Серия «Энергетика»

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.

Stanimir S. Valtchev, Elena N. Baikova, Luis R. Jorge. Electromagnetic Field as the Wireless Trans-porter of Energy. Facta Universitatis, Ser: Elec. Energ, 2012, Vol. 25, no. 3, pp. 171–181. DOI: 10.2298/FUEE1203171V

Wang X., Shang J., Luo Z., Tang L., Zhang X., Li J. Reviews of Power Systems and Environmental Energy Conversion for Unmanned Underwater Vehicles. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2012, vol. 16, iss. 4, pp. 1958–1970. DOI: 10.1016/j.rser.2011.12.016

Illarionov G.Yu., Sidenko K.S., Bocharov L.Yu. Ugroza iz glubiny: XXI vek [Threat from the Depths: XXI Century]. Khabarovsk, Khabarovskaya kraevaya tipografiya, 2011. 304 p.

McGinnis, T., Henze, C.P., Conroy, K., 2007. Inductive Power System for Autonomous Underwater

Vehicles. OCEANS, 1–5, pp. 736–740. DOI: 10.1109/OCEANS.2007.4449219

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

Saishenagha D., Devika M. Wireless Charging System Using High Power, High Frequency Magnetic Interface for Underwater Electric Vehicles. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 2016, vol. 11,

pp. 6977–6981.

Wang S., Song B., Duan G., Du X. Automatic Wireless Power Supply System to Autonomous Under-water Vehicles by Means of Electromagnetic Coupler. J. Shanghai Jiaotong Univ. (Sci.), 2014, vol. 19 (1), pp. 110–114. DOI: 10.1007/s12204-014-1478-6

Shi J., Li D., Yang C. Design and Analysis of an Underwater Inductive Coupling Power Transfer Sys-tem for Autonomous Underwater Vehicle Docking Applications. J Zhejiang University-Science C (Computers & Electronics), 2014, vol. 15 (1), pp. 51–62. DOI: 10.1631/jzus.C1300171

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

Martynov А.А., Samsygin V.К., Sokolov D.V., Kokovinov A.A., Nikulkin K.A. [Wireless Charger for the Un-derwater Unmanned vVehicle]. Trudy Krylovskogo gosudarstvennogo nauchnogo tsentra [Proceedings of the Krylov State Research Center], 2017, no. 2 (380), pp. 92–100. (in Russ.) DOI: 10.24937/2542-2324-2017-2-380-92-100

Kraskovskiy M.V., Gerasimov V.A., Kuvshinov G.E., Filozhenko A.Y. The Use of Resonance for Current Downloading of the Transistor Keys of the Inverter. International Journal of Control Theory and Ap-plications, 2016, vol. 9, iss. 30, pp. 305–311.

Illarionov G.Yu., Shcherbatyuk A.F., Kushnerik A.A., Kvashnin A.G. [Seabed Mooring Facilities for Autonomous Underwater Vehicles]. Dvoynye tekhnologii [Dual Technologies], 2011, no. 1, pp. 13–21. (in Russ.)

Ze-song Li, De-jun Li, Lin Lin, Ying Chen. Design Considerations for Electromagnetic Couplers in Contactless Power Transmission Systems for Deep-Sea Applications. J Zhejiang University-Science C (Com-puters & Electronics), 2010, vol. 11 (10), pp. 824–834. DOI: 10.1631/jzus.C09107

Butyrin P.A., Gafiyatullin R.Kh., Shestakova A.L. (Ed.) Elektrotekhnika. – V 3-kh knigakh. Kniga I. Teoriya elektricheskikh i magnitnykh tsepey. Elektricheskie izmereniya [Electrical Engineering. – In 3 Books. Book I. Theory of Electric and Magnetic Circuits. Electrical Measurements]. Chelyabinsk, South Ural St. Univ. Publ., 2003. 505 p.

Kalantarov, P.L., Tseytlin, L.A. Raschet induktivnostey: Spravochnaya kniga [Calculation of Induct-ances: Reference Book], Moscow, Energoatomizdat Publ., 1986. 488 p.

Nemtsov, M.V., Shamaev, Yu.M. Spravochnik po raschetu katushek induktivnosti [Reference for Cal-culation of Inductance Coils], Moscow, Energoizdat Publ., 1989. 192 p.

ANSYS Maxwell – Low Frequency Electromagnetic Field Simulation. ANSYS. Available at: http://www.ansys.com/Products/Electronics/ANSYS-Maxwell (accessed 31.08.2017).

User’s Guide – Maxwell 3D ver. 15. ANSYS. Available at: www.mae.ncsu.edu/buckner/courses/ mae535/Maxwell3D.pdf (accessed 31.08.2017).

Scholz P., Ackermann W., Weiland T., Reinhold C. Antenna Modeling for Inductive RFID Applica-tions Using the Partial Element Equivalent Circuit Method. IEEE Trans. Magn., 2010, vol. 46, no. 8, pp. 2967–2970. DOI: 10.1109/TMAG.2010.2043824

Gerasimov V.A., Filozhenko A.Ju., Chepurin P.I. [Keys Control of the Autonomous Inverter and Surge Protection], Devyataya vserossiyskaya nauchno-prakticheskaya konferentsiya “Perspektivnye sistemy i zadachi upravleniya” [Ninth All-Russian Scientific-Practical Conference “Advanced Systems and Control Problems”]. Taganrog, 2014, pp. 300–314. (in Russ.)