Underwater robot local dry welding system

To satisfy the demand for good quality underwater welding and maintenance of nuclear power stations,a set of local dry automatic welding systems has been developed.These systems were based on an underwater robot that consisted of a special high-power underwater welding power supply,diving wire feeder,mini drain cap,welding robot,and special underwater welding torch.With a digital signal controller microprocessor as its core and combined with a dual inverter topology,the welding power supply was characterized by full-digital construction and multi-waveform flexible output.A compact diving wire feeding device was designed,based on the armature voltage negative feedback and high-frequency chopping pulse width modulation.This device yielded a high-efficiency seal of the driving motor with the help of dynamic and static sealing technology.To overcome the difficulty of local protection and deslagging in the welding area,a mini drain cap(with a duplexgas structure)based on the principle of the convergent nozzle was designed.The practical tests and the underwater welding experiments revealed that the underwater robotic local dry welding system is quite feasible.That is,the system could strike the arc stably and reliably in the shallow water environment,and formed beautiful welding seams.

局部干法水下快频脉冲MIG焊电源研制

针对复杂水下环境焊接过程对焊接电源超高动特性与精确控制需求,设计基于SiC模块的快频脉冲焊接电源功率主电路,开发全数字化控制系统,研制出局部干法水下快频脉冲MIG焊电源(local dry underwater fastfrequency pulsed MIG,LDU-FFPMIG).研制的LDU-FFPMIG焊接电源额定输出电流为400 A,能精确输出多种0~30 kHz的快频脉冲电流波形,快频脉冲电流幅值高达200 A.提出LDU-FFPMIG焊接新工艺,将快频脉冲应用到304不锈钢局部干法水下MIG焊接,探究快频脉冲对传统局部干法水下脉冲MIG焊的影响.结果表明,研制的LDU-FFPMIG焊接电源能够实现稳定的局部干法水下MIG焊,可获得良好的焊缝成形;快频脉冲电流的引入可显著提高电弧能量密度和焊接稳定性,减小熔宽(B)、增大熔深(H),焊缝成形系数(B/H)减小约30%,并且可以细化晶粒.

水下抛石电阻率特性试验研究

研究旨在利用电阻率技术解决水下抛石坝(隐蔽性工程)隐患探测和质量评价等关键问题。采用四电极法分析了水下抛石在不同供电电压和空隙率条件下的电阻率特性,并建立了电阻率与水下抛石空隙率的经验公式。结果表明:水下抛石电阻率随供电电压(10~60 V)升高呈先衰减后逐渐趋于稳定的变化特征,且供电电压高于30 V时电阻率衰减程度显著降低;水下抛石电阻率随空隙率的增加逐渐减小并趋于稳定(两者间的关系可用递减型幂函数表征),且不同供电电压下电阻率随空隙率的变化规律与此类似;分别选用幂函数、指数函数及对数函数拟合电阻率与空隙率关系,发现幂函数拟合误差最小,考虑供电电压影响最终建立了水下抛石电阻率与空隙率的经验公式;进一步通过水下抛石坝模型试验验证了经验公式的可靠性。该经验公式可有效描述水下抛石分布的密实程度,从而快速识别水下抛石坝内部隐患。

基于底栖型微生物燃料电池的水下供电系统构建与产能评价

目的改善目前水下生物供电系统能量收集效率低、供电能力弱的问题,方法构建基于碳毡阵列阳极的水下生物电池单元,以及具有2级电荷泵复合升压结构的电源管理单元。将2个子单元耦合,构建水下生物供电系统样机,并对其供电能力进行评价。结果测试结果表明,电源管理单元能够将生物电池13~18 mW的持续输入能量有效收集至储存介质中,能量收集效率达到60.65%。生物电池单元产生的能量在满足温度/pH传感器以及水下通讯机工作的同时,每天仍能够产生385.68 J的净能量收益。结论构建的水下生物供电系统能够实现水下生物电能的高效收集与存储,可为海洋环境信息采集与传输系统提供长期、稳定的原位能源供应。

适配水下电源的氢燃料电池系统设计研究

针对水下密闭高压的特殊环境,设计出适配水下电源的2 kW氢燃料电池系统,其包括氢气供给系统、氧气供给系统、冷却循环系统、加湿系统和废气回收系统。利用MATLAB/Simulink建立氢燃料电池仿真模型,对各系统的参数进行计算,并分析温度、气体压强、膜含水量对氢燃料电池性能的影响。结果表明:燃料电池系统正常运行所需要的最小氢气体积流量为24.7 L/min,最小氧气体积流量为11.9 L/min,最小氢气加湿量的质量流量为3.6 g/min,最小氧气加湿量的质量流量为1.75 g/min,最小冷却水体积流量为3.152 L/min。温度在313~353 K范围变化时,输出电压随着温度升高而增大;气体压强在0.10~0.25 MPa范围变化时,输出电压随气体压强增大而增大;膜含水量在7~22范围变化时,输出电压随膜含水量增大而增大。所建模型可以真实反应氢燃料电池的工作特性。

ROV水下电源设计及仿真

ROV水下电源是制约ROV发展的关键部件。本文从水下电源的组成、功能、方案、结构等方面系统介绍了ROV电源的设计过程,选用了中频变压+12脉波不控整流的主拓扑方案,并通过仿真验证了其可行性。结构布局上首次提出了充油耐压电源舱+电源控制干舱的形式。本设计方案将为ROV水下电源的发展提供有力的支撑。

水下平台中继供电变换技术研究

本文研究了水下平台有缆中继供电模式下的电能变换技术,水面平台交流电能经脐带缆传输至水下平台,通过本文提出的二极管不控整流+四路交错Buck拓扑将波动交流电变换为稳定直流电供给负载,大大提升了水下平台的续航能力和作业效率。分析了该电路的运行原理,最后搭建了一台功率80 kW的电路仿真模型,并在100%负载、50%负载和25%负载工况下进行了仿真,结果显示在各工况下有能效减少纹波,多路交错并联Buck变换器各功率器件应力小,电感设计简单,热设计良好,在大功率应用场合优势非常明显。

海洋油气远距离变频驱动关键技术研究及实验验证

随着世界能源的逐渐消耗,深海油气田的开采已经越来越成为重要研究课题。目前,我国深海水下生产技术已经开始发展和应用,水下供电系统却始终是制约我国水下生产技术开拓创新的重要因素。开展远距离变频驱动实验平台分析仿真和搭建就显得尤为重要。本文依托实验平台进行系统谐振分析、电机启动试验等研究,验证了远距离变频驱动实验平台的试验能力,表明系统可以有效模拟实际工程运行状态,能够对水下供电系统的研究提供进一步的技术支撑。

自治水下机器人一种新型非接触充电模式应用探讨

分析国内外无人潜水器的供电方式现状,指出能源是制约自治水下机器人(AUV)续航能力以及作业时间的一个主要因素。简要介绍非接触式感应电能传输技术的原理、优点,以及国内外的研究成果和发展趋势。针对自治水下机器人原有供电方式的局限,提出用感应电能传输技术结合可充电电池对AUV进行供电设计的方法与重点问题,还探讨了非接触充电方式在AUV以及其它领域的应用前景与技术优势。

水下机器人局部干法焊接系统

针对核电站优质水下焊接修复需求,研制了一套局部干法水下机器人焊接系统.以DSC微处理器为核心,结合二次逆变主电路,设计了全数字多波形柔性输出的大功率水下焊接电源;采用电枢电压反馈控制、高频斩波脉宽调制及动静密封技术,开发了紧凑型潜水送丝装置;针对焊接局部保护和排渣难题,开发了基于收缩喷管原理的双气帘结构微型排水罩.集成专用水下焊枪、机器人、视觉系统等,搭建水下机器人局部干法焊接试验平台,开展水下焊接试验.结果表明,研制的局部干法焊接系统样机性能可靠,引弧成功率高,焊接过程稳定,焊缝成形美观.

一种水下热动力能源供应系统的研制

本文介绍了自身携带液态氧化剂和燃烧剂，使用舷外海水为冷却剂的水下自主航行器，要求在任何情况下都能按照准确的比例、合理的流量，将燃烧剂、氧化剂及冷却剂三种组分供应动力系统，且系统体积小、重量轻、易实现。

大功率水下无线供电装置设计

针对水下航行器等海洋机电设备传统供电方式存在的水下电缆供电活动范围受限、蓄电池供电工作时间受限等问题,设计基于双E类功放电路的水下大功率无线供电装置。该装置采用磁耦合谐振式无线电能传输技术,同时,相关电路参数以Raab条件为基础进行设计,使双E类功放电路MOSFET开关管实现ZVS、ZDS软开关导通。通过Multisim电路仿真软件,建立该装置无线供电电路模型,可实现千瓦级的无线供电功率,无线电能传输效率达94.5%,距离为20 cm。仿真结果验证理论设计可行。

海底基盘控制系统方案设计

海底基盘是海洋钻井和取样的重要设备之一,用于钻井作业井口定位、钻具导向及夹持稳定、井口监视,并可根据需要搭载静力触探、取心、测井等其他附属仪器装置。海底基盘是集机、液、光、电一体化的设备,由机械结构、液压系统和控制系统组成。本文针对海底基盘工作需求,提出了一套具有钻杆夹持、视频寻址、图像采集、井口信息监测等功能的海底基盘控制系统方案,控制系统作为设备核心,其由配电系统、光电测控系统和水下液压动力站等组成。

水下恒流分支单元可靠性建模与分析

采用恒流供电的缆系水下网络借助恒流分支技术可以构建网格型供电拓扑,实现了水下供电范围的拓展,但与恒压供电相比,需要在水下分支节点中增加恒流分支单元。围绕恒流分支单元的可靠性分析问题,利用事件空间法建立了其可靠性解析模型;为了解决因恒流分支单元中串联的冷备份恒流分支模块数量过多而难以得出解析表达式的问题,给出了恒流分支单元可靠性的仿真分析算法。算例分析表明:所给的仿真分析算法与解析模型高度一致,验证了该算法的可行性;采取备份保护方式可以较好地提升恒流分支单元的可靠性。该研究结果可以提供一种满足系统可靠性需求的恒流供电回路节点铺设的设计方案。

水下无线耦合连接器功能及其应用研究

水下微电子设备的寿命及连接海缆受损因素是故障风险点,故水下微电子设备的可维性是水下设备低成本运行的关键。出动工程船舶的水下维修活动时间长、维修流程复杂,产生的费用高昂,所以水下微电子设备的维修应以设计为更换方式。论文针对水下设备更换维修方案,提出了利用无线耦合供电连接器和无线耦合通讯连接器来设计水下系统设备之间(或是设备与海缆之间)的连接,利用无线耦合连接器对接要求低的特点,可由水面工程服务船携带ROV及机具开展水下微电子设备及海缆的更换维修操作,以能实现故障快速维修。此外,使用无线耦合连接器的水下系统易实现网络化,并具有系统功能提升与扩展的潜力。

喷水池电击事故起因简析

我国喷水池电击事故屡有发生。喷水池内电气设备需采用220V及以上电压,过高电压在水下很易引发电击事故。作者认为喷水池内电击事故的发生与地面上不同,它主要由水下电压梯度或电场引起。故对此进行分析,并提出在我国现时条件下喷水池电气设计中防电击的要点。

无线电能传输技术的发展及其水下应用趋势浅析

无线电能传输技术作为一种新型电能传输技术,由于其具有强大的环境适应性,可以避免传统充电方式的诸多不便,特别适合在特殊环境使用,近年来广受科研工作者的关注。本文从无线电能传输技术的水下应用角度出发,阐述了无线电能传输技术的发展历史、工作原理,对不同原理的无线电能传输技术做了比较,提出了对目前无线电能传输技术在水下应用方面的研究现状与不足,并探讨了水下无线电能传输技术的发展趋势。

水下信息传输网及其关键技术分析研究

水下信息传输网是一种以海光缆为主要传输介质,基于多种水下探测技术的水下传输网,承担着接入、汇聚和传输水下各类探测、情报信息,以及下发、传送岸基指挥控制信息的重要任务,涉及通信、材料、能源、电子、制造工艺和工程实施等多个技术领域,是未来水下重要的基础信息传输平台。以水下信息传输网的总体架构为基础,对信息传输与接入、远程供电、水下接驳和水下网络监控四个方面的关键技术进行了详细总结分析与对比研究。

一种大型锂电池组设计及安全可靠性预测分析

锂电池动力电源是水下机器人的主要组成部分,锂电池动力电源的安全性和可靠性直接影响水下机器人的整体性能。因此,研究锂电池动力电源的可靠性,开展锂电池失效率分析以及强化电池组可靠性设计具有十分重要的意义。从一种配套水下机器人电源——大型锂/二氧化硫电池组的设计入手,并对其电池组动力系统的安全可靠性进行了预测及分析,特别是针对其贮存5年后的使用要求,采用冗余设计的方式,使产品的性能指标满足用户的安全性和可靠性要求。

海底光缆网络恒压与恒流供电拓扑研究

随着海底业务需求的增多,海底光缆网络功能由岸端对岸端的大容量通信链式网络向网格状海底光缆网络发展,作为能源供给和信息传输一体的骨干传输网络。如何满足深海远距离、高可靠能源传输与供给,成为海底光缆网络发展的瓶颈问题。论文分析海底光缆网络的供电拓扑,对水下远程供电网络的电压型和电流型供电架构探讨,通过电路仿真验证海底恒流型供电网络的抗海水短路故障能力和高可靠性。