CN105775140A - 一种低压脉冲除冰方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低压脉冲除冰方法，应用于航空器表面除冰技术领域当结冰探测器探测到结冰时，开启电路主开关，首先判断电路是否过载，过载则开启电路保护装置，安全则打开充电开关，使储能电容和触发电容同时充电；当储能电容完成设定值时，表示触发电容充电完成，否则继续充电；判断放电电路是否安全，如果安全则打开第一功率开关，形成放电脉冲电流；在第一次脉冲尚未完成时，紧接着启动第二功率开关，使得分别与第一功率开关和第二功率开关相连的第一、第二储能电容同时向除冰区域放电。在所述放电未完成时启动第三功率开关，使第一、第二储能电容和与第三功率开关相连的第三储能电容同时向除冰区域放电。
Description
技术领域
本发明属于航空器表面除冰技术领域，特别涉及一种低压脉冲除冰方法。
背景技术
飞机电脉冲除冰系统的除冰原理是利用储能电容器向脉冲电路放电，在脉冲线圈周围形成瞬态涡流电磁场，从而产生电磁力以去除粘附在飞机蒙皮或发动机进气道口上的冰层。尽管该系统广泛应用在俄罗斯伊尔系列飞机上，但已公开的电脉冲除冰系统放电电压较大，通常1500V以上，对飞机会造成一定的电磁干扰。同时高电压还给飞机维护造成一定的困难，因为飞机正常电压为115V，500V以上设备的维修人员需要特殊资质，这也是美国电脉冲除冰系统推广受限制的原因之一。
电脉冲除冰系统又由于其特殊的优势继续受到研究者的关注。区别于飞机热气防冰系统，它不需要从发动机引气，很大程度上节省能源，这为引气不足的小型飞机或未安装除冰系统的飞机带来了新的契机；从结构而言，其拆装比较方便，维护相对简单。
已公知的电脉冲除冰放电电压不少于500V，采用单脉冲形式，其电压值从安全角度限制了该技术的推广；同时公知的电脉冲除冰系统中每个线圈需要根据待除冰表面曲率进行单独设计与安装，增加了系统设计的复杂性。脉冲线圈是采用带有绝缘层的铜导线缠绕在线圈底座当中，绝缘镀层与绕制技术会影响线圈寿命与除冰效果。另外对于非金属材料的除冰，还需要格外增加倍增器，线圈与倍增器中的固定间隙难以保证且设备相对笨重。详见文献“ZumwaltGW,SchragRL,BernhartWD,etal.Electro-impulsede-icingtestinganalysisanddesign,NASACR-4175,1988”与“朱春玲，白天，李清英等.一种电磁脉冲冲击试验装置及其脉冲发生控制电路，CN102006034A，2011”。
发明内容
本发明的目的是提供一种低电压单脉冲多峰除冰控制方法以及通用的快装型且易修理维护的电脉冲除冰装置。
本发明的技术方案是，一种低压脉冲除冰方法，采用的除冰装置包括电路主开关、控制器、与控制器连接的结冰探测器、放电电路、充电电路、触发控制电路、保护电路和除冰终端，
放电电路经过一个电压传感器与控制器连接，除冰终端分别与放电电路和结冰探测器连接，
充电电路、保护电路和触发控制电路均与放电电路连接，
控制器通过放电开关连接放电电路，
控制器通过充电开关、电压调节器连接充电电路，
控制器通过触发开关、延时发生器连接触发控制电路，
放电电路包括多个由储能电容、功率开关和脉冲线圈组成的放电单元，
当结冰探测器探测到冰层并发出除冰信号时，控制器打开除冰主开关，
开启充电模式，电压调节到合适值，完成储能电容的充电，
开启放电开关，放电电路开启工作模式，除冰终端形成电磁脉冲力施加于待除冰区，
储能电容与电压传感器相连，将电压信号反馈给控制器，让控制器判断是否发出充电命令，
放电电路中的功率开关由触发控制电路完成，控制器启动触发开关完成一次触发模式，延时发生器控制脉冲峰值的产生，
充、放电电路均受保护电路的保护。
所述的低压脉冲除冰方法，包括步骤：
当结冰探测器探测到结冰时，开启电路主开关，首先判断电路是否过载，过载则开启电路保护装置，安全则打开充电开关，使储能电容和触发电容同时充电；
当储能电容完成设定值时，表示触发电容充电完成，否则继续充电；
判断放电电路是否安全，如果安全则打开第一功率开关，形成放电脉冲电流；
在第一次脉冲尚未完成时，紧接着启动第二功率开关，使得分别与第一功率开关和第二功率开关相连的第一、第二储能电容同时向除冰区域放电。
在所述放电未完成时启动第三功率开关，使第一、第二储能电容和与第三功率开关相连的第三储能电容同时向除冰区域放电。
在启动第二或第三功率开关前，均检测除冰是否完成，
如果除冰完成则直接关掉主开关，还需继续除冰的，则设定延时等待时间，完成本次放电除冰，
单次除冰后发现仍有冰层存在，则返回到充电电路，开始新一轮的除冰。
所述的除冰终端，包括由多个可调节螺栓支撑连接的脉冲线圈，该多个可调节螺栓固定于凵形横向支杆上，在横向支杆的两端悬臂上设有除冰固接件，
在安装前通过可调节螺栓的调节，使脉冲线圈随待除冰面曲率改变直至保证其贴合固定。
所述的脉冲线圈，利用3D打印技术加工而成，将铜线螺旋镶嵌在硅胶中，硅胶既是支座，又是铜线的绝缘层。
根据待除冰面材质，当待除冰面为非金属或者薄材时，所述的脉冲线圈设有材料为非铁磁性金属的倍增器，该倍增器与线圈一体化制作，摆脱了传统倍增器制作固定于待除冰面的局限，体现其快装功能。倍增器由硅胶支撑，与铜线保留一定间隙，即充分保证了待除冰面与铜线之间的距离。
倍增器上设有紧固件。
所述功率开关是SCR。
本发明的SCR,是指可控硅(SCR:SiliconControlledRectifier)，是可控硅整流器的简称。
本发明利用控制器控制整个除冰装置的关断，包括主电路开关的开断、充电电路、放电电路与触发电路的开断，并控制保护电路的启动。
触发电路安装延时控制器，当探测到除冰需要时，可按照除冰要求启动放电电路，向快装除冰装置放电，区别于传统单次脉冲完成后再次启动除冰装置，而是指定间隔时间(小于单次脉冲持续时间)后，再次向快装除冰装置放电，由此单次除冰时在快装除冰装置上形成多峰形式的脉冲电流，但不宜超过三个峰值，利用该技术可实现低电压除冰。
脉冲线圈利用铜与硅胶材料制成，3D打印技术实现一体化设计；可根据待除冰表面自行选择带倍增器与不带倍增器型号，也同样为3D打印一体化设计；可以根据待安装面的曲率迅速调整脉冲线圈的形状以贴合待安装面。
本发明的有益效果是，可以实现在低电压条件下的脉冲力除冰，减小对飞机的电磁干扰；快装除冰脉冲线圈利用3D打印技术可实现批量生产，分为带倍增器与不带倍增器两种，可以根据待安装面的曲率自动调节匹配安装，极大程度减少了脉冲线圈的制作与安装难题；整套装置便于安装、修理与维护。
附图说明
图1为本发明的电路控制总图。
图2为本发明电路控制流程图。
图3为现有技术与本发明脉冲放电曲线对比图，
其中，31——单脉冲电流，32——三峰单脉冲电流。
图4为现有技术的除冰效果图。
图5本发明的除冰效果图。
图6为本发明除冰终端的示意图。
图7为图6的正视图。
图8为本发明的脉冲线圈示意图。
41——焊接固定件，42——凵形横向支杆，43——可调节螺栓，44——脉冲线圈，
51——铜线，52——硅胶，53——倍增器，54——间隙，55——紧固件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明技术方案的实施作详细描述。
图1为电路控制总图。如图1所示，该控制电路主要发出放电、充电、保护与触发命令，控制器电路主开关、放电开关、充电开关、触发开关、保护电路以及结冰探测器相连。其工作模式为：当结冰探测器探测到冰层并发出除冰信号时，控制器打开除冰主开关；开启充电模式，电压调节到合适值，完成储能电容的充电；开启放电开关，放电电路(包括储能电容、SCR与脉冲线圈)开启工作模式，快装除冰装置形成电磁脉冲力施加于待除冰区；储能电容与电压传感器相连，将电压不够的信号反馈给控制器，让控制器继续发出充电命令；放电电路中的SCR由触发控制电路完成，控制器启动触发开关完成一次触发模式，延时发生器控制脉冲峰值的产生。充放电电路均受保护电路的保护。
图2为电路控制逻辑图。当结冰探测器探测到结冰时，开启电路主开关，首先判断电路是否过载，过载则开启电路保护装置，安全则打开充电开关，使储能电容和触发电容同时充电。当储能电容完成设定值时，表示触发电容充电完成，否则继续充电。判断放电电路是否安全，如果安全则打开第1号SCR，形成放电脉冲电流。传统模式下的除冰脉冲放电模式是分别开启一组或多组电容器形成单脉冲单峰值的放电电流，其缺点是充电电压高，限制该设备的使用。区别于传统模式下的单峰脉冲除冰方式，该设计在第一次脉冲尚未完成时，紧接着启动第2号SCR，使1、2号相连的电容器组同时向除冰区域放电，同样设定好时间继电器，在放电未完成时启动第3号SCR，使1至3号的电容器组同时向除冰区域放电，按照RCL振荡电路原理，根据除冰需要设定合适的延时等待时间、电压与电容值，就可以形成一个单脉冲多峰的电流，其示意图如图3所示。在该逻辑中时间继电器开启前仍会询问除冰是否完成，如果除冰完成可直接关掉主开，还需继续除冰的话则按上述方式设定延时等待时间，完成本次脉冲放电。单次脉冲除冰后发现仍有冰层存在，则返回到充电电路，开始新一轮的循环。
图3、图4和图5为电流与除冰效果示意图，其中曲线31为现有技术中单脉冲电流；曲线32为本发明设计的三峰单脉冲电流(不局限于三峰)，其电压可为传统模式下的1/3。假如曲线31的放电电压为900V时，曲线32的放电电压仅需300V，根据瞬态电磁涡流分析模型与冰层失效分析模型，可计算得到曲线31电流计算下的除冰效果图4和曲线32电流计算下的除冰效果图5，浅色为剩余冰层，深色为已去除的冰层。比较两图可发现运用该控制逻辑进行电路设计不仅可以降低脉冲电压，还能有效保证除冰效率。详细计算原理及参数设定可参考“李清英.电脉冲除冰系统的实验、理论与设计研究.南京：南京航空航天大学，2012”。
图6和图7为本发明的快装电脉冲除冰装置。41为焊接在待除冰面的固定件，可根据待除冰表面选择合适位置固定，灵活性较大；42为安装除冰装置的固定件，悬挂于41上；43为螺栓，安装在横向支杆42上；44为脉冲线圈，分两种型号，详见图5。该装置的特点是，当待除冰面发生改变时，只需要调节螺栓43的长短，使脉冲线圈44随待除冰面曲率改变直至保证其贴合度再固定住，由此可以较好地将脉冲力施加于待除冰面；当44发生损坏时，可以直接取下更换，便于修理与维护。
图8为本发明的脉冲线圈，其材质为铜线51和硅胶52，铜线51是螺旋镶嵌在硅胶52中，区别于传统的绕制方法，该线圈可利用3D打印技术加工而成，其优点是铜线51与硅胶52可以完美贴合，硅胶52既是支座，又是铜线的绝缘层，两者一体化制作，解决传统铜线绕线复杂、铜线绝缘层磨损、绕制线圈易脱壳等问题。倍增器53为导电性强的非铁磁性金属，根据待除冰面材质而选择是否安装，当待除冰面为非金属或者非常薄时可选择该装置；同样采用3D打印技术，与铜线51和硅胶52形成一个整体，但保证倍增器53与铜线51之间留有一定间隙54，倍增器53由硅胶52支撑；此设计改变了传统倍增器固定于待除冰面的安装局限，不仅可以减少传统设计与安装的复杂性，还可以有效保证线圈与待除冰面的距离。同时根据牢固程度选择是否在倍增器上增加紧固件55。
Claims (8)
1.一种低压脉冲除冰方法，采用的除冰装置包括电路主开关、控制器、与控制器连接的结冰探测器、放电电路、充电电路、触发控制电路、保护电路和除冰终端，
放电电路经过一个电压传感器与控制器连接，除冰终端分别与放电电路和结冰探测器连接，
充电电路、保护电路和触发控制电路均与放电电路连接，
控制器通过放电开关连接放电电路，
控制器通过充电开关、电压调节器连接充电电路，
控制器通过触发开关、延时发生器连接触发控制电路，
放电电路包括多个由储能电容、功率开关和脉冲线圈组成的放电单元，
其特征在于，所述的低压脉冲除冰方法，包括步骤：
当结冰探测器探测到结冰时，开启电路主开关，首先判断电路是否过载，过载则开启电路保护装置，安全则打开充电开关，使储能电容和触发电容同时充电；
当储能电容完成设定值时，表示触发电容充电完成，否则继续充电；
判断放电电路是否安全，如果安全则打开第一功率开关，形成放电脉冲电流；
在第一次脉冲尚未完成时，紧接着启动第二功率开关，使得分别与第一功率开关和第二功率开关相连的第一、第二储能电容同时向除冰区域放电。
2.如权利要求1所述的低压脉冲除冰方法，其特征在于，在所述放电未完成时启动第三功率开关，使第一、第二储能电容和与第三功率开关相连的第三储能电容同时向除冰区域放电。
3.如权利要求1和2所述的低压脉冲除冰方法，其特征在于，在启动功率开关前，检测除冰是否完成，
如果除冰完成则直接关掉主开关，还需继续除冰的，则设定延时等待时间，完成本次放电除冰，
单次除冰后发现仍有冰层存在，则返回到充电电路，开始新一轮的除冰。
4.如权利要求1所述的低压脉冲除冰方法，其特征在于，所述的除冰终端是一个快装除冰装置，包括由多个可调节螺栓支撑连接的脉冲线圈，多个可调节螺栓固定于凵形横向支杆上，通过可调节螺栓的调节，使脉冲线圈随待除冰面曲率改变直至保证其贴合固定。
5.如权利要求1所述的低压脉冲除冰装置，其特征在于，所述的脉冲线圈是由铜线与硅胶制成，利用3D打印技术加工，将铜线螺旋镶嵌在硅胶中，硅胶既是支座，又是铜线的绝缘层。
6.如权利要求5所述的低压脉冲除冰装置，其特征在于，
根据待除冰面材质，当待除冰面为非金属或者薄材时，所述的脉冲线圈设有材料为非铁磁性金属的倍增器，该倍增器与脉冲线圈一体化制作，倍增器由硅胶支撑，与铜线保留有间隙，保证了待除冰面与铜线之间的距离。
7.如权利要求6所述的低压脉冲除冰装置，其特征在于，倍增器上设有紧固件。
8.如权利要求1所述的低压脉冲除冰装置，其特征在于，所述功率开关是SCR。
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