RU2521108C2

RU2521108C2 - Device for electric energy transmission in rocket and space complexes (versions)

Info

Publication number: RU2521108C2
Application number: RU2012130510/07A
Authority: RU
Inventors: Леонид Юрьевич Юферев; Олег Алексеевич Рощин; Ефим Леонидович Межирицкий; Владимир Владимирович Морозов; Александр Георгиевич Жучков; Дмитрий Семенович Стребков
Priority date: 2012-07-18
Filing date: 2012-07-18
Publication date: 2014-06-27
Also published as: RU2012130510A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention is related to device for electric energy transmission. The result is obtained by conversion of electric energy from the energy source to high voltage of high frequency and transmission of electric energy through a single wire in resonance mode to consumers where a down converter with several output voltages is installed. The technical result is also reached by the fact that the device contains a ground power source, a power transmission line and the onboard cable network, the ground power source includes a frequency converter, a stepping-up resonance circuit, a single-wire power transmission line and a reducing transformer, the resonance circuit midpoint is connected to the feedback unit for automatic adjustment of output voltage and frequency in the power transmission line, while the reducing transformer has several output windings for connection to loads of different voltage, at that one of the windings is also connected to the feedback unit of the frequency converter for fine adjustment of output voltage in the loads.

EFFECT: reduction of quantity and weight of wires for electric energy transmission in rocket and space complexes as well as improvement of electric supply quality for the onboard equipment.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к способу и устройству для передачи электрической энергии.The invention relates to a method and apparatus for transmitting electrical energy.

В ракетно-космических (Р-К) комплексах электропитание бортовой аппаратуры и агрегатов в полете осуществляется от бортовых батарей, в некоторых случаях - аккумуляторных батарей, в то время, как при наземных проверках, испытаниях, подготовке к пуску и других работах, электропитание бортовой аппаратуры и агрегатов осуществляется от наземных эквивалентов бортовых батарей.In space-rocket (R-K) complexes, the power supply of on-board equipment and units in flight is provided by on-board batteries, in some cases, by rechargeable batteries, while during ground checks, tests, preparation for launch and other operations, on-board equipment is powered and aggregates carried on ground equivalents of onboard batteries.

Наземный эквивалент бортовой батареи представляет собой наземный источник питания (ИП) требуемой мощности, в котором первичное переменное напряжение ~380/220 В 50 Гц преобразуется в постоянное напряжение =30 В. Стабилизация напряжения до 1 В. Это напряжение от наземного источника питания по наземной кабельной сети (НКС), а затем и по бортовой кабельной сети (БКС) поступает на бортовой силовой коммутатор, который и подключает бортовую аппаратуру и агрегаты к наземному электропитанию.The ground equivalent of the on-board battery is a ground power supply (IP) of the required power, in which the primary alternating voltage ~ 380/220 V 50 Hz is converted to a constant voltage = 30 V. Stabilization of voltage up to 1 V. This is the voltage from the ground power supply via ground cable network (NKS), and then through the on-board cable network (BKS) enters the on-board power switch, which connects the on-board equipment and units to ground power.

В случае использования, в частности на ракетоносителях аккумуляторных батарей, для их подзарядки необходим наземный источник питания с другим напряжением, что также увеличивает параметры НКС и БКС.In the case of using batteries, in particular on rocket launchers, a surface power source with a different voltage is required to recharge them, which also increases the parameters of the NKS and BKS.

Таким образом, принципиальное отличие систем электроснабжения бортовых потребителей от бортовых батарей или от наземных эквивалентов заключается в том, что батареи находятся рядом с потребителями, а наземные эквиваленты - за десятки и сотни метров. Такое отличие определяет и качество электроснабжения от наземных эквивалентов (повышенные импульсации, провалы и всплески напряжения при коммутации активных и реактивных нагрузок и др.).Thus, the fundamental difference between the power supply systems of onboard consumers from onboard batteries or from ground equivalents is that the batteries are close to consumers, and ground equivalents are tens and hundreds of meters away. This difference also determines the quality of power supply from ground equivalents (increased pulsations, voltage dips and surges during switching of active and reactive loads, etc.).

Чтобы повысить качество электроснабжения бортовых потребителей от наземных эквивалентов, обычно увеличивают сечение силовых кабелей НКС и БКС, ставят фильтры по питанию на входах бортовых потребителей. Эти мероприятия увеличивают вес БКС, бортовой аппаратуры и снижают вес полезной нагрузки.To improve the quality of power supply of onboard consumers from ground equivalents, they usually increase the cross-section of power cables of the NKS and BKS, put power filters at the inputs of onboard consumers. These measures increase the weight of BCS, airborne equipment and reduce the weight of the payload.

Известны способ и устройство передачи электрической энергии (патент №2273939, бюл. 10), в котором передачу электрической энергии осуществляют под землей или под водой в резонансном режиме при резонансной частоте 50 Гц - 50 кГц и напряжении 1-1000 кВ, плотности тока 1-500 А/мм² по однопроводниковому электроизолированному кабелю, в частности многожильному, длиной 1-20000 км сечением 0.01-1000 см², у которого диаметр кабеля в 5-100 раз превышает диаметр проводника. В другом варианте передачу электрической энергии осуществляют под землей или под водой в резонансном режиме по осесимметричному однопроводниковому волноводу внутри герметичного пустотелого диэлектрического цилиндрического канала в атмосфере изолирующего газа, в частности элегаза, при давлении 1-10 кг/см². В еще одном варианте способа электрическую энергию передают по одиночному электростатически экранированному и электроизолированному волноводу поверхностной волны внутри пустотелого цилиндрического экрана и герметичного диэлектрического канала в атмосфере изолированного газа. Высоковольтная линия может быть выполнена под землей или под водой в виде однопроводникового волновода длиной 1-20000 км, сечением 0,01-1000 см, установленного осесимметрично внутри трубопровода диаметром 0,02-10 м из диэлектрического материала. Для повышения передаваемого напряжения и мощности волновод выполнен из электроизолированного кабеля с толщиной изоляции 3-300 мм, а пространство между волноводом и трубопроводом заполнено электроизолирующим газом под давлением, например элегазом. Высоковольтная линия выполнена в виде однопроводникового волновода длиной 1-20000 км, сечением 0,01-1000 см², установленного осесимметрично внутри трубопровода диаметром 0,02-10 м из диэлектрического материала, и содержит электрический экран, выполненный в виде множества электроизолированных друг от друга незамкнутых проводящих цилиндрических оболочек, общая длина которых равна длине волновода, а длина каждой проводящей оболочки составляет 1-1000 м.A known method and device for transmitting electrical energy (patent No. 2273939, bull. 10), in which the transmission of electrical energy is carried out underground or under water in a resonant mode at a resonant frequency of 50 Hz to 50 kHz and a voltage of 1-1000 kV, current density 1- 500 A / mm ² through a single-wire electrically insulated cable, in particular a multicore cable, 1-20000 km long with a cross section of 0.01-1000 cm ² , in which the cable diameter is 5-100 times the diameter of the conductor. In another embodiment, the transmission of electrical energy is carried out underground or under water in a resonant mode along an axisymmetric single-conductor waveguide inside a sealed hollow dielectric cylindrical channel in an atmosphere of an insulating gas, in particular gas, at a pressure of 1-10 kg / cm ² . In yet another embodiment of the method, electrical energy is transmitted through a single electrostatically shielded and electrically insulated surface waveguide inside a hollow cylindrical screen and a sealed dielectric channel in an atmosphere of an isolated gas. The high-voltage line can be made underground or under water in the form of a single-conductor waveguide with a length of 1-20000 km, a cross section of 0.01-1000 cm, mounted axisymmetrically inside a pipeline with a diameter of 0.02-10 m of dielectric material. To increase the transmitted voltage and power, the waveguide is made of an electrically insulated cable with an insulation thickness of 3-300 mm, and the space between the waveguide and the pipeline is filled with electrically insulating gas under pressure, such as SF6 gas. The high-voltage line is made in the form of a single-conductor waveguide 1-20000 km long, with a cross section of 0.01-1000 cm ² , mounted axisymmetrically inside the pipeline with a diameter of 0.02-10 m from dielectric material, and contains an electric shield made in the form of a plurality of electrically insulated from each other open conductive cylindrical shells, the total length of which is equal to the length of the waveguide, and the length of each conductive shell is 1-1000 m

Известен способ передачи электрической энергии по однопроводной линии (патент №97117756) путем получения токов высокой частоты с помощью высокочастотного генератора, имеющего активный усилительный элемент, и подачи указанных токов на первичную обмотку повышающего трансформатора, вторичная обмотка которого разомкнута и к которому присоединены однопроводная линия передачи и нагрузка, отличающийся тем, что используют повышающий трансформатор, первичная обмотка которого выполнена трехполюсной, ее выводы соединены с активным усилительным элементом высокочастотного генератора с образованием автогенератора, работающего по трехточечной схеме с автоматическим установлением и поддержанием резонансных электрических колебаний в системе, содержащей автогенератор, повышающий трансформатор, однопроводную линию передачи и нагрузку, при этом однопроводная линия передачи присоединена к одному из выводов вторичной обмотки повышающего трансформатора или повышающий трансформатор дополнительно содержит однополюсный изолированный элемент, расположенный внутри или снаружи повышающего трансформатора и служащий для сбора энергии, излучаемой повышающим трансформатором, а однопроводная линия передачи присоединена к указанному элементу.A known method of transmitting electrical energy through a single-wire line (patent No. 97117756) by obtaining high-frequency currents using a high-frequency generator having an active amplifying element, and supplying these currents to the primary winding of a step-up transformer, the secondary winding of which is open and connected to a single-wire transmission line and load, characterized in that they use a step-up transformer, the primary winding of which is made triple-pole, its conclusions are connected to an active amplifier element of a high-frequency generator with the formation of an oscillator operating in a three-point circuit with the automatic installation and maintenance of resonant electrical oscillations in a system containing an oscillator, step-up transformer, single-wire transmission line and load, while a single-wire transmission line is connected to one of the terminals of the secondary winding of the step-up transformer or step-up the transformer further comprises a single-pole insulated element located inside or outside the main ayuschego transformer and serving to collect energy emitted up transformer, and single-wire transmission line connected to said element.

Недостатком этих способов является то, что приемные понижающие преобразователи напряжения имеют на выходе только одно напряжение, зависящее от вида и динамики нагрузки.The disadvantage of these methods is that the receiving step-down voltage converters have at the output only one voltage, depending on the type and dynamics of the load.

Целью данного изобретения является уменьшение количества и массы проводов для передачи электроэнергии в Р-К комплексах, а также повышение качества электропитания бортовой аппаратуры.The aim of this invention is to reduce the number and mass of wires for transmitting electricity in RC complexes, as well as improving the quality of power supply of on-board equipment.

Указанная цель достигается путем преобразования электрической энергии от источника энергии в высокое напряжение повышенной частоты и передачи электрической энергии по одному проводу в резонансном режиме до потребителя, у которого установлен понижающий преобразователь, имеющий несколько выходных напряжений.This goal is achieved by converting electrical energy from an energy source to a high voltage of high frequency and transmitting electric energy through a single wire in resonance mode to a consumer who has a step-down converter having several output voltages.

Технический результат достигается также тем, что устройство передачи электрической энергии в Р-К комплексах содержит наземный источник питания, линию электропередачи и бортовую кабельную сеть, при этом наземный источник питания содержит преобразователь частоты, повышающий резонансный контур, однопроводную линию электропередачи и понижающий трансформатор, при этом средняя точка резонансного контура соединена с блоком обратной связи для автоматической подстройки выходного напряжения и частоты в линии электропередачи, а понижающий трансформатор имеет несколько выходных обмоток для подключения нагрузок с разными напряжениями, причем одна из обмоток также подключена к блоку обратной связи преобразователя частоты для точной подстройки выходного напряжения в нагрузках.The technical result is also achieved by the fact that the electric power transmission device in RC complexes contains a ground power source, an electric power line and an on-board cable network, while the ground power source contains a frequency converter increasing the resonant circuit, a single-wire power line and a step-down transformer, while the midpoint of the resonant circuit is connected to the feedback unit for automatic adjustment of the output voltage and frequency in the power line, and a lowering t ansformator has multiple output windings to connect with different load voltages, wherein one of the windings are also connected to a feedback inverter unit for a fine adjustment of the output voltage to the load.

В другом варианте устройство передачи электрической энергии в Р-К комплексах, содержит наземный источник питания, линию электропередачи и бортовую кабельную сеть, при этом наземный источник питания содержит преобразователь частоты, повышающий резонансный трансформатор, однопроводную линию электропередачи и понижающий трансформатор, при этом средняя точка LC-контура резонансного трансформатора соединена с блоком обратной связи для автоматической подстройки выходного напряжения и частоты в линии электропередачи, а понижающий трансформатор имеет несколько выходных обмоток для подключения нагрузок с разными напряжениями, при этом одна из обмоток также подключена к блоку обратной связи преобразователя частоты для точной подстройки выходного напряжения в нагрузках.In another embodiment, the electric power transmission device in RC complexes comprises a ground power source, a power line and an on-board cable network, the ground power source comprising a frequency converter increasing a resonant transformer, a single-wire power line and a step-down transformer, with the midpoint LC the circuit of the resonant transformer is connected to the feedback unit for automatically adjusting the output voltage and frequency in the power line, and lowering the transf The drive has several output windings for connecting loads with different voltages, while one of the windings is also connected to the feedback block of the frequency converter to fine-tune the output voltage in the loads.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг.1 и 2.The essence of the invention is illustrated in figures 1 and 2.

На фиг.1 представлена устройство передачи электрической энергии в Р-К комплексах по однопроводной линии с использованием резонансного контура и резонансного трансформатора и двумя выходными напряжениями обратного преобразователя. В этой системе преобразователь частоты имеет обратную связь по выходному напряжению и резонансной частоте. Обратный преобразователь имеет три выхода, первый для питания бортового оборудования, второй выход, например, для подключения к зарядному устройству бортовых аккумуляторов, третий для осуществления обратной связи для стабилизации выходных напряжений.Figure 1 shows a device for transmitting electrical energy in RC complexes on a single-wire line using a resonant circuit and a resonant transformer and two output voltages of the inverter. In this system, the frequency converter has feedback on the output voltage and resonant frequency. The inverse converter has three outputs, the first to supply on-board equipment, the second output, for example, to connect on-board batteries to the charger, and the third to provide feedback to stabilize the output voltages.

На фиг.2 представлено устройство передачи электрической энергии в Р-К комплексах по однопроводной линии с использованием резонансного трансформатора и двумя выходными напряжениями обратного преобразователя. В этой системе преобразователь частоты имеет обратную связь по выходному напряжению и резонансной частоте. Обратный преобразователь имеет три выхода, первый для питания бортового оборудования, второй выход, например, для подключения к зарядному устройству бортовых аккумуляторов, третий для осуществления обратной связи для стабилизации выходных напряжений.Figure 2 shows the device for transmitting electrical energy in RC complexes on a single-wire line using a resonant transformer and two output voltages of the inverter. In this system, the frequency converter has feedback on the output voltage and resonant frequency. The inverse converter has three outputs, the first to supply on-board equipment, the second output, for example, to connect on-board batteries to the charger, and the third to provide feedback to stabilize the output voltages.

Устройство (фиг.1) содержит выпрямитель 1, силовой каскад 2, блок обратной связи для стабилизации напряжения и частоты 3, резонансную катушку 4, конденсатор 5, линию обратной связи 6, линию электропередачи 7, входную обмотку приемного трансформатора 8, выходную обмотку приемного трансформатора 9, выпрямитель 10, выходную обмотку 11, выпрямитель 12, изолированную емкость или заземление 13, выходную обмотку 17, выпрямитель 18 и провод обратной связи 19.The device (Fig. 1) contains a rectifier 1, a power stage 2, a feedback unit for stabilizing voltage and frequency 3, a resonant coil 4, a capacitor 5, a feedback line 6, a power line 7, an input winding of a receiving transformer 8, an output winding of a receiving transformer 9, a rectifier 10, an output winding 11, a rectifier 12, an insulated capacitance or ground 13, an output winding 17, a rectifier 18 and a feedback wire 19.

Устройство фиг.2 содержит выпрямитель 1, силовой каскад 2, блок обратной связи для стабилизации напряжения и частоты 3, линию обратной связи 6, линию электропередачи 7, входную обмотку приемного трансформатора 8, выходную обмотку приемного трансформатора 9, выпрямитель 10, выходную обмотку 11, выпрямитель 12, изолированную емкость или заземление 13, конденсатор 14, первичную обмотку резонансного трансформатора 15, вторичную обмотку резонансного трансформатора 16, выходную обмотку 17, выпрямитель 18 и провод обратной связи 19.The device of figure 2 contains a rectifier 1, a power stage 2, a feedback unit for stabilizing voltage and frequency 3, a feedback line 6, a power line 7, an input winding of a receiving transformer 8, an output winding of a receiving transformer 9, a rectifier 10, an output winding 11, rectifier 12, insulated capacitance or ground 13, capacitor 14, primary winding of the resonant transformer 15, secondary winding of the resonant transformer 16, output winding 17, rectifier 18 and feedback wire 19.

Устройство передачи электрической энергии работает следующим образом.A device for transmitting electrical energy works as follows.

Электрическая энергия от электрической сети подается на выпрямитель 1, затем на силовую часть 2 преобразователя частоты, затем через конденсатор 14 на низковольтную обмотку 15 повышающего высокочастотного резонансного трансформатора (фиг.2) или на последовательный резонансный контур, состоящий из конденсатора 5 и высоковольтного дросселя 4 (фиг.1, 2). Средняя точка резонансного контура 20 или высоковольтная обмотка 16 высокочастотного резонансного трансформатора своим высоковольтным выводом соединена однопроводной линией 7. Низкопотенциальный вывод высоковольтной обмотки 16 трансформатора заземлен через конденсатор или без него. К однопроводной линии электропередачи подключена первичная обмотка понижающего резонансного трансформатора 8, другой вывод первичной обмотки соединяется с изолированным проводящим телом 13 или с заземлением. Выходная обмотка 9 трансформатора соединена с выпрямителем 10, выходная обмотка 11 соединяется с выпрямителем 12, выходная обмотка 17 соединяется с выпрямителем 18. Блок обратной связи 3 подключен к средней точке резонансного контура 20 (фиг.2), или к средней точке резонансного контура выходного трансформатора 21 (фиг.1), или к линии электропередачи и синхронизирует рабочую частоту преобразователя частоты с резонансной частотой контура и линии электропередачи и стабилизирует выходное напряжение. К выпрямителю 10 подключается бортовое оборудование ракеты, а к выпрямителю 12 подключается зарядное устройство аккумуляторных батарей, к выпрямителю 18 подключается провод обратной связи 19, который подключается к блоку управления 3.Electric energy from the electric network is supplied to the rectifier 1, then to the power part 2 of the frequency converter, then through the capacitor 14 to the low-voltage winding 15 of the boosting high-frequency resonant transformer (Fig. 2) or to a series resonant circuit consisting of a capacitor 5 and a high-voltage inductor 4 ( figure 1, 2). The midpoint of the resonant circuit 20 or the high-voltage winding 16 of the high-frequency resonant transformer is connected by its high-voltage output to a single-wire line 7. The low-potential output of the high-voltage winding 16 of the transformer is grounded through or without a capacitor. The primary winding of a step-down resonant transformer 8 is connected to a single-wire power line, the other terminal of the primary winding is connected to an insulated conductive body 13 or to ground. The output winding 9 of the transformer is connected to the rectifier 10, the output winding 11 is connected to the rectifier 12, the output winding 17 is connected to the rectifier 18. Feedback block 3 is connected to the midpoint of the resonant circuit 20 (figure 2), or to the midpoint of the resonant circuit of the output transformer 21 (FIG. 1), or to a power line and synchronizes the operating frequency of the frequency converter with the resonant frequency of the circuit and power line and stabilizes the output voltage. The onboard equipment of the rocket is connected to the rectifier 10, and the battery charger is connected to the rectifier 12, the feedback wire 19 is connected to the rectifier 18, which is connected to the control unit 3.

Пример реализации устройства: резонансная частота высокочастотного резонансного трансформатора или контура составляет 1…20 кГц, напряжение однопроводной линии 7 составляет 0,5…10 кВ, выходное напряжение обратного напряжения для работы оборудования 24…32 В, выходное напряжение для блока заряда аккумуляторов 32…40 В.An example of the implementation of the device: the resonant frequency of a high-frequency resonant transformer or circuit is 1 ... 20 kHz, the voltage of a single-wire line 7 is 0.5 ... 10 kV, the output voltage of the reverse voltage for equipment operation is 24 ... 32 V, the output voltage for the battery charge unit is 32 ... 40 AT.

Claims

1. A device for transmitting electric energy in space-rocket complexes containing a ground-based power source, an electric power line and an onboard cable network, characterized in that the ground-based power source contains a frequency converter that increases the resonant circuit, a single-wire power line and a step-down transformer, with a midpoint the resonant circuit is connected to the feedback unit for automatically adjusting the output voltage and frequency in the power line, and a step-down transformer and EET several output windings to connect with different load voltages, wherein one of the windings are also connected to a feedback inverter unit for a fine adjustment of the output voltage to the load.

2. A device for transmitting electric energy in space-rocket complexes containing a ground-based power source, an electric power line and an on-board cable network, characterized in that the ground-based power source contains a frequency converter that boosts a resonant transformer, a single-wire power line and a step-down transformer, with a midpoint The LC circuit of the resonant transformer is connected to the feedback unit for automatically adjusting the output voltage and frequency in the power line, and izhayuschy transformer has multiple output windings to connect with different load voltages, wherein one of the windings are also connected to a feedback inverter unit for a fine adjustment of the output voltage to the load.