Устройство для энергоснабжения привязного беспилотного летательного аппарата Российский патент 2023 года по МПК B64F3/02 H02J5/00 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройству для передачи электрической энергии на воздушный привязной летательный беспилотный аппарат.

Известно устройство для электропитания привязного летательного аппарата (см. RU 2711325 С1, 01.16.2020), содержащее наземный источник электроэнергии, соединенный с наземным преобразователем, снабженным блоком преобразования, силовым регулируемым модулем, датчиком тока, контроллером, широтно-импульсным модулятором (ШИМ), панелей управления и индикации, кабель-трос, соединяющий выход наземного преобразователя с входом бортового преобразователя, включающего изолированный модуль преобразования, электронный коммутатор питания и резервную аккумуляторную батарею. В этом техническом решении выходное напряжение наземного источника промышленной или автономной трехфазной сети переменного тока 380 В частотой 50 Гц поступает на вход блока преобразования наземного преобразователя, формирующего входное переменное напряжение в выходное напряжение постоянного тока высокого уровня (например, 400…1000 В) с возможностью регулируемости в широких пределах и высокой точности для передачи по кабель-тросу на борт летательного аппарата. Бортовой преобразователь, установленный на летательном аппарате, преобразует входное напряжение постоянного тока высокого уровня (например, 400 В) в выходное напряжение постоянного тока низкого уровня с постоянным коэффициентом преобразования (например, 1:8) и стабилизацией для электропитания бортового оборудования летательного аппарата. В данном устройстве предусмотрена возможность автоматического переключения электропитания бортового оборудования летательного аппарата с основного режима от бортового преобразователя на аварийный режим посредством аккумуляторной батареи.

Недостатком этого известного технического решения можно считать конструктивную сложность и низкую выходную мощность бортового преобразователя, ограничивающую его применение при увеличении мощности потребления бортового оборудования летательного аппарата.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятый автором за прототип техническое решение, реализующее системы и методы энергоснабжения летательного аппарата от наземного источника питания (см. Интернет ресурс: https://patents.justia.com/patent/20170144754). Один из вариантов данного технического решения включает в себя наземный источник питания, связанный через привязанный к летательному аппарату силовой кабель, способный доставлять 100 киловатт энергии от наземного источника питания к летательному аппарату (ЛА), с бортовым понижающим преобразователем постоянного тока, размещенным на борту ЛА и распределитель, осуществляющий раздельное питание бортового оборудования летательного аппарата, представленного в виде нагрузки.

Недостатком этого технического решения можно считать низкое эффективное энергоснабжение из-за непостоянства стабильности выходного напряжения бортового понижающего преобразователя постоянного тока при увеличении тока в цепи питания нагрузки.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является повышение эффективности в энергоснабжении воздушного летательного аппарата.

Технический результат достигается тем, что в устройство для энергоснабжения привязного беспилотного летательного аппарата, содержащее наземный источник питания, соединенный выходом с первым концом силового кабеля, подключенного вторым концом к первому входу расположенного на борту летательного аппарата первого понижающего преобразователя с управляющим ШИМ-контроллером и бортовую аппаратуру, введены второй понижающий преобразователь, расположенный на борту летательного аппарата, расположенные на борту летательного аппарата первый и второй формирователи сигнала ошибки, причем выход первого понижающего бортового преобразователя с управляющим ШИМ-контроллером соединен с входами первого формирователя сигнала ошибки и второго бортового понижающего преобразователя, выход которого подключен к входу второго формирователя сигнала ошибки и является выходом устройства, выполненным с возможностью подключения к бортовой аппаратуре, выходы первого и второго формирователей сигнала ошибки соединены со вторым и третьим входами первого понижающего бортового преобразователя с управляющим ШИМ-контроллером соответственно.

Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, что двухступенчатое управление работой первого бортового понижающего преобразователя с управляющим ШИМ-контроллером, дает возможность осуществить эффективное энергоснабжение воздушного беспилотного аппарата.

Наличие в заявляемом устройстве совокупности перечисленных существующих признаков, позволяет решить задачу энергоснабжения привязного беспилотного летательного аппарата на основе применения двухступенчатого управления работой первого понижающего преобразователя с ШИМ-контроллером, с желаемым техническим результатом, т.е. повышением эффективности в энергоснабжении воздушного летательного аппарата.

На чертеже приведена функциональная схема устройства.

Устройство содержит наземный источник питания 1, силовой кабель 2, первый бортовой понижающий преобразователь с управляющим ШИМ-контроллером 3, первый формирователь сигнала ошибки 4, второй бортовой понижающий преобразователь 5, бортовую аппаратуру 6 и второй формирователь сигнала ошибки 7.

Устройство работает следующим образом. Напряжение с выхода наземного источника питания 1, выполненного в виде электрогенератора напряжением, например, до 800 В постоянного тока и имеющего выходную мощность до несколько сотен кВт, с помощью силового кабеля 2 передается на первый вход первого понижающего бортового преобразователя 3 постоянным напряжением, например, 400 В. Далее выходное напряжение первого бортового преобразователя одновременно направляют на входы первого формирователя сигнала ошибки 4 и второго бортового понижающего преобразователя 5, формирующего напряжение, например, до 50 В.

В рассматриваемом случае, благодаря наличию в первом понижающем бортовом преобразователе управляющего ШИМ-контроллера (см. Интернет ресурс: https://www.joyta.ru/7532-shim-shirotno-impulsnaya-modulyaciya), обеспечивается первая ступень стабильности выходного напряжения этого понижающего бортового преобразователя в пределах 400 В. Здесь процесс стабилизации предусматривает поступление выходного постоянного напряжения с выхода первого понижающего преобразователя (одновременно на вход второго понижающего преобразователя) на вход первого формирователя сигнала ошибки. Образование на выходе этого формирователя разности между опорным напряжением (400 В) и поступающим на вход данного формирователя текущим напряжением. Поступление, разностного напряжения с выхода первого формирователя сигнала ошибки, на второй вход первого понижающего преобразователя (первый вход контроллера). В этом преобразователе, представляющем собой импульсный блок питания, управляющий ШИМ-контроллер моделирует среднее значение напряжения за счет изменения ширины импульсов на основании разностного сигнала с цепи обратной связи. Другими словами ШИМ-контроллер в данном случае управляет выходным напряжением первого понижающего преобразователя, поступающим на вход второго понижающего преобразователя методом изменения скважности импульсов постоянной частоты.

В ряде случаев при изменении тока нагрузки в цепи питания бортовой аппаратуры летательного аппарата (ветровая нагрузка на работу пропеллеров двигателей летательных аппаратов) и нестабильности выходного напряжения первого понижающего преобразователя, например, изменение климатических условий окружающей среды, выходное напряжение второго понижающего преобразователя может оказаться нестабильным (колебание в недопустимых пределах напряжения 50 В). Поэтому согласно работы предлагаемого устройства, для стабилизации выходного напряжения второго понижающего преобразователя, с его выхода, постоянное напряжение помимо поступления в бортовую аппаратуру 6, поступает еще на вход второго формирователя сигнала ошибки 7. В силу этого в этом формирователе образуется разность между опорным напряжением 50 В и текущим выходным напряжением второго понижающего преобразователя. При этом разность двух этих постоянных напряжений может оказаться как со знаком плюса, так со знаком минуса. Разностное напряжение с выхода второго формирователя сигнала ошибки, далее передается на третий вход первого понижающего бортового преобразователя (второй вход контроллера). Так как этот понижающий преобразователь снабжен управляющим ШИМ-контроллером, то в этом случае, по аналогии первой ступени стабилизации, процесс управления выходной мощностью, идущей к нагрузке (двигателям летательного аппарата), на базе вышеуказанного разностного напряжения, даст возможность дополнительно регулировать величину выходного напряжения первого понижающего преобразователя в зависимости от изменения выходного напряжения второго понижающего преобразователя (вторая ступень стабилизации). В результате все это даст возможность произвести оптимальное управление бортовой аппаратурой летательного аппарата, и тем самим обеспечить эффективное энергоснабжение привязного беспилотного летательного аппарата.

Таким образом, в предлагаемом техническом решении на основе двухступенчатого управления выходными напряжениями первого и второго понижающих преобразователей постоянных напряжений, приводящего к повышению степени их стабильности, можно обеспечить эффективность в энергоснабжении привязного летательного аппарата.

Область применения данного устройства очень велика. Его можно успешно использовать в случае управления светодиодами и мощными двигателями постоянного тока, а также в сварочном аппарате для сварки алюминия, нержавеющей стали и других сложно свариваемых металлов.

Устройство для энергоснабжения привязного беспилотного летательного аппарата содержит наземный источник питания, силовой кабель, два бортовых понижающих преобразователя, управляющий ШИМ-контроллер, два формирователя сигнала ошибки. Обеспечивается повышение эффективности энергоснабжения летательного аппарата. 1 ил.

Устройство для энергоснабжения привязного беспилотного летательного аппарата, содержащее наземный источник питания, соединенный выходом с первым концом силового кабеля, подключенного вторым концом к первому входу расположенного на борту летательного аппарата первого понижающего преобразователя с управляющим ШИМ-контроллером, и бортовую аппаратуру, отличающееся тем, что в него введены второй понижающий преобразователь, расположенный на борту летательного аппарата, расположенные на борту летательного аппарата первый и второй формирователи сигнала ошибки, причем выход первого понижающего бортового преобразователя с управляющим ШИМ-контроллером соединен с входами первого формирователя сигнала ошибки и второго бортового понижающего преобразователя, выход которого подключен к входу второго формирователя сигнала ошибки и является выходом устройства, выполненным с возможностью подключения к бортовой аппаратуре, выходы первого и второго формирователей сигнала ошибки соединены со вторым и третьим входами первого понижающего бортового преобразователя с управляющим ШИМ-контроллером соответственно.