Устройство для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный объект через трансформатор с низким коэффициентом магнитной связи

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.

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].

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 связи между обмотками, где М - взаимная индуктивность между обмотками трансформатора, a L₁ и L₂ - индуктивности первичной и вторичной обмоток.

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 Х_K трансформатора для двух крайних режимов в виде холостого хода и короткого замыкания соответственно можно определить в виде следующих зависимостей:

т.е. характер нагрузки является индуктивным и значение коэффициента мощности стремится к нулю.

При некоторой нагрузке трансформатора, соответствующей рабочему режиму передачи максимальной активной мощности, нагрузка инвертора приобретает активно-индуктивный характер, но коэффициент мощности остается малым.

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.

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:

- необходимость выбора транзисторов и диодов инвертора с завышенными номинальными токами;

- увеличение потерь мощности в этих полупроводниковых приборах, их массы и стоимости;

- усложнение проблемы отвода тепла, соответствующего этим потерям.

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.

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)].

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.

Сохраняя принятые ранее допущения и выполняя анализ прототипа для режимов холостого хода и короткого замыкания, входные сопротивления Х₀и Х_K трансформатора как нагрузку инвертора для двух крайних режимов в виде холостого хода и короткого замыкания соответственно можно определить в виде следующих зависимостей:

Принимая частоту резонанса, равной частоте коммутации ω выходного напряжения инвертора, и выбирая соответствующее резонансу значение емкости конденсатора С_REZ, 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 (jωL_REZ) следует вывод, что и в режиме короткого замыкания на выходе трансформатора сопротивление Х_K 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.

Кроме этого, прототип должен содержать реактор L_REZ, поскольку реальный выходной сигнал инвертора отличается от синусоидального и является последовательностью прямоугольных разнополярных импульсов, при этом непосредственное подключение резонансного конденсатора С_REZ 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.

Обязательное требование наличия индуктивности L_REZ 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.

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.

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.

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.

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.

В заявленном устройстве для бесконтактной передачи электроэнергии для зарядки аккумуляторных батарей подводного аппарата общими существенными признаками для него и его прототипа являются:

- автономный инвертор напряжения;

- резонансный конденсатор;

- трансформатор с низким коэффициентом связи между его обмотками.

Сопоставительный анализ существенных признаков заявленного резонансного контура и его прототипа показывает, что первый в отличие от прототипа имеет следующие отличительные признаки:

- трансформатор эквивалентно представлен N трансформаторами с равной суммарной мощностью;

- 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;

- 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;

- вторичные обмотки трансформаторов соединены определенным образом, который определяется параметрами нагрузки и к их крайним выводам подключена нагрузка.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 I_И=ƒ(I₂) автономного инвертора от тока нагрузки для прототипа (кривые 1) и для заявляемого устройства (кривые 2), полученные в результате моделирования в программе MatLab.

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.

Устройство для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный аппарат через трансформатор с низким коэффициентом связи работает следующим образом.

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.

Для первой гармоники выходного напряжения автономного инвертора 1 значения его выходного тока I₀ для режимов холостого хода и тока I_К для режима короткого замыкания на крайних выводах группы 6 соединенных вторичных обмоток N трансформаторов можно определить следующими выражениями

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.

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.

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.

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.

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 I_И инвертора от тока I₂ нагрузки на вторичной стороне трансформатора (фиг. 2, б, 1 - прототип, 2 - заявляемое изобретение).

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.