САМОДИАГНОСТИРУЕМАЯ СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ БОРТОВОЙ АППАРАТУРЫ
SELF-DIAGNOSING SYSTEM OF PROVIDING UNINTERRUPTED POWER SUPPLY OF ON-BOARD EQUIPMENT

Изобретение относится к источникам аварийного/резервного электропитания и может быть использовано для снабжения электропитанием отдельных бортовых потребителей постоянного тока авиационной техники.
Известна система электропитания транспортного средства, защищенная патентом РФ № 2520180, состоящая из аккумуляторной батареи, молекулярного накопителя энергии, представленного в виде электрохимического конденсатора, модуля управления и контроля, модуля преобразования напряжения, зарядного устройства и модуля силовой коммутации. Недостатками данной системы является применение в качестве основного энергозапасающего элемента аккумуляторной батареи, что обуславливает сужение области применения такой системы за счет невозможности функционирования при низких температурах, а также низкий срок эксплуатации и ненадежность из-за ограниченного количество циклов заряд-разряд аккумулятора и необходимости его периодической замены. Также к недостаткам следует отнести отсутствие средств защиты от перенапряжения на шине питания бортовой сети, что снижает надежность системы электропитания.
Известен модуль бесперебойного питания потребителей постоянного тока, защищенный патентом РФ № 2491696, который обеспечивает сохранение гарантированной емкости аккумуляторных батарей и повышение надежности ответственных потребителей постоянного тока особой группы первой категории надежности электроснабжения, не допускающих перерыва питания. Недостатками данного устройства является ограниченная область применения, ввиду возможности работы модуля только от сети переменного тока, 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 алгоритмам работы. К недостаткам также следует отнести невозможность контроля состояния аккумуляторной батареи и молекулярного накопителя энергии и сигнализации о возможной неисправности, что значительно ухудшает надежность системы, а также узкий диапазон температур эксплуатации модуля, в связи с использованием в качестве накопительного элемента аккумуляторной батареи.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является источник бесперебойного питания бортовой аппаратуры, защищенный патентом РФ № 2496418, работающий от сети постоянного или переменного тока, и позволяющий обеспечить бортовые потребители постоянного тока бесперебойной электроэнергией во всех режимах работы системы электроснабжения летательного аппарата, в том числе, в случае аварийной ситуации. Недостатками данного устройства является отсутствие интерфейсов обмена данными с блоками верхнего уровня, возможность отключения источника в аварийном режиме работы в связи с программными и аппаратными задержками переключения входного питания при недостаточной емкости выходных фильтров преобразователя напряжения, а также возможность питания устройства только от одной шины постоянного и одной шины переменного тока, что сужает область его применения.
Задача заявленного изобретения - бесперебойное обеспечение электроэнергией бортовых потребителей постоянного тока, в том числе оборудования 1 категории, в нормальном и аварийном режимах работы системы электроснабжения летательного аппарата, увеличение надежности системы за счет обеспечения возможности работы от двух шин постоянного тока и за счет обеспечения многокритериального централизованного самоконтроля состояния системы и отдельных его компонентов, в том числе энергонакопительного элемента, расширение функциональных возможностей и полноты контроля системы за счет введения цифрового интерфейса взаимодействия с блоками верхнего уровня, к примеру, бортовой центральной вычислительной машиной.
Задача решается тем, что в заявленное устройство, состоящее из электрохимического рекуператора - накопителя энергии, двух силовых коммутаторов с нормально разомкнутыми контактами и двух идеальных диодов, дополнительно введены два узла защиты от повышенного напряжения; узел формирования напряжения логической части; узел формирования напряжения коммутирующей части; два дополнительных идеальных диода; узел измерения напряжения зарядного устройства; два разделительных диода; узел измерения входного напряжения; микропроцессорная система; зарядное устройство, состоящее из узла усиления затворных сигналов, цепи повышения и цепи понижения входного напряжения, узла измерения зарядного тока; узел электрохимического рекуператора, который помимо электрохимического рекуператора содержит узел управления нагревательными элементами, два нагревательных элемента, два датчика температуры; узел измерения выходного тока; узел измерения напряжения электрохимического рекуператора; три входа силового сигнала для подключения к бортовой сети постоянного тока, два выхода для подключения к бортовым потребителям постоянного тока, выход сигнализации о готовности к работе, выход сигнализации о работе, выход сигнализации о необходимости замены электрохимического рекуператора (ионистора), цифровой вход и цифровой выход, при этом первый, второй и третий вход силового сигнала подключены к бортовой сети постоянного тока, а первый и второй выход силового сигнала - к бортовым потребителям постоянного тока; узел электрохимического рекуператора соединен с сетью постоянного тока через два идеальных диода и зарядное устройство, а с бортовыми потребителями постоянного тока - через силовой коммутатор с нормально разомкнутыми контактами; два нагревательных элемента подключены последовательно к бортовой сети через первый и второй идеальный диод и узел управления нагревательными элементами; вход узла формирования напряжения логической части и вход узла формирования напряжения коммутирующей части соединен с выходами двух идеальных диодов через один разделительный диод, а с выходом энергонакопительного элемента - через другой разделительный диод; выход узла формирования напряжения логической части подключен к микропроцессорной системе, первому и второму датчику температуры; выход узла формирования напряжения коммутирующей части подключен к первому и второму силовому коммутатору, узлу управления нагревательными элементами и узлу усиления затворных сигналов; входы микропроцессорной системы подключены к выходам датчиков температуры, цифровому входу, выходу узла измерения зарядного тока, выходу узла измерения выходного тока, выходу узла измерения входного напряжения, выходу узла измерения напряжения зарядного устройства, а выходы - к информационным входам первого и второго силового коммутатора, цифровому выходу, входам узла управления нагревательными элементами входам узла усиления затворных сигналов, выходам сигнализации о готовности к работе, сигнализации о работе и сигнализации о необходимости замены электрохимического рекуператора (ионистора).
Таким образом, заявляемое изобретение лишено недостатков, которыми обладают вышеуказанные аналоги.
Структурная схема предлагаемого устройства представлена на фиг. 1. Устройство состоит из двух узлов защиты от повышенного напряжения 1 и 2, каждый из которых содержит предохранитель и ограничитель напряжения; четырех идеальных диодов 3, 4, 7 и 8, каждый из которых содержит контроллер идеального диода и силовой коммутатор с нормально разомкнутыми контактами и служит для предотвращения утечки заряда из электрохимического рекуператора в бортовую сеть в аварийном режиме и при работе зарядного устройства; узла формирования напряжения логической части 5, представляющего собой понижающий импульсный преобразователь напряжения и служащего для обеспечения электропитанием логической части схемы; узла формирования напряжения коммутирующей части 6, представляющего собой понижающий импульсный преобразователь напряжения и служащего для формирования затворных сигналов силовых коммутаторов; узла измерения напряжения зарядного устройства 9; двух разделительных диодов 10 и 11, служащих для обеспечения входным электропитанием узла формирования напряжения логической части 5 и узла формирования напряжения коммутирующей части 6 от бортовой сети в штатном режиме и от электрохимического рекуператора в аварийном режиме; узла измерения входного напряжения 12; двух силовых коммутаторов 13 и 26 с нормально разомкнутыми контактами, где первый обеспечивает бортовой потребитель постоянного тока электропитанием от бортовой сети в штатном режиме, а второй от электрохимического рекуператора в аварийном режиме; микропроцессорной системы 14; зарядного устройства 15, состоящего из узла усиления затворных сигналов 16, цепи повышения входного напряжения 17, цепи понижения входного напряжения 18, узла измерения зарядного тока 19; узла электрохимического рекуператора 38, состоящего из узла управления нагревательными элементами 20, двух нагревательных элементов 21 и 22, электрохимического рекуператора 23, двух датчиков температуры 24 и 25; узла измерения напряжения электрохимического рекуператора 39; узла измерения выходного тока 27; трех входов силового сигнала 28, 29 и 30, подключаемых к бортовой сети постоянного тока по двухбортовой схеме с общим отрицательным входом; выхода сигнализации о готовности к работе 31, типа «Корпус/Обрыв»; выхода сигнализации о работе 32, типа «Корпус/Обрыв»; выхода сигнализации о необходимости замены электрохимического рекуператора (ионистора) 33, типа «Корпус/Обрыв»; двух выходов силового сигнала 34 и 35, подключаемых к бортовым потребителям постоянного тока; цифрового выхода 36 и цифрового входа 37, подключаемых к системам верхнего уровня или системам контроля для расширения функционала изделия.
Узел защиты от повышенного напряжения 2 включает в себя цепь защиты от повышенного напряжения на входе, реализуемую на ограничительных диодах. Силовые коммутаторы 13 и 26 могут быть реализованы на полевых транзисторах с индуцированным затвором и драйверах, либо на твердотельных или электромагнитных реле. Зарядное устройство 15 представляет собой комбинацию повышающего и понижающего импульсного преобразователя напряжения, включающего в себя цепи управления коммутирующими элементами и датчик тока. Узел управления нагревательными элементами 20 включает в себя два силовых коммутатора для подключения к бортовой сети нагревательных элементов 21 и 22.
Предлагаемая самодиагностируемая система обеспечения бесперебойного питания бортовой аппаратуры работает следующим образом.
В отключенном состоянии на входах силового сигнала 28, 29 и 30 напряжение отсутствует, электрохимический рекуператор 23 разряжен или имеет остаточный заряд. После установки системы на борт летательного аппарата и подключении к системе распределения электропитания, входы силового сигнала 28, 29 и 30 подключаются к бортовой сети постоянного тока, выходы силового сигнала 34 и 35 подключаются к потребителю постоянного тока, где выход 34 подключается к положительному полюсу, а выход 35 - к отрицательному полюсу.
В штатном режиме, при условии присутствия напряжения хотя бы в одной бортовой сети, включение системы происходит следующим образом: ток из бортовой сети постоянного тока с наибольшим напряжением начинает протекать через идеальные диоды 3 и 7 или 4 и 8, а также через узел защиты от повышенного напряжения 1 или 2 соответственно в цепь повышения входного напряжения 17, цепь понижения входного напряжения 18 в зарядном устройстве 15, а также через разделительный диод 10 в узел формирования напряжения логической части 5 и узел формирования напряжения коммутирующей части 6. Узел формирования напряжения логической части 5 преобразует входное напряжение в низковольтное, обеспечивая электропитанием микропроцессорную систему 14, которая при включении посылает сигнал включения в силовой коммутатор 13, переходящий в закрытое состояние, коммутируя бортовое напряжение на цепи питания потребителя. Далее микропроцессорная система 14 анализирует внутреннюю информацию: сигналы с узла измерения входного напряжения 12, узла измерения напряжения зарядного устройства 9, узла измерения напряжения электрохимического рекуператора 39, датчиков температуры 24 и 25, узла измерения выходного тока 27.
Если значение температуры, полученное с датчиков температуры 24 и 25, ниже минимального рабочего значения, то микропроцессорная система 14 посылает сигнал включения в узел управления нагревательными элементами 20, который коммутирует напряжение бортовой сети на нагревательные элементы 21 и 22. При достижении минимальной рабочей температуры (на практике - порядка минус 40°С) микропроцессорная система 14 посылает сигнал отключения в узел управления нагревательными элементами 20.
Если значение температуры, полученное с датчиков температуры 24 и 25, выше или равно минимальному рабочему значению, то микропроцессорная система 14 посылает в узел усиления затворных сигналов 16 сигнал о начале цикла заряда.
Зарядное устройство 15 работает в режиме стабилизации мощности с ограничением максимального зарядного тока и ограничением напряжения.
Цикл заряда состоит из следующих этапов:
1) заряд постоянным током при расчетной мощности заряда ниже максимальной;
2) заряд постоянной мощностью;
3) режим компенсации при достижении номинального напряжения на электрохимическом рекуператоре.
Если значение, полученное микропроцессорной системой 14 с узла измерения напряжения зарядного устройства 9, меньше значения (вариант 1), или уравнивается со значением (вариант 2), полученным с узла измерения напряжения электрохимического рекуператора 39, то микропроцессорная система 14 посылает в узел усиления затворных сигналов 16 сигнал о включении цепи понижения входного напряжения 18 (для варианта 1), или сигнал о включении цепи повышения входного напряжения 17 (для варианта 2). При этом, в обоих вариантах, узел усиления затворных сигналов 16 приводит верхнее плечо цепи повышения входного напряжения 17 в замкнутое состояние, нижнее плечо - в разомкнутое состояние, а управление нижним и верхним плечом цепи понижения входного напряжения 18 производится широтно-импульсным модулированным сигналом, формируемым микропроцессорной системой 14 и узлом усиления затворных сигналов 16. Скважность сигнала постоянно корректируется с учетом значений, получаемых с узла измерения зарядного тока 19, узла измерения напряжения зарядного устройства 9 и узла измерения напряжения электрохимического рекуператора 39.
По достижении номинального напряжения электрохимического рекуператора 23 микропроцессорная система 14 переводит зарядное устройство в режим компенсации тока саморазряда и формирует логическую единицу на выходе сигнализации о готовности к работе 31.
В аварийном режиме, при отсутствии напряжения в обеих бортовых сетях, система работает следующим образом: микропроцессорная система 14 фиксирует сигнал о снижении напряжения (ниже минимального рабочего значения), получаемого с узла измерения входного напряжения 12, и посылает сигнал отключения в силовой коммутатор 13, который переходит в закрытое состояние. Затем микропроцессорная система 14 посылает сигнал включения в силовой коммутатор 26, который переходит в открытое состояние, коммутируя напряжение электрохимического рекуператора на цепи питания бортового потребителя. Далее микропроцессорная система 14 формирует логическую единицу на выходе сигнализации о работе 32. При этом питание узла формирования напряжения логической части 5 и узла формирования напряжение коммутирующей части 6 производится непосредственно от электрохимического рекуператора 23 через разделительный диод 11.
Таким образом, обеспечивается бесперебойное питание бортового потребителя при отсутствии напряжения в бортовой сети.
В системе предусмотрена защита от короткого замыкания на выходе. Если значение, получаемое микропроцессорной системой 14 от узла измерения выходного тока 27, значительно превышает заданное, то микропроцессорная система посылает сигналы отключения в силовые коммутаторы 13 и 26, принудительно приводя их в разомкнутое состояние, и формирует сигнал о коротком замыкании, посылаемый в блок верхнего уровня по цифровому выходу 36.
Если в процессе работы зарядного устройства 15 наблюдается слишком быстрое увеличение напряжения на электрохимическом рекуператоре 23, то микропроцессорная система 14 посылает сигнал отключения в узел усиления затворных сигналов 16 и формирует логическую единицу на выходе сигнализации о необходимости замены электрохимического рекуператора (ионистора) 33.
Цифровой выход 36 и цифровой вход 37 позволяют значительно расширить функциональные возможности заявляемого изобретения и увеличить полноту контроля путем использования системы команд и сигналов, к примеру - контроль сигналов с датчиков температуры, напряжения, тока, текущего состояния системы, количества циклов заряда/разряда электрохимического рекуператора. А использование импульсного повышающего/понижающего преобразователя напряжения в составе зарядного устройства 15 и отсутствие линейных преобразователей напряжения позволяет достичь высокого значения коэффициента полезного действия.