Источник бесперебойного электропитания бортовой аппаратуры
UNINTERRUPTED POWER SUPPLY SOURCE FOR ON-BOARD EQUIPMENT

Изобретение относится к источникам аварийного/резервного электропитания и может быть использовано для снабжения электропитанием отдельных бортовых потребителей постоянного тока авиационной техники -например, бортовой системы регистрации полетной информации, вырабатываемой системами и агрегатами летательных аппаратов.
Известен источник резервного электропитания с параллельно включенными источником постоянного и источником переменного тока (Патент US №7394674, 2008), состоящий из источника переменного тока, источника постоянного тока, батареи соединенных последовательно AC/DC-преобразователей, батареи соединенных последовательно DC/DC -преобразователей, узла балансировки мощностей, цепи детектирования, цепи корректировки выходной мощности. Работает он следующим образом: напряжения сетей постоянного и переменного тока трансформируются при помощи AC/DC и DC/DC - преобразователей в напряжения, необходимые для снабжения электропитанием устройства - потребителя постоянного тока (нагрузки), при этом узел балансировки мощностей контролирует соотношение выходных мощностей преобразователей, основываясь на необходимой для работы устройства - потребителя электроэнергии мощности (мощности нагрузки), и в случае выхода из строя или возникновения сбоя в сети переменного или постоянного тока способен регулировать это соотношение. Цепь детектирования предназначена для обнаружения факта произошедшего сбоя и немедленного уведомления об этом оператора (персонала) при помощи светодиодных индикаторов или зуммеров. Цепь корректировки выходной мощности предназначена для стабилизации выходного тока и бесперебойного обеспечения им устройства - потребителя электроэнергии.
Основными недостатками данного устройства являются:
1) Отсутствие возможности запасать энергию вследствие отсутствия энергонакопительного элемента;
2) Невозможность обеспечения бесперебойной работы потребителя электроэнергии при сбое (перерыве в работе) обеих сетей - как постоянного, так и переменного тока.
Известна система электропитания транспортного средства (Патент Российской Федерации №2520180, кл. F02N 11/08, 2012), состоящая из аккумуляторной батареи, молекулярного накопителя энергии (электрохимического конденсатора), модуля управления и контроля, модуля преобразования напряжения, зарядного устройства и модуля силовой коммутации. При этом зарядное устройство служит для заряда аккумуляторной батареи, а модуль преобразования напряжения, зарядное устройство и модуль силовой коммутации получают управляющие сигналы от модуля управления и контроля, который, в свою очередь, получает посредством сигнальных входов информацию о напряжении на аккумуляторной батареи, шине питания бортовой сети и молекулярном накопителе энергии, токе заряда, а также обеспечивает информационное взаимодействие с бортовой шиной транспортного средства.
Недостатками такой системы электропитания являются: применение в качестве основного энергозапасающего элемента аккумуляторной батареи, что обуславливает, во-первых, сужение области применения такой системы за счет невозможности функционирования при низких температурах (до - 60 С), во-вторых, низкий срок эксплуатации и низкая надежность из-за ограниченного количества циклов заряд-разряд аккумулятора и необходимости его периодической замены; отсутствие каких-либо средств защиты от возможного перенапряжения на шине питания бортовой сети, что снижает надежность системы электропитания. Кроме того, как правило, системы электроснабжения транспортных средств включают в себя несколько бортовых сетей с разными уровнями напряжения и формой сигнала, а в рассматриваемой системе электропитания предусмотрена возможность работы только от бортовой сети постоянного тока, что значительно снижает функциональность устройства.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является модуль бесперебойного питания потребителей постоянного тока (Патент Российской Федерации №2491696, кл. H02J 9/04, 2013), содержащее сетевой преобразователь, молекулярный накопитель энергии (ионистор), подключенные через разделительные диоды на шины бесперебойного питания постоянного тока, к которым через силовой контактор (коммутатор) с нормально разомкнутыми контактами и разделительный диод подключена аккумуляторная батарея, зарядное устройство которой подключено к сети переменного тока через силовой контактор (коммутатор) цепи заряда аккумулятора; а цепь заряда-разряда молекулярного накопителя энергии (ионистора) подключена через зарядный резистор, разделительный диод цепи заряда молекулярного накопителя энергии и разделительный диод молекулярного накопителя энергии к шинам бесперебойного питания постоянного тока.
Работает модуль следующим образом. После появления напряжения в сети переменного тока включается сетевой преобразователь, трансформирующий сетевое напряжение в напряжение постоянного тока, через разделительный диод поступающее на шины бесперебойного питания постоянного тока, к которым подключены потребители постоянного тока; происходит заряд аккумуляторной батареи посредством зарядного устройства через замкнутый контакт включенного силового контактора и заряд молекулярного накопителя энергии через разделительный диод цепи заряда молекулярного накопителя энергии и зарядный резистор. При этом аккумуляторная батарея отключена от шин бесперебойного питания постоянного тока посредством разомкнутого контакта выключенного силового контактора, а разделительный диод молекулярного накопителя энергии закрыт.
При пропадании напряжения в сети переменного тока разделительный диод молекулярного накопителя энергии открывается и молекулярной накопитель энергии оказывается подключенным к шинам бесперебойного питания постоянного тока, обеспечивая снабжение электропитанием потребителей постоянного тока при кратковременных нарушениях электроснабжения; при долговременных нарушениях электроснабжения включается силовой контактор цепи разряда аккумуляторной батареи, обеспечивая подачу напряжения с электродов аккумуляторной батареи на шины бесперебойного питания постоянного тока.
Недостатками рассмотренного модуля являются:
1) Возможность работы модуля только от сети переменного тока, что сужает область его применения;
2) Отсутствие системы контроля и управления, получающей необходимую информацию о напряжении сети, напряжении аккумуляторной батареи, напряжении молекулярного накопителя энергии, общей мощности подключенной к шинам бесперебойного питания нагрузки и принимающей решения, основываясь на полученных данных в соответствии с заданным алгоритмом работы;
3) Невозможность контроля состояния аккумуляторной батареи и молекулярного накопителя энергии и сигнализации о возможной неисправности, что значительно ухудшает надежность системы;
4) Узкий диапазон температур эксплуатации модуля из-за использования в качестве накопительного элемента аккумуляторной батареи, что также уменьшает область его применения и сужает функциональность модуля. При использовании аккумуляторов вкупе с внешними нагревателями любого типа потребовалось бы время для доведения их внутреннего объема до температуры, достаточной для обеспечения нормального режима работы устройства в условиях с низкой допустимой температурой среды (до - 60°С); к тому же, почти все современные аккумуляторы, энергетическая плотность которых выше, чем энергетическая плотность суперконденсаторов, имеют допустимую температуру хранения не менее - 40°С, после которых начинаются необратимые внутренние деградационные процессы;
5) Использование в качестве основного энергозапасающего элемента аккумуляторной батареи обуславливает необходимость ее замены после определенного количества циклов заряд-разряд, и, как следствие, приводит к низкому сроку службы модуля.
Техническая задача, которую решает предлагаемое изобретение, заключается в:
1) Бесперебойном обеспечении отдельных бортовых потребителей постоянного тока (например, бортового регистратора) электроэнергией во всех режимах работы системы электроснабжения летательного аппарата, в том числе, в случае возникновения аварийной ситуации;
2) Расширении области применения устройства за счет обеспечения возможности работы как от сети постоянного, так и переменного тока;
3) Повышении надежности источника бесперебойного электропитания за счет обеспечения централизованного контроля состояния энергонакопительного элемента и введения узла защиты в структуру устройства;
4) Расширении температурного диапазона эксплуатации и увеличение срока службы устройства за счет использования в качестве накопительного элемента ионистора. Ионистор имеет более широкий, чем у аккумуляторов, диапазон температур работы и хранения, а применение интегрированных в его конструкцию нагревательных плат позволяет максимально быстро достигнуть достаточной для начала цикла заряда номинальным током и дальнейшего использования температуры ионистора.
5) Расширении функциональности и повышении срока службы за счет применения в качестве накопителя энергии ионистора высокой емкости, который сочетает в себе функциональные возможности буферного элемента и накопителя энергии. Ионистору присуще в разы большее, чем аккумулятору, количество допустимых циклов заряд-разряд (как правило, сотни тысяч циклов). Следствия - слабая деградация со временем, высокая наработка на отказ и срок службы, что приводит в целом к повышению надежности устройства.
Технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее сетевой преобразователь, молекулярный накопитель энергии (ионистор, электрохимический конденсатор, суперконденсатор), первый и второй силовой контакторы (коммутаторы) с нормально разомкнутыми контактами, разделительный диод, дополнительно введены узел защиты, силовой коммутатор с нормально замкнутыми контактами, блок зарядного устройства энергонакопительного элемента, состоящий из цепи понижения входного напряжения, узла логики, усилительной цепи, датчика тока и цепи повышения входного напряжения; узел формирования напряжения логической части, управляющий контроллер, третий силовой коммутатор с нормально замкнутыми контактами, второй разделительный диод, повышающий преобразователь, блок энергонакопительного элемента, состоящий, помимо ионистора, из узла нагревателей, датчика температуры и датчика утечки электролита; первого, второго, третьего и четвертого входов силового сигнала; первого и второго выходов силового сигнала, информационного выхода;
при этом, первый-четвертый входы силового сигнала подключены к бортовым сетям постоянного и переменного тока, а первый - второй выходы силового сигнала - к потребителю постоянного тока;
ионистор соединен с сетью постоянного тока через разделительный диод, узел защиты и блок зарядного устройства энергонакопительного элемента, с сетью переменного тока - через блок зарядного устройства, а с потребителем постоянного тока - через силовой коммутатор с нормально разомкнутыми контактами и параллельно соединенный с ним повышающий преобразователь;
узел нагревателей подключен к выходу узла защиты и выходу сетевого преобразователя через третий силовой коммутатор с нормально разомкнутыми контактами,
вход узла формирования напряжения логической части соединен с выходами первого силового коммутатора с нормально разомкнутыми контактами и второго силового коммутатора с нормально замкнутыми контактами, а выход - с управляющим контроллером;
при этом, входы управляющего контроллера соединены с выходами датчика температуры, датчика утечки, ионистором, информационным выходом сетевого преобразователя и информационными выходами узла логики, а выходы - с информационными входами первого, второго, третьего силовых коммутаторов, входом принудительного отключения сетевого преобразователя, и цепями понижения и повышения входного напряжения через усилительную цепь и узел логики.
На фиг. 1 представлена структурная схема источника бесперебойного электропитания бортовой аппаратуры.
Источник бесперебойного электропитания бортовой аппаратуры состоит из разделительного диода 1, представляющего из себя мощный полупроводниковый диод служащий для предотвращения утечки заряда из энергонакопительного элемента в бортовую сеть постоянного тока во время аварийного режима работы, узла защиты 2, состоящего из предохранителя и ограничителя напряжения, первого силового коммутатора 3 с нормально замкнутыми контактами, второго силового коммутатора 4 с нормально разомкнутыми контактами, шунтируемого повышающим преобразователем 5, блока зарядного устройства энергонакопительного элемента 6, в свою очередь, состоящего из цепи понижения входного напряжения 7, узла логики 8, усилительной цепи 9, датчика тока 10 и цепи повышения входного напряжения 11; узла формирования напряжения логической части 12, представляющего из себя понижающий преобразователь напряжения, сетевого преобразователя 13, осуществляющего преобразование бортового переменного напряжения в постоянное, управляющего контроллера 14, третьего силового коммутатора 15 с нормально разомкнутыми контактами, блока энергонакопительного элемента 16, в свою очередь, состоящего из ионистора (электрохимического конденсатора, молекулярного накопителя энергии, суперконденсатора) 17, узла нагревателей 18, представляющего из себя несколько соединенных параллельно нагревательных плат с резистивным покрытием, интегрированных в конструкцию энергонакопительного элемента 16 так, чтобы при работе на своей номинальной мощности обеспечивать оптимальный теплообмен с внутренним объемом ионистора, датчика температуры 19 и датчика утечки электролита 20; первого 21 и второго 22 входов силового сигнала, подключаемых к бортовой сети постоянного тока; третьего 23 и четвертого 24 входов силового сигнала, подключаемых к бортовой сети переменного тока; первого 25 и второго 26 выходов силового сигнала, подключаемых к цепям питания бортового регистратора, информационного выхода 27.
Узел защиты 2 включает в себя цепь защиты от перенапряжения, выполненную либо на ограничительных диодах (супрессорах), либо с использованием биполярных или полевых транзисторов.
Силовые коммутаторы 3, 4, 15 представляют собой либо силовые электронные ключи, либо твердотельные или электромагнитные реле.
Цепь понижения входного напряжения 7 может быть реализована на дискретных элементах, например, по классической схеме понижающего стабилизатора, а цепь повышения входного напряжения 11 - по классической схеме повышающего стабилизатора (Четти П. Проектирование ключевых источников электропитания: Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1990, рис. 1.4-1.5, с. 15.).
Источник бесперебойного электропитания бортовой аппаратуры работает следующим образом.
В исходном состоянии на входах силового сигнала 21-24 напряжение отсутствует, ионистор 17 полностью разряжен. После установки устройства на борт летательного аппарата и интеграции в бортовую систему распределения электропитания, первый 21 и второй 22 входы силового сигнала оказываются подключенными к бортовой сети постоянного тока, третий 23 и четвертый 24 входы силового сигнала - к бортовой сети переменного тока, а первый 25 и второй 26 выходы силового сигнала - к входам электропитания бортовых потребителей постоянного тока, причем второй 26 выход силового сигнала подключается к отрицательному полюсу входа электропитания бортовых потребителей, а первый 25 выход силового сигнала - к положительному полюсу входа электропитания бортовых потребителей.
При условии присутствия напряжения в обеих бортовых сетях, включение устройствам происходит по следующей схеме: ток из бортовой сети постоянного тока, начинает протекать через разделительный диод 1, узел защиты 2 и нормально замкнутые контакты первого силового коммутатора 3. Включается узел формирования напряжения логической части 12, посредством преобразования напряжения обеспечивающий низковольтным электропитанием управляющий контроллер 14. Контроллер, начав работать, собирает общую внутреннюю информацию: о напряжении обеих бортовых сетей, о состоянии заряда ионистора 17 посредством измерения напряжения на его аноде, о температурном режиме энергонакопительного элемента 16 посредством получения сигнала с датчика температуры 19; также, информацию о том, не поврежден ли в процессе эксплуатации ионистор, посредством получения сигнала с датчика утечки электролита 20. В зависимости от полученных данных, управляющий контроллер 14 реализует следующие функции:
1) Посылает на вход сетевого преобразователя 13 сигнал принудительного отключения при условии возможности работы только от сети постоянного тока;
2) Посылает в узел логики 8 блока зарядного устройства энергонакопительного элемента 6 сигнал о начале цикла заряда ионистора 17;
3) При условии равенства фактического напряжения на электродах ионистора 17 номинальному, посылает в узел логики 8 блока зарядного устройства энергонакопительного элемента 6 сигнал об окончании цикла заряда ионистора 17;
4) При работе в условиях отрицательных температур (эксплуатации источника бесперебойного электропитания в условиях со средней температурой окружающей среды до минус 60 градусов по Цельсию), о чем извещает датчик температуры 19, управляющий контроллер 14 посылает сигнал включения на информационный вход силового коммутатора 15 с нормально разомкнутыми контактами. Коммутатор 15 переходит в открытое состояние, и напряжение поступает на контакты узла нагревателей 18, который в течение расчетного времени доводит температуру ионистора 17 до рабочей температуры - т.е. такой, при которой обеспечивается его нормальное функционирование согласно документации.
5) При разгерметизации ионистора вследствие повреждения, о чем извещает датчик утечки электролита 20, управляющий контроллер 14 посылает в узел логики 8 сигнал принудительного отключения блока зарядного устройства энергонакопительного элемента 6, после чего управляющий контроллер 14 формирует на информационном выходе 27 сигнал о неисправности и необходимости замены ионистора 17.
Введение в состав блока энергонакопительного элемента 16 датчика утечки электролита 20 сопряжено с условиями эксплуатации устройства, а именно - воздействию таких факторов, как синусоидальная, случайная вибрация и механический удар, которые в долгосрочной перспективе потенциально могут привести к повреждению ионистора, и, как следствие, его разгерметизации (так как в структуре ионистора присутствует жидкий электролит).
Заряд ионистора 17 производится при помощи блока зарядного устройства энергонакопительного элемента 6 следующим образом. Узел логики 8, получивший сигнал о начале цикла заряда от управляющего контроллера 14, прежде всего, оценивает уровень входного напряжения в бортовой сети постоянного тока, сравнивая его с напряжением ионистора. Если напряжение ионистора меньше, узел логики 8 формирует два противофазных прямоугольных сигнала, которые, получая усиление по напряжению в усилительной цепи 9, становятся управляющими сигналами, поступающими на затворы силовых транзисторов цепи понижения входного напряжения 7. Напряжение, получаемое на выходе цепи 7, проходя через датчик тока 10, начинает заряжать ионистор 17 постоянным током, при этом стабилизация зарядного тока обеспечивается за счет передачи сигнала с датчика тока на внутренний компаратор узла логики 8, где производится сравнение его с заданным изначально значением зарядного тока. При помощи полученной разницы происходит коррекция скважности управляющих сигналов, которая становится тем больше, чем выше уровень напряжения на электродах ионистора 17.
Если напряжение ионистора 17 больше, чем уровень напряжения в бортовой сети постоянного тока, и при этом ионистор не полностью заряжен, то узел логики 8 формирует два противофазных прямоугольных сигнала, которые, получая усиление по напряжению в усилительной цепи 9, становятся управляющими сигналами, поступающими на затворы силовых транзисторов цепи повышения входного напряжения 11. Напряжение, получаемое на выходе цепи 11, проходя через датчик тока 10, начинает заряжать ионистор 17 постоянным током, при этом стабилизация зарядного тока обеспечивается за счет передачи сигнала с датчика тока на внутренний компаратор узла логики 8, где производится сравнение его с заданным изначально значением зарядного тока. При помощи полученной разницы происходит коррекция скважности управляющих сигналов, которая становится тем больше, чем выше уровень напряжения на электродах ионистора 17.
Таким образом, реализуется алгоритм заряда ионистора стабилизированным током заданного значения при любом допустимом уровне напряжения в бортовой сети постоянного тока. Впоследствии, при нормальном режиме работы бортовой системы электроснабжения, блок зарядного устройства энергонакопительного элемента 16 посредством периодического кратковременного включения компенсирует ток саморазряда ионистора.
В зависимости от состояния исправности авиационных генераторов, вспомогательных силовых установок и системы электроснабжения летательного аппарата в целом, возможна также ситуация, при которой напряжение присутствует только в одной из бортовых сетей. Если напряжение присутствует только в бортовой сети постоянного тока, то последовательность включения элементов устройства и принцип работы аналогичны описанному выше. Если же напряжение присутствует только в бортовой сети переменного тока, то включение устройства происходит по следующей схеме: электрический ток из бортовой сети переменного тока начинает протекать через третий 23 и четвертый 24 входы силовых сигналов к сетевому преобразователю 13, в котором обеспечивается преобразование электроэнергии из бортовой сети переменного тока в постоянное напряжение, аналогичное получаемому из бортовой сети постоянного тока (напряжению на входах 21, 22 силового сигнала).
Далее, получаемое на выходе блока 13 напряжение проходит через силовой коммутатор с нормально замкнутыми контактами 3 и попадает на выходы силового сигнала 25 и 26, подключенные к цепям питания бортового потребителя постоянного тока. Включается узел формирования напряжения логической части 12, посредством преобразования напряжения обеспечивающий низковольтным электропитанием управляющий контроллер 14. Контроллер, начав работать, собирает общую внутреннюю информацию о состоянии устройства, и, основываясь на ней, принимает решения, аналогичные вышеописанным.
Таким образом, осуществляется процесс включения устройства и его функционирование в режимах нормальной и частичной работы системы электроснабжения летательного аппарата.
Аварийный режим работы характеризуется отказавшими и/или отключенными первичными источниками электроэнергии, установленными на борту летательного аппарата; как следствие, пропаданием напряжения на входах 21-24 силового сигнала или снижением его до значения, при котором невозможно обеспечить стабильную работу бортовых потребителей электроэнергии.
При возникновении аварийной ситуации устройство работает следующим образом.
Управляющий контроллер 14, получив информацию о значительном снижении или факте отсутствия напряжения на входах 21-24, посылает сигнал отключения на информационный вход первого силового коммутатора с нормально замкнутыми контактами 3. Коммутатор 3 переходит в закрытое состояние, полностью отключая силовые цепи устройства от обеих бортовых сетей. Далее, контроллер 14 посылает сигнал включения на информационный вход второго силового коммутатора с нормально разомкнутыми контактами 4. Коммутатор 4 переходит в открытое состояние, вследствие чего ионистор 17 оказывается подключенным к выходам 25-26 силового сигнала, обеспечивая электроэнергией подключенных бортовых потребителей постоянного тока и узел формирования напряжения логической части 12, пока полностью не разрядится. При этом, при падении напряжения на ионисторе 17 ниже определенно заданного значения (задаваемого заранее в алгоритме работы управляющего контроллера и зависящего от допустимого диапазона входного напряжения бортового потребителя электроэнергии), управляющий контроллер 14 посылает сигнал о выключении на информационный вход второго силового коммутатора, который переходит в закрытое состояние, и одновременно сигнал о включении на информационный вход повышающего преобразователя 5, осуществляющий трансформацию напряжения, получаемого с ионистора, в более высокое, пригодное для обеспечения электропитанием бортовых потребителей.
Таким образом, обеспечивается работа бортовых потребителей постоянного тока при возникновении аварийной ситуации во время полета.
Применение в устройстве повышающего преобразователя 5 с широким диапазоном входного напряжения способствует более эффективному расходу энергии, запасаемой в ионисторе.