Обеспечение передачи заданной мощности в системе бесконтактного заряда аккумуляторных батарей подводного аппарата
Автор: Герасимов Владимир Александрович, Красковский Михаил Владимирович, Филоженко Алексей Юрьевич, Чепурин Павел Игоревич
Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика @vestnik-susu-power
Рубрика: Электроэнергетика
Статья в выпуске: 4 т.17, 2017 года.
Бесплатный доступ
Объектом исследования в работе является высокочастотный силовой трансформатор с разделяющимися первичной и вторичной частями, который входит в состав системы бесконтактной передачи электроэнергии на автономный необитаемый подводный аппарат (АНПА) для зарядки его аккумуляторных батарей. В качестве задачи исследования поставлено обоснование и разработка методики расчета конструктивных параметров трансформатора, отвечающих поставленным требованиям по передаваемой мощности при заданных условиях эксплуатации. В основу исследований положено математическое моделирование электромагнитных процессов в трансформаторе в программном пакете ANSYS Maxwell в сочетании с натурным экспериментом. Выделены характеризующие параметры в виде коэффициента магнитной связи и удельной индуктивности витка обмотки и обосновано их применение для полной идентификации свойств объекта. Предложена система относительных единиц, в которой характеризующие параметры имеют постоянное значение для любых сердечников одного типоразмера, что позволяет легко выполнять масштабирование результатов полученных технических решений при изменении требований по передаваемой мощности. Предложена методика определения аппроксимирующих полиномов, связывающих массивы значений коэффициента связи и удельной индуктивности с относительными значениями зазоров между контактными поверхностями частей трансформатора и межосевыми смещениями, появление которых возможно при выполнении автоматического причаливания подводного аппарата к базе. Выполненные исследования позволили предложить методику расчета основных конструктивных параметров трансформаторов при исходных данных в виде сочетания заданных электрических характеристик и предъявляемых ограничений по точности стыковки контактных поверхностей частей трансформатора. Экспериментальные натурные исследования выбранных конструктивов трансформаторов, аналогичных принятым при моделировании, убедительно подтверждают достоверность приведенных результатов. Полученные результаты относятся к ферритовым сердечникам чашечного типа, однако, принятые в исследованиях подходы дают возможность расширения методики расчета к другим конструктивным обликам трансформаторов, которые могут найти применение в системе бесконтактной зарядки аккумуляторных батарей АНПА.
Подводный аппарат, система бесконтактного заряда, высокочастотный силовой трансформатор, индуктивность, коэффициент магнитной связи, математическое моделирование, натурный эксперимент, конструктивные параметры
Короткий адрес: https://sciup.org/147158425
IDR: 147158425 | УДК: 621.31 | DOI: 10.14529/power170406
Provision of transmission of a given power in the system of contactless charge of underwater vehicle batteries
The object of the research is a high-frequency power transformer with separating primary and secondary parts making up a system of contactless power transmission at the autonomous unmanned underwater vehicle (AUUV) for charging its storage batteries. As a research task a delivered justification and development of a methodology for calculating the design parameters of a transformer meeting the delivered requirements for the transmitted power under specified operating conditions is provided. The research is based on a mathematical modeling of electromagnetic processes in the transformer performed in the software package ANSYS Maxwell combined with a live experiment. The characterizing parameters in the form of the magnetic coupling coefficient and the specific inductance of the coil winding turn are identified and their application for the complete identification of the object properties is justified. A system of relative units is proposed in which the characterizing parameters have a constant value for any cores of the same size which makes it easy to scale the results of the received technical solutions when the requirements for the transmitted power change. A method is proposed for determining approximate polynomials connecting arrays of values of the coupling coefficient and specific inductance with the relative values of the gaps between the contact surfaces of the transformer parts and the inter-axial displacements which may possibly occur when the underwater vehicle is automatically moored to the base. The performed studies made it possible to propose a technique for calculating the basic design parameters of the transformers with the initial data in the form of a combination of the specified electrical characteristics and the limitations imposed on the accuracy of the docking of the contact surfaces of the transformer parts. Experimental studies of selected transformer constructs similar to those adopted in the modeling confirm the reliability of the results presented. The results obtained relate to cup-type ferrite cores, but the approaches adopted in the studies make it possible to extend the calculation technique to other transformer designs that can be used in the systems of AUUV contactless battery charging.
Список литературы Обеспечение передачи заданной мощности в системе бесконтактного заряда аккумуляторных батарей подводного аппарата
- Valtchev, S.S. Electromagnetic Field as the Wireless Transporter of Energy/S.S. Valtchev, E.N. Baikova, L.R. Jorge//Facta Universitatis, Ser: Elec. Energ. -2012. -Vol. 25, no. 3. -December 2012. -P. 171-181 DOI: 10.2298/FUEE1203171V
- Reviews of Power Systems and Environmental Energy Conversion for Unmanned Underwater Vehicles/Wang X., Shang J., Luo Z. et al.//Renewable and Sustainable Energy Reviews. -2012. -Vol. 16, iss. 4. -P. 1958-1970 DOI: 10.1016/j.rser.2011.12.016
- Илларионов, Г.Ю. Угроза из глубины: XXI век/Г.Ю. Илларионов, К.С. Сиденко, Л.Ю. Бочаров. -Хабаровск: КГУП «Хабаровская краевая типография», 2011. -304 с.
- McGinnis, T. Inductive Power System for Autonomous Underwater Vehicles/T. McGinnis, C.P. Henze, K. Conroy//OCEANS. -2007. -1-5. -P. 736-740 DOI: 10.1109/OCEANS.2007.4449219
- Li-yan, Q. Research on Design of Plate-type Electromagnetic Coupler in Underwater Inductive Power Transmission/Q. Li-yan//MATEC Web of Conferences. -2015. -Vol. 31. -5 p. DOI: https://doi.org/10.1051/matecconf/20153108004
- Saishenagha, D. Wireless Charging System Using High Power, High Frequency Magnetic Interface for Underwater Electric Vehicles/D. Saishenagha, M. Devika//ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. -2016. -Vol. 11. -P. 6977-6981.
- Automatic Wireless Power Supply System to Autonomous Underwater Vehicles by Means of Electromagnetic Coupler/S. Wang, B. Song, G. Duan, X. Du//J. Shanghai Jiaotong Univ. (Sci.). -2014. -Vol. 19 (1). -P. 110-114 DOI: 10.1007/s12204-014-1478-6
- Shi, J. Design and Analysis of an Underwater Inductive Coupling Power Transfer System for Autonomous Underwater Vehicle Docking Applications/J. Shi, D. Li, C. Yang//Journal of Zhejiang University SCIENCE С (Computers & Electronics). -2014. -Vol. 15 (1). -P. 51-62 DOI: 10.1631/jzus.C1300171
- The Development and Ocean Testing of an AUV Docking Station for a 21" AUV/B. Hobson, R. McEwen, J. Erickson et al.//IEEE Xplore. -7 p DOI: 10.1109/OCEANS.2007.4449318
- Исследование устройства для беспроводной передачи электрической энергии на необитаемый подводный аппарат/А.А. Мартынов, В.К. Самсыгин, Д.В. Соколов и др.//Труды Крыловского государственного научного центра. -2017. -№ 2 (380). -С. 92-100 DOI: 10.24937/2542-2324-2017-2-380-92-100
- The Use of Resonance for Current Downloading of the Transistor Keys of the Inverter/M.V. Kraskovskiy, V.A. Gerasimov, G.E. Kuvshinov, A.Y. Filozhenko//International Journal of Control Theory and Applications. -2016. -Vol. 9, iss. 30. -P. 305-311.
- Донные причальные устройства для автономных необитаемых подводных аппаратов/Г.Ю. Илларионов, А.Ф. Щербатюк, А.А. Кушнерик и др.//Двойные технологии. -2011. -№ 1. -С. 13-21.
- Design Considerations for Electromagnetic Couplers in Contactless Power Transmission Systems for Deep-sea Applications/Ze-song Li, De-jun Li, Lin Lin, Ying Chen//Journal of Zhejiang University SCIENCE С (Computers & Electronics). -2010. -Vol. 11 (10). -P. 824-834 DOI: 10.1631/jzus.C09107
- Электротехника. В 3 кн. Кн. I: Теория электрических и магнитных цепей. Электрические измерения/под ред. П.А. Бутырина, Р.Х. Гафиятуллина, А.Л. Шестакова. -Челябинск. Изд-во ЮУрГУ, 2003. -505 с.
- Калантаров, П.Л. Расчёт индуктивностей: справ. кн./П.Л. Калантаров, Л.А. Цейтлин. -Л.: Энергоатомиздат, 1986. -488 с.
- Немцов, М.В. Справочник по расчёту катушек индуктивности/М.В. Немцов, Ю.М. Шамаев. -М.: Энергоиздат, 1989. -192 с.
- ANSYS Maxwell -Low Frequency Electromagnetic Field Simulation. ANSYS. -http://www.ansys.com/Products/Electronics/ANSYS-Maxwell (дата обращения: 31.08.2017).
- User’s Guide -Maxwell 3D ver. 15. ANSYS. -www.mae.ncsu.edu/buckner/courses/mae535/Maxwell3D.pdf (дата обращения: 31.08.2017).
- Antenna Modeling for Inductive RFID Applications Using the Partial Element Equivalent Circuit Method/P. Scholz, W. Ackermann, T. Weiland, C. Reinhold//IEEE Trans. Magn. -2010. -Vol. 46, no. 8. -P. 2967-2970 DOI: 10.1109/TMAG.2010.2043824
- Герасимов, В.А. Управление ключами автономного инвертора и защита от перенапряжений/В.А. Герасимов, А.Ю. Филоженко, П.И. Чепурин//Материалы девятой всероссийской научно-практической конференции «Перспективные системы и задачи управления». -Таганрог: Изд-во ЮФУ, 2014. -С. 300-314.
