一种基于矩阵变换的ROV动力传输系统及方法

技术领域

本发明属于ROV动力传输领域，具体说是一种基于矩阵变换的ROV动力传输系统及方法。

背景技术

有缆遥控潜水器(ROV)具有控制灵活、能源充足、安全性高的特点，被广泛应用于水下领域。动力传输系统作为ROV的一个重要组成，是潜水器运动、控制及作业的基础保证，合理的动力传输系统设计也是ROV综合性能的重要保证。ROV多采用高压交流的形式通过铠缆向潜水器传输交流动力电，潜水器经变压及整流为直流后为推进装置以及控制装置供电，其优点在于高压传输可以降低铠缆中的传输电流，但其缺点在于这种传输方式，随着潜水器功率的提升，水下变压装置的体积会随功率的增加而增加，无法合理利用潜水器框架内有限的空间。

为了保证ROV设计的实现，实现潜水器的小体积高功率，水面端可采用高压高频的方式进行向下传输，可有效的缓解水下变压装置体积与功率之间的矛盾。但是由于铠缆长度较长，在高频交流电传输时，会产生非常大的阻性损耗和介质损耗，导致传输效率的大大降低。若要满足小体积大功率ROV的应用需求，在现有的动力传输模式下，若大幅提高ROV的功率，很难有效解决高效率和转换装置体积之间的矛盾问题。

发明内容

为了克服上述的问题，本发明要解决的技术问题是提供一种ROV动力传输系统，通过该系统可实现潜水器在小体积动力转换装置的情况下，在保证传输效率的情况下，实现潜水器功率提升。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于矩阵变换的ROV动力传输系统，包括：顺次连接的动力分配单元、水面变压单元、矩阵变频单元、高频变压单元以及整流单元；

动力分配单元，用于作为ROV动力传输系统的总输入，接收船舶的交流电，并传输至水面变压单元，同时，对船舶的交流电进行检测的实时监测，并实时显示；

水面变压单元，用于对船舶的交流电升压为高压交流电，通过动力传输缆传输至水下部分的矩阵变频单元中，同时，对高压交流电的电压、电流、绝缘以及单元温度进行实时监测；

矩阵变频单元，用于在水下将高压交流电进行升频至高压高频交流电后，在传输至高频变压单元，以实现减小水面变压单元的体积；

高频变压单元，用于将高压高频交流电降压至潜水器负载及控制系统所需的低压高频交流电，并根据ROV所需负载功率进行供电容量分配；

整流单元，用于将低压高频交流电整流为负载传输至ROV所需的直流电源。

所述动力分配单元，包括：降压变压器以及与控制终端连接的电压表、电流表、相序仪、电能质量监测仪以及接触器；

所述降压变压器，用于对接收船舶的交流电进行降压，以作为水面动力分配单元和水面变压单元的控制电；

所述线缆上设有接触器，所述接触器与控制终端连接，用于控制终端控制将船舶的交流电的传输至水面变压单元状态的通断；

所述电压表、电流表、相序仪、电能质量监测仪分别接入船舶的交流电线缆的测量点上，分别用于检测输入的船舶交流电的电压、电流、交流电的相序以及对输入的船舶交流电的有功功率、无功功率以及电源质量进行实时监测，并将检测结果发送至控制终端实时显示。

所述水面变压单元，包括：升压变压器、电流互感器、电压互感器以及绝缘检测仪；

所述升压变压器的一次侧接入动力分配单元，升压变压器的二次侧通过动力传输缆传输至水下部分的矩阵变频单元中；

所述升压变压器的二次侧并联设有电压互感器，用于检测升压后的高压交流电的电压大小；

所述电流互感器串联升压变压器二次侧一端，传输线缆穿过电流互感器感应线圈，以通过电磁感应原理，测出升压后的高压交流电的电流大小；

所述绝缘检测仪，用于对高压交流电的线缆的绝缘进行检测，升压变压器中性点输入至绝缘检测仪，当绝缘仪检测到变压器高压端的对地绝缘电阻低于预设值时输出断电控制信号至接触器进行断电，并发出报警信号传输至远端控制台进行采集。

所述矩阵变频单元，包括：相互连接的变频电路和控制单元；

所述变频电路为18个IGBT模块组成的3X3阵列式变换器，每个交点为两个IGBT模块组成的双向可控开关组，其输入端为水面变压单元通过铠缆传输的三相高压工频交流电，输出三相高压高频交流电至高频变压单元；

所述控制单元，用于根据频率变换要求输出矩阵变频单元的时序控制信号。

所述高频变压单元为单输入多输出的变压器，输入端接入矩阵变频单元的变频电路的输出端，高频变压单元的输出端有多个，包括：一组130VAC/200Hz的控制输出线圈与两组220VAC/200Hz动力输出线圈；

所述两组220VAC/200Hz动力输出线圈分别通过整流单元整流后得到的+300VDC与-300VDC接入推进系统，用于作为ROV的推进系统与液压系统的供电输入；

所述一组130VAC/200Hz控制输出线圈通过整流单元整流后的175VDC直流电压，作为潜水器控制系统的总供电输入。

所述整流单元为多个三相桥式整流电路，每个三相桥式整流电路中整流输入端对应接入高频变压单元的一个输出端，整流输出端接入ROV的推进系统与液压系统的负载，以及控制系统的负载。

一种基于矩阵变换的ROV动力传输系统的传输方法，包括以下步骤：

1)系统运行后，船舶的交流电由动力分配单元输入至ROV动力传输系统；

2)船舶的交流电经动力分配单元分配后，一路通过降压变压器变压为水面控制电，另一路通过控制系统控制接触器输出至水面变压单元；

3)水面变压单元将低压工频交流电升压为高压工频交流电，并将高压工频交流电通过铠缆传输至水下潜水器的矩阵变频单元；

4)矩阵变频单元将高压工频交流电变频为高压高频交流电，并发送至高频变压单元；

5)高频变压单元将高压高频交流电变压为多路低压高频交流电；并由整流单元根据负载与控制系统的实际需求，将多路低压高频交流电整流为ROV的推进系统与液压系统的供电输入，以及控制系统所需的直流电。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明体积小，传输效率高。本发明的核电路具有较高的传输效率，矩阵变频单元装置具有较高的功率因数与较小的体积，可有效的降低电力传输损耗。

2、本发明适应性强。本发明的核心电路结构与配置参数可根据实际应用需求进行配置，具有较强的灵活性。

3、本发明安全性强。本发明不仅设计了动力传输系统的主电路，而且充分考虑了安全检测功能，保证潜水器及人身安全。

4、本发明通用性强。本发明可不仅可以应用于水下潜水器，也可应用于其他具有长距离传输系统的综合型装备。

附图说明

图1为ROV动力传输系统组成；

图2为基于矩阵变换的ROV动力传输系统组成；

图3为基于矩阵变换的ROV动力传输系统原理图；

图4为本发明的矩阵变频单元结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，为ROV动力传输系统的组成，主要由水面与水下两部分组成，其中水面部分主要负责船舶动力电的管理、分配与升压，升压后的高压电经铠缆传输至水下潜水器，水下部分主要负责动力电的降压、整流与负载驱动，最终由水面部分与水下部分及铠缆共同组成一套完整的动力传输系统，系统参数根据ROV的应用需求进行设计。

如图2所示，为基于矩阵变换的电动ROV动力传输系统组成。本发明包括：顺次连接的动力分配单元、水面变压单元、矩阵变频单元、高频变压单元以及整流单元；

动力分配单元，用于作为ROV动力传输系统的总输入，接收船舶的交流电，并传输至水面变压单元，同时，对船舶的交流电进行检测的实时监测，并实时显示；

水面变压单元，用于对船舶的交流电升压为高压交流电，通过动力传输缆传输至水下部分的矩阵变频单元中，同时，对高压交流电的电压、电流、绝缘以及单元温度进行实时监测；

矩阵变频单元，用于在水下将高压交流电进行升频至高压高频交流电后，在传输至高频变压单元，以实现减小水面变压单元的体积；

高频变压单元，用于将高压高频交流电降压至潜水器负载及控制系统所需的低压高频交流电，并根据ROV所需负载功率进行供电容量分配；

整流单元，用于将低压高频交流电整流为负载传输至ROV所需的直流电源。

针对电动ROV，动力传输系统主要依据潜水器功率进行设计。为了能够有效降低铠缆传输电流，减小铠缆直径，水面部分一般采用高压传输，传输至水下后，根据潜水器设备需求进行降压变换。当水下变压装置容量以及变比确定时，装置体积与电压的频率成反比，所以为了减小水下变压装置的体积，降低变压装置对潜水器空间的占用，水面可采用高压高频进行向下传输，但长距离高压高频传输会因传输损耗而大大降低系统的传输效率，所以为了解决传输效率与变压装置体积之间的矛盾问题，本发明采用水面高压工频方式向下传输，在水下部分通过矩阵变频单元进行升频后再进行降压变换，可有效控制变压装置体积，提高系统的传输效率。

如图3所示，为基于矩阵变换的ROV动力传输系统组成及运行原理图。

动力分配单元，包括：降压变压器以及与控制终端连接的电压表、电流表、相序仪、电能质量监测仪以及接触器；

降压变压器，用于对接收船舶的交流电进行降压，以作为水面动力分配单元和水面变压单元的控制电；

线缆上设有接触器，所述接触器与控制终端连接，用于控制终端控制将船舶的交流电的传输至水面变压单元状态的通断；

电压表、电流表、相序仪、电能质量监测仪分别接入船舶的交流电线缆的测量点上，分别用于检测输入的船舶交流电的电压、电流、交流电的相序以及对输入的船舶交流电的有功功率、无功功率以及电源质量进行实时监测，并将检测结果发送至控制终端实时显示。

系统总输入为380VAC/50Hz的船舶交流电，动力分配单元对输入的船舶交流电进行电压、电流、相位、有功功率、无功功率以及电源质量进行实时监测，并通过以太网传输至远端控制台进行显示。船舶交流电经380VAC/220VAC变压器降压后输出的220VAC/50Hz交流电应用于动力传输系统水面部分控制以及为水面部分其他系统进行供电。接触器由远程控制端进行开/合控制，船舶交流电经接触器传输至水面变压单元。

水面变压单元，包括：升压变压器、电流互感器、电压互感器以及绝缘检测仪；

升压变压器的一次侧接入动力分配单元，升压变压器的二次侧通过动力传输缆传输至水下部分的矩阵变频单元中；

升压变压器的二次侧并联设有电压互感器，用于检测升压后的高压交流电的电压大小；

电流互感器串联升压变压器二次侧一端，传输线缆穿过电流互感器感应线圈，以通过电磁感应原理，测出升压后的高压交流电的电流大小；

绝缘检测仪，用于对高压交流电的线缆的绝缘进行检测，升压变压器中性点输入至绝缘检测仪，当绝缘仪检测到变压器高压端的对地绝缘电阻低于预设值时输出断电控制信号至接触器进行断电，并发出报警信号传输至远端控制台进行采集。

水面变压单元将380VAC/50Hz交流电升压至3000VAC/50Hz高压交流电，电压升高但频率保持不变，同时对高压交流电进行电压、电流监测，为了保护装置及人身安全，对3000VAC/50Hz高压交流电的绝缘进行实时监测，当出现绝缘故障时，自动切断高压输出，并向远程控制端发送报警指令。高压交流电由水面变压单元通过铠缆向水下进行传输，在工频50Hz频率下进行传输时，只考虑铠缆线阻压降所带来的传输损耗即可。

如图4所示，为本发明矩阵变频单元的结构示意图，矩阵变频单元为18个IGBT模块组成的3X3阵列式变换器，每个交点为两个IGBT模块组成的双向可控开关组，其输入端为水面变压单元通过铠缆传输的三相高压工频交流电，输出三相高压高频交流电通过输出端ABC接入至高频变压单元的三相；

控制单元，用于根据频率变换要求输出矩阵变频单元的时序控制信号。

矩阵变频单元将水面下传的3000VAC/50Hz高压交流电进行频率变换，变换至3000VAC/200Hz，由于后端的变压单元在一定容量和变比情况下，其体积随着输入频率的升高而减小，所以为了降低变压装置的体积，同时减小水面向水下进行电力传输的损耗，在水下端将50Hz工频变换至200Hz高频。其中，矩阵变频单元由变频主电路和控制单元组成，其中，变频主电路由3*3的IGBT矩阵，共计18个IGBT模块及电容电感等外围器件组成，控制单元以嵌入式系统进行设计，根据频率变换要求输出矩阵变换的主电路的时序控制信号。矩阵变频单元输入端为水面变压单元通过铠缆传输的三相高压工频交流电，输出三相高压高频交流电至高频变压单元；矩阵变频单元具有体积小，功率因数高的优点。

高频变压单元为单输入多输出的变压器，输入端接入矩阵变频单元的矩阵变频单元的输出端，高频变压单元的输出端有多个，包括：一组130VAC/200Hz的控制输出线圈与两组220VAC/200Hz动力输出线圈；

两组220VAC/200Hz动力输出线圈分别通过整流单元整流后得到的+300VDC与-300VDC接入推进系统，用于作为ROV的推进系统与液压系统的供电输入；

所述一组130VAC/200Hz控制输出线圈通过整流单元整流后的175VDC直流电压，作为潜水器控制系统的总供电输入。

高频变压单元将输入的3000VAC/200Hz高压高频交流电降压至潜水器作业所需电压幅值。为了兼容潜水器多单元的供电需求，高频变压单元为单输入多输出模式，其输出包括一组130VAC/200Hz与两组220VAC/200Hz，其中130VAC/200Hz经整流后为175VDC直流电压，作为潜水器控制系统的总供电输入。两组220VAC/200Hz经整流后分别+300VDC与-300VDC，作为推进系统与液压系统的供电输入，其中，整流单元为多个三相桥式整流电路，每个三相桥式整流电路中整流输入端对应接入高频变压单元的一个输出端，整流输出端接入ROV的推进系统与液压系统的负载，以及控制系统的负载。

由于本发明所设计的动力传输系统以6000米电动ROV为基础进行设计，在其他水下平台及应用领域应用过程中，可根据实际的需求进行调整与设计。

综上所述，基于矩阵变换的ROV动力传输系统能够有效的解决远距离传输效率与动力传输装置体积之间的矛盾，矩阵变频装置具有体积小、功率因数高的特点，进一步提高了系统的传输效率。同时本发明所设计的动力传输系统可通过灵活的参数配置应用于其他潜水器平台以及远距离传输系统。

如图3所示，本发明一种基于矩阵变换的ROV动力传输系统的传输方法，包括以下步骤：

1)系统运行后，船舶的交流电由动力分配单元输入至ROV动力传输系统；

2)船舶的交流电经动力分配单元分配后，一路通过降压变压器变压为水面控制电，另一路通过控制系统控制接触器输出至水面变压单元；

3)水面变压单元将低压工频交流电升压为高压工频交流电，并将高压工频交流电通过铠缆传输至水下潜水器的矩阵变频单元；

4)矩阵变频单元将高压工频交流电变频为高压高频交流电，并发送至高频变压单元；

5)高频变压单元将高压高频交流电变压为多路低压高频交流电；并由整流单元根据负载与控制系统的实际需求，将多路低压高频交流电整流为ROV的推进系统与液压系统的供电输入，以及控制系统所需的直流电。

本发明体积小，传输效率高。本发明的核电路具有较高的传输效率，矩阵变频单元装置具有较高的功率因数与较小的体积，可有效的降低电力传输损耗。本发明适应性强。本发明的核心电路结构与配置参数可根据实际应用需求进行配置，具有较强的灵活性。本发明安全性强。本发明不仅设计了动力传输系统的主电路，而且充分考虑了安全检测功能，保证潜水器及人身安全。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。