BR102013009989A2 - Sistema, método e circuito para prover energia - Google Patents

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Abstract

Sistema, método e circuito para prover energia. Um sistema de energia e método incluem uma fonte de alimentação; uma ou mais cargas que recebem energia da fonte de alimentação; um circuito elevador para elevar uma tensão de entrada de uma fonte de alimentação primária; um capacitor para armazenar uma tensão elevada do circuito elevador; e um circuito abaixador para abiaxar uma tensão do capacitor, e prover uma tensão abaixada a uma ou mais cargas quando a fonte de alimentação está indisponível

Description

“SISTEMA, MÉTODO E CIRCUITO PARA PROVER ENERGIA” FUNDAMENTO A presente invenção está relacionada a interrupções de energia, e em particular a um sistema e método para prover energia de apoio durante uma interrupção de energia.
Interrupções de energia ocorrem frequentemente em sistemas de aeronave devido a, por exemplo, transferência de energia entre uma batería e um gerador primário. Estes sistemas, incluindo sistemas de unidade de energia auxiliar (APU), são exigidos operarem por estas interrupções de energia. Várias abordagens foram usadas para satisfazer esta exigência. Por exemplo, geradores de ímã permanente (PMGs) foram instalados em APUs para prover energia de reserva à eletrônica de controle das APUs. Esta implementação adiciona custo significante, peso, complexidade e circuitos à APU.
Alternadamente, extinção controlada foi usada para operar interrupções de energia para eletrônica de APU. Extinção controlada envolve extinguir uma chama no combustor quando uma interrupção de energia ocorre. Isto é feito a fim de eliminar a necessidade para os controles eletrônicos de APU durante a interrupção de energia. Quando a energia é restabelecida seguindo a interrupção, a APU de inflama novamente o combustor e retoma operação. Utilizar uma extinção controlada requer uma abordagem de sistema complexa que necessita prova vigorosa de nível de sistema para assegurar confiabilidade.
Adicionalmente, capacitores de vulto foram adicionados ao sistema para prover energia de apoio durante uma interrupção. Tradicionalmente, uma tensão de entrada é aplicada simplesmente a um capacitor, e armazenada até que uma interrupção de energia ocorra. Durante a interrupção de energia, a tensão armazenada no capacitor é usada diretamente para energizar os controles eletrônicos da APU e outras cargas externas. Quando a duração da interrupção aumenta, o tamanho da capacitância deve aumentar. Estes capacitores são pesados e adicionam custo significante ao projeto do sistema de APU.
SUMÁRIO
Um sistema e método por prover energia de apoio incluem uma fonte de alimentação, uma ou mais cargas, um circuito elevador, um capacitor, e um circuito abaixador. O circuito elevador eleva uma tensão de entrada da fonte de alimentação, o capacitor armazena uma tensão elevada do circuito elevador, e as etapas de circuito abaixador abaixam uma tensão do capacitor. O circuito abaixador provê uma tensão abaixada a uma ou mais cargas quando a fonte de alimentação está indisponível.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
Figura 1 é um diagrama de bloco ilustrando um sistema de apoio de energia de acordo com uma concretização da presente invenção.
Figura 2 é um fluxograma ilustrando um método de apoio de energia de acordo com uma concretização da presente invenção.
DESCRIÇÃO DETALHADA A presente invenção descreve um sistema e método para prover energia de apoio durante uma interrupção de energia. O sistema inclui um circuito elevador, um capacitor de armazenamento, e um circuito abaixador. O circuito elevador recebe uma tensão de entrada de corrente contínua (CC) de uma fonte de alimentação primária. Esta fonte de alimentação primária também é usada para energizar cargas durante operação de sistema normal. O circuito elevador eleva a tensão de entrada a um tensão de saída elevada que é provida para carregar o capacitor de armazenamento durante operação de sistema normal. Elevando a tensão usando o circuito elevador, o capacitor carrega a uma tensão mais alta, portanto armazenando mais energia. Na perda de energia da fonte de alimentação primária, o capacitor de armazenamento é descarregado pela carga a fim de prover energia de apoio à carga. As etapas de circuito abaixador abaixam a tensão do capacitor de armazenamento e provê a tensão abaixada à carga. A energia armazenada em um capacitor é igual a 1/2(C)(V ), onde C é o valor de capacitância do capacitor de armazenamento, e V é o valor de tensão pelo capacitor de armazenamento. Durante uma interrupção de energia, a quantidade de energia tirada do capacitor de armazenamento é dependente da carga. Algumas cargas externas atuam como uma resistência simples. Assim, quanto mais alta a tensão de carga, mais alta a solicitação de corrente e portanto, mais alta a energia exigida. Elevando a tensão da fonte de alimentação primária dos 28 V típicos para uma tensão mais alta e abaixando a tensão de saída entregue à carga durante a interrupção de energia, a capacitância exigida do capacitor de armazenamento pode ser reduzida grandemente. Portanto, adicionando o circuito elevador e circuito abaixador ao sistema, a capacitância necessária para prover energia de apoio por um dado tempo à carga é reduzida. Porque circuitos elevadores e circuitos abaixadores se tomaram relativamente leves, baratos e seguros, reduz grandemente o peso global e custo do sistema.
Figura 1 é um diagrama de bloco ilustrando um sistema de apoio de energia 10 de acordo com uma concretização da presente invenção. Sistema 10 inclui a fonte de alimentação primária 12, circuito elevador 14, capacitor de armazenamento 16, circuito abaixador 18, diodos 20a e 20b, cargas 22, linha de saída de elevação 24, linha de entrada de abaixamento 26, linha de saída de abaixamento 28, circuito de partida 30, controlador 32, linha de habilitação de circuito elevador 34, linha de habilitação de circuito abaixador 36, e resistor de referência 38. Fonte de alimentação primária 12 é qualquer fonte de alimentação primária, tal como um gerador elétrico acionado por um motor de uma aeronave. Circuito de partida 30 limita a corrente de partida para sistema 10 e é qualquer circuito de proteção de corrente de partida conhecido na arte. Capacitor de armazenamento 16 é qualquer capacitor de armazenamento conhecido na arte tal como, por exemplo, um capacitor eletrolítico de alumínio. Controlador 32 pode ser implementado como um microcontrolador tal como, por exemplo, um arranjo de portas programáveis em campo (FPGA).
Circuito elevador 14, capacitor de armazenamento 16, e circuito abaixador 18 operam para prover energia de apoio às cargas 22 durante operação de sistema normal. Operação de sistema normal é qualquer hora que proteção de interrupção de energia deve ser provida às cargas 22. Por exemplo, se o sistema 10 for um sistema de APU, operação de sistema normal envolve a APU operar a uma velocidade operacional. Durante operação de sistema normal, o controlador 32 habilita o circuito elevador 14 e circuito abaixador 18 usando a linha de habilitação de circuito elevador 34 e linha de habilitação de circuito abaixador 36, respectivamente. Circuito elevador 14 eleva a tensão de CC de fonte de alimentação primária 12. Esta tensão elevada é usada para carregar o capacitor de armazenamento 16. Circuito elevador 14 pode ser implementado de vários modos, todos dos quais são conhecidos na arte. Circuito elevador 14 pode elevar a tensão, por exemplo, de uma entrada de 28 V para uma saída de 48 V. Capacitor de armazenamento 16 é carregado até a tensão em linha de saída de elevação 24. O capacitor permanece carregado enquanto a fonte de alimentação primária 12 está provendo energia ao sistema 10.
Circuito abaixador 18 abaixa a tensão pelo capacitor de armazenamento 16. Circuito abaixador 18 pode ser implementado de vários modos, todos dos quais são conhecidos na arte. A tensão pode ser abaixada, por exemplo, de 48 V para 12 V. O valor da tensão abaixada é selecionado para prover cargas 22 com uma tensão funcional enquanto minimizando a dissipação de energia por cargas 22 durante uma interrupção de energia. A tensão abaixada será tipicamente menos do que a tensão provida por fonte de alimentação primária 12. Por causa disto, os diodos 20a e 20b podem ser usados para selecionar por diodo a linha de saída de abaixamento 28 e fonte de alimentação primária 12. Durante operação de sistema normal, a fonte de alimentação primária 12 proverá uma tensão maior do que a tensão em linha de saída de abaixamento 28, polarizando adiante diodo 20a, e portanto provendo energia primária às cargas 22. Quando a fonte de alimentação primária 12 está indisponível, a tensão em linha de saída de abaixamento 28 será maior do que a tensão provida por fonte de alimentação primária 12, polarizando adiante diodo 20b, e portanto provendo tensão às cargas 22 de circuito abaixador 18. A duração de tempo à qual a energia pode ser provida às cargas 22 de capacitor de armazenamento 16 está baseada na energia armazenada em capacitor de armazenamento 16 e a dissipação de energia de cargas 22. Porque energia é igual a potência multiplicada por tempo, 1/2(C)(V2) = (P)(t), onde P é a potência dissipada por cargas 22 e t é tempo. Assim, a duração de tempo à qual o capacitor de armazenamento 16 pode prover energia às cargas 22 é igual a (C)(V )/(2P). Circuitos de apoio anteriores simplesmente carregavam o capacitor à tensão de entrada de, por exemplo, 28 V e então proviam esses 28 V às cargas durante uma interrupção de energia. Isto resulta em uma capacitância necessária de aproximadamente 0,067 F a fim de acomodar uma interrupção de 220 milissegundos. Elevar a tensão tal que o capacitor carregue a 48 V, e elevar a tensão de capacitor de armazenamento 16 até 12 V, resulta em uma capacitância necessária de aproximadamente 0,0067 F para uma interrupção de 220 milissegundos. Reduzir a capacitância exigida deste modo permite ao peso e custo de sistema 10 serem reduzidos grandemente.
Controlador 32 é usado junto com o resistor de referência 38 para testar a funcionalidade de capacitor de armazenamento 16. Este teste pode ser feito a qualquer hora quando proteção de interrupção de energia não é requerida para sistema 10. Se o sistema 10 for um sistema de APU, por exemplo, o teste pode ser executado durante iniciação da APU. Certos capacitores, tais como capacitores eletrolíticos de alumínio, devem ser testados regularmente para assegurar funcionalidade correta. Para testar o capacitor de armazenamento 16, o controlador 32 desabilita o circuito elevador 14 e circuito abaixador 18 usando a linha de habilitação de circuito elevador 34 e linha de habilitação de circuito abaixador 36, respectivamente. Quando ambos o circuito elevador 14 e circuito abaixador 18 estão desabilitados, o capacitor de armazenamento 16 descarregará por resistor de referência 38. Controlador 32 monitora a tensão por resistor de referência 38 durante a descarga de capacitor de armazenamento 16. Porque o valor de resistência de resistor de referência 38 é conhecido, o controlador 32 pode monitorar a duração de tempo que leva para a tensão por resistor de referência 38 cair uma quantidade predeterminada. Isto permite ao controlador 32 calcular a capacitância real de capacitor de armazenamento 16 a fim de assegurar sua funcionalidade correta.
Figura 2 é um fluxograma ilustrando o método 50 para prover energia de apoio a uma ou mais cargas de acordo com uma concretização da presente invenção. Na etapa 52, a tensão de fonte de alimentação primária 12 é elevada a uma tensão elevada que é provida em linha de saída de elevação 24. Energia é provida às cargas 22 de fonte de alimentação primária 12. Na etapa 54, o capacitor de armazenamento 16 é carregado à tensão em linha de saída de elevação 24. Na etapa 56, a tensão por capacitor 16, provida em linha de entrada de abaixamento 26, é elevada a uma tensão abaixada por circuito abaixador 18. Esta tensão abaixada é provida em linha de saída de abaixamento 28. Método 50 permanece na etapa 58 até que uma interrupção de energia ocorra. Na etapa 60, a energia é provida às cargas 22 de linha de saída de abaixamento 28.
Deste modo, a presente invenção descreve um sistema e método para prover energia de apoio durante uma interrupção de energia. Embora a presente invenção tenha sido descrita com referência às concretizações preferidas, trabalhadores qualificados na arte reconhecerão que mudanças podem ser feitas em forma e detalhes sem partir do espírito e extensão da invenção.

Claims (19)

1. Sistema para prover energia, caracterizado pelo fato de incluir: uma fonte de alimentação; uma ou mais cargas que recebem energia da fonte de alimentação; um circuito elevador para elevar uma tensão de entrada da fonte de alimentação; um capacitor para armazenar uma tensão elevada do circuito elevador; e um circuito abaixador para abaixar uma tensão armazenada do capacitor, e prover uma tensão abaixada a uma ou mais cargas quando a energia da fonte de alimentação está indisponível.
2. Sistema de acordo com reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a tensão de entrada é maior do que a tensão abaixada quando a energia da fonte de alimentação está disponível.
3. Sistema de acordo com reivindicação 1, caracterizado pelo fato de caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente: um primeiro diodo para conectar a tensão de entrada a uma ou mais cargas quando a fonte de alimentação está disponível; e um segundo diodo para conectar a tensão abaixada a uma ou mais cargas quando a fonte de alimentação está indisponível.
4. Sistema de acordo com reivindicação 3, caracterizado pelo fato de incluir adicionalmente um circuito de partida conectado entre a tensão de entrada e o circuito elevador para limitar corrente de partida da fonte de alimentação.
5. Sistema de acordo com reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente: um resistor de teste conectado entre o capacitor e a terra, em que o capacitor descarrega pelo resistor de teste quando o sistema está em um modo de teste; e um controlador para medir uma tensão pelo resistor de teste durante a descarga do capacitor a fim de testar a funcionalidade do capacitor quando o sistema está no modo de teste.
6. Sistema de acordo com reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a tensão de entrada é uma tensão de corrente contínua (CC).
7. Sistema de acordo com reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a tensão elevada do circuito elevador é aproximadamente 48 V.
8. Sistema de acordo com reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a tensão abaixada do circuito abaixador é aproximadamente 12 V.
9. Método para prover energia, caracterizado pelo fato de compreender: aumentar uma tensão de entrada de uma fonte de alimentação usando um circuito elevador; armazenar uma tensão elevada do circuito elevador usando um capacitor; abaixar uma tensão armazenada do capacitor usando um circuito abaixador; e prover uma tensão abaixada do circuito abaixador a uma ou mais cargas quando a energia da fonte de alimentação está indisponível.
10. Método de acordo com reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que prover uma tensão abaixada do circuito abaixador a uma ou mais cargas quando a fonte de alimentação está indisponível compreende: prover energia por um primeiro diodo a uma ou mais cargas da fonte de alimentação quando a energia da fonte de alimentação está disponível; e prover energia por um segundo diodo a uma ou mais cargas do circuito abaixador quando a energia da fonte de alimentação está indisponível.
11. Método de acordo com reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a tensão de entrada é menos do que a tensão abaixada.
12. Método de acordo com reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a tensão de entrada é uma tensão de corrente contínua (CC).
13. Método de acordo com reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a tensão elevada é aproximadamente 48 V.
14. Método de acordo com reivindicação 9, em que a tensão abaixada é aproximadamente 12 V.
15. Circuito para prover energia de reserva a uma ou mais cargas quando uma fonte de alimentação está indisponível, caracterizado pelo fato de compreender: uma provisão de elevação para elevar uma tensão de entrada; um capacitor para armazenar energia baseada em tensão provida da provisão de elevação; e uma provisão de abaixamento para reduzir a tensão recebida do capacitor para prover uma tensão de reserva reduzida do circuito abaixador quando a energia da fonte de alimentação está indisponível.
16. Circuito de acordo com reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que a tensão de entrada é maior do que a tensão de reserva reduzida quando a energia da fonte de alimentação está disponível.
17. Circuito de acordo com reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que a tensão provida da provisão de elevação é aproximadamente 48 V.
18. Circuito de acordo com reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que a tensão de reserva reduzida é aproximadamente 12 V.
19. Circuito de acordo com reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que uma capacitância do capacitor é suficientemente grande para prover energia suficiente a uma ou mais cargas por um tempo maior do que 220 milissegundos baseado na tensão provida da provisão de elevação e da tensão de reserva reduzida.
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