RU2629751C1 - Device for contactless transmission of electric energy to submersible object through transformer with low magnetic communication coefficient - Google Patents
Device for contactless transmission of electric energy to submersible object through transformer with low magnetic communication coefficient Download PDFInfo
- Publication number
- RU2629751C1 RU2629751C1 RU2016138230A RU2016138230A RU2629751C1 RU 2629751 C1 RU2629751 C1 RU 2629751C1 RU 2016138230 A RU2016138230 A RU 2016138230A RU 2016138230 A RU2016138230 A RU 2016138230A RU 2629751 C1 RU2629751 C1 RU 2629751C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- windings
- transformer
- inverter
- group
- transformers
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
- H02M7/66—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal
- H02M7/68—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters
- H02M7/72—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M7/79—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
- H02M7/797—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
Landscapes
- Inverter Devices (AREA)
- Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для преобразования входного напряжения постоянного тока в переменное напряжение, и предназначено для использования, преимущественно, в системе зарядки аккумуляторов подводного аппарата.The invention relates to electrical engineering, in particular to devices for converting the input DC voltage to alternating voltage, and is intended for use mainly in the battery charging system of the underwater vehicle.
Известно устройство, используемое для бесконтактной передачи электроэнергии через трансформатор с низким коэффициентом связи между его обмотками, с целью зарядки аккумуляторной батареи подводного объекта [Патент РФ №2401496 С1. Устройство для зарядки аккумуляторной батареи подводного объекта. Заявл. 25.06.2009, опуб. 10.10.2010. Бюл. №28 - Аналог].A device is known that is used for contactless transmission of electricity through a transformer with a low coupling coefficient between its windings, in order to charge the battery of an underwater object [RF Patent No. 2401496 C1. Device for charging the battery of an underwater object. Claim 06/25/2009, publ. 10/10/2010. Bull. No. 28 - Analog].
Устройство содержит автономный инвертор напряжения, его входные клеммы, к которым подключен также фильтрующий конденсатор, подсоединены к источнику постоянного напряжения, а к выходным клеммам автономного инвертора подсоединена первичная обмотка трансформатора с низким коэффициентом связи между его обмотками. К зажимам вторичной обмотки указанного трансформатора подсоединен выпрямитель, к выходным зажимам которого присоединен конденсатор сглаживающего фильтра и нагрузка. Первичная и вторичная обмотки трансформатора находятся в двух разных конструктивных блоках, которые представляют собой прочные герметичные оболочки. Конструктивный блок с вторичной обмоткой расположен на подводном объекте, а конструктивный блок с первичной обмоткой допускает погружение под воду на глубину расположения подводного объекта. Каждая из оболочек имеет выполненную из изоляционного материала контактную стенку, толщина которой достигает нескольких миллиметров, и к внутренним поверхностям которых прилегают торцы обмоток трансформаторов. В рабочем режиме конструктивные блоки находятся под водой и для передачи электроэнергии и осуществления зарядки аккумуляторных батарей подводного объекта наружные поверхности контактных стенок должны прилегать одна к другой при совпадении осей обмоток трансформатора. При таком расположении указанные обмотки образуют трансформатор, который, из-за немагнитного зазора в виде контактных стенок, имеет малое значение коэффициента 
Если пренебречь активными сопротивлениями обмоток трансформатора и выполнить анализ работы для первой гармоники выходного сигнала с инвертора (напряжения на входе трансформатора), то входные сопротивления Х0 и ХK трансформатора для двух крайних режимов в виде холостого хода и короткого замыкания соответственно можно определить в виде следующих зависимостей:If we neglect the active resistances of the transformer windings and analyze the operation for the first harmonic of the output signal from the inverter (voltage at the input of the transformer), then the input resistances X 0 and X K of the transformer for the two extreme modes in the form of idling and short circuit, respectively, can be defined as the following dependencies:
т.е. характер нагрузки является индуктивным и значение коэффициента мощности стремится к нулю.those. the nature of the load is inductive and the value of the power factor tends to zero.
При некоторой нагрузке трансформатора, соответствующей рабочему режиму передачи максимальной активной мощности, нагрузка инвертора приобретает активно-индуктивный характер, но коэффициент мощности остается малым.At a certain transformer load corresponding to the operating mode of maximum active power transmission, the inverter load acquires an active-inductive character, but the power factor remains small.
В частности, трансформатор указанного назначения, который предназначен для работы с автономным инвертором напряжения в системе бесконтактной передачи электроэнергии, имеет следующие параметры: L1=L2=124μH, М=62μH, k=0,5. Для приведенного примера в режиме передачи на выход максимальной мощности коэффициент мощности нагрузки инвертора составляет примерно 0,11.In particular, a transformer of the indicated purpose, which is designed to operate with an autonomous voltage inverter in a contactless power transmission system, has the following parameters: L 1 = L 2 = 124μH, M = 62μH, k = 0.5. For the given example, in the transmission mode to the maximum power output, the inverter load power factor is approximately 0.11.
Малое значение коэффициента мощности соответствует увеличению индуктивной составляющей первичного тока трансформатора и увеличению его габаритной (полной) мощности. Это влечет за собой повышение выходного тока инвертора по отношению к минимально необходимому, который соответствует активному току нагрузки. Увеличенное в несколько раз значение выходного тока инвертора вызывает следующие последствия:A small value of the power factor corresponds to an increase in the inductive component of the primary current of the transformer and an increase in its overall (full) power. This entails an increase in the output current of the inverter with respect to the minimum necessary, which corresponds to the active load current. The inverter output current value increased several times causes the following consequences:
- необходимость выбора транзисторов и диодов инвертора с завышенными номинальными токами;- the need to select transistors and diodes of the inverter with overestimated rated currents;
- увеличение потерь мощности в этих полупроводниковых приборах, их массы и стоимости;- an increase in power losses in these semiconductor devices, their mass and cost;
- усложнение проблемы отвода тепла, соответствующего этим потерям.- the complication of the problem of heat removal corresponding to these losses.
Эти недостатки аналога усиливаются в условиях размещения силовых элементов автономного инвертора в прочном герметичном контейнере ограниченного объема при использовании его в составе системы зарядки аккумуляторных батарей подводного аппарата.These drawbacks of the analogue are amplified in the conditions of placement of the power elements of an autonomous inverter in a durable airtight container of a limited volume when used as part of a charging system for rechargeable batteries of an underwater vehicle.
Известно также устройство для передачи электроэнергии, содержащее резонансный контур, подключенный к выходу автономного инвертора напряжения и предназначенный для питания нагрузки через трансформатор. Это устройство является наиболее близким по технической сущности, по составу его элементов и связям между ними к заявляемому устройству. Особенностью прототипа является подключение нагрузки параллельно конденсатору последовательного резонансного контура. Под нагрузкой здесь понимается силовой трансформатор, к вторичной цепи которого подключены потребители электроэнергии. Принципиальная схема устройства для питания нагрузки через трансформатор описана в [Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника. М.: Техносфера, 2005. - 632 с. (С. 302, рис. 13.12 - Прототип)].It is also known a device for transmitting electricity, containing a resonant circuit connected to the output of an autonomous voltage inverter and designed to power the load through a transformer. This device is the closest in technical essence, in the composition of its elements and the relationships between them to the claimed device. A feature of the prototype is the connection of the load parallel to the capacitor of the series resonant circuit. By load here is meant a power transformer, to the secondary circuit of which electricity consumers are connected. A schematic diagram of a device for supplying a load through a transformer is described in [Meleshin V.I. Transistor converter technology. M .: Technosphere, 2005 .-- 632 p. (P. 302, Fig. 13.12 - Prototype)].
Известное устройство для бесконтактной передачи электроэнергии содержит автономный инвертор напряжения, реактор, резонансный конденсатор и трансформатор, первичная обмотка которого подключена параллельно резонансному конденсатору, при этом первая выходная клемма автономного инвертора соединена с первым выводом реактора, второй вывод реактора соединен с первым выводом резонансного конденсатора, второй вывод которого подключен ко второй выходной клемме автономного инвертора напряжения, а к вторичной обмотке трансформатора подсоединена нагрузка потребителей.A known device for contactless transmission of electricity contains an autonomous voltage inverter, a reactor, a resonant capacitor and a transformer, the primary winding of which is connected in parallel with a resonant capacitor, while the first output terminal of the autonomous inverter is connected to the first output of the reactor, the second output of the reactor is connected to the first output of the resonant capacitor, the second the output of which is connected to the second output terminal of the autonomous voltage inverter, and to the secondary winding of the transformer inena load of consumers.
Сохраняя принятые ранее допущения и выполняя анализ прототипа для режимов холостого хода и короткого замыкания, входные сопротивления Х0и ХK трансформатора как нагрузку инвертора для двух крайних режимов в виде холостого хода и короткого замыкания соответственно можно определить в виде следующих зависимостей:Keeping the assumptions made earlier and performing prototype analysis for idle and short circuit modes, the input resistors X 0 and X K of the transformer as the inverter load for the two extreme modes in the form of idle and short circuit, respectively, can be determined in the form of the following dependencies:
Принимая частоту резонанса, равной частоте коммутации ω выходного напряжения инвертора, и выбирая соответствующее резонансу значение емкости конденсатора СREZ, можно отметить, что второе слагаемое в выражении (3) равно бесконечности, т.е. в режиме холостого хода для первой гармоники сигнала в устройстве потребляемый от инвертора ток равен нулю. Из сопоставления выражения (2) и (4) без учета составляющей (jωLREZ) следует вывод, что и в режиме короткого замыкания на выходе трансформатора сопротивление ХK нагрузки инвертора также увеличивается, т.к. значение коэффициента связи k меньше единицы, причем это увеличение тем больше, чем меньше значение k. Отмеченные свойства прототипа являются его достоинством по отношению к аналогу, поскольку сводятся к уменьшению тока нагрузки инвертора и снижению недостатков аналога. Эти свойства прототипа сохраняются и при некоторой средней активной нагрузке на выходе трансформатора, соответствующей максимальной активной мощности, передаваемой на выход устройства. Однако для тех же, что и для аналога, значений параметров трансформатора коэффициент мощности нагрузки инвертора в режиме передачи на выход максимальной мощности остается малым и составляет примерно 0,24, что является недостатком прототипа.Taking the resonance frequency equal to the switching frequency ω of the inverter output voltage, and choosing the capacitor capacitance C REZ corresponding to the resonance, it can be noted that the second term in expression (3) is equal to infinity, i.e. in idle mode, for the first harmonic of the signal in the device, the current consumed from the inverter is zero. From a comparison of expressions (2) and (4) without taking into account the component (jωL REZ ), it follows that in the short-circuit mode at the transformer output, the inverter load resistance X K also increases, because the value of the coupling coefficient k is less than unity, and this increase is greater, the smaller the value of k. The noted properties of the prototype are its advantage in relation to the analogue, since they are reduced to reducing the load current of the inverter and reducing the disadvantages of the analogue. These properties of the prototype are preserved at a certain average active load at the transformer output, corresponding to the maximum active power transmitted to the output of the device. However, for the same as for the analogue, the values of the transformer parameters, the inverter load power factor in the transmission mode to the maximum power output remains small and is approximately 0.24, which is a disadvantage of the prototype.
Кроме этого, прототип должен содержать реактор LREZ, поскольку реальный выходной сигнал инвертора отличается от синусоидального и является последовательностью прямоугольных разнополярных импульсов, при этом непосредственное подключение резонансного конденсатора СREZ на выход инвертора приведет к большим значениям импульсного тока перезаряда этого конденсатора. Выбор конкретного значения индуктивности определяется условием обеспечения заданной максимальной активной мощности, передаваемой на выход устройства.In addition, the prototype must contain an L REZ reactor, since the actual output signal of the inverter is different from the sinusoidal one and is a sequence of rectangular bipolar pulses, while the direct connection of the resonant capacitor C REZ to the inverter output will lead to large values of the pulsed overcharge current of this capacitor. The choice of a specific value of the inductance is determined by the condition for ensuring a given maximum active power transmitted to the output of the device.
Обязательное требование наличия индуктивности LREZ является вторым недостатком прототипа, т.к. в условиях зарядки аккумуляторных батарей подводного аппарата размещение силовых элементов устройства в прочных герметичных оболочках ограниченного объема требуют минимизации количества и размеров элементов.The mandatory requirement for the presence of inductance L REZ is the second disadvantage of the prototype, because in the conditions of charging the rechargeable batteries of the underwater vehicle, the placement of the power elements of the device in durable sealed enclosures of a limited volume requires minimizing the number and size of the elements.
В качестве подводного аппарата можно понимать автономный необитаемый подводный аппарат, который имеет, преимущественно, обтекаемую цилиндрическую форму. Для передачи на борт аппарата для зарядки его аккумуляторных батарей требуемого значения мощности необходимо использование трансформатора соответствующих габаритов, при этом плоская контактная стенка его герметичной оболочки должна располагаться на поверхности подводного аппарата. При ограниченном диаметре аппарата это может привести к нарушению требуемой обтекаемости его корпуса, что неблагоприятно скажется на эксплуатационных характеристиках аппарата. В таком случае рациональным выходом может быть замена одного большого трансформатора несколькими меньшими, контактные стенки которых распределены по обводам корпуса подводного аппарата, а сумма мощностей этих трансформаторов равняется мощности одного заменяемого большого трансформатора. Это позволит обеспечить требования по условиям обтекаемости обводов подводного аппарата и передавать при этом заданную мощность.As an underwater vehicle, one can understand an autonomous uninhabited underwater vehicle, which has a predominantly streamlined cylindrical shape. To transfer the required power value on board the device for charging its rechargeable batteries, it is necessary to use a transformer of the appropriate dimensions, while the flat contact wall of its sealed shell should be located on the surface of the underwater vehicle. With a limited diameter of the device, this can lead to a violation of the required streamlining of its body, which will adversely affect the operational characteristics of the device. In this case, it can be a rational solution to replace one large transformer with several smaller ones, the contact walls of which are distributed along the contours of the underwater vehicle body, and the sum of the capacities of these transformers is equal to the power of one large transformer to be replaced. This will provide requirements for the streamlining of contours of the underwater vehicle and transmit at the same time the specified power.
Таким образом, недостатками прототипа являются завышенные габариты и низкий коэффициент мощности, что вызывает усложнение компоновки устройства в прочной герметичной оболочке на борту подводного аппарата, а также приводит к повышенному выходному току инвертора, увеличенным потерям мощности на силовых ключах инвертора и создает проблемы отвода тепла этих потерь.Thus, the disadvantages of the prototype are oversized and low power factor, which complicates the layout of the device in a durable sealed shell on board the underwater vehicle, and also leads to increased output current of the inverter, increased power losses on the power switches of the inverter and creates problems of heat removal of these losses .
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение эксплуатационных характеристик подводного аппарата за счет улучшения обтекаемости его корпуса, а также уменьшение потерь мощности на силовых элементах автономного инвертора за счет снижения его выходного тока при питания нагрузки через трансформатор с низким коэффициентом связи между его обмотками при сохранении значения передаваемой мощности.The problem to which the invention is directed is to increase the operational characteristics of the underwater vehicle by improving the streamlining of its body, as well as reducing power losses on the power elements of an autonomous inverter by reducing its output current when the load is supplied through a transformer with a low coupling coefficient between its windings while maintaining the value of the transmitted power.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный аппарат через трансформатор с низки коэффициентом связи, содержащем автономный инвертор напряжения, резонансный конденсатор и трансформатор, последний эквивалентно представлен N трансформаторами с равной суммарной мощностью, причем соединение первичных обмоток трансформаторов образует первую и вторую группы обмоток, которые имеют общую точку соединения, при этом к свободной клемме первой группы первичных обмоток подключена первая выходная клемма автономного инвертора, к свободной клемме второй группы первичных обмоток подключена вторая клемма автономного инвертора, резонансный конденсатор подключен между общей точкой соединения первой и второй групп первичных обмоток и свободной клеммой второй группы первичных обмоток, а вторичные обмотки трансформаторов соединены определенным образом, определяемым параметрами нагрузки, и к их крайним выводам подключена нагрузка. Поставленная задача достигается также тем, что резонансная частота контура, образованного параллельным соединением результирующей индуктивности второй группы первичных обмоток трансформатора и резонансным конденсатором равна частоте первой гармоники выходного напряжения инвертора.The problem is solved in that in a device for contactless transmission of electricity to an underwater vehicle through a transformer with a low coupling coefficient containing an autonomous voltage inverter, a resonant capacitor and a transformer, the latter is equivalently represented by N transformers with equal total power, and the connection of the primary windings of the transformers forms the first and the second group of windings that have a common connection point, while the free terminal of the first group of primary windings is connected to the output terminal of the autonomous inverter, the second terminal of the autonomous inverter is connected to the free terminal of the second group of primary windings, the resonant capacitor is connected between the common connection point of the first and second groups of primary windings and the free terminal of the second group of primary windings, and the secondary windings of the transformers are connected in a certain way, determined by the parameters loads, and a load is connected to their extreme terminals. The problem is also achieved by the fact that the resonant frequency of the circuit formed by parallel connection of the resulting inductance of the second group of primary transformer windings and the resonant capacitor is equal to the frequency of the first harmonic of the inverter output voltage.
В заявленном устройстве для бесконтактной передачи электроэнергии для зарядки аккумуляторных батарей подводного аппарата общими существенными признаками для него и его прототипа являются:In the claimed device for non-contact transmission of electricity for charging the batteries of the underwater vehicle, the common essential features for him and his prototype are:
- автономный инвертор напряжения;- autonomous voltage inverter;
- резонансный конденсатор;- resonant capacitor;
- трансформатор с низким коэффициентом связи между его обмотками.- a transformer with a low coupling coefficient between its windings.
Сопоставительный анализ существенных признаков заявленного резонансного контура и его прототипа показывает, что первый в отличие от прототипа имеет следующие отличительные признаки:A comparative analysis of the essential features of the claimed resonant circuit and its prototype shows that the first, in contrast to the prototype, has the following distinctive features:
- трансформатор эквивалентно представлен N трансформаторами с равной суммарной мощностью;- the transformer is equivalently represented by N transformers with equal total power;
- соединение первичных обмоток трансформаторов образует первую и вторую группы первичных обмоток, которые имеют общую точку соединения;- the connection of the primary windings of the transformers forms the first and second groups of primary windings that have a common connection point;
- к свободной клемме первой группы первичных обмоток трансформатора подключена первая выходная клемма автономного инвертора, к свободной клемме второй группы первичных обмоток подключена вторая клемма автономного инвертора, резонансный конденсатор подключен между общей точкой соединения групп первичных обмоток и свободной клеммой второй группы первичных обмоток;- the first output terminal of the autonomous inverter is connected to the free terminal of the first group of primary windings of the transformer, the second terminal of the autonomous inverter is connected to the free terminal of the second group of primary windings, the resonant capacitor is connected between the common point of connection of the primary winding groups and the free terminal of the second group of primary windings;
- резонансная частота контура, образованного параллельным соединением эквивалентной индуктивности второй группы первичных обмоток трансформатора, к которым параллельно подключен резонансный конденсатор, и емкостью резонансного конденсатора равна частоте первой гармоники выходного напряжения инвертора;- the resonant frequency of the circuit formed by parallel connection of the equivalent inductance of the second group of primary windings of the transformer to which the resonant capacitor is connected in parallel, and the capacity of the resonant capacitor is equal to the frequency of the first harmonic of the inverter output voltage;
- вторичные обмотки трансформаторов соединены определенным образом, который определяется параметрами нагрузки и к их крайним выводам подключена нагрузка.- the secondary windings of the transformers are connected in a certain way, which is determined by the load parameters and the load is connected to their extreme terminals.
Выполнение функциональной задачи «повышение эксплуатационных характеристик подводного аппарата за счет улучшения обтекаемости его корпуса, а также уменьшение потерь мощности на силовых элементах автономного инвертора за счет снижения его выходного тока при питания нагрузки через трансформатор с низким коэффициентом связи между его обмотками при сохранении значения передаваемой мощности» обеспечивается следующими отличительными признаками предлагаемого решения.Fulfillment of the functional task “improving the operational characteristics of the underwater vehicle by improving the streamlining of its body, as well as reducing power losses on the power elements of an autonomous inverter by reducing its output current when the load is supplied through a transformer with a low coupling coefficient between its windings while maintaining the transmitted power value” provided by the following distinctive features of the proposed solution.
Признак «…трансформатор эквивалентно представлен N трансформаторами с равной суммарной мощностью...» позволяет обеспечить требования по условиям обтекаемости обводов подводного аппарата, повысить его эксплуатационные характеристики и передавать при этом заданную мощность.The sign "... the transformer is equivalently represented by N transformers with equal total power ..." allows you to meet the requirements for streamlined contours of the underwater vehicle, increase its operational characteristics and transmit the specified power.
Признаки «…соединение первичных обмоток трансформаторов образует первую и вторую группы первичных обмоток, которые имеют общую точку соединения, …к свободной клемме первой группы первичных обмоток трансформатора подключена первая выходная клемма автономного инвертора, к свободной клемме второй группы первичных обмоток подключена вторая клемма автономного инвертора, резонансный конденсатор подключен между общей точкой соединения групп первичных обмоток и свободной клеммой второй группы первичных обмоток…» формирует резонансный контур, предназначенный для снижения выходного тока автономного инвертора и уменьшения в нем потерь мощности.Signs "... the connection of the primary windings of the transformers forms the first and second groups of primary windings that have a common connection point ... the first output terminal of the autonomous inverter is connected to the free terminal of the first group of transformer primary windings, the second terminal of the autonomous inverter is connected to the free terminal of the second group of primary windings, the resonant capacitor is connected between the common point of connection of the groups of primary windings and the free terminal of the second group of primary windings ... "forms a resonant a circuit designed to reduce the output current of an autonomous inverter and reduce power losses in it.
Признак «…резонансная частота контура, образованного параллельным соединением эквивалентной индуктивности второй группы обмоток трансформатора, к которым подключен резонансный конденсатор, и емкостью резонансного конденсатора равна частоте первой гармоники выходного напряжения инвертора…» обеспечивает снижение выходного тока автономного инвертора при сохранении значения передаваемой мощности.The sign "... the resonant frequency of the circuit formed by parallel connection of the equivalent inductance of the second group of transformer windings to which the resonant capacitor is connected and the capacitance of the resonant capacitor is equal to the frequency of the first harmonic of the inverter output voltage ..." ensures a decrease in the output current of the autonomous inverter while maintaining the transmitted power value.
Признак «…вторичные обмотки трансформаторов соединены определенным образом, который определяется параметрами нагрузки и к их крайним выводам подключена нагрузка» обеспечивает согласование параметров выходного напряжения инвертора и характеристик нагрузки из условия получения максимально возможной мощности.The sign "... the secondary windings of the transformers are connected in a certain way, which is determined by the load parameters and the load is connected to their extreme terminals" ensures the matching of the inverter output voltage parameters and the load characteristics from the condition of obtaining the maximum possible power.
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. Указанные существенные признаки, отличающие заявленное устройство для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки от прототипа, в совокупности с признаками, общими для него и прототипа, обеспечивает достижение заявленного технического результата во всех случаях, на которые распространяется объем правовой охраны.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. These essential features that distinguish the claimed device for limiting the charging current of the load capacitor from the prototype, together with the features common to it and the prototype, ensures the achievement of the claimed technical result in all cases to which the scope of legal protection applies.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для бесконтактной передачи электроэнергии через трансформатор с низким коэффициентом связи между его обмотками, на фиг. 2 приведены графики внешних характеристик U2=ƒ(I2), а также зависимости выходного тока IИ=ƒ(I2) автономного инвертора от тока нагрузки для прототипа (кривые 1) и для заявляемого устройства (кривые 2), полученные в результате моделирования в программе MatLab.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 is a functional diagram of a device for contactless transmission of electricity through a transformer with a low coupling coefficient between its windings, FIG. 2 shows graphs of the external characteristics of U 2 = ƒ (I 2 ), as well as the dependence of the output current I AND = ƒ (I 2 ) of the stand-alone inverter on the load current for the prototype (curves 1) and for the inventive device (curves 2), obtained as a result simulations in the MatLab program.
Устройство для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный аппарат через трансформатор с низким коэффициентом связи содержит автономный инвертор 1 напряжения, резонансный конденсатор 2 и трансформатор 3, причем второй вывод конденсатора 2 соединен с выводом трансформатора, который эквивалентно представлен N трансформаторами с равной суммарной мощностью, причем соединение первичных обмоток N трансформаторов образует первую группу 4 и вторую группу 5 обмоток, которые имеют общую точку соединения, при этом к свободной клемме первой группы 4 первичных обмоток подключена первая выходная клемма автономного инвертора 1, к свободной клемме второй группы 5 первичных обмоток, являющейся выводом трансформатора, подключена вторая выходная клемма автономного инвертора 1, первый вывод резонансного конденсатора 2 подключен к общей точке соединения первой группы 4 и второй группы 5 первичных обмоток N трансформаторов, а N вторичных обмоток трансформаторов образуют группу 6 обмоток, которые соединены определенным образом, определяемым параметрами нагрузки, и к их крайним выводам подключена нагрузка. Поставленная задача достигается также тем, что резонансная частота контура, образованного параллельным соединением результирующей индуктивности второй группы 5 первичных обмоток N трансформаторов и резонансным конденсатором 2 равна частоте первой гармоники выходного напряжения автономного инвертора 1.A device for contactless transmission of electricity to an underwater vehicle through a low-coefficient transformer contains an
Устройство для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный аппарат через трансформатор с низким коэффициентом связи работает следующим образом.A device for contactless transmission of electricity to an underwater vehicle through a transformer with a low coupling coefficient operates as follows.
Для осуществления бесконтактной передачи электроэнергии контактные поверхности N вторичных обмоток трансформаторов, расположенных на подводном аппарате, должны быть приведены в соприкосновение с контактными поверхностями ТУ первичных обмоток трансформаторов, крайние выводы которых подключены к выходным клеммам автономного инвертора 1. За счет возникающей магнитной связи между обмотками происходит трансформация напряжения с первичной стороны трансформаторов на вторичную, что вызывает ток в нагрузке и приводит к зарядке аккумуляторных батарей подводного аппарата. Явление резонанса токов, возникающее в контуре, образованном параллельным соединением резонансного конденсатора 2 и индуктивностью второй группы 5 первичных обмоток, приводит к уменьшению выходного тока автономного инвертора 1 при сохранении общего значения передаваемой мощности.For the non-contact transfer of electricity, the contact surfaces N of the secondary windings of transformers located on the underwater vehicle must be brought into contact with the contact surfaces of the TU primary windings of the transformers, the extreme terminals of which are connected to the output terminals of the
Для первой гармоники выходного напряжения автономного инвертора 1 значения его выходного тока I0 для режимов холостого хода и тока IК для режима короткого замыкания на крайних выводах группы 6 соединенных вторичных обмоток N трансформаторов можно определить следующими выражениямиFor the first harmonic of the output voltage of the
где U - действующее значение первой гармоники выходного напряжения автономного инвертора 1; L1 - индуктивность первой группы 4 соединений первичных обмоток, L2 - индуктивности второй группы 5 соединений первичных обмоток, С - емкость резонансного конденсатора 2.where U is the effective value of the first harmonic of the output voltage of the
На холостом ходу в точке резонанса второе слагаемое в выражении (5) рано бесконечности, т.е. равен нулю выходной ток инвертора 1. Поскольку реальный выходной сигнал инвертора 1 отличается от синусоидального, то и его выходной ток будет также ненулевым, но достаточно уменьшенным, что является одной из целей предлагаемого изобретения.At idle at the resonance point, the second term in expression (5) is early infinity, i.e. the output current of the
В отличие от прототипа роль элемента, ограничивающего импульсные токи перезаряда конденсатора 2, здесь выполняет индуктивность первой группы 4 обмоток трансформатора, которая также участвует в передаче мощности. Таким образом, исключается дополнительная индуктивность при сохранении передаваемой мощности, что соответствует уменьшению габаритов устройства и является одной из целей предлагаемого изобретения.In contrast to the prototype, the role of the element limiting the pulse currents of the recharging of the
Такие же свойства проявляются при коротком замыкании на выходных выводах группы 6 вторичных обмоток N трансформаторов, а именно - ограничение импульсных токов перезаряда резонансного конденсатора 2 при реальном выходном сигнале автономного инвертора 1 выполняется за счет индуктивного сопротивления группы первичных обмоток 4.The same properties are manifested during a short circuit at the output terminals of
Результаты исследования прототипа и предлагаемого изобретения в программе MatLab представлены на фиг. 2, где показаны внешние характеристики в виде зависимостей напряжения U2 на выходе трансформатора от тока I2 его нагрузки (фиг. 2, а, 1 - прототип, 2 - заявляемое изобретение), а также зависимости тока IИ инвертора от тока I2 нагрузки на вторичной стороне трансформатора (фиг. 2, б, 1 - прототип, 2 - заявляемое изобретение).The results of the study of the prototype and the invention in the MatLab program are presented in FIG. 2, which shows the external characteristics in the form of dependences of the voltage U 2 at the transformer output on the current I 2 of its load (Fig. 2, a, 1 - prototype, 2 - the claimed invention), as well as the dependence of the current I And the inverter on the load current I 2 on the secondary side of the transformer (Fig. 2, b, 1 - prototype, 2 - the claimed invention).
Результаты моделирования наглядно свидетельствуют о преимуществах заявляемого изобретения по отношению к прототипу, т.е. при практически неизменной передаваемой мощности суммарная габаритная (установленная) мощность у заявляемого устройства меньше примерно на 30%, и при этом выходной ток автономного инвертора уменьшен во всем диапазоне работы. Для промежуточных значений нагрузки, например, для режима передачи на выход максимальной мощности, коэффициент возрастает на 50% по отношению к прототипу и достигает 0,36.The simulation results clearly demonstrate the advantages of the claimed invention in relation to the prototype, i.e. with practically unchanged transmitted power, the total overall (installed) power of the claimed device is less than about 30%, and the output current of the autonomous inverter is reduced in the entire range of operation. For intermediate load values, for example, for the transmission mode to the maximum power output, the coefficient increases by 50% with respect to the prototype and reaches 0.36.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016138230A RU2629751C1 (en) | 2016-09-26 | 2016-09-26 | Device for contactless transmission of electric energy to submersible object through transformer with low magnetic communication coefficient |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016138230A RU2629751C1 (en) | 2016-09-26 | 2016-09-26 | Device for contactless transmission of electric energy to submersible object through transformer with low magnetic communication coefficient |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2629751C1 true RU2629751C1 (en) | 2017-09-01 |
Family
ID=59797466
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016138230A RU2629751C1 (en) | 2016-09-26 | 2016-09-26 | Device for contactless transmission of electric energy to submersible object through transformer with low magnetic communication coefficient |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2629751C1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2107185C1 (en) * | 1996-06-14 | 1998-03-20 | Калашников Юрий Дмитриевич | Reservoir capacitor charging device for internal combustion engine electrical system |
| 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 |
| RU2264027C1 (en) * | 2004-05-25 | 2005-11-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" - ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" | Voltage changer for charging storage capacitor |
| 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 |
-
2016
- 2016-09-26 RU RU2016138230A patent/RU2629751C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2107185C1 (en) * | 1996-06-14 | 1998-03-20 | Калашников Юрий Дмитриевич | Reservoir capacitor charging device for internal combustion engine electrical system |
| 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 |
| RU2264027C1 (en) * | 2004-05-25 | 2005-11-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" - ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" | Voltage changer for charging storage capacitor |
| 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 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Aldhaher et al. | Design and development of a Class EF $ _2 $ inverter and rectifier for multimegahertz wireless power transfer systems | |
| Chen et al. | A study of loosely coupled coils for wireless power transfer | |
| Pevere et al. | Design of a high efficiency 22 kW wireless power transfer system for EVs fast contactless charging stations | |
| RU2011150679A (en) | CONTACTLESS ELECTRICITY SUPPLY DEVICE | |
| Peschiera et al. | Review and comparison of inductive charging power electronic converter topologies for electric and plug-in hybrid electric vehicles | |
| RU2013126687A (en) | CONTACTLESS POWER SUPPLY DEVICE | |
| Deng et al. | Design of a wireless charging system with a phase‐controlled inverter under varying parameters | |
| Jafari et al. | Copper loss analysis of a multiwinding high-frequency transformer for a magnetically-coupled residential microgrid | |
| Baroi et al. | Design and simulation of a wireless charging system for electric vehicles | |
| Zheng et al. | Design considerations of LLC resonant converter for contactless laptop charger | |
| RU2629751C1 (en) | Device for contactless transmission of electric energy to submersible object through transformer with low magnetic communication coefficient | |
| Zhou et al. | A family of hybrid IPT topologies for constant current and constant voltage battery charging | |
| Jianyu et al. | A novel resonant network for a WPT system with constant output voltage | |
| Lee et al. | Contactless inductive charging system with hysteresis loop control for small-sized household electrical appliances | |
| Jayalath et al. | Analysis of the relationship between the parameters of IPT transformer and power electronic system | |
| CN203674772U (en) | Multi-load non-contact charging device and system for electric vehicle | |
| Peschiera et al. | Review of inductive power transfer technology for electric and plug-in hybrid electric vehicles | |
| Zavřel et al. | Comparison of Various Configuration of Wireless Power Transfer System | |
| Bertoluzzo et al. | Pareto optimal solutions of a wireless power transfer system | |
| Hua et al. | Inductive power transmission technology for Li-ion battery charger | |
| Gati et al. | Output power increase of a series-series compensated inductive power transfer system via asymmetric loading | |
| Varikkottil et al. | Compact pulse position control‐based inverter for high efficiency inductive power transfer to electric vehicle | |
| Kumar et al. | Harmonic modeling and performance analysis of the basic IPT topologies under varying operating conditions | |
| Wang et al. | A pulse energy injection inverter for the switch-mode inductive power transfer system | |
| Yonetsu | Investigation of relationship between coupling coefficient and power factor for non-contact chargers |