Устройство для зарядки БПЛА от провода воздушной линии электропередачи Российский патент 2024 года по МПК B64U50/35 B64U10/10 H02J7/00 

Изобретение относится к области систем управления и автоматизации, а также электроэнергетики, и предназначено для обеспечения автоматического (без участия человека) заряда аккумуляторных батарей беспилотных летательных аппаратов (далее БПЛА) от провода ВЛ.

Известен беспилотный летательный аппарат мультикоптерного типа, подзаряжаемый от воздушных линий электропередач, содержащий расположенный на наружной поверхности аппарата размыкаемый кольцевой магнитопровод, при обхвате которым провода воздушной линии электропередач переменного тока происходит заряд аккумуляторных батарей аппарата от ЭДС, индуцируемой во вторичной катушке данного магнитопровода. Магнитопровод расположен на вертикальной оси симметрии в нижней части беспилотного летательного аппарата мультикоптерного типа в форме симметрично расположенных и симметрично разводящихся полуколец, образующих токовые клещи. БПЛА выполнен с возможностью такого включения двигателей, при котором БПЛА переворачивается из висячего состояния в устойчивое состояние полета, при котором захваченный провод оказывается в крайнем нижнем положении внутреннего пространства токовых клещей на оси симметрии аппарата, после этого клещи разводятся в стороны и БПЛА осуществляет свободный полет, выходя из зацепления с проводом, при этом появляется возможность использования магнитопровода, выполненного в форме клещей, для удержания полезного груза и сброса его в необходимой точке, БПЛА включает в себя вторичную катушку на магнитопроводе, цепь заряда АКБ с контроллером заряда, АКБ, механизм разведения и сведения полуколец магнитопровода (патент РФ 2760429, опубл. 25.11.2021).

Недостатками данного устройства является сложность и недостаточная надежность конструкции и процесса его установки на провод ВЛ, а также необходимость снабжения данным устройством каждого БПЛА в отдельности, что увеличивает его габариты и ухудшает летные характеристики.

Также известен способ монтажа маркеров, закрепляемых на проводах и молниезащитных тросах воздушных линий электропередачи, с помощью беспилотных летательных аппаратов, заключающийся в том, что в ручном режиме управления или в автоматическом режиме управления при помощи бортового компьютера по радиоканалу регулируемыми захватами, закрепленными на несущей конструкции беспилотного летательного аппарата, удерживают маркер, затем по радиосигналу включают электродвигатели с винтами-пропеллерами, поднимают маркер и транспортируют его к месту монтажа, при этом маневрируют беспилотным летательным аппаратом таким образом, чтобы он завис в положении, когда провод или молниезащитный трос линии электропередач располагаются под нижней прорезью, выполненной в маркере, после позиционирования беспилотного летательного аппарата над проводом или молниезащитным тросом освобождают захват и сбрасывают на провод или трос маркер, имеющий клиновидную прорезь в нижней части, осуществляя первоначальный захват провода или троса маркером, с последующей автоматической фиксацией маркера посредством зажимов (патент РФ 2690697, опубл. 05.06.2019).

Недостатком данного способа является недостаточная надежность конструкции механизма установки на провод ВЛ, поскольку в отсутствие направляющих, которые сопряжены с зажимом, при транспортировке шара вследствие вибраций первый зажим может выйти за пределы клиновидной прорези и после сброса шар может об него стукнуться, (и при малом расстоянии центра тяжести) перевернуться и упасть

Технический результат, достигаемый заявляемым изобретением, заключается в упрощении и увеличении надежности процесса зарядки аккумуляторных батарей БПЛА от провода ВЛ, в том числе процесса установки устройства для зарядки БПЛА на провод ВЛ.

Заявляемый технический результат достигается тем, что устройство для зарядки БПЛА от провода воздушной линии электропередачи представляет собой зарядную станцию, размещаемую на проводе воздушной линии электропередачи, и адаптер для зарядной станции, размещаемый на БПЛА, требующем зарядки, зарядная станция содержит раму, в верхней части которой на основании смонтирована выполненная из диэлектрического материала посадочная платформа, в которой выполнена многогранная воронка, рама имеет форму клина, содержащего места крепления оборудования, расположенные в нижней части рамы, при этом угол клина выполнен скругленным, обеспечивающим фиксацию зарядной станции на проводе воздушной линии электропередачи после сбрасывания зарядной станции с БПЛА, доставляющего зарядную станцию на провод, в основании установлена передающая катушка индуктивности, к которой подключен генератор знакопеременных импульсов, установленный на раме, с внутренней стороны рама снабжена рейками для позиционирования провода воздушной линии электропередачи относительно устройства отбора мощности и раскрытия соединенных между собой в верхней части при помощи шарнира полуколец магнитопровода устройства отбора мощности, расположенного соосно со скруглением угла клина, рейки выполнены подвижными и соединены с корпусом устройства отбора мощности и рамой при помощи шарниров, в верхней части рамы выполнены крепления для установки зарядной станции в замки, закрепленные на БПЛА, доставляющем устройство для зарядки на провод воздушной линии электропередачи, крепления выполнены с возможностью опускания ниже верхней кромки воронки посадочной платформы после сброса зарядной станции с БПЛА, выход устройства отбора мощности подсоединен ко входу выпрямителя, соединенного с системой заряда и защиты аккумуляторных батарей БПЛА, включающей в себя преобразователь напряжения, ко входу которого подсоединен выпрямитель, и схему включения дополнительной нагрузки, также соединенную с выпрямителем, выход преобразователя напряжения соединен с аккумуляторными батареями, к которым подсоединены схема балансировки напряжений и схема защиты от переразряда аккумуляторных батарей системы заряда и защиты аккумуляторных батарей, подключенной к генератору знакопеременных импульсов, адаптер для зарядной станции содержит установленный на БПЛА, требующем зарядки, ответную для многогранной воронки часть, представляющую собой N присоединенных к нижней части БПЛА направляющих, соединенных между собой зарядной пластиной, в которой установлена приемная катушка индуктивности, соединенная с выпрямителем, который в свою очередь соединен с системой контроля зарядки БПЛА, требующего зарядки.

Угол клина составляет 50-75 градусов.

Места крепления оборудования выполнены в виде пластин.

В месте контакта рамы с проводом воздушной линии электропередачи на раме выполнены зубья.

Крепления для установки зарядной станции в замки, закрепленные на БПЛА, доставляющем устройство, выполнены в виде язычков или крючков.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

- на Фиг. 1 представлено устройство для зарядки беспилотных летательных аппаратов от провода ВЛ с подлетающим к ней БПЛА для зарядки;

- на Фиг. 2 представлена а) функциональная схема устройства для зарядки беспилотных летательных аппаратов от провода ВЛ и б) функциональная схема системы заряда и защиты аккумуляторных батарей.

Устройство для зарядки БПЛА от провода воздушной линии электропередачи (Фиг. 1) представляет собой зарядную станцию 1, размещаемую на проводе 2 ВЛ. Зарядная станция 1 содержит основание 3, на котором установлена посадочная платформа 4 для БПЛА 5, требующего зарядки. Основание 3 установлено на верхней части рамы 6, имеющей форму клина, содержащего места 7 крепления оборудования, например, в виде пластин. Угол клина выполнен скругленным, таким, чтобы провод ВЛ 2 попадал в клин при сбрасывании зарядной станции с БПЛА, доставляющего зарядную станцию на провод ВЛ (на чертеже не показан). Преимущественно, угол клина должен составлять 50-75 градусов, что обеспечивает одновременно высокую вероятность попадания зарядной станции на провод ВЛ при сбрасывании ее с БПЛА и снижает, таким образом, требования к точности позиционирования зарядной станции над проводом ВЛ, а также максимальную устойчивость зарядной станции на проводе ВЛ после ее установки. В месте контакта рамы 6 с проводом ВЛ на раме выполнены зубья (на чертеже не показаны) для увеличения надежности фиксации зарядной станции на проводе за счет зацепления зубьев за жилы провода ВЛ.

В посадочной платформе 4 выполнена многогранная воронка 8 для установки БПЛА 5, его позиционирования и фиксации относительно зарядной станции. Преимущественное количество граней воронки – четыре, по наиболее распространенному типу БПЛА – квадрокоптеры. Посадочная платформа 4 выполнена из диэлектрического материала, например, из пластика.

В зарядной станции, для передачи энергии к БПЛА, используется принцип беспроводной зарядки на основе передающей и приемной катушек индуктивности, реализующийся следующим образом. В основании 3 – в днище воронки 8 – установлена плоская передающая катушка индуктивности 9 с воздушным сердечником, к которой подключен генератор знакопеременных импульсов 10, установленный на раме 6, в месте 7 крепления оборудования.

На БПЛА 5, требующем зарядки, также установлена приемная катушка индуктивности 11. Катушки устанавливаются таким образом, чтобы после осуществления позиционирования БПЛА на зарядной станции в воронке, катушки оказались максимально близко друг к другу, но при этом разделены изолятором, выполненным из материала, обладающим наилучшей диэлектрической прочностью, например, полиэтилена или слюды, способным выдержать фазное напряжение ВЛ. Таким образом, электрическая схема БПЛА гальванически отвязана от электрической схемы зарядной станции и напряжения фазного провода ВЛ, а электрическая мощность на БПЛА передается без использования механических контактных групп.

Для этого БПЛА 5, требующий зарядки, оснащен адаптером 13 для зарядной станции, содержащим ответную для многогранной воронки часть, представляющую собой N, преимущественно четыре, присоединенных к нижней части БПЛА 5 направляющих 12, соединенных между собой зарядной пластиной, в которой установлена приемная катушка индуктивности 11, соединенная с выпрямителем 24, который в свою очередь соединен с системой контроля зарядки 25 БПЛА 5. Приемная катушка 11 принимает энергию от передающей катушки 9 и передает ее через выпрямитель 24 и систему контроля зарядки 25 на аккумуляторные батареи 26 БПЛА 5. Наличие на посадочной платформе многогранной воронки 8 и ответной части на БПЛА в виде направляющих 12 позволяет снизить требования к точности позиционирования при посадке БПЛА 5 на зарядную станцию.

С внутренней стороны рама 6 снабжена рейками 14 для позиционирования провода ВЛ 2 относительно устройства отбора мощности 15 и раскрытия соединенных между собой в верхней части при помощи шарнира полуколец магнитопровода устройства отбора мощности 15, расположенного соосно со скруглением угла клина. Устройство отбора мощности от провода ВЛ может быть выполнено, например, согласно патенту РФ № 2634931. Устройство отбора мощности 15 закреплено на раме 6. Рейки 14 выполнены подвижными и соединены с корпусом устройства отбора мощности 15 и рамой 6 при помощи шарниров для точного позиционирования провода ВЛ относительно устройства отбора мощности при размыкании магнитопровода.

Аккумуляторные батареи 16 для зарядки БПЛА 5 располагаются с внешней стороны в нижней части рамы 6 в местах 7 крепления оборудования в целях смещения центра тяжести устройства для зарядки вниз относительно провода ВЛ на расстояние, обеспечивающее достаточно устойчивое нахождение устройства на проводе.

Функциональная схема зарядной станции (Фиг. 2а, 2б) содержит выпрямитель 17, ко входу которого подсоединено устройство отбора мощности 15. Выпрямитель 17 преобразует поступающее от устройства отбора мощности 15 переменное напряжение в постоянное.

Выпрямитель 17 соединен с системой 18 заряда и защиты аккумуляторных батарей 18, включающей в себя преобразователь напряжения 19, ко входу которого подсоединен выпрямитель 17, и схему включения дополнительной нагрузки 20, также соединенную с выпрямителем 17. Выход преобразователя напряжения 19 соединен с аккумуляторными батареями 16. Преобразователь напряжения 19 предназначен для преобразования поступающего от устройства отбора мощности 15 напряжения в фиксированное, обеспечивая зарядку аккумуляторных батарей 16 и защиту их от перезаряда, а также для ограничения зарядного тока, согласно характеристикам используемых батарей, что увеличивает срок их службы. В систему 18 заряда и защиты аккумуляторных батарей также входит схема балансировки напряжений 21 и схема 23 защиты от переразряда аккумуляторных батарей, подсоединенные к аккумуляторным батареям 16. Схема 23 защиты от переразряда включает в себя, например, электронные ключи, программируемый стабилитрон, резисторы (на чертеже не показаны).

Система 18 заряда и защиты аккумуляторных батарей обеспечивает повышение надежности процесса зарядки путем выполнения следующих функций: преобразует поступающее напряжение в фиксированное и ограничивает ток; защищает аккумуляторные батареи от перезаряда, обеспечивает балансировку аккумуляторных батарей; обеспечивает индикацию состояния батарей; в случае протекания недостаточного тока в ВЛ и питания БПЛА от аккумуляторных батарей станции, отключает БПЛА от зарядки при недостаточном заряде батарей станции, тем самым продлевая их жизненный цикл; в случае отключения БПЛА от зарядки, при заряженных аккумуляторных батареях станции, а также при излишне снимаемой мощности с линии при больших протекающих токах в ВЛ с помощью электронных ключей подключается дополнительная нагрузка, что позволяет избежать работы устройства отбора мощности на холостом ходу. В противном случае это может привести к росту напряжения на выходе токового трансформатора устройства отбора мощности до значений способных вывести зарядную станцию из строя.

Система 18 заряда и защиты аккумуляторных батарей подключена к генератору знакопеременных импульсов 10, преобразующему постоянное напряжение в переменное напряжение высокой частоты и подающему его на передающую индуктивную катушку 9. Повышение частоты позволяет повысить эффективность беспроводной передачи энергии к БПЛА 5 и снизить габариты передающей катушки индуктивности 9.

Адаптер беспроводной зарядки 13 помимо приемной катушки индуктивности 11 содержит выпрямитель 24, вход которого соединен с приемной катушкой индуктивности, а выход – с системой контроля зарядки 25 БПЛА 5. Приемная катушка 11 улавливает энергию, излучаемую передающей катушкой 9, и подаёт её на выпрямитель 24. Выпрямитель 24 преобразует переменное напряжение в постоянное, подаваемое в систему контроля зарядки 25 БПЛА 5. Система контроля зарядки 25 БПЛА 5 контролирует процесс заряда аккумуляторной батареи 26 БПЛА 5, регулирует подачу энергии на него, а также отключает приемную катушку 11 при достижении заряда аккумуляторных батарей 26 БПЛА 100%.

Система контроля зарядки 25 БПЛА 5 предназначена для отключения входа аккумуляторных батарей 26 при достижении ими полного заряда, и подачи энергии с ограничением по току и напряжению. Система контроля зарядки 25 состоит, как правило, из преобразователя напряжения, электронных ключей, программируемых стабилитронов и резисторов (на чертеже не показаны).

В верхней части рамы 6 симметрично выполнены два крепления 27 в виде язычков или крючков для установки зарядной станции 1 в электронные замки, установленные в нижней части БПЛА, доставляющего устройство для зарядки на провод ВЛ (на чертеже не показано). Язычки или крючки снабжены пружинами, при помощи которых они опускаются ниже верхней кромки воронки посадочной платформы 4 после сброса БПЛА-доставщиком устройства для зарядки на провод ВЛ. Открытие и закрытие замков механизма сброса БПЛА-доставщика осуществляется при помощи сервоприводов, установленных на БПЛА-доставщике.

Аккумуляторные батареи 16, генератор знакопеременных импульсов 10, выпрямитель 17, система заряда и защиты аккумуляторных батарей 18 располагаются в местах 7 крепления оборудования так, чтобы обеспечивать расположение центра тяжести всей зарядной станции в ее плоскости симметрии, проходящей через ось фазного провода ВЛ и обеспечивать сдвиг центра тяжести конструкции вниз от провода ВЛ на расстояние, обеспечивающее устойчивое вертикальное положение конструкции на проводе ВЛ.

Устройство для зарядки беспилотных летательных аппаратов от провода ВЛ работает следующим образом.

Установка устройства для зарядки БПЛА на провод ВЛ 2 осуществляется при помощи БПЛА, доставляющего устройство для зарядки к проводу ВЛ (на чертеже не показано). БПЛА-доставщик подлетает к проводу ВЛ 2 сверху, осуществляя сброс устройства для зарядки на провод ВЛ посредством подачи управляющего сигнала на сервопривод электронного замка. Электронный замок открывается, освобождая крепления 27, после чего они при помощи пружин опускаются ниже верхней кромки воронки 8 посадочной платформы 4.

После сброса зарядная станция 1 приземляется на провод ВЛ 2 и фиксируется на нем благодаря выполнению угла клина в диапазоне 50-75 градусов, что является достаточным для попадания провода в клин. Устойчивость устройства для зарядки на проводе ВЛ обеспечивается также расположением аккумуляторных батарей 16 другого оборудования зарядной станции в местах крепления оборудования 7 в нижней части рамы 6 с тем, чтобы обеспечить максимально низкое расположение центра тяжести устройства для зарядки относительно провода ВЛ. Рейки 14 направляют провод 2 ВЛ к устройству отбора мощности 15, провод давит на одну из подвижных реек 14, что приводит к более легкому размыканию полуколец магнитопровода устройства отбора мощности путем давления сначала на рейку, что приводит к отодвиганию в сторону не только ее, но и полукольца, соединенного с ней. Зарядная станция 1 фиксируется на проводе 2 ВЛ.

БПЛА, требующий зарядки 5 аккумуляторных батарей, с помощью бортового навигационного устройства или с помощью ручного управления приземляется на посадочную платформу 4 зарядной станции.

При посадке БПЛА 5 в воронку 8 посадочной платформы 4 направляющие 12 ответной части БПЛА 5 для воронки 8 входят в воронку 8 и фиксируют приемную катушку 11, расположенную внутри зарядной пластины, максимально близко к передающей катушке 9, расположенной в основании 3 зарядной станции.

При протекании тока в фазном проводе ВЛ, являющимся первичной обмоткой токового трансформатора устройства отбора мощности 15, в его вторичной обмотке возникает переменная ЭДС, используемая для зарядки аккумуляторных батарей зарядной станции.

Выводы вторичной обмотки устройства отбора мощности 15 подключены к выпрямителю 17 для преобразования переменного напряжения в постоянное. Выпрямленное напряжение подается в систему 18 заряда и защиты аккумуляторов, преобразующую напряжение и ограничивающую электрический ток до оптимальных для заряда аккумуляторных батарей 16 значений при помощи преобразователя напряжения 19. В случае полного заряда аккумуляторных батарей 16, влекущего за собой отсутствие потребления мощности со вторичной обмотки устройства отбора мощности 15 или при протекании в фазном проводе 2 ВЛ повышенных токов, для защиты электронных систем зарядной станции от перенапряжения схема включения дополнительной нагрузки 20 системы 18 заряда и защиты аккумуляторных батарей выполняет подключение дополнительной нагрузки 20 в виде резистора при помощи полупроводниковых или релейных ключей параллельно выходам вторичной обмотки устройства отбора мощности 16.

В ходе эксплуатации аккумуляторных батарей, в случае разбалансировки напряжений на их отдельных аккумуляторных элементах, подключенная к аккумуляторным батареям схема 21 балансировки напряжений выполняет разряд отдельных, наиболее заряженных аккумуляторных элементов посредством коммутации их электронными ключами на резистивную нагрузку.

Напряжение с аккумуляторных батарей 16 подается на генератор знакопеременных импульсов 10 через схему 23 защиты от переразряда, отключающую питание генератора знакопеременных импульсов 10 при падении напряжения на аккумуляторных батареях 16 ниже допустимого значения. Генератор знакопеременных импульсов 10 преобразует постоянное напряжение от аккумуляторных батарей 16 в переменные импульсы, подающиеся на передающую индуктивную катушку 9 и вызывающие возникновение переменного электромагнитного поля вокруг неё.

При нахождении БПЛА 5 с соответствующей приемной катушкой индуктивности 11 в воронке 8 посадочной платформы 4 зарядной станции, благодаря эффекту индукции, под воздействием магнитного поля в приемной катушке 11 возникает переменный электрический ток. Ток подается на выпрямитель 24, а затем к системе контроля зарядки 25 БПЛА, расположенные на БПЛА 5. Система контроля заряда 26 БПЛА заряжает аккумуляторные батареи 26 БПЛА, преобразуя напряжение и ограничивая поступающий на аккумуляторную батарею ток до значений, соответствующих режиму эксплуатации аккумуляторных батарей БПЛА.

После зарядки аккумуляторных батарей 26 БПЛА до необходимых значений БПЛА 5 осуществляет взлет из воронки 8 посадочной платформы 4 зарядной станции.

Таким образом, заявляемое устройство для зарядки беспилотных летательных аппаратов от провода ВЛ позволяет обеспечить надежную зарядку аккумуляторных батарей БПЛА как за счет механической конструкции устройства, так и электронной схемы зарядной станции.

Устройство для зарядки БПЛА от провода воздушной линии электропередачи (ВЛ) содержит размещаемую на проводе ВЛ зарядную станцию, адаптер для зарядной станции, размещаемый на БПЛА. Зарядная станция содержит раму с посадочной платформой из диэлектрического материала, выполненную с возможностью фиксации БПЛА на платформе, а также с возможностью фиксации зарядной станции на ВЛ после ее сбрасывания с БПЛА, устройство отбора мощности, аккумуляторную батарею станции (АКБ), выпрямитель, систему заряда и защиты АКБ, генератор знакопеременных импульсов, передающую катушку индуктивности. Адаптер БПЛА содержит приемную катушку индуктивности, выпрямитель, систему контроля зарядки АКБ БПЛА. Обеспечивается упрощение и увеличение надежности процесса зарядки аккумуляторных батарей БПЛА от провода ВЛ. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для зарядки БПЛА от провода воздушной линии электропередачи, представляющее собой зарядную станцию, размещаемую на проводе воздушной линии электропередачи, и адаптер для зарядной станции, размещаемый на БПЛА, требующем зарядки, зарядная станция содержит раму, в верхней части которой на основании смонтирована выполненная из диэлектрического материала посадочная платформа, в которой выполнена многогранная воронка, рама имеет форму клина, содержащего места крепления оборудования, расположенные в нижней части рамы, при этом угол клина выполнен скругленным, обеспечивающим фиксацию зарядной станции на проводе воздушной линии электропередачи после сбрасывания зарядной станции с БПЛА, доставляющего зарядную станцию на провод, в основании установлена передающая катушка индуктивности, к которой подключен генератор знакопеременных импульсов, установленный на раме, с внутренней стороны рама снабжена рейками для позиционирования провода воздушной линии электропередачи относительно устройства отбора мощности и раскрытия соединенных между собой в верхней части при помощи шарнира полуколец магнитопровода устройства отбора мощности, расположенного соосно со скруглением угла клина, рейки выполнены подвижными и соединены с корпусом устройства отбора мощности и рамой при помощи шарниров, в верхней части рамы выполнены крепления для установки зарядной станции в замки, закрепленные на БПЛА, доставляющем устройство для зарядки на провод воздушной линии электропередачи, крепления выполнены с возможностью опускания ниже верхней кромки воронки посадочной платформы после сброса зарядной станции с БПЛА, выход устройства отбора мощности подсоединен ко входу выпрямителя, соединенного с системой заряда и защиты аккумуляторных батарей БПЛА, включающей в себя преобразователь напряжения, ко входу которого подсоединен выпрямитель, и схему включения дополнительной нагрузки, также соединенную с выпрямителем, выход преобразователя напряжения соединен с аккумуляторными батареями, к которым подсоединены схема балансировки напряжений и схема защиты от переразряда аккумуляторных батарей системы заряда и защиты аккумуляторных батарей, подключенной к генератору знакопеременных импульсов, адаптер для зарядной станции содержит установленный на БПЛА, требующем зарядки, ответную для многогранной воронки часть, представляющую собой N присоединенных к нижней части БПЛА направляющих, соединенных между собой зарядной пластиной, в которой установлена приемная катушка индуктивности, соединенная с выпрямителем, который в свою очередь соединен с системой контроля зарядки БПЛА, требующего зарядки.

2. Устройство для зарядки БПЛА от провода воздушной линии электропередачи по п. 1, отличающееся тем, что угол клина составляет 50-75 градусов.

3. Устройство для зарядки БПЛА от провода воздушной линии электропередачи по п. 1, отличающееся тем, что места крепления оборудования выполнены в виде пластин.

4. Устройство для зарядки БПЛА от провода воздушной линии электропередачи по п. 1, отличающееся тем, что в месте контакта рамы с проводом воздушной линии электропередачи на раме выполнены зубья.

5. Устройство для зарядки БПЛА от провода воздушной линии электропередачи по п. 1, отличающееся тем, что крепления выполнены в виде язычков или крючков.