Наведено теоретичні та експериментальні результати досліджень впливу структури і елементів системи електроживлення телекерованого підводного апарату, а також способу передачі енергії по кабель-тросу на масогабаритні характеристики системи в функції від робочої глибини.

Анотація наукової статті з електротехніки, електронної техніки, інформаційних технологій, автор наукової роботи - Рулевскій В. М., Дементьєв Ю. М., Бубнов О. В.


Mass characteristics of power

Theoretical and experimental results of research aimed at influence of power-supply system structure and elements of remotely controlled submersible craft were demonstrated. Besides, transmission method of energy along the conducting rope with the reference to mass characteristics of the system in the function of operating depth was shown.


Область наук:

  • Електротехніка, електронна техніка, інформаційні технології

  • Рік видавництва: 2006


    Журнал: Известия Томського політехнічного університету. Інжиніринг ГЕОРЕСУРСИ


    Наукова стаття на тему 'Масогабаритні характеристики системи електроживлення в функції від робочої глибини телекерованого підводного апарату '

    Текст наукової роботи на тему «Масогабаритні характеристики системи електроживлення в функції від робочої глибини телекерованого підводного апарату"

    ?Результати порівняння експериментальних даних і теоретичних розрахунків показали наступне. Кратність пускового струму при експериментальних дослідженнях (? Т = 13) і на математичній моделі (? Т = 15) знаходяться в межах заданої похибки. Криві зміни струму статора і випрямленого струму в динамічному режимі на моделі і в реальному двигуні подібні. Однак слід зазначити, що випрямлений струм електромагніта ^ в експерименті має більш високі пульсації, що пояснюється насиченням муздрамтеатру при великих значеннях струму при пуску двигуна. У математичної ж моделі двигуна з гальмівним пристроєм використовувалося припущення про ненасиченої магнітної системі, тому індуктивність електромагніту при пуску вище, ніж у досвідченого зразка, а значить, і пульсації випрямленої струму менше. Темп наростання швидкості обертання ротора також практично збігся з моделлю.

    висновки

    Запропоновано математичну модель, що дозволяє коректно аналізувати динамічні електромеханічні процеси в асинхронних двигунах з вбудованим електромагнітним гальмом, включеним у розтин фази статора.

    Розроблена математична модель дозволяє виявити параметри гальмівного пристрою, що впливають на енергетичні та експлуатаційні показники серійного асинхронного двигуна, що дає можливість оптимізувати пускові і робочі характеристики двигуна при проектуванні.

    Модель дозволяє проводити аналіз динамічних і енергетичних показників при істотній несиметрії трифазних обмоток статора, а також для моделювання аварійних режимів роботи.

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Технічний каталог ВАТ «СКБ Сібелектромотор». - Томськ, 2005.

    2. Siemens Aktiengesellschaft. Hebezeug - Motorer. - Katalog H2, 1987. -78 S.

    3. Електротехнічний довідник: У 3-х т. Т. 2. Електротехнічні вироби та пристрої / За заг. ред. професорів МЕІ (гл. ред. І.М. Орлова та ін.). - 7-е изд., Испр. і доп. - М .: Вища школа, 1986. - 712 с .: іл.

    4. Копилов І.П. Математичне моделювання електричних машин. - 3-е изд., Перераб. і доп. - М .: Вища школа, 2001. - 327 с.

    5. Мощинський Ю.А., Петров А.П. Математична модель несиметричного асинхронного двигуна на основі схем заміщення для перехідних режимів // Електротехніка. - 2003. -№ 2. - С. 24-30.

    6. Козівський Є.Я. Перехідні процеси в електричних машинах змінного струму. - М .: Изд-во АН СРСР, 1968. - 526 с.

    7. Однокопилов І.Г. Математична модель асинхронного двигуна з електромагнітним гальмівним пристроєм // Наука. Технології. Інновації: Матер. Всеросс. наукової конф. молодих вчених в 6-ти частинах. - Новосибірськ: Изд-во НГТУ, 2004. - Ч. 1. - С. 52-54.

    УДК 621.311.6

    Масогабаритні характеристики СИСТЕМИ ЕЛЕКТРОЖИВЛЕННЯ В ФУНКЦІЇ ВІД РОБОЧОЇ ГЛИБИНИ телекерований підводний АПАРАТУ

    В.М. Рулевскій, Ю.Н. Дементьєв, О.В. Бубнов *

    Томський політехнічний університет * ГНУ НДІ Автоматики і електромеханіки при ТУСУР E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Наведено теоретичні та експериментальні результати досліджень впливу структури і елементів системи електроживлення телекерованого підводного апарату, а також способу передачі енергії по кабель-тросу на масогабаритні характеристики системи в функції від робочої глибини.

    Геологічні, рятувальні та технічні роботи під водою на досить великих глибинах (від 100 до 6000 м) зумовили необхідність розвитку класу багатофункціональних телекерованих підводних апаратів (ТПА). Проблема створення ефективних і високонадійних глибоководних ТПА в значній мірі пов'язана [1, 2] з оптимізацією сполучення інформаційного та енергетичного каналів передачі енергії за єдиним кабель-тросу та з надійністю забезпечення стабілізації напруг на які споживають навантаженнях і т.д.

    Дана робота вирішує завдання вибору структури і елементів системи електроживлення (СЕП) ТПА, а також обґрунтовує її масогабаритні характеристики в функції від робочої глибини апарату з урахуванням вимог щодо вибору СЕП ТПА: високої надійності, часу безперервної роботи; малих розмірів і маси; величини переданої потужності; легкості заміни модулів СЕП.

    Все СЕП умовно діляться на дві групи, в залежності від місця розташування первинного джерела електроенергії: з автономним джерелом

    електроенергії на ТПА і підключені до електричної мережі забезпечує судна.

    СЕП з автономним джерелом електроенергії на борту ТПА в даний час не є перспективними в силу ряду недоліків, а саме: обмежений час роботи, визначається ємністю акумуляторів; значні масогабаритні параметри; посилений знос кабель-троса, через часті підйомів-спусків ТПА для заміни та підзарядки акумуляторів і т.д. Дані системи в подальшому розглядатися не будуть в силу вищевказаних недоліків.

    Системи електроживлення ТПА підключені до мережі забезпечує судна ділять на дві групи, в залежності від передачі електроенергії по кабель-тросу: системи електроживлення на змінному струмі і постійному струмі [3].

    Структурна схема комплексу СЕП телекерованого підводного апарату, підключеного до мережі забезпечує судна, представлена ​​на рис. 1.

    СЕП ТПА умовно складається з двох частин: системи електроживлення судновий частини (СЧ) і підводної частини (ПЧ). СЕП СЧ розташована на борту забезпечує судна, вхід якої підключений до суднової мережі і яка на сучасних судах виконується трифазною, напругою 380 В частотою 50 Гц, а з виходу напруга передається по кабель-тросу на СЕП ПЧ, яка розташована на заглубітеле і ТПА.

    У сучасних системах підводного устаткування з дистанційним керуванням використовуються в якості складової частини підводного устаткування заглубітелі, в яких може розміщуватися телекерований підводний апарат при його доставці на глибину, і з яким підводний апарат може з'єднуватися відносно коротким і легким плавучим кабелем. При цьому підвищується маневреність підводного апарату, оскільки він не пов'язаний з довгим і важким кабель-тросом. Заглубітель в своєму складі має кабіну для розміщення підводного апарату, лебідку з барабаном плавучого кабелю з системою, що управляє довжиною вільного плавучого кабелю між заглубітелем і підводним апаратом. Заглубітель також дозволяє встановити на ньому частина блоків системи електропостачання та управління, при цьому звільняється додаткове, корисний простір на ТПА і знижується його вага.

    Мал. 1. Структурна схема комплексу СЕП ТПА

    Огляд характеристик цього типу СЕП в залежності від робочої глибини показав, що все ТПА можна розділити на три групи:

    1. Малих глибин 150 ... 300 м, з вихідною потужністю до 2 кВт.

    2. Середніх глибин 300.1000 м, до 10 кВт.

    3. Глибоководні 1000.6000 м, до 70 кВт.

    Для визначення найкращих масогабаритних характеристик СЕП у функції від робочої глибини ТПА розглянемо і порівняємо побудова систем на змінному і постійному струмі.

    Розглянемо варіант СЕП на змінному струмі, структурна схема і робота, якою була розглянута раніше [3. С. 120-123, рис. 2].

    Судова частина системи електроживлення складається з вхідного випрямляча з фільтром, інвертора, підвищувального трансформатора і апаратури високочастотного зв'язку. Підводна частина складається з понижуючого трансформатора, випрямляча з фільтром і апаратури високочастотного зв'язку.

    Для зменшення маси, габаритів СЕП і передачі великої потужності (понад 20 кВт) на максимальну глибину до 6000 м, слід електричну енергію передавати підвищеною напругою на підвищеній частоті.

    З точки зору габаритів і маси безпосередньо ПЧ СЕП, збільшення частоти напруги живлення веде до зменшення її маси і габаритів по експоненціальному закону. Визначальними габарити системи електроживлення в основному є моточні елементи системи і зі збільшенням частоти масогабаритні показники трансформаторів і дроселів істотно поліпшуються. Це пов'язано з тим, що ЕРС Е, що наводиться в обмотках трансформатора, має залежність [4]:

    Е = 4кфм>/ ВТБ, (1)

    де кф - коефіцієнт форми напруги; ^ - число витків обмотки; / - частота перетворення; Вт - амплітуда індукції; ? - перетин сердечника.

    З (1) випливає, що зі збільшенням частоти перетворення /, при незмінній величині ЕРС Е необхідно зменшувати або число витків ^, або індукцію Вт, або перетин сердечника? У будь-якому випадку це призводить до зниження маси і габаритів всього трансформатора. Однак, з огляду на, що втрати в сталі пропорційні частоті в ступеня 1,3, а індукції - в квадраті, то для запобігання перегріву трансформатора доводиться знижувати індукцію з ростом частоти приблизно за законом [4]:

    В = 1 // 0'65.

    У зв'язку з цим наведена маса трансформатора до одиниці потужності т зі збільшенням частоти / спочатку знижується швидко, потім значно повільніше, а після досягнення оптимального значення частоти маса знову починає зростати через збільшення втрат.

    На рис. 2 представлена ​​залежність наведеної маси трансформатора до одиниці потужності т, з сердечником з електротехнічної сталі Е3425 (товщина стрічки 0,08 мм), від частоти напруги живлення, яка була отримана експериментально в НДІ АЕМ. З рис. 2 випливає, що оптимальне значення частоти для трансформатора знаходиться в діапазоні 0,5 ... 6,0 кГц.

    1 "=

    (1 -4 (1 -4Яж • Р / ПН2)),

    де ВЯ ^ = ДпI - активний опір силової жили кабель-троса; Р - сумарна потужність навантажень ТПА; I - довжина кабелю.

    З іншого боку, активний опір жили кабель-троса залежить від довжини, допустимої щільності і величини струму і може бути визначено як:

    де р - питомий опір матеріалу жили; ] - щільність струму.

    З урахуванням (2) струм в кабель-тросі відповідає виразу:

    Р

    1 ,, =

    ^ Пя -3-103-р-у • I '

    (3)

    звідки випливає, що для заданої довжини кабель-троса ток визначається лише напругою, оскільки зменшувати струм за рахунок зниження щільності струму навряд чи доцільно, так як буде зростати діаметр кабель-троса і його вартість.

    Потужність суднової частини СЕП відповідно до виразами (2) і (3) визначається за виразом:

    у / 3інр

    р = - рах л13ін-з-103-р-у • I

    (4)

    Мал. 2. Залежність приведеної маси трансформатора від частоти напруги живлення

    Збільшення напруги і частоти струму в кабель-тросі веде до зростання ємнісної складової струму кабелю, додатково навантажує силові жили, що призводить до додаткових втрат і зменшує корисне навантаження. З іншого боку, збільшення напруги веде до зменшення складової величини струму, що залежить від корисної потужності ТПА. Тому існує оптимальне співвідношення, що зв'язує величини напруги і частоти, при яких маса і вартість СЕП, включаючи вартість кабелю, мінімальна.

    До електричних параметрах кабель-троса, що визначає характеристики СЕП ТПА, відносяться: номінальна величина напруги (Щ і струму силових жив (11ж); погонні величини активного опору силових жив (Д,), ємності силових жив (Сп) і опору ізоляції силових жив ( Д ^ з).

    Номінальна величина напруги кабель-троса визначає необхідну величину струмового навантаження, що залежить від сумарної потужності навантажень ТПА і втрат в кабель-тросі.

    Струм в кабель-тросі можна визначити як [2]:

    Яж =

    р -103-1-]

    1,,

    (2)

    Відповідно до виразом (4), слід вибирати максимальну величину напруги в кабель-тросі, маючи на увазі обмеження, що накладаються можливостями Струмопереходи, умовами техніки безпеки і існуючою технологією виготовлення кабель-тросові.

    Вплив ємності кабелю, як зазначалося раніше, проявляється в додатковому навантаженню жил кабелю і СЧ СЕП ємнісним струмом, що призведе до зростання втрат, а також масі і габаритів.

    Компенсація ємнісного струму можлива за допомогою лінійних дроселів, що встановлюються на виході СЧ СЕП і на заглубітеле. При цьому судова частина СЕП ємнісної складової струму кабелю навантажена не буде. Якщо дроселі розташувати безпосередньо на барабані (в'юшки) лебідки спускопод'емного пристрою, розташованого на борту забезпечує судна, то буде розвантажений по ємкісному току і Струмопереходи.

    Згідно [5], при напрузі 2,5 ... 3,5 кВ, номінальний струм 8.10 А і фторопластовой ізоляції трифазний кабель марки А50079, розріз якого представлений на рис. 3, буде мати погонну ємність 0,06.0,07 мкФ / км, що при довжині кабелю 6 км дасть величину ємності 0,36.0,42 мкФ. Дана величина ємності призведе до збільшення ефективного значення струму в жилах кабелю при установці дроселів компенсації:

    • в СЧ СЕП і ТПА не більше ніж в 1,1 рази, тобто не більше ніж на 10%;

    • тільки в СЧ не більше ніж в 1,3 рази або на 30%. У таблиці наведено розрахункові номінальні

    значення потужності суднової частини СЕП, лінійного струму навантаження, щільності струму, мінімально можливі діаметри і маси кабелю під бронею від величини лінійної напруги на передавальному кінці (напруга на виході СЧ СЕП) при різних значеннях перетину струмопровідних жил для довжини кабель-троса 6 км і забезпеченні потужності в 30 кВт на струмоприймачах ТПА [4].

    Мал. 3. Розріз кабель-троса марки А50079

    Таблиця. Параметри кабель-троса марки А50079 в залежності від велічінии лінійної напруги на передавальному кінці при різних значеннях перетину струмопровідних жил

    Параметри Перетини струмопровідних жил, мм 2

    1,5 2,0 2,5

    Напруга ЛЕП (лінійне), В

    6000 0 про 1-Л 4 3500 5000 3500 0 про про 3 4500 3500 0 про про 3

    1л ном, А 3,5 5,1 8,1 4,2 6,9 9,6 4,7 6,5 8,3

    j "ш, А / мм2 2,33 3,4 5,4 2,1 3,45 4,8 1,9 2,6 3,3

    Рсч ном, кВт 36,4 39,8 49,1 36,5 41,9 49,9 36,6 39,4 43,1

    Діаметр кабелю під бронею, мм 26 25 23 27 25 24 27,5 25 24

    Маса, кг / км 145 125 110 210 195 180 320 290 280

    Аналіз даних, наведених у таблиці, показує, що при перетині жил кабелю 1,5 мм 2 необхідно збільшувати напругу на (5.6) кВ, або форсувати щільність струму і збільшувати в 1,5 рази (в порівнянні з потужністю навантажень в ТПА) потужність перетворювачів СЧ СЕП, щоб забезпечити потужність в 30 кВт на струмоприймачах ТПА. В цьому випадку маса і габарити кабель-троса будуть мінімальні, але при цьому виникають труднощі Струмопереходи, обумовлені технікою безпеки, між СЧ СЕП - кабель-тросом і кабель-тросом - ПЧ СЕП. Найбільш оптимальним варіантом є використання кабель-троса з перетином жив 2,0 мм 2 при напрузі кабель-троса 3,5 кВ. Габарити кабель-троса залишаються мінімальними, а маса незначно збільшується і не виникає труднощів з Струмопереходи між СЧ - кабель-тросом і кабель-тросом - ПЧ СЕП.

    Для максимального зниження маси і габаритів підводної частини СЕП доцільно випрямляч з фільтром розміщувати в герметичному модулі і помістити його в бак з трансформаторним маслом, де буде знаходитися узгоджувальний трансформатор, що, забезпечить ефективне охолоджув-

    ня при відносно малій поверхні охолодження. Використання масляного охолодження і підвищення частоти до 650 Гц веде до зниження маси і габаритів, а також збільшення потужності в 3.5 раз. Таким чином, трансформатор з номінальною потужністю 30 кВт матиме масу і габарити трансформатора потужністю 5 кВт, що працює на частоті 50 Гц в умовах природного повітряного охолодження.

    Розрахунки показують, що масогабаритні параметри ПЧ СЕП на змінному струмі, а саме частини розміщується на борту ТПА будуть не гірші: маса (32.35) кг; обсяг (11.15) дм3; габарити (0хН, 200x400) мм [4].

    Розглянемо для порівняння варіант виконання СЕП на постійному струмі, структурна схема і робота, якою була розглянута раніше [3. С. 120-123, рис. 3], з вихідною потужністю і граничної робочої глибиною роботи, як і для системи електроживлення на змінному струмі.

    Судова частина системи електроживлення ТПА виконана з ланкою підвищеної частоти, яка представлена ​​блоками регульованого автономного інвертора з широтно-імпульсною модуляцією вихідної напруги, що з виходу трансформатора поступає на вхід випрямляча. Підводна частина СЕП також представлена ​​з ланкою підвищеної частоти, що забезпечує хороші масогабаритні характеристики системи.

    З метою подальшого поліпшення масогабаритних характеристик СЧ СЕП можна виконати за схемою з вольтодобавки. Дана система з Вольтододаткові пристроєм дозволяє зменшити потужність трансформатора і величину пульсацій на вході в кабель-трос.

    Так само як і в системі електроживлення ТПА на змінному струмі для передачі потужності в 30 кВт на борт ТПА і зменшення маси кабель-троса за рахунок зменшення перетину жили, необхідно електричну енергію передавати підвищеною напругою. Виходячи з проведених розрахунків і досвіду попередніх розробок для отримання на струмоприймачах підводного апарату ряду стандартних напруг постійного струму 550, 220 і 27 В, необхідно на передавальному кінці кабелю забезпечити напруга мінімум 2400 В. Звідси виникають труднощі в предексплутаціонной настройки і реалізації вхідного інвертора ПЧ СЕП, тому для його побудови необхідно застосування високовольтної напівпровідникової бази, здатної працювати на високій частоті перетворення для забезпечення хороших масогабаритних характеристик системи.

    Для усунення недоліку зв'язаного з побудовою інвертора підводної частини на високу напругу, необхідно його виготовляти шляхом послідовного з'єднання трьох або більше інверторів, як показано на рис. 4, для поділу вхідного напруги. Даний спосіб дозволяє вико-

    вать низьковольтну елементну базу, але разом з тим ускладнюється конструкція, настройка і різко погіршуються масогабаритні показники системи.

    СП

    lh

    а

    CVI З

    S S _ _ _ _ S

    < < <

    |flb

    З 1

    С2

    АН

    Сп

    +

    Мал. 4.

    Схема з'єднання інверторів

    Розрахунки показують, що масогабаритні параметри ПЧ СЕП на постійному струмі потужністю 30 кВт, а саме частини розміщується на борту ТПА будуть не гірші: маса (45.50) кг; обсяг (15.20) дм3; габарити (0хН, 300x500) мм [4].

    Виходячи з порівняльного аналізу масогабаритних показників СЕП у функції від робочої глибини телекерованого підводного апарату, можна зробити наступні висновки:

    1. При роботі на великій глибині (до 6000 м) і передачі електричної енергії (до 30 кВт) на борт ТПА доцільно СЕП виконувати на змінному струмі, що забезпечує малий перетин кабель-троса за рахунок передачі енергії високим трифазним напругою; простоту конструкції підводної частини системи електроживлення; високу надійність; низьку вартість і поліпшені масогабаритні характеристики.

    2. При роботі на малих глибинах СЕП доцільно виконувати на постійному струмі: немає необхідності в компенсації ємнісної складової струму кабель-троса і установки додаткових лінійних дроселів. Це покращує масогабаритні і вартісні показники системи електроживлення і ліквідує проблеми, пов'язані з вибором високовольтної елементної бази для побудови підводної частини системи електроживлення і її налаштування.

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Ястребов В.С. Телекеровані підводні апарати. - Л .: Суднобудування, 1985. - 232 с.

    2. Ястребов В.С. та ін. Електроенергетичні установки підводних апаратів. - Л .: Суднобудування, 1987. - 123 с.

    3. Рулевскій В.М., Дементьєв Ю.М., Бубнов О.В. Системи електроживлення телекерованих підводних апаратів // відо-

    сті Томського політехнічного університету. - 2004. -Т 307. - № 5. - С. 120-123.

    4. Бальян РХ. Трансформатори для радіоелектроніки. - М .: Радянське радіо, 1971. - 720 с.

    5. http://www.vectorcable.com

    УДК 621.321.6

    ВИЗНАЧЕННЯ порядковий РІВНІВ помехового електромагнітних полів НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ НА СТАДІЇ ПРОЕКТУВАННЯ

    А.Н. Селян, А.М. Гаврилов, І.Є. Гребенів *, А.А. Антонов

    ФГУП «Науково-виробничий центр« Полюс », Томськ E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її. * ТОВ« Наука, Техніка, Медицина », Томськ E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Розроблено математичну модель напівпровідникового імпульсного перетворювача, заснована на рішенні системи диференціальних рівнянь Максвелла з визначенням рівнів і форми струмів в комутованих і паразитних контурах за допомогою САПР OrCAD. Створено програмне забезпечення, що дозволяє здійснювати оцінку випромінюваних перетворювачем складових електромагнітних завад вже на стадії проектування.

    Створення принципово нових штучних інтелектуальних систем багаторівневої інформатизації, розвиток телекомунікаційних і мобільних систем зв'язку неможливо без забезпечення їх стійкості до зовнішніх електромагнітних впливів, створюваним електротехнічним устаткуванням, що знаходиться в безпосередній близькості.

    Використання швидкодіючих силових напівпровідникових елементів в будь-яких системах електроживлення дозволяє істотно поліпшити масогабаритні параметри перетворювачів, а також значно підвищити їх ККД (більше 90%). У той же час імпульсні перетворювачі (ІП) мають підвищений рівень індустріальних електромагнітних завад (ЕМП) як по ланцюгах пі-


    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити