Aplicații pentru UAV-uri conectate prin cablu
Piața dronelor și UAV-urilor (aeronave fără pilot la bord) conectate prin cablu crește într-un ritm semnificativ. Creșterea de 61% în 2020 față de anul anterior se datorează unui număr tot mai mare de aplicații și utilizări care pot beneficia de o platformă aeriană persistentă. Spre deosebire de modelele neconectate, cu timp limitat de funcționare, UAV-urile conectate nu necesită transportarea sursei primare de energie, mărindu-se astfel sarcina utilă. Acestea pot menține niveluri înalte de anduranță de până la 24 de ore, la înălțimi de până la 200 de metri, într-o largă varitate de condiții meteorologice. Aplicațiile includ, printre multe altele, securitatea, colectarea de date și aplicațiile de supraveghere. Capacitatea de zbor extinsă a acestora le conferă caracterul adecvat pentru asigurarea rețelelor de comunicații de urgență în timpul unei crize umanitare, monitorizarea stingerii incendiilor în complexuri industriale de mari dimensiuni și filmarea evenimentelor sportive de mărimi considerabile desfășurate în exterior. Pe măsură ce apar noi aplicații pentru UAV-urile conectate, se înmulțesc și provocările tehnice. Dorința de a integra mai multe capacități în UAV mărește sarcina utilă, iar beneficiile obținute prin extinderea înălțimii operaționale impun o rezistență mărită la înaintare asupra cablului. De asemenea, creșterea timpului de zbor dictează o monitorizare de siguranță avansată, asigurarea unei surse electrice de rezervă, precum și funcții de siguranță de tipul unei parașute.
Provocări tehnice în alimentarea unei UAV conectate prin cablu
Alimentarea electrică a unei UAV conectate prin cablu prezintă unele provocări tehnice. Cerințele de alimentare ale UAV-urilor provin din motoarele de acționare ale rotoarelor, componentele electronice de comandă și sarcina aplicației, iar dintre acestea, motoarele utilizează proporția cea mai mare din puterea disponibilă. Trecerea unei cantități suficiente de curent electric printr-un cablu lung presupune pierderi la transmisie din cauza rezistenței din cablu. Obținerea sarcinii maxime necesită o greutate a cablului care să determine o rezistență minimă la înaintare, generând constrângeri asupra grosimii conductorului. Conductorii mai subțiri măresc rezistența cablului, care devine din ce în ce mai semnificativă odată cu creșterea altitudinii de funcționare.
Pentru a atinge cerințele de livrare a puterii pentru UAV, singura opțiune fiabilă care menține scăzute pierderile de distribuție este de a transmite o înaltă tensiune prin cablu și de a transforma curentul electric la nivelurile necesare în interiorul UAV. Greutatea fiind constrângerea critică, componentele de transformare a energiei trebuie, de asemenea, să fie ușoare. Utilizarea unei înalte tensiuni DC scade curentul transmis prin cablu (I=P/V), permițând diametre mici ale conductorului din cablu și reducând pierderile I2R. Tendința industriei este de orientare către transmiterea a până la 400VDC prin cablu și utilizarea unuia sau mai multor convertoare DC/DC în UAV pentru a alimenta motoarele rotoarelor și circuitele aplicației.
Alegerea unui convertor DC/DC cu intrare de înaltă tensiune
Deși există numeroase convertoare DC/DC disponibile la o gamă largă de furnizori, găsirea unuia compatibil cu o tensiune de intrare de până la 400 VDC restrânge considerabil opțiunile disponibile. Convertorul trebuie să aibă și un raport mare de conversie, coborând tensiunea până la, de exemplu, 48 VDC.
Un exemplu de convertor DC/DC adecvat pentru această sarcină este seria Vicor BCM6123 de module convertoare de magistrală pentru înaltă tensiune.
Figura 1: Un convertor cu raport fix poate ridica și coborî tensiunea de intrare, fiind adecvat pentru conversia bidirecțională a curentului electric. (Sursa: Vicor)
Seria BCM6123 are un raport de transformare fix, denumit factorul K, având o înaltă eficiență, de 98%. Spre exemplu, BCM6123xD1E5135T01 acceptă o tensiune de intrare de până la 400VDC, are un factor K de 1/8, fiind capabil de a furniza până la 1,750 wați. Convertoarele cu raport fix, denumite și convertoare de magistrală, nu încorporează de obicei regularizarea tensiunii de ieșire, cu toate că aceasta se poate obține folosind convertoare DC/DC în aval, după cum este necesar. Deoarece convertoarele cu raport fix nu includ componente de regularizare a tensiunii, acestea au potențialul pentru randament înalt și prezintă densități crescute ale puterii. Pierderile termice reduse simplifică necesitatea pentru gestionare termică, ceea ce poate reduce și mai mult greutatea.
Figura 1 ilustrează un convertor izolat cu raport fix și factor K de 1/12. Mulțumită construcției seriei BCM, acestea pot fi folosite fie la ridicarea, fie la coborârea tensiunii. Rețineți că atunci când este utilizat pentru funcționare inversă, la crearea unei tensiuni înalte dintr-o sursă de tensiune joasă, convertorul trebuie mai întâi pornit în modul normal. În acest exemplu, din tensiunea de intrare de 400 VDC se obține o tensiune la ieșire de 33 VDC. În mod analog, o tensiune de intrare de 33 VDC pe partea de joasă tensiune produce o tensiune de ieșire de 400 VDC. Seria Vicor BCM de convertoare cu raport fix se poate configura în paralel pentru cerințe de înaltă putere la ieșire sau în serie pentru a obține o tensiune de ieșire mai ridicată.
Seria BCM folosește o topologie cu convertor sinusoidal de amplitudine (SAC – Sine Amplitude Converter) pentru a furniza niveluri înalte de randament al conversiei. Majoritatea topologiilor pentru convertoare DC/DC folosesc ciclul de lucru al circuitului de comutare al lățimii de impuls modulat (PWM) pentru a controla ieșirea secundară de putere. Din constrângeri practice privind menținerea la minimum a pierderilor din aparatul de comutare, frecvența PWM este cel mai des limitată la câteva sute de kHz.
Figura 2: Un circuit simplificat al unui convertor sinusoidal de amplitudine. (Sursa: Vicor)
SAC este o topologie rezonantă în transformator. Convertorul de comutare funcționează la frecvența de rezonanță fixă a circuitului echivalent LC de pe partea primară. Efectuarea comutării la punctele de zero elimină pierderile de putere din dispozitivele în comutație, îmbunătățind semnificativ randamentul conversiei, precum și reducând generarea undelor sonore armonice de ordin înalt. Spre deosebire de varierea ciclului de lucru PWM, care folosește un semnal de acționare cu undă pătrată, convertorul SAC folosește o frecvență mult mai ridicată, de obicei cu valori de câțiva MHz, reglând amplitudinea semnalului de acționare pentru a permite sarcini de ieșire crescute. În plus, folosirea unei frecvențe de comutație ridicate ajută la scăderea dimensiunii transformatorului, care la rândul său devine mai ușor.
Efecte asupra liniei de transmisie
Caracteristicile de circuit ale cablurilor de conectare necesită investigație în timpul procesului de proiectare, factorii critici fiind rezistența, impedanța și inductanța pe unitate de lungime.
Cablurile scurte funcționează ca un circuit RLC, însă cablurile mai lungi sunt similare cu o linie de transmisie, cu atribute RLC distribuite. Simularea conexiunii ajută la tratarea efectelor asupra liniei de transmisie, în special cu privire la supracurenții de intrare la pornirea inițială. Terminația corectă a unei conexiuni cu un filtru de ieșire poate reduce impactul supracurenților de intrare asupra UAV. În general, dacă durata de creștere a unui curent excesiv este de peste zece ori mai mare decât întârzierea de pe linie, cablul de conectare este considerat scurt.
Figura 3: Exemplu de aplicație pentru alimentarea UAV cu un cablu de 400 VDC (Sursa: Vicor)
Exemplu practic de alimentare a unei UAV
Figura 3 de mai jos ilustrează o diagramă funcțională simplificată pentru o soluție de transmisie DC la înaltă tensiune pentru UAV. O sursă de alimentare de 400 VDC pentru UAV folosește patru convertoare de magistrală cu raport fix BCM6123 pentru a furniza izolație și o sursă magistrală de 48 VDC. Tensiunea din magistrală alimentează direct motoarele rotoarelor, iar două convertoare DCM DC/DC transformă tensiunea de magistrală de 48 VDC în surse separate de 12 VDC și 24 VDC pentru a alimenta electronicele de comandă și telemetrie, precum și camera video de pe UAV.
În această configurație, a fost obținută o sursă de alimentare integrată de 5 kW cu o densitate a puterii de 2,750 W/in3, cu o greutate totală a convertorului de putere (4 BCM și 2 DCM) de doar 222 grame.
Capacitățile bidirecționale ale convertorului BCM îi conferă și calitatea adecvată pentru a fi o sursă de alimentare la sol pentru UAV. Alimentarea de la o baterie de 48 VDC va furniza cei 400 VDC pentru alimentarea conexiunii.
Concluzie
Convertoarele de magistrală de înaltă tensiune, cu raport fix, sunt un mod extrem de eficient de alimentare a unei UAV conectate. Având cerințe minime de disipare termică, o abordare economică a spațiului și greutate redusă, acestea permit inginerilor proiectanți de UAV să crească la maximum sarcina utilă și să reducă rezistența la înaintare a cablului. De asemenea, caracteristicile EMI reduse ale convertorului sinusoidal de amplitudine reduc necesitatea componentelor voluminoase de filtrare, mărind și mai mult capacitățile sarcinii UAV.
Autor:
Mark Patrick
Mouser Electronics
Authorised Distributor
www.mouser.com
Urmărește-ne pe Twitter