图3 水下电机满载和空载时电压降情况

从图3中可知线路实际电压降为-60V～-175V，实际电机端电压4230V～4125V，实际相对电机端电压压降百分比+1.8%～-0.8%，可满足IEC-1（IEC -1-2017,Rotating electrical machines-Part1:Rating and performance,2017）中规定的电机运行最大允许±10%以内的电压波动的要求，所以设计结果可行。

5. 工程验证

2017年在某项目中，依据供电主电路和参数设计了6000水深150hp ROV供电系统。图4为该系统供电监控，从运行可知ROV水下电机端电压为4200V，空载时电流为6A，与设计和仿真大体一致。通过对该ROV供电系统的调试验证，各负载供电正常可靠。

图4 供电系统监控

6. 结束语

本文针对深海工作级ROV供电系统进行研究，提出了一种ROV供电系统参数选择设计方法，并从仿真和实际应用两个角度验证该设计方法的有效性。从仿真及应用结果可以看出采用该方法所设计的ROV供电系统参数在满足系统作业要求的前提下提高了ROV系统的经济性。

本文详细介绍深海工作级ROV的供电系统负载情况，分析了ROV供电系统设备选型的关键技术问题，针对ROV供电系统特殊需求提出了关键参数的选择计算方法。最后，以6000米级150hp ROV为例进行供电系统关键参数选择计算，并通过仿真及实际应用验证说明其可行性。1. 引言遥控水下机器人（Remotely Operated Vehicle，简称ROV）被验证为人类探索开发大海最为实用的工具之一。按照国际海事承包商协会（IMCA）定义，将ROV分为Class I、II、III、IV及V五类，分别代表纯观测ROV、有带载能力观测ROV、工作级ROV、海床工作ROV及处于原理机或开发阶段水下机器人ROV。其中工作级ROV根据功率等级又可分为A、B、C三个等级，分别对应功率范围为100马力以下、100马力到150马力和150马力以上（Capocci R.&G.Dooly& Remotely Operated Vehicles-A Review:Marine Science and Engineering,2017）。从ROV水下动力源不同进行划分则可以分为液压驱动ROV和电驱ROV两种。其中工作级液压ROV是一种由母船水面通过脐带缆来供电驱动电机后提供的液压源作为动力源的一种水下可运动装备，是当前水下作业领域应用最为广泛的一种ROV（蒋新松，封锡盛，王棣棠著.水下机器人：辽宁科技出版社，2000）。为了满足深海作业需要，用于给ROV水下供电和通信的脐带缆通常会很长，常见的包括3000米、6000米、甚至最深可到达米及以上。长距离输电会带来明显电压降，过大的电压降会导致整个系统电能传输效率降低、从而降低脐带缆终端电机输出功率和输出转矩，甚至可能损坏水下电机。工程中经常通过增加输电线截面积或提高供电电压来降低脐带缆上产生的电压降，但受水下设备绝缘等级、水下电机加工工艺和整体系统经济性等因素限制，工程师往往需要同时增加脐带缆动力线截面积、提高供电电压等级来解决上述电压降过大的问题。船舶供电通常为低压380V/50Hz或690V/50Hz或440V/60Hz，因此需要通过升压变压器来提高水下输电电压。所以如何正确选择升压变压器的输出电压和脐带缆动力线缆截面积尺寸是深海工作级液压ROV高效、可靠供电的关键。本文针对150hp 6000米ROV系统具体分析进行水下设备电压等级、功率及脐带缆截面对稳态运行电压降带来的影响，提出一种ROV供电系统参数选择计算方案，以解决多个因素相互制约下的ROV供电系统参数优化设计问题。2. 供电系统介绍工作级液压ROV系统主要有水面控制单元、供电单元、脐带缆、布放绞车、A架、水下TMS（Tether Management System，脐带缆管理系统，选配）、ROV本体以及辅助调试HPU单元组成。其中水面及水下负载主要包括ROV电机、ROV POD（ROV水下电子仓）、TMS电机、TMS POD（TMS水下电子仓）、集装箱配电、水面控制系统、LARS（Launch and Recover System，布放回收系统）系统。对应150hp液压ROV的负载分配情况如表1所示：表1 150hp液压ROV负载情况序号 位置 负载说明 负载容量 相数1 水下 ROV电机，异步电机驱动液压泵 200kVA 三相2 水下 ROV POD，为ROV水下仪器设备供电 6kVA 单相3 水下 TMS电机，异步电机驱动液压泵 10.5kVA 三相4 水下 TMS POD，为TMS水下仪器设备供电 3kVA 单相5 水面 集装箱，照明、空调等 10kVA 三相6 水面 甲板调试泵站，异步电机及控制部件 18.5kVA 三相7 水面 控制部件 17.5kVA 单相8 水面 绞车液压泵站，异步电机及控制部件 270kVA 三相根据水面和水下负载划分情况，将ROV供电系统分为2路船舶供电输入，如图1所示：ROV进线表示船电输入1，三相440V/60Hz，供电设备包含ROV水下电机、ROV POD、TMS水下电机、TMS POD、水面控制系统、集装箱配电柜、甲板调试泵；LARS进线表示船电输入2，对应三相440V/60Hz，用于对LARS系统单独供电。图1 150hp液压ROV供电系统QF0～QF7——断路器；KM1～KM4——接触器；T1～T7——变压器；M1～M2——水下电机；POD1和POD2分别为ROV水下电子配电和TMS 水下电子配电。水下供电回路包括：ROV电机回路1、ROV POD回路2、TMS电机回路3、TMS POD回路4，各支路设置断路器及接触器，实现自动通断控制及保护。ROV电机和TMS电机由水面供电系统通过三相升压变压器后由脐带缆供电。ROV POD和TMS POD由水面供电系统两相供电，通过单相变压器后脐带缆输送再经水下降压后供电。水面供电回路包括：水面控制回路5、集装箱配电回路6、甲板调试泵站回路7，采用断路器直接供电。回路5由多绕组变压器向ROV进线取电后变换出230V及110V绕组。其中230V绕组经UPS后接开关电源为各控制部件供电，110V为控制辅助部件供电。3. 供电设计研究三相系统和单相系统电压降计算分别见公式(1)和公式(2)（彭鹤，深水ROV动力传输及供电系统研制：浙江大学，2012）。其中为三相负载线间电压降，单位V；为单相负载电压降，单位V；为水面至水下负载单程缆长的电阻值，单位Ω，为供电设备工作相电流，单位A。对水下TMS电机及TMS POD，表示从水面升压变压器至TMS系统对应导线的电阻，需要同时考虑从升压变压器至LARS系统和从LARS系统至TMS系统两段导线对应电阻。对水下ROV电机及ROV POD，表示从水面升压变压器至ROV本体对应的导线的电阻，因此除了需要考虑从升压变压器至LARS系统的导线电阻、LARS系统至TMS系统的导线电阻，还需要考虑从TMS至ROV本体的导线电阻。对于在不带TMS的ROV系统，其的值升压变压器至LARS系统导线电阻值加上从LARS系统至ROV本体的导线电阻值。脐带缆长度、截面、材质将影响脐带缆的电阻值。供电设备电压、功率、工作状态影响将影响供电设备工作相电流。所以电压降公式(1)、(2)可知，深海工作级ROV供电长距离传输压降主要受脐带缆长度、截面、材质和供电设备电压、功率、工作状态影响。脐带缆供电线材质主要采用铜，导电率按20Ω·mm2/km估算。根据供电设备电压及电流，计算线路允许电阻，进而初选脐带缆截面，再根据长度和选定的截面积和供电设备满载和空载电流状态计算变压器变比。再根据选定的变比、截面积和设备电压情况校验电压降是否满足要求。设计方法流程如图2所示。图2 脐带缆截面积、设备电压及升压变输出电压确定方法按 导 电 率2 0 Ω·m m2/k m 分 别 估 算1 k m ～7 k m 时，截 面 从1.5mm2～35mm2单程总电阻。估算公式见公式(3)，估算数据见表2。其中为 为估算导电率，取20Ω·mm2/km；L为线缆长度，单位km；S为线缆截面积，单位mm2。表2 脐带缆内不同截面线路单程电阻估算线路总长度按电阻率20Ω·mm2/km估算线路总电阻（Ω）1.5mm2 2.5mm2 4mm2 6mm2 10mm2 16mm2 25mm2 35mm21km 13.3 8.0 5.0 3.3 2.0 1.3 0.8 0.6 2km 26.7 16.0 10.0 6.7 4.0 2.5 1.6 1.1 3km 40.0 24.0 15.0 10.0 6.0 3.8 2.4 1.7 4km 53.3 32.0 20.0 13.3 8.0 5.0 3.2 2.3 5km 66.7 40.0 25.0 16.7 10.0 6.3 4.0 2.9 6km 80.0 48.0 30.0 20.0 12.0 7.5 4.8 3.4 7km 93.3 56.0 35.0 23.3 14.0 8.8 5.6 4.0按公式(1)和(2)计算水下设备在电压从3kV～6kV相电流及线路压降10%时单程允许电阻值,计算数据见表3。表3 水下设备在各电压等级下相电流及压降10%时单程允许电阻值水下设备容量计算项目各电压等级负载电流及线路压降10%时单程允许电阻值3kV 4kV 5kV 6kV 200kVA 相电流（A） 38.5 28.9 23.1 19.2单程允许电阻（Ω） 4.5 8 12.5 18.0 10.5kVA 相电流（A） 2.0 1.5 1.2 1.0单程允许电阻（Ω） 85.7 152.4 238.1 342.9 6kVA 相电流（A） 2.0 1.5 1.2 1.0单程允许电阻（Ω） 75.0 133.3 208.3 300.0 3kVA 相电流（A） 1.0 0.8 0.6 0.5单程允许电阻（Ω） 150.0 266.7 416.7 600.04. 设计案例本文以6000米150hp不带TMS的ROV供电系统参数设计为例验证上述方法的可行性，其中升压变压器至LARS系统缆长50米，LARS系统自身设计缆长6500米，并假设缆的电气规格一致，即对应脐带缆等效总长度为6550米。从表2、表3可知，若水下ROV电机选用3k V等级，初选需要35mm2截面线路，此时电流为38.5A，经济性差及重量大。若选用4kV等级，初选用16mm2截面线路，此时电流为28.9A，经济性较佳。所以根据制造厂家电机产品，可以初步选定水下电机电压等级为4.16k V，其实际满载电流为19.7A。根据制造厂家脐带缆产品选定脐带缆截面为13.3mm2,每公里电阻值为1.53Ω。则其为10Ω。则按公式(1)计算满载线电压降为347.2V，空载线电压降为104.1V，其中空载电流按满载电流30%计。所以可以选定ROV水下电机升压变压器T1输出端电压为4300V。则实际电机端电压4195.1V～3952.8V，实际相对电机端电压压降百分比+0.9%～-5%（-代表降低，+代表提升，后文相同），可满足IEC-1中规定的电机运行最大允许±10%以内的电压波动的要求。从表2、表3可知，若水下ROV POD选用3kV等级，初选需要1.5mm2截面线路，而此时电流为2A，无需进一步增加电压等级的必要。实际选用水下变压器T6输入端电压为3kV，脐带缆截面积为2mm2，每公里电阻值为10.7Ω，则其为70Ω。则按公式(2)计算满载电压降为280.3V。可以选定ROV水下POD升压变压器T6输出端电压为3150V，实际线路最大压降130.3V，实际相对水下变压器输入端电压压降百分比为-4.3%，可满足水下电子设备供电要求。根据前文计算结果，采用MATLAB Simulink建立水下电机供电系统模型。其中水下电机额定端电压4160V，额定频率60Hz，额定功率112kW，额定电流19.7A。线路相等效电阻为10Ω。T1升压变压器二次端电压采用4300V/60Hz三相电源代替，分别计算在满载和空载时电压降情况，仿真结果如图3所示。图3 水下电机满载和空载时电压降情况从图3中可知线路实际电压降为-60V～-175V，实际电机端电压4230V～4125V，实际相对电机端电压压降百分比+1.8%～-0.8%，可满足IEC-1（IEC -1-2017,Rotating electrical machines-Part1:Rating and performance,2017）中规定的电机运行最大允许±10%以内的电压波动的要求，所以设计结果可行。5. 工程验证2017年在某项目中，依据供电主电路和参数设计了6000水深150hp ROV供电系统。图4为该系统供电监控，从运行可知ROV水下电机端电压为4200V，空载时电流为6A，与设计和仿真大体一致。通过对该ROV供电系统的调试验证，各负载供电正常可靠。图4 供电系统监控6. 结束语本文针对深海工作级ROV供电系统进行研究，提出了一种ROV供电系统参数选择设计方法，并从仿真和实际应用两个角度验证该设计方法的有效性。从仿真及应用结果可以看出采用该方法所设计的ROV供电系统参数在满足系统作业要求的前提下提高了ROV系统的经济性。

文章来源：《江苏海洋大学学报》 网址: http://www.hhgxyxb.cn/qikandaodu/2020/1222/439.html

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