УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ПРИВЯЗНОГО БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА Российский патент 2024 года по МПК B64F3/02 B60L53/18 B64U10/60 B64U50/34 H02J5/00 

Изобретение относится к области авиации и может быть использовано для электропитания от наземного источника питания бортового электрооборудования привязных беспилотных летательных аппаратов длительного времени функционирования.

Известно устройство для электроснабжения привязного аэростата (RU 2711325), в котором электроэнергия от наземного источника питания промышленной или автономной трехфазной сети переменного тока 380 В частотой 50 Гц преобразуется в напряжение постоянного тока высокого уровня (например, 400…1000В) с высоким уровнем стабилизации, передают по кабель-тросу на борт летательного аппарата, преобразуют с высокой точностью и при минимальных уровнях пульсаций в постоянное напряжение постоянного тока низкого уровня (например, 24…50В) для электропитания электрических двигателей летательного аппарата, а также всего комплекса бортового оборудования, включая аппаратуру полезной нагрузки и системы управления и навигации.

Устройство содержит источник электроэнергии и наземный преобразователь, размещенные на наземном объекте, размещенные на борту летательного аппарата бортовой преобразователь и резервную аккумуляторную батарею, кабель-трос. Наземный преобразователь содержит блок преобразования, силовой регулирующий модуль, датчик тока, контроллер, широтно-импульсный модулятор, панель управления и индикации. Бортовой преобразователь содержит изолированный модуль преобразования и электронный коммутатор питания.

Данное техническое решение является наиболее близким к заявляемому техническому решению.

Недостатком данного технического решения является невысокая точность поддержания выходного напряжения в зависимости от параметров окружающей среды, таких как температура на разной высоте, скорость ветра, давление, а также режима работы как по высоте, так и по мощности. Причиной этого является косвенная стабилизация выходного напряжения, так как напрямую, с высокой точностью стабилизируется напряжение до кабель-троса и нерегулируемого бортового преобразователя. Поддержание выходного напряжения на заданном уровне осуществляется путем программной компенсации падения напряжения на кабель-тросе и бортовом преобразователе, в зависимости от потребляемой мощности. При этом в алгоритм компенсации закладывается некоторая модель кабель-троса и бортового преобразователя. Однако сопротивление кабель-троса существенно зависит от его температуры, которая, в свою очередь, зависит от величины действующего значения протекающего тока, а также от условий охлаждения по всей длине. При этом учет распределения температуры по всей длине кабель-троса в реальных условиях невозможен, так как невозможно определить скорость ветра в каждой точке. Также необходимо учитывать, что часть кабель-троса всегда находится на барабане устройства смотки-размотки кабеля, где условия охлаждения нелинейно зависят от длины кабеля в текущий момент времени. Бортовой преобразователь также является существенно нелинейным устройством, его эквивалентное сопротивление, нелинейно зависит от потребляемой мощности и условий охлаждения. В совокупности эти причины приводят к существенному снижению точности поддержания выходного напряжения в реальных условиях долговременной эксплуатации.

Технический результат заключается в увеличении точности поддержания выходного напряжения в статических и динамических режимах работы.

Технический результат достигается за счет того, что в качестве бортового преобразователя используется неизолированный многофазный преобразователь постоянного напряжения, силовые ключи которого, работают с равномерным фазовым сдвигом, определяемым числом ячеек преобразователя. Управление ключами осуществляется от общего цифрового контроллера путем широтно-импульсной модуляции импульса управления. Алгоритм цифрового регулятора выходного напряжения использует непосредственное измерение выходного напряжения с помощью резистивного делителя, выполненного на точных резисторах, а также, в качестве дополнительной переменной используется сигнал о пропорциональный выходному току, снимаемый с шунта через изолирующий усилитель. Таким образом достигается статическая точность поддержания выходного напряжения на уровне десятой доли процента (<0.1%) в широком диапазоне температур окружающей среды. Также непосредственное измерение параметров выходного напряжения и тока позволило реализовать хорошие динамические характеристики (уровень перерегулирования меньше 2%) во время переходного процесса и в случае появления аварийных режимов работы.

Количество ячеек многофазного преобразователя определяется коэффициентом соотношения между входным и выходным напряжением, которое выбирается (за счет соответствующего задания уровня входного напряжения бортового преобразователя) равным целому числу. Например, для выходного напряжения 50 В и количества ячеек n=6, входное напряжение составляет 300В. В этом случае, и в окрестности этой рабочей точки действующий ток входного фильтрового конденсатора незначителен, что приводит к существенному уменьшению необходимой емкости входного фильтрующего устройства и, как следствие массы и габаритов этого узла. Напряжение на входе бортового преобразователя стабилизируется с помощью наземного преобразователя путем компенсации падения напряжения на кабель-тросе в функции потребляемого тока. Вариация этого напряжения в зависимости от условий эксплуатации не превышает нескольких процентов (<3%) и легко компенсируется бортовым преобразователем.

На фиг. 1 представлена общая структурная схема устройства для электропитания привязного летательного аппарата в соответствии с заявляемым техническим решением.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Вся система питается от стандартной трехфазной сети 380В, 50Гц. В мобильном исполнении сетевое напряжение формируется от вспомогательного дизель-генератора 1. С дизель-генератора переменное напряжение поступает на наземный источник 2. Построение и принцип действия наземного источника следующие. Входное сетевое напряжение через входную коммутационную и защитную аппаратуру, а также входной помехоподавляющий фильтр поступает на модуль трехфазного мостового выпрямителя и, далее на выходной Г-образный LC-фильтр. Практически постоянное, нестабилизированное напряжение на выходе фильтра порядка 500В поступает на стабилизатор тока (СТ), на основе транзисторного ключа и реактора L1, который обеспечивает стабилизацию и регулировку тока , поступающего на вход мостового инвертора тока (ИнТ). Величина этого тока определяет значение выходного напряжения, прикладываемого к нагрузке в виде кабель-троса и источника питания БПЛА. Инвертор тока работает с коэффициентом заполнения равным 0.5, не участвуя в процессе регулирования и стабилизации выходного напряжения. Его функция заключается в формирования переменного тока для обеспечения трансформаторной развязки и согласования уровня выходного напряжения с уровнем входного. Таким образом, переменный ток инвертора поступает на первичную обмотку согласующего трансформатора (TV), который обеспечивает, также гальваническую развязку выходной цепи от питающей сети. Для формирования постоянного выходного напряжения используется блок на основе мостового выпрямителя и емкостного фильтра Сф. Отсутствие выходного дросселя ограничивает выброс напряжения на выходных диодах, вызванный энергией индуктивности рассеяния трансформатора на уровне текущего выходного напряжения. Основу наземного блока составляют силовые транзисторные модули, которые управляются с помощью специализированных схем формирователей импульса. Для защиты силового транзистора стабилизатора тока от перенапряжения используется пассивная защитная RCD-цепь. Для ограничения пусковых токов в момент включения применяется вспомогательная схема предварительного заряда фильтрового конденсатора. Питание системы управления и других низковольтных вспомогательных систем осуществляется сетевым вспомогательным источником питания (ВИП). Регулирование и стабилизация напряжения на выходе источника питания осуществляется по сигналам обратной связи, величина которых пропорциональна выходному напряжению и току. Эти сигналы формируются с помощью блока измерения. Также используется сигнал обратной связи по току реактора , который поступает на цифровую систему управления с датчика тока на эффекте Холла. Реализован подчиненный принцип управления, где в качестве внутренней координаты используется ток реактора , а в качестве внешней координаты - выходное напряжение. Для уменьшения величины входного фильтра бортового преобразователя постоянного напряжения, расположенного на БПЛА необходимо поддерживать напряжение на входе ППН на постоянном уровне. Для этой цели в контур стабилизации выходного напряжения наземного преобразователя введен программный блок компенсации падения напряжения на кабель-тросе.

Выходное напряжение наземного блока поступает через кабель-трос 3 длинной 170 м. на входной емкостной фильтр 4 и далее на вход бортового преобразователя 5, который представляет собой многофазный преобразователь постоянного напряжения (ППН) 5.1-5.n, где n - число параллельно-соединенных идентичных ячеек. Бортовой преобразователь формирует выходное, стабилизированное напряжение необходимое для питания электроприводов и системы управления БПЛА. Стабилизация осуществляется с помощью цифровой системы управления 6 по сигналам обратной связи по выходному напряжению и току бортового преобразователя 5. Сигналы обратной связи формируются путем измерения датчиками тока и напряжения 7, расположенными на выходе многофазного преобразователя 5. Для стабилизации выходного напряжения в цифровой системе управления 6 реализован алгоритм цифровой компенсации отклонения выходного напряжения от эталонного значения. С выхода преобразователя напряжение поступает на блок зарядно-коммутационного устройства (ЗРКУ) 9, который реализует функции переключения питания БПЛА от аккумуляторной батареи (АКБ) 8 и отключения бортового преобразователя в аварийных режимах работы, а также заряд АКБ, как в наземном положении, так и в полете БПЛА. С выхода ЗРКУ напряжение питания поступает на БПЛА 10.

По предлагаемому техническому решению создана система электропитания беспилотного летательного аппарата на основе кабельного соединения с наземным, расположенным на поверхности земли, источником электрической энергии. Наземный источник питания от стандартной трехфазной сети формирует гальванически изолированное, постоянное выходное напряжение, изменяющееся в диапазоне 350-435В со средней электрической мощностью до 8 кВт. Использована схема на основе импульсного стабилизатора тока понижающего типа с последующим звеном инвертора тока, согласующего трансформатора и выпрямителя. Напряжение наземного источника питания поступает по кабель-тросу на бортовой источник питания беспилотного летательного аппарата. Источник питания БПЛА в выполнен в виде шестифазного понижающего преобразователя постоянного напряжения и обеспечивает выходное напряжение 48В, с точностью 0.1%, и выходной ток до 135А, с максимальным кратковременным значением до 150А.

Конструктивно система электропитания БПЛА размещается в двух блоках, Фиг. 2. В блоке 1 располагается наземный источник постоянного напряжения с функцией компенсации падения напряжения на кабель-тросе. Габариты блока - 600×440×180 мм. В блоке 2 располагается многофазный понижающий преобразователь постоянного напряжения, формирующий силовую шину 48В. Габариты блока - 350×240×60. Вес блока - 2 кг. Номинальная выходная мощность по шине 48В составляет 6.5 кВт. Блоки питания системы работают при принудительном воздушном охлаждении. Бортовой преобразователь охлаждается потоком воздуха от БПЛА.

Изобретение относится к области авиации и может быть использовано для электропитания от наземного источника питания бортового электрооборудования привязных беспилотных летательных аппаратов длительного времени функционирования. Устройство для электропитания содержит размещенные на наземном объекте источник электроэнергии, наземный преобразователь, кабель-трос, предназначенный для передачи электроэнергии от наземного преобразователя на ЛА, и размещенные на ЛА бортовой преобразователь, зарядно-коммутационное устройство и резервная аккумуляторная батарея, предназначенные для осуществления электропитания бортового оборудования ЛА. Бортовой преобразователь реализован в виде неизолированного многофазного преобразователя постоянного напряжения с цифровой стабилизацией выходного напряжения по сигналам обратной связи, формируемым путем измерения датчиками тока и напряжения, расположенными на выходе многофазного преобразователя, и включением в состав бортового преобразователя блока заряда аккумуляторной батареи. Увеличивается точность поддержания выходного напряжения в статических и динамических режимах работы. 2 ил.

Устройство для электропитания привязного летательного аппарата, содержащее размещенные на наземном объекте источник электроэнергии, наземный преобразователь, кабель-трос, предназначенный для передачи электроэнергии от наземного преобразователя на летательный аппарат, а также размещенные на летательном аппарате бортовой преобразователь, зарядно-коммутационное устройство и резервная аккумуляторная батарея, предназначенные для осуществления электропитания бортового оборудования летательного аппарата, при этом силовой вход наземного преобразователя подключен к источнику электроэнергии, а к силовым выходным клеммам подключены входные клеммы кабель-троса, к выходным клеммам которого подключен силовой вход бортового преобразователя, в свою очередь к силовым выходам бортового преобразователя подключено зарядно-коммутационное устройство, которое подключено через выходные контакты к бортовому электрооборудованию летательного аппарата и контактам резервной аккумуляторной батареи, отличающееся тем, что бортовой преобразователь реализован в виде неизолированного многофазного преобразователя постоянного напряжения с цифровой стабилизацией выходного напряжения по сигналам обратной связи, формируемым путем измерения датчиками тока и напряжения, расположенными на выходе многофазного преобразователя, и включением в состав бортового преобразователя блока заряда аккумуляторной батареи.