АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОЕ ПРОТИВООБЛЕДЕНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
AUTOMATED ELECTROPULSE DE-ICING DEVICE

Предложение может использоваться для автоматизированного 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.
Известно электроимпульсное противообледенительное устройство для удаления льда с поверхностей самолета, использующее 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. 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. Можно отметить и еще один из недостатков предлагаемого устройства - это невысокая эффективность работы такого устройства, так как в модулях используется пониженное зарядное напряжение, и оно имеет значительные габариты и вес каждого из модулей.
Известно устройство электроимпульсной противообледенительной системы для самолета [патент US RE 38024, МПК B64D 15/00, B64D 15/16, 11.03.2003, авторы Lowell J. Adams, Norbert A. Weisend, Thomas Ε. Wohlwender], содержащее 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. Система характеризуется централизованным принципом построения, при котором все индукторы работают от одного накопительного конденсатора и от одного генератора управляющих импульсов. Данная структура построения электроимпульсной противообледенительной системы позволяет повысить эффективность очистки крыльев, значительно упростить эксплуатацию и обслуживание устройства, разнести работу индукторов во времени, а также значительно уменьшить суммарные габариты и массу устройства. Недостатком известного устройства является отсутствие диагностики состояния цепей индукторов, а также отсутствие автоматизации работы электроимпульсной противообледенительной системы.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является электроимпульсное противообледенительное устройство [патент RU 2013124523 А, МПК B64D 15/00, 28.05.2013, заявка 2013124523/11, автор Китаев A.M.], содержащее индукторы, подключенные через тиристоры параллельно накопительному конденсатору, соединенному с зарядным устройством, и независимо работающий распределитель управляющих импульсов, а также датчик обледенения. Использование такого устройства позволяет обеспечить равномерное распределение работы модулей во времени, а также автоматизацию работы электроимпульсного устройства в зависимости от обледенения очищаемой поверхности. Недостатком известного устройства является независимость и несогласованность работы распределителя управляющих импульсов от уровня заряда накопительного конденсатора, что может привести к недозаряду накопительного конденсатора либо к увеличению длительности очистки ото льда очищаемой поверхности. Недостатками известного устройства являются: наличие большого числа компонентов системы управления, снижающих надежность работы всей системы, отсутствие возможности регулировать уровень напряжения разряда накопительного конденсатора, а следовательно, и силу электромагнитного взаимодействия индуктора с металлической обшивкой, а также отсутствие элементов диагностики состояния электрических цепей индукторов. Недостатком устройства является и то, что его отключение осуществляется блокировкой работы системы управления; при этом накопительный конденсатор, управляемые ключи и прочие элементы схемы постоянно находятся под высоким напряжением, что является небезопасным.
Предлагаемое автоматизированное электроимпульсное противообледенительное устройство обладает простой схемной реализацией и позволяет автоматизировать процесс заряда и разряда накопительного конденсатора в зависимости от работы индукторов и требуемого уровня напряжения заряда. Достоинством предлагаемого устройства является система диагностики работы электроимпульсной противообледенительной системы, позволяющая выявить неисправные цепи индукторов и управляемых ключей. Автоматизация работы электроимпульсного противообледенительного устройства позволит повысить безопасность и надежность работы, а также увеличить время между техническими обслуживаниями системы. Таким образом, автоматизированное электроимпульсное противообледенительное устройство обладает простой схемной реализацией, повышает надежность и, что особенно важно, безопасность при его эксплуатации.
На Фиг. 1÷3 представлены схемы предлагаемого автоматизированного электроимпульсного противообледенительного устройства, на Фиг. 4 - временные диаграммы работы автоматизированного электроимпульсного противообледенительного устройства.
Автоматизированное электроимпульсное противообледенительное устройство (Фиг. 1) содержит источник питания 1, электромагнитные индукторы 2-1÷2-n, укрепленные вблизи металлической обшивки 3-1÷3-n и подключенные через тиристоры 4-1÷4-n параллельно накопительному конденсатору 5, соединенному с зарядным устройством 6. Устройство содержит распределитель управляющих импульсов 7, импульсные усилители 8-1÷8-n, подключенные к управляющим электродам тиристоров 4-1÷4-n, блок питания 9, подключенный к источнику питания 1 и входу зарядного устройства 6. Распределитель управляющих импульсов 7 содержит операционный усилитель 10. Устройство содержит защитный диод 11, отсекающий диод 12, конденсаторы 13-1÷13-n, датчик напряжения 14, регулировочный резистор 15 и десятичный счетчик делителя 16, причем датчик напряжения 14 и защитный диод 11 подключены параллельно накопительному конденсатору 5. Анод защитного диода 11 подключен к отрицательной обкладке накопительного конденсатора 5, а катод защитного диода 11 - к положительной обкладке накопительного конденсатора 5. Выход датчика напряжения 14 подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя 10, регулировочный резистор 15 подсоединен регулировочным выводом к инвертирующему входу операционного усилителя 10, а двумя другими выводами - к плюсу блока питания 9 и земле. Выход операционного усилителя 10 подключен к аноду отсекающего диода 12, катод которого подключен к счетному входу десятичного счетчика делителя 16, выходы которого через конденсаторы 13-1÷13-n подключены к входам импульсных усилителей 8-1÷8-n.
Автоматизированное электроимпульсное противообледенительное устройство (Фиг. 2) может быть дополнительно снабжено цепочками 17-1÷17-n, каждая из которых состоит из токоограничительного резистора 18-1÷18-n и светодиода 19-1÷19-n. Первый вывод каждого из резисторов 18-1÷18-n подключен к своему выходу десятичного счетчика делителя 16, второй вывод каждого из резисторов 18-1÷18-n подключен к аноду своего светодиода 19-1÷19-n, катод которого подключен к земле блока питания 9.
Автоматизированное электроимпульсное противообледенительное устройство (Фиг. 3) может быть дополнительно снабжено управляемым выключателем 20, логическим элементом ИЛИ 21 и датчиком обледенения 22. Выход датчика обледенения 22 подключен к прямому входу логического элемента ИЛИ 21, второй инверсный вход которого подключен к катоду отсекающего диода 12, а выход логического элемента ИЛИ 21 подключен к управляемому ключу 20, установленному между одноименными выводами источника питания 1, блока питания 9 и выводом зарядного устройства 6.
Автоматизированное электроимпульсное противообледенительное устройство работает следующим образом.
При наличии напряжения на выходе источника питания 1 получает питание блок питания 9 и зарядное устройство 6, которое производит заряд накопительного конденсатора 5 (Фиг. 1). Датчик напряжения 14 передает информацию о напряжении на накопительном конденсаторе 5 в распределитель управляющих импульсов 7. Информация в виде напряжения с датчика напряжения 14 поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя 10, и при заряде накопительного конденсатора 5 будет происходить рост напряжения на выходе датчика напряжения 14. На инвертирующий вход подается напряжение с регулировочного резистора 15. Напряжение с регулировочного резистора 15 задает уровень уставки напряжения на накопительном конденсаторе 5, при котором будет происходить срабатывание одного из тиристоров 4-1÷4-n. При превышении уровня напряжения на неинвертирующем входе относительно уровня напряжения на инвертирующем входе операционный усилитель 10, включенный в режиме компаратора, переключит свой выход с отрицательного напряжения блока питания 9 на положительное. Отсекающий диод 12 организует режим, при котором на счетный вход десятичного счетчика делителя 16 поступает либо положительный уровень напряжения блока питания 9 (уровень логической единицы), либо уровень земли блока питания 9 (уровень логического нуля). При этом изменится уровень напряжения на счетном входе десятичного счетчика делителя 16 на высокий уровень, соответствующий логической единице, который установит на своем первом выходе высокий уровень напряжения соответствующий логической единице. На всех остальных выходах десятичного счетчика делителя 16 будет установлен низкий уровень напряжения, соответствующий логическому нулю. Конденсатор 13-1 организует дифференцирующую цепочку; изменение напряжения на его входе будет преобразовываться в импульс тока на его выходе, который поступает на импульсный усилитель 8-1 и на управляющий электрод тиристора 4-1. При этом тиристор 4-1 открывается и происходит разряд накопительного конденсатора 5 на индуктор 2-1. При этом происходит электромагнитное взаимодействие индуктора 2-1 с участком металлической обшивки 3-1, приводящее к отталкиванию их друг от друга и удалению льда с металлической обшивки 3-1. Защитный диод 11 защищает накопительный конденсатор 5 от перезаряда в отрицательной полярности. После разряда накопительного конденсатора 5 уровень напряжения на неинвертирующем входе становится меньше, чем уровень напряжения на инвертирующем входе, и операционный усилитель 10 переключит свой выход с положительного напряжения блока питания 9 на отрицательное. Начнется новый период зарядки накопительного конденсатора 5 через зарядное устройство 6. Напряжение на выходе датчика напряжения 14 начнет вновь повышаться, и, при превышении установленного уровня напряжения на регулировочном резисторе 15, операционный усилитель 10 переключит свой выход с отрицательного напряжения блока питания 9 на положительное. При этом изменится уровень напряжения на счетном входе десятичного счетчика делителя 16 на высокий уровень, соответствующий логической единице, который установит на своем втором выходе высокий уровень напряжения, соответствующий логической единице, при этом на остальных выходах десятичного счетчика делителя 16 будет установлен низкий уровень напряжения, соответствующий логическому нулю. Конденсатор 13-2 выдаст импульс тока управления, который поступает на импульсный усилитель 8-2 и на управляющий электрод тиристора 4-2. При этом тиристор 4-2 открывается, и происходит разряд накопительного конденсатора 5 на индуктор 2-2. При этом происходит электромагнитное взаимодействие индуктора 2-2 с участком металлической обшивки 3-2, приводящее к отталкиванию их друг от друга и удалению льда с металлической обшивки 3-2. И так процесс последовательного включения индукторов 2-1÷2-n повторяется по кругу, пока присутствует напряжение на выходе источника питания 1.
Временная диаграмма работы автоматизированного электроимпульсного противообледенительного устройства изображена на Фиг. 4.
Представлены кривые напряжения:
а) на накопительном конденсаторе 5;
б) на инвертирующем и неинвертирующем входах операционного усилителя 10;
в) на выходе операционного усилителя 10;
г) на выходе отсекающего диода 12, на входе десятичного счетчика делителя 16;
д) на первом выходе десятичного счетчика делителя 16;
е) на втором выходе десятичного счетчика делителя 16;
д) на n-м выходе десятичного счетчика делителя 16.
Для диагностики работы электроимпульсной противообледенительной системы и поиска неисправности в цепи индукторов 2-1÷2-n схема, изображенная на Фиг. 2, может быть снабжена дополнительными цепочками 17-1÷17-n, которые могут осуществлять индикацию неисправного канала включения индуктора 2-1÷2-n. При неисправности индуктора 2-1÷2-n, тиристора 4-1÷4-n, подходящих к ним цепей, импульсного усилителя 8-1÷8-n или конденсатора 13-1÷13-n одного из выходных каналов не будет происходить разряд накопительного конденсатора 5 на индуктор 2-1÷2-n этого канала. При этом на выходе десятичного счетчика делителя 16 одного из неработающих выходных каналов установится уровень, соответствующий логической единице, загорится светодиод 19-1÷19-n одного из этих каналов и будет постоянно гореть до момента устранения неисправности. Предположим, что неисправна цепь индуктора 2-3, при этом последовательно произойдет срабатывание индукторов 2-1, 2-2, и схема прекратит свою работу. При этом накопительный конденсатор 5 будет заряжен до максимального напряжения, на третьем выходе десятичного счетчика делителя 16 установится высокий уровень напряжения, соответствующий логической единице, и загорится и будет постоянно гореть светодиод 19-3, индицирующий неисправность цепи включения индуктора 2-3. При этом невозможна дальнейшая работа схемы до устранения неисправности.
Схема, изображенная на Фиг. 3, позволяет автоматизировать процесс очистки металлической обшивки 3-1÷3-n ото льда в зависимости от его наличия. Схема дополнительно снабжена управляемым выключателем 20, который позволяет отключать зарядное устройство 6 от источника питания 1, при этом блок питания 9 получает питание напрямую от источника питания 1. При обледенении металлической обшивки 3-1÷3-n произойдет срабатывание датчика обледенения 22, при этом он, сработав, выдаст сигнал, соответствующий логической единице, на один из входов логического элемента ИЛИ 21. На выходе логического элемента ИЛИ 21 установится напряжение, соответствующее уровню логической единицы, и произойдет включение управляемого выключателя 20, при этом получает питание зарядное устройство 6, и схема работает по алгоритму, описанному ранее. После очистки металлической обшивки 3-1÷3-n ото льда на выходе датчика обледенения 22 установится сигнал, соответствующий логическому нулю, но управляемый выключатель 20 будет замкнут до того момента, пока не поступит управляющий импульс на один из тиристоров 4-1÷4-n и пока не произойдет разряд накопительного конденсатора 5 на один из индукторов 2-1÷2-n. Следует отметить, что силовая схема автоматизированного электроимпульсного устройства, изображенного на Фиг. 3, находится под напряжением только тогда, когда необходимо удаление льда, в остальное время она 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 простотой и универсальностью примененного технического решения, не требует существенных материальных затрат и обладает свойством самодиагностики.