ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОЕ ПРОТИВООБЛЕДЕНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
ELECTRIC IMPULSE DE-ICING DEVICE

Изобретение относится к области противообледенительных импульсных устройств и может использоваться для удаления льда с листовых металлических поверхностей, например с обшивок крыльев самолетов, судовых конструкций, металлических крыш зданий, а при использовании промежуточных металлических пластин ("спутников") и с неметаллических поверхностей.
Известны электроимпульсные противообледенительные системы для самолета [патент US 4678144, МПК B64D 15/16, 7.07.1987 и патент US RE 38024, МПК B64D15/00, МПК B64 D15/16, 11.03.2003], содержащие преобразователь напряжения бортовой сети в постоянное напряжение высокого уровня, емкостной накопитель энергии, индукторы, размещенные вдоль крыльев самолета, управляемые ключи, источник питания для логических схем и генератор управляющих сигналов. Системы характеризуются централизованным принципом построения, при котором все индукторы работают от одного накопительного конденсатора и от одного генератора управляющих импульсов. Недостаток устройства заключается в большом числе кабелей, связывающих отдельные элементы системы, наличии на борту самолета высокого напряжения, снижающего надежность и безопасность эксплуатации системы, а также в большой длине разрядных контуров, имеющих существенные величины паразитных индуктивностей и активных сопротивлений, снижающих эффективность системы. Кроме того, при повреждении одного из общих элементов устройства (зарядного устройства, накопительного конденсатора или генератора управляющих импульсов) нарушается работа всей системы целиком.
Наиболее близкой к предлагаемому устройству является автономная аппаратура для удаления льда с поверхностей самолета, использующая энергию магнитного импульса [патент US 4895322, МПК B64D 15/18, 23.01.1990]. Аппаратура состоит из множества модулей, подключенных на параллельную работу от бортовой сети и включающих в себя зарядное устройство, накопительный конденсатор, управляемый ключ, вольточувствительный генератор управляющих импульсов, элемент подогрева, температурочувствительный ключ и индуктор, прилегающий к очищаемому участку поверхности крыла. Аппаратура реализует децентрализованный принцип построения, при котором работа модулей не зависит друг от друга. В модулях используется пониженное зарядное напряжение и к ним подводится минимальное количество кабелей. Недостатком устройства является то, что при его включении происходят практически одновременные заряд и последующий разряд накопительных конденсаторов всех модулей с многократным повторением указанных процессов. Это вызывает, во-первых, сильные электромагнитные помехи, а во-вторых, приводит к перегрузке питающей сети самолета, имеющей ограниченную мощность. Исследованию электромагнитного излучения модульной низковольтной электроимпульсной противообледенительной системы посвящен доклад - P.Zieve, В.Hubber, J. Ng "Electromagnetic Emissions From a Modular Low Voltage Electro-Impulse De - Icing System", AD-A208 191, DOT/FAA/CT-88/31, march 1989, подтверждающий достаточно высокий уровень данного излучения. Однако в докладе не учтен кумулятивный эффект, создаваемый множеством практически одновременно срабатывающих модулей и вызывающий существенно более высокий уровень электромагнитных помех.
Предлагаемая электроимпульсная противообледенительная система обладает более гибкой комбинированной структурой построения, сочетающей в себе достоинства централизованной и децентрализованной структуры построения. Такая структура позволяет обеспечить равномерное распределение работы модулей во времени, что значительно уменьшает уровень электромагнитных помех, излучаемых устройством, а также снижает нагрузку на питающую сеть, обеспечивает питанием только тот индукторный модуль, который находится в работе на данный момент времени. К достоинствам предлагаемого устройства можно отнести возможность диагностики индукторных модулей с последующей возможностью исключения из работы вышедшего из строя индукторного модуля. Таким образом, уменьшается влияние устройства на другие электронные и электротехнические системы самолета и повышается надежность и, что особенно важно, безопасность его эксплуатации.
На фиг.1 и фиг.2 представлены структурные схемы предлагаемого электроимпульсного противообледенительного устройства, на фиг.3 - его возможная схемотехническая реализация.
Электроимпульсное противообледенительное устройство содержит ряд индукторных модулей 1-1÷1-n, каждый из которых включает в себя накопительный конденсатор 2, управляемый ключ 3, защитный диод 4, вольточувствительную цепь с генератором управляющих импульсов 5 и индуктор 6, расположенный вблизи от очищаемой ото льда металлической поверхности 7. Вход 8-i (где i∈1..n) индукторного модуля 1-i соединен с входом накопительного конденсатора 2, выход которого через управляемый ключ 3 связан с индуктором 6, параллельно которому подключен защитный диод 4, а к выводам управляемого ключа 3 подключена вольточувствительная цепь с генератором управляющих импульсов 5.
Устройство снабжено блоком управления индукторных модулей 9, вход 10 которого через выключатель 11 подключен к питающей сети 12, а выходы 13-1÷13-n - к входам 8-1÷8-n индукторных модулей 1-1÷1-n. Блок управления индукторных модулей 9 выполнен на источнике питания 14, логической системе управления 15, коммутаторных ключах 16-1÷16-n, зарядном устройстве 17 и выпрямителе напряжения 18. Входы выпрямителя напряжения 18 и источника питания 14 соединены с входом 10 блока управления индукторных модулей 9. Выход выпрямителя напряжения 18 через зарядное устройство 17 и коммутаторные ключи 16-1÷16-n связан с выходами 13-1÷13-n блока управления индукторных модулей 9, выход источника питания 14 соединен с логической системой управления 15, выходы которой подключены к управляющим входам коммутаторных ключей 16-1÷16-n (Фиг.1).
Блок управления индукторных модулей 9 может быть снабжен датчиком напряжения 19, вход которого подключен к выходу зарядного устройства 17, а выход датчика напряжения 19 - к входу логической системы управления 15 (Фиг.2).
Коммутаторные ключи 16-1÷16-n могут быть реализованы с использованием слаботочных реле, состоящих из катушки управления 20-1÷20-n и исполнительных контактов 21-1÷21-n, выпрямитель 18 реализован на базе однофазного двухполупериодного выпрямителя, управляемый ключ 3 на базе тиристора, а зарядное устройство 17 реализовано на токоограничительном резисторе 22 согласно фиг.3.
Электроимпульсное противообледенительное устройство работает следующим образом.
При замыкании выключателя 11 на вход 10 блока управления индукторными модулями 9 поступает напряжение питающей сети 12, которое запитает источник питания 14 и однофазный двухполупериодный выпрямитель 18, через которые будут запитаны логическая система управления 15 и зарядное устройство 17 соответственно фиг.1. Логическая система управления 15 последовательно через равные промежутки времени включает один из коммутаторных ключей 16-i, в результате чего происходит подключение одного из индукторных модулей 1-i к выходу зарядного устройства 17. После замыкания коммутаторного ключа 16-i происходит процесс заряда накопительного конденсатора 2 индукторного модуля 1-i. По достижении напряжения срабатывания вольточувствительная цепь с генератором управляющих импульсов 5 вырабатывает импульс управления тиристором 3, разряжая конденсатор 2 на индуктор 6. Диод 4 защищает конденсаторы 2 от перезаряда в отрицательной полярности. После непродолжительного интервала времени, достаточного для срабатывания индукторного модуля 1-i, коммутаторный ключ 16-i размыкается и замыкается коммутаторный ключ 16-(i+1), подключая индукторный модуль 1-(i+1) к выходу блока управления индукторными модулями 9. Так последовательный процесс работы индукторных модулей 1-n повторяется такое количество раз, какое предусмотрено логической системой управления 15 и может быть изменено согласно заложенному алгоритму управления. Для контроля процесса заряда накопительного конденсатора 2 индукторных модулей 1-1÷1-n предлагается в электроимпульсное противообледенительное устройство ввести датчик напряжения 19, изображенный на фиг.2. Датчик напряжения 19 контролирует процесс заряда и срабатывания подключенного к блоку управления индукторными модулями 9 индукторного модуля 1-i и может осуществлять его диагностику, по изменению уровня напряжения с выхода зарядного устройства 17. Рассмотрим работу системы диагностики индукторного модуля 1-i на примере схемотехнической реализации электроимпульсного противообледенительного устройства, приведенной на фиг.3. Когда все контакты реле 21-1÷21-n выключены, напряжение на выходе зарядного устройства 17, состоящего из токоограничительного резистора 22, равно напряжению на выходе неуправляемого выпрямителя 18. Как только логическая система управления 15 включит одну из катушек реле напряжения 20-i, включится соответствующий контакт 21-i и начнется процесс зарядки накопительного конденсатора 2. При этом напряжение на входе датчика напряжения 19 спадет до нуля и начнет нарастать по экспоненциальному закону до того момента времени, пока напряжение на конденсаторе 2 не станет равным напряжению срабатывания вольточувствительной цепи 5, которая выработает импульс управления тиристором 3, разряжая конденсатор 2 на индуктор 6. При этом напряжение на конденсаторе 2 после срабатывания индуктора 6 опять станет равным нулю. Такая последовательность изменения напряжения на датчике напряжения 19 соответствует нормальной работе индукторного модуля 1-i. После чего логическая система управления 15, получив информацию с датчика напряжения 19 о снижении напряжения до нуля, должна отключить катушку реле напряжения 20-i, отключив при этом соответствующий контакт 21-i и индукторный модуль 1-i. Затем произойдет включение катушки реле напряжения 20-(i+1) с последующим срабатыванием контакта 21-(i+1) и индукторного модуля 1-(i+1). Процесс подключения индукторных модулей 1-n повторяется такое количество раз, которое заложено в логической системе управления 15. Если напряжение на датчике напряжения 19 после замыкания контакта 21-i не нарастает, либо нарастает до уровня ниже номинального, либо нарастает долгое время, это соответствует неисправности индукторного модуля 1-i, после чего логическая система управления 15 должна исключить его из работы. Таким образом, предлагаемая система является гибкой, с возможностью реализации любых алгоритмов управления индукторными модулями 1-1÷1-n.
Следует отметить, что индукторные модули 1-1÷1-n находятся под напряжением только в те промежутки времени, когда замкнут соответствующий коммутаторный ключ 16-i, в остальное время они находятся в обесточенном состоянии, что особенно важно с точки зрения электробезопасности.
Помимо использования устройства в авиации целесообразно его применение и для удаления сосулек с крыш зданий, в частности с крыш помещений с повышенной влажностью, таких как опытовые и плавательные бассейны.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет повысить надежность и безопасность эксплуатации объектов, подверженных обледенению, характеризуется гибкостью, простотой и универсальностью примененного технического решения, не требует существенных материальных затрат и обладает свойством самодиагностики.