СПОСОБ УДАЛЕННОГО ПРОВОДНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ОБЪЕКТОВ Российский патент 2016 года по МПК B64F3/02 H02J1/04 H02J1/06 H02M7/757 

Предложенное изобретение относится к электротехнике, к системам передачи электроэнергии переменного тока по проводным линиям, в частности, для дистанционного электропитания привязных летательных аппаратов или привязных подводных робототехнических объектов.

Известен способ проводной передачи электроэнергии для питания удаленных объектов на основе переменного (однофазного либо многофазного) токов, описанный в патенте на полезную модель «RU 46611 Ul, B60L 9/00, В63Н 23/00, 10.07.2005», выбранный в качестве прототипа. Указанный прототип имеет существенные недостатки: завышенные габариты и массу проводной линии, большую массу бортового преобразователя энергии, что сужает область применения способа-прототипа. В частности, использование прототипа невозможно для дистанционного электропитания привязных винтокрылых воздушных высотных платформ, вследствие того, что суммарная масса бортового преобразователя и проводной линии превышает или составляет подавляющую часть достижимого полезного груза воздушной платформы.

В предложенном изобретении решена задача существенного снижения габаритов и массы преобразователей энергии, а также проводной линии, что качественно расширило область применения изобретения.

Технический результат заключается в существенном снижении габаритно-массовых характеристик (увеличении значений удельных массовой и объемной мощностей) преобразователей энергии и проводной линии (кабеля-троса) предложенного способа передачи электроэнергии, по сравнению с прототипом и существующими аналогами, при использовании более дешевых комплектующих, упрощении схемотехнических решений примененных преобразователей электроэнергии; увеличении надежности, повышении суммарного КПД указанного способа передачи электроэнергии

Технический результат достигается тем, что:

выпрямляют промышленное напряжение 380/220В, которое через управляемый конвертер постоянного напряжения подают на вход силового коммутирующего моста, нагруженного на LC-гиратор, формирующий высокочастотный энергетический сигнал, подаваемый на вход проводной линии, при этом выход проводной линии подключают ко входу удаленного LC-гиратора, который, в свою очередь, подключают к выпрямителю высокочастотного напряжения (0,08-1 МГц), нагрузкой которого является питаемый объект;

с помощью ZC-гиратора коммутирующего моста ограничивают рабочий ток силовых транзисторов моста, согласуют выходное сопротивление формирователя высокочастотного напряжения с волновым сопротивлением проводной линии, одновременно изменяя амплитуду выходного напряжения, поступающего в линию (0,05-10 кВ), причем, дополнительно обеспечивается совпадение реактансов согласуемых элементов, что делает cosφ в линии близким к единице;

вход удаленного LC-гиратора подключают к выходу проводной линии, а выход гиратора - к выпрямителю высокочастотного напряжения, причем LC-гиратор согласует волновое сопротивление проводной линии с входным сопротивлением выпрямителя высокочастотного напряжения;

высокочастотный выпрямитель по схеме удвоения токов дополняют конденсатором, соединяющим дроссели удвоения и обеспечивающим резонанс токов в режиме холостого хода для получения монотонности нарастания активной составляющей входного сопротивления выпрямителя, при уменьшении потребляемой от выпрямителя мощности;

для поддержания постоянной величины напряжения на нагрузке, выходной выпрямитель подключают дополнительно к схеме сравнения напряжения с эталонным, которая вырабатывает управляющий сигнал отклонения, передаваемый по оптоволоконной или проводной линии в блок управления формирователем высокочастотного напряжения

Указанная задача решена тем, что:

- частоту сигнала, передающего энергию, увеличивают до максимума (0,08-1,0 МГц), определяемого частотным пределом используемых в схеме IGBT или MOSFET силовых транзисторов, что приводит к значительному (в десятки раз) уменьшению номиналов необходимых индуктивностей и емкостей гираторов, что влечет за собой уменьшение числа витков обмоток индуктивностей, уменьшая массу обмоток и потери в них, а также снижая магнитный поток в сердечниках (пропорциональный числу ампервитков), что позволяет уменьшить сечение и массу сердечников, используя для них вместо супермаллоя более дешевые высокочастотные ферриты типа EPCOS N-96 или им подобные;

- используют, для изменений величин преобразуемых напряжений (в диапазоне 0,05-10 кВ), LC-гираторы вместо трансформаторов, что позволяет дополнительно к согласованию активных составляющих импедансов, согласовать реактансы преобразователей и проводной линии, что делает cosφ в линии близким к единице, освободиться от вторичных обмоток и неустранимой индуктивности рассеяния трансформаторов, вызывающих потери;

- на передающей стороне производят резонансное преобразование напряжения промышленного источника тока в переменное синусоидальное напряжение с высокими значениями амплитуды и частоты, передают сформированный сигнал по гибкой проводной линии на удаленный (бортовой) преобразователь электроэнергии питаемого объекта (привязного летательного аппарата), причем в передающем преобразователе выполняют согласование выходного сопротивления преобразователя с волновым сопротивлением проводной линии с помощью гираторных ZC-цепей;

- выпрямление (по схеме с удвоением токов) высокочастотного сигнала в удаленном преобразователе выполняют с использованием дополнительного конденсатора, подключаемого параллельно входу выпрямителя (дросселям удвоения токов), который обеспечивает резонанс токов в дросселях в режиме холостого хода, тем самым приводя активную составляющую входного сопротивления выпрямителя к монотонно возрастающему виду при уменьшении отбора мощности от выпрямителя, способствуя согласованию импедансов выпрямителя и проводной линии во всем диапазоне отбираемой мощности;

- помимо указанных выше действий, выполняют обычные для передачи электроэнергии процедуры: формирование питающих напряжений для управляющих схем, управление преобразователем постоянного напряжения, питающим коммутирующий мост и управление самим мостом, ограничение максимального тока через силовые транзисторы моста и преобразователя, осуществление плавного пуска, ограничение напряжения на входе проводной линии, поддержание постоянной величины напряжения на нагрузке, индикация состояний элементов схем и т.д.;

- для предотвращения возникновения отраженных волн и уменьшения потерь энергии на отражения в проводной линии, соединяющей передающий и бортовой преобразователи, в удаленном преобразователе выполняют адаптивное согласование волнового сопротивления линии с входным сопротивлением выпрямителя, меняющимся при изменении уровня отбираемой мощности дистанционно питаемым объектом;

- для поддержания постоянного значения выходного напряжения бортового преобразователя и регулирования уровня генерируемой мощности используют систему обратной связи, подающей управляющие сигналы из удаленного преобразователя в передающий по оптоволоконной линии связи, входящей в конструкцию гибкой проводной линии (кабеля-троса).

- Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена структурная схема системы передачи энергии.

Схема включает в себя:

первичный выпрямитель 1 промышленного напряжения; управляемый конвертор 2 (преобразователь) постоянного напряжения (источник регулируемого постоянного напряжения); мост-преобразователь 3 постоянного тока в переменный; гиратор 4, согласующий формирователь высокочастотного энергетического сигнала с проводной линией;

трансформатор 5(1:1) для гальванической развязки силовых контуров; соединительную линию 6 (кабель-трос), включающую в себя оптический канал; удаленный гиратор 7, согласующий выпрямитель с линией; удаленный выпрямитель 8;

блок управления 9 адаптивным согласованием сопротивлений;

блок управления 10 величиной питающего напряжения;

привязная винтокрылая высотная платформа 11, (дистанционно питаемый объект).

По сравнению с прототипом предложенный способ включает в себя следующую последовательность действий, таких как: резонансное преобразование выпрямленного промышленного напряжения в высокочастотное переменное с помощью управляемого конвертора 2 постоянного напряжения, питающего коммутирующий мост 3, нагруженный на LC гиратор 4, который выполняет несколько функций (резонансный контур высокочастотного энергетического сигнала, ограничитель рабочего тока силовых транзисторов моста, трансформация (повышение) напряжения от моста в линию, согласование выходного сопротивления передающего преобразователя с волновым сопротивлением линии), передачу высокочастотного напряжения через протяженную проводную линию 6 с малыми сечением и массой, выпрямление (с резонансом токов на входе выпрямителя в режиме холостого хода) принятого из линии напряжения в удаленном преобразователе 7-10 для питания удаленного объекта; адаптивное согласование волнового сопротивления проводной линии с текущим значением входного сопротивления выпрямителя 8 удаленного преобразователя и стабилизирование выходного напряжения с помощью сигнала обратной связи, формируемого удаленным преобразователем и подаваемого в передающий.

В процессе создания способа реализуют изложенную ниже последовательность действий:

На передающей стороне выполняют резонансное преобразование промышленного напряжения в высокочастотное переменное, частотой 0,08-1,0 МГц. При меньшем значении частоты увеличиваются габариты и массы индуктивностей и трансформаторов, уменьшается их КПД; при большем значении частоты значительно возрастают высокочастотные потери и нагрев в сердечниках, что приводит к изменению их характеристик и уменьшению КПД.

Амплитуду высокочастотного синусоидального переменного напряжения в проводной линии (из диапазона 0,05-10 кВ) устанавливают адаптивно по сигналу обратной связи от удаленного преобразователя, в зависимости от текущего значения нагрузки системы дистанционного питания. При напряжении более 10 кВ возможно возникновение коронного разряда (пробоя) с повреждением линии передачи мощности, поэтому в передающем преобразователе предусмотрен ограничитель величины напряжения в линии.

Для проводной линии малого сечения используются провода с фторопластовой и кремнийорганической изоляцией для обеспечения максимально возможной рабочей температуры (150-200°C) и высокого рабочего напряжения (8-10 кВ). Проводная линия - «кабель-трос» представляет собой конструкцию, состоящую из кевларового армирующего жгута, на который навиваются изолированные провода и оптические модули (4-8 светопроводных волокна с общей оболочкой, имеющей внешний диаметр ~2 мм). Сверху конструкция кабеля-троса закрывается защитной оболочкой из полиэтилена. Погонный вес трехпроводного кабеля троса с оптическим модулем и проводами ВНМ сечением 0,35 мм² составляет около 50 г/м с массовой долей проводов 42%, а с проводами ПВМР-4 сечением 0,75 мм² погонный вес составляет порядка 73 г/м с массовой долей проводов 49%. Внешний диаметр кабеля-троса составляет 7÷10 мм. Волновое сопротивление пары проводов такого кабеля может изменяться, в зависимости от конструкции кабеля (расположения проводников в кабеле), в пределах от 180 до 270 Ом.

Примеры осуществления способа

Пример 1. Питание летательного аппарата по электрически-короткой проводной линии сечением 0,35 мм² и длиной 65 м при длине электромагнитной волны, частотой 80 кГц, равной 3750 м. Волновое (комплексное значение) сопротивление проводной линии, свитой из 2-х таких проводов, составляет 192-j19 [Ом]. Силовую резонансную цепь (гираторную цепь) настраивают таким образом, чтобы получить выходное сопротивление передающего преобразователя равным 406-j59 [Ом]. Величина этого сопротивления определяется сопротивлением нагрузки проводной линии: в нашем случае выбранным входным сопротивлением (равным 400+j65) бортового гиратора, являющегося входной цепью бортового преобразователя. Постоянное напряжение на входе передающего преобразователя величиной 350 [В], с помощью мостовой схемы и силовой резонансной цепи, преобразуется в синусоидальное напряжение частотой 80 [кГц] и амплитудой 3710 [В] на выходе силовой резонансной цепи (гираторной цепи), после чего подается в проводную линию. Входной ток в линии при этом составляет 2,87 А. Напряжение с выхода проводной линии поступает на вход бортового гиратора, который трансформирует величину входного сопротивления бортового преобразователя (400+j65) к величине входного сопротивления бортового выпрямителя (собранного по схеме с удвоением тока), равного 3 [Ом], а также понижает величину получаемого из линии напряжения до действующего значения 178 [В] на входе бортового выпрямителя. В результате на выходе бортового преобразователя мы получаем мощность 7118 [Вт] при выходном напряжении 46,2 [В]. Необходимо отметить, что для уменьшения потерь энергии и сохранения высокого значения cosφ системы, при изменении длины электрически-короткой проводной линии, работающей в несогласованном режиме, требуется соответствующим образом изменять параметры обеих гираторных цепей системы передачи электроэнергии.

Пример 2. Питание летательного аппарата по согласованной электрически-длинной проводной линии сечением 0,75 мм² и длиной 650 м. Комплексное значение волнового сопротивления пары проводов кабеля-троса, свитого из 3-х таких проводов, составляет 248,4-j5,24 [Ом]. Силовую резонансную цепь (гираторную цепь) в данном случае настраивают таким образом, чтобы получить выходное сопротивление передающего преобразователя равным волновому сопротивлению линии. С выхода buck-boost стабилизатора, управляемого схемой обратной связи, постоянное напряжение величиной 530 [В], с помощью мостовой схемы и силовой резонансной цепи, преобразуется в синусоидальное напряжение частотой 80 [кГц] и амплитудой 2026 [В] на выходе силовой резонансной цепи (гираторной цепи), после чего подается в проводную линию. Входной ток в линии при этом составляет 8,46 [А]. Напряжение с выхода проводной линии поступает на вход бортового гиратора, который трансформирует величину входного сопротивления бортового преобразователя (248,4-j5,24) к величине входного сопротивления бортового выпрямителя (собранного по схеме с удвоением тока) равным 2,3 [Ом], а также понижает величину получаемого из линии напряжения от значения 1994 [В] до действующего значения 258 [В], подаваемого на вход бортового выпрямителя. В результате, на выходе бортового преобразователя мы получаем мощность 15163 [Вт] при выходном напряжении 66,1 [В]. Следует отметить, что при работе системы передачи электроэнергии с линией, работающей в согласованном режиме, не требуется изменения параметров схем передающего и удаленного преобразователей при изменении длины соединительной линии.

Эффективность изобретения

По сравнению с прототипом использование предлагаемого изобретения позволяет:

- Упростить схемотехнику преобразователей;

- Повысить надежность системы электропитания;

- Повысить КПД системы передачи электроэнергии; Снизить стоимость системы электропитания;

- Снизить габариты и массу передающего и удаленного преобразователей напряжения системы передачи электроэнергии;

- Уменьшить сечение и массу соединительного кабеля-троса, включаемого между наземным стационарным источником и дистанционно-питаемым объектом;

- Осуществлять электропитание привязных винтокрылых воздушных платформ длительного действия;

- Улучшать тактико-технические и эксплуатационные характеристики привязных дистанционно-питаемых объектов за счет использования дополнительных объемов и полезной массы на борту объектов, возникающих при использовании предложенной системы передачи электроэнергии.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для дистанционного электропитания привязных летательных аппаратов или привязных подводных робототехнических объектов. Технический результат заключается в снижении габаритно-массовых характеристик, увеличении надежности, повышении суммарного КПД. В способе удаленного проводного электропитания объектов выпрямляют промышленное напряжение, которое через управляемый конвертер постоянного напряжения подают на вход силового коммутирующего моста, нагруженного на LC-гиратор, формирующий высокочастотный энергетический сигнал, подаваемый на вход проводной линии. Выход проводной линии подключают к входу удаленного LC-гиратора, который, в свою очередь, подключают к выпрямителю высокочастотного напряжения, нагрузкой которого является питаемый объект. С помощью LC-гиратора коммутирующего моста ограничивают рабочий ток силовых транзисторов моста, согласуют выходное сопротивление формирователя высокочастотного напряжения с волновым сопротивлением проводной линии, одновременно изменяя амплитуду выходного напряжения, поступающего в линию. Дополнительно обеспечивают совпадение реактансов согласуемых элементов, при этом cosφ в линии близок к единице. Вход удаленного LC-гиратора подключают к выходу проводной линии, а выход гиратора - к выпрямителю высокочастотного напряжения, причем LC-гиратор согласует волновое сопротивление проводной линии с входным сопротивлением выпрямителя высокочастотного напряжения. Высокочастотный выпрямитель по схеме удвоения токов дополняют конденсатором, соединяющим дроссели удвоения и обеспечивающим резонанс токов в режиме холостого хода для получения монотонности нарастания активной составляющей входного сопротивления выпрямителя при уменьшении потребляемой от выпрямителя мощности; для поддержания постоянной величины напряжения на нагрузке. Выходной выпрямитель подключают дополнительно к схеме сравнения напряжения с эталонным, которая вырабатывает управляющий сигнал отклонения, передаваемый по оптоволоконной или проводной линии в блок управления формирователем высокочастотного напряжения. 1 ил.

Способ удаленного проводного электропитания объектов, характеризующийся тем, что
выпрямляют промышленное напряжение 380/220В, которое через управляемый конвертер постоянного напряжения подают на вход силового коммутирующего моста, нагруженного на LC-гиратор, формирующий высокочастотный энергетический сигнал, подаваемый на вход проводной линии, при этом выход проводной линии подключают ко входу удаленного ZC-гиратора, который, в свою очередь, подключают к выпрямителю высокочастотного напряжения (0,08-1 МГц), нагрузкой которого является питаемый объект;
с помощью LC-гиратора коммутирующего моста ограничивают рабочий ток силовых транзисторов моста, согласуют выходное сопротивление формирователя высокочастотного напряжения с волновым сопротивлением проводной линии, одновременно изменяя амплитуду выходного напряжения, поступающего в линию (0,05-10 кВ), причем, дополнительно обеспечивается совпадение реактансов согласуемых элементов, что делает cosφ в линии близким к единице;
вход удаленного LC-гиратора подключают к выходу проводной линии, а выход гиратора - к выпрямителю высокочастотного напряжения, причем ZC-гиратор согласует волновое сопротивление проводной линии с входным сопротивлением выпрямителя высокочастотного напряжения;
высокочастотный выпрямитель по схеме удвоения токов дополняют конденсатором, соединяющим дроссели удвоения и обеспечивающим резонанс токов в режиме холостого хода для получения монотонности нарастания активной составляющей входного сопротивления выпрямителя, при уменьшении потребляемой от выпрямителя мощности;
для поддержания постоянной величины напряжения на нагрузке, выходной выпрямитель подключают дополнительно к схеме сравнения напряжения с эталонным, которая вырабатывает управляющий сигнал отклонения, передаваемый по оптоволоконной или проводной линии в блок управления формирователем высокочастотного напряжения.