RU2811167C1 - Device for charging uav from overhead power lines - Google Patents
Device for charging uav from overhead power lines Download PDFInfo
- Publication number
- RU2811167C1 RU2811167C1 RU2023123267A RU2023123267A RU2811167C1 RU 2811167 C1 RU2811167 C1 RU 2811167C1 RU 2023123267 A RU2023123267 A RU 2023123267A RU 2023123267 A RU2023123267 A RU 2023123267A RU 2811167 C1 RU2811167 C1 RU 2811167C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- charging
- uav
- charging station
- frame
- line wire
- Prior art date
Links
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 claims abstract description 4
- 210000002105 tongue Anatomy 0.000 claims description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000003550 marker Substances 0.000 description 6
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 5
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 5
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 3
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 3
- -1 for example Substances 0.000 description 2
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 1
- 238000009395 breeding Methods 0.000 description 1
- 230000001488 breeding effect Effects 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000013011 mating Effects 0.000 description 1
- 239000010445 mica Substances 0.000 description 1
- 229910052618 mica group Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 1
- 230000007306 turnover Effects 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к области систем управления и автоматизации, а также электроэнергетики, и предназначено для обеспечения автоматического (без участия человека) заряда аккумуляторных батарей беспилотных летательных аппаратов (далее БПЛА) от провода ВЛ.The invention relates to the field of control and automation systems, as well as electric power, and is intended to provide automatic (without human intervention) charging of batteries of unmanned aerial vehicles (hereinafter referred to as UAVs) from an overhead line wire.
Известен беспилотный летательный аппарат мультикоптерного типа, подзаряжаемый от воздушных линий электропередач, содержащий расположенный на наружной поверхности аппарата размыкаемый кольцевой магнитопровод, при обхвате которым провода воздушной линии электропередач переменного тока происходит заряд аккумуляторных батарей аппарата от ЭДС, индуцируемой во вторичной катушке данного магнитопровода. Магнитопровод расположен на вертикальной оси симметрии в нижней части беспилотного летательного аппарата мультикоптерного типа в форме симметрично расположенных и симметрично разводящихся полуколец, образующих токовые клещи. БПЛА выполнен с возможностью такого включения двигателей, при котором БПЛА переворачивается из висячего состояния в устойчивое состояние полета, при котором захваченный провод оказывается в крайнем нижнем положении внутреннего пространства токовых клещей на оси симметрии аппарата, после этого клещи разводятся в стороны и БПЛА осуществляет свободный полет, выходя из зацепления с проводом, при этом появляется возможность использования магнитопровода, выполненного в форме клещей, для удержания полезного груза и сброса его в необходимой точке, БПЛА включает в себя вторичную катушку на магнитопроводе, цепь заряда АКБ с контроллером заряда, АКБ, механизм разведения и сведения полуколец магнитопровода (патент РФ 2760429, опубл. 25.11.2021).A multicopter-type unmanned aerial vehicle is known, recharged from overhead power lines, containing an openable ring magnetic circuit located on the outer surface of the device, when it wraps around the wires of an overhead AC power line, the batteries of the device are charged from the EMF induced in the secondary coil of this magnetic circuit. The magnetic core is located on the vertical axis of symmetry in the lower part of the multicopter-type unmanned aerial vehicle in the form of symmetrically located and symmetrically spreading half-rings, forming current clamps. The UAV is configured with the possibility of turning on the engines in such a way that the UAV turns over from a hanging state to a stable flight state, in which the captured wire is in the lowest position of the internal space of the current clamps on the axis of symmetry of the device, after which the clamps are moved apart and the UAV carries out free flight, coming out of engagement with the wire, in this case it becomes possible to use a magnetic core made in the form of pliers to hold the payload and dump it at the required point, the UAV includes a secondary coil on the magnetic core, a battery charging circuit with a charge controller, a battery, a breeding mechanism and information on magnetic circuit half-rings (RF patent 2760429, published 11/25/2021).
Недостатками данного устройства является сложность и недостаточная надежность конструкции и процесса его установки на провод ВЛ, а также необходимость снабжения данным устройством каждого БПЛА в отдельности, что увеличивает его габариты и ухудшает летные характеристики.The disadvantages of this device are the complexity and insufficient reliability of the design and the process of its installation on the overhead line, as well as the need to supply each UAV with this device separately, which increases its dimensions and worsens its flight characteristics.
Также известен способ монтажа маркеров, закрепляемых на проводах и молниезащитных тросах воздушных линий электропередачи, с помощью беспилотных летательных аппаратов, заключающийся в том, что в ручном режиме управления или в автоматическом режиме управления при помощи бортового компьютера по радиоканалу регулируемыми захватами, закрепленными на несущей конструкции беспилотного летательного аппарата, удерживают маркер, затем по радиосигналу включают электродвигатели с винтами-пропеллерами, поднимают маркер и транспортируют его к месту монтажа, при этом маневрируют беспилотным летательным аппаратом таким образом, чтобы он завис в положении, когда провод или молниезащитный трос линии электропередач располагаются под нижней прорезью, выполненной в маркере, после позиционирования беспилотного летательного аппарата над проводом или молниезащитным тросом освобождают захват и сбрасывают на провод или трос маркер, имеющий клиновидную прорезь в нижней части, осуществляя первоначальный захват провода или троса маркером, с последующей автоматической фиксацией маркера посредством зажимов (патент РФ 2690697, опубл. 05.06.2019).There is also a known method for installing markers attached to wires and lightning protection cables of overhead power lines using unmanned aerial vehicles, which consists in the fact that in manual control mode or in automatic control mode using an on-board computer via a radio channel, adjustable grippers attached to the supporting structure of the unmanned aerial vehicle aircraft, hold the marker, then turn on the electric motors with propellers using a radio signal, lift the marker and transport it to the installation site, while maneuvering the unmanned aerial vehicle so that it hovers in a position where the wire or lightning protection cable of the power line is located under the bottom a slot made in the marker, after positioning the unmanned aerial vehicle over the wire or lightning protection cable, the grip is released and the marker, which has a wedge-shaped slot in the lower part, is dropped onto the wire or cable, carrying out the initial capture of the wire or cable with the marker, followed by automatic fixation of the marker using clamps (patent RF 2690697, publ. 06/05/2019).
Недостатком данного способа является недостаточная надежность конструкции механизма установки на провод ВЛ, поскольку в отсутствие направляющих, которые сопряжены с зажимом, при транспортировке шара вследствие вибраций первый зажим может выйти за пределы клиновидной прорези и после сброса шар может об него стукнуться, (и при малом расстоянии центра тяжести) перевернуться и упастьThe disadvantage of this method is the insufficient reliability of the design of the installation mechanism on the overhead line wire, since in the absence of guides that are associated with the clamp, when transporting the ball due to vibrations, the first clamp can go beyond the wedge-shaped slot and after dropping the ball can hit it (even at a small distance center of gravity) turn over and fall
Технический результат, достигаемый заявляемым изобретением, заключается в упрощении и увеличении надежности процесса зарядки аккумуляторных батарей БПЛА от провода ВЛ, в том числе процесса установки устройства для зарядки БПЛА на провод ВЛ.The technical result achieved by the claimed invention is to simplify and increase the reliability of the process of charging UAV batteries from an overhead line, including the process of installing a device for charging the UAV on an overhead line.
Заявляемый технический результат достигается тем, что устройство для зарядки БПЛА от провода воздушной линии электропередачи представляет собой зарядную станцию, размещаемую на проводе воздушной линии электропередачи, и адаптер для зарядной станции, размещаемый на БПЛА, требующем зарядки, зарядная станция содержит раму, в верхней части которой на основании смонтирована выполненная из диэлектрического материала посадочная платформа, в которой выполнена многогранная воронка, рама имеет форму клина, содержащего места крепления оборудования, расположенные в нижней части рамы, при этом угол клина выполнен скругленным, обеспечивающим фиксацию зарядной станции на проводе воздушной линии электропередачи после сбрасывания зарядной станции с БПЛА, доставляющего зарядную станцию на провод, в основании установлена передающая катушка индуктивности, к которой подключен генератор знакопеременных импульсов, установленный на раме, с внутренней стороны рама снабжена рейками для позиционирования провода воздушной линии электропередачи относительно устройства отбора мощности и раскрытия соединенных между собой в верхней части при помощи шарнира полуколец магнитопровода устройства отбора мощности, расположенного соосно со скруглением угла клина, рейки выполнены подвижными и соединены с корпусом устройства отбора мощности и рамой при помощи шарниров, в верхней части рамы выполнены крепления для установки зарядной станции в замки, закрепленные на БПЛА, доставляющем устройство для зарядки на провод воздушной линии электропередачи, крепления выполнены с возможностью опускания ниже верхней кромки воронки посадочной платформы после сброса зарядной станции с БПЛА, выход устройства отбора мощности подсоединен ко входу выпрямителя, соединенного с системой заряда и защиты аккумуляторных батарей БПЛА, включающей в себя преобразователь напряжения, ко входу которого подсоединен выпрямитель, и схему включения дополнительной нагрузки, также соединенную с выпрямителем, выход преобразователя напряжения соединен с аккумуляторными батареями, к которым подсоединены схема балансировки напряжений и схема защиты от переразряда аккумуляторных батарей системы заряда и защиты аккумуляторных батарей, подключенной к генератору знакопеременных импульсов, адаптер для зарядной станции содержит установленный на БПЛА, требующем зарядки, ответную для многогранной воронки часть, представляющую собой N присоединенных к нижней части БПЛА направляющих, соединенных между собой зарядной пластиной, в которой установлена приемная катушка индуктивности, соединенная с выпрямителем, который в свою очередь соединен с системой контроля зарядки БПЛА, требующего зарядки.The claimed technical result is achieved in that the device for charging a UAV from an overhead power line wire is a charging station placed on an overhead power line wire, and an adapter for the charging station placed on a UAV requiring charging; the charging station contains a frame, in the upper part of which a landing platform made of dielectric material is mounted on the base, in which a multifaceted funnel is made, the frame has the shape of a wedge containing equipment fastening points located in the lower part of the frame, while the corner of the wedge is made rounded, ensuring fixation of the charging station on the overhead power line wire after dropping charging station with a UAV delivering the charging station to the wire; a transmitting inductor coil is installed at the base, to which an alternating pulse generator mounted on the frame is connected; on the inside, the frame is equipped with slats for positioning the overhead power line wire relative to the power take-off device and opening the interconnected in the upper part, by means of a hinge of the semi-rings of the magnetic circuit of the power take-off device, located coaxially with the rounding of the wedge angle, the slats are made movable and connected to the body of the power take-off device and the frame using hinges, in the upper part of the frame there are fastenings for installing the charging station in locks mounted on A UAV delivering a charging device to an overhead power line wire, the mounts are configured to be lowered below the upper edge of the landing platform funnel after dropping the charging station from the UAV, the output of the power take-off device is connected to the input of a rectifier connected to the UAV battery charging and protection system, including it includes a voltage converter, to the input of which a rectifier is connected, and an additional load switching circuit, also connected to the rectifier, the output of the voltage converter is connected to the batteries, to which a voltage balancing circuit and a battery overdischarge protection circuit of the battery charging and protection system are connected, connected to the generator of alternating pulses, the adapter for the charging station contains, installed on the UAV requiring charging, a counter part for the multifaceted funnel, which represents N guides attached to the bottom of the UAV, interconnected by a charging plate, in which a receiving inductor coil is installed, connected to a rectifier , which in turn is connected to the charging control system of the UAV requiring charging.
Угол клина составляет 50-75 градусов.The wedge angle is 50-75 degrees.
Места крепления оборудования выполнены в виде пластин.Equipment mounting points are made in the form of plates.
В месте контакта рамы с проводом воздушной линии электропередачи на раме выполнены зубья.At the point where the frame contacts the overhead power line wire, the frame has teeth.
Крепления для установки зарядной станции в замки, закрепленные на БПЛА, доставляющем устройство, выполнены в виде язычков или крючков.The fasteners for installing the charging station into locks attached to the UAV delivering the device are made in the form of tongues or hooks.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где: The essence of the invention is illustrated by drawings, where:
- на Фиг. 1 представлено устройство для зарядки беспилотных летательных аппаратов от провода ВЛ с подлетающим к ней БПЛА для зарядки; - in Fig. 1 shows a device for charging unmanned aerial vehicles from an overhead line with a UAV flying up to it for charging;
- на Фиг. 2 представлена а) функциональная схема устройства для зарядки беспилотных летательных аппаратов от провода ВЛ и б) функциональная схема системы заряда и защиты аккумуляторных батарей.- in Fig. Figure 2 shows a) a functional diagram of a device for charging unmanned aerial vehicles from an overhead line and b) a functional diagram of the battery charging and protection system.
Устройство для зарядки БПЛА от провода воздушной линии электропередачи (Фиг. 1) представляет собой зарядную станцию 1, размещаемую на проводе 2 ВЛ. Зарядная станция 1 содержит основание 3, на котором установлена посадочная платформа 4 для БПЛА 5, требующего зарядки. Основание 3 установлено на верхней части рамы 6, имеющей форму клина, содержащего места 7 крепления оборудования, например, в виде пластин. Угол клина выполнен скругленным, таким, чтобы провод ВЛ 2 попадал в клин при сбрасывании зарядной станции с БПЛА, доставляющего зарядную станцию на провод ВЛ (на чертеже не показан). Преимущественно, угол клина должен составлять 50-75 градусов, что обеспечивает одновременно высокую вероятность попадания зарядной станции на провод ВЛ при сбрасывании ее с БПЛА и снижает, таким образом, требования к точности позиционирования зарядной станции над проводом ВЛ, а также максимальную устойчивость зарядной станции на проводе ВЛ после ее установки. В месте контакта рамы 6 с проводом ВЛ на раме выполнены зубья (на чертеже не показаны) для увеличения надежности фиксации зарядной станции на проводе за счет зацепления зубьев за жилы провода ВЛ.The device for charging a UAV from an overhead power line wire (Fig. 1) is a charging station 1 located on the overhead power line wire 2. The charging station 1 contains a base 3 on which a landing platform 4 is mounted for a UAV 5 requiring charging. The base 3 is installed on the upper part of the frame 6, which has the shape of a wedge, containing places 7 for attaching equipment, for example, in the form of plates. The corner of the wedge is made rounded, so that the overhead line 2 wire falls into the wedge when the charging station is dropped from a UAV delivering the charging station to the overhead line wire (not shown in the drawing). Mainly, the wedge angle should be 50-75 degrees, which simultaneously ensures a high probability of the charging station hitting the overhead line when dropped from a UAV and thus reduces the requirements for the accuracy of positioning of the charging station over the overhead line, as well as the maximum stability of the charging station on overhead line wire after its installation. At the point of contact of frame 6 with the overhead line wire, teeth are made on the frame (not shown in the drawing) to increase the reliability of fixing the charging station on the wire by engaging the teeth with the conductors of the overhead line wire.
В посадочной платформе 4 выполнена многогранная воронка 8 для установки БПЛА 5, его позиционирования и фиксации относительно зарядной станции. Преимущественное количество граней воронки – четыре, по наиболее распространенному типу БПЛА – квадрокоптеры. Посадочная платформа 4 выполнена из диэлектрического материала, например, из пластика.In the landing platform 4 there is a multi-faceted funnel 8 for installing the UAV 5, its positioning and fixation relative to the charging station. The predominant number of funnel faces is four; the most common type of UAV is quadcopter. The landing platform 4 is made of dielectric material, for example, plastic.
В зарядной станции, для передачи энергии к БПЛА, используется принцип беспроводной зарядки на основе передающей и приемной катушек индуктивности, реализующийся следующим образом. В основании 3 – в днище воронки 8 – установлена плоская передающая катушка индуктивности 9 с воздушным сердечником, к которой подключен генератор знакопеременных импульсов 10, установленный на раме 6, в месте 7 крепления оборудования. In the charging station, to transfer energy to the UAV, the principle of wireless charging is used based on transmitting and receiving inductors, implemented as follows. At the base 3 - at the bottom of the funnel 8 - there is a flat transmitting inductor 9 with an air core, to which an alternating pulse generator 10 is connected, mounted on the frame 6, at the equipment mounting location 7.
На БПЛА 5, требующем зарядки, также установлена приемная катушка индуктивности 11. Катушки устанавливаются таким образом, чтобы после осуществления позиционирования БПЛА на зарядной станции в воронке, катушки оказались максимально близко друг к другу, но при этом разделены изолятором, выполненным из материала, обладающим наилучшей диэлектрической прочностью, например, полиэтилена или слюды, способным выдержать фазное напряжение ВЛ. Таким образом, электрическая схема БПЛА гальванически отвязана от электрической схемы зарядной станции и напряжения фазного провода ВЛ, а электрическая мощность на БПЛА передается без использования механических контактных групп.A receiving inductor coil 11 is also installed on the UAV 5 that requires charging. The coils are installed in such a way that after positioning the UAV at the charging station in the funnel, the coils are as close to each other as possible, but at the same time separated by an insulator made of a material that has the best dielectric strength, for example, polyethylene or mica, capable of withstanding the phase voltage of an overhead line. Thus, the electrical circuit of the UAV is galvanically isolated from the electrical circuit of the charging station and the voltage of the phase wire of the overhead line, and electrical power is transmitted to the UAV without the use of mechanical contact groups.
Для этого БПЛА 5, требующий зарядки, оснащен адаптером 13 для зарядной станции, содержащим ответную для многогранной воронки часть, представляющую собой N, преимущественно четыре, присоединенных к нижней части БПЛА 5 направляющих 12, соединенных между собой зарядной пластиной, в которой установлена приемная катушка индуктивности 11, соединенная с выпрямителем 24, который в свою очередь соединен с системой контроля зарядки 25 БПЛА 5. Приемная катушка 11 принимает энергию от передающей катушки 9 и передает ее через выпрямитель 24 и систему контроля зарядки 25 на аккумуляторные батареи 26 БПЛА 5. Наличие на посадочной платформе многогранной воронки 8 и ответной части на БПЛА в виде направляющих 12 позволяет снизить требования к точности позиционирования при посадке БПЛА 5 на зарядную станцию.For this purpose, the UAV 5 requiring charging is equipped with an adapter 13 for the charging station, containing a counter part for the multifaceted funnel, which is N, mainly four, attached to the bottom of the UAV 5 guides 12, interconnected by a charging plate in which a receiving inductor coil is installed 11, connected to a rectifier 24, which in turn is connected to the charging control system 25 of the UAV 5. The receiving coil 11 receives energy from the transmitting coil 9 and transmits it through the rectifier 24 and the charging control system 25 to the batteries 26 of the UAV 5. Presence on the landing The platform of the multifaceted funnel 8 and the mating part on the UAV in the form of guides 12 allows reducing the requirements for positioning accuracy when landing the UAV 5 on the charging station.
С внутренней стороны рама 6 снабжена рейками 14 для позиционирования провода ВЛ 2 относительно устройства отбора мощности 15 и раскрытия соединенных между собой в верхней части при помощи шарнира полуколец магнитопровода устройства отбора мощности 15, расположенного соосно со скруглением угла клина. Устройство отбора мощности от провода ВЛ может быть выполнено, например, согласно патенту РФ № 2634931. Устройство отбора мощности 15 закреплено на раме 6. Рейки 14 выполнены подвижными и соединены с корпусом устройства отбора мощности 15 и рамой 6 при помощи шарниров для точного позиционирования провода ВЛ относительно устройства отбора мощности при размыкании магнитопровода.On the inside, the frame 6 is equipped with slats 14 for positioning the overhead line 2 wire relative to the power take-off device 15 and opening the semi-rings of the magnetic circuit of the power take-off device 15, connected to each other in the upper part by a hinge, located coaxially with the rounding of the wedge corner. The power take-off device from the overhead line wire can be made, for example, according to RF patent No. 2634931. The power take-off device 15 is mounted on the frame 6. The rails 14 are made movable and connected to the body of the power take-off device 15 and the frame 6 using hinges for precise positioning of the overhead line wire relative to the power take-off device when the magnetic circuit opens.
Аккумуляторные батареи 16 для зарядки БПЛА 5 располагаются с внешней стороны в нижней части рамы 6 в местах 7 крепления оборудования в целях смещения центра тяжести устройства для зарядки вниз относительно провода ВЛ на расстояние, обеспечивающее достаточно устойчивое нахождение устройства на проводе.Rechargeable batteries 16 for charging the UAV 5 are located on the outside in the lower part of the frame 6 at the equipment mounting points 7 in order to shift the center of gravity of the charging device down relative to the overhead line wire to a distance that ensures a sufficiently stable location of the device on the wire.
Функциональная схема зарядной станции (Фиг. 2а, 2б) содержит выпрямитель 17, ко входу которого подсоединено устройство отбора мощности 15. Выпрямитель 17 преобразует поступающее от устройства отбора мощности 15 переменное напряжение в постоянное. The functional diagram of the charging station (Fig. 2a, 2b) contains a rectifier 17, to the input of which a power take-off device 15 is connected. The rectifier 17 converts the alternating voltage coming from the power take-off device 15 into direct voltage.
Выпрямитель 17 соединен с системой 18 заряда и защиты аккумуляторных батарей 18, включающей в себя преобразователь напряжения 19, ко входу которого подсоединен выпрямитель 17, и схему включения дополнительной нагрузки 20, также соединенную с выпрямителем 17. Выход преобразователя напряжения 19 соединен с аккумуляторными батареями 16. Преобразователь напряжения 19 предназначен для преобразования поступающего от устройства отбора мощности 15 напряжения в фиксированное, обеспечивая зарядку аккумуляторных батарей 16 и защиту их от перезаряда, а также для ограничения зарядного тока, согласно характеристикам используемых батарей, что увеличивает срок их службы. В систему 18 заряда и защиты аккумуляторных батарей также входит схема балансировки напряжений 21 и схема 23 защиты от переразряда аккумуляторных батарей, подсоединенные к аккумуляторным батареям 16. Схема 23 защиты от переразряда включает в себя, например, электронные ключи, программируемый стабилитрон, резисторы (на чертеже не показаны).The rectifier 17 is connected to a system 18 for charging and protecting batteries 18, which includes a voltage converter 19, to the input of which a rectifier 17 is connected, and an additional load switching circuit 20, also connected to the rectifier 17. The output of the voltage converter 19 is connected to the batteries 16. The voltage converter 19 is designed to convert the voltage coming from the power take-off device 15 into a fixed one, providing charging of the batteries 16 and protecting them from overcharging, as well as limiting the charging current, according to the characteristics of the batteries used, which increases their service life. The battery charging and protection system 18 also includes a voltage balancing circuit 21 and a battery overdischarge protection circuit 23 connected to the batteries 16. The overdischarge protection circuit 23 includes, for example, electronic switches, a programmable zener diode, resistors (in the drawing not shown).
Система 18 заряда и защиты аккумуляторных батарей обеспечивает повышение надежности процесса зарядки путем выполнения следующих функций: преобразует поступающее напряжение в фиксированное и ограничивает ток; защищает аккумуляторные батареи от перезаряда, обеспечивает балансировку аккумуляторных батарей; обеспечивает индикацию состояния батарей; в случае протекания недостаточного тока в ВЛ и питания БПЛА от аккумуляторных батарей станции, отключает БПЛА от зарядки при недостаточном заряде батарей станции, тем самым продлевая их жизненный цикл; в случае отключения БПЛА от зарядки, при заряженных аккумуляторных батареях станции, а также при излишне снимаемой мощности с линии при больших протекающих токах в ВЛ с помощью электронных ключей подключается дополнительная нагрузка, что позволяет избежать работы устройства отбора мощности на холостом ходу. В противном случае это может привести к росту напряжения на выходе токового трансформатора устройства отбора мощности до значений способных вывести зарядную станцию из строя.The battery charging and protection system 18 improves the reliability of the charging process by performing the following functions: converts the incoming voltage into a fixed voltage and limits the current; protects batteries from overcharging, ensures battery balancing; provides battery status indication; in the event of insufficient current flowing in the overhead line and powering the UAV from the station’s batteries, disconnects the UAV from charging when the station’s batteries are not sufficiently charged, thereby extending their life cycle; in the event that the UAV is disconnected from charging, when the station’s batteries are charged, as well as when there is excessive power removed from the line at high currents flowing in the overhead line, an additional load is connected using electronic keys, which avoids the operation of the power take-off device at idle. Otherwise, this may lead to an increase in the voltage at the output of the current transformer of the power take-off device to values that can damage the charging station.
Система 18 заряда и защиты аккумуляторных батарей подключена к генератору знакопеременных импульсов 10, преобразующему постоянное напряжение в переменное напряжение высокой частоты и подающему его на передающую индуктивную катушку 9. Повышение частоты позволяет повысить эффективность беспроводной передачи энергии к БПЛА 5 и снизить габариты передающей катушки индуктивности 9.The system 18 for charging and protecting batteries is connected to an alternating pulse generator 10, which converts direct voltage into high-frequency alternating voltage and supplies it to the transmitting inductive coil 9. Increasing the frequency makes it possible to increase the efficiency of wireless energy transfer to the UAV 5 and reduce the dimensions of the transmitting inductive coil 9.
Адаптер беспроводной зарядки 13 помимо приемной катушки индуктивности 11 содержит выпрямитель 24, вход которого соединен с приемной катушкой индуктивности, а выход – с системой контроля зарядки 25 БПЛА 5. Приемная катушка 11 улавливает энергию, излучаемую передающей катушкой 9, и подаёт её на выпрямитель 24. Выпрямитель 24 преобразует переменное напряжение в постоянное, подаваемое в систему контроля зарядки 25 БПЛА 5. Система контроля зарядки 25 БПЛА 5 контролирует процесс заряда аккумуляторной батареи 26 БПЛА 5, регулирует подачу энергии на него, а также отключает приемную катушку 11 при достижении заряда аккумуляторных батарей 26 БПЛА 100%.The wireless charging adapter 13, in addition to the receiving inductor 11, contains a rectifier 24, the input of which is connected to the receiving inductor, and the output is connected to the charging control system 25 of the UAV 5. The receiving coil 11 collects the energy emitted by the transmitting coil 9 and supplies it to the rectifier 24. The rectifier 24 converts alternating voltage into direct voltage, supplied to the charging control system 25 of the UAV 5. The charging control system 25 of the UAV 5 monitors the charging process of the battery 26 of the UAV 5, regulates the supply of energy to it, and also turns off the receiving coil 11 when the battery 26 is charged. UAV 100%.
Система контроля зарядки 25 БПЛА 5 предназначена для отключения входа аккумуляторных батарей 26 при достижении ими полного заряда, и подачи энергии с ограничением по току и напряжению. Система контроля зарядки 25 состоит, как правило, из преобразователя напряжения, электронных ключей, программируемых стабилитронов и резисторов (на чертеже не показаны).The charging control system 25 of the UAV 5 is designed to turn off the input of the batteries 26 when they reach full charge, and supply energy with limited current and voltage. The charging control system 25 consists, as a rule, of a voltage converter, electronic switches, programmable zener diodes and resistors (not shown in the drawing).
В верхней части рамы 6 симметрично выполнены два крепления 27 в виде язычков или крючков для установки зарядной станции 1 в электронные замки, установленные в нижней части БПЛА, доставляющего устройство для зарядки на провод ВЛ (на чертеже не показано). Язычки или крючки снабжены пружинами, при помощи которых они опускаются ниже верхней кромки воронки посадочной платформы 4 после сброса БПЛА-доставщиком устройства для зарядки на провод ВЛ. Открытие и закрытие замков механизма сброса БПЛА-доставщика осуществляется при помощи сервоприводов, установленных на БПЛА-доставщике.In the upper part of the frame 6, two fastenings 27 are symmetrically made in the form of tongues or hooks for installing the charging station 1 into electronic locks installed in the lower part of the UAV delivering the charging device to the overhead line (not shown in the drawing). The tongues or hooks are equipped with springs, with the help of which they are lowered below the upper edge of the funnel of the landing platform 4 after the delivery UAV drops the charging device onto the overhead line wire. Opening and closing of the locks of the delivery UAV release mechanism is carried out using servos installed on the delivery UAV.
Аккумуляторные батареи 16, генератор знакопеременных импульсов 10, выпрямитель 17, система заряда и защиты аккумуляторных батарей 18 располагаются в местах 7 крепления оборудования так, чтобы обеспечивать расположение центра тяжести всей зарядной станции в ее плоскости симметрии, проходящей через ось фазного провода ВЛ и обеспечивать сдвиг центра тяжести конструкции вниз от провода ВЛ на расстояние, обеспечивающее устойчивое вертикальное положение конструкции на проводе ВЛ. Batteries 16, alternating pulse generator 10, rectifier 17, battery charging and protection system 18 are located in equipment mounting points 7 so as to ensure the location of the center of gravity of the entire charging station in its plane of symmetry passing through the axis of the phase wire of the overhead line and ensure a shift of the center the weight of the structure down from the overhead line wire to a distance that ensures a stable vertical position of the structure on the overhead line wire.
Устройство для зарядки беспилотных летательных аппаратов от провода ВЛ работает следующим образом. A device for charging unmanned aerial vehicles from an overhead line works as follows.
Установка устройства для зарядки БПЛА на провод ВЛ 2 осуществляется при помощи БПЛА, доставляющего устройство для зарядки к проводу ВЛ (на чертеже не показано). БПЛА-доставщик подлетает к проводу ВЛ 2 сверху, осуществляя сброс устройства для зарядки на провод ВЛ посредством подачи управляющего сигнала на сервопривод электронного замка. Электронный замок открывается, освобождая крепления 27, после чего они при помощи пружин опускаются ниже верхней кромки воронки 8 посадочной платформы 4.Installation of the UAV charging device on the overhead line 2 wire is carried out using a UAV delivering the charging device to the overhead line wire (not shown in the drawing). The delivery UAV flies up to the overhead line 2 wire from above, releasing the charging device onto the overhead line wire by sending a control signal to the servo drive of the electronic lock. The electronic lock opens, releasing the fasteners 27, after which they are lowered using springs below the upper edge of the funnel 8 of the landing platform 4.
После сброса зарядная станция 1 приземляется на провод ВЛ 2 и фиксируется на нем благодаря выполнению угла клина в диапазоне 50-75 градусов, что является достаточным для попадания провода в клин. Устойчивость устройства для зарядки на проводе ВЛ обеспечивается также расположением аккумуляторных батарей 16 другого оборудования зарядной станции в местах крепления оборудования 7 в нижней части рамы 6 с тем, чтобы обеспечить максимально низкое расположение центра тяжести устройства для зарядки относительно провода ВЛ. Рейки 14 направляют провод 2 ВЛ к устройству отбора мощности 15, провод давит на одну из подвижных реек 14, что приводит к более легкому размыканию полуколец магнитопровода устройства отбора мощности путем давления сначала на рейку, что приводит к отодвиганию в сторону не только ее, но и полукольца, соединенного с ней. Зарядная станция 1 фиксируется на проводе 2 ВЛ.After the reset, the charging station 1 lands on the overhead line 2 wire and is fixed on it due to the wedge angle being in the range of 50-75 degrees, which is sufficient for the wire to get into the wedge. The stability of the charging device on the overhead line wire is also ensured by the location of the batteries 16 of other charging station equipment in the mounting points of the equipment 7 in the lower part of the frame 6 in order to ensure the lowest possible location of the center of gravity of the charging device relative to the overhead line wire. The racks 14 direct wire 2 of the overhead line to the power take-off device 15, the wire presses on one of the movable racks 14, which leads to an easier opening of the half-rings of the magnetic circuit of the power take-off device by first pressing on the rack, which leads to moving aside not only it, but also half ring connected to it. Charging station 1 is fixed on wire 2 of the overhead line.
БПЛА, требующий зарядки 5 аккумуляторных батарей, с помощью бортового навигационного устройства или с помощью ручного управления приземляется на посадочную платформу 4 зарядной станции.The UAV, requiring charging of 5 batteries, lands on the landing platform 4 of the charging station using an on-board navigation device or using manual control.
При посадке БПЛА 5 в воронку 8 посадочной платформы 4 направляющие 12 ответной части БПЛА 5 для воронки 8 входят в воронку 8 и фиксируют приемную катушку 11, расположенную внутри зарядной пластины, максимально близко к передающей катушке 9, расположенной в основании 3 зарядной станции.When landing the UAV 5 into the funnel 8 of the landing platform 4, the guides 12 of the mate of the UAV 5 for the funnel 8 enter the funnel 8 and fix the receiving coil 11 located inside the charging plate, as close as possible to the transmitting coil 9 located in the base 3 of the charging station.
При протекании тока в фазном проводе ВЛ, являющимся первичной обмоткой токового трансформатора устройства отбора мощности 15, в его вторичной обмотке возникает переменная ЭДС, используемая для зарядки аккумуляторных батарей зарядной станции. When current flows in the phase wire of the overhead line, which is the primary winding of the current transformer of the power take-off device 15, an alternating EMF appears in its secondary winding, which is used to charge the batteries of the charging station.
Выводы вторичной обмотки устройства отбора мощности 15 подключены к выпрямителю 17 для преобразования переменного напряжения в постоянное. Выпрямленное напряжение подается в систему 18 заряда и защиты аккумуляторов, преобразующую напряжение и ограничивающую электрический ток до оптимальных для заряда аккумуляторных батарей 16 значений при помощи преобразователя напряжения 19. В случае полного заряда аккумуляторных батарей 16, влекущего за собой отсутствие потребления мощности со вторичной обмотки устройства отбора мощности 15 или при протекании в фазном проводе 2 ВЛ повышенных токов, для защиты электронных систем зарядной станции от перенапряжения схема включения дополнительной нагрузки 20 системы 18 заряда и защиты аккумуляторных батарей выполняет подключение дополнительной нагрузки 20 в виде резистора при помощи полупроводниковых или релейных ключей параллельно выходам вторичной обмотки устройства отбора мощности 16.The terminals of the secondary winding of the power take-off device 15 are connected to the rectifier 17 to convert alternating voltage to direct voltage. The rectified voltage is supplied to the battery charging and protection system 18, which converts the voltage and limits the electric current to optimal values for charging the batteries 16 using a voltage converter 19. In the case of a full charge of the batteries 16, which entails no power consumption from the secondary winding of the selection device power 15 or when high currents flow in phase wire 2 of the overhead line, to protect the electronic systems of the charging station from overvoltage, the circuit for switching on an additional load 20 of the charging and battery protection system 18 connects an additional load 20 in the form of a resistor using semiconductor or relay switches parallel to the outputs of the secondary windings of the power take-off device 16.
В ходе эксплуатации аккумуляторных батарей, в случае разбалансировки напряжений на их отдельных аккумуляторных элементах, подключенная к аккумуляторным батареям схема 21 балансировки напряжений выполняет разряд отдельных, наиболее заряженных аккумуляторных элементов посредством коммутации их электронными ключами на резистивную нагрузку.During operation of the batteries, in the event of voltage imbalance on their individual battery cells, the voltage balancing circuit 21 connected to the batteries discharges the individual, most charged battery cells by switching them with electronic switches to a resistive load.
Напряжение с аккумуляторных батарей 16 подается на генератор знакопеременных импульсов 10 через схему 23 защиты от переразряда, отключающую питание генератора знакопеременных импульсов 10 при падении напряжения на аккумуляторных батареях 16 ниже допустимого значения. Генератор знакопеременных импульсов 10 преобразует постоянное напряжение от аккумуляторных батарей 16 в переменные импульсы, подающиеся на передающую индуктивную катушку 9 и вызывающие возникновение переменного электромагнитного поля вокруг неё.The voltage from the batteries 16 is supplied to the alternating pulse generator 10 through an overdischarge protection circuit 23, which turns off the power to the alternating pulse generator 10 when the voltage on the batteries 16 drops below the permissible value. The alternating pulse generator 10 converts direct voltage from the batteries 16 into alternating pulses that are supplied to the transmitting inductive coil 9 and causing the appearance of an alternating electromagnetic field around it.
При нахождении БПЛА 5 с соответствующей приемной катушкой индуктивности 11 в воронке 8 посадочной платформы 4 зарядной станции, благодаря эффекту индукции, под воздействием магнитного поля в приемной катушке 11 возникает переменный электрический ток. Ток подается на выпрямитель 24, а затем к системе контроля зарядки 25 БПЛА, расположенные на БПЛА 5. Система контроля заряда 26 БПЛА заряжает аккумуляторные батареи 26 БПЛА, преобразуя напряжение и ограничивая поступающий на аккумуляторную батарею ток до значений, соответствующих режиму эксплуатации аккумуляторных батарей БПЛА. When the UAV 5 with the corresponding receiving inductor coil 11 is located in the funnel 8 of the landing platform 4 of the charging station, due to the induction effect, under the influence of a magnetic field, an alternating electric current arises in the receiving coil 11. The current is supplied to the rectifier 24, and then to the UAV charging control system 25, located on the UAV 5. The UAV charge control system 26 charges the UAV batteries 26, converting the voltage and limiting the current supplied to the battery to values corresponding to the operating mode of the UAV batteries.
После зарядки аккумуляторных батарей 26 БПЛА до необходимых значений БПЛА 5 осуществляет взлет из воронки 8 посадочной платформы 4 зарядной станции.After charging the UAV batteries 26 to the required values, the UAV 5 takes off from the funnel 8 of the landing platform 4 of the charging station.
Таким образом, заявляемое устройство для зарядки беспилотных летательных аппаратов от провода ВЛ позволяет обеспечить надежную зарядку аккумуляторных батарей БПЛА как за счет механической конструкции устройства, так и электронной схемы зарядной станции.Thus, the inventive device for charging unmanned aerial vehicles from an overhead line allows for reliable charging of UAV batteries both due to the mechanical design of the device and the electronic circuit of the charging station.
Claims (5)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2811167C1 true RU2811167C1 (en) | 2024-01-11 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2016103264A1 (en) * | 2014-12-24 | 2016-06-30 | Noam Cohen | A method and apparatus for extending range of small unmanned aerial vehicles - multicopters |
| RU2015139675A (en) * | 2015-09-17 | 2017-03-22 | Олег Спартакович Черненко | ELECTRIC UNMANNED AIRCRAFT CHARGING FROM THE ELECTRIC TRANSMISSION LINE |
| RU2617320C1 (en) * | 2016-04-29 | 2017-04-24 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") | Unmanned aerial vehicle |
| RU209690U1 (en) * | 2021-10-04 | 2022-03-18 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | DEVICE FOR INCREASING DURATION AND RANGE OF FLIGHT OF UNMANNED AERIAL VEHICLE |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2016103264A1 (en) * | 2014-12-24 | 2016-06-30 | Noam Cohen | A method and apparatus for extending range of small unmanned aerial vehicles - multicopters |
| RU2015139675A (en) * | 2015-09-17 | 2017-03-22 | Олег Спартакович Черненко | ELECTRIC UNMANNED AIRCRAFT CHARGING FROM THE ELECTRIC TRANSMISSION LINE |
| RU2617320C1 (en) * | 2016-04-29 | 2017-04-24 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") | Unmanned aerial vehicle |
| RU209690U1 (en) * | 2021-10-04 | 2022-03-18 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | DEVICE FOR INCREASING DURATION AND RANGE OF FLIGHT OF UNMANNED AERIAL VEHICLE |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10023057B2 (en) | Contactless charger and battery management | |
| Campi et al. | High efficiency and lightweight wireless charging system for drone batteries | |
| KR101764496B1 (en) | Active rectifier for wireless power transfer system and vehicle assembly using same and operating method thereof | |
| KR102181510B1 (en) | Contactless charging system for charging a motor vehicle battery | |
| KR20180022260A (en) | Three-phase AC power wirelessly-chargable unmanned aerial vehicle and three-phase AC power wirelessly-charging apparatus for the same | |
| US20120161535A1 (en) | Device and method for selectively controlling multiple transmission coils in wireless power transmission device | |
| US20130187605A1 (en) | Apparatus and method for active balancing of series cells and series packs in a battery system | |
| US20130002201A1 (en) | System and method of integrated battery charging and balancing | |
| WO2016103264A1 (en) | A method and apparatus for extending range of small unmanned aerial vehicles - multicopters | |
| CN205051397U (en) | Unmanned aerial vehicle is charging device independently | |
| TW201336200A (en) | Battery equalization circuits for series charging/discharging and controlling methods thereof | |
| CN104756346A (en) | Power line reactance module and applications | |
| WO2013031589A1 (en) | Battery charger, and charging station | |
| Obayashi et al. | 85-kHz band 450-W inductive power transfer for unmanned aerial vehicle wireless charging port | |
| RU2811167C1 (en) | Device for charging uav from overhead power lines | |
| CN111884358A (en) | Patrol unmanned aerial vehicle wireless charging system, device and method based on high-voltage line energy obtaining | |
| US11738651B2 (en) | Flying device | |
| CN111108016A (en) | Hybrid charging system | |
| Lan et al. | A 100W 6.78 MHz inductive power transfer system for drones | |
| WO2011158051A1 (en) | System and method for charge balancing and/or charging electrical energy-storing units | |
| US10978245B2 (en) | Low voltage wireless power transfer pad | |
| Voznesenskii | Automated battery charging system for multi-rotor aerial vehicles | |
| WO2021023986A1 (en) | Universal aerial power supply system for a tethered small unmanned aerial vehicle | |
| KR20170053966A (en) | System for wirelessly transferring three-phase AC power and unmanned aerial vehicle using the same | |
| WO2020175584A1 (en) | Wireless electric power transmission system, power transmission device, power reception device, and mobile body |