Устройство для использования энергии рекуперации при питании двигателей привязного высотного беспилотного летательного аппарата
DEVICE FOR USING ENERGY RECOVERY WHEN POWERING ENGINES OF TETHERED HIGH-ALTITUDE UNMANNED AERIAL VEHICLES

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах для предотвращения от повреждений питающих электродвигатели блоков при возникновении рекуперации, а также для эффективного использования ее энергии.
Известно техническое решение (см. Сат, М.М. Использование энергии рекуперации для снижения электропотребления лифтовым оборудованием // Молодой ученый. - 2019. - №9 (247). - С. 103-106), где рассматривается структура электроприводов лифтов «частотный преобразователь - асинхронный двигатель» (ПЧ - АД) с тормозными резисторами и со схемой включения ПЧ - АД с общей шиной постоянного тока. Здесь показано, что энергию рекуперации, вместо его рассеивания в тормозных резисторах, можно использовать для снижения электропотребления лифтовым оборудованием. На примере двух электродвигателей лифтов, работающих на подъем и на спуск, и включенных по схеме с общей шиной постоянного тока, предлагается схема, на основе которой достигается снижения потребления электрической энергии за счет ее перераспределения между работающими электродвигателями в разных режимах электроприводов.
К недостатку данного устройства использования энергии рекуперации можно отнести дополнительный нагрев двигателя и снижение его крутящего момента из-за аппроксимированной формы выходного сигнала частотного преобразователя, осуществляющего регулирование скорости двигателя.
Известна система рекуперации энергии торможения для электрического двигателя (см. RU 2 710 850 С2, 14.10.2020). Один из вариантов реализации данной системы содержит первый регулятор, устройство хранения энергии в виде конденсатора, второй регулятор, датчик, построенный на эффекте Холла и контроллер. Согласно этому варианту реализации, первый регулятор выдает напряжение звена постоянного тока на устройство хранения энергии. Второй регулятор соединен с устройством хранения энергии и выдает сигнал привода двигателя на электрический двигатель. Датчик обнаруживает рабочую характеристику электрического двигателя. Контроллер выдает на первый регулятор сигнал управления энергией, который содержит переменный во времени сигнал в функции от скорости двигателя и/или обратной ЭДС, определенной посредством обнаруженной характеристики, причем первый регулятор динамически регулирует напряжение звена постоянного тока, с тем, чтобы поддерживать по существу постоянным баланс энергии, который содержит сумму вращательной и/или линейной кинетической энергии электрического двигателя и энергии, хранящейся в устройстве хранения энергии.
Недостатком этого известного технического решения можно считать невысокую степень баланса энергии из-за недостаточно точной информации о характеристиках электрического двигателя, получаемой датчиком Холла ввиду его ограниченности разброса частот и чувствительности к паразитным магнитным помехам.
Известно техническое решение (см. Подзоров Н.Н, Петров А.Е. Эффективное использование «лишней« электроэнергии при работе с преобразователями частоты//«ИСУП» (Информатизация и системы управления в промышленности), №3 (93), 2021), в котором представлено оборудование, как рекупаторы энергии, служащие для оптимизации затрат электроэнергии при работе электропривода. Согласно одному из вариантов реализации схем возврата энергии в сеть на основе блока рекуперативного торможения R1000, для прямого преобразования переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты, используется матричный преобразователь частоты (МПЧ), в основе алгоритма, работы которого лежит особое переключение 18 транзисторов. Здесь показано, что на выходе матричного ПЧ получается практически синусоидальный ток с наилучшим коэффициентом гармонических искажений среди всех видов преобразователей частоты.
Недостатком этого технического решения можно считать низкую эффективность электропривода из-за отсутствия управляемых двусторонних переключателей в матричном преобразователе, способных работать на высоких частотах и ограниченность отношения выходного напряжения к входному напряжению.
Наиболее близким техническим решение к предлагаемому, является принятая авторами за прототип установка (см. Интернет - ресурс: Как избежать последствий рекуперации при использовании источников бесперебойного питания elec.ru), содержащая балластные резисторы, подключенные к цепи постоянного тока источника бесперебойного питания (ИБП) серии FR UK 33, силовой кабель, нагрузку в виде электродвигателя и аккумуляторную батарею. По принципу работы данной установки, избыточная электрическая энергия, возникающая из-за протекания обратных (рекуперативных) токов от нагрузки к ИБП, балластными резисторами поглощаются, и переводится в тепло. Благодаря этому здесь исключается аварийная ситуация ИБП и его выход из строя.
К недостаткам этой известной установки следует отнести бесполезную трату рекупиративной мощности, отдаваемой электроприводом, и необходимость согласованности по постоянным напряжениям блока поглощения рекупиративного тока (БПРТ) и источника бесперебойного питания (ИБП).
Техническим результатом предлагаемого устройства является повышение эффективности использования избыточной электрической энергии при рекуперации электропривода.
Технический результат достигается тем, что в устройство для использования энергии рекуперации при питании двигателей привязного высотного беспилотного летательного аппарата, содержащее блок питания постоянного напряжения, силовой кабель, аккумуляторную батарею и нагрузку, отличающееся тем, введены наземный источник питания, расположенные на раме летательного аппарата первый, второй, третий и четвертый диоды Шоттки, полетный контроллер, регулятор скорости двигателей, блок питания постоянного напряжения и аккумуляторная батарея смонтированы на раме летательного аппарата, причем вход блок питания постоянного напряжения с помощью силового кабеля соединен с выходом наземного источника питания, выход блока питания постоянного напряжения соединен с анодом первого диода Шоттки, катод которого подключен к входу полетного контроллера, катоду второго диода Шоттки и первому плечу регулятора скорости двигателей, анод второго диода Шоттки соединен с катодом четвертого диода Шоттки и плюсовой клеммой аккумуляторной батареи, выход полетного контроллера соединен со вторым плечом регулятора скорости двигателей, третье плечо которого подключено к аноду третьего диода Шоттки, катод последнего подключен к нагрузке и аноду четвертого диода Шоттки.
Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, что коммутирующая цепь из четырех диодов Шоттки дает возможность обеспечить эффективное использование избыточной электрической энергии при рекуперации электропривода.
Наличие в заявляемом способе совокупности перечисленных существующих признаков, позволяет решить задачу использования избыточной электрической энергии при рекуперации электропривода посредством коммутирующей цепи из четырех диодов Шоттки, с желаемым техническим результатом, т.е. повышением эффективности использования избыточной электрической энергии при рекуперации электропривода.
На чертеже представлена функциональная схема устройства.
Данное устройство содержит наземный источник питания 1, силовой кабель 2, блок питания постоянного напряжения 3, первый диод Шоттки 4, второй диод Шоттки 5, аккумуляторную батарею 6, полетный контроллер 7, четвертый диод Шоттки 8, регулятор скорости двигателей 9, третий диод Шоттки 10 и нагрузку (электродвигатели) 11.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. В исходном положении привязного высотного беспилотного летательного аппарата (нахождение на земле), с выхода наземного источника питания 1 постоянное напряжение, например, 1000 В с помощью силового кабеля 2 направляют на вход блока питания постоянного напряжения 3. Преобразованное постоянное напряжение порядка 50 В с выхода последнего, далее через первый диод Шоттки 4 одновременно поступает на вход полетного контроллера 7, первое плечо регулятора скорости двигателя 9 и катод второго диода Шоттки 5. В данном случае так как, непосредственно, питание двигателей 11 летательного аппарата производится регулятором скорости, управляемым по сигналам полетного контроллера, его выходной сигнал поступает на второе плечо регулятора скорости, подключенного третьим плечом через третий диод Шоттки 10 к двигателям 11 летательного аппарата. Здесь, благодаря управляемому регулятору скорости, можно варьировать потребляемую мощность электрических двигателей в зависимости от их модификации и режимов функционирования летательного аппарата. После этого запускают летательный аппарат, который после взлета (через некоторое время) может оказаться в заданной точке высоты от земли. При этом все блоки питания и управления должны обеспечивать удержание летательного аппарата в заданной точке вне зависимости от допустимой ветровой нагрузки и его плановую и аварийную посадку, а также нормальное функционирование бортовой аппаратуры летательного аппарата. После выполнения разных манипуляций по заданной программе, производят плановую посадку на землю беспилотного летательного аппарата. Отключают электрическое питание к летательному аппарату. Как известно, торможение электрических двигателей сопровождается возникновением рекуперации, приводящей к переключению электродвигателей в режим генераторов, вырабатывающих суммарную обратную электроэнергию, поступающую в их входную цепь, т.е. в данном случае на катод третьего диода Шоттки. Как показывает практика, эта обратная электрическая энергия в ряде случаев из-за ее высокого потенциала, например, от нескольких электродвигателей, может привести к повреждению не только самого регулятора скорости, но и других промежуточных блоков, служащих для питания электродвигателей летательного аппарата и управления ими. В предлагаемом устройстве, так как третье плечо регулятора скорости (выход) соединено с анодом третьего диода Шоттки, а его катод - электродвигателями, то обратное напряжение со знаком плюс электродвигателей за счет рекуперации, будет поступать не на третье плечо регулятора скорости, а на анод четвертого диода Шотки 8. Следовательно, в данном случае исключается возможность возникновения аварийной ситуации указанных выше блоков. Учитывая, что катод четвертого диода Шоттки соединен с плюсовой клеммой аккумуляторной батареи 6, обратным суммарным напряжением электродвигателей летательного аппарата можно произвести подзарядку аккумуляторной батареи. Другими словами, в данном случае аккумуляторная батарея становится поглотителем избыточной рекупированной энергии.
В предлагаемом техническом решении назначением аккумуляторной батареи, помимо поглощения избыточной энергии, является обеспечение безопасности функционирования летательного аппарата в случае кратковременного нарушения подачи энергии от наземного источника питания и проведение экстренной посадки летательного аппарата для устранения возникших неполадок в цепи питания. Для этого, согласно представленному устройству, напряжение от аккумуляторной батареи через второй диод Шоттки 5 одновременно подается на катод первого диода Шоттки, вход полетного контроллера и первое плечо регулятора скорости. Все это в купе дает возможность выполнить манипуляции при аварийном режиме летательного аппарата, а также произвести, при необходимости, кратковременное питание электродвигателей летательного аппарата. При этом работа четырех диодов в виде коммутирующей цепи по питанию, не нарушает процедуру восстановления питания от наземного источника питания.
В предлагаемом устройстве во избежание невозможности зарядки аккумуляторной батареи (100% заряд батарей) обратным напряжением, предварительно (до взлета летательного аппарата) проверяется напряжение на клеммах аккумуляторной батареи или ее напряжение в процессе эксплуатации летательного аппарата можно использовать, например, для питания его бортовой аппаратуры.
Таким образом, в данном техническом решении на базе коммутирующей цепи из четырех диодов можно обеспечить эффективное использование избыточной электрической энергии при рекуперации электропривода и безопасность функционирования вспомогательных блоков, предназначенных для электрического питания электродвигателей летательного аппарата и управления ими.