[发明专利]潜航器长距离直流馈电系统

说明书

技术领域

本发明一种潜航器长距离直流馈电系统，属于轻型直流输电技术领域。

背景技术

潜航器（水下行走机器人）在海洋安全、水下排爆、海底石油开采等深水无人作业领域有着十分广阔的应用前景。潜航器所需的全部电源由水面基站通过长距离脐带电缆馈送。为了减小潜航器在水下运动的阻力，要求所采用的馈电电缆的线径尽可能小，水下变换器的体积尽可能小、重量尽可能轻。为了扩大潜航器在水下的运动半径，要求所采用的馈电电缆的长度尽可能大。但是，细小的线径和较长的电缆长度将造成电缆的损耗非常严重，传输效率很低，能够传输到水下潜航器的功率受到很大限制。为了减小水下电源变换器的重量和体积以减小潜航体的重量和体积，水下变化器的拓扑结构和工作方式成为关键问题。

国内进行潜航体技术研发的主要是一些军工科研单位。在潜航体馈电技术方面，目前最先进的技术是采用中频高压交流传输方案，该方案先将水面基站的低压交流电源整流后得到直流电，再将所得到的直流电逆变为400Hz交流电，经过升压变压器后变为中频高压交流电，通过脐带电缆传输到水下。水下变换器采用中频降压变压器和整流电路获得低压直流电供潜航体使用。该方案采用高压传输以减小线缆的传输电流和损耗，采用400Hz中频以减小水下电源变换器的重量和体积。但该方案存在严重不足。第一，因采用400Hz中频交流传输电力，脐带电缆的分布感抗相对于工频增加到了8倍，分布容抗相对于工频降低到了1/8。分布感抗的增大进一步使线路的压降增大，分布容抗的降低使线路无功电流加大，结果，线路能够传输到末端的有功功率大大减少，线缆的无功损耗增大很多。第二，末端经过降压变压器后，采用的是三相桥式整流电路，使得脐带电缆上电流的谐波THD可以达到300%-500%，电流的峰值可以达到基波的十倍以上，且谐波电流最低次为5倍频即2kHz，产生趋肤效应严重，进一步加重线缆发热。第三、水面基站因采用不控整流和逆变变频电路，所产生的交流谐波严重污染水面交流电源，多数情况下该电源为三相市电电网，使得水面仪器设备受干扰严重，甚至波及到附近的其它电气设备。因此，电源传输技术是潜航体技术的一大瓶颈，该瓶颈将潜航体技术应用限制在已有的小功率、浅水、近海范围。

发明内容

为了克服已有的高压中频交流馈电技术的瓶颈效应，本发明提供一种潜航器长距离直流馈电系统，以提高传输效率与传输功率，扩大潜航器的应用范围，将潜航器技术推向深海和远海。

本发明采取的技术方案为：潜航器长距离直流馈电系统，包括水面交流电源、水面高压直流柜、直流馈电电缆、水下电源变换器；水面交流电源连接所述高压直流柜，所述高压直流柜通过直流馈电电缆连接所述水下电源变换器；所述高压直流柜内部安装有高频PWM交流斩波器、三相三绕组变压器、三相整流桥、平波电抗器和滤波电容器；

高频PWM交流斩波器连接三相三绕组变压器，三相三绕组变压器连接三相整流桥，三相整流桥连接平波电抗器以及滤波电容器；

所述高频PWM交流斩波器为三相Buck型脉宽调制AC/AC交流斩波器，每相分别连接有两个全控型半导体电子开关，经过三相LC滤波器后输出交流，所述高频PWM交流斩波器采用改变占空比方式调节斩波器的输出电压；

所述三相三绕组变压器、三相整流桥、平波电抗器、滤波电容器构成十二脉波整流器；

所述三相三绕组变压器原边为三角型连接、两个副边绕组一个为三角型连接、另一个为星形连接，并分别连接到三相整流桥；

所述三相整流桥直流负端与所述三相整流桥直流正端相连，串联输出直流电压，所述三相整流桥直流正端与所述三相整流桥直流负端分别与平波电抗器相连；所述的平波电抗器与滤波电容器相连。

所述水下电源变换器为三电平Buck式DC/DC高频变换器。

所述水下电源变换器安装在潜航器内，用于将高压直流电变换为低压直流电供潜航器用。

所述直流馈电电缆两端分别与高压直流柜、所述水下电源变换器连接。

所述直流馈电电缆长度≥2Km。

    本发明一种潜航器长距离直流馈电系统的优点是：

1、本发明采用直流传输方案，克服了已有的高压中频交流馈电技术的瓶颈效应，不存在交流传输受脐带电缆分布参数的影响问题，提高了传输效率与传输功率，解决了电缆直径要求与损耗发热之间的矛盾，扩大了潜航体的应用范围，将潜航体技术推向深海和远海。

2、本发明采用高频工作方式，水下电源变换器功率密度高于已有的中频传输方案，体积与重量均远小于中频传输。