УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ ПРИВЯЗНОГО БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
DEVICE FOR POWER SUPPLY OF TETHERED UNMANNED AERIAL VEHICLES

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, широтоно-импульсным модулятором (ШИМ), панелей управления и индикации, кабель-торос, 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 (ЛА). 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 ЛА, с бортовым понижающим преобразователем постоянного тока, размещенным на борту ЛА, и осуществляющим электрическое 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 устройство для энергоснабжения привязного беспилотного летательного аппарата содержит 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 нагрузку в виде бортовой сетевой аппаратуры и электродвигателей летательного аппарата, при этом в него введены расположенные на борту летательного аппарата второй понижающий преобразователь, распределитель напряжения, резонансный повышающий dc/dc преобразователь постоянного напряжения, первый и второй формирователи сигнала ошибки, причем выход первого понижающего бортового преобразователя с управляющим ШИМ - контроллером соединен с входом первого формирователя сигнала ошибки и первым входом второго бортового понижающего преобразователя, выход которого подключен к входам распределителя напряжения и второго формирователя сигнала ошибки, первый выход распределителя напряжения через резонансный повышающий dc/dc преобразователь постоянного напряжения подключен к электродвигателям беспилотного летательного аппарата, а второй выход распределителя напряжения соединен с бортовой сетевой аппаратурой, 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 на базе трехступенчатых стабилизации питающего напряжения с его повышением, предназначенного для питания беспилотного летательного аппарата, можно достичь его эффективное энергоснабжение.
Наличие в заявляемом устройстве совокупности перечисленных существующих признаков, позволяет решить задачу энергоснабжения летательного аппарата на базе трехступенчатых стабилизации питающего напряжения с его повышением, т.е. повысить эффективность в энергоснабжении воздушного летательного аппарата.
На чертеже приведена функциональная схема устройства.
Устройство содержит наземный источник питания 1, силовой кабель 2, первый понижающий преобразователь с управляющим ШИМ - контроллером 3, первый формирователь сигнала ошибки 4, второй понижающий преобразователь 5, второй формирователь сигнала ошибки 6, распределитель напряжения 7, резонансный повышающий dc/dc преобразователь постоянного напряжения 8, бортовую сетевую аппаратуру 9 и электродвигатели летательного аппарата 10.
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 стабилизации 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 модулирует 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 выходное постоянное напряжение второго понижающего преобразователя может оказаться нестабильным. Поэтому согласно работе предлагаемого устройства, для стабилизации выходного напряжения второго понижающего преобразователя, с его выхода, постоянное напряжение помимо поступления на вход распределителя напряжения 7, поступает еще на вход второго формирователя сигнала ошибки 6. 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 напряжения, процесс управления выходной мощностью, идущей к распределителю напряжения, 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).
1
2
1
2
2
1
2
1
вых
Как уже было отмечено выше, выходное постоянное напряжение второго понижающего преобразователя, передается на вход распределителя (делителя) напряжения, который в данном случае, осуществляет раздельное электрическое питание одновременно бортовой сетевой аппаратуры 9 (видеокамера, маяк, ретранслятор) и электродвигателей летательного аппарата 10 с разными рабочими (номинальными) напряжениями. Другими словами, этот блок должен иметь два выхода (первый и второй) с разными по величине напряжениями. Пусть постоянное напряжение на первом выходе U, а на втором - U. При этом принимаем U>U. В предлагаемом устройстве напряжение U предназначено для питания бортовой сетевой аппаратуры, a U - электродвигателей летательного аппарата. Следовательно, со второго выхода распределителя напряжение U поступает на бортовую сетевую аппаратуру. В рассматриваемом случае учитывая разделение сигнала в распределителе на две части, величина U может оказаться недостаточной для нормальной работы электродвигателей. Поэтому постоянное напряжение с первого выхода распределителя направляется на вход резонансного повышающего dc/dc преобразователя постоянного напряжения 8. Принцип работы этого импульсного типа преобразователя (см. Интернет ресурс: https://www.terraelectronica.ru/news/5311) основан на явлении самоиндукции с учетом характеристик избирательного фильтра. Основными элементами преобразователя являются катушка индуктивности, циклически подключающаяся к источнику (распределителю в нашем случае) и отключающийся от него, конденсатор, выполняющий фильтрацию сигнала и поддерживающий величину выходного напряжения, а также тиристор или транзистор в виде регулирующего элемента, управляющего временем пропускания электрического тока. Регулировочная характеристика этого блока определяется как зависимость его выходного напряжения от частоты управляющим импульсов ключей U=F(f). Благодаря данному преобразователю, его выходное напряжение, независимо от влияния ветровой нагрузки на работу пропеллеров (увеличение нагрузки), может остаться стабильным, обеспечивающим оптимальное функционирование электродвигателей летательного аппарата, и по топологии может повысить свое выходное напряжение из-за уменьшения его входного напряжения. Другими словами, используемый преобразователь в предлагаемом устройстве, выполняет функции стабильности напряжения в допустимых пределах и повышения напряжения, предназначенных для питания электродвигателей. Следовательно, в данном техническом решении, посредством резонансного повышающего dc/dc преобразователя постоянного напряжения можно осуществить третью ступень стабилизации напряжения с последующим его повышением при необходимости. Здесь из-за незначительной потребляемой мощности бортовой сетевой аппаратуры, влияние на их работу возмущающих факторов с определенной точностью исключается.
Таким образом, в предлагаемом техническом решении за счет двухступенчатых стабилизации выходного напряжения первого понижающего преобразователя и третьей ступени стабилизации выходного напряжения резонансного повышающего dc/dc преобразователя постоянного напряжения с повышением его выходного напряжения, можно обеспечить эффективное энергоснабжение привязного летательного аппарата.
Предлагаемое устройство успешно может быть использовано в вычислительной технике, различных схемах управления и автоматики.