一种适用于航空电磁发射系统的UPS电源装置

一种适用于航空电磁发射系统的ups电源装置
技术领域
1.本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种适用于高功率电磁发射装置的电流感应取电与锂电池混合供电的ups电源。


背景技术：

2.地球物理电磁方法是开展地下矿产资源探测的重要技术手段，其通过观测由天然或人工场源激励下大地产生的电磁响应以获取大地系统的电磁传输函数，并以此为基础提取大地的电性参数分布信息。航空电磁法作为地球物理勘探的一个重要分支，是以飞机为运载工具的航空物探测量方法，具有勘查效率高、探测成本低、通行性好、一次勘探覆盖面积广等显著优点，适合于在地质地形条件复杂地区进行作业，实现地面探勘手段难以完成的任务。地航空瞬变电磁(atem)勘查系统根据搭载平台的不同，可分为固定翼飞机航空瞬变电磁(ftem)系统和直升机航空瞬变电磁(htem)系统。其中，ftem系统由于飞机改造成本较高，且需要在勘查地区附近有可供起降的机场等因素，应用范围较窄。
3.直升机航空瞬变电磁系统主要包括空中勘查系统和地面解析系统，其中，勘查系统包括发射系统和接收系统。发射系统采用直升机机载电源作为输入电源，经过一系列的电力变换，调制成为特定波形的脉冲发射电流。在直升机底部通过30m到60m左右的绳缆吊装发射线圈，发射线圈一般距地面30m到50m左右，直升机吊装该线圈在一定的勘探区域内飞行，脉冲发射电流通过吊装的发射线圈转换成脉冲电磁信号，向地下进行发射，脉冲电磁信号会激发地下介质产生感应电磁信号，接收系统的接收线圈接收地下介质产生的感应电磁信号，并将其转化为电信号，用于数据采集和处理，通过分析不同的地下介质产生的不同感应磁场信息，反演出地下的矿藏分布情况。
4.直升机航空瞬变电磁(htem)系统采用直升机作为设备搭载平台，飞机改装成本低，且机动灵活，已成为目前航空电磁勘探系统发展的主要趋势。基于直升机航空瞬变电磁系统的前级发射装置、搭载机械机构、数据收集及处理方法等关键性问题也逐渐成为目前主流的研究方向。


技术实现要素：

5.针对当前直升机航空瞬变电磁(htem)系统中线圈处供电方式不稳定的问题，本发明旨在提出一种适用于航空电磁发射系统的ups电源装置。
6.具体包括：感应电路、锂电池供电电路、电源切换电路、整流电路、保护电路、稳压储能电路、滤波电路、电压转换电路。
7.感应电路，用于在直升机航空瞬变电磁发射装置正常工作时，将输电线上交变电流通过电磁感应原理转换为电能；
8.锂电池供电电路，用于发射装置软起动和泄放阶段，通过感应电路获取的电能不足以维持机舱下用电设施的功率要求时的后备供能，维持电源装置不间断供电；
9.电源切换电路，用于切换感应取电与锂电池供电这两种供电方式；
10.整流电路，用于将感应电路取电后的交流电整流为直流电；
11.保护电路，包括两部分，第一部分位于感应电路之后，用于对感应电路后产生的电流尖峰进行泄放，保护后端整流电路，第二部分位于整流电路之后，用于对超过电容耐压值的电能进行过压泄放，保护后端稳压储能电路；
12.稳压储能电路，位于第二部分保护电路之后，用于稳定整流电路后的电压并存储感应取电后的电能；
13.滤波电路，用于对感应电路中的电流进行滤波以抑制电路中电流的上升速率；
14.电压转换电路，包括两级电压转换，第一级位于稳压储能电路之后，用于将稳压储能电路的输出电压进行转换，第二级位于电源切换电路之后，用于将电源切换电路的输出电压再次进行转换；
15.感应电路获取的电流经过保护电路的尖峰泄放进入整流电路，经过整流电路的交直流变换后，再次经过保护电路进行过压泄放，然后进入稳压储能电路进行稳压及存储，接下来通过电压转换电路对稳压储能电路的输出电压进行一级转换；锂电池供电电路为后备电源，感应电路和锂电池供电电路与电源切换电路相连，电源切换电路用于切换感应取电与锂电池供电这两种供电方式，电源切换电路的输出电压通过电压转换电路进行再次电压转换，满足用电设备的需求。
16.本发明所述感应电路包括电流互感器磁芯及线圈，输出侧接保护电路的输入端，所述的保护电路的输出端接入整流电路的输入端，所述整流电路的输出端与所述稳压储能电路的输入端连接，所述稳压储能电路的输出端与所述的电压转换电路输入端相连接，所述的电压转换电路的输出端与电源切换电路的输入端相连接，所述的电源切换电路的输出端与负载相连接。
17.与国内外现有的技术相比，本发明的创新点：
18.针对直升机航空瞬变电磁系统的空中勘查系统中，发射线圈处用电设施的供电问题目前主流的方式是采用辅助装置供电，主要形式有太阳能供电、锂电池供电、机舱线缆供电。其中，太阳能电池成本高、体积大、安装位置受限、功率不稳定、使用不方便。锂电池供电在正常工作中输出功率稳定可靠，但线圈处无充电装置，做不到长时间运行，在电量用尽时容易发生危险。而机舱线缆直接供电会增加勘察系统搭载机构设计的复杂度，且经过空中30m到60m左右的距离不能保证输送的功率是否稳定可靠。
19.一、本发明采用感应取电电源作为线圈处用电设施的主要供电来源，其利用电磁感应原理和磁饱和技术，通过电流互感器感应高压侧的电流来获取电能，相比太阳能电池，感应取电电源具有成本低、体积小、安装灵活、输出稳定的优势。
20.二、本发明采用感应取电加备用锂电池双电源不间断(ups)供电的模式，做到了在电磁发射系统软起动或泄放阶段感应取电功率不足时，电源装置自动切换至锂电池供电；在电磁发射系统正常发射阶段，感应取电电源输出功率可维持机舱下各用电设施的所需电能。相比单纯锂电池供电，感应取电加锂电池不间断供电的模式具有工作时间长，安全性可靠性高的优势。
21.三、本发明采用的双电源不间断供电模式，其硬件设施均在机舱下的线圈处搭建完成。在航空电磁发射系统正常工作时，不必从直升机机舱处拉长30m到60m的供电线缆到发射线圈处对线圈处的用电设施进行远距离输电，对比机舱线缆供电具有结构简单易操
作，供电安全稳定的优势。
22.为了实现不间断供电功能，本发明运用感应取电作为主要供电方式，在直升机航空瞬变电磁发射装置正常工作时，输电线上交变电流作为感应区电装置的输入，通过电磁感应原理来获取电能；在发射装置软起动和泄放阶段时，取电能量不足以维持机舱下用电设施的功率要求，此时装置自动切换至锂电池供电，完成装置不间断供电的需求。此供电装置相比国内外航空发电机辅助供电装置，有效降低了发射装置的安装难度，提高了发射装置长时间工作的稳定性，增强了直升机航空瞬变电磁发射系统的整体性能。
附图说明
23.图1、航空电磁发射系统的ups电源装置结构示意图；
24.图2、航空电磁发射系统的ups电源装置稳压储能电路图；
25.图3、航空电磁发射系统的ups电源装置滤波电路图；
26.图4、实际实施例中稳压储能电容电压与urb4824ymd输出电压波形(取电功率不足时)；
27.图5、实际实施例中稳压储能电容电压与urb4824ymd输出电压波形(取电功率充足时)；
具体实施方案
28.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本技术，并不用于限定本技术，即所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
29.对于航空电磁发射系统的ups电源装置，如图1所示分为3个部分，第一，感应取电装置部分，其包括：感应电路、保护电路、整流电路、稳压储能电路、滤波电路、电压转换电路；第二，锂电池供电部分，其包括：锂电池供电电路；第三，电源切换部分，其包括：电源切换电路。具体相关说明如下：
30.一、感应取电装置部分
31.感应取电装置通过电磁感应原理，当高功率充电线上有电流通过时，取电线圈即可感应出电流，供后级电路使用。本实施例中，电磁感应线圈为电流互感器感应线圈，由取电磁芯、励磁线圈组成。磁芯采用高性能坡莫合金。通过电磁感应原理,当高压母线上有电流流过时，电流互感器感应线圈内部获得感应能量，输送给后级电路使用。
32.在本实施例中，保护电路由并联在电流互感器的输出端的双向瞬态抑制二极管和压敏电阻，以及并联在整流电路输出侧的稳压二极管组成，用以保护在前级出现较大的电流、或者很大的短路故障电流时，对其产生的浪涌电流起抑制作用。同时产生分压作用，使得后级电路上不会产生突变的高压，对后级电路起到保护作用。
33.进一步，所述的整流电路包括第一高频整流二极管d11、第二高频整流二极管d12、第三高频整流二极管d13、第四高频整流二极管d14。四个整流二极管均为肖特基高频整流二极管，其导通压降相较普通二极管更低，可以提高切换速度，实现低损耗的高频整流，四个二极管组成全桥整流电路，其输入端与取能装置相连，将交流电能转为直流电能，这里的
取能装置为电流互感器。
34.在本实施例中，由于直升机航空瞬变电磁发射装置所应用的场景可能会出现在高海拔地区，常见的电解电容存在泄露电解液的安全风险，所以所述的稳压储能电路中的稳压储能电容由三组两两串联的钽电容并联而成，钽电容相比较普通电解电容，由寿命长、耐高温、耐高压、滤高频波形性能极好的优势，稳压储能电容用于稳定电压并存储感应取电后的电能。
35.在本实施例中，所述的滤波电路可分为电源输入滤波部分以及电源输出滤波部分，针对用电设备的不同，电源装置中有三个电压转换模块，分别对应三组不同容值的滤波电容，作用是对整体电路中的电流进行滤波以抑制电路中电流的上升速率。
36.在本实施例中，所述的电压转换电路包括三个转换模块，模块型号分别为urb4824ymd：输入电压18v-75vdc，输出电压为24vdc。效率为91％，隔离电压1500vdc，拥有输入欠压保护、输出短路、过流、过压保护并且有防反接功能。可以连接在稳压储能电容之后，在正常发射阶段测量dc-dc模块输出电压是否为稳定24v，用以证明取电功率是否达到用电功率需求。uwe2415s：输入电压9v-36vdc，输出电压为
±
15vdc。效率为79％，隔离电压3000vdc，拥有输入欠压保护、输出短路、过流、过压保护并且有防反接功能。用以供给后级电路中电压比较器，电压采样装置等用电装置。urb2412s：输入电压9v-36vdc，输出电压为12vdc。效率为88％，隔离电压1500vdc，拥有输入欠压保护、输出短路、过流、过压保护并且有防反接功能。
37.二、锂电池供电部分
38.在本实例中，锂电池额定输出电压为24v，电池容量5ah容，输出接口为防水航空插头以适应直升机航空瞬变电磁系统工作在不同的环境中，且电池外壳加装了电压仪表显示装置，可以做到在感应取电功率不足时作为后备电源供给发射线圈处设备安全稳定的运行。
39.三、电源切换部分
40.直升机航空瞬变电磁系统在正常工作按时间顺序可分为软起动阶段、正常发射阶段、泄放阶段。开始时的软起动阶段和结束时的泄放阶段，由于充电线缆上流经的电流小，不足以使感应取电的电能支撑发射线圈处所有用电设备正常工作。所以需要在感应取电功率不足时利用安全性以及可靠性高的锂电池进行供电，已供给所有用电设备正常工作。
41.在本实例中，电源切换部分的输入侧与后备锂电池输出单元、取电模块输出单元相连，后级换向桥的组成由一组换向二极管组成，在正常发射时，高功率充电线上的交变电流流经充电线，感应取电电路正常工作，发射线圈处所有用电设备都由感应取电部分供给；当直升机航空瞬变电磁系统工作在软起动或泄放状态时，取电功率不足导致电压转换模块无法持续输出正常电压，此时换向管工作，电路的供电装置切换为锂电池供电，完成电源装置的不间断工作。
42.在本实例中，图2图3分别对应着航空电磁发射系统的ups电源装置稳压储能电路图与滤波电路图。
43.所述保护电路包括两部分，第一部分包括瞬态抑制二极管d1，具体并联在感应电路的输出端；第二部分包括稳压二极管d2、限流电阻r3、限流电阻r2、限流电阻r1以及mos管t1，所述的稳压二极管d2阴极与整流电路输出正极相连，另一端与限流电阻r3相连，限流电
阻r3另一端接地并联在整流电路输出侧；所述的限流电阻r2一端接在稳压二极管d2阳极与限流电阻r3的结点位置，另一端与mos管t1的栅极相连；所述的mos管的漏极与限流电阻r1连接，源极接地，限流电阻r1一端与稳压二极管d2的阴极相连，另一端与mos管t1的漏极相连后，并联在保护电路中。
44.所述的稳压储能电路包括并联电容一组：钽电容c1、钽电容c2，并联电容二组：钽电容c3、钽电容c4，并联电容三组：钽电容c5、钽电容c6；并联电容一组内钽电容c1与钽电容c2串联，并联电容二组内钽电容c3与钽电容c4串联，并联电容三组内钽电容c5与钽电容c6串联，三组电容组并联组成储能稳压电容组；钽电容c1、钽电容c3与钽电容c5的阳极连接，再与整流电路的阳极输出相连；钽电容c2、钽电容c4与钽电容c6的阴极连接，再与整流电路的阴极输出相连。
45.所述的滤波电路分为两部分：电源输入滤波部分以及电源输出滤波部分，电源输入滤波部分的组成有：滤波电容c7、滤波钽电容c9、滤波钽电容c12；电源输出滤波部分的组成有：滤波钽电容c8、滤波钽电容c10、滤波钽电容c11、滤波钽电容c13。
46.所述的电压转换电路包括三个转换模块，模块型号分别为urb4824ymd、uwe2415s、urb2412s；所述urb4824ymd的输入经过滤波电容c7与储能稳压电路的输出相连，输出经过滤波钽电容c8与电源切换电路的输入相连；所述电压转换模块uwe2415s的输入经过滤波钽电容c9与电源切换电路输出相连，uwe2415s有两路输出，一路输出经过滤波钽电容c10与后级用电器相连，另一路输出经过滤波钽电容c11与后级用电器相连；所述的电压转换模块urb2412s输入经过滤波钽电容c12与电源切换电路输出相连，输出经过滤波钽电容c13与后级用电器相连。
47.所述的电源切换电路包括换向桥二极管vd1和换向桥二极管vd2；所述的锂电池输出电路正极接换向二极管vd2正极，负极与第一级电压转换电路的负极相连接地，做为电源切换电路的负极；所述第一级电压转换电路的正极接换向管二极管vd1正极；换向管二极管vd1与换向二极管vd2负极相连，做为电源切换电路的正极。
48.所述的整流电路为桥式整流电路，整流二极管d11、整流二极管d12、整流二极管d13、整流二极管d14均为高频整流肖特基二极管；所述的电源切换电路中换向桥二极管vd1、换向桥vd2的耐压值均高于50v。
49.在本实例中，图4图5分别对应着直升机航空瞬变电磁系统在正常工作在软起动和泄放阶段，以及工作在正常发射阶段，即感应取电部分在输出功率不足，以及输出功率充足时储能稳压电容电压以及urb4824ymd输出电压波形。