Способ накопления и стабилизации вырабатываемого напряжения бесколлекторным генератором в составе гибридной силовой установки
METHOD OF ACCUMULATION AND STABILIZATION OF THE VOLTAGE GENERATED BY A BRUSHLESS GENERATOR AS A PART OF HYBRID SYSTEM

Изобретение относится к области малой авиации, а именно к силовым установкам беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), и может быть использовано при конструировании энергетических узлов транспортных, преимущественно БПЛА, в частности, с гибридными силовыми установками (ГСУ).
Существуют два основных решения для стабилизации напряжения выдаваемого генератором с приводом от двигателя внутреннего сгорания (ДВС): применение реле-регулятора с контролем напряжения питания обмотки возбуждения для генераторов с такой обмоткой и контроль оборотов ДВС в зависимости от нагрузки.
Традиционным методом является применение электрических генераторов с обмоткой возбуждения. Подобные генераторы применяют на различной технике - автомобилях, мотоциклах, тракторах и даже самолетах малой авиации. К недостаткам следует отнести высокую массу и габариты, относительно низкий коэффициент полезного действия (КПД) из-за больших зазоров между ротором и статором. Данные недостатки, однако, обеспечивают простоту конструкции, ремонтопригодность, не высокую стоимость и приемлемую стабильность выходного напряжения. Тем не менее, отношение мощности к массе у генераторов данной конструкции слишком велико, что не позволяет применять их на БПЛА, особенного малого класса - до 100 кг.
Другим направлением является изменение оборотов ДВС, чем и обеспечивается изменение величины напряжения при изменении величины нагрузки от нуля до максимального значения.
Недостатком применение ГСУ на БПЛА является усложнение конструкции аппарата в целом и его отдельных модулей в частности, увеличение взлетной массы аппарата и уменьшение грузоподъемности. Однако все указанные недостатки полностью компенсируются увеличением времени полета БПЛА в 4-8 раз, по сравнению с чисто электрической силовой установкой.
Гибридная силовая установка, преобразующая энергию топлива в энергию электрического тока, является оптимальным решением для увеличения полетных характеристик беспилотных летательных аппаратов мультироторной компоновки. Разработанная конструкция гибридной силовой установки демонстрирует возможность отказа от привычной зарядки аккумуляторной батареи, при этом сохраняется возможность использовать тягу электрических двигателей. ГСУ в данном случае выступает модулем, который устанавливается вместо аккумуляторной батареи.
Известны (http://legion.aero/%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B4%D1%83%D0%BA%D1%86%D0%B8%D1%8F/hybrix20) гибридные квадрокоптеры, выполненные с использованием гибридных технологий, например квадрокоптер HYBRIX.20 компании «Легион», которые могут обеспечивать до 2-3 часов времени полета, что полностью подтверждает правильность выбранного гибридного пути для увеличения времени полета коптеров на данном этапе развития БПЛА многороторного типа.
Известна (RU, патент 2462397, опубл. 27.09.2012) силовая установка для летательного аппарата, содержащая движитель, который предназначен для создания прямой тяги с использованием передаваемой в него энергии движения, первый преобразователь энергии, который предназначен для обеспечения движителя первой энергией движения, получаемой, по меньшей мере, из первого топлива или получаемой, по меньшей мере, из второго топлива, при этом первый преобразователь является двигателем, который может работать на разных видах топлива, а первое топливо, и второе топливо отличаются друг от друга, управляющее устройство, предназначенное для управления подачей первого топлива и второго топлива в первый преобразователь энергии, первый резервуар, который предназначен для обеспечения первого преобразователя энергии первым топливом, и второй резервуар, который предназначен для обеспечения первого преобразователя энергии вторым топливом, причем первый преобразователь энергии и/или второй преобразователь энергии выбирают из группы, содержащей двигатели с турбонаддувом, двигатели с турбонаддувом, в которых используются камеры сгорания с переменным объемом, поршневые двигатели, роторно-поршневые двигатели, электродвигатели и газовые турбины.
Известна конструкция (RU, патент 2532672 опубл. 10.11.2014) беспилотного тяжелого электроконвертоплана, в которую входят двигатели силовой установки, передающие мощность через главный редуктор и валы трансмиссии на поворотные тянущий и толкающий винты, расположенные соответственно в носовой и кормовой части фюзеляжа, обеспечивающие горизонтальную и соответствующим отклонением вертикальную тягу, а также силовая установка, выполненная по параллельно-последовательной гибридной технологии силового привода, снабжена левыми и правыми передними и задними мотогондолами с электродвигателями, вращательно связанными с соответствующими винтами толкающей группы, а также с двумя передними и одной задней гибридными мотогондолами, в каждой из которых наряду с тянущим винтом размещен обратимый электромотор-генератор, вращательно связанные как с последним через муфту сцепления, так и с газотурбинным двигателем, систему электропривода, включающую все электродвигатели, аккумуляторные перезаряжаемые батареи, преобразователь энергии с блоком управления силовой передачи, подключающим и отключающим электродвигатели и газотурбинные двигатели, переключающим генерирующую мощность и порядок подзарядки аккумуляторов, который обеспечивается только при горизонтальном полете его программируемым системно-логическим контроллером блока управления, получая от датчика уровня зарядки аккумуляторов и наличии их полной зарядки или падении ее до 30% от ее максимума, выдает управляющие сигналы на выполнение при этом соответственно очередного времени зависания или включение в каждой гибридной мотогондоле газотурбинного двигателя для генерации мощности от внутреннего источника, но и дистанционное управление выходной электромагнитной муфтой сцепления, расцепляющей выходной вал обратимого электромотора-генератора с валом соответствующего тянущего винта, установленного во флюгерное положение, причем с целью обеспечения возможности создания и суммарной взлетной мощности при вертикальном взлете, посадке и висении, но и как генерирующей мощности, составляющей 25% от последней, так и с одновременным обеспечением крейсерской мощности, составляющей 25% или 20% от суммарной взлетной мощности и создающей горизонтальную тягу соответственно для третьей или второй крейсерской скорости полета, его гибридная силовая установка, включающая в передних и задней трехвинтовых модулях как шесть мотогондол с толкающими винтами, передние две левых и две правых из которых, имея между парами равные, имеют сумму пиковой мощности четырех их электродвигателей, равновеликую только двум задним электродвигателям, так и три гибридные мотогондолы с тянущими винтами, передние две из которых, имея между собой равные, имеют сумму располагаемой их мощности также равновеликой только одной задней, содержащие в каждой из них и структуре располагаемой мощности наряду с пиковой мощностью обратимого электромотора-генератора, снабжена газотурбинным двигателем, имеющим взлетную мощность, составляющую равную пиковой мощности последнего, но и с обеспечением как одного способа работы, так и одного способа генерации мощности при заряде аккумуляторов соответственно как совместной работы с последним, имеющим режим электромотора, на один вал соответствующего несущего винта при вертикальном взлете, посадке и висении, так и самостоятельной работы при передаче номинальной его мощности и на последний, имеющий режим электрогенератора при крейсерском режиме горизонтального полета.
Известна (RU, патент 133470, опубл. 20.10.2013) силовая установка гибридного транспортного средства, характеризующаяся тем, что включает большое заднее колесо, а также раскладываемые и фиксируемые в плоскостях, перпендикулярных заднему колесу, два маршевых винта, соединенных с помощью системы элементов -угловых редукторов либо шарниров равных угловых скоростей (ШРУСов), валов, карданных валов, с валом, проходящим через ось заднего колеса, на котором находится звездочка, по которой может перемещаться цепь либо ремень мотоцикла, передающие вращение этой звездочке от трансмиссии, причем подшипники установлены не только на оси заднего колеса, но и в двух ответвлениях вилки заднего колеса таким образом, что вал заднего колеса крепится внутри трех подшипников.
Недостатком всех выше перечисленных конструкций силовых гибридных установок следует признать отсутствие возможности накопления и стабилизации вырабатываемого напряжения генератором, входящим в состав гибридной силовой установки (ГСУ), что препятствует получению положительного энергетического баланса
Техническая проблема, решаемая с использованием разработанного способа, состоит в обеспечении при использовании гибридной силовой установки, в состав которой входит бесколлекторный генератор, положительного энергетического баланса.
Технический результат, достигаемый при реализации разработанного способа, состоит в увеличении времени полета беспилотного летательного аппарата.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанный способ накопления и стабилизации вырабатываемого напряжения бесколлекторным генератором в составе гибридной силовой установки для получения положительного энергетического баланса. Согласно разработанному способу выход бесколлекторного генератора через выпрямитель подключают к нагрузке, параллельно которой подключают, по меньшей мере, один буферный литий-полимерный аккумулятор.
Основным источником электрического тока является бесколлекторный электрогенератор. По правилу обратимости электрических машин, любой бесколлекторный электрический двигатель может работать в режиме генератора. При работе бесколлекторного электродвигателя в режиме генератора остается открытым вопрос по стабилизации значения выходного напряжения при резком изменении мощности нагрузки и соответственно тока потребления. Например, при долговременном потреблении максимальной мощности генератор выйдет на номинальный режим работы. При резкой остановке БПЛА мощность потребления электродвигателями резко уменьшится в несколько раз. Поскольку генератор будет вращаться относительно быстро, он начнет выдавать повышенное напряжение, способное вывести из строя полезную нагрузку. Для избегания этого явления предложено параллельно нагрузке, подключить буферную LiPo аккумуляторную батарею (АКБ), соответствующего напряжения, мощности и емкости. Так как LiPo аккумуляторная батарея работает в относительно узком диапазоне напряжений 3,3-4,2 В на ячейку при токах заряда до 10С и разряда до 30С в номинальном режиме, то именно эта аккумуляторная батарея и будет играть роль накопителя, буфера, стабилизатора и обеспечивать напряжение опорного уровня. Это позволит:
1. При не работающем генераторе - использовать энергию аккумулятора;
2. При работающем генераторе на малых оборотах - аккумулятор отдает энергию;
3. При работающем генераторе на номинальных оборотах -аккумулятор заряжается, нагрузка питается от генератора;
4. При работе генератора на высоких оборотах - аккумулятор принимает на себя излишки энергии, тем самым ограничивает максимальное напряжение, выдаваемое генератором.
Практически все режимы работы аккумулятора в таком случае являются кратковременными, до выхода генератора на установившийся режим работы (как правило, не более 1-3 сек.) При эксплуатации ГСУ в составе БПЛА желательно удерживать баланс энергии несколько большим 100% в течение длительного времени - всего полета. При отрицательном балансе энергии, менее 80-90% от необходимого, буферная АКБ может полностью разрядиться, что приведет к отказу электроснабжения всего БПЛА. При положительном балансе энергии, более 120-130% от потребляемого может произойти чрезмерный заряд буферной АКБ с последующим выходом ее из строя. Для недопущения этих событий необходимо следить за уровнем баланса энергии и оставлять его в пределах 105-110%.
В состав ГСУ входит управляющий ДВС блок на основе гувернера - контроллера оборотов. В то же время в цепи питания ГСУ установлен литий-полимерный аккумулятор, который в случае превышения мощности, выдаваемой электрогенератором потребляемой мощности БПЛА, берет нагрузку на себя, тем самым производится подзарядка аккумулятора.
Предельные мощностные характеристики ГСУ связаны с максимальными выходными возможностями бесколлекторного электрогенератора. В частности, при работе бесколлекторного электрогенератора Turnigy SK6363 в режиме мотора на напряжении 38 В, максимально допустимый ток составляет 100 А. Таким образом, потребляемая мощность двигателем составляет P=I*U=100*38=3800 Вт. Как уже было сказано выше, при этом электрический двигатель будет вращаться со скоростью 8740 оборотов в минуту. Следуя принципу обратимости электрических машин, можно предположить, что, бесколлекторный электродвигатель, работающий в режиме электрогенератора, будет способен выдать 100 А при подключенной эквивалентной нагрузке в 3800 Вт на оборотах 8740 единиц в минуту. Значение 8740 об./мин округлим до близкого 8500 об./мин, в виду удобства сравнения мощностей. В виду очевидного наличия потерь как на самом бесколлекторном электрогенераторе, так и на блоках выпрямления и стабилизации напряжения, конечные точные выходные значения ГСУ можно будет определить только экспериментально.
Для поддержания нужных оборотов бесколлекторного электрогенератора, выходная мощность ДВС на соответствующих оборотах должна быть не ниже выходной мощности бесколлекторного электрогенератора с учетом потерь.
ДВС
ГСУ
Р≥K*Р
Где К - коэффициент тепловых потерь электрогенератора
Так как зависимость мощности ДВС от оборотов точно не известна, рассмотрим значение оборотов ДВС на номинальном значении - 8500 об./мин. В этом случае мощность ДВС JC120 EVO составляет 12,5 л. с (9350 Вт). Учет тепловых и механически потерь передачи энергии выражен в коэффициенте К, который принимается за 1,3. В итоге условие превышение мощности ДВС выполняется:
9350[Вт]≥1,3*3800[Вт]
9350[Вт]≥4940[Вт]
Вывод: даже с учетом потерь, выходная мощность ДВС превышает потребляемую мощность бесколлекторного электрогенератора в 1,89 раз. Это дает нам потенциальную возможность для подбора более легкого и мене мощного ДВС для ГСУ и как следствие - уменьшение массы и топливо потребления установки.
Предложенный способ буферного применения LiPo аккумуляторной батареи является относительно простым, не затратным и эффективным. В основе лежат серийные и достаточно распространенные узлы. Он был проверен на практике и дал положительные результаты.