Источник питания для станций безобмоточного размагничивания кораблей

Изобретение относится к области размагничивания кораблей и может быть использовано для питания рабочих обмоток размагничивания с установкой на судах размагничивания и на береговых станциях размагничивания взамен используемых в настоящее время электромеханических систем. В основе изобретения лежит использование емкостного накопителя энергии и принцип широтно-импульсной модуляции для обеспечения повышенной точности поддержания заданных параметров импульсов размагничивания. Техническим результатом является снижение требований к мощности питающей сети, уменьшение массогабаритных характеристик, высокий КПД, простота обслуживания, бесшумность и повышение надежности. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к устройствам размагничивания кораблей.

Для размагничивания кораблей применяются источники питания двух видов.

Источники питания для обмоточного размагничивания.

Устройства этого типа создают постоянное магнитное поле, вектор которого по величине и направлению противоположен вектору намагниченности корпуса корабля. При этом размагничивающие обмотки располагаются непосредственно в корпусе корабля. Примером такого устройства может служить патент RU 2289192 С1 от 12.05.2005 г., используемый в настоящее время на кораблях ВМФ РФ и Индии. Устройства такого типа представляют собой систему размагничивания, расположенную непосредственно на корабле.

Источники питания для станций безобмоточного размагничивания.

Устройства этого типа создают последовательность знакопеременных импульсов тока в охватывающей корабль, временно наложенной на корпус, обрабатывающей обмотке. Амплитуда импульсов тока уменьшается по заданному закону от нескольких тысяч ампер, для первого импульса, до минимального значения, составляющего десятки ампер, для последнего. Возникающее вследствие этого в объеме корпуса корабля магнитное поле обеспечивает разрушение постоянного магнитного поля корабля, которое возникает в процессе его постройки и эксплуатации. Выходная мощность источника питания, необходимая для формирования первого импульса тока цикла безобмоточного размагничивания, достигает 4 МВт. Источники питания для станций безобмоточного размагничивания располагаются на специальных судах размагничивания или на береговых станциях размагничивания.

В книге «Физика и техника сильных магнитных полей», изд. «Наука», Москва, 1964 г., в § 3 «Работы П.Л. Капицы по получению сильных магнитных полей» описан сконструированный П.Л. Капица мотор-генератор, ротор которого весил 2500 кг. Кинетической энергии ротора хватало для развития необходимой мощности. Именно этот принцип до настоящего времени используется для получения импульсов знакопеременного магнитного поля большой мощности.

Примером могут служить станции размагничивания на судах проекта 130 (http://forums.airbase.ru проект 130). В общем случае в состав станции размагничивания входят:

- генераторы постоянного тока, приводимые во вращение первичными двигателями с накопителями энергии в виде маховика;

- система запуска и поддержания частоты вращения преобразователей;

- преобразователи;

- возбудители генераторов постоянного тока;

- программозадающий прибор (задающее устройство), формирующий программу электромагнитного обслуживания;

- регуляторы генераторов постоянного тока, обеспечивающие точностные показатели токов в контурах;

- коммутационная аппаратура, аппаратура защиты и сигнализации.

Данный аналог обладает следующими недостатками:

- громоздкость;

- низкая надежность;

- высокая стоимость изготовления;

- высокая стоимость обслуживания;

- несоответствующая современным требованиям точность управления током (увеличению точности препятствует большая инерционность системы двигатель - генератор);

- низкий КПД.

Прототипом настоящего изобретения принимаем патент RU 2289192 С1 МПК Н02М 7/04 B63G 9/06 «Источник питания электромагнитных компенсаторов», опубликованный 20.03.2011 г. Прототип обладает высокой точностью управления током, высоким КПД, малыми габаритами и низкой стоимостью, однако при использовании его в качестве источника питания для станций безобмоточного размагничивания кораблей потребуется сеть мощностью не менее мощности первичного импульса размагничивания, т.е. более 4 МВт с учетом КПД. В то же время в соответствии с технологией метода безобмоточного размагничивания источник питания должен сформировать последовательность знакопеременных импульсов, уменьшающихся по амплитуде по заданному закону.

Таким образом, средняя мощность импульсов значительно меньше мощности первичного импульса.

Задача изобретения заключается в уменьшении мощности питающей сети. Поставленная задача решается источником питания для станций безобмоточного размагничивания кораблей, содержащим источник трехфазного напряжения, соединенный с пусковым блоком с автоматическим выключателем, зарядное устройство, емкостной накопитель, коммутатор, датчик тока, регулятор параметров импульса, отличающийся тем, что выход пускового блока соединен с зарядным устройством, положительный и отрицательный выходы которого через гасящие дроссели соединены с емкостным накопителем, выходы которого подключены к мостовому коммутатору, в диагональ которого через последовательно соединенные высокочастотный фильтр и датчик тока включена обмотка размагничивания, а выход датчика тока по цепи обратной связи соединен со входом регулятора параметров импульса, один выход которого соединен со входами управления мостового коммутатора, а второй выход - с пусковым блоком.

Кроме того, источник содержит фазосдвигающий ШИМ-контроллер, вход которого соединен с суммирующим усилителем, а выходы АС и BD попарно соединены со схемами «ИЛИ», выходы которых соединены каждый с двумя схемами «И», вторые входы которых соединены с задающим устройством, одна пара схем «И» напрямую, а вторая пара - через схему «НЕ», выходы схем «И» соединены с драйверами, входящими в регулятор параметров импульса.

Технический результат достигается путем использования емкостного накопителя, заряд которого происходит в паузах между сериями импульсов размагничивания, и использования управляемого программируемым регулятором параметров импульса мостового коммутатора на IGBT-транзисторах, который формирует длительность и устанавливает полярность импульсов.

Фиг.1 - структурная схема источника питания для станций безобмоточного размагничивания кораблей.

Фиг.2 - принципиальная схема мостового коммутатора.

Фиг.3 - функциональная схема регулятора параметров импульса.

Фиг.4 - функциональная схема управляющего устройства.

Сокращения, принятые на чертежах:

- ВЧ фильтр - высокочастотный фильтр;

- ДР1…ДР4 - драйверы;

- VT1…VT4 - транзисторные модули;

- ЦАП - цифроаналоговый преобразователь;

- CP - судно размагничивания.

Предлагаемый на фиг.1 источник питания для станций безобмоточного размагничивания кораблей содержит источник трехфазного напряжения 1, соединенный с пусковым блоком с автоматическим выключателем 2, выход которого соединен с зарядным устройством 3, положительный и отрицательный выходы которого через гасящие дроссели 4 и 5 соединены с емкостным накопителем 6, выходы которого подключены к мостовому коммутатору 7, в диагональ которого через последовательно соединенные высокочастотный фильтр 8 и датчик тока 9 включена обмотка размагничивания 10, выход датчика тока 9 по цепи обратной связи соединен со входом регулятора параметров импульса 11, один выход которого соединен со входами управления мостового коммутатора 7, а второй выход - с пусковым блоком 2.

Управляющее устройство на фиг.4, входящее в регулятор параметров импульса 11 источника питания для станций безобмоточного размагничивания кораблей, содержит фазосдвигающий ШИМ-контроллер типа 1308 ЕУ2Е (UC3875), вход которого соединен с суммирующим усилителем, а выходы А и С; В и D попарно соединены со схемами «ИЛИ», выходы которых соединены каждый с двумя схемами «И», вторые входы которых соединены с задающим устройством, одна пара схем «И» - напрямую, а вторая пара - через схему «НЕ», выходы схем «И» соединены с драйверами, входящими в регулятор параметров импульса 11.

Работает источник следующим образом.

При получении команды от регулятора параметров 11 пусковой блок 2 подключает зарядное устройство 3 к источнику трехфазного напряжения 1. Зарядное устройство преобразовывает переменное трехфазное напряжение в постоянный ток, при падении выходного напряжения ниже заданной величины устанавливает требуемый зарядный ток и обеспечивает гальваническую развязку от питающей сети. В качестве зарядного устройства может быть использовано тиристорное зарядное устройство ТЗУ производства ООО «Звезда-Электроника», в котором все эти функции предусмотрены. Далее выпрямленное напряжение через гасящие дроссели 4 и 5 поступает на емкостной накопитель 6. Гасящие дроссели предназначены для уменьшения броска тока в момент включения и для защиты зарядного устройства 3. Ориентировочно параметры дросселя - от 200 А, 0,5 мГн. Ориентировочно емкость накопителя должна быть в районе 100 Фарад и зависит от требуемого тока и напряжения первичного импульса в обмотке размагничивания. В качестве конденсаторов накопителя могут быть использованы конденсаторы типа ИКЭ. Напряжение от накопителя 6 поступает на шины питания мостового коммутатора 7 (принципиальная схема представлена на фиг.2), который может быть собран на IGBT транзисторных модулях VT1…VT4 типа МТКИ-3600-12КН. Если максимальный ток обмотки размагничивания превышает 3000 А, то модули допускается соединять параллельно. Модули управляются драйверами ДР1…ДР4. В качестве драйверов могут быть использованы драйверы ДРИ22-30-12-10ПК-1. Драйверы позволяют отпирать и запирать транзисторы с частотой модуляции порядка 20 кГц. Такая высокая частота коммутации необходима по следующим причинам. Так как сопротивление обмотки размагничивания измеряется долями ома, то естественно в ходе импульса, который может длиться до 10 с, напряжение на выходе емкостного накопителя начинает снижаться. Для поддержания постоянного уровня выходного тока ширина модулирующих импульсов увеличивается от начала к концу импульса размагничивания. Так как выходное напряжение емкостного накопителя 6, а следовательно, и амплитуда модулирующих импульсов, превышают напряжение на обмотке 10, то среднее значение тока в обмотке 10 удается поддерживать на одном уровне в течение всего импульса размагничивания с высокой точностью до долей процента от максимального значения тока в обмотке. Для того чтобы исключить пульсацию выходного напряжения коммутатора 7, в диагональ мостовой схемы включен в.ч. фильтр 8, выход которого является выходом устройства и через датчик тока 9 подключается к обмотке размагничивания 10. В качестве датчика тока может быть использован датчик LT2005-T/S Р22. Датчик тока является элементом обратной связи, которая поступает на инверсный вход суммирующего усилителя регулятора параметров импульсов 11, схема которого представлена на фиг.3. Программа работы всего устройства задается оператором на задающем устройстве, который может быть выполнен на основе персональной ЭВМ. Там вырабатывается сигнал пуска устройства, который поступает на пусковой блок 2, а также информация об амплитуде импульсов, длительности фронтов и длительности самих импульсов, длительности пауз и их полярности. Эта информация через цифроаналоговый преобразователь поступает на прямой вход суммирующего усилителя, выход которого поступает на управляющее устройство, формирующее команды управления драйверами коммутатора 7. Управляющее устройство, схема которого представлена на фиг.4, может быть построено на фазосдвигающем резонансном ШИМ-контроллере типа 1308 ЕУ2Е (UC3875), принцип действия которого описан в справочнике «Микросхемы для импульсных источников питания и их применение» (М., издательский дом «Додэка ХХ1», 2001 г., стр.248). Управляющее устройство при положительном направлении тока в импульсе размагничивания запирает транзисторы VT3 и VT2 (фиг.2), а транзисторы VT1 и VT4 используется в качестве ШИМ-модулятора в.ч. импульсов внутри импульса размагничивания. Таким образом, коммутатор 7 объединяет функции ШИМ-модулятора и инвертора, что снижает количество требуемых транзисторов и уменьшает потери. С целью распределения коммутационных потерь между транзисторами в процессе ШИМ на транзистор VT1 от управляющего устройства (фиг.4) подаются сигналы с выходов А и С контроллера, а на транзистор VT4 - с выходов В и D. При таком соединении в процессе формирования импульса ШИМ в одном цикле транзистор VT1 работает на переднем фронте, т.е. в нем формируются потери на отпирание, а транзистор VT4 на заднем фронте, т.е. в нем формируются потери на запирание. В последующем цикле они меняются местами, транзистор VT1 работает на заднем фронте, а транзистор VT4 - на переднем.

Равномерное распределение коммутационных потерь между транзисторами, участвующими в процессе ШИМ, позволяет либо увеличить амплитуду коммутируемого тока, либо повысить частоту процесса и тем самым повысить точность управления током.

При смене полярности импульса размагничивания по команде задающего устройства запирается вторая пара схем «И» (фиг.4) и соответственно драйверы ДР1 и ДР4 (фиг.2) запирают транзисторы VT1 и VT4, а транзисторы VT3 и VT2 начинают работать ШИМ-модулятором, т.к. схемы «И», подключенные к этим драйверам, пропускают управляющие сигналы ШИМ-контроллера.

Таким образом, величина тока в обмотке размагничивания 10, включенной в диагональ мостового коммутатора 7, будет поддерживаться с высокой точностью, а длительность импульсов, их форма и скорость затухания последовательности импульсов будут задаваться оператором задающего устройства.

1. Источник питания для станций безобмоточного размагничивания кораблей, содержащий источник трехфазного напряжения, соединенный с пусковым блоком с автоматическим выключателем, зарядное устройство, мостовой коммутатор, обмотку размагничивания, датчик тока и регулятор параметров импульса, отличающийся тем, что выход пускового блока соединен с зарядным устройством, положительный и отрицательный выходы которого через гасящие дроссели соединены с емкостным накопителем, выходы которого подключены к мостовому коммутатору, в диагональ которого через высокочастотный фильтр включены последовательно соединенные датчик тока и обмотка размагничивания, а выход датчика тока по цепи обратной связи соединен со входом регулятора параметров импульса, один выход которого соединен со входами управления мостовой схемы, а второй выход - с пусковым блоком.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит фазосдвигающий ШИМ-контроллер, вход которого соединен с суммирующим усилителем, а выходы АС и BD попарно соединены со схемами «ИЛИ», выходы которых соединены каждый с двумя схемами «И», вторые входы которых соединены с задающим устройством, одна пара схем «И» напрямую, а вторая пара - через схему «НЕ», выходы схем «И» соединены с драйверами, входящими в мостовой коммутатор.