РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ТРАНСФОРМАТОРА СИСТЕМЫ БЕСКОНТАКТНОГО ЗАРЯДА АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ АНПА

  • В.А. Герасимов Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской Академии наук
  • А. В. Комлев Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской Академии наук
  • А. Ю. Филоженко Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук
Ключевые слова: Подводный аппарат, заряд аккумуляторных батарей, бесконтактная передача электроэнергии, высокочастотный трансформатор, конструктивные параметры, магнитные экраны, методика расчета

Аннотация

Способ бесконтактной подводной передачи электроэнергии на автономный необи-таемый подводный аппарат (АНПА) для заряда его аккумуляторных батарей (АБ) практи-чески не имеет альтернативы при организации подводного базирования аппарата. В по-добной системе применяется трансформатор с разделяющимися первичной и вторичной частями, которые разделены конструктивным немагнитным зазором, определяемым сум-марной толщиной стыковочных стенок. Конструктивные и электромагнитные характе-ристики трансформатора в значительной степени влияют на общую эффективность системы при выполнении главной задачи – заряд АБ за выделенное время. Наличие немаг-нитного зазора требует специальной методики расчета, для которой исходными данными должны быть, наряду с параметрами процесса заряда АБ, еще также значения ошибок позиционирования АНПА при подводном причаливании к базе. В качестве задачи исследова-ния в работе поставлено обоснование и разработка методики расчета конструктивных параметров трансформатора, удовлетворяющего заданным условиям эксплуатации. В основу исследований положено математическое моделирование электромагнитных про-цессов в трансформаторе в программном пакете ANSYS Maxwell в сочетании с натурным экспериментом. Выделены характеризующие параметры в виде коэффициента магнитной связи и относительной магнитной проницаемости обмотки и обосновано их применение для полной идентификации свойств исследуемого трансформатора. Предложена система относительных единиц, в которой характеризующие параметры имеют постоянное зна-чение для сердечников, связанных определенными геометрическими соотношениями, что позволяет легко выполнять масштабирование результатов полученных технических реше-ний при изменении требований по передаваемой электрической мощности. В результате исследований предложена методика расчета основных конструктивных параметров трансформаторов. Исходные данные в расчете принимаются в виде сочетания требуемых электрических характеристик трансформатора и его геометрических соотношений при выполнении предъявляемых ограничений по допустимой ошибке автоматического причали-вания подводного аппарата к средству подводного базирования. Полученные результаты распространяются на трансформаторы с чашечными ферритовыми сердечниками и на трансформаторы с сердечниками в виде плоских ферритовых экранов, позволяющих формировать магнитопроводы необходимых размеров и конфигураций. Результатом расчета является конструкция трансформатора с электрическими характеристиками, наилучшим образом удовлетворяющими условиям его применения. Экспериментальные натурные ис-следования убедительно подтверждают достоверность методики.

Литература

1. Gerasimov V.A. Filozhenko A.Yu. CHepurin P.I. Struktura sistemy elektrosnabzheniya avtonomnogo neobitaemogo podvodnogo apparata [Structure of the system noncontact energy issue of the autonomous undersea device], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2013, No. 3 (140), pp. 47-55.
2. Stanimir S. Valtchev, Elena N. Baikova, Luis R. Jorge. Electromagnetic Field as the Wireless Transporter of Energy, Facta Universitatis, Ser: Elec. Energ., December 2012, Vol. 25, No. 3, pp. 171-181.
3. Wang X., Shang J., Luo Z., Tang L., Zhang X., Li J. Reviews of power systems and environ-mental energy conversion for unmanned underwater vehicles, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2012, Vol. 16, Issue 4, pp. 1958-1970. Available at: http://www.sciencedirect.com/ sci-ence/article/pii/S1364032111006095 (accessed 27 February 2020).
4. Li-yan Q. Research on Design of Plate-type Electromagnetic Coupler in Underwater Inductive Power Transmission, MATEC Web of Conferences, 2015, Vol. 31, 5 p. DOI: https://doi.org/10.1051/matecconf/20153108004.
5. Saishenagha D., Devika M. Wireless charging system using high power, high frequency mag-netic interface for underwater electric vehicles, ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 2016, Vol. 11, pp. 6977-6981.
6. Gerasimov V.A., Kuvshinov G.E., Popov O.S., Filozhenko A.Yu., Chepurin P.I. Ustroystvo dlya beskontaktnoy peredachi elektroenergii na podvodnyy ob"ekt [Device for contactless transmission of electric power to underwater object]. Patent 2564199 Russian Federation, MPK H02J 7/00 (2006/01). No. 2014123766/02; date of filing. 10.06.2014; date of publica-tion. 27.09.2015, Bull. № 27, 13 p.
7. Kraskovskiy M.V., Gerasimov V.A., Kuvshinov G.E., Filozhenko A.Yu. The Use of Resonance for Current Downloading of the Transistor Keys of the Inverter, International Journal of Con-trol Theory and Applications, 2016, Vol. 9, Issue 13, pp. 305-311.
8. Wang S., Song B., Duan G., Du X. Automatic wireless power supply system to autonomous underwater vehicles by means of electromagnetic coupler, J. Shanghai Jiaotong Univ. (Sci.), 2014, Vol. 19 (1), pp. 110-114.
9. Illarionov G.Yu., Shcherbatyuk A.F., Kushnerik A.A. Donnye prichal'nye ustroystva dlya avtonomnykh neobitaemykh podvodnykh apparatov [Docking station for autonomous under-water vehicles], Dvoynye tekhnologii [Dual technology], 2011, No. 1, pp. 13-21.
10. Hobson B., McEwen R., Erickson J., Hoover T., McBride L., Shane F., Bellingham J. The de-velopment and ocean testing of an AUV docking station for a 21” AUV. IEEE Xplore, 7 p. Doi: 10.1109/OCEANS.2007.4449318.
11. Gerasimov V.A., Kraskovskiy M.V., Filozhenko A.Yu., Chepurin P.I. Obespechenie peredachi zadannoy moshchnosti v sisteme beskontaktnogo zaryada akkumulyatornykh batarey podvodnogo apparata [Provision of transmission of a given power in the system of contactless charge of underwater vehicle batteries], Vestnik YuUrGU. Seriya «Energetika» [Bulletin of South Ural State University. Series “Power Engineering”], 2017, Vol. 17, No. 4, pp. 48-58.
12. Gerasimov V.A., Komlev A.V., Kraskovskiy M.V., Filozhenko A.Yu. Metodika rascheta konstruktivnykh parametrov transformatora beskontaktnoy sistemy zaryada akkumulyatornykh batarey podvodnogo apparata [Transformer design parameters calculation method of the non-contact charging system batteries underwater vehicle], Podvodnye issledovaniya i robototekhnika [Underwater Investigation and Robotics], 2018, No. 1 (25), pp. 21-29.
13. ANSYS Maxwell - Low Frequency Electromagnetic Field Simulation, ANSYS. Available at: http://www.ansys.com/Products/Electronics/ANSYS-Maxwell accessed 12 February 2018).
14. Gerasimov V.A., Komlev A.V., Kraskovskiy M.V., Filozhenko A.Yu., Chemezov I.A. Opredelenie konstruktivnykh parametrov transformatora sistemy beskontaktnoy peredachi elektroenergii [Determination of structural parameters of the transformer of the system non-contact power transmission], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engi-neering Sciences], 2018, No. 1 (195), pp. 208-219.
15. Gerasimov V.A., Filozhenko A.Yu., Illarionov G.Yu., Pashkeev S.V. Podvodnoe bazirovanie avtonomnykh neobitaemykh podvodnykh apparatov na donnykh prichal'nykh ustroystvakh [The basing of an autonomous underwater vehicle on the docking station], Strategicheskaya stabil'nost' [Strategic stability], 2018, No. 1 (82), pp. 30-36.
16. Haibing W., Kehan, Zh., Yan Zh., Baowei S. Comparison of two electromagnetic couplers in an inductive power transfer system for Autonomous Underwater Vehicle docking application, 2016, pp. 1-5. 10.1109/OCEANSAP.2016.7485443.
17. Gerasimov V.A., Kraskovskiy M.V., Filozhenko A.Yu. Metodika rascheta transformatora s ploskimi ekranami dlya beskontaktnoy sistemy zaryada akkumulyatornykh batarey podvodnogo apparata [The transformer calculating method with flat screens for the underwater vehicle non-contact battery charge system], Podvodnye issledovaniya i robototekhnika [Un-derwater Investigation and Robotics], 2019, No. 2, pp. 13-22.
18. RUPALIT PROFILE – pryamougol'nye mnogozhil'nye provoda [RUPALIT PROFILE - rec-tangular litz wire], DACPOL. Available at: https://www.dacpol.eu/ru/rupalit-profile-prjamougolnye-mnogozhilnye-provoda/product/rupalit-profile (accessed 27 February 2020).
19. Gerasimov V.A., Kopylov V.V., Kuvshinov G.E, Naumov L.A., Sebto Yu.G., Filozhenko A.Yu., Chepurin P.I. Matematicheskaya model' ustroystva dlya beskontaktnoy peredachi elektroenergii na podvodnyy ob"ekt [Mathematical modeling for contactless electric power transfer to underwater vehicle], Podvodnye issledovaniya i robototekhnika [Underwater Inves-tigation and Robotics], 2012, No. 2 (14), pp. 28-34.
20. Gerasimov V.A., Filozhenko A.Yu., Kraskovskiy M.V. Ustroystvo dlya beskontaktnoy peredachi elektroenergii na podvodnyy apparat [Device for contactless transmission of electric power to underwater vehicle]. Patent 2648231 Russian Federation. MPK H02J 50/12 (2016/01). No. 2017114815; date of filing. 26.04.2017; date of publication. 23.03.2018, Bull. No. 9, 15 p.
Опубликован
2020-07-10
Выпуск
Раздел
РАЗДЕЛ III. СИСТЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ, ПРИВОДНАЯ И ДАТЧИКОВАЯ АППАРАТУРА