Способ зарядки емкостного накопителя электроэнергии и устройство для его реализации в самолетных электроимпульсных комплексах Российский патент 2017 года по МПК H03K3/57 

Изобретение относится к электротехнике и импульсной силовой электронике и предназначено для использования в самолетных электроимпульсных комплексах, в частности в противообледенительных системах и системах питания бортовых проблесковых огней предупреждения.

Известен способ зарядки емкостного накопителя электроэнергии и устройство для его реализации в самолетных электроимпульсных комплексах - импульсных маяках (аналог), по которому на первом полупериоде напряжения источника переменного тока накапливают электроэнергию, поступающую от источника через первый выпрямительный диод, в первом дозирующем конденсаторе, на втором полупериоде накапливают энергию, поступающую от источника и первого дозирующего конденсатора через второй выпрямительный диод, во втором дозирующем конденсаторе с удвоенным зарядным напряжением и так далее, умножая таким образом зарядное напряжение на каждом последующем конденсаторе, последний из которых является емкостным накопителем, разряжаемым на импульсную лампу светового маяка, а реализующее этот способ устройство представляет собой диодно-конденсаторную многоступенчатую схему умножения (Электрооборудование летательных аппаратов: учебник для вузов. В двух томах / под ред. С.А. Грузкова. - М.: Издательство МЭИ, 2005-2008. Том 2. Элементы и системы электрооборудования - приемники электрической энергии. - М.: Издательский дом МЭИ, 2008. - 552 с., стр. 496, рис. 12.30).

К недостаткам указанного известного способа и устройства для его реализации (аналога) относятся: низкая функциональная надежность из-за большого количества используемых дозирующих конденсаторов и числа последовательных каскадов преобразования, а также ухудшение качества питающей электроэнергии из-за больших искажений синусоидальной формы потребляемого от источника тока.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому изобретению является способ зарядки емкостного накопителя электроэнергии и устройство для его реализации в самолетных электроимпульсных комплексах (прототип), по которому на первом этапе каждого высокочастотного цикла накапливают дозы электромагнитной энергии в балластном дросселе и промежуточном индуктивном накопителе, подключая их к источнику питания, а на втором этапе передают их в емкостный накопитель и в снабберный конденсатор вместе с дозой энергии источника, причем регулируют соотношение длительностей этапов в зависимости от напряжения емкостного накопителя, а устройство для его реализации содержит входные выводы, емкостный накопитель, индуктивный накопитель, балластный дроссель, снабберный конденсатор, блокирующие диоды, три основных электронных ключа и блок управления с импульсно-модуляторными выходными выводами (С. Резников, В. Бочаров, Е. Парфенов, Н. Гуренков, А. Корнилов. Электроэнергетическая и электромагнитная совместимость вторичных источников импульсного питания с автономными системами электроснабжения переменного тока. Силовая электроника, №4, 2009 г., с. 74-78, стр. 75, рис. 3а).

К недостаткам известного способа зарядки емкостного накопителя электроэнергии и устройства для его реализации в самолетных электроимпульсных комплексах (прототипа) относятся: ухудшение качества электроэнергии, потребляемой от источника электропитания, из-за прерывистого потребляемого тока, низкая функциональная надежность устройства из-за статической неустойчивости управления процессами и необходимости наличия в составе источника питания энергоемкого емкостного фильтра на базе электролитического конденсатора с низкими показателями термостойкости, безотказности и срока службы. Указанные недостатки снижают показатели безопасности полетов самолета.

Основным техническим результатом предложения является сохранение качества электроэнергии, потребляемой от источника электропитания, за счет непрерывности и равномерности потребляемого тока.

Дополнительными техническими результатами предложения являются повышение функциональной надежности устройства для реализации способа за счет обеспечения устойчивости управления процессами и исключения из состава источника питания емкостного фильтра на базе электролитического конденсатора с низкими показателями термостойкости, безотказности и срока службы. Благодаря указанным результатам повышается безопасность полетов.

Указанные технические результаты обеспечиваются благодаря тому, что в способе зарядки емкостного накопителя электроэнергии, по которому на первом этапе каждого высокочастотного цикла накапливают дозы энергии в балластном дросселе и промежуточном индуктивном накопителе, подключая их с помощью первого и второго ключей к источнику питания, а на втором этапе передают их в емкостный накопитель и в снабберный конденсатор вместе с дозой энергии источника, причем регулируют соотношение длительностей этапов в зависимости от напряжения емкостного накопителя, вводят третий этап, на котором сохраняют энергию индуктивного накопителя, шунтируя его вспомогательным ключом, причем длительность шунтирования регулируют в зависимости от среднециклического значения его потокосцепления, и благодаря тому, что накопленную к началу третьего этапа дозу энергии балластного дросселя вместе с дополнительной дозой энергии источника передают емкостному накопителю через последовательно с ним соединенный снабберный конденсатор, который затем на первом этапе следующего цикла передает накопленную им при этом дозу энергии индуктивному накопителю через первый основной ключ, а также благодаря тому, что в устройство для реализации указанного способа, содержащее входные выводы, емкостный накопитель, первый блокирующий диод, индуктивный накопитель, балластный дроссель, снабберный конденсатор, второй блокирующий диод, первый и второй основные ключи и блок управления с основными импульсно-модуляторными выходными выводами, ведены вспомогательный ключ, третий и четвертый блокирующие диоды, а блок управления снабжен вспомогательным выходным выводом.

Экспериментальные исследования лабораторного макета и компьютерное моделирование устройства для реализации предложенного способа подтвердили его работоспособность и целесообразность широкого промышленного использования.

На чертеже (Фиг.) приведены принципиальная силовая схема и каналы управления устройства для реализации в самолетных электроимпульсных комплексах предлагаемого способа зарядки емкостного накопителя электроэнергии.

Устройство для реализации способа зарядки емкостного накопителя электроэнергии в самолетных электроимпульсных комплексах содержит входные выводы 1, 2 для подключения источника электропитания постоянного тока, емкостный накопитель 3, первый блокирующий диод 4, индуктивный накопитель 5, балластный дроссель 6, конденсаторно-диодную цепочку, состоящую из снабберного конденсатора 7 и второго блокирующего диода 8, первый и второй основные электронные ключи 9, 10 и блок управления 11 с основными импульсно-модуляторными выходными выводами 12, 13. Устройство содержит также вспомогательный электронный ключ 14, третий и четвертый блокирующие диоды 15 и 16. Блок управления снабжен также вспомогательным импульсно-модуляторным выходным выводом 17.

Балластный дроссель 6 и индуктивный накопитель 5 могут быть выполнены с общим магнитопроводом (показанным на чертеже пунктиром) и включенными при этом согласно относительно направления проводимости основного ключа 9.

Первый основной ключ 9 зашунтирован конденсаторно-диодной цепочкой 7-8, своим первым силовым выводом через балластный дроссель 6 подключен к первому входному выводу 1 устройства, а своим вторым силовым выводом через последовательно соединенные между собой индуктивный накопитель 5, первый блокирующий диод 4 и емкостный накопитель 3 - ко второму входному выводу 2 устройства. Второй основной ключ 10 своими силовыми выводами шунтирует цепочку, состоящую из первого блокирующего диода 4 и емкостного накопителя 3. Вспомогательный электронный ключ 14 своим первым силовым выводом подключен к общим выводам первого блокирующего диода 4 и индуктивного накопителя 5 и к соединенному с ними силовому выводу второго основного ключа 10, а своим вторым силовым выводом подключен к среднему выводу конденсаторно-диодной цепочки 7-8. Третий блокирующий диод 15 включен между вторым силовым выводом третьего ключа 14 и вторым входным выводом 2 устройства. Четвертый блокирующий диод 16 включен последовательно с балластным дросселем 6.

Блок управления 11 своими основными импульсно-модуляторными выходными выводами 12 и 13 подключен к управляющим выводам первого и второго основных ключей 9 и 10, а своим вспомогательным импульсно-модуляторным выходным выводом 17 - к управляющему выводу вспомогательного ключа 14.

Устройство для реализации способа зарядки емкостного накопителя электроэнергии работает следующим образом.

К входным выводам 1, 2 устройства подключают источник электропитания постоянного тока, например самолетную сеть постоянного повышенного напряжения 270 В. На основных и вспомогательных импульсно-модуляторных выходных выводах 12, 13 и 17 блока управления 11 формируются высокочастотные импульсы с постоянным периодом (Т_шим) и широтно-импульсной модуляцией в зависимости от соотношения напряжений на емкостном накопителе и источника питания (на выходах 12, 13) и от среднеимпульсного значения потокосцепления индуктивного накопителя.

В исходном состоянии снабберный конденсатор 7 заряжен с полярностью, показанной на чертеже, от источника питания по цепи тока его колебательной зарядки: 1-16-6-7-8-5-4-3-2, а емкостный накопитель 3 практически разряжен (так как имеет относительно большую электроемкость по сравнению со снабберным конденсатором).

В первой стадии процесса зарядки емкостного накопителя 3 с напряжением U₃, не превышающим напряжения U_1-2 источника питания (U₃≤U_1-2), схема работает в режиме понижающего импульсного конвертора. На первом этапе каждого из высокочастотно-периодически чередующихся циклов (периодов Т_шим) накапливают дозы электромагнитной энергии в балластном дросселе 6 и промежуточном индуктивном накопителе 5, подключая их с помощью первого основного ключа 9 к источнику питания постоянного тока через емкостный накопитель 3 на время импульса: t_и=γ₁Т_шим, где γ₁ - относительная длительность (коэффициент заполнения) импульса управления на выходе 12 блока управления 11. При этом второй и вспомогательный ключи 10 и 14 выключены. Затем ключ 9 выключается, после чего на втором этапе цикла накопленную индуктивным накопителем 5 дозу энергии передают емкостному накопителю 3 по цепи частично (или полностью) спадающего тока: 5-4-3-15-8-5, поддерживаемого за счет ЭДС самоиндукции, а накопленную балластным дросселем 6 дозу энергии вместе с дозой электроэнергии источника питания передают в снабберный конденсатор 7 по цепи частично спадающего тока: 1-16-6-7-(8-5-4-3)-(или/и проводящего диода 15)-2. При этом обеспечивается непрерывность потребляемого от источника тока, а, следовательно, повышение качества потребляемой электроэнергии. Доза энергии, накопленная при этом снабберным конденсатором, передается индуктивному накопителю 5 и емкостному накопителю 3 на первом этапе следующего цикла по цепи тока его разрядки: 7-9-5-4-3-15-7. Длительность указанного второго этапа составляет t₂.

На третьем этапе цикла приблизительно сохраняют (за вычетом тепловых потерь) энергию индуктивного накопителя 5, шунтируя его вспомогательным ключом 14 при выключенных основных ключах 9, 10. При этом ток индуктивного накопителя 5 незначительно спадает по цепи: 5-14-8-5, поддерживаясь за счет его ЭДС самоиндукции в течение длительности: t₃=γ₃Т_шим=Т_шим-t₁-t₂, где γ₃ - относительная длительность (коэффициент заполнения) импульса управления на выходе 17 блока управления 11. При этом входной ток не прерывается, протекая по цепи: 1-16-6-7-8-5-4-3-2.

Далее указанные процессы высокочастотно-периодически качественно повторяются с постоянным периодом Т_шим, осуществляя зарядку емкостного накопителя 3 до напряжения, равного (или близкого) напряжению источника питания (U_1-2).

На второй стадии процесса зарядки емкостного накопителя 3 с напряжением U₃, превышающим напряжения U_1-2 источника питания (U₃>U_1-2), схема работает в режиме повышающего импульсного конвертора. На первом этапе каждого из циклов Т_шим накапливают дозы электромагнитной энергии в балластном дросселе 6 и промежуточном индуктивном накопителе 5, подключая их с помощью одновременно включенных первого и второго основных ключей 9 и 10 к источнику питания (к выводам 1-2) на время импульса: t₁=γ₁Т_шим. При этом их общий ток нарастает по цепи: 1-16-6-9-5-10-2, а кроме него нарастает ток разрядки снабберного конденсатора 7 по цепи: 7-9-5-10-15-7, отдающего накопленную на предыдущем цикле дозу энергии индуктивному накопителю 5.

На втором этапе длительностью t₂ того же цикла второй ключ 10 выключается, а первый ключ 9 остается включенным, и накопленные в 5 и 6 дозы энергии передаются емкостному накопителю 3 вместе с дозой электроэнергии источника питания по цепи частично спадающего тока: 1-16-6-9-5-4-3-2 под действием разности между напряжением емкостного накопителя и ЭДС самоиндукции 5 и 6, сложенной с напряжением источника (U_1-2).

На третьем этапе того же цикла в течение длительности: t₃=γ₃Т_шим=Т_шим-t₁-t₂, энергия индуктивного накопителя приблизительно сохраняется (за вычетом тепловых потерь) с помощью шунтирования его вспомогательным ключом 14 при выключенных ключах 9 и 10. При этом ток индуктивного накопителя 5 незначительно спадает по цепи: 5-14-8-5, поддерживаясь за счет ЭДС самоиндукции, а ток балластного дросселя 6 не прерывается, осуществляя зарядку снабберного конденсатора 7 через емкостный накопитель 3, благодаря чему повышается качество питающей электроэнергии.

Далее указанные процессы высокочастотно периодически качественно повторяются с постоянным периодом Т_шим, осуществляя зарядку емкостного накопителя 3 до заданного максимального предразрядного напряжения (U_3.max). Затем емкостный накопитель 3 разряжается на импульсную нагрузку (импульсную газоразрядную лампу или противообледенительный электромагнитный вибратор), после чего вновь повторяются две рассмотренные выше стадии процесса его зарядки предложенным способом.

В течение циклически низкочастотно повторяющихся зарядных процессов с помощью блока управления 11, имеющего цепи обратных связей по напряжениям на входе и выходе и по току индуктивного накопителя, производится регулирование (стабилизация) входного тока и среднеимпульсного значения потокосцепления индуктивного накопителя (а, следовательно, регулирование его электромагнитной энергии), причем независимо от глубины возможных пульсаций питающего напряжения.

Регулируемыми параметрами при управлении являются два взаимонезависимых параметра γ₁ и γ₃ - относительные длительности первого и третьего этапов постоянного периода Т_шим. Указанное дуально-инвариантное управление обеспечивает статическую и динамическую устойчивость процессов.

Таким образом, предлагаемые способ зарядки емкостного накопителя и устройство для его реализации в самолетных электроимпульсных комплексах обеспечивают основной технический результат: сохранение качества электроэнергии, потребляемой от источника электропитания, за счет непрерывности и равномерности потребляемого тока, а также дополнительные технические результаты: повышение функциональной надежности устройства для реализации способа за счет обеспечения устойчивости управления процессами и исключения из состава источника питания емкостного фильтра на базе электролитического конденсатора с низкими показателями термостойкости, безотказности и срока службы. Благодаря указанным результатам повышается безопасность полетов самолета.

Изобретение относится к электротехнике и импульсной силовой электронике и предназначено для использования в самолетных электроимпульсных комплексах, в частности - в противообледенительных системах и системах питания бортовых проблесковых огней предупреждения. Техническим результатом предложения является сохранение качества электроэнергии, потребляемой от источника электропитания, за счет непрерывности и равномерности потребляемого тока. Указанные технические результаты обеспечиваются тем, что в способе зарядки емкостного накопителя электроэнергии, по которому на первом этапе каждого высокочастотного цикла накапливают дозы энергии в балластном дросселе и промежуточном индуктивном накопителе, подключая их с помощью первого и второго ключей к источнику питания, а на втором этапе передают их в емкостный накопитель и в снабберный конденсатор вместе с дозой энергии источника, причем регулируют соотношение длительностей этапов в зависимости от напряжения емкостного накопителя, вводят третий этап, на котором сохраняют энергию индуктивного накопителя, шунтируя его вспомогательным ключом, причем длительность шунтирования регулируют в зависимости от среднециклического значения его потокосцепления. Кроме того накопленную к началу третьего этапа дозу энергии балластного дросселя вместе с дополнительной дозой энергии источника передают емкостному накопителю через последовательно с ним соединенный снабберный конденсатор, который затем на первом этапе следующего цикла передает накопленную им при этом дозу энергии индуктивному накопителю через первый основной ключ. Кроме того, в устройство для реализации указанного способа, содержащее входные выводы (1, 2), емкостный накопитель (3), первый блокирующий диод (4), индуктивный накопитель (5), балластный дроссель (6), снабберный конденсатор (7), второй блокирующий диод (8), первый и второй основные ключи (9, 10) и блок управления (11) с основными импульсно-модуляторными выходными выводами (12, 13), вводят вспомогательный ключ (14), третий и четвертый блокирующие диоды (15, 16), а блок управления снабжён вспомогательным выходным выводом (17). 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ зарядки емкостного накопителя электроэнергии, по которому на первом этапе каждого из высокочастотно-периодически чередующихся циклов накапливают дозы электромагнитной энергии в промежуточном индуктивном накопителе и в балластном дросселе, подключая их с помощью первого и второго основных ключей к источнику питания постоянного тока, а на втором этапе того же цикла передают накопленные ими дозы энергии в емкостный накопитель и в снабберный конденсатор вместе с дозой электроэнергии источника питания, подключая к нему с помощью первого основного ключа последовательно между собой соединенные балластный дроссель, индуктивный накопитель и емкостный накопитель при включенном втором основном ключе, причем регулируют соотношение длительностей указанных этапов в зависимости от соотношения напряжений емкостного накопителя и источника питания, отличающийся тем, что в каждый из указанных циклов вводят третий этап, на котором приблизительно сохраняют энергию индуктивного накопителя, шунтируя его вспомогательным ключом при выключенных основных ключах, причем длительность указанного этапа регулируют в зависимости от среднециклического значения потокосцепления индуктивного накопителя.

2. Способ зарядки емкостного накопителя электроэнергии по п. 1, отличающийся тем, что на третьем этапе каждого из указанных циклов накопленную к началу этого этапа дозу энергии балластного дросселя вместе с дополнительной дозой электроэнергии источника питания передают последовательно с дросселем между собой подсоединенным к источнику питания емкостному накопителю и снабберному конденсатору, который затем на первом этапе следующего цикла передает накопленную им при этом дозу энергии индуктивному накопителю через первый основной ключ.

3. Устройство для реализации способа зарядки емкостного накопителя электроэнергии в самолетных электроимпульсных комплексах по п. 1 или 2, содержащее входные выводы для подключения источника электропитания постоянного тока, емкостный накопитель, первый блокирующий диод, индуктивный накопитель, балластный дроссель, конденсаторно-диодную цепочку, состоящую из снабберного конденсатора и второго блокирующего диода, первый и второй основные электронные ключи и блок управления с основными импульсно-модуляторными выходными выводами, подключенными к управляющим выводам указанных ключей, первый из которых зашунтирован конденсаторно-диодной цепочкой и своим первым силовым выводом через балластный дроссель подключен к первому входному выводу устройства, а своим вторым силовым выводом через последовательно между собой соединенные индуктивный накопитель, первый блокирующий диод и емкостный накопитель - ко второму входному выводу устройства, а второй ключ своими силовыми выводами шунтирует цепочку, состоящую из первого блокирующего диода и емкостного накопителя, отличающееся тем, что в него введены вспомогательный электронный ключ, третий и четвертый блокирующие диоды, а блок управления снабжен вспомогательным импульсно-модуляторным выходным выводом, подключенным к управляющему выводу вспомогательного электронного ключа, первый силовой вывод которого подключен к общим выводам первого блокирующего диода и индуктивного накопителя и к соединенному с ними силовому выводу второго основного ключа, а второй силовой вывод непосредственно подключен к среднему выводу конденсаторно-диодной цепочки и через третий блокирующий диод - ко второму входному выводу устройства, а четвертый блокирующий диод включен последовательно с балластным дросселем.