АЭРОДРОМНЫЙ ЭНЕРГОМОДУЛЬ НА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ
AERODROME POWER MODULE OPERATING ON FUEL ELEMENTS

Изобретение относится к энергетике и может использоваться в автономных, резервных, мобильных аэродромных и авиационных энергоустановках.
Известна энергоустановка на топливных элементах (патент RU 2356134 C1 от 20.05.2009), которая позволяет согласовывать диапазон рабочих напряжений стандартного инвертора с выходным напряжением генератора на топливных элементах (ТЭ). Данная установка содержит генератор на топливных элементах, инвертор, стабилизатор, DC-DC преобразователь и блок автоматического управления и контроля. Недостатком устройства является: невозможность обеспечить бортовые потребители воздушного судна напряжениями согласно ГОСТ 19705-89; отсутствие аппаратуры защиты.
Наиболее близким к заявляемому устройству является авиационная энергоустановка с генератором на топливных элементах (заявка на изобретение №2010143066/07(061899) от 20.10.2010 г.), которая позволяет преобразовывать энергию топливных элементов в электрическую энергию согласно ГОСТ 19705-89, а наличие блока защиты исключает подачу напряжения на нагрузку при аварийных режимах. Данная установка содержит генератор на топливных элементах, инвертор, стабилизатор, DC-DC преобразователь, блок автоматического управления и контроля и блок защиты. Недостатком устройства является: невозможность контроля состояния каждого топливного элемента в батарее и отключение неисправных от работы, отключение всей системы в случае выхода из строя одного топливного элемента в батарее, необходимость использования стабилизаторов напряжения и DC-DC преобразователей.
Техническим результатом, достигаемым предлагаемым устройством, является возможность обеспечения энергией потребителей при выходе из строя одного или нескольких топливных элементов в генераторе, оптимизация работы топливных элементов: уменьшение расхода топлива топливных элементов, увеличение ресурса работы топливных элементов, увеличение КПД энергоустановки.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемое устройство, содержащее генератор на топливных элементах, инвертор, блок автоматического управления, контроля и защиты, дополнительно введены: N блоков датчиков топливных элементов, выходы которых объединены и соединены с первым входом блока управления, контроля и защиты; коммутатор, выход которого является выходом устройства и соединен со вторым входом блока управления, контроля, первый выход которого является первым входом коммутатора, второй выход соединен с N входами инверторов, а выходы соединены с N выходами топливных элементов.
Сущность заявляемого устройства заключается в том, что аэродромный энергомодуль на топливных элементах обеспечивает питание потребителей воздушного судна переменным током согласно ГОСТ 19705-89 посредством установки датчиков, контролирующих такие параметры топливных элементов, как выходное напряжение, ток, температура и давление реагентов. Каждый топливный элемент, работая совместно с мостовым инвертором, вырабатывает однофазный трехуровневый сигнал посредством ШИМ-управления блоком контроля, защиты и управления. Для получения высоковольтного напряжения необходимо соединять последовательно мостовые инверторы, а подключив их соответствующим образом, можно сформировать трехфазное напряжение. Информация о состоянии топливных элементов от датчиков поступает в блок контроля, управления и защиты, в котором происходит определение количества и способа подключения топливных элементов для обеспечения требуемых параметров источника по следующему принципу:
а) заданным значением напряжения является напряжение нагрузки и число фаз. Блок управления, контроля и защиты последовательно соединяет топливные элементы, начиная с первого, до достижения эталонного значения, а при необходимости трехфазной сети соединяет топливные элементы в нейтрали и выход;
б) работоспособность топливного элемента по значению температурного датчика определяется критическим значением температуры, которое меняется в зависимости от типа используемых топливных элементов. Процессор контролирует указанный параметр во всех топливных элементах одновременно и в случае достижения критического значения подает сигнал в мостовой инвертор на отключение неисправного и подключение исправного;
в) работоспособность топливного элемента по значению датчика давления определяется критическим значением давления реагентов, которое меняется в зависимости от типа используемых топливных элементов. Процессор контролирует указанный параметр во всех топливных элементах одновременно и в случае достижения критического значения подает сигнал в мостовой инвертор на отключение неисправного и подключение исправного.
Блок управления, контроля и защиты осуществляет общий контроль выходных электрических параметров и формирует управляющие сигналы на мостовые инверторы, формирователь напряжения и в случае возникновения аварийных режимов формирует сигнал, отключающий генератор на топливных элементах от нагрузки.
На чертеже изображена функциональная схема предлагаемого устройства, где обозначено: 1 - топливные элементы; 2 - датчики; 3 - мостовые инверторы; 4 - коммутатор; 5 - блок управления, контроля и защиты.
Топливные элементы 1 являются источником низковольтного постоянного напряжения, который вырабатывается при поступлении на анод и катод окислителя и восстановителя. Мостовые инверторы, работая совместно с ними, вырабатывают трехуровневое низковольтное напряжение. Коммутируя выходы мостовых инверторов последовательно, возможно получать на нагрузке высокие однофазные и трехфазные напряжения. Датчики 2 определяют значения тока, напряжения, давления и температуру реагентов, которые передаются в блок управления, контроля и защиты 5. Тем самым постоянно контролируется состояние топливной ячейки. Коммутатор 4 состоит из набора управляемых ключей, которые по командам из блока управления, контроля и защиты коммутируют цепь определенным образом, тем самым соединяя мостовые инверторы последовательно, для получения на нагрузке необходимого значения однофазного напряжения либо для получения трехфазного напряжения. При этом коммутатор соединяет необходимое для этого количество работоспособных ТЭ.
Устройство работает следующим образом.
При подключении нагрузки к выходу устройства однофазного или трехфазного переменного напряжения необходимого номинала сигнал об этом поступает в блок управления, контроля и защиты 5, который посредством сигнала управляет работой ключей коммутатора 4 таким образом, чтобы в зависимости от величины нагрузки и числа фаз соединялось определенное количество топливных элементов 1. Также блок управления, контроля и защиты 5 формирует ШИМ-сигналы управления для каждого мостового инвертора 3, которые формируют трехуровневое однофазное напряжение. При подключении однофазной нагрузки необходимое количество топливных элементов 1 и мостовых инверторов 3 соединяются в последовательную цепь посредством включения ключей в коммутаторе. При включении трехфазной нагрузки ключи коммутатора 4 разбивают топливные элементы на 3 группы, в которых топливные элементы и мостовые инверторы соединены параллельно, а потом уже эти группы соединяют в трехфазную цепь.
При этом встроенные датчики 2 постоянно снимают характеристики с каждого топливного элемента 1 и передают их значения для оценивания в блок управления, контроля и защиты 5. В случае неисправности топливного элемента 1 по сигналу с блока управления, контроля и защиты 5 коммутатор 4 снимает нагрузку с неисправного топливного элемента, отключается мостовой инвертор 3, работающий совместно с неисправным топливным элементом 1, и подключается исправный топливный элемент и мостовой инвертор. Регулирование выходных значений по току и напряжению происходит за счет подключения или отключения топливных элементов 1 в коммутаторе 4. В случае возникновения аварийных режимов сигнал поступает в блок управления, контроля и защиты 5, который воздействует на коммутатор 4 и мостовые инверторы 3, отключает систему от нагрузки, при этом блок управления, контроля и защиты 5 выдает сообщение о характере неисправности.
Отмечается, что возникновение аварийных режимов на выходе устройства по какому-либо виду переменного тока не отменяет работы устройства по переменному току другого вида.
Управляющие ключи коммутатора могут быть выполнены на карбидокремниевых IGBT или MOSFET силовых транзисторах, обладающих малыми динамическими и статическими потерями.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет эффективно использовать энергетические возможности генератора на топливных элементах при обеспечении бортовой системы воздушного судна переменным однофазным и трехфазным напряжением, преобразовывать низковольтные напряжения топливных ячеек в высокие значения с помощью компактных небольших инверторов, при этом экономить ресурс работы топливных элементов и расход топлива, обеспечить информативность оценки неисправностей, повысить КПД энергоустановки и экономически выгодно за счет применения ключей средней и низкой мощности.