СИСТЕМА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Российский патент 2008 года по МПК H02J1/00 G01R27/16 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах распределения электроэнергии, например, в составе самолета, корабля или космического аппарата (КА).

Системы распределения электроэнергии в аппаратуре КА обычно выполняются с использованием шин питания, полностью изолированных от корпуса изделия, например [1]. Изолированной от корпуса в части первичных цепей питания приборов (распределения электроэнергии) выполняется и иная аппаратура КА. При таком построении системы распределения электроэнергии замыкание на корпус любой шины питания или любой цепи внутри питаемых приборов не приводит к возникновению аварийных ситуаций в отличие от того, когда одна из шин питания соединена с корпусом изделия («заземлена») штатно, а в цепи второй шины питания появляется дефект. В этом случае возможно возникновение пожароопасной ситуации либо полного разряда бортовых источников питания типа аккумуляторных батарей. Контроль изоляции шин питания от корпуса («земли») изделия во время эксплуатации является одной из мер по обеспечению надежности различных систем распределения электроэнергии и систем управления КА в целом в течение заданного срока службы.

Известна система распределения электроэнергии [2], содержащая блок питания, подключенные к его выходным шинам коммутаторы цепей питания приборов и блок управления коммутаторами цепей питания (входная шина управления).

Однако, как и в любой системе распределения электроэнергии, в ней по мере эксплуатации ухудшается изоляция, со временем возможен даже пробой изоляции на корпус, особенно в цепях и приборах, находящихся в открытом космосе под воздействием радиационных излучений космического пространства, либо в обитаемых отсеках под воздействием агрессивных составляющих атмосферы. При нарушении изоляции ухудшается информационный обмен, возрастает вероятность возникновения ложных включений аппаратуры, неисполнения или формирования несанкционированных команд и т.п. Обнаружение факта нарушения изоляции позволяет своевременно отключить подозрительную аппаратуру или перейти на резервные каналы управления.

Для контроля сопротивления изоляции шин питания в совокупности с подключаемыми к ним приборами КА применяется аппаратура контроля, подключающая поочередно шины питания через эталонную цепь к корпусу изделия и контролирующая напряжения на них относительно корпуса изделия и протекающие через эту цепь токи. Аналог, выполненный по такому принципу, может быть проиллюстрирован примером технического решения из описания к патенту [3].

Однако в системе распределения электроэнергии с импульсным опросом сопротивления изоляции на корпус («землю») изделия возникают помехи и электромагнитная несовместимость некоторых приборов. Поэтому такая проверка системы распределения электроэнергии может использоваться только при наземных испытаниях изделия и то не во всех режимах работы, а в полете не может использоваться вообще, тем более - для непрерывного контроля состояния изоляции. Вместе с тем, контроль токов утечки в системе распределения электроэнергии и в питаемой аппаратуре и обнаружение недопустимого уменьшения сопротивления изоляции на корпус изделия может помочь принятию превентивных мер предупреждения нештатных ситуаций на борту в процессе многолетней эксплуатации КА.

В качестве наиболее близкого аналога предлагаемой системе рассматривается описанное выше устройство [2], содержащее максимальное количество признаков данной системы распределения электроэнергии, а именно - блок питания, подключенные к его выходным шинам коммутаторы цепей питания приборов и блок управления коммутаторами цепей питания приборов.

Задача предложения - увеличение эксплуатационной надежности системы распределения электроэнергии путем обеспечения контроля сопротивления изоляции системы распределения электроэнергии и питаемой ею аппаратуры для своевременного перехода на резерв в случае обнаружения недопустимого снижения сопротивления изоляции как без включения приборов КА, так и в процессе их штатной эксплуатации, а также улучшение электромагнитной совместимости.

Эта задача решается тем, что в систему распределения электроэнергии, содержащую блок питания, подключенные к его выходным шинам коммутаторы цепей питания приборов и блок управления коммутаторами цепей питания приборов, введены четыре резистора и контрольно-измерительный прибор, причем шины блока питания через первый и второй резисторы соединены с первым входом контрольно-измерительного прибора и корпусом («землей») изделия, а через третий и четвертый резисторы соединены со вторым входом контрольно-измерительного прибора.

На чертеже приведена блок-схема предложенной системы распределения электроэнергии с контролем изоляции на корпус изделия.

На чертеже обозначены:

1 - блок питания;

2 - блок управления коммутаторами цепей питания приборов;

3, 4- приборы;

5, 6, 7 и 8 - цепи питания приборов;

9 - контрольно-измерительный прибор;

10, 11 - эквивалентное (обычно - комплексное и нелинейное) сопротивление приборов 3, 4;

12, 13 - эквивалентные сопротивления утечки шин питания системы распределения электроэнергии;

14, 15, 16, 17 - эквивалентные сопротивления утечки цепей питания приборов;

Е - выходное напряжение блока питания 1.

На блоке питания 1 знаками «+» (+Е/2), «-» (-Е/2) обозначены выходные шины питания системы распределения электроэнергии и их потенциалы в нормальном состоянии;

К1, К2, К3, К4 - коммутаторы (релейные и/или электронные);

R1-R4 - резисторы.

Каждая цепь питания 5, 6, 7 и 8 приборов 3, 4 начинается на выходе соответствующего коммутатора и заканчивается внутри прибора обычно в преобразователе напряжения, содержащем фильтры, трансформаторы и т.п. элементы, изоляция которых относительно корпуса подвержена воздействию внешних факторов окружающей среды.

В состав каждой шины «+» и «-» источника питания 1 с точки зрения сопротивления изоляции входят не только показанные на чертеже блоки и элементы, подключенные к этим шинам, но и их внутренние составляющие. Таким образом, в составе системы распределения электроэнергии существует большое количество мест, где может нарушиться или даже разрушиться изоляция токонесущих цепей относительно корпуса изделия. Отсюда и вытекает необходимость непрерывного контроля состояния изоляции таких цепей относительно корпуса («земли») изделия.

Выполнена система распределения электроэнергии следующим образом.

Шины «+» и «-» блока питания 1 с выходным напряжением Е подключены к блоку управления коммутаторами цепей питания приборов 2 и к входам коммутаторов К1, К2, К3, К4, к выходам которых подключаются приборы 3, 4 бортовой аппаратуры КА. Блок управления 2 обеспечивает управление коммутаторами К1, К2, К3, К4. Такое построение системы распределения электроэнергии осуществляет двухполярную коммутацию цепей питания приборов 3, 4. Шины «+» и «-» блока питания 1 через резисторы R1 и R2 с одинаковыми номиналами соединены с нулевым потенциалом системы распределения электроэнергии - с корпусом («землей») изделия. Один вход контрольно-измерительного прибора 9 (левый по схеме) также соединен с корпусом («землей») изделия, второй вход контрольно-измерительного прибора 9 через резисторы R3 и R4 с одинаковыми номиналами (не обязательно равными номиналам резисторов R1 и R2) также соединен с шинами питания системы распределения электроэнергии. Коммутаторы К1, К2, К3, К4 могут быть выполнены как на контактах реле, так и на мощных полевых транзисторах. На чертеже показаны оба варианта. Не принципиальны назначение, типы, количество приборов 3, 4 и их эквивалентное сопротивление.

Резисторы 12, 13, 14 и 15, 16 и 17, показанные пунктиром на чертеже, являются соответственно эквивалентными сопротивлениями токов утечки шин питания «+» и «-» системы распределения электроэнергии в целом и цепей питания 5, 6, 7 и 8 приборов 3, 4, в частности. При этом токи утечки могут возникнуть как внутри приборов (показано условно в приборе 3), так и за их пределами (показано для прибора 4).

Система распределения электроэнергии, показанная на чертеже, работает следующим образом.

Еще до включения блока питания через резисторы R1 и R2 обеспечивается стекание зарядов с шин питания. Это исключает возникновение опасных потенциалов на шинах питания и возможность электрического пробоя изоляции.

После включения блока питания 1 система распределения электроэнергии бортовой аппаратуры изделия сразу встает под контроль в части изоляции шин питания относительно корпуса («земли») изделия. При этом одинаковые номиналы резисторов R1 и R2 образуют заземленную среднюю точку, а шины блока питания 1 принимают потенциалы относительно корпуса («земли») изделия, равные половине напряжения Е блока питания 1, а именно +Е/2 - на шине «+» и -Е/2 - на шине «-». Резисторы R3 и R4 образуют свою независимую среднюю точку, «плавающий» потенциал которой относительно корпуса («земли») изделия также равен нулю в силу равенства номиналов этих сопротивлений. При этом предполагается, что в нормальном состоянии шины питания не имеют утечки на корпус («землю») изделия или имеющиеся реально утечки пренебрежимо малы (эквивалентные сопротивления утечки 12 и 13 имеют значения много больше сопротивлений резисторов R1 и R2). При этом контрольно-измерительный прибор 9 в зависимости от градуировки его шкалы показывает ноль напряжения либо тока утечки (мост, образованный резисторами R1-R4, сбалансирован; кроме того, шкала контрольно-измерительного прибора 9 может быть отградуирована в значениях сопротивления утечки). При появлении и по мере увеличения тока утечки с одной из шин питания на корпус («землю») изделия, например, появления и уменьшения сопротивления утечки 12, вплоть до короткого замыкания при пробое или повреждении изоляции, происходит разбалансировка резистивного моста R1-R4 за счет того, что сопротивление утечки 12 шунтирует сопротивление R1, уменьшая тем самым потенциал шины «+» относительно корпуса (вплоть до нуля вольт при коротком замыкании). За счет разбалансировки моста контрольно-измерительный прибор 9 фиксирует увеличение тока утечки именно с шины «+» на корпус («землю») изделия. Контрольно-измерительный прибор 9, снабженный пороговым устройством, при определенной утечке может выдать световой или звуковой сигнал - предупреждение о недопустимом увеличении токов утечки (уменьшении сопротивления изоляции), передать эту информацию по каналам связи на землю и т.д. Конкретная конструкция, состав или электрическая схема контрольно-измерительного прибора 9 не входят в объем притязаний, поэтому в материалах данной заявки подробно не рассматриваются.

До включения бортовых приборов 3, 4 их сопротивления утечки недоступны для контроля, поскольку коммутаторы цепей питания 5, 6, 7 и 8 этих приборов отключены. Вместе с тем заблаговременный контроль этих сопротивлений утечки необходим и в данном предложении может быть осуществлен без включения прибора в рабочий режим. Для этого достаточно с помощью блока управления коммутаторами цепей питания приборов 2 включить только один коммутатор, например, коммутатор К1 для проверки состояния изоляции цепей питания прибора 3. Поскольку сопротивления утечки 14 и 15 этого прибора оказываются подключенными параллельно резистору R1, то по показаниям контрольно-измерительного прибора 9 можно определить значение этих сопротивлений утечки. Включая коммутатор К2 вместо К1 по показаниям контрольно-измерительного прибора 9, можно получить подтверждение предыдущих результатов либо получить дополнительную информацию. При штатном включении любого прибора 3, 4 утечка приведет к разбалансу моста и по показаниям контрольно-измерительного прибора 9 это будет выявлено (при этом предполагается, что реальные утечки с разных цепей питания каждого прибора не бывают равны друг другу).

При наземных испытаниях системы распределения электроэнергии и аппаратуры КА выявление утечки на корпус («землю») изделия требует принятия мер по обнаружению и устранению дефекта. При штатной эксплуатации КА факт появления такого дефекта должен быть зафиксирован контрольно-измерительным прибором 9, передан через его интерфейс в систему сбора и обработки информации (на чертеже не показано, поскольку не входит в объем притязаний по данному изобретению), по радиоканалу передан на контрольно-измерительный пункт (или в центр управления полетом), здесь проанализирован с «привязкой» к ситуации на борту КА по иной телеметрической информации, поступившей в это же время от других приборов, и по нему приняты меры. Обычно ситуации ухудшения изоляции в системах распределения электроэнергии аппаратуры КА возникают «внезапно» при включении тех или иных приборов или при формировании ими некоторых выходных команд. В этом случае анализ ситуации существенно облегчается, поскольку момент появления дефекта «связан» во времени с определенными операциями на изделии, и цепи, причастные к возникновению дефекта, могут быть немедленно локализованы.

Что касается импульсных помех, то в предложенной системе распределения электроэнергии они полностью исключены в отличие от известной системы распределения электроэнергии, оснащенной импульсным устройством для контроля изоляции, в которой импульсные помехи при ее работе неизбежны.

Совокупность признаков, подобная рассмотренной автором в данном предложении, не встречалась ранее для решения поставленной задачи и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям "новизна " и "изобретательский уровень".

Изобретение предполагается использовать на изделиях предприятия в составе систем распределения электроэнергии.

В настоящее время предложенная концепция построения системы распределения электроэнергии с контролем изоляции на корпус («землю») изделия рассматривается на предмет включения ее в техническое задание.

Использованная литература

1. Пинигин Н.Я., Болдырев В.И. Система распределения электроэнергии на постоянном токе от шин общего источника. Патент РФ №2201645, H02J 1/00.

2. Леденев Г.Я., Федосов А.А. Многоканальный коммутатор напряжения. Патент РФ №2214041, Н03К 17/08.

3. Бородянский М.Е., Бородянский И.М. Способ измерения электрического сопротивления изоляции. Патент РФ №2200329, G01R 27/16.

Использование: в электротехнике, в частности в системах распределения электроэнергии самолета, корабля или космического аппарата (КА). Технический результат заключается в увеличении эксплуатационной надежности системы путем обеспечения контроля сопротивления изоляции системы распределения электроэнергии и питаемой ею аппаратуры. В систему распределения электроэнергии, содержащую блок питания, подключенные к его выходным шинам коммутаторы цепей питания приборов и блок управления коммутаторами цепей питания приборов, введены четыре резистора и контрольно-измерительный прибор, причем шины блока питания через первый и второй резисторы с одинаковым номиналом соединены с первым входом контрольно-измерительного прибора и корпусом («землей») изделия, а через третий и четвертый резисторы с одинаковым номиналом соединены со вторым входом контрольно-измерительного прибора. 1 ил.

Система распределения электроэнергии, содержащая блок питания, подключенные к его выходным шинам коммутаторы цепей питания приборов и блок управления коммутаторами цепей питания приборов, отличающаяся тем, что в нее введены четыре резистора и контрольно-измерительный прибор, причем выходные шины блока питания через первый и второй резисторы с одинаковыми номиналами соединены с первым входом контрольно-измерительного прибора и корпусом («землей») изделия, а через третий и четвертый резисторы с одинаковыми номиналами соединены со вторым входом контрольно-измерительного прибора.