RU2569518C2

RU2569518C2 - Electric pulse deicer

Info

Publication number: RU2569518C2
Application number: RU2013158840/11A
Authority: RU
Inventors: Александр Михайлович Китаев
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр"
Priority date: 2013-12-30
Filing date: 2013-12-30
Publication date: 2015-11-27
Also published as: RU2013158840A

Abstract

FIELD: transport.

SUBSTANCE: claimed deicer comprises electromagnetic inductors, control switches, reservoir capacitor, charging device, control pulse distributor and thyristor, all being connected in a definite manner. Electromagnetic inductors are arranged nearby vehicle metal skin. Switches are of two-way design and composed of rectifying bridge with thyristor.

EFFECT: higher efficiency due to decreased power losses.

3 cl, 5 dwg

Description

Предложение относится к пртивообледенительным электроимпульсным устройствам и может быть использовано для удаления льда с металлических обшивок транспортных средств, таких как самолеты, вертолеты, экранопланы и суда, а также с металлических крыш зданий.The proposal relates to anti-icing electric pulse devices and can be used to remove ice from the metal lining of vehicles, such as airplanes, helicopters, ekranoplanes and ships, as well as from metal roofs of buildings.

Известно электроимпульсное противообледенительное устройство для самолета (патент US 4678144, МПК B64D 15/16, 07.07.1987), содержащее индукторы, расположенные внутри крыла самолета и подключенные параллельно через тиристоры к накопителю энергии, связанному с высоковольтным преобразователем напряжения, и логическую импульсную цепь, выходы которой подключены к управляющим входам тиристоров. Недостаток устройства заключается в том, что тиристоры, закрывающиеся при первом же переходе разрядного тока через ноль, не обеспечивают полного использования запасенной в накопителе энергии для сброса льда.Known electropulse de-icing device for aircraft (patent US 4678144, IPC B64D 15/16, 07/07/1987), containing inductors located inside the wing of the aircraft and connected in parallel through thyristors to an energy storage device connected to a high voltage voltage converter, and a logical pulse circuit, outputs which are connected to the control inputs of the thyristors. The disadvantage of this device is that the thyristors that close upon the first transition of the discharge current through zero do not provide full use of the energy stored in the drive for dumping ice.

Известно противообледенительное устройство (патент RU 2112708, МПК B64D 15/16, 10.06.1998), содержащее зарядный элемент, накопительный конденсатор, катушки, тиристоры, блок управления и формирователь импульсов напряжения, выполненный в виде тиристорного ключа, дросселя, двух диодов и выходного конденсатора. Недостаток устройства состоит в том, что при достижении разрядным током в одной из катушек максимального значения и при смене полярности напряжения на накопительном конденсаторе катушка шунтируется диодом, прерывающим колебательный процесс в разрядной цепи и снижающим эффект преобразования энергии накопителя в энергию удара.Known anti-icing device (patent RU 2112708, IPC B64D 15/16, 10.06.1998) containing a charging element, a storage capacitor, coils, thyristors, a control unit and a voltage pulse shaper made in the form of a thyristor switch, a choke, two diodes and an output capacitor . The disadvantage of this device is that when the discharge current in one of the coils reaches its maximum value and when the polarity of the voltage across the storage capacitor changes, the coil is shunted by a diode that interrupts the oscillation process in the discharge circuit and reduces the effect of converting the energy of the drive into shock energy.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является электроимпульсный антиобледенитель (патент US RE 38,024 Е, МПК B64D 15/00, B64D 15/16, 11.03.2003), включающий в себя размещенные в крыле самолета электромагнитные индукторы, подключенные через тиристоры параллельно шунтирующему диоду и накопительному конденсатору, соединенному с зарядным устройством, и распределитель управляющих импульсов, выходы которого связаны с управляющими электродами тиристоров.Closest to the proposed device is an electric pulse deicer (patent US RE 38,024 E, IPC B64D 15/00, B64D 15/16, 03/11/2003), including electromagnetic inductors located in the wing of the aircraft, connected through thyristors parallel to the shunt diode and the storage capacitor connected to the charger, and a control pulse distributor, the outputs of which are connected to the control electrodes of the thyristors.

Недостаток устройства также заключается в недостаточно полном преобразовании энергии накопителя в энергию удара, осуществляющего сброс льда с обшивки крыла.The disadvantage of the device also lies in the insufficiently complete conversion of the energy of the drive into the energy of impact, which dumps ice from the wing skin.

Предлагаемое устройство обеспечивает полное преобразование энергии накопителя в энергию удара за счет введения в разрядную цепь индуктора двунаправленного коммутационного элемента и отсутствия шунтирующего накопительный конденсатор диода.The proposed device provides a complete conversion of drive energy into impact energy due to the introduction of a bi-directional switching element into the discharge circuit of the inductor and the absence of a diode shunting the storage capacitor.

На фиг. 1 представлена функциональная схема электроимпульсного противообледенительного устройства, на фиг. 2 - вариант выполнения двунаправленного коммутационного элемента с помощью выпрямительного моста и тиристора, а на фиг. 3 -вариант элемента с использованием симистора, на фиг. 4 и 5 изображены временные диаграммы напряжения на накопительном конденсаторе и тока через электромагнитный индуктор соответственно для прототипа и для предлагаемого устройства.In FIG. 1 is a functional diagram of an electric pulse anti-icing device; FIG. 2 is an embodiment of a bi-directional switching element using a rectifier bridge and a thyristor, and in FIG. 3 is an embodiment of an element using a triac; in FIG. 4 and 5 show time diagrams of the voltage across the storage capacitor and the current through the electromagnetic inductor, respectively, for the prototype and for the proposed device.

Устройство содержит укрепленные вблизи металлической обшивки 1 транспортного средства электромагнитные индукторы 2, подключенные через управляемые коммутационные элементы 3 параллельно накопительному конденсатору 4, соединенному с зарядным устройством 5. Устройство включает в себя также распределитель 6 управляющих импульсов, выходы которого связаны с управляющими входами элементов 3. При этом элементы 3 выполнены двунаправленными, иначе говоря, сохраняющими проводимость при изменении направления тока. В одном из вариантов выполнения элемент 3 содержит выпрямительный мост 7, диагональ переменного тока которого подключена к внешним выводам элемента 3, а к диагонали постоянного тока подсоединен тиристор 8, управляющий электрод которого связан с управляющим входом элемента 3. В другом варианте выполнения элемента 3 он представляет собой симистор 9, основные выводы которого связаны с внешними выводами элемента 3, а управляющий электрод - с управляющим входом элемента 3.The device comprises electromagnetic inductors 2 fixed near the metal skin 1 of the vehicle, connected via controlled switching elements 3 parallel to the storage capacitor 4 connected to the charging device 5. The device also includes a control pulse distributor 6, the outputs of which are connected to the control inputs of the elements 3. When In this case, the elements 3 are bi-directional, in other words, preserving conductivity when the current direction changes. In one embodiment, element 3 comprises a rectifier bridge 7, whose diagonal of AC is connected to the external terminals of element 3, and thyristor 8 is connected to the diagonal of direct current, whose control electrode is connected to the control input of element 3. In another embodiment of element 3, it represents a triac 9, the main conclusions of which are connected with the external terminals of element 3, and the control electrode - with the control input of element 3.

Электроимпульсное противообледенительное устройство работает следующим образом.Electro-pulse anti-icing device operates as follows.

При включении устройство 5 заряжает конденсатор 4. По окончании заряда распределитель 6 подает импульс на управляющий вход первого (верхнего по схеме) элемента 3, под действием которого он переводится в проводящее состояние. Конденсатор 4 разряжается через элемент 3 на первый индуктор 2. Процесс разряда носит колебательный характер, определяемый параметрами разрядной цепи - величинами емкости конденсатора 4 и индуктивности индуктора 2 с учетом влияния обшивки 1. Обычно величина собственной частоты цепи составляет 1-2 кГц. Колебательный процесс носит затухающий характер и практически полностью завершается в течение двух-трех периодов собственной частоты. В течение этого времени индуктор 2 наводит в обшивке 1 вихревые токи, взаимодействие которых с током индуктора 2 вызывает эффект удара, деформирующего обшивку 1 и сбрасывающего с нее лед. Для того чтобы колебательный процесс в разрядной цепи не прерывался в течение времени его действия, длительность импульса управления составляет не менее двух-трех периодов собственной частоты разрядного контура, при этом элемент 3 проводит ток, меняющий свое направление. Диаграммы напряжения на конденсаторе 4 и тока в индукторе 2 показаны на фиг. 5. Учитывая, что амплитуда второй (отрицательной) полуволны тока составляет величину порядка 60-70% от амплитуды первой (положительной) полуволны тока, ее вклад в суммарную силу удара будет достаточно велик - порядка 30-40%. По окончании действия управляющего импульса элемент 3 при первом же пересечении тока в индукторе 2 через ноль самопроизвольно закрывается. Устройство 5 вновь заряжает конденсатор 4, распределитель 6 подает сигнал управления на управляющий вход второго элемента 3, через который конденсатор 4 разряжается на второй индуктор 2, сбрасывающий лед со второго участка обшивки 1. Аналогичным образом срабатывают и все последующие индукторы 2. Частота «обегания» индукторов 2 составляет, как правило, не более 1 Гц.When you turn on the device 5 charges the capacitor 4. At the end of the charge, the distributor 6 delivers a pulse to the control input of the first (upper in the circuit) element 3, under the influence of which it is transferred to a conducting state. The capacitor 4 is discharged through element 3 to the first inductor 2. The discharge process is oscillatory in nature, determined by the parameters of the discharge circuit - the capacitance of the capacitor 4 and the inductance of the inductor 2, taking into account the influence of the casing 1. Typically, the natural frequency of the circuit is 1-2 kHz. The oscillation process is of a decaying nature and is almost completely completed within two to three periods of natural frequency. During this time, the inductor 2 induces eddy currents in the casing 1, the interaction of which with the current of the inductor 2 causes an impact effect that deforms the casing 1 and discards ice from it. In order for the oscillatory process in the discharge circuit to not be interrupted during its operation, the duration of the control pulse is at least two to three periods of the natural frequency of the discharge circuit, while element 3 conducts a current that changes its direction. The voltage diagrams across capacitor 4 and current in inductor 2 are shown in FIG. 5. Considering that the amplitude of the second (negative) half-wave of the current is about 60-70% of the amplitude of the first (positive) half-wave of the current, its contribution to the total impact force will be quite large - about 30-40%. At the end of the action of the control pulse, the element 3 at the first crossing of the current in the inductor 2 through zero spontaneously closes. The device 5 recharges the capacitor 4, the distributor 6 supplies a control signal to the control input of the second element 3, through which the capacitor 4 is discharged to the second inductor 2, which dumps ice from the second section of the casing 1. All subsequent inductors 2 operate in the same way. inductors 2 is usually not more than 1 Hz.

В качестве элемента 3, обладающего двусторонней проводимостью, может быть использован выпрямительный мост 7 в сочетании с тиристором 8, включенным в его диагональ переменного тока, или симистор 9 при условии, что он обладает требуемыми мощностными характеристиками. Возможно также совместное использование моста 7 и транзистора IGBT (вместо тиристора 8) с соответствующим драйвером управления.As an element 3 having two-sided conductivity, a rectifier bridge 7 can be used in combination with a thyristor 8 included in its diagonal of alternating current, or a triac 9, provided that it has the required power characteristics. It is also possible to use the bridge 7 and the IGBT transistor (instead of the thyristor 8) with the corresponding control driver.

В известных устройствах, в которых конденсатор 4 зашунтирован диодом в обратной полярности, а в качестве элемента 3 использован обычный тиристор, естественный колебательный процесс в индукторе 2 нарушается - см. диаграмму 4. Задний фронт импульса тока оказывается растянутым и не обеспечивает наведения в обшивке 1 больших вихревых токов (из-за эффекта просачивания поля через достаточно тонкую обшивку 1), что существенно уменьшает силу удара. Что касается снижения надежности высоковольтного импульсного накопительного конденсатора 4 из-за кратковременного (доли миллисекунды) изменения на нем полярности напряжения во время колебательного процесса и с учетом длительных пауз между разрядами - порядка секунды, то оно не существенно.In known devices, in which the capacitor 4 is shunted by the diode in reverse polarity, and a conventional thyristor is used as element 3, the natural oscillatory process in the inductor 2 is violated - see diagram 4. The trailing edge of the current pulse is stretched and does not provide large guidance in the casing 1 eddy currents (due to the effect of leakage of the field through a sufficiently thin skin 1), which significantly reduces the force of impact. As for the decrease in the reliability of the high-voltage pulse storage capacitor 4 due to a short-term (fraction of a millisecond) change in its voltage polarity during the oscillatory process and taking into account long pauses between discharges - of the order of a second, it is not significant.

Таким образом, предложенное устройство обеспечивает повышение его эффективности и снижение потерь мощности. По сравнению с известными устройствами заданная сила удара может быть достигнута при меньшем рабочем напряжении конденсатора или при его меньшей емкости.Thus, the proposed device provides an increase in its efficiency and reduction of power losses. Compared with known devices, a predetermined impact force can be achieved with a lower operating voltage of the capacitor or with a lower capacitance.

Claims

1. Электроимпульсное противообледенительное устройство, содержащее укрепленные вблизи металлической обшивки транспортного средства электромагнитные индукторы, подключенные через управляемые коммутационные элементы параллельно накопительному конденсатору, соединенному с зарядным устройством, и распределитель управляющих импульсов, выходы которого связаны с управляющими входами коммутационных элементов, отличающееся тем, что коммутационные элементы выполнены двунаправленными.1. Electropulse de-icing device containing electromagnetic inductors mounted near the metal skin of the vehicle, connected via controlled switching elements parallel to the storage capacitor connected to the charging device, and a control pulse distributor, the outputs of which are connected to the control inputs of the switching elements, characterized in that the switching elements performed bidirectional.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что каждый из двунаправленных коммутационных элементов содержит выпрямительный мост, диагональ переменного тока которого подключена к внешним выводам элемента, а к диагонали постоянного тока подсоединен тиристор, управляющий электрод которого связан с управляющим входом элемента.2. The device according to claim 1, characterized in that each of the bidirectional switching elements contains a rectifier bridge, the diagonal of the alternating current of which is connected to the external terminals of the element, and a thyristor is connected to the diagonal of the direct current, the control electrode of which is connected to the control input of the element.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что каждый из двунаправленных коммутационных элементов представляет собой симистор, основные электроды которого связаны с внешними выводами элемента, а управляющий электрод - с управляющим входом элемента. 3. The device according to claim 1, characterized in that each of the bi-directional switching elements is a triac, the main electrodes of which are connected to the external terminals of the element, and the control electrode is connected to the control input of the element.