Устранение импульсной помехи питания, вызванной большим выбросом тока при открытии и закрытии крышки чана в Cassel Aero

Помеха в бортовой сети вертолёта Заказчика успешно устранена благодаря применению батареи суперконденсаторов вместо прямого подключения к бортовой сети. Ранее выброс тока достигал 25 ампер, что отрицательно сказывалось на общем напряжение сети. Теперь батарея потребляет не более 2-х ампер. Разработанная система балансировки, в свою очередь, гарантирует долгосрочную работу батареи.

В бортовой сети вертолёта, используемом Заказчиком для орошения с воздуха, при открытии и закрытии крышки чана возникала импульсная помеха. Элементы, наиболее чувствительные к ней, были выведены из эксплуатации в 2005 году.

Заказчик решил заменить ЭВМ наведения, в качестве которого служил ноутбук, на промышленный компьютер, получавший питание непосредственно от сети вертолёта, а не через преобразователь 220 вольт. В следствие этого помеха стала попадать в шину USB через цепь питания. Необходимо было найти решение, чтобы устранить данную импульсную помеху.

Крышка чана открывается и закрывается при помощи мощного электродвигателя. Стрелочный амперметр показывает, что двигатель создаёт ток 17 ампер (при напряжении 24 вольта). Максимальный ток возникает в тот момент, когда запускается двигатель, имеющий тормозную колодку.

Исходная система, сделанная специалистами Заказчика на мощных реле, подавала напряжение на электромагнит, отводящий тормозную колодку вместе с напряжением, запускающим двигатель. Так система пыталась вращать заторможенный двигатель в течение нескольких миллисекунд. Данная нестыковка была ранее ликвидирована специалистами АстроСофт во время замены блока реле на транзисторный модуль, но ток по-прежнему оставался высоким. Теперь было решено провести исследование динамики изменения тока во время работы и изготовить для этого преобразователь тока в напряжение. Динамика изменения тока была зафиксирована при помощи цифрового запоминающего осциллографа. 

Рис. 1. Динамика изменения тока (1 клетка равна 5 амперам). 

Выяснилось, что реальный выброс тока достигает 25 ампер. Но уже через 100 миллисекунд ток падает примерно до 5 ампер и остаётся в этих пределах до конца работы двигателя. Использование широтно-импульсной модуляции при старте двигателя, с одной стороны, позволило уменьшить потребляемый ток, но также спровоцировало появление дополнительных помех без устранения основной причины помехи. 

Рис. 2. Ток после добавления широтно-импульсной модуляции в процесс старта (слева) и просадка напряжения в таком режиме (справа).

Попытка разведения линий питания на силовые и слаботочные также не дала результатов. Предположительно, помешал длинный кабель, проложенный внутри вертолёта от батарей к разъёму бортовой сети. 

Рис. 3. Вариант с разведением линий питания на силовую и слаботочную.

Было решено запасать энергию для вращения электродвигателя в отдельных источниках. В этом случае бортовая сеть будет полностью изолирована от просадки напряжения, так как большой ток формируется отдельно стоящими химическими источниками тока.

Кислотные аккумуляторы не подошли из-за большой массы. Масса в данном конкретном случае является критическим параметром: для того чтобы поднять требуемое количество удобрений, вертолёт заправляют лишь на 40 минут полёта, экономя таким образом на массе горючего. 

Затем был рассмотрен вариант использования литиевых аккумуляторов, но они не подошли из-за своей взрывоопасности при авариях. Кроме того, они требуют постоянной подзарядки либо дополнительной разработки интеллектуального зарядного устройства.

Идеальным решением для данной системы стали суперконденсаторы. Энергии, запасаемой батареей из 12 конденсаторов ёмкостью 350 фарад каждый (ёмкость батареи в этом случае составляет примерно 20.8 фарад), хватает для того, чтобы открыть и закрыть крышку чана несколько десятков раз. При этом процесс зарядки суперконденсаторов производится достаточно быстро: полный заряд исходно разряженной батареи при потреблении от бортовой сети вертолёта тока 2 ампера осуществляется менее 10 минут.

Главная сложность при работе с суперконденсаторами заключается в небольшом допустимом напряжении на элемент. Поэтому суперконденсаторы необходимо соединять последовательно в батареи и особо тщательно подходить к процессу балансировки напряжения на каждом элементе. Со временем характеристики элементов ухудшаются, при этом ёмкость разных элементов уменьшается с разной скоростью. Следовательно, в систему нужно добавить блок, обеспечивающий балансировку напряжения.

В ходе работы над проектом было разработано принципиально новое решение для балансировки, благодаря которому каждый элемент не заряжается больше, чем необходимо. Как следствие, исчезает необходимость преобразования излишков энергии в тепло.

Рис. 4. Батарея суперконденсаторов вместе с системой балансировки.

Помеха в бортовой сети вертолёта Заказчика успешно устранена благодаря применению батареи суперконденсаторов вместо прямого подключения к бортовой сети. Ранее выброс тока достигал 25 ампер, что отрицательно сказывалось на общем напряжение сети. Теперь батарея потребляет не более 2-х ампер. Разработанная система балансировки, в свою очередь, гарантирует долгосрочную работу батареи.

Широтно-импульсный модулятор реализован при помощи контроллера AtMega8 фирмы Atmel. «Прошивка» для контроллера разработана на Ассемблере в среде AVR Studio 4.0. На практике доказана невозможность использования литиевых аккумуляторов, эффективно освоена работа с суперконденсаторами.