Способ зарядки емкостного накопителя электроэнергии и устройство для его реализации в самолетных электроимпульсных комплексах
METHOD OF ELECTRIC ENERGY CAPACITIVE STORAGE CHARGING AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION IN AIRCRAFT ELECTRO-IMPULSE COMPLEXES

Изобретение относится к электротехнике и импульсной силовой электронике и предназначено для использования в самолетных электроимпульсных комплексах, в частности в противообледенительных системах и системах питания бортовых проблесковых огней предупреждения.
Известен способ зарядки емкостного накопителя электроэнергии и устройство для его реализации в самолетных электроимпульсных комплексах - импульсных маяках (аналог), по которому на первом полупериоде напряжения источника переменного тока накапливают электроэнергию, поступающую от источника через первый выпрямительный диод, в первом дозирующем конденсаторе, на втором полупериоде накапливают энергию, поступающую от источника и первого дозирующего конденсатора через второй выпрямительный диод, во втором дозирующем конденсаторе с удвоенным зарядным напряжением и так далее, умножая таким образом зарядное напряжение на каждом последующем конденсаторе, последний из которых является емкостным накопителем, разряжаемым на импульсную лампу светового маяка, а реализующее этот способ устройство представляет собой диодно-конденсаторную многоступенчатую схему умножения (Электрооборудование летательных аппаратов: учебник для вузов. В двух томах / под ред. С.А. Грузкова. - М.: Издательство МЭИ, 2005-2008. Том 2. Элементы и системы электрооборудования - приемники электрической энергии. - М.: Издательский дом МЭИ, 2008. - 552 с., стр. 496, рис. 12.30).
К недостаткам указанного известного способа и устройства для его реализации (аналога) относятся: низкая функциональная надежность из-за большого количества используемых дозирующих конденсаторов и числа последовательных каскадов преобразования, а также ухудшение качества питающей электроэнергии из-за больших искажений синусоидальной формы потребляемого от источника тока.
Наиболее близким по технической сути к предлагаемому изобретению является способ зарядки емкостного накопителя электроэнергии и устройство для его реализации в самолетных электроимпульсных комплексах (прототип), по которому на первом этапе каждого высокочастотного цикла накапливают дозы электромагнитной энергии в балластном дросселе и промежуточном индуктивном накопителе, подключая их к источнику питания, а на втором этапе передают их в емкостный накопитель и в снабберный конденсатор вместе с дозой энергии источника, причем регулируют соотношение длительностей этапов в зависимости от напряжения емкостного накопителя, а устройство для его реализации содержит входные выводы, емкостный накопитель, индуктивный накопитель, балластный дроссель, снабберный конденсатор, блокирующие диоды, три основных электронных ключа и блок управления с импульсно-модуляторными выходными выводами (С. Резников, В. Бочаров, Е. Парфенов, Н. Гуренков, А. Корнилов. Электроэнергетическая и электромагнитная совместимость вторичных источников импульсного питания с автономными системами электроснабжения переменного тока. Силовая электроника, №4, 2009 г., с. 74-78, стр. 75, рис. 3а).
К недостаткам известного способа зарядки емкостного накопителя электроэнергии и устройства для его реализации в самолетных электроимпульсных комплексах (прототипа) относятся: ухудшение качества электроэнергии, потребляемой от источника электропитания, из-за прерывистого потребляемого тока, низкая функциональная надежность устройства из-за статической неустойчивости управления процессами и необходимости наличия в составе источника питания энергоемкого емкостного фильтра на базе электролитического конденсатора с низкими показателями термостойкости, безотказности и срока службы. Указанные недостатки снижают показатели безопасности полетов самолета.
Основным техническим результатом предложения является сохранение качества электроэнергии, потребляемой от источника электропитания, за счет непрерывности и равномерности потребляемого тока.
Дополнительными техническими результатами предложения являются повышение функциональной надежности устройства для реализации способа за счет обеспечения устойчивости управления процессами и исключения из состава источника питания емкостного фильтра на базе электролитического конденсатора с низкими показателями термостойкости, безотказности и срока службы. Благодаря указанным результатам повышается безопасность полетов.
Указанные технические результаты обеспечиваются благодаря тому, что в способе зарядки емкостного накопителя электроэнергии, по которому на первом этапе каждого высокочастотного цикла накапливают дозы энергии в балластном дросселе и промежуточном индуктивном накопителе, подключая их с помощью первого и второго ключей к источнику питания, а на втором этапе передают их в емкостный накопитель и в снабберный конденсатор вместе с дозой энергии источника, причем регулируют соотношение длительностей этапов в зависимости от напряжения емкостного накопителя, вводят третий этап, на котором сохраняют энергию индуктивного накопителя, шунтируя его вспомогательным ключом, причем длительность шунтирования регулируют в зависимости от среднециклического значения его потокосцепления, и благодаря тому, что накопленную к началу третьего этапа дозу энергии балластного дросселя вместе с дополнительной дозой энергии источника передают емкостному накопителю через последовательно с ним соединенный снабберный конденсатор, который затем на первом этапе следующего цикла передает накопленную им при этом дозу энергии индуктивному накопителю через первый основной ключ, а также благодаря тому, что в устройство для реализации указанного способа, содержащее входные выводы, емкостный накопитель, первый блокирующий диод, индуктивный накопитель, балластный дроссель, снабберный конденсатор, второй блокирующий диод, первый и второй основные ключи и блок управления с основными импульсно-модуляторными выходными выводами, ведены вспомогательный ключ, третий и четвертый блокирующие диоды, а блок управления снабжен вспомогательным выходным выводом.
Экспериментальные исследования лабораторного макета и компьютерное моделирование устройства для реализации предложенного способа подтвердили его работоспособность и целесообразность широкого промышленного использования.
На чертеже (Фиг.) приведены принципиальная силовая схема и каналы управления устройства для реализации в самолетных электроимпульсных комплексах предлагаемого способа зарядки емкостного накопителя электроэнергии.
Устройство для реализации способа зарядки емкостного накопителя электроэнергии в самолетных электроимпульсных комплексах содержит входные выводы 1, 2 для подключения источника электропитания постоянного тока, емкостный накопитель 3, первый блокирующий диод 4, индуктивный накопитель 5, балластный дроссель 6, конденсаторно-диодную цепочку, состоящую из снабберного конденсатора 7 и второго блокирующего диода 8, первый и второй основные электронные ключи 9, 10 и блок управления 11 с основными импульсно-модуляторными выходными выводами 12, 13. Устройство содержит также вспомогательный электронный ключ 14, третий и четвертый блокирующие диоды 15 и 16. Блок управления снабжен также вспомогательным импульсно-модуляторным выходным выводом 17.
Балластный дроссель 6 и индуктивный накопитель 5 могут быть выполнены с общим магнитопроводом (показанным на чертеже пунктиром) и включенными при этом согласно относительно направления проводимости основного ключа 9.
Первый основной ключ 9 зашунтирован конденсаторно-диодной цепочкой 7-8, своим первым силовым выводом через балластный дроссель 6 подключен к первому входному выводу 1 устройства, а своим вторым силовым выводом через последовательно соединенные между собой индуктивный накопитель 5, первый блокирующий диод 4 и емкостный накопитель 3 - ко второму входному выводу 2 устройства. Второй основной ключ 10 своими силовыми выводами шунтирует цепочку, состоящую из первого блокирующего диода 4 и емкостного накопителя 3. Вспомогательный электронный ключ 14 своим первым силовым выводом подключен к общим выводам первого блокирующего диода 4 и индуктивного накопителя 5 и к соединенному с ними силовому выводу второго основного ключа 10, а своим вторым силовым выводом подключен к среднему выводу конденсаторно-диодной цепочки 7-8. Третий блокирующий диод 15 включен между вторым силовым выводом третьего ключа 14 и вторым входным выводом 2 устройства. Четвертый блокирующий диод 16 включен последовательно с балластным дросселем 6.
Блок управления 11 своими основными импульсно-модуляторными выходными выводами 12 и 13 подключен к управляющим выводам первого и второго основных ключей 9 и 10, а своим вспомогательным импульсно-модуляторным выходным выводом 17 - к управляющему выводу вспомогательного ключа 14.
Устройство для реализации способа зарядки емкостного накопителя электроэнергии работает следующим образом.
шим
К входным выводам 1, 2 устройства подключают источник электропитания постоянного тока, например самолетную сеть постоянного повышенного напряжения 270 В. На основных и вспомогательных импульсно-модуляторных выходных выводах 12, 13 и 17 блока управления 11 формируются высокочастотные импульсы с постоянным периодом (Т) и широтно-импульсной модуляцией в зависимости от соотношения напряжений на емкостном накопителе и источника питания (на выходах 12, 13) и от среднеимпульсного значения потокосцепления индуктивного накопителя.
В исходном состоянии снабберный конденсатор 7 заряжен с полярностью, показанной на чертеже, от источника питания по цепи тока его колебательной зарядки: 1-16-6-7-8-5-4-3-2, а емкостный накопитель 3 практически разряжен (так как имеет относительно большую электроемкость по сравнению со снабберным конденсатором).
3
1-2
3
1-2
шим
и
1
шим
1
2
В первой стадии процесса зарядки емкостного накопителя 3 с напряжением U, не превышающим напряжения U источника питания (U≤U), схема работает в режиме понижающего импульсного конвертора. На первом этапе каждого из высокочастотно-периодически чередующихся циклов (периодов Т) накапливают дозы электромагнитной энергии в балластном дросселе 6 и промежуточном индуктивном накопителе 5, подключая их с помощью первого основного ключа 9 к источнику питания постоянного тока через емкостный накопитель 3 на время импульса: t=γТ, где γ - относительная длительность (коэффициент заполнения) импульса управления на выходе 12 блока управления 11. При этом второй и вспомогательный ключи 10 и 14 выключены. Затем ключ 9 выключается, после чего на втором этапе цикла накопленную индуктивным накопителем 5 дозу энергии передают емкостному накопителю 3 по цепи частично (или полностью) спадающего тока: 5-4-3-15-8-5, поддерживаемого за счет ЭДС самоиндукции, а накопленную балластным дросселем 6 дозу энергии вместе с дозой электроэнергии источника питания передают в снабберный конденсатор 7 по цепи частично спадающего тока: 1-16-6-7-(8-5-4-3)-(или/и проводящего диода 15)-2. При этом обеспечивается непрерывность потребляемого от источника тока, а, следовательно, повышение качества потребляемой электроэнергии. Доза энергии, накопленная при этом снабберным конденсатором, передается индуктивному накопителю 5 и емкостному накопителю 3 на первом этапе следующего цикла по цепи тока его разрядки: 7-9-5-4-3-15-7. Длительность указанного второго этапа составляет t.
3
3
шим
шим
1
2
3
На третьем этапе цикла приблизительно сохраняют (за вычетом тепловых потерь) энергию индуктивного накопителя 5, шунтируя его вспомогательным ключом 14 при выключенных основных ключах 9, 10. При этом ток индуктивного накопителя 5 незначительно спадает по цепи: 5-14-8-5, поддерживаясь за счет его ЭДС самоиндукции в течение длительности: t=γТ=Т-t-t, где γ - относительная длительность (коэффициент заполнения) импульса управления на выходе 17 блока управления 11. При этом входной ток не прерывается, протекая по цепи: 1-16-6-7-8-5-4-3-2.
шим
1-2
Далее указанные процессы высокочастотно-периодически качественно повторяются с постоянным периодом Т, осуществляя зарядку емкостного накопителя 3 до напряжения, равного (или близкого) напряжению источника питания (U).
3
1-2
3
1-2
шим
1
1
шим
На второй стадии процесса зарядки емкостного накопителя 3 с напряжением U, превышающим напряжения U источника питания (U>U), схема работает в режиме повышающего импульсного конвертора. На первом этапе каждого из циклов Т накапливают дозы электромагнитной энергии в балластном дросселе 6 и промежуточном индуктивном накопителе 5, подключая их с помощью одновременно включенных первого и второго основных ключей 9 и 10 к источнику питания (к выводам 1-2) на время импульса: t=γТ. При этом их общий ток нарастает по цепи: 1-16-6-9-5-10-2, а кроме него нарастает ток разрядки снабберного конденсатора 7 по цепи: 7-9-5-10-15-7, отдающего накопленную на предыдущем цикле дозу энергии индуктивному накопителю 5.
2
1-2
На втором этапе длительностью t того же цикла второй ключ 10 выключается, а первый ключ 9 остается включенным, и накопленные в 5 и 6 дозы энергии передаются емкостному накопителю 3 вместе с дозой электроэнергии источника питания по цепи частично спадающего тока: 1-16-6-9-5-4-3-2 под действием разности между напряжением емкостного накопителя и ЭДС самоиндукции 5 и 6, сложенной с напряжением источника (U).
3
3
шим
шим
1
2
На третьем этапе того же цикла в течение длительности: t=γТ=Т-t-t, энергия индуктивного накопителя приблизительно сохраняется (за вычетом тепловых потерь) с помощью шунтирования его вспомогательным ключом 14 при выключенных ключах 9 и 10. При этом ток индуктивного накопителя 5 незначительно спадает по цепи: 5-14-8-5, поддерживаясь за счет ЭДС самоиндукции, а ток балластного дросселя 6 не прерывается, осуществляя зарядку снабберного конденсатора 7 через емкостный накопитель 3, благодаря чему повышается качество питающей электроэнергии.
шим
3.max
Далее указанные процессы высокочастотно периодически качественно повторяются с постоянным периодом Т, осуществляя зарядку емкостного накопителя 3 до заданного максимального предразрядного напряжения (U). Затем емкостный накопитель 3 разряжается на импульсную нагрузку (импульсную газоразрядную лампу или противообледенительный электромагнитный вибратор), после чего вновь повторяются две рассмотренные выше стадии процесса его зарядки предложенным способом.
В течение циклически низкочастотно повторяющихся зарядных процессов с помощью блока управления 11, имеющего цепи обратных связей по напряжениям на входе и выходе и по току индуктивного накопителя, производится регулирование (стабилизация) входного тока и среднеимпульсного значения потокосцепления индуктивного накопителя (а, следовательно, регулирование его электромагнитной энергии), причем независимо от глубины возможных пульсаций питающего напряжения.
1
3
шим
Регулируемыми параметрами при управлении являются два взаимонезависимых параметра γ и γ - относительные длительности первого и третьего этапов постоянного периода Т. Указанное дуально-инвариантное управление обеспечивает статическую и динамическую устойчивость процессов.
Таким образом, предлагаемые способ зарядки емкостного накопителя и устройство для его реализации в самолетных электроимпульсных комплексах обеспечивают основной технический результат: сохранение качества электроэнергии, потребляемой от источника электропитания, за счет непрерывности и равномерности потребляемого тока, а также дополнительные технические результаты: повышение функциональной надежности устройства для реализации способа за счет обеспечения устойчивости управления процессами и исключения из состава источника питания емкостного фильтра на базе электролитического конденсатора с низкими показателями термостойкости, безотказности и срока службы. Благодаря указанным результатам повышается безопасность полетов самолета.