некоторая малая величина «мертвого времени»), при этом эффективность передачи энергии равна максимально возможной для конкретного взаимного расположения первичной и вторичной обмоток трансформатора повышенной частоты.Before starting the charging process, the contacting surfaces of the primary 16 and secondary 17 windings of the high frequency transformer should be brought into contact with the minimum clearance and minimum offset of the axes of the windings relative to each other. When connecting a controlled
Индуктивность вторичной обмотки 17 трансформатора и емкость последовательно подключенного конденсатора 19 образуют резонансную цепь, которая определяет характеристики канала бесконтактной передачи электроэнергии. Полученная резонансная цепь характеризуется частотами резонанса токов ω1P на входе трансформатора и резонанса напряжений ω2P на выходе трансформатора при коротком замыкании на его вторичной сторонеThe inductance of the secondary winding 17 of the transformer and the capacitance of the series-connected
, , , ,
где L2 - собственная индуктивность вторичной обмотки 17 трансформатора, С - емкость последовательного конденсатора 19, k - коэффициент взаимной индукции между обмотками 16 и 17 трансформатора.where L 2 is the intrinsic inductance of the secondary winding 17 of the transformer, C is the capacitance of the
Выбирая частоту коммутации автономного инвертора в определенных пределах, но меньше частоты ω2P резонанса напряжений на выходе трансформатора, можно получить характеристики UЗАР.(IЗАР.) канала бесконтактной передачи электроэнергии, как показано на фиг. 2, где приведены результаты измерений в натурном эксперименте на макете устройства. На фиг. 2 кривая 1 показывает связь между напряжением UЗАР. на выходе второго выпрямителя 21 и током IЗАР. нагрузки для заявляемого устройства. Для сравнения на фиг. 2 приведена внешняя характеристика 1, снятая для тех же условий эксперимента, но при исключении из схемы конденсатора 19, т.е. для устройства-прототипа.Choosing the switching frequency of the autonomous inverter within certain limits, but less than the frequency ω 2P of the voltage resonance at the transformer output, it is possible to obtain the characteristics of U ZAR. (I ZAR. ) Non-contact power transmission channel, as shown in FIG. 2, which shows the results of measurements in a full-scale experiment on a device layout. In FIG. 2,
Условия эксперимента следующие:The experimental conditions are as follows:
- индуктивность первичной обмотки L1=54,16 мкГн;- inductance of the primary winding L 1 = 54.16 μH;
- индуктивность первичной обмотки L1=50,25 мкГн;- primary winding inductance L 1 = 50.25 μH;
- взаимная индуктивность М=25,9 мкГн;- mutual inductance M = 25.9 μH;
- емкость конденсатора С=2 мкФ,- capacitor C = 2 μF,
- напряжение питания инвертора U1=50 В,- inverter supply voltage U 1 = 50 V,
- частота коммутации инвертора - inverter switching frequency
На фиг. 3 приведены характеристики, показывающие зависимость выходного тока инвертора I1 от тока нагрузки IЗАР для указанных условий эксперимента, при этом кривая 1 относится к заявляемому устройству, а кривая 2 соответствует устройству-прототипу.In FIG. 3 shows characteristics showing the dependence of the output current of the inverter I 1 on the load current I ZAR for the indicated experimental conditions, while
Если задаться определенным значением напряжения заряжаемой аккумуляторной батареи, то по графикам, приведенным на фиг. 2 можно определить значения токов зарядки IЗАР.1 и IЗАР.2, для которых по графикам I1(IЗAP.), приведенным на фиг. 3, можно найти соответствующие значения выходного тока I1.1 инвертора для заявляемого устройства и выходного тока инвертора I1.2 для устройства-прототипа.If you set a certain voltage value of the rechargeable battery, then according to the graphs shown in FIG. 2, it is possible to determine the values of the charging currents I ZAR.1 and I ZAR.2 , for which from the graphs I 1 (I ZAP. ) Shown in FIG. 3, you can find the corresponding values of the output current I 1.1 of the inverter for the inventive device and the output current of the inverter I 1.2 for the prototype device.
Так, например, если принять напряжение заряжаемой аккумуляторной батареи UAБ=10 В, то из фиг. 2 следует IЗAP.1=11,3 A, IЗAP.2=4 А. При этом из фиг. 3 следует, что соответствующие значения выходного тока инвертора I1.1=5,3 А, I1.2=10,2 А. Таким образом, эксперимент наглядно показывает преимущества заявляемого устройства: указанные деформации характеристик устройства-прототипа приводят к увеличению тока зарядки и, соответственно, уменьшению времени зарядки аккумуляторной батареи при меньшем значении выходного тока инвертора, чему сопутствует уменьшение нагрева силовых ключей инвертора и провода первичной обмотки трансформатора при одновременном повышении эффективности работы устройства.So, for example, if we take the voltage of the rechargeable battery U AB = 10 V, then from FIG. 2 follows I ZAP.1 = 11.3 A, I ZAP.2 = 4 A. Moreover, from FIG. 3 shows that the corresponding values of the inverter output current I 1.1 = 5,3 A, I 1.2 = 10,2 A. Thus, the experiment clearly shows the advantages of the inventive apparatus: said apparatus-prototype strain characteristics lead to an increase of the charging current and, respectively, reducing the battery charging time with a lower value of the inverter output current, which is accompanied by a decrease in the heating of the inverter power switches and the transformer primary winding wire while increasing the efficiency of the device Twa.
Выходной ток автономного инвертора 13 и, следовательно, ток первичной обмотки 16 трансформатора повышенной частоты можно представить геометрической суммой двух составляющих - реактивной и активной. Активная составляющая тока определяется активными потерями в трансформаторе и током нагрузки вторичной обмотки 17, который является также активным. Реактивная составляющая выходного тока инвертора, в определенной мере компенсируемая емкостью конденсатора 19, представляет собой ток намагничивания трансформатора и определяется коэффициентом магнитной связи между обмотками 16 и 17, который, в свою очередь, определяет эффективность передачи энергии через трансформатор. При прочих равных условиях ток намагничивания будет тем больше, чем меньше коэффициент магнитной связи. Уменьшение последнего будет происходить при неточном совмещении контактирующих поверхностей первичной 16 и вторичной 17 обмоток трансформатора. Сопутствующее этому фактору увеличение тока намагничивания трансформатора может привести к повышенному нагреву силовых элементов автономного инвертора 13, что снижает его надежность. Увеличение температуры провода первичной обмотки 16 может также вызвать нарушение изоляции и выход трансформатора из строя. Кроме этого, к повышению тепловых нагрузок на инвертор и на трансформатор может также приводить ухудшение условий их охлаждения, например повышение температуры забортной воды в месте расположения второго конструктивного блока 6, в состав которого входят эти устройства. Измерение температуры силовых коммутирующих элементов инвертора 13 и провода обмотки 16 выполняют измерительные преобразователи температуры 30 и 31, входы которых связаны с тепловыделяющими элементами автономного инвертора 13 и первичной обмотки 16 трансформатора повышенной частоты соответственно, а их выходы подключены на первый и второй входы блока 32 управления автономным инвертором. Алгоритм работы блока 32 обеспечивает изменение коэффициента заполнения D импульсов управления автономным инвертором 13 таким образом, чтобы уменьшить ток инвертора и ограничить нагрев указанных тепловыделяющих элементов на допустимом уровне. При этом под коэффициентом заполнения D здесь понимается отношение длительности импульса управления к периоду повторения. Поскольку при таком регулировании амплитуда импульсов на выходе вторичной обмотки 17 остается постоянной, а изменяется только их длительность, то при холостом ходе (при нулевом зарядном токе IЗАР) выпрямленное выпрямителем 21 и сглаженное третьим конденсатором 28 среднее значение напряжения UЗАР.0 будет практически также неизменным. Иначе, внешние характеристики UЗАР(IЗАР) канала бесконтактной передачи электроэнергии будут иметь вид, как показано на фиг. 4, где кривая 1 соответствует максимальному коэффициенту заполнения D1 импульсов на выходе блока 32 управления автономным инвертором 13, а кривая 2 - уменьшенному коэффициенту заполнения D2<D1. Значение тока зарядки определяется пересечением линии UАБ, соответствующей напряжению заряжаемой аккумуляторной батареи, с внешней характеристикой UЗАР.(IЗАР.) канала передачи электроэнергии, т.е. уменьшение коэффициента заполнения импульсов на выходе инвертора приведет к уменьшению зарядного тока по отношению к номинальному значению IЗАР.1=IНОМ, что увеличит время заряда. Но поскольку превышение напряжения ΔU=UЗАР.0-UАБ сохраняется, то, соответственно, сохраняется возможность полного заряда аккумуляторной батареи при ограничении тепловых нагрузок на силовые элементы допустимым уровнем и сглаженной формой тока зарядки за счет влияния индуктивности 23.The output current of the
По мере заряда напряжение аккумуляторной батареи увеличивается и при достижении заданного значения осуществляется ее отключение посредством размыкания ключа 25 за счет воздействия сигнала управления с выхода измерительного преобразователя выходного напряжения 29.As the charge increases, the voltage of the battery increases and when the set value is reached, it is turned off by opening the key 25 due to the influence of the control signal from the output of the
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015146625/07A RU2602078C1 (en) | 2015-10-28 | 2015-10-28 | Device for underwater object storage battery charging |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015146625/07A RU2602078C1 (en) | 2015-10-28 | 2015-10-28 | Device for underwater object storage battery charging |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2602078C1 true RU2602078C1 (en) | 2016-11-10 |
Family
ID=57278295
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015146625/07A RU2602078C1 (en) | 2015-10-28 | 2015-10-28 | Device for underwater object storage battery charging |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2602078C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2669698C1 (en) * | 2017-08-09 | 2018-10-15 | Сергей Борисович Куров | Cascade charging device |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6278622B1 (en) * | 1999-06-28 | 2001-08-21 | Kokusan Denki Co., Ltd. | Electric power source apparatus including electric power converter circuit and method for controlling the same |
RU2221319C2 (en) * | 2001-10-16 | 2004-01-10 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П.Королева" | Direct-current power-generating system |
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 |
-
2015
- 2015-10-28 RU RU2015146625/07A patent/RU2602078C1/en active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6278622B1 (en) * | 1999-06-28 | 2001-08-21 | Kokusan Denki Co., Ltd. | Electric power source apparatus including electric power converter circuit and method for controlling the same |
RU2221319C2 (en) * | 2001-10-16 | 2004-01-10 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П.Королева" | Direct-current power-generating system |
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 (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2669698C1 (en) * | 2017-08-09 | 2018-10-15 | Сергей Борисович Куров | Cascade charging device |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2401496C1 (en) | Device for charging accumulator battery of underwater facility | |
RU2611068C1 (en) | Autonomous unmanned underwater object storage battery charging device | |
RU2502170C1 (en) | Device for non-contact transfer of electric energy to underwater object (versions) | |
JP6437508B2 (en) | Transformer power loss prediction device | |
KR20170055426A (en) | Non-contact power transmission system | |
TW201703395A (en) | Power transmitter, resonance-type contactless power supply and control method therefor | |
Zheng et al. | High efficiency contactless power transfer system for electric vehicle battery charging | |
RU2543507C1 (en) | Device for charging accumulator battery of underwater facility | |
Dou et al. | Investigation and design of wireless power transfer system for autonomous underwater vehicle | |
KR20220161204A (en) | Foreign Object Detection Apparatus and Method for Wireless Power Transfer System | |
RU2602078C1 (en) | Device for underwater object storage battery charging | |
CN102611079B (en) | Short-circuit protection system and short-circuit protection method for isolated power converter | |
JP2016015808A (en) | Power reception equipment and non-contact power transmission device | |
Guidi et al. | Minimization of converter ratings for MW-scale inductive charger operated under widely variable coupling conditions | |
Zheng et al. | Design considerations of LLC resonant converter for contactless laptop charger | |
RU2603852C1 (en) | Device for underwater object storage battery charging | |
Sang et al. | Bidirectional inductive underwater wireless power transfer converter with variable structure | |
RU2669198C1 (en) | Autonomous underwater object storage battery charging device | |
RU2564199C1 (en) | Device for contactless transmission of electric power to underwater object | |
RU163748U1 (en) | DC POWER TRANSMISSION DEVICE TO A CONTROLLED UNMOBILE UNDERABLE UNDERWATER UNIT | |
Qiu et al. | Coupling-dependent data flipping in wireless power and data transfer system | |
Nafiaa et al. | Performance analysis of high-efficiency WPT for communication technologies | |
Laha et al. | Time Domain Modelling of a Wireless Power Transfer System using a Buck-Boost Converter for Voltage Regulation | |
Shi et al. | Design and analysis of a noninsert wet mateable connector for underwater power and data transfer | |
JP2014075883A (en) | Power reception apparatus, and non-contact power transmission device |