УДК 621.311:621.316.9 Р.М. САЙФУТДИНОВ, И.А. ЯШИН R.M. SAYFUTDINOV, I.A. YASHIN

УДК 621.311:621.316.9
Р.М. САЙФУТДИНОВ, И.А. ЯШИН
R.M. SAYFUTDINOV, I.A. YASHIN
ИННОВАЦИОННОЕ РЕШЕНИЕ УВЕЛИЧЕНИЯ ВРЕМЕНИ АВТОНОМНОГО
ПОЛЕТА МУЛЬТИРОТОРНЫХ СИСТЕМ
INNOVATIVE SOLUTION OF MULTIROTOR SYSTEM’S EXTENDED FLIGHT
TIME
В данной статье авторы рассматривают проблему малого времени автономного полета
мультироторных систем и приводят несколько методов решения данной проблемы с помощью заряда
аккумуляторных батарей с применением блока питания с отбором мощности от тока фазного провода.
Ключевые слова: блок питания; аккумулятор; мультикоптер; время полета; фазный провод; зарядная
площадка.
In given article authors review a problem of multirotor system’s short flight time and suggest a solution to this
problem by using charge batteries with using a power supply with a power takeoff from the current phase conductor.
Keywords: power supply; battery; multicopter; flight time; phase conductor; charging platform.
Современный мир летательных аппаратов развивается со стремительной быстротой. В
настоящее время существует не одна конфигурация таких машин и большой популярностью
пользуются малые беспилотные мультироторные системы. В зависимости от количества
моторов мультикоптеры делят на квадро-, гекса- и онтокоптеры, но самыми востребованными
в личном пользовании являются квадрокоптеры.
Первый квадрокоптер, который реально оторвался от земли и мог держаться в воздухе,
был испытан еще в 1922 году.
Недостатком этих аппаратов была сложная трансмиссия, передававшая вращение
одного мотора на несколько винтов. Изобретение хвостового винта и автомата перекоса
положило конец этим попыткам.
Новое рождение мультикоптеры получили в XXI веке, уже как беспилотные аппараты.
Их легкое и миниатюрное строение позволяет собирать модели, не выходя из дома. Благодаря
энтузиазму моделистов мультикоптеры достигли невероятных возможностей. Непрерывная
модернизация таких аппаратов позволяет с их помощью поднимать большие грузы, иметь
четкую геолокационную информацию и так далее.
Таким образом, при всех имеющихся плюсах мультикоптеры нашли свое применения
в таких областях, как аэрофото- и киносъёмки, мониторинг местности на предмет природных
катаклизм, доставка заказов интернет-магазинов, доставка грузов в труднодоступные места и
зоны стихийных бедствий.
Но, несмотря на достигнутые характеристики мультикоптеров, существуют цели
значительно улучшить их. Подробно остановимся на проблеме времени полета
мультикоптеров. При современных технологиях время нахождения беспилотного
летательного аппарата в режиме полета составляет от 10 до 30 минут. Естественно это зависит
от типа применяемых аккумуляторов в коптерах. Литий-полимерные аккумуляторы
применяются в моделях мультикоптеров, где силовые модификации литий-полимерных
аккумуляторов, способных быстро отдавать большие токи (~ до 2 С), а также способность к
сверхбыстрой зарядке токами до 10C, выгодно отличают их от других аккумуляторов. К
сожалению, так же существуют и недостатки: литий-полимерные аккумуляторы
температурозависимы. Для большинства аккумуляторов рабочий диапазон температур
составляет от +5 до +60 градусов по Цельсию. Эксплуатация при низких температурах
приводит к быстрому разряду.
Толщина элементов литий-ионных аккумуляторов составляет порядка 1 мм, что
позволяет создавать аккумуляторы практически произвольных форм, и размещать их в
свободном месте устройства.
Небольшие размеры li-ion и li-pol аккумуляторов и их малый вес идеально подходят для
эксплуатации батарей в составе мультикоптеров, но их емкость слишком мала для полетов на
большие расстояния.
Существует возможность инсталляции на мультикоптер дополнительного
аккумулятора, но у этого варианта существует масса недостатков, одним из которых является
уменьшение грузоподъемности мультикоптера. Для устранения данной проблемы мы
предоставляем решение подзарядки аккумуляторов, не прерывая полета.
Для возможности обеспечения необходимого времени автономного полета
мультикоптера рассмотрим способ зарядки аккумуляторной батареи от воздушных линий
электропередач.
Для решения проблемы питания электронных компонентов (а зарядное устройство для
аккумуляторов мультикоптера безусловно можно отнести к таковым) в «удаленных от
розетки» местах был разработан блок питания с отбором мощности от тока фазного провода
[1], изображенный на рисунке 1.
Рисунок 1 – блок питания с отбором мощности от тока фазного провода
Отбор мощности производится с помощью первичного преобразователя токнапряжение, выполненного на разъемном ленточном магнитопроводе ПЛ 20х40-80 из
анизотропной стали типа 3406. Количество витков во вторичной обмотке 400. Катушка
вторичной обмотки конструктивно разделена на две последовательно соединенных катушки,
для освобождения места для прокладки в окне магнитопровода фазного провода линии
электропередачи.
Таким образом, появляется возможность монтажа блока питания на фазный провод, не
вмешиваясь в структуру линий электропередач. При этом остается открытым вопрос о способе
расположения блока питания. Существует несколько методов реализации:
1.
Конструкцию блока питания можно закрепить на корпусе летательного
аппарата.
2.
Оборудовать посадочную площадку зарядным устройством.
Рассмотрим достоинства и недостатки, а также нюансы, двух методов расположения
блока питания.
Размещение блока питания на корпусе летательного аппарата
Этот метод заключается в физическом контакте мультикоптера с линиями
электропередач путем «зацепки» магнитопроводом трансформатора блока питания за фазный
провод. Магнитопровод трансформатора поделен на две U-образные половинки, что позволяет
монтировать блок питания на фазный провод. Выбор этого способа хорош тем, что от ЛЭП не
требуется какой-либо специальной технической подготовки и мультикоптер может совершать
подзарядку в любом участке линий электропередач.
В текущей конструкции «разъемность» магнитопровода применяется только для
обеспечения монтажа платформы на фазный провод без нарушения гальванической связи
фазного провода. При модернизации первичного трансформатора таким образом, чтобы он
был способен размыкаться во время непосредственной работы, становится возможным
отключать первичный преобразователь от сети.
При реализации данной модели основной проблемой может стать появление сильного
импульса при скачкообразном изменении параметров схемы – переходной процесс при
размыкании ядра трансформатора.
Несмотря на опасения, в экспериментальных условиях при реализации данной модели
не было выявлено импульсных скачков напряжения при механическом размыкании
магнитопровода.
Исследования проводились с помощью прогрузочного трансформатора, позволяющего
получить во вторичной обмотке ток до 3000 А. Таким образом моделировалась линия
электропередачи.
В таблице 1 отображены показания напряжений при разных значениях силы тока
фазного провода.
Таблица 1 – Зависимость напряжения холостого хода от силы тока фазного провода
Ток фазного провода
Напряжение холостого хода
I, A
Uxx, В
30
22,5
50
31
100
44
150
48
300
52
Недостатки этого метода заключаются в том, что необходимо инсталлировать на
корпус мультикоптера блок питания весом примерно 1-1,5 кг.
Проблемой данной конструкции так же является механизм размыкания двух Uобразных половинок магнитопровода, т.к. под воздействием фазного провода начинается
процесс намагничивания ярма трансформатора. Таким образом, при большей силе тока,
проходящей в фазном проводе, необходимо приложить бОльшую силу для размыкания двух
половинок магнитопровода.
Таблица 2 – Зависимость прикладываемой силы от силы тока фазного провода
Ток фазного провода
Прикладываемая сила
I, A
F, Н
30
19,6
50
29,4
100
44,1
150
58,8
200
68,6
250
68,6
В таблице 2 изображена зависимость, описываемая выше. Можно заметить, что при
достижении силы тока >200А наступает магнитное насыщение ярма трансформатора.
Из анализа полученных показаний следует, что достаточно иметь механизм, способный
прикладывать максимальную силу в 68,6 Н, для того, чтобы гарантированно размыкать
магнитопровод.
Проведенные расчеты и физическое макетирование размыкателя магнитопровода
показывают, что оптимизировать элементы этого нелинейного устройства с переменными
параметрами довольно сложно, так как реализация возможности «медленного» размыкания
магнитопровода является практически невыполнимой.
Размещение блока питания на специальной зарядной площадке
Подзарядка батарей производится с помощью специальной площадки. Площадки
установлены на некоторых участках линий электропередач, например, на их опорах. К самой
же площадке инсталлирован блок питания, который так же цепляется за фазный провод.
На рисунке 2 изображена структурная схема блока питания, на котором приняты
следующие обозначения:
ТТ – низковольтный трансформатор тока;
ТН – трансформатор напряжения первичного преобразователя ток/напряжения;
В – диодный мост;
DC-DC конвертор – стабилизатор напряжения.
Рисунок 2 – Структурная схема блока питания
Для преобразования выходных напряжений на вторичной обмотке ТТ в требуемое
напряжение используется ТН, работающий в нелинейном режиме. Нелинейный режим
позволяет сузить динамический диапазон изменения напряжений относительно
соответствующего динамического диапазона изменения входного тока. Более того,
вторичная обмотка ТТ, будучи нагруженной на первичную обмотку ТН, предохраняется от
потенциально опасных перенапряжений, и способствует защите электронных компонентов
от действия аварийных токов короткого замыкания в линии.
На рисунке 3 представлена принципиальная схема блока питания.
Рисунок 3 – Принципиальная схема блока питания
При проектировании блока питания с отбором мощности от тока фазного провода
параметры элементов были рассчитаны так, чтобы наша модель работала в качестве источника
напряжения. Это достигается при явлении резонанса напряжений, когда внутреннее
сопротивление источника становится чисто активным. Для этого необходимо, чтобы модуль
емкостного сопротивления конденсатора (1.1) и модуль индуктивного сопротивления катушки
(1.2) были равны между собой при частоте ω=50 Гц. Из имеющихся и описанных выше
параметров магнитопровода ясно, что индуктивность магнитопровода составляет 10 Гн. После
экспериментально проведенных расчетов были получены емкостные параметры конденсатора
– 36 мкФ. Аналитический расчет емкости конденсатора совпадает с экспериментальным
расчетом. Этих параметров достаточно для того, чтобы перевести систему в последовательный
резонанс.
Таким образом, при посадке мультикоптера на площадку осуществляется соединение
контактов мультикоптера, расположенных на его ногах, с контактами площадки, тем самым
происходит подзарядка аккумуляторов. Преимущество этого метода заключается в
увеличении грузоподъемности мультикоптеров, благодаря ненадобности установки
дополнительного зарядного оборудования на самом летательном аппарате.
Так же существует два способа реализации этого метода подзарядки мультикоптера:
Само зарядное устройство можно расположить на подзарядной площадке или
непосредственно на корпусе подзаряжаемого мультикоптера. Тогда на такой площадке
сможет подзаряжать аккумуляторные батареи мультикоптеры разных моделей, но при этом
потеряется балансный режим.
Выводы
Оба метода локализации блока питания имеют свои плюсы и минусы.
С одной стороны, использование зарядной площадки представляет собой наиболее
легкий способ подзарядки беспилотного летательного аппарата в режиме полета. Однако, он
не является универсальным, потому что на определенных участках ЛЭП появляется
необходимость проведения специальной подготовки.
С другой стороны, расположение блока питания на корпусе самого мультикоптера
подает огромные надежды на использование беспилотников. Благодаря зарядке
мультикоптера на любом участке линий электропередач возрастает возможность построения
маршрутов полета на более отдаленные расстояния. Однако, техническое исполнение
“зацепки” магнитопровода за фазный провод требует дополнительных разработок.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Геворкян В.М., Яшин И.А., Блок питания для измерительного устройства
высокого напряжения. Принцип построения //Новости электротехники №1(55)
2009. с.36-39.
Сайфутдинов Ренат Маратович
Национальный исследовательский университет «МЭИ», г. Москва
студент 4-го курса кафедры «Электрофизики информационных систем»
Тел.: +7 (495) 362-71-76
E-mail: sayrenat@yandex.ru
Яшин Илья Александрович
Национальный исследовательский университет «МЭИ», г. Москва
к.т.н., доцент кафедры «Электрофизики информационных систем»
Тел.: +7 (495) 362-71-76
E-mail: yashinia@gmail.com