RU2483396C1 - Aerodrome power module operating on fuel elements - Google Patents
Aerodrome power module operating on fuel elements Download PDFInfo
- Publication number
- RU2483396C1 RU2483396C1 RU2012103611/07A RU2012103611A RU2483396C1 RU 2483396 C1 RU2483396 C1 RU 2483396C1 RU 2012103611/07 A RU2012103611/07 A RU 2012103611/07A RU 2012103611 A RU2012103611 A RU 2012103611A RU 2483396 C1 RU2483396 C1 RU 2483396C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fuel elements
- control
- fuel
- fuel cell
- monitoring
- Prior art date
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Abstract
Description
Изобретение относится к энергетике и может использоваться в автономных, резервных, мобильных аэродромных и авиационных энергоустановках.The invention relates to energy and can be used in autonomous, standby, mobile airfield and aviation power plants.
Известна энергоустановка на топливных элементах (патент RU 2356134 C1 от 20.05.2009), которая позволяет согласовывать диапазон рабочих напряжений стандартного инвертора с выходным напряжением генератора на топливных элементах (ТЭ). Данная установка содержит генератор на топливных элементах, инвертор, стабилизатор, DC-DC преобразователь и блок автоматического управления и контроля. Недостатком устройства является: невозможность обеспечить бортовые потребители воздушного судна напряжениями согласно ГОСТ 19705-89; отсутствие аппаратуры защиты.A known fuel cell power plant (patent RU 2356134 C1 of 05.20.2009), which allows you to coordinate the operating voltage range of a standard inverter with the output voltage of a fuel cell generator (FC). This installation contains a fuel cell generator, an inverter, a stabilizer, a DC-DC converter, and an automatic control and monitoring unit. The disadvantage of this device is: the inability to provide on-board consumers of the aircraft with voltages according to GOST 19705-89; lack of protection equipment.
Наиболее близким к заявляемому устройству является авиационная энергоустановка с генератором на топливных элементах (заявка на изобретение №2010143066/07(061899) от 20.10.2010 г.), которая позволяет преобразовывать энергию топливных элементов в электрическую энергию согласно ГОСТ 19705-89, а наличие блока защиты исключает подачу напряжения на нагрузку при аварийных режимах. Данная установка содержит генератор на топливных элементах, инвертор, стабилизатор, DC-DC преобразователь, блок автоматического управления и контроля и блок защиты. Недостатком устройства является: невозможность контроля состояния каждого топливного элемента в батарее и отключение неисправных от работы, отключение всей системы в случае выхода из строя одного топливного элемента в батарее, необходимость использования стабилизаторов напряжения и DC-DC преобразователей.Closest to the claimed device is an aircraft power plant with a generator on fuel cells (application for invention No. 201043066/07 (061899) dated 10.20.2010), which allows the energy of fuel cells to be converted into electrical energy according to GOST 19705-89, and the presence of a unit protection excludes supply of voltage to the load during emergency conditions. This installation contains a fuel cell generator, an inverter, a stabilizer, a DC-DC converter, an automatic control and monitoring unit, and a protection unit. The disadvantage of this device is: the inability to control the status of each fuel cell in the battery and disconnecting malfunctioning from operation, shutting down the entire system in the event of failure of one fuel cell in the battery, the need to use voltage stabilizers and DC-DC converters.
Техническим результатом, достигаемым предлагаемым устройством, является возможность обеспечения энергией потребителей при выходе из строя одного или нескольких топливных элементов в генераторе, оптимизация работы топливных элементов: уменьшение расхода топлива топливных элементов, увеличение ресурса работы топливных элементов, увеличение КПД энергоустановки.The technical result achieved by the proposed device is the ability to provide energy to consumers in the event of failure of one or more fuel cells in the generator, optimizing the operation of fuel cells: reducing fuel consumption of fuel cells, increasing the life of fuel cells, increasing the efficiency of a power plant.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемое устройство, содержащее генератор на топливных элементах, инвертор, блок автоматического управления, контроля и защиты, дополнительно введены: N блоков датчиков топливных элементов, выходы которых объединены и соединены с первым входом блока управления, контроля и защиты; коммутатор, выход которого является выходом устройства и соединен со вторым входом блока управления, контроля, первый выход которого является первым входом коммутатора, второй выход соединен с N входами инверторов, а выходы соединены с N выходами топливных элементов.The specified technical result is achieved by the fact that in the proposed device containing a generator for fuel cells, an inverter, an automatic control, monitoring and protection unit, the following are additionally introduced: N blocks of fuel cell sensors, the outputs of which are combined and connected to the first input of the control, monitoring and protection unit ; a switch, the output of which is the output of the device and connected to the second input of the control unit, control, the first output of which is the first input of the switch, the second output is connected to the N inputs of the inverters, and the outputs are connected to the N outputs of the fuel cells.
Сущность заявляемого устройства заключается в том, что аэродромный энергомодуль на топливных элементах обеспечивает питание потребителей воздушного судна переменным током согласно ГОСТ 19705-89 посредством установки датчиков, контролирующих такие параметры топливных элементов, как выходное напряжение, ток, температура и давление реагентов. Каждый топливный элемент, работая совместно с мостовым инвертором, вырабатывает однофазный трехуровневый сигнал посредством ШИМ-управления блоком контроля, защиты и управления. Для получения высоковольтного напряжения необходимо соединять последовательно мостовые инверторы, а подключив их соответствующим образом, можно сформировать трехфазное напряжение. Информация о состоянии топливных элементов от датчиков поступает в блок контроля, управления и защиты, в котором происходит определение количества и способа подключения топливных элементов для обеспечения требуемых параметров источника по следующему принципу:The essence of the claimed device lies in the fact that the airfield energy module on fuel cells provides AC power to the aircraft consumers according to GOST 19705-89 by installing sensors that monitor fuel cell parameters such as output voltage, current, temperature and pressure of the reactants. Each fuel cell, working in conjunction with a bridge inverter, produces a single-phase three-level signal through PWM control unit monitoring, protection and control. To obtain a high-voltage voltage, bridge inverters must be connected in series, and by connecting them accordingly, a three-phase voltage can be formed. Information about the state of the fuel cells from the sensors enters the control, control and protection unit, in which the quantity and method of connecting the fuel cells are determined to provide the required source parameters according to the following principle:
а) заданным значением напряжения является напряжение нагрузки и число фаз. Блок управления, контроля и защиты последовательно соединяет топливные элементы, начиная с первого, до достижения эталонного значения, а при необходимости трехфазной сети соединяет топливные элементы в нейтрали и выход;a) the set voltage value is the load voltage and the number of phases. The control, monitoring and protection unit sequentially connects the fuel elements, starting from the first, until the reference value is reached, and if necessary, a three-phase network connects the fuel elements in neutral and the output;
б) работоспособность топливного элемента по значению температурного датчика определяется критическим значением температуры, которое меняется в зависимости от типа используемых топливных элементов. Процессор контролирует указанный параметр во всех топливных элементах одновременно и в случае достижения критического значения подает сигнал в мостовой инвертор на отключение неисправного и подключение исправного;b) the efficiency of the fuel cell by the value of the temperature sensor is determined by the critical temperature value, which varies depending on the type of fuel cells used. The processor monitors the specified parameter in all fuel cells at the same time and, if a critical value is reached, sends a signal to the bridge inverter to turn off the faulty and connect the working one;
в) работоспособность топливного элемента по значению датчика давления определяется критическим значением давления реагентов, которое меняется в зависимости от типа используемых топливных элементов. Процессор контролирует указанный параметр во всех топливных элементах одновременно и в случае достижения критического значения подает сигнал в мостовой инвертор на отключение неисправного и подключение исправного.c) the efficiency of the fuel cell by the value of the pressure sensor is determined by the critical value of the pressure of the reagents, which varies depending on the type of fuel cells used. The processor monitors the specified parameter in all fuel cells at the same time and, in case of reaching a critical value, sends a signal to the bridge inverter to turn off the faulty and connect the working one.
Блок управления, контроля и защиты осуществляет общий контроль выходных электрических параметров и формирует управляющие сигналы на мостовые инверторы, формирователь напряжения и в случае возникновения аварийных режимов формирует сигнал, отключающий генератор на топливных элементах от нагрузки.The control, monitoring and protection unit carries out general control of the output electrical parameters and generates control signals to the bridge inverters, voltage generator and, in the event of emergency conditions, generates a signal that disconnects the fuel cell generator from the load.
На чертеже изображена функциональная схема предлагаемого устройства, где обозначено: 1 - топливные элементы; 2 - датчики; 3 - мостовые инверторы; 4 - коммутатор; 5 - блок управления, контроля и защиты.The drawing shows a functional diagram of the proposed device, where it is indicated: 1 - fuel cells; 2 - sensors; 3 - bridge inverters; 4 - switch; 5 - control unit, control and protection.
Топливные элементы 1 являются источником низковольтного постоянного напряжения, который вырабатывается при поступлении на анод и катод окислителя и восстановителя. Мостовые инверторы, работая совместно с ними, вырабатывают трехуровневое низковольтное напряжение. Коммутируя выходы мостовых инверторов последовательно, возможно получать на нагрузке высокие однофазные и трехфазные напряжения. Датчики 2 определяют значения тока, напряжения, давления и температуру реагентов, которые передаются в блок управления, контроля и защиты 5. Тем самым постоянно контролируется состояние топливной ячейки. Коммутатор 4 состоит из набора управляемых ключей, которые по командам из блока управления, контроля и защиты коммутируют цепь определенным образом, тем самым соединяя мостовые инверторы последовательно, для получения на нагрузке необходимого значения однофазного напряжения либо для получения трехфазного напряжения. При этом коммутатор соединяет необходимое для этого количество работоспособных ТЭ.Fuel cells 1 are a source of low-voltage constant voltage, which is generated when oxidant and reducing agent are supplied to the anode and cathode. Bridge inverters, working together with them, produce a three-level low-voltage voltage. By switching the outputs of the bridge inverters in series, it is possible to obtain high single-phase and three-phase voltages at the load. Sensors 2 determine the values of current, voltage, pressure and temperature of the reagents, which are transmitted to the control unit, control and protection 5. Thus, the state of the fuel cell is constantly monitored. Switch 4 consists of a set of controlled keys, which, according to commands from the control, monitoring and protection unit, switch the circuit in a certain way, thereby connecting bridge inverters in series to obtain the required single-phase voltage value on the load or to obtain a three-phase voltage. At the same time, the switch connects the number of operable fuel cells necessary for this.
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
При подключении нагрузки к выходу устройства однофазного или трехфазного переменного напряжения необходимого номинала сигнал об этом поступает в блок управления, контроля и защиты 5, который посредством сигнала управляет работой ключей коммутатора 4 таким образом, чтобы в зависимости от величины нагрузки и числа фаз соединялось определенное количество топливных элементов 1. Также блок управления, контроля и защиты 5 формирует ШИМ-сигналы управления для каждого мостового инвертора 3, которые формируют трехуровневое однофазное напряжение. При подключении однофазной нагрузки необходимое количество топливных элементов 1 и мостовых инверторов 3 соединяются в последовательную цепь посредством включения ключей в коммутаторе. При включении трехфазной нагрузки ключи коммутатора 4 разбивают топливные элементы на 3 группы, в которых топливные элементы и мостовые инверторы соединены параллельно, а потом уже эти группы соединяют в трехфазную цепь.When the load is connected to the output of a single-phase or three-phase alternating voltage device of the required nominal value, a signal is received about this to the control, monitoring and protection unit 5, which, through the signal, controls the operation of the switch keys 4 in such a way that a certain number of fuel elements 1. Also, the control, monitoring and protection unit 5 generates PWM control signals for each bridge inverter 3, which form a three-level single-phase voltage e. When connecting a single-phase load, the required number of fuel cells 1 and bridge inverters 3 are connected in a serial circuit by turning on the keys in the switch. When you turn on the three-phase load, the keys of the switch 4 divide the fuel cells into 3 groups, in which the fuel cells and bridge inverters are connected in parallel, and then these groups are connected into a three-phase circuit.
При этом встроенные датчики 2 постоянно снимают характеристики с каждого топливного элемента 1 и передают их значения для оценивания в блок управления, контроля и защиты 5. В случае неисправности топливного элемента 1 по сигналу с блока управления, контроля и защиты 5 коммутатор 4 снимает нагрузку с неисправного топливного элемента, отключается мостовой инвертор 3, работающий совместно с неисправным топливным элементом 1, и подключается исправный топливный элемент и мостовой инвертор. Регулирование выходных значений по току и напряжению происходит за счет подключения или отключения топливных элементов 1 в коммутаторе 4. В случае возникновения аварийных режимов сигнал поступает в блок управления, контроля и защиты 5, который воздействует на коммутатор 4 и мостовые инверторы 3, отключает систему от нагрузки, при этом блок управления, контроля и защиты 5 выдает сообщение о характере неисправности.At the same time, the built-in sensors 2 constantly take characteristics from each fuel element 1 and transfer their values for evaluation to the control, monitoring and protection unit 5. In the event of a fuel cell 1 failure, the switch 4 removes the load from the faulty signal from the control, monitoring and protection unit 5 fuel cell, the bridge inverter 3 is turned off, working in conjunction with the faulty fuel cell 1, and a working fuel cell and the bridge inverter are connected. The output current and voltage values are regulated by connecting or disconnecting the fuel elements 1 in the switch 4. In the event of emergency conditions, the signal enters the control, monitoring and protection unit 5, which acts on the switch 4 and bridge inverters 3, disconnects the system from the load while the control unit, control and protection 5 gives a message about the nature of the malfunction.
Отмечается, что возникновение аварийных режимов на выходе устройства по какому-либо виду переменного тока не отменяет работы устройства по переменному току другого вида.It is noted that the occurrence of emergency conditions at the output of the device for any type of alternating current does not cancel the operation of the device for alternating current of another kind.
Управляющие ключи коммутатора могут быть выполнены на карбидокремниевых IGBT или MOSFET силовых транзисторах, обладающих малыми динамическими и статическими потерями.The control keys of the switch can be performed on silicon carbide IGBT or MOSFET power transistors with low dynamic and static losses.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет эффективно использовать энергетические возможности генератора на топливных элементах при обеспечении бортовой системы воздушного судна переменным однофазным и трехфазным напряжением, преобразовывать низковольтные напряжения топливных ячеек в высокие значения с помощью компактных небольших инверторов, при этом экономить ресурс работы топливных элементов и расход топлива, обеспечить информативность оценки неисправностей, повысить КПД энергоустановки и экономически выгодно за счет применения ключей средней и низкой мощности.Thus, the proposed device allows you to effectively use the energy capabilities of the generator on fuel cells while providing the on-board system of the aircraft with alternating single-phase and three-phase voltages, convert low-voltage voltages of fuel cells to high values using compact small inverters, while saving fuel cell life and fuel consumption to provide informative assessment of malfunctions, increase the efficiency of power plants and is economically profitable application of keys of average and low power.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012103611/07A RU2483396C1 (en) | 2012-02-02 | 2012-02-02 | Aerodrome power module operating on fuel elements |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012103611/07A RU2483396C1 (en) | 2012-02-02 | 2012-02-02 | Aerodrome power module operating on fuel elements |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2483396C1 true RU2483396C1 (en) | 2013-05-27 |
Family
ID=48792041
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012103611/07A RU2483396C1 (en) | 2012-02-02 | 2012-02-02 | Aerodrome power module operating on fuel elements |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2483396C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2548833C1 (en) * | 2013-12-09 | 2015-04-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации | Aircraft power supply system |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5283512A (en) * | 1992-04-13 | 1994-02-01 | Hughes Aircraft Company | Charge balancing of batteries during charging |
| US5401589A (en) * | 1990-11-23 | 1995-03-28 | Vickers Shipbuilding And Engineering Limited | Application of fuel cells to power generation systems |
| US5956241A (en) * | 1996-02-26 | 1999-09-21 | Micro Linear Corporation | Battery cell equalization circuit |
| RU2230418C1 (en) * | 2002-12-24 | 2004-06-10 | Груздев Александр Иванович | Digital-screen high-temperature semiconductor current limiter |
| US20060166044A1 (en) * | 2003-06-20 | 2006-07-27 | Pierre Charlat | Fuel cell protection |
| RU2356134C1 (en) * | 2008-03-17 | 2009-05-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "ЦНИИ судовой электротехники и технологии" (ФГУП "ЦНИИ СЭТ") | Fuel cell power plant |
| RU2440644C1 (en) * | 2010-10-20 | 2012-01-20 | Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный авиационный инженерный университет" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Aviation power plant with generator on fuel elements |
-
2012
- 2012-02-02 RU RU2012103611/07A patent/RU2483396C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5401589A (en) * | 1990-11-23 | 1995-03-28 | Vickers Shipbuilding And Engineering Limited | Application of fuel cells to power generation systems |
| US5283512A (en) * | 1992-04-13 | 1994-02-01 | Hughes Aircraft Company | Charge balancing of batteries during charging |
| US5956241A (en) * | 1996-02-26 | 1999-09-21 | Micro Linear Corporation | Battery cell equalization circuit |
| RU2230418C1 (en) * | 2002-12-24 | 2004-06-10 | Груздев Александр Иванович | Digital-screen high-temperature semiconductor current limiter |
| US20060166044A1 (en) * | 2003-06-20 | 2006-07-27 | Pierre Charlat | Fuel cell protection |
| RU2356134C1 (en) * | 2008-03-17 | 2009-05-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "ЦНИИ судовой электротехники и технологии" (ФГУП "ЦНИИ СЭТ") | Fuel cell power plant |
| RU2440644C1 (en) * | 2010-10-20 | 2012-01-20 | Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный авиационный инженерный университет" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Aviation power plant with generator on fuel elements |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2548833C1 (en) * | 2013-12-09 | 2015-04-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации | Aircraft power supply system |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108093658B (en) | System and method for fuel cell system ride through for grid disturbances | |
| JP5705178B2 (en) | Power conversion device, power supply switching device, house, and power conversion method | |
| KR101830666B1 (en) | Power conversion apparatus | |
| JP6635671B2 (en) | Power converter | |
| CN103032264A (en) | Pitch system for a wind energy assembly and method for operating the same | |
| JP2019083689A (en) | Power conditioner, power system, control method of power conditioner | |
| CN106160440B (en) | A kind of direct current system and its control unit and detection method | |
| KR20160044353A (en) | Grid-connected photovoltaics system | |
| JP2022051909A (en) | Charge/discharge device and power supply switching system | |
| KR20110074370A (en) | Method for controlling a power according to generatied value and power conversion apparatus thereof | |
| JP2018061432A (en) | Charge and discharge device | |
| JP5785316B2 (en) | Power converter | |
| RU2483396C1 (en) | Aerodrome power module operating on fuel elements | |
| JP2016103915A (en) | Storage battery system and power storage method | |
| RU2011120444A (en) | POWER SUPPLY INSTALLATION CONTAINING THE FIRST AND SECOND POWER SUPPLY DEVICES | |
| KR101477395B1 (en) | Fuel cell power supply system | |
| RU2591057C1 (en) | Temperature-compensated system of controlled rectifier-charging modules of uninterrupted power supply to consumers with direct current | |
| RU2440644C1 (en) | Aviation power plant with generator on fuel elements | |
| JP2015122841A (en) | Power storage system and power generation system | |
| JP2014130416A (en) | System interconnection device | |
| JP5205654B2 (en) | Distributed DC power supply control circuit | |
| JP5683400B2 (en) | Power control apparatus and power system | |
| JP6023458B2 (en) | Solar cell system | |
| RU2483397C1 (en) | Aircraft engine starting system | |
| RU2594355C2 (en) | Method of electric energy conversion installation configuring and device that implements said method |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140203 |