CC BY
76
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ
УДК 621.3.05
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-3-163-167
ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
А.Э. Соловьев, Прохорцов А.В., Ивахно Н.В., А.В. Новаков
Статья посвящена предварительному проектированию системы электроснабжения беспилотного летательного аппарата, время полета которого не превышает десятков минут. Полученные результаты позволяют на этапе эскизного проектирования осуществить предварительный выбор первичных и вторичных бортовых источников питания, а также структуру системы электроснабжения в целом.
Ключевые слова: беспилотный летательный аппарат, система электроснабжения, первичный источник питания, вторичный источник питания.
Одной из важнейших систем, определяющих эффективность применения малогабаритных беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), является система его электроснабжения^, 2]. Процесс проектирования такой системы, как правило, итерационный, так как системы электроснабжения (СЭС) относятся к сервисным системам БПЛА, призванным обеспечить функционирование их основных систем: навигации, управления и т.д., а также полезной нагрузки БПЛА[3-7]. Так, например в [3] источнике описывается построение систем управления малоразмерными беспилотными летательными аппаратами, в
[4]источнике изложены основы работы инерциальных датчиков (гороскопов и акселерометров), в
[5]источнике рассмотрены различные методы определения параметров ориентации подвижных объектов по сигналам спутниковой навигации, в [6]источнике описывается способ определения параметров угловой ориентации, в [7] источнике представлено рассмотрение интегрированной системы ориентации и навигации высокоманевренного летательного аппарата.Поэтому пока указанные системы не будут разработаны в вариантах, близких к окончательному, не могут быть и сформулированы окончательные требования и к СЭС. Однако, разработка СЭС ведется параллельно с разработкой других систем. Поэтому уже на первом этапе необходимо определить ее облик и состав, которые будут корректироваться в последующем по мере разработки других систем БПЛА.
В качестве примера рассмотрим процесс предварительного проектирования СЭС применительно к БПЛА, время полета которого не превышает нескольких десятков минут. Исходя из набора оборудования, которое можно считать типовым практически для любого вида БПЛА, определим необходимые номиналы напряжений и токов, а также потребляемую мощность (табл. 1).
Соответственно получим три вида бортового питания постоянного тока: 5В/3,7А/18,5Вт;12В/0,6А/7,2Вт;48(36)В/1,5(2)А/72Вт.Наличие различных номиналов напряжений для потребителей обуславливает необходимость использования преобразователей напряжения типа DC/DC. Исходя из условия, что максимально достижимый КПД таких преобразователейнаходится в диапазоне 80-90% и, того, что максимальное напряжение можно получить непосредственно от источника необходимо: 5В/23 Вт;12В/9 Вт; 48(36)В/72 Вт, или суммарно 48(36)В/2,2(3)А/105Вт.
В качестве первичного источника питания для указанного типа БПЛА целесообразно использовать тепловые батареи (ТБ). Эти батареиобладают высокой надежностью работы в условиях значительных механических воздействий (вибрационных, ударных, линейных и центробежных ускорений), практически в любых климатических условиях, в широком диапазоне температур окружающей среды: от - 60 до + 60 °С.ТБ практически мгновенно приводятся в рабочее состояние с помощью встроенного в батарею электрического или механического воспламенителя. Они позволяют создавать мощные бортовые источники электроэнергии путем их последовательного и параллельного соединения.
Габариты ТБ регламентированы унифицированными диаметрами,их основные параметры приведены в табл. 2.
Для обеспечения СЭС напряжением питания номиналом 50 В при мощности более 100 Вт, ТБ источника необходимо попарно соединить последовательно и, затем, каждую пару параллельно.
Таблица 1
Характеристики питания потребителей__
Наименование блока Напряжение питания, В Ток, А, мах Потребляемая мощность, Вт.
Радиоканал 5 0,3 1,5
Блок управления рулевыми приводами (РП) 5 1 5
Рулевые приводы 48 (36) 1,5 (2) 72
Бортовой вычислитель 5 1 5
Хранение информации 5 0,1 0,5
Навигационный вычислитель 5 0,4 2
Спутниковая навигационная система (СНС) 5 0,4 2
Навигационныедатчики 12 (15) 0,1(0,08) 1,2
Полезная нагрузка 5 0,5 1
Полезная нагрузка 12(15) 0,5(0,4) 6
Таблица2
Основные параметры тепловых батарей_
Параметры ТБ Унифицированные диаметры ТБ, мм
31 47 70
Напряжение (номинальное), В 5...40 5.60 5.60
Максимальный ток, А 10 50 100
Электрическая ёмкость при разряде до икон=0,7итах, А*мин 3,5 - -
Максимальное время работы, мин 3 10 40
Удельная энергия (максимальная), Вт*ч/кг 11 25 50
Внутреннее сопротивление, ОМ 0,8.1,0 0,3.0,5 0,8.1,5
Время приведения в рабочее состояние, с 0,4.0,7 0,6.1,2 0,8.1,5
Высота, мм 28.90 40.140 40.175
Масса, кг 0,05.0,15 0,3.0,6 0,5.1,5
Диапазон рабочих температур °С от - 60 до + 60
Гарантийный срок хранения не менее 20
Кроме того, при разработке такого блока питания необходимо учитывать следующие факты:
1.подключение к СЭС источника первичного питания, состоящего из ТБ возможно только после его выхода на рабочий режим, что занимает определенное время, поэтому такое подключение должно осуществляться через реле или иной ключ либо по прошествии определенного времени,либо, что более предпочтительней, по достижению напряжения на выходе необходимойвеличины.В ряде случаев рациональным может оказаться использование схем избирательного подключения первичного источника для отдельных групп потребителей, однако необходимо учитывать дополнительное падение мощности на ключах подключения потребителей;
2. для предотвращения быстрого разряда ТБ исключить возможность обратного течения тока как от СЭС в целом, так и между парами ТБ;
3. если позволяют особенности функционирования БПЛА, то для увеличения длительности работы ТБ целесообразно использовать сначала одну пару батарей, а затем, при падении напряжения на выходе до величины менее 0,8 - 0,75 от номинала, подключать в СЭС вторую.
Как показал анализ потребителей, для их питания необходимо использование преобразователей типа DC/DC, обеспечивающих выходные напряжения 5 В и 12 В, с мощностями не менее 23,2 Вт и 9 Вт, соответственно, с точность стабилизации напряжения не более,чем 5% от номинала во всем рабочем диапазоне мощностей.Исходя из существующих на рынке преобразователей, для реализации вторичного источника питания необходимы два одноканальных преобразователя на 5 В/30 Вт и 12 В/10 Вт. Основные характеристики преобразователей типа DC/DC в табл. 3.
Таблица3
Основные характеристики преобразователей типа DC/DC_
Параметры преобразователей Преобразователь 12 В, 10 Вт Преобразователь 5 В, 30 Вт
Тип корпуса Металлический
Масса, г 30 ± 0,5 100 ± 0,5
КПД, % 75...85 82...88
Диапазон рабочих температур °С - 40 до +85
Амплитуда пульсации выходного напряжения, мВ 150
Нестабильность выходного напряжения, %. не более ±0,3 не более ±1,0
Защита от перегрузки и к.з. с автоматическим возвратом по выходу из аварийного режима
Время к.з. неограниченно
Ток срабатывания защиты (1,05..1,5) 1ном
Регулировка выходного напряжения, % ±5
Нестабильность выходного напряжения при изменении температуры на корпусе, % ±2 ±0,02
Сопротивление изоляции, МОм 20
Время наработки на отказ, ч. 1 000 000 500 000
Учитывая ограниченный ресурс ТБ, осуществлять питание от них бортовых потребителей электроэнергии целесообразнотолько в процессе полета БПЛА. При этом может быть использована следующая структура СЭС БПЛА (рис. 1).
Особенностью данной СЭС является наличие в ее составе измерительно-питающего блока, блока коммутации и управляемых ключей (1-10).Измерительно-питающий блок осуществляет питание потребителей от пусковой установки. Блок коммутации обеспечивает подключение/отключение потребителей к измерительно-питающему блоку и ТБ, а также ее запуск. Управление блоком коммутации осуществляется от вычислительного устройства радиоканала.
Наземный источник питания
Блок управления РП
Рис. 1. СЭС БПЛА с блоком коммутации
Рис. 2. СЭС БПЛА с управлением по радиоканалу
Однако, применение управляемых ключей приводит к дополнительным потерям энергии.В качестве ключей могут быть применены: электромагнитные реле, биполярные транзисторы, полевые транзисторы с изолированным затвором.Электромагнитные реле имеют малое сопротивление замкнутых контактов порядка 20 -100 мОм, требуют мощность для управления от 0,15-0,30 Вт (для реле с током коммутации до 2А), до 0,6 - 0,9 Вт (для реле с током коммутации до 10А), имеют массу от 2 грамм (для реле с током коммутации до 2А), до 30-50 грамм (для реле с током коммутации до 10А).Биполярные транзисторы имеют падение напряжения на переходе коллектор - эмиттер порядка 0,5 - 1,5 Вольт, для
управления необходим управляющий ток, масса порядка 2-3 грамм для корпуса T0-220. Полевые транзисторы с изолированным затворомимеют: сопротивление перехода сток - исток в открытом состоянии порядка 5 - 30 мОм, управляются потенциалом на затворе, имеют массу порядка 2-3 грамм для корпуса T0-220. Учитывая вышеизложенное, в качестве управляемых ключей СЭС МГЛА целесообразно применять полевые транзисторы с изолированным затвором, имеющие низкое сопротивление открытого канала, напримерКП723АМ [8]. Даже при токах порядка 10 А падение напряжения на переходе сток - исток в открытомсостоянии составит порядка 0,2 - 0,3 В. В этом случае для обеспечения требуемого уровня напряжения питания на потребителях с допуском 5 % от номинального, не потребуется компенсации падения напряжения на ключах.
Таким образом, использование управляемых ключей в данном случае целесообразно.Более рациональным решением является прямая подача напряжения на потребители, а подачу питания на отдельные элементы потребителей должно осуществляется внутри схемы потребителя в соответствии с сигналами радиоканала, с которым потребители имеют энергетическую и информационную связь. Управление питанием РП осуществляться блоком управления РП, а включение и выключение DC/DC преобразователей осуществляется вычислительным устройством радиоканала. Схема такой СЭС представлена на рис. 2. Пунктирными линиями показаны информационные и управляющие связи.
Таким образом, предлагаемый подход к проектированию СЭС БПЛА позволяет осуществить, исходя из перечня бортовых потребителей, предварительный выбор первичных и вторичных источников питания, а также структуру СЭС в целом.
Список литературы
1. Бортовые системы управления космическими аппаратами / Бровкин А.Г., Бурдыгов Б.Г., Гордийко С.В. и др. Под редакцией Сырова А.С. М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2010. 304 с.
2. Боднер В.А. Системы управления летательными аппаратами. М.: Машиностроение, 1973.
506 с.
3. Распопов В.Я. Микросистемная авионика. Тула: Изд-во Гриф и К, 2010. 248 с.
4. Распопов В.Я. Теория гироскопических систем. Инерциальные датчики. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. 256 с.
5. Прохорцов А.В. Методы определения параметров ориентации подвижных объектов по сигналам спутниковых радионавигационных систем // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2013. Вып. 1. С. 258 -267.
6. Прохорцов А.В. О возможности определения параметров угловой ориентации по сигналам одной антенны СНС // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2013. Вып. 11. С. 74-79.
7. Прохорцов А.В. Исследование эффективности различных типов коррекции показаний БИНС по сигналам СНС // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2013. Вып. 11. С. 85-97.
8. Характеристики полевых транзисторов КП723: официальный интернет-магазин: сайт / Чип и Дип. [Электронный ресурс] URL: https://static.chipdip.ru/lib/008/D0C001008335.pdf (дата обращения: 15.02.2023).
Соловьев Александр Эдуардович, д-р техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, ivts.tulgu@rambler.ru, Россия, Тула, Тульскийгосударственный университет,
Прохорцов Алексей Вячеславович, д-р техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, proxav@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Ивахно Наталия Валериевна, д-р техн. наук, доцент, natalia_iv@list. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Новаков Александр Викторович, аспирант, sanyatopor87@gmail.com, Россия, Тула, Тульский государственный университет
PRELIMINARYDESIGNOFTHEPO WERSUPPLYSYSTEMOF ANUNMANNEDAERIAL VEHICLE A.E. Solovev, A.V. Prokhotsov, N. V. Ivakhno, A.V. Novakov
Thearticleisdevoted to the preliminary design of the power supply system of an unmanned aerial vehicle, the flight time of which does not exceed tens of minutes. The results obtained allow us to make a preliminary selection ofprimary and secondary on-board power sources, as well as the structure of the power supply system as a whole, at the stage of preliminary design.
Key words: unmanned aerial vehicle, power supply system, primary power source, secondary power
source.
Soloviev Alexander Eduardovich, doctor of technical sciences, docent, head of department, ivts.tulgu@rambler.ru, Russia, Tula, Tula state University,
Prokhortsov Alexey Vyacheslavovich, doctor of technical sciences, docent, head of department, proxav@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Ivakhno Natalia Valerievna, doctor of technical science, docent, natalia_iv@list.ru, Russia, Tula,Tula State University,
Novakov Alexander Victrovich, postgraduate, sanyatopor87@gmail.com, Russia, Tula, Tula State
University
УДК 620
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-3-167-172
К ВОПРОСУ ОСНАЩЕНИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ДОМОВ ИСТОЧНИКАМИ ВЕТРОВОЙ И СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
Ю.А. Щепочкина, С.А. Войнаш, О.П. Балашов, В.А. Соколова
Указывается на перспективность использования источников ветровой, солнечной энергии для обеспечения энергосберегающих домов. Предложена конструкция лопасти ветрового колеса, позволяющая в светлое время суток генерировать электрическую энергию даже при полном отсутствии ветра. Проведен анализ недостатков использования солнечной генерации. Приведено техническое решение щелевого световода. Для преобразования максимального количества солнечной энергии в электричество даны рекомендации по монтажу оборудования для использования солнечной энергии с фотоэлектрическим модулем. Для проектирования и создания домов, оснащенных альтернативными источниками энергии, необходимо учитывать климатические условия местности.
Ключевые слова: ветровая и солнечная энергия, энергосберегающие дома, ветровое колесо, щелевой световод.
Введение. В последние годы в Российской Федерации, странах СНГ проблемы энергосбережения, экологии, сохранения окружающей среды особенно актуальны. Как трудовая деятельность, так и отдых человека во многом зависят от экологической обстановки, в том числе, от многих зачастую трудно оцениваемых ее составляющих, например, от чистоты воздуха, почвы, воды. Выработка большого количества электрической энергии, без которой трудно представить жизнь современного человека, все заметнее влияет на окружающую среду. Отчасти поэтому все популярнее становятся, так называемые, энергосберегающие дома. Их иногда называют экологичными, поскольку они потребляют меньше энергетических ресурсов, а, следовательно, наносят меньший вред окружающей среде. Это не совсем так. Обратим внимание на различия между ними. К экологичным домам относятся, преимущественно, объекты, сооруженные из натуральных материалов, характеризующихся низким уровнем их переработки и вписывающиеся в естественную природную среду. Энергосберегающими домами являются объекты, потребляющие меньшее количество энергии (топлива) в процессе эксплуатации в сравнении с другими подобными объектами [1-5]. В отдельных странах, например, в Белоруссии существует программа, направленная на сокращение потребления топлива [6]. Одним из решений проблемы уменьшения потребления топливных ресурсов стало использование, так называемых, альтернативных источников энергии, в частности, ветровой, солнечной. Само название - альтернативные источники - служит противопоставлением традиционному источнику энергии - углеводородному сырью.
Во всех развитых странах мира альтернативные источники энергии в настоящее время используют практически повсеместно. Мощность ветров на Земле намного превышает потребляемую на планете энергию. Энергия ветров широко используется в ветровых установках для выработки электричества. Такие установки особенно эффективны для небольших городов и поселков, расположенных на морском побережье, в горах, на открытых местностях, где средняя скорость ветра достаточно высока. В Российской Федерации ветровые электростанции действуют, например, в Башкортостане, Калмыкии, на Чукотке. «Росатом» рассчитывает в ближайшие годы поставить на российский рынок порядка 600 ветроуста-новок общей мощностью 1,6 ГВт [7].
Использование естественной солнечной энергии особенно целесообразно в местностях с большим количеством солнечных дней в году. Например, в Туркменистане число солнечных дней в году составляет более 300. Государственная программа этой страны по энергосбережению предусматривает повышение роли альтернативных источников энергии [8]. В других странах, например, в США (пустыня Мохаве) работает солнечная электростанция большой мощности, построено (штат Калифорния) несколько солнечных электростанций малой мощности для обеспечения электроэнергией жилых домов.
