АЭРОДРОМНЫЙ ЭНЕРГОМОДУЛЬ НА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ Российский патент 2013 года по МПК H01M8/00 

Описание патента на изобретение RU2483396C1

Изобретение относится к энергетике и может использоваться в автономных, резервных, мобильных аэродромных и авиационных энергоустановках.

Известна энергоустановка на топливных элементах (патент RU 2356134 C1 от 20.05.2009), которая позволяет согласовывать диапазон рабочих напряжений стандартного инвертора с выходным напряжением генератора на топливных элементах (ТЭ). Данная установка содержит генератор на топливных элементах, инвертор, стабилизатор, DC-DC преобразователь и блок автоматического управления и контроля. Недостатком устройства является: невозможность обеспечить бортовые потребители воздушного судна напряжениями согласно ГОСТ 19705-89; отсутствие аппаратуры защиты.

Наиболее близким к заявляемому устройству является авиационная энергоустановка с генератором на топливных элементах (заявка на изобретение №2010143066/07(061899) от 20.10.2010 г.), которая позволяет преобразовывать энергию топливных элементов в электрическую энергию согласно ГОСТ 19705-89, а наличие блока защиты исключает подачу напряжения на нагрузку при аварийных режимах. Данная установка содержит генератор на топливных элементах, инвертор, стабилизатор, DC-DC преобразователь, блок автоматического управления и контроля и блок защиты. Недостатком устройства является: невозможность контроля состояния каждого топливного элемента в батарее и отключение неисправных от работы, отключение всей системы в случае выхода из строя одного топливного элемента в батарее, необходимость использования стабилизаторов напряжения и DC-DC преобразователей.

Техническим результатом, достигаемым предлагаемым устройством, является возможность обеспечения энергией потребителей при выходе из строя одного или нескольких топливных элементов в генераторе, оптимизация работы топливных элементов: уменьшение расхода топлива топливных элементов, увеличение ресурса работы топливных элементов, увеличение КПД энергоустановки.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемое устройство, содержащее генератор на топливных элементах, инвертор, блок автоматического управления, контроля и защиты, дополнительно введены: N блоков датчиков топливных элементов, выходы которых объединены и соединены с первым входом блока управления, контроля и защиты; коммутатор, выход которого является выходом устройства и соединен со вторым входом блока управления, контроля, первый выход которого является первым входом коммутатора, второй выход соединен с N входами инверторов, а выходы соединены с N выходами топливных элементов.

Сущность заявляемого устройства заключается в том, что аэродромный энергомодуль на топливных элементах обеспечивает питание потребителей воздушного судна переменным током согласно ГОСТ 19705-89 посредством установки датчиков, контролирующих такие параметры топливных элементов, как выходное напряжение, ток, температура и давление реагентов. Каждый топливный элемент, работая совместно с мостовым инвертором, вырабатывает однофазный трехуровневый сигнал посредством ШИМ-управления блоком контроля, защиты и управления. Для получения высоковольтного напряжения необходимо соединять последовательно мостовые инверторы, а подключив их соответствующим образом, можно сформировать трехфазное напряжение. Информация о состоянии топливных элементов от датчиков поступает в блок контроля, управления и защиты, в котором происходит определение количества и способа подключения топливных элементов для обеспечения требуемых параметров источника по следующему принципу:

а) заданным значением напряжения является напряжение нагрузки и число фаз. Блок управления, контроля и защиты последовательно соединяет топливные элементы, начиная с первого, до достижения эталонного значения, а при необходимости трехфазной сети соединяет топливные элементы в нейтрали и выход;

б) работоспособность топливного элемента по значению температурного датчика определяется критическим значением температуры, которое меняется в зависимости от типа используемых топливных элементов. Процессор контролирует указанный параметр во всех топливных элементах одновременно и в случае достижения критического значения подает сигнал в мостовой инвертор на отключение неисправного и подключение исправного;

в) работоспособность топливного элемента по значению датчика давления определяется критическим значением давления реагентов, которое меняется в зависимости от типа используемых топливных элементов. Процессор контролирует указанный параметр во всех топливных элементах одновременно и в случае достижения критического значения подает сигнал в мостовой инвертор на отключение неисправного и подключение исправного.

Блок управления, контроля и защиты осуществляет общий контроль выходных электрических параметров и формирует управляющие сигналы на мостовые инверторы, формирователь напряжения и в случае возникновения аварийных режимов формирует сигнал, отключающий генератор на топливных элементах от нагрузки.

На чертеже изображена функциональная схема предлагаемого устройства, где обозначено: 1 - топливные элементы; 2 - датчики; 3 - мостовые инверторы; 4 - коммутатор; 5 - блок управления, контроля и защиты.

Топливные элементы 1 являются источником низковольтного постоянного напряжения, который вырабатывается при поступлении на анод и катод окислителя и восстановителя. Мостовые инверторы, работая совместно с ними, вырабатывают трехуровневое низковольтное напряжение. Коммутируя выходы мостовых инверторов последовательно, возможно получать на нагрузке высокие однофазные и трехфазные напряжения. Датчики 2 определяют значения тока, напряжения, давления и температуру реагентов, которые передаются в блок управления, контроля и защиты 5. Тем самым постоянно контролируется состояние топливной ячейки. Коммутатор 4 состоит из набора управляемых ключей, которые по командам из блока управления, контроля и защиты коммутируют цепь определенным образом, тем самым соединяя мостовые инверторы последовательно, для получения на нагрузке необходимого значения однофазного напряжения либо для получения трехфазного напряжения. При этом коммутатор соединяет необходимое для этого количество работоспособных ТЭ.

Устройство работает следующим образом.

При подключении нагрузки к выходу устройства однофазного или трехфазного переменного напряжения необходимого номинала сигнал об этом поступает в блок управления, контроля и защиты 5, который посредством сигнала управляет работой ключей коммутатора 4 таким образом, чтобы в зависимости от величины нагрузки и числа фаз соединялось определенное количество топливных элементов 1. Также блок управления, контроля и защиты 5 формирует ШИМ-сигналы управления для каждого мостового инвертора 3, которые формируют трехуровневое однофазное напряжение. При подключении однофазной нагрузки необходимое количество топливных элементов 1 и мостовых инверторов 3 соединяются в последовательную цепь посредством включения ключей в коммутаторе. При включении трехфазной нагрузки ключи коммутатора 4 разбивают топливные элементы на 3 группы, в которых топливные элементы и мостовые инверторы соединены параллельно, а потом уже эти группы соединяют в трехфазную цепь.

При этом встроенные датчики 2 постоянно снимают характеристики с каждого топливного элемента 1 и передают их значения для оценивания в блок управления, контроля и защиты 5. В случае неисправности топливного элемента 1 по сигналу с блока управления, контроля и защиты 5 коммутатор 4 снимает нагрузку с неисправного топливного элемента, отключается мостовой инвертор 3, работающий совместно с неисправным топливным элементом 1, и подключается исправный топливный элемент и мостовой инвертор. Регулирование выходных значений по току и напряжению происходит за счет подключения или отключения топливных элементов 1 в коммутаторе 4. В случае возникновения аварийных режимов сигнал поступает в блок управления, контроля и защиты 5, который воздействует на коммутатор 4 и мостовые инверторы 3, отключает систему от нагрузки, при этом блок управления, контроля и защиты 5 выдает сообщение о характере неисправности.

Отмечается, что возникновение аварийных режимов на выходе устройства по какому-либо виду переменного тока не отменяет работы устройства по переменному току другого вида.

Управляющие ключи коммутатора могут быть выполнены на карбидокремниевых IGBT или MOSFET силовых транзисторах, обладающих малыми динамическими и статическими потерями.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет эффективно использовать энергетические возможности генератора на топливных элементах при обеспечении бортовой системы воздушного судна переменным однофазным и трехфазным напряжением, преобразовывать низковольтные напряжения топливных ячеек в высокие значения с помощью компактных небольших инверторов, при этом экономить ресурс работы топливных элементов и расход топлива, обеспечить информативность оценки неисправностей, повысить КПД энергоустановки и экономически выгодно за счет применения ключей средней и низкой мощности.

Похожие патенты RU2483396C1

название год авторы номер документа
СИСТЕМА ЗАПУСКА АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ 2012
  • Винокуров Владислав Дмитриевич
  • Винокуров Станислав Дмитриевич
  • Казаков Евгений Борисович
  • Шуклин Игорь Клавдиевич
  • Волков Виталий Витальевич
RU2483397C1
АВИАЦИОННАЯ ЭНЕРГОУСТАНОВКА С ГЕНЕРАТОРОМ НА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ 2010
  • Винокуров Владислав Дмитриевич
  • Винокуров Станислав Дмитриевич
  • Казаков Евгений Борисович
  • Шуклин Игорь Клавдиевич
RU2440644C1
Способ управления параллельным автономным инвертором тока 1986
  • Адамия Георгий Григорьевич
  • Кузькин Виктор Игоревич
  • Новиков Александр Дмитриевич
SU1376198A1
СТАТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ, НАПРЯЖЕНИЯ И ФАЗЫ 2006
  • Высоцкий Александр Васильевич
  • Норкин Владислав Игоревич
  • Белянкин Андрей Борисович
  • Котляров Виктор Анатольевич
  • Сахненко Виктор Иванович
RU2311717C1
УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ РАБОТЫ ОБРАТИМОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ В ЭНЕРГОУСТАНОВКЕ С ИСТОЧНИКАМИ ПЕРЕМЕННОГО И ПОСТОЯННОГО ТОКА 2014
  • Китаев Александр Михайлович
  • Лазаревский Николай Алексеевич
RU2572088C1
ЭНЕРГОУСТАНОВКА НА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ 2008
  • Китаев Александр Михайлович
  • Паршиков Владимир Алексеевич
  • Урусов Али Рахимович
RU2356134C1
МОДУЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА 2018
  • Зайнуллин Ильдар Фанильевич
  • Медведев Александр Андреевич
RU2695633C1
Автономная гибридная энергоустановка 2022
  • Усенко Андрей Александрович
  • Дышлевич Виталий Александрович
  • Бадыгин Ренат Асхатович
  • Штарев Дмитрий Олегович
RU2792410C1
Ветряная электростанция 2022
  • Зайнуллин Ильдар Фанильевич
RU2785256C1
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ТРЁХФАЗНОЕ ПЕРЕМЕННОЕ 2020
  • Гаменюк Юрий Юрьевич
RU2747222C1

Реферат патента 2013 года АЭРОДРОМНЫЙ ЭНЕРГОМОДУЛЬ НА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ

Изобретение относится к энергетике и может использоваться в автономных, резервных, мобильных аэродромных и авиационных энергоустановках. Техническим результатом является возможность обеспечения энергией потребителей при выходе из строя одного или нескольких топливных элементов в генераторе, оптимизация работы топливных элементов: уменьшение расхода топлива топливных элементов, увеличение ресурса работы топливных элементов, увеличение КПД энергоустановки. Аэродромный энергомодуль на топливных элементах содержит генератор на топливных элементах, инвертор, блок автоматического управления, контроля и защиты, N блоков датчиков топливных элементов, коммутатор. 1 ил.

Формула изобретения RU 2 483 396 C1

Аэродромный энергомодуль на топливных элементах, содержащий генератор на топливных элементах, инвертор, блок автоматического управления, контроля и защиты, отличающийся тем, что в него дополнительно введены: N блоков датчиков топливных элементов, выходы которых объединены и соединены с первым входом блока управления, контроля и защиты; коммутатор, выход которого является выходом устройства и соединен со вторым входом блока управления контроля, первый выход которого является первым входом коммутатора, а второй выход соединен с N входами инверторов, а выходы соединены с N выходами топливных элементов.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2013 года RU2483396C1

АВИАЦИОННАЯ ЭНЕРГОУСТАНОВКА С ГЕНЕРАТОРОМ НА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ 2010
  • Винокуров Владислав Дмитриевич
  • Винокуров Станислав Дмитриевич
  • Казаков Евгений Борисович
  • Шуклин Игорь Клавдиевич
RU2440644C1
БАТАРЕЯ ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА 2002
  • Груздев А.И.
  • Кузовков А.В.
RU2230418C1
ЭНЕРГОУСТАНОВКА НА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ 2008
  • Китаев Александр Михайлович
  • Паршиков Владимир Алексеевич
  • Урусов Али Рахимович
RU2356134C1
US 5283512 А, 01.02.1994
US 5956241 А, 21.09.1999
US 2006166044 А1, 27.07.2006
US 5401589 А, 28.03.1995.

RU 2 483 396 C1

Авторы

Винокуров Владислав Дмитриевич

Казаков Евгений Борисович

Винокуров Станислав Дмитриевич

Шуклин Игорь Клавдиевич

Волков Виталий Витальевич

Даты

2013-05-27Публикация

2012-02-02Подача