СПОСОБ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРИВЯЗНОГО АЭРОСТАТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF FIXED BALLOON POWER SUPPLY AND DEVICE TO THIS END

Заявляемое техническое решение относится к области авиации и может быть использовано при создании привязных летательных аппаратов легче воздуха (например, аэростатов), предназначенных для размещения на них оборудования (например, радиолокационных станций), требующего электрического питания от наземного источника электроэнергии.
Известно аэростатное устройство радиолокационного обзора местности [1], в котором электропитание бортового электрооборудования осуществляется от наземного источника питания посредством кабель-троса (RU 2182544 С2, 20.05.2002).
Недостатком этого технического решения является то, что в положении аэростата «на земле» электроэнергия для питания бортового электрооборудования передается по кабель-тросу таким же образом, как и в положении «на высоте», а именно высоким напряжением, применяемым в целях облегчения кабель-троса (уменьшения сечения токопроводящих жил). При подготовительных или наладочных работах с бортовым электрооборудованием, выполняемых в наземном положении аэростата, присутствие высокого напряжения в комплексе бортового оборудования является опасным для жизни обслуживающего персонала.
Известно также техническое решение [2], в котором электропитание бортового электрооборудования осуществляется от наземного источника 3×380 В с преобразованием в постоянное напряжение 900 В, которое передается по канат-кабелю на преобразователь, установленный на борту аэростата, понижающий высокое напряжение до 27 В постоянного тока. Техническое решение [2] является наиболее близким к заявляемому техническому решению по своей сущности и техническому результату. Техническому решению [2] присущ тот же недостаток, который отмечен для технического решения [1] - присутствие высокого напряжения в комплексе бортового оборудования в наземном положении аэростата.
Другим недостатком технического решения [2] является то, что уровень напряжения, подводимого к канат-кабелю от наземного источника питания, не регулируется в зависимости от передаваемой по канат-кабелю мощности. Когда бортовое электрооборудование отключено, ток в канат-кабеле равен нулю и напряжение на входных клеммах понижающего преобразователя, установленного на борту аэростата, равно напряжению, подводимому к канат-кабелю от наземного источника питания.
Подключение бортового электрооборудования аэростата и соответствующее увеличение потребляемого тока при неизменном значении напряжения, подводимого к канат-кабелю от наземного источника питания, вызывает падение напряжения в токопроводящих жилах канат-кабеля, что приводит к понижению уровня напряжения на питающих (выходных) клеммах канат-кабеля, т.е. на входных клеммах понижающего преобразователя, установленного на борту аэростата, что, в свою очередь, при неизменной мощности, потребляемой бортовым электрооборудованием, приводит к увеличению потребляемого тока и дальнейшему росту падения напряжения в канат-кабеле и т.д. Для того чтобы этот процесс являлся сходящимся и установившимся и не влиял на работоспособность бортовой аппаратуры, в технические требования к системе электроснабжения по необходимости включают пункты, в соответствии с которыми бортовой преобразователь должен осуществлять стабилизацию выходного напряжения (предназначенного для питания бортового электрооборудования) при значительных изменениях входного напряжения. Это вызывает сложности при проектировании бортового преобразователя. Кроме того, как уже отмечено выше, при увеличении потребляемой бортовым электрооборудованием мощности растет сила тока в канат-кабеле (вследствие роста падения напряжения в канат-кабеле при нерегулируемом напряжении наземного источника питания), а следовательно, увеличиваются потери энергии в канат-кабеле и его нагрев.
Еще одним недостатком технического решения [2] является то, что в системе электроснабжения аэростата не предусмотрен сигнал о пропадании наземного питания. В случае исчезновения наземного питания бортовое электрооборудование начинает получать питание от бортовой аккумуляторной батареи (резервный источник питания), подключенной к выходным шинам бортового понижающего преобразователя и работающей в буферном режиме. Поскольку массу аккумуляторной батареи стремятся минимизировать, ее энергоемкость тоже невелика, поэтому работа полного комплекса бортового электрооборудования приводит к быстрому разряду аккумуляторной батареи и прекращению работы бортовой аппаратуры. Если же принять во внимание, что исчезновение наземного питания является нештатным (или аварийным) режимом, то электроснабжение некоторых узлов и элементов бортового электрооборудования могло бы быть ограничено или прекращено, что позволило бы продлить время работы ответственных узлов.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в улучшении эксплуатационных характеристик привязного аэростата, а именно:
- упрощении схемы и конструкции бортового понижающего преобразователя, а также уменьшении величины электрических потерь в канат-кабеле, что обеспечивается существенным сужением диапазона изменения входного напряжения бортового понижающего преобразователя, что, в свою очередь, достигается введением регулирования уровня напряжения, подводимого к канат-кабелю от наземного источника питания, в зависимости от передаваемой по канат-кабелю мощности (или тока),
- обеспечении возможности отключения (или ограничения токопотребления) неответственных потребителей из состава бортового электрооборудования (при вынужденном переходе на питание от аккумуляторной батареи, достигаемом за счет выработки сигнала об исчезновении наземного питания),
- обеспечении безопасности выполнения подготовительных или наладочных работ с бортовым электрооборудованием, выполняемых в наземном положении аэростата, достигаемом за счет питания комплекса бортового оборудования напряжением безопасного уровня.
При решении поставленной задачи достигаемый технический результат заключается в упрощении и удешевлении бортового понижающего преобразователя и повышении его надежности, повышении КПД передачи электроэнергии с земли на аэростат, снижении стоимости канат-кабеля, увеличении уровня безопасности при эксплуатации.
В соответствии с предложенным техническим решением указанная задача решается тем, что в известном способе электропитания комплекса бортового электрооборудования, размещенного на привязном аэростате, заключающемся в том, что в положении привязного аэростата «на высоте» и в положении «на земле» электроэнергию от наземного источника питания преобразуют в напряжение другого рода и уровня, передают через канат-кабель на привязной аэростат, преобразуют в напряжение постоянного тока, соответствующее рабочему напряжению комплекса бортового электрооборудования, а при пропадании наземного электропитания обеспечивают электроснабжение комплекса бортового электрооборудования от бортовой аккумуляторной батареи, согласно заявляемому техническому решению в положении привязного аэростата «на высоте» при пропадании наземного электропитания одновременно с переходом электропитания комплекса бортового электрооборудования на питание от бортовой аккумуляторной батареи формируют управляющий сигнал, который передают на комплекс бортового электрооборудования для его переключения в режим пониженного энергопотребления; в положении привязного аэростата «на земле» обеспечивают электропитание комплекса бортового электрооборудования от наземного источника питания, преобразуя его напряжение в напряжение постоянного тока, соответствующее рабочему напряжению комплекса бортового электрооборудования.
В соответствии с предложенным техническим решением указанная задача решается также тем, что согласно заявляемому техническому решению в положении привязного аэростата «на высоте» электроэнергию от наземного источника питания (например, 3х380 В, 50 Гц) преобразуют в напряжение постоянного тока высокого уровня (например, 500 В…900 В), передают через канат-кабель на привязной аэростат, преобразуют в напряжение постоянного тока низкого уровня (например, 20 В…40 В) для питания комплекса бортового электрооборудования и подзаряда аккумуляторной батареи.
В соответствии с предложенным техническим решением указанная задача решается также тем, что согласно заявляемому техническому решению в положении привязного аэростата «на высоте» величину выходного напряжения наземного источника питания при нулевом значении рабочего тока, передаваемого через канат-кабель на привязной аэростат, устанавливают в принятом рабочем диапазоне напряжений (например, 500 В…900 В), а при увеличении рабочего тока, передаваемого через канат-кабель на привязной аэростат, вплоть до максимального значения рабочего тока, увеличивают выходное напряжение наземного источника питания на величину, равную произведению значения рабочего тока на значение сопротивления канат-кабеля.
В соответствии с предложенным техническим решением указанная задача решается также тем, что в известном устройстве для электропитания комплекса бортового электрооборудования, размещенного на привязном аэростате, содержащем размещенные на наземном объекте источник электроэнергии, блок защитно-коммутационной аппаратуры, первый преобразователь, лебедку с размещенным на ее барабане канат-кабелем, предназначенным для подъема привязного аэростата, его удержания в положении «на высоте» и спуска на землю, а также для передачи электроэнергии от наземного источника электроэнергии на упомянутый аэростат, в связи с чем канат-кабель снабжен токопроводящими жилами, а также вращающимся токосъемником, позволяющим передавать электропитание от канат-кабеля на аэростат, имеющий возможность вращения относительно вертикальной оси, устройство содержит также размещенные на упомянутом аэростате второй преобразователь и аккумуляторную батарею, являющуюся резервным источником питания комплекса бортового электрооборудования; силовой вход первого преобразователя через блок защитно-коммутационной аппаратуры подключен к упомянутому источнику электроэнергии, а к силовым выходным клеммам «плюс» и «минус» первого преобразователя в положении привязного аэростата «на высоте» и в положении «на земле» подключены соответственно входные клеммы «плюс» и «минус» канат-кабеля, к выходным клеммам которого через вращающийся токосъемник подключен силовой вход второго преобразователя, к силовым выходам которого подключены устройства упомянутого комплекса бортового электрооборудования, согласно заявляемому техническому решению второй преобразователь снабжен дополнительным силовым входом, датчиком выходного напряжения и управляющим выходом, а первый преобразователь снабжен дополнительным преобразовательным блоком, имеющим силовой выход с кабелем наземного питания, при этом в положении привязного аэростата «на земле» выходной конец кабеля наземного питания подключен к дополнительному силовому входу второго преобразователя, выход упомянутого датчика напряжения через упомянутый управляющий выход подключен к управляющим входам комплекса бортового электрооборудования.
В соответствии с предложенным техническим решением указанная задача решается также тем, что согласно заявляемому техническому решению в первый преобразователь введены: силовой регулирующий элемент, имеющий первый и второй силовые выводы и управляющий вход, датчик выходного тока с первым и вторым силовыми выводами и одним управляющим и схема управления, содержащая элемент умножения с двумя входами и одним выходом, сумматор с двумя входами и одним выходом; первый вывод силового регулирующего элемента подключен к выходной клемме «плюс» первого преобразователя, а второй вывод подключен к первому силовому выводу датчика выходного тока, второй силовой вывод которого подключен к входной клемме «плюс» канат-кабеля; выход датчика выходного тока подключен к первому входу элемента умножения, на второй вход которого подключен постоянный сигнал, уровень которого пропорционален значению электрического сопротивления канат-кабеля, выход элемента умножения подключен к первому входу сумматора, на второй вход которого подключен постоянный сигнал, уровень которого пропорционален значению выходного напряжения на силовых выходных клеммах «плюс» и «минус» первого преобразователя при нулевом значении рабочего тока, выход сумматора подключен к управляющему входу силового регулирующего элемента.
На фиг.1 представлены способ и устройство электроснабжения привязного аэростата в соответствии с техническим решением [2].
На фиг.2 представлены способ и устройство электроснабжения привязного аэростата в соответствии с заявляемым техническим решением.
На фиг.3 показана структурная схема первого (наземного) преобразователя с регулируемым выходным напряжением в зависимости от тока в канат-кабеле.
На фиг.4 показана структурная схема второго (бортового) преобразователя в части выработки сигнала об исчезновении наземного питания и канала электроснабжения в положении аэростата «на земле».
На фиг.1 представлены способ и устройство электроснабжения привязного аэростата в соответствии с техническим решением [2]. Привязной аэростат 1 удерживается в положении «на высоте» (как правило, 200 м…3000 м от поверхности земли) удерживающей платформой 2 при помощи канат-кабеля 3, сматываемого с барабана аэростатной лебедки 4, размещенной на удерживающей платформе 2. В состав удерживающей платформы 2 входит также причальная мачта 5 с системой блоков. Электроэнергия, вырабатываемая наземным источником (на фиг.1 не показан), которым может быть, например, дизель-генератор или промышленная электросеть через блок защитно-коммутационной аппаратуры (на фиг.1 не показан), по трех- или четырехпроводной линии через зажимы 6 подается на преобразовательный блок 7 первого преобразователя 8, к выходу 9 которого подключен приемный (входной) конец канат-кабеля 3. Питающий (выходной) конец канат-кабеля 3 подключен к узлу привязи 10, который является вращающимся токоприемником, поскольку аэростат имеет возможность вращаться вокруг вертикальной оси. Кроме того, узел привязи 10 через прикрепленные к нему стропы (на фиг.1 не показаны) передает усилия с канат-кабеля 3 на привязной аэростат 1, несущий грузовую платформу 11, на которой размещены второй (бортовой) преобразователь 12, аккумуляторная батарея 13 и бортовое электрооборудование 14. Аккумуляторная батарея 13 является резервным источником питания, обеспечивая в случае исчезновения наземного питания электроснабжение устройств бортового электрооборудования 14, требующих бесперебойного питания (1 категория). Второй преобразователь 12 подключен к узлу привязи 10 кабелем 15. На фиг.1 также показан привязной аэростат 1 в положении «на земле».
Как уже отмечено выше, присутствие высокого напряжения на грузовой платформе 11 в наземном положении аэростата 1, нерегулируемость напряжения, подводимого к канат-кабелю 3 от первого (наземного) преобразователя 8, а также то, что в системе электроснабжения аэростата 1 не предусмотрен сигнал о пропадании наземного питания являются недостатками технического решения [2].
Преодолению указанных недостатков способствует заявляемое техническое решение.
Устройство заявляемого технического решения в его статическом состоянии представлено на фиг.2 и дополнено в частностях приложением фиг.3 и фиг.4. Как видно из сопоставления фиг.1 и фиг.2, существенными отличиями заявляемого технического решения относительно технического решения [2] являются следующие:
- второй преобразователь 12 снабжен дополнительным силовым входом 16, датчиком выходного напряжения 17 и управляющим выходом 18 для передачи на бортовое электрооборудование сигнала об исчезновении наземного питания (см. также фиг.4),
- первый преобразователь 8 снабжен дополнительным преобразовательным блоком 19, имеющим силовой выход с кабелем наземного питания 20, при этом в положении привязного аэростата 1 «на земле» выходной конец кабеля наземного питания 20 подключен к дополнительному силовому входу 16 второго преобразователя 12,
- выходное напряжение первого преобразователя 8 является регулируемым в зависимости от тока в канат-кабеле 3 за счет введения силового регулирующего элемента 21, датчика выходного тока 22 и схемы управления.
На фиг.3 более подробно показано устройство первого преобразователя 8, в который введены: силовой регулирующий элемент 21, имеющий первый S1 и второй S2 силовые выводы и управляющий вход G1, датчик выходного тока 22 с первым Т1 и вторым Т2 силовыми выводами и одним управляющим F1 и схема управления, содержащая элемент умножения 23 с двумя входами и одним выходом, сумматор 24 с двумя входами и одним выходом.
Первый вывод S1 силового регулирующего элемента 21 подключен к выходной клемме «плюс» первого преобразователя 8, а второй вывод S2 подключен к первому силовому выводу Т1 датчика выходного тока 22, второй силовой вывод Т2 которого подключен к входной клемме «плюс» канат-кабеля 3; выход F1 датчика выходного тока 22 подключен к первому входу элемента умножения 23, на второй вход которого подключен постоянный сигнал Rk, уровень которого пропорционален значению электрического сопротивления канат-кабеля 3, выход элемента умножения 23 подключен к первому входу сумматора 24, на второй вход которого подключен постоянный сигнал Uxx, уровень которого пропорционален значению выходного напряжения на силовых выходных клеммах «плюс» и «минус» первого преобразователя 8 при нулевом значении рабочего тока, выход сумматора 24 подключен к управляющему входу G1 силового регулирующего элемента 21.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
*
*
В положении привязного аэростата «на высоте» электроэнергию от наземного источника питания 3×380 В, 50 Гц при помощи первого преобразователя 8 преобразуют в напряжение постоянного тока высокого уровня для передачи при помощи канат-кабеля 3 на аэростат 1. С целью компенсации падения напряжения в канат-кабеле 3 выходное напряжение первого преобразователя 8 увеличивают по мере возрастания потребляемого тока. При этом учитывают следующее. Как правило, по соображениям безопасности стремятся, чтобы максимальное значение выходного напряжения первого преобразователя 8 не превосходило 1000 В (хотя это требование не является строго обязательным). Это обстоятельство учитывают при выборе напряжения холостого хода (Uxx) первого преобразователя 8. Поскольку известны электрическое сопротивление (Rk) и максимальный ток (I) канат-кабеля 3, определяемый из максимальной мощности, потребляемой бортовым электрооборудованием, напряжение холостого хода (Uxx) первого преобразователя 8 может быть однозначно определено, а сигнал, пропорциональный этому напряжению, зафиксирован в качестве сигнала на одном из входов сумматора 24 (см. фиг.3), подключенного к управляющему входу G1 силового регулирующего элемента 21, в качестве которого может быть применены транзисторы, например, IGBT или MOSFET. Расчеты и опыт эксплуатации подобных регулирующих элементов показывают, что регулирующий элемент 21 может работать в линейном режиме. Система управления первого преобразователя 8, включающая в себя датчик выходного тока 22 и схему управления, содержащую элемент умножения 23 и сумматор 24 (см. фиг.3), построена таким образом, что управляющий сигнал α на выходе сумматора 24 (на входе G1 регулирующего элемента 21) пропорционален сумме Uxx+IRk, где IRk является произведением сигнала I датчика выходного тока 22 и константы Rk, пропорциональной усредненному значению электрического сопротивления (Rk) канат-кабеля 3. Настройка системы управления, т.е. настройка диапазона изменения управляющего сигнала α на входе регулирующего элемента 21, выполняется таким образом, чтобы при максимальном токе в канат-кабеле 3 регулирующий элемент 21 был полностью открыт, а при отсутствии тока в канат-кабеле 3 выходное напряжение первого преобразователя 8 было равно Uxx.
С выхода первого преобразователя 8 электроэнергию передают через канат-кабель 3, узел привязи (вращающийся токоприемник) 10 и кабель 15 на второй преобразователь 12, размещенный на привязном аэростате 1. Второй преобразователь 12 преобразует напряжение постоянного тока высокого уровня в напряжение постоянного тока низкого уровня, например, 28 В для питания комплекса бортового электрооборудования 14 и подзаряда аккумуляторной батареи 13.
При пропадании наземного электропитания (или отказе второго преобразователя 12) обеспечивают электроснабжение комплекса бортового электрооборудования 14 от бортовой аккумуляторной батареи 13. Как правило, аккумуляторная батарея 13 работает в буферном режиме, т.е. подключена к выходу второго преобразователя 12 (через развязывающие диоды, которые на иллюстрациях не показаны), поэтому переход на электроснабжение комплекса бортового электрооборудования 14 от бортовой аккумуляторной батареи 13 происходит автоматически, как только напряжение на выходе второго преобразователя 12 станет меньше напряжения аккумуляторной батареи 13. На фиг.4 представлена структурная схема второго преобразователя 12. Выходное напряжение второго преобразователя 12, получаемое с выхода преобразовательного блока 25, поступает на вход датчика напряжения 17, который при пропадании этого напряжения формирует управляющий сигнал, поступающий через выход 18 на комплекс бортового электрооборудования 14 для его переключения в режим пониженного энергопотребления или отключения неответственных потребителей из состава бортового электрооборудования 14.
В положении привязного аэростата 1 «на земле» электропитание комплекса бортового электрооборудования 14, соответствующее рабочему напряжению комплекса бортового электрооборудования, обеспечивают следующим образом (см. фиг.2). Первый преобразователь 8 снабжен дополнительным преобразовательным блоком 19, имеющим силовой выход с кабелем наземного питания 20, при этом в положении привязного аэростата 1 «на земле» выходной конец кабеля наземного питания 20 подключен к дополнительному силовому входу 16 второго преобразователя 12 (см. также фиг.4).
Источники информации
7
1. Патент РФ №2182544, 20.05.2002, МПК В64В 1/50, Н01Q 1/28, Аэростатное устройство радиолокационного обзора местности.
2. Испытания комплекса привязного аэростата «Рысь», П.А.Пономарев, Л.Ю.Путинцев. Научные чтения памяти К.Э.Циолковского. Секция «Авиация и космонавтика», 2004 г. (http://www.readings.gmik.ru/lecture/2004).