ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОЕ ПРОТИВООБЛЕДЕНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
ELECTRIC PULSE DEICER

Предложение относится к пртивообледенительным электроимпульсным устройствам и может быть использовано для удаления льда с металлических обшивок транспортных средств, таких как самолеты, вертолеты, экранопланы и суда, а также с металлических крыш зданий.
Известно электроимпульсное противообледенительное устройство для самолета (патент US 4678144, МПК B64D 15/16, 07.07.1987), содержащее индукторы, расположенные внутри крыла самолета и подключенные параллельно через тиристоры к накопителю энергии, связанному с высоковольтным преобразователем напряжения, и логическую импульсную цепь, выходы которой подключены к управляющим входам тиристоров. Недостаток устройства заключается в том, что тиристоры, закрывающиеся при первом же переходе разрядного тока через ноль, не обеспечивают полного использования запасенной в накопителе энергии для сброса льда.
Известно противообледенительное устройство (патент RU 2112708, МПК B64D 15/16, 10.06.1998), содержащее зарядный элемент, накопительный конденсатор, катушки, тиристоры, блок управления и формирователь импульсов напряжения, выполненный в виде тиристорного ключа, дросселя, двух диодов и выходного конденсатора. Недостаток устройства состоит в том, что при достижении разрядным током в одной из катушек максимального значения и при смене полярности напряжения на накопительном конденсаторе катушка шунтируется диодом, прерывающим колебательный процесс в разрядной цепи и снижающим эффект преобразования энергии накопителя в энергию удара.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является электроимпульсный антиобледенитель (патент US RE 38,024 Е, МПК B64D 15/00, B64D 15/16, 11.03.2003), включающий в себя размещенные в крыле самолета электромагнитные индукторы, подключенные через тиристоры параллельно шунтирующему диоду и накопительному конденсатору, соединенному с зарядным устройством, и распределитель управляющих импульсов, выходы которого связаны с управляющими электродами тиристоров.
Недостаток устройства также заключается в недостаточно полном преобразовании энергии накопителя в энергию удара, осуществляющего сброс льда с обшивки крыла.
Предлагаемое устройство обеспечивает полное преобразование энергии накопителя в энергию удара за счет введения в разрядную цепь индуктора двунаправленного коммутационного элемента и отсутствия шунтирующего накопительный конденсатор диода.
На фиг. 1 представлена функциональная схема электроимпульсного противообледенительного устройства, на фиг. 2 - вариант выполнения двунаправленного коммутационного элемента с помощью выпрямительного моста и тиристора, а на фиг. 3 -вариант элемента с использованием симистора, на фиг. 4 и 5 изображены временные диаграммы напряжения на накопительном конденсаторе и тока через электромагнитный индуктор соответственно для прототипа и для предлагаемого устройства.
Устройство содержит укрепленные вблизи металлической обшивки 1 транспортного средства электромагнитные индукторы 2, подключенные через управляемые коммутационные элементы 3 параллельно накопительному конденсатору 4, соединенному с зарядным устройством 5. Устройство включает в себя также распределитель 6 управляющих импульсов, выходы которого связаны с управляющими входами элементов 3. При этом элементы 3 выполнены двунаправленными, иначе говоря, сохраняющими проводимость при изменении направления тока. В одном из вариантов выполнения элемент 3 содержит выпрямительный мост 7, диагональ переменного тока которого подключена к внешним выводам элемента 3, а к диагонали постоянного тока подсоединен тиристор 8, управляющий электрод которого связан с управляющим входом элемента 3. В другом варианте выполнения элемента 3 он представляет собой симистор 9, основные выводы которого связаны с внешними выводами элемента 3, а управляющий электрод - с управляющим входом элемента 3.
Электроимпульсное противообледенительное устройство работает следующим образом.
При включении устройство 5 заряжает конденсатор 4. По окончании заряда распределитель 6 подает импульс на управляющий вход первого (верхнего по схеме) элемента 3, под действием которого он переводится в проводящее состояние. Конденсатор 4 разряжается через элемент 3 на первый индуктор 2. Процесс разряда носит колебательный характер, определяемый параметрами разрядной цепи - величинами емкости конденсатора 4 и индуктивности индуктора 2 с учетом влияния обшивки 1. Обычно величина собственной частоты цепи составляет 1-2 кГц. Колебательный процесс носит затухающий характер и практически полностью завершается в течение двух-трех периодов собственной частоты. В течение этого времени индуктор 2 наводит в обшивке 1 вихревые токи, взаимодействие которых с током индуктора 2 вызывает эффект удара, деформирующего обшивку 1 и сбрасывающего с нее лед. Для того чтобы колебательный процесс в разрядной цепи не прерывался в течение времени его действия, длительность импульса управления составляет не менее двух-трех периодов собственной частоты разрядного контура, при этом элемент 3 проводит ток, меняющий свое направление. Диаграммы напряжения на конденсаторе 4 и тока в индукторе 2 показаны на фиг. 5. Учитывая, что амплитуда второй (отрицательной) полуволны тока составляет величину порядка 60-70% от амплитуды первой (положительной) полуволны тока, ее вклад в суммарную силу удара будет достаточно велик - порядка 30-40%. По окончании действия управляющего импульса элемент 3 при первом же пересечении тока в индукторе 2 через ноль самопроизвольно закрывается. Устройство 5 вновь заряжает конденсатор 4, распределитель 6 подает сигнал управления на управляющий вход второго элемента 3, через который конденсатор 4 разряжается на второй индуктор 2, сбрасывающий лед со второго участка обшивки 1. Аналогичным образом срабатывают и все последующие индукторы 2. Частота «обегания» индукторов 2 составляет, как правило, не более 1 Гц.
В качестве элемента 3, обладающего двусторонней проводимостью, может быть использован выпрямительный мост 7 в сочетании с тиристором 8, включенным в его диагональ переменного тока, или симистор 9 при условии, что он обладает требуемыми мощностными характеристиками. Возможно также совместное использование моста 7 и транзистора IGBT (вместо тиристора 8) с соответствующим драйвером управления.
В известных устройствах, в которых конденсатор 4 зашунтирован диодом в обратной полярности, а в качестве элемента 3 использован обычный тиристор, естественный колебательный процесс в индукторе 2 нарушается - см. диаграмму 4. Задний фронт импульса тока оказывается растянутым и не обеспечивает наведения в обшивке 1 больших вихревых токов (из-за эффекта просачивания поля через достаточно тонкую обшивку 1), что существенно уменьшает силу удара. Что касается снижения надежности высоковольтного импульсного накопительного конденсатора 4 из-за кратковременного (доли миллисекунды) изменения на нем полярности напряжения во время колебательного процесса и с учетом длительных пауз между разрядами - порядка секунды, то оно не существенно.
Таким образом, предложенное устройство обеспечивает повышение его эффективности и снижение потерь мощности. По сравнению с известными устройствами заданная сила удара может быть достигнута при меньшем рабочем напряжении конденсатора или при его меньшей емкости.