Устройство электроэнергетической системы питания автономного необитаемого подводного аппарата с гибридной энергетической установкой

Изобретение относится к области судовой электротехники и может быть использовано при создании системы электропитания автономных необитаемых подводных аппаратов (АНПА) тяжелого класса с электродвижителем. Изобретение предназначено для системы питания блоков АНПА, обеспечивающих движение и управление аппаратом.

Автономные необитаемые подводные аппараты тяжелого класса с водоизмещением более 5 тонн могут быть оснащены оборудованием для решения широкого круга задач - океанографических исследований, сейсморазведки, обследования кабельных трасс и трубопроводов, поиска затонувших объектов, охраны акватории. Решение данных задач требует длительного времени автономности: до нескольких месяцев, а уклонение от препятствий и плавание в районах с высокой скоростью течения требует использования пропульсивной установки мощностью до нескольких сотен киловатт. Электроэнергетическая система АНПА данного класса должна иметь большой объем запасенной энергии и обеспечивать одновременно стабильность и качество электропитания высокоточных электронных систем и электродвигателей большой мощности.

Известна судовая электроэнергетическая система для перспективных неатомных подводных лодок с электродвижителем (патент RU №2534470), принимаемая за аналог, содержащая две группы аккумуляторных батарей, каждая из которых разделена в свою очередь на две подгруппы, два дизель-генератора, два электрохимических генератора, автоматические выключатели и распределительные щиты.

Электроэнергетическая система образует два борта электропитания, каждая подгруппа аккумуляторных батарей подключена к силовой сети через сдвоенные автоматические выключатели. Каждый электрохимический генератор обеспечивает электропитание потребителей, заряд группы аккумуляторной батареи своего борта и электропитание всережимной системы электродвижения. Судовая электроэнергетическая система генерирует один вид энергии, электропитание устройств лодки осуществляется от единого источника, когда часть энергии через преобразователи одного вида энергии преобразуется в другой вид потребляемой энергии столько раз, сколько это необходимо.

Недостатком данного решения являются большие массогабаритные размеры аппаратуры электропитания, необходимость участия человека для управления системой и высокий уровень электромагнитных помех по сети питания постоянного тока, создаваемых на частотах вращения электродвигателей и на частотах широтно-импульсной модуляции драйверов управления электродвигателями, что создает помехи работе систем навигации, связи и управления.

Известна гибридная энергетическая установка для аппаратов (патент US №2006071630), принимаемая за прототип, включающая аккумуляторную батарею, топливные элементы, емкость хранения и подачи в топливные элементы водорода, емкость хранения и подачи в топливные элементы кислорода, емкость воды реакции, связанную с топливными элементами, шину питания постоянного тока с подключенным к ней драйвером-преобразователем напряжения постоянного тока в переменный, которое используется для питания электродвигателя пропульсивной установки.

Электропитание от топливного элемента и аккумуляторной батареи через шину питания постоянного тока подается на электродвигатель, при этом для режима движения АНПА на малых скоростях используется электроэнергия, вырабатываемая топливными элементами, для режима движения на больших скоростях используется электроэнергия и от топливных элементов, и от батареи. Топливные элементы и батареи могут содержать более чем один топливный элемент и батарею для подачи электроэнергии более чем одному электродвигателю.

Недостатком технического решения прототипа является высокий уровень электромагнитных помех по сети питания постоянного тока, создаваемых на частотах вращения электродвигателей и на частотах широтно-импульсной модуляции драйверов управления электродвигателями, что создает помехи работе аппаратуры навигации, связи и управления. Также для обеспечения работы АНПА в течение нескольких месяцев для хранения необходимых запасов водорода и кислорода в газообразном состоянии под давлением требуются значительные объемы в АНПА.

Задачей заявляемого изобретения является снижение уровня помех в работе аппаратуры навигации, связи и управления, передаваемой по цепям электропитания и увеличение количества запасенной энергии и, как следствие, увеличение времени автономности АНПА.

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 показана схема предлагаемого устройства электроэнергетической системы питания АНПА, которое содержит блок электрохимических генераторов 1 ЭХГ, состоящий не менее, чем из двух электрохимических генераторов 1.1 и 1.2, емкость кислорода 8, емкость водорода 9. Выходы емкости кислорода 8 и емкости водорода 9 подключены к входу электрохимических генераторов 1.1 и 1.2.

В результате процесса горения (окисления) водорода с кислородом на топливных элементах блока электрохимических генераторов 1, образуется вода, которая утилизируется в емкость воды 10 от этой реакции. Также устройство электроэнергетической системы питания АНПА содержит блок аккумуляторных батарей 2 АБ, состоящий не менее, чем из двух аккумуляторных батарей 2.1 и 2.2, шину питания постоянного тока 14, выход которой соединен с драйвером 3 электродвигателя 4, при этом один из отводов шины питания постоянного тока является входом для питания аппаратуры навигации 11, аппаратуры управления 12, аппаратуры связи 13, при необходимости дополнительного погашения уровня помех через блок преобразователя 6 постоянного тока одного значения напряжения в постоянный ток другого значения напряжения с гальванической развязкой и дополнительные буферные аккумуляторы 7.

Для уменьшения уровня индуцированных в сеть постоянного тока электромагнитных помех введена вторая шина питания постоянного тока 15.

Шины питания постоянного тока 14 и 15 включены в дополнительно введенный блок коммутации и управления 5.

Входы блока коммутации и управления 5 соединены с соответствующими выходами электрохимических генераторов 1.1, 1.2 и аккумуляторных батарей 2.1, 2.2.

Снижение уровня электромагнитных помех для режимов экономического хода достигается за счет разделения источников и цепей питания электродвигателя и аппаратуры навигации, связи и управления путем подключения одного электрохимического генератора 1.1 и одной аккумуляторной батарее 2.1 на шину питания драйвера 3 электродвигателя 4, а второй электрохимический генератор 1.2 и аккумуляторная батарея 2.2 через соответствующие входы блока коммутации и управления 5 подключены на шину питания аппаратуры навигации 11, аппаратуры управления 12, аппаратуры связи 13 через блок преобразователя 6 и буферные аккумуляторы 7.

Снижение уровня электромагнитных помех в режимах, когда требуется максимальная скорость движения АНПА, достигается за счет подключения в блоке коммутации и управления 5 обеих аккумуляторных батарей 2.1 и 2.2 к входу шины питания драйвера 3 электродвигателя 4, а электрохимических генераторов 1.1 и 1.2 к входу шины питания аппаратуры навигации 11, аппаратуры управления 12, аппаратуры связи 13.

По завершении режима максимальной скорости электроэнергетическая система переходит в режим экономического хода, зарядки и балансировки литий ионных аккумуляторных батарей.

Для увеличения количества запасов водорода и кислорода в условиях ограниченного объема АНПА емкость водорода 9 размещается внутри емкости кислорода 8, при этом водород и кислород находятся в сжиженном состоянии.

В случае необходимости дополнительного погашения уровня помех, создаваемых работе аппаратуры навигации связи и управления по цепям электропитания на выходе второй шины электропитания может быть включен блок преобразователя 6 постоянного тока одного значения напряжения в постоянный ток другого значения напряжения с гальванической развязкой и дополнительные буферные аккумуляторы 7, обеспечивающие качество электропитания в процессе перекоммутации цепей питания в блоке коммутации и управления 5.